DE112005001796B4 - Verfahren zum Steuern eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit gesteuerter Selbstzündung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in einer Betriebsart gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, wobei der Motor eine Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen, die durch einen Kolben definiert ist, der innerhalb eines Zylinders zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt hin- und hergeht, einen Einlass- und einen Auslasskanal, ein Kraftstoffbeaufschlagungssystem und ein Einlass- und ein Auslassventil, die während wiederholter aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Arbeitstakte des Kolbens gesteuert werden, enthält, wobei das Verfahren umfasst:Betreiben eines Systems veränderlicher Ventile zum Steuern des Einlass- und des Auslassventils zum Bewirken zylinderinterner Bedingungen, die einer gesteuerten Selbstzündung förderlich sind;Betreiben eines Kraftstofffördersystems zum Bewirken einer zylinderinternen Kraftstoffladung in einem stöchiometrischen oder in einem mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das einer gesteuerten Selbstzündung förderlich ist;Bereitstellen eines Maßes der Motor-NOx-Emission; undwenn die Motor-NOx-Emission einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, Überführen der zylinderinternen Kraftstoffladung aus dem arbeitenden des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in das nicht arbeitende des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis,wobei das Betreiben des Systems veränderlicher Ventile zum Steuern des Einlass- und des Auslassventils zum Bewirken zylinderinterner Bedingungen, die einer gesteuerten Selbstzündung förderlich sind, Folgendes umfasst:Bereitstellen eines Auslassereignisses, während dessen das Auslassventil offen ist, um verbrannte Gase aus der Verbrennungskammer auszustoßen;nach dem Auslassereignis, Bereitstellen einer Periode gleichzeitigen Schließens des Auslass- und des Einlassventils wenigstens während eines Abschnitts des Ansaugtakts des Kolbens, was das Herstellen einer Unterdruckbedingung innerhalb der Verbrennungskammer bewirkt, wobei mit abnehmender Motorlast tiefere Unterdruckbedingungen bewirkt werden; undBereitstellen eines Einlassereignisses, während dessen das Einlassventil offen ist, um Frischluft in die Verbrennungskammer aufzunehmen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit gesteuerter Selbstzündung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Kraftfahrzeugindustrie erforscht im Bemühen, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, die Ziele von Emissionsvorschriften zu erfüllen oder zu überbieten oder Verbrauchererwartungen hinsichtlich der Emissionen, der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und der Produktdifferenzierung zu erfüllen oder zu überbieten, ständig neue Wege, den Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors zu verbessern.
  • Die meisten modernen herkömmlichen Benzin-Verbrennungsmotoren versuchen, um stöchiometrische Bedingungen zu arbeiten, das heißt, ein optimales Luft/Kraftstoff-Verhältnis von im Wesentlichen 14,6 zu 1 zu liefern, das im Wesentlichen zu vollständiger Verbrennung des Kraftstoffs und des Sauerstoffs führt, die an den Motor gefördert werden. Dieser Betrieb ermöglicht die Abgasnachbehandlung durch 3-Wege-Katalysatoren, die irgendwelchen nicht verbrauchten Kraftstoff (HC) und Verbrennungsnebenprodukte wie etwa NOx und CO reinigen. Die meisten modernen Motoren besitzen eine Kraftstoffeinspritzung, entweder eine Zentraleinspritzung (TBI) oder eine Öffnungskraftstoffeinspritzung (MPFI), wobei sich jede von mehreren Einspritzdüsen in der Nähe einer Einlassöffnung bei jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors befindet. Mit einer MPFI-Anordnung wird eine bessere Luft/ Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung erzielt; allerdings begrenzen Bedingungen wie etwa die Wandbenetzung und die Einlassleitungsdynamik die Genauigkeit, mit der diese Steuerung erzielt wird. Durch Zylinderdirekteinspritzung (DI) kann die Kraftstoffförderungsgenauigkeit verbessert werden. So genannte lineare Sauerstoffsensoren schaffen einen höheren Grad der Steuerungsfähigkeit und legen, wenn sie mit der DI verknüpft werden, ein attraktives System mit verbesserter Zylinder-Zylinder-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsfähigkeit nahe. Allerdings wird dann die zylinderinterne Verbrennungsdynamik wichtiger, wobei die Verbrennungsqualität eine zunehmend wichtige Rolle bei der Steuerung von Emissionen spielt. Somit konzentrieren sich die Motorhersteller auf solche Dinge wie Einspritzdüsen-Sprühmuster, Einlassverwirbelung und Kolbengeometrie, um eine verbesserte zylinderinterne Luft/Kraftstoff-Mischung und -Homogenität zu bewirken.
  • Obgleich Systeme mit stöchiometrischem Benzinviertaktmotor- und 3-Wege-Katalysator das Potential haben, äußerst niedrige Emissionsziele zu erfüllen, bleibt die Wirksamkeit dieser Systeme hinter so genannten Magersystemen zurück. Magersysteme sind außerdem vielversprechend bei der Erfüllung von Emissionszielen für NOx durch Verbrennungssteuerungen einschließlich der Technologien hoher Abgasverdünnung und der neu entstehenden NOx-Nachbehandlung. Allerdings stellen sich den Magersystemen noch andere Hürden entgegen, z. B. die Verbrennungsqualität und die Verbrennungsstabilität, insbesondere an Teillast-Arbeitspunkten, und die hohe Abgasverdünnung. Außerdem können neu entstehende NOx-Nachbehandlungstechnologien die periodische Reduzierungsmittelförderung (z. B. von Kraftstoff) zum Regenerieren der Nachbehandlungsvorrichtung erfordern, wodurch die während des Magermotorbetriebs ermöglichten Nettokraftstoffverbrauchsvorteile gefährdet werden.
  • Auf der untersten Ebene enthalten Magermotoren alle Verbrennungsmotoren, die mit überschüssiger Luft gegenüber der betrieben werden, die für die Verbrennung der bereitgestellten Kraftstoffladung erforderlich ist. Die Magertopologien unterscheiden eine Vielzahl von Kraftstoffbeaufschlagungs- und Zündmethodiken. Funkenzündungssysteme (SI) beginnen die Verbrennung dadurch, dass sie in der Verbrennungskammer eine elektrische Entladung bereitstellen. Verdichtungszündungssysteme (CI) beginnen die Verbrennung mit Verbrennungskammerbedingungen einschließlich u. a. Kombinationen aus Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Temperatur und Druck. Die Kraftstoffbeaufschlagungsverfahren können TBI, MPFI und DI enthalten. Systeme mit homogener Ladung sind durch sehr gleich bleibende und gut verdampfte Kraftstoffverteilung innerhalb des Luft/Kraftstoff-Gemischs charakterisiert, wie sie durch MPFI oder durch Direkteinspritzung früh in dem Ansaugzyklus erzielt werden kann. Schichtladungssysteme sind durch weniger gut verdampften und verteilten Kraftstoff innerhalb des Luft/Kraftstoff-Gemischs charakterisiert und sind üblicherweise der Direktkraftstoffeinspritzung spät in dem Verdichtungszyklus zugeordnet.
  • Bekannte Benzin-DI-Motoren können wahlweise gemäß homogener Funkenzündungsbetriebsart oder Schichtfunkenzündungsbetriebsart betrieben werden. Eine homogene funkengezündete Betriebsart wird allgemein für Bedingungen höherer Last ausgewählt, während eine Schichtfunkenzündungsbetriebsart allgemein für Bedingungen niedriger Last ausgewählt wird.
  • Bestimmte DI-Verdichtungszündungsmotoren nutzen ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus vorgeheizter Luft und Kraftstoff und stellen während der Motorverdichtungszyklen Druck- und Temperaturbedingungen her, die eine Verbrennung ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Funkenenergie veranlassen. Dieser Prozess wird gelegentlich gesteuerte Selbstzündung genannt. Die gesteuerte Selbstzündung ist ein vorhersagbarer Prozess und unterscheidet sich somit von unerwünschten Vorzündungsereignissen, die Funkenzündungsmotoren gelegentlich zugeordnet sind. Außerdem unterscheidet sich die gesteuerte Selbstzündung von der gut bekannten Verdichtungszündung in Dieselmotoren, in der der Kraftstoff bei Einspritzung in eine stark vorkomprimierte Hochtemperatur-Luftladung im Wesentlichen sofort zündet, während die vorgeheizte Luft und der Kraftstoff in dem gesteuerten Selbstzündungsprozess vor der Verbrennung während der Einlassereignisse und allgemein bei Verdichtungsprofilen miteinander gemischt werden, die mit herkömmlichen funkengezündeten Viertaktmotorsystemen verträglich sind.
  • Es sind Viertakt-Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden, die die Selbstzündung durch Steuern der Bewegung des Einlass- und des Auslassventils, die einer Verbrennungskammer zugeordnet sind, bereitstellen, um sicherzustellen, dass eine Luft/Kraftstoff-Ladung mit verbrannten Gasen gemischt wird, um ohne die Notwendigkeit einer äußeren Vorheizung der Einlassluft oder der Zylinderladung oder hoher Verdichtungsprofile für die Selbstzündung geeignete Bedingungen zu erzeugen. Diesbezüglich sind bestimmte Motoren vorgeschlagen worden, die ein nockenbetätigtes Auslassventil besitzen, das wesentlich später in dem Viertaktzyklus geschlossen wird, als es in einem funkengezündeten Viertaktmotor herkömmlich ist, um eine wesentliche Überlappung des offenen Auslassventils mit einem offenen Einlassventil zu ermöglichen, wodurch zuvor ausgestoßene verbrannte Gase früh während des Ansaugzyklus in die Verbrennungskammer zurückgezogen werden. Es sind bestimmte weitere Motoren vorgeschlagen worden, die ein Auslassventil besitzen, das wesentlich früher in dem Ausstoßzyklus geschlossen wird, wodurch verbrannte Gase zur nachfolgenden Mischung mit Kraftstoff und Luft während des Ansaugzyklus eingefangen werden. In diesen beiden Motoren werden das Auslass- und das Einlassventil in jedem Viertaktzyklus nur einmal geöffnet. Es sind bestimmte weitere Motoren mit einem hydraulisch gesteuerten Auslassventil vorgeschlagen worden, das während jedes Viertaktzyklus zweimal - einmal zum Ausstoßen verbrannter Gase aus der Verbrennungskammer in den Auslasskanal während des Ausstoßzyklus und einmal zum Zurückziehen verbrannter Gase aus dem Auslasskanal in die Verbrennungskammer spät während des Ansaugzyklus - geöffnet wird. Diese Motoren nutzen unterschiedlich Drosselkörper-, Öffnungs- oder Verbrennungskammer-Direktkraftstoffeinspritzung.
  • Wie vorteilhaft diese Magermotorsysteme auch zu sein scheinen, gibt es, insbesondere bei Teillast-Arbeitspunkten und bei hoher Abgasverdünnung, weiter bestimmte Nachteile in Bezug auf die Verbrennungsqualität, auf die Verbrennungsstabilität und auf die NOx-Emissionen. Diese Nachteile führen zu unerwünschten Kompromissen einschließlich Beschränkungen, wie stark eine Kraftstoffladung während Teillast-Arbeitspunkten effektiv verringert werden kann, während weiter akzeptable Verbrennungsqualitäts- und Verbrennungsstabilitätseigenschaften und Beschränkungen des Nettokraftstoffverbrauchs aufrechterhalten werden.
  • Herkömmliche Verfahren zum Steuern von Verbrennungsmotoren sind aus den Druckschriften DE 199 52 096 C2 , DE 102 28 299 A1 , US 6 276 334 B1 und US 2001 / 0 056 322 A1 bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in einer Betriebsart gesteuerter Selbstzündung betrieben wird. Der Motor enthält eine Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen, die durch einen Kolben definiert ist, der innerhalb eines Zylinders zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt hin- und hergeht, einen Einlass- und einen Auslasskanal, ein Kraftstofffördersystem und ein Einlass- und ein Auslassventil, die während wiederholter aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Arbeitstakte des Kolbens gesteuert werden. Ein System veränderlicher Ventile und ein Kraftstofffördersystem werden zusammenwirkend betrieben, um eine gesteuerte Selbstzündung mit zylinderinternen Kraftstoffladungen zu bewirken, die entweder in einem stöchiometrischen oder in einem mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis sind. Es wird ein Maß der Motor-NOx-Emission bereitgestellt, wobei dann, wenn es einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, die zylinderinterne Kraftstoffladung aus dem arbeitenden des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in das nicht arbeitende des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis überführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Auslassereignis vorgesehen, während dessen das Auslassventil offen ist, um verbrannte Gase aus der Verbrennungskammer auszustoßen. Nach dem Auslassereignis ist eine Periode gleichzeitigen Schließens des Auslass- und des Einlassventils wenigstens während eines Abschnitts des Ansaugtakts des Kolbens vorgesehen, was das Herstellen einer Unterdruckbedingung innerhalb der Verbrennungskammer bewirkt, wobei mit abnehmender Motorlast tiefere Unterdruckbedingungen bewirkt werden. Anschließend ist ein Einlassereignis vorgesehen, während dessen das Einlassventil offen ist, um Frischluft in die Verbrennungskammer aufzunehmen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Einzylinder-Direkteinspritzungs-Viertakt-Verbrennungsmotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;
    • 2 Kurven des Ventilhubs gegenüber dem Kurbelwinkel veranschaulicht, die der Auslass- und Einlassventilphaseneinstellung des verwandten Gebiets eines herkömmlichen funkengezündeten Verbrennungsmotors entsprechen;
    • 3 verschiedene Kurven der Phase und des Hubs des Auslass- und des Einlassventils gegenüber dem Kurbelwinkel und eine bevorzugte Trendentsprechung zur Motorlast entsprechend dem Einzylindermotor aus 1 mit phasengesteuerter Ventilbetätigung zum Bewirken gewünschter zylinderinterner Bedingungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 4 verschiedene Kurven des Zylinderdrucks gegenüber dem Kurbelwinkel und eine bevorzugte Trendentsprechung zur Motorlast zum Bewirken gewünschter zylinderinterner Bedingungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 5 Teillast-Betriebsbereiche und ihnen entsprechende beispielhafte Kraftstoffeinspritzungs-Zeitpläne in Übereinstimmung mit Abgasrücksaugaspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 6 beispielhafte Ventilzeiten, die durch die phasengesteuerte Ventilbetätigung, durch die Kraftstoffeinspritzungsstrategien und durch die Verbrennungsbetriebsarten bewirkt werden, gegenüber Teillastbedingungen des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 7 verschiedene Kurven der Phase und des Hubs des Auslass- und des Einlassventils gegenüber dem Kurvenwinkel und die bevorzugte Trendentsprechung zur Motorlast entsprechend dem Einzylindermotor aus 1 mit phasengesteuerter Ventilbetätigung zum Bewirken gewünschter zylinderinterner Bedingungen in Übereinstimmung mit Abgaseinfang/Abgasrückverdichtungs-Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 8 Teillast-Betriebsbereiche und beispielhafte ihnen entsprechende Kraftstoffeinspritzungs-Zeitpläne in Übereinstimmung mit Abgaseinfang/Rückverdichtungs-Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 9 beispielhafte Ventilzeiten, die durch die phasengesteuerte Ventilbetätigung, durch die Kraftstoffeinspritzungsstrategien und durch die Verbrennungsbetriebsarten bewirkt werden, gegenüber Teillastbedingungen des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 10 vergleichend beispielhafte Kurven des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gegenüber dem effektiven Zylindernettomitteldruck für verschiedene Kombinationen der Steuerung von Abgas-Rücksaugen, Abgasrückverdichtung und Kraftstoffbeaufschlagung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 11 vergleichend resultierende Kurven der NOx-Emissionen gegenüber dem effektiven Zylindernettomitteldruck für verschiedene beispielhafte Kombinationen der Steuerung von Abgas-Rücksaugen, Abgasrückverdichtung und Kraftstoffbeaufschlagung aus 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 12 vergleichend resultierende Kurven des Motorklopfens gegenüber dem effektiven Zylindernettomitteldruck für verschiedene beispielhafte Kombinationen der Steuerung von Abgas-Rücksaugen, Abgasrückverdichtung und Kraftstoffbeaufschlagung aus 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 13 ein Blockdiagramm der Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
    • 14 ein Blockdiagramm der Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
    • 15 ein Blockdiagramm der Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Zunächst anhand von 1 ist schematisch ein beispielhaftes Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotorsystem (Motor) 10 veranschaulicht, das zur Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung gleichfalls auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor anwendbar ist. Der dargestellte beispielhafte Motor 10 ist zur Brennkammerdirekteinspritzung (Direkteinspritzung) von Kraftstoff gegenüber einer Kraftstoffeinspritzdüse 41 konfiguriert gezeigt. In Verbindung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung können auch alternative Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien einschließlich Öffnungskraftstoffeinspritzung oder Zentralkraftstoffeinspritzung verwendet werden; allerdings ist die bevorzugte Vorgehensweise die Direkteinspritzung. Obgleich weithin verfügbare Sorten von Benzin und Leichtethanolgemischen davon bevorzugte Kraftstoffe sind, können bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung ähnlich auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe wie etwa höhere Ethanolgemische (z. B. E80, E85), Reinethanol (E99), Reinmethanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase usw. verwendet werden.
  • In Bezug auf den Basismotor ist in einem Zylinder 13 ein Kolben 11 beweglich und definiert darin eine Verbrennungskammer 15 mit veränderlichem Volumen. Der Kolben 11 ist über eine Pleuelstange 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden und treibt die Kurbelwelle 35 wechselseitig an oder wird durch sie wechselseitig angetrieben. Außerdem enthält der Motor 10 einen Ventilzug 16, der mit einem einzelnen Einlassventil 21 und mit einem einzelnen Auslassventil 23 veranschaulicht ist, obgleich Abwandlungen mit mehreren Einlass- und Auslassventilen gleichfalls zur Nutzung mit der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. Der Ventilzug 16 enthält außerdem ein Ventilbetätigungsmittel 25, das irgendeine einer Vielzahl von Formen einschließlich elektrisch gesteuerter hydraulischer oder elektromechanischer Betätigung (anderweitig als vollflexible Ventilbetätigung FFVA bekannt) und Mehrprofilnocken (anderweitig als Mehrkeulen-Mehrschritt- bekannt) und Auswahlmechanismen, Nockenphasensteller und andere mechanisch veränderbare Ventilbetätigungstechnologien, die einzeln oder in Kombination realisiert sind, annehmen kann. Der Ansaugkanal 17 führt Luft in die Verbrennungskammer 15 zu. Der Fluss der Luft in die Verbrennungskammer 15 wird während Einlassereignissen durch das Einlassventil 21 gesteuert. Die verbrannten Gase werden während Auslassereignissen durch den Auslasskanal 19 aus der Verbrennungskammer 15 ausgestoßen, wobei der Fluss durch das Auslassventil 23 gesteuert wird.
  • Die Motorsteuerung wird durch eine computergestützte Steuerung 27 bereitgestellt, die die Form herkömmlicher Hardware-Konfigurationen und -Kombinationen einschließlich Kraftübertragungsstrang-Controllern, Motor-Controllern und digitalen Signalprozessoren in integrierten und verteilten Architekturen annehmen kann. Im Allgemeinen enthält die Steuerung 27 wenigstens einen Mikroprozessor, einen ROM, einen RAM und verschiedene EA-Vorrichtungen einschließlich A/D- und D/A-Umsetzern und eine Leistungsansteuerungs-Schaltungsanordnung. Außerdem enthält die Steuerung 27 spezifisch Steuerungen für das Ventilbetätigungsmittel 25 und für die Kraftstoffeinspritzdüse 41. Der Controller 27 enthält die Überwachung mehrerer motorbezogener Eingaben von mehreren gewandelten Quellen einschließlich Motorkühlmitteltemperatur, Außenlufttemperatur, Krümmerlufttemperatur, Betreiberdrehmomentanforderungen, Umgebungsdruck, Krümmerdruck in gedrosselten Anwendungen, Verlagerungs- und Positionssensoren wie etwa für Ventilzug- und Motorkurbelwellengrößen und enthält ferner die Erzeugung von Steuerbefehlen für eine Vielzahl von Stellgliedern sowie die Ausführung allgemeiner Diagnosefunktionen. Obgleich die dem Ventilbetätigungsmittel 25 und der Kraftstoffeinspritzdüse 41 zugeordnete Steuer- und Leistungselektronik als einteilig mit dem Controller 27 veranschaulicht und beschrieben ist, kann sie als Teil eines verteilten intelligenten Betätigungsschemas enthalten sein, in dem eine bestimmte Überwachungs- und Steuerfunktionalität in Bezug auf jeweilige Teilsysteme durch programmierbare verteilte Controller realisiert ist, die diesen jeweiligen Ventil- und Kraftstoffsteuerungs-Teilsystemen zugeordnet sind.
  • Nachdem somit die Umgebung und eine bestimmte Anwendungs-Hardware beschrieben wurden, die für die Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wird die Aufmerksamkeit nun auf die 2-15 gelenkt. In 2 sind die Ventilhübe des Einlass- und des Auslassventils eines funkengezündeten herkömmlichen Verbrennungsmotors oder Grundspezifikations-Verbrennungsmotors gegenüber einem vollständigen Viertakt-Verbrennungszyklus dargestellt. In dieser und in den nachfolgenden Figuren sind Auslassventilpläne (EV) mit dünnen Linien veranschaulicht, während Einlassventilpläne (IV) mit dicken Linien veranschaulicht sind. Beginnend bei 0 Grad, was dem oberen Totpunkt (OT) Verbrennungstakt entspricht, sind gegen die horizontale Achse vollständige 720 Grad oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle dargestellt (d. h. die Stellung des Kolbens zu Beginn des Arbeitstakts (Ende des Verdichtungstakts) und endend bei 720 Grad entspricht derselben Stellung des oberen Totpunkts am Ende des Verdichtungstakts (Beginn des Arbeitstakts). Herkömmlich und wie es hier befolgt wird, beziehen sich die Kurbelwellenwinkelstellungen 0 bis 720 auf Grad der Kurbelwellendrehung nach OT Verbrennungstakt. Die aufeinander folgend wiederholten Zyklen sind über die Oberseite der Figur mit doppelseitigen Pfeilen abgegrenzt, die mit ARBEIT, AUSSTOSSEN, ANSAUGEN und VERDICHTEN bezeichnet sind. Jeder dieser Zyklen entspricht der Kolbenbewegung zwischen jeweiligen oberen Totpunktstellungen und unteren Totpunktstellungen und umfasst vollständige 180 Grad der Kurbelwellendrehung oder ein Viertel des vollständigen Viertaktzyklus.
  • In der vorliegenden beispielhaften Darstellung der Erfindung wurde bei der Realisierung der Ventil- und Kraftstoffbeaufschlagungssteuerungen und der Erfassung der verschiedenen hier verkörperten Daten ein Benzin-Direkteinspritzungs-kraftstoffbeaufschlagter Viertakt-Einzylinder-0,55-Liter-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Selbstzündung genutzt. Sofern nicht spezifisch etwas anderes diskutiert ist, ist angenommen, dass alle diese Realisierungen und Erfassungen unter Standardbedingungen ausgeführt werden, wie sie für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet selbstverständlich sind.
  • In Übereinstimmung mit bestimmten Ventilsteuerungsaspekten der vorliegenden Erfindung wird während des Teillastbetriebs des Motors innerhalb der Verbrennungskammer, vorzugsweise mittels FFVA oder einer Phasensteuerungs-Ventilbetätigung, die das Öffnen und Schließen eines oder mehrere Einlass- und Auslassventile betätigt. Wie er hier verwendet wird, entspricht ein Teillastbetrieb einer Motorlast unterhalb der Mittellast von etwa 450 kPa effektivem Nettomitteldruck. Eine niedrige Teillast, wie sie hier verwendet wird, entspricht einer Motorlast unterhalb etwa 125 kPa effektivem Nettomitteldruck. Eine Zwischenteillast, wie sie hier verwendet wird, entspricht einer Motorlast von etwa 125 bis etwa 200 kPa effektivem Nettomitteldruck. Außerdem entspricht eine hohe Teillast, wie sie hier verwendet wird, einer Motorlast von etwa 200 bis etwa 450 kPa effektivem Nettomitteldruck.
  • Die 3 und 6 veranschaulichen eine Phasensteuerungs-Ventilbetätigungstopologie-Realisierung der vorliegenden Erfindung, um deren Aspekte des Rücksaugens verbrannter Gase zu realisieren. Darin schaffen hydraulisch gesteuerte Ventilhubmechanismen zusammen mit Nockenphasenstellermechanismen, beide gut bekannter Arten, die Einlassventil-Phasenverschiebung und den Auslassventil-Rücksaugereignishub um die gewünschten Verbrennungskammerbedingungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bewirken. Der Einlassventilplan ist mit einer beispielhaften Dauer von im Wesentlichen 165 Grad bei einzelnen phasenverschobenen Stellungen veranschaulicht, die von einer stärker nach früh verstellten zu einer stärker nach spät verstellten Phaseneinstellung unterschiedlich mit 71, 73, 75 und 77 bezeichnet sind.
  • Gegenüber einer Einlassventil-Phasenverschiebung, die das Öffnen des Einlassventils relativ zum Schließen des Auslassventils am Ende des Auslassereignisses steuert, wird innerhalb der Verbrennungskammer ein niedriger Druck hergestellt. In dem in 3 veranschaulichten vorliegendem Beispiel ist angenommen, dass veranlasst wird, dass ein Auslassereignis auftritt, in dem das Auslassventil wenigstens für einen Abschnitt des Ausstoßtakts von 180 bis 360 Grad geöffnet wird. Der tatsächliche Öffnungs- und Schließwinkel des Auslassventils während eines Auslassereignisses variiert in Übereinstimmung mit solchen Faktoren wie der Motordrehzahl oder -last und Auspuffleitungsgeometrien sowie anderen gewünschten Motorabstimmungseigenschaften. In dem vorliegenden veranschaulichten Beispiel ist angenommen, dass das Auslassventilschließen im Wesentlichen 380 Grad nach OT Verbrennungstakt oder 20 Grad nach dem OT des Ausstoßtakts entspricht. Vorzugsweise findet das Auslassventilschließen innerhalb angenähert 20 Grad vor dem OT des Ausstoßtakts bis 20 Grad nach dem OT des Ausstoßtakts statt. Allgemein wird angenommen, dass ein maximaler Ausstoß von Abgasen aus der Verbrennungskammer den Restzylinderdruck minimieren hilft und dass diese Bedingung allgemein verträglich mit dem Bewirken tieferer und länger andauernder Niederdruckereignisse ist. Durch bestimmte Gasdynamiken unter bestimmten Bedingungen findet der maximale Ausstoß statt, wenn das Auslassventil für einen gewissen Winkel nach dem OT des Ausstoßtakts offen bleibt. Bevorzugter findet daraufhin das Auslassventilschließen, insbesondere bei den niedrigsten Motorlasten, bei denen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung Bedingungen mit niedrigerem Zylinderdruck erwünscht sind, innerhalb angenähert des OT des Ausstoßtakts bis 20 Grad nach dem OT des Ausstoßtakts statt.
  • In Übereinstimmung dem Ziel der Herstellung eines Niederdruckereignisses innerhalb der Verbrennungskammer während des Ansaugtakts kann es ferner erwünscht sein, dass die Auslassereignis-Auslassventilschließ-Absolutphase vor dem OT des Ausstoßtakts nicht größer als die Einlassventil-Öffnungsphase nach dem OT des Ausstoßtakts ist oder dass es eine minimale Ventilüberlappung gibt. Allgemein ist ein bestimmter Grad der Asymmetrie um den OT des Ausstoßtakts wie zwischen dem Auslassventilschließen und dem Einlassventilöffnen wie beschrieben erforderlich, um die gewünschten Niederdruckbedingungen innerhalb der Verbrennungskammer herzustellen. Falls das Auslassereignis-Auslassventilschließen vor dem OT des Ausstoßtakts stattfindet, kann es erwünscht sein zu ermöglichen, dass sich der Druck in der Verbrennungskammer wenigstens einen ähnlicher Winkel nach dem OT entspannt, bevor sich das Einlassventil zu öffnen beginnt. Vorzugsweise folgt das Einlassventilöffnen während eines Einlassereignisses bei Arbeitspunkten niedriger Teillast dem Auslassventilschließen bei etwa 30 bis etwa 90 Grad nach dem OT des Ausstoßtakts.
  • Diese zuvor beschriebenen Eigenschaften der Einlass- und Auslassventilphaseneinstellung sind im Wesentlichen in den in 3 veranschaulichten beispielhaften Kurven dargelegt. Das Auslassprofil 69 repräsentiert ein Auslassereignis-Auslassventil-Profil, in dem das Ventilschließen im Wesentlichen 20 Grad nach dem OT des Ausstoßtakts stattfindet. Zur Erläuterung ist angenommen, dass das Auslassereignis im Wesentlichen statisch in Bezug auf die Auslassereignis-Auslassventil-Schließphaseneinstellung ist, obgleich, wie zuvor beschrieben wurde, betrachtet wird, dass die Phasenverschiebung des Auslassventilprofils innerhalb des Umfangs der Erfindung beim Erreichen verschiedener Ergebnisse und Lösen verschiedener Aufgaben davon liegt. Das Einlassprofil 77 entspricht dem Einlassventilöffnen bei im Wesentlichen 40 Grad nach dem oberen Totpunkt des Ausstoßtakts und dem Schließen im Wesentlichen 25 Grad nach dem unteren Totpunkt des Ansaugtakts zum Bewirken eines Pegels des zylinderinternen Unterdrucks. Die Einlassprofile 75, 73 und 71 entsprechen in dieser Reihenfolge früheren Einlassventilöffnungen im Wesentlichen 20 Grad nach, bei und 30 Grad vor dem oberen Totpunkt des Ausstoßtakts. Die entsprechenden Einlassventilschließungen für die Profile 75, 73 und 71 sind in dieser Reihenfolge im Wesentlichen 5 Grad nach, 15 Grad vor und 45 Grad vor dem unteren Totpunkt des Ansaugtakts. In Übereinstimmung mit der Aufgabe, bei fortschreitend niedrigeren Motorlasten eine Abnahme der Zylinderdrücke zu bewirken, folgt der Trend der Phasenkurven dem in der Figur gezeigten Pfeil abnehmender Last.
  • Falls in der Figur ein Kontinuum solcher Einlassprofile mit Einlassventil-Öffnungsgrenzen bei weniger nach spät verstellten und mehr nach früh verstellten Phasenwinkeln dargestellt würde, wären das Ergebnis veränderliche Unterdruckpegel und deren Dauern innerhalb der Verbrennungskammer. Natürlich können außer den verschiedenen Niederdruckprofilen innerhalb der Verbrennungskammer, die wie beschrieben mit einfacher Phasenverschiebung der Ventilöffnungen erzielt werden können, durch komplexere und unabhängige Änderungen der Auslass- und der Einlassprofile einschließlich mittels Hubänderung zusätzlich zu der der Zeit zusätzliche Druckprofile erzielt werden. Zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich veränderlicher Unterdruckpegel sind in zusätzlicher Einzelheit in den Druckschriften US 2005 / 0 000 478 A1 , US 2005 / 0 000 485 A1 , US 2006 / 0 016 420 A1 , US 2006 / 0 016 421 A1 und US 2006 / 0 016 422 A1 dargelegt.
  • Die Phasensteuerungs-Ventilbetätigung des Einlass- und des Auslassventils zum Herstellen eines Niederdruckereignisses innerhalb der Verbrennungskammer wird ausgeführt, um innerhalb der Verbrennungskammer Druckpegelvertiefungen und deren Dauern herzustellen, die im herkömmlich bekannten Viertaktbetrieb nicht zu finden sind. Nunmehr zusätzlich anhand von 4 ist ein Druckprofil veranschaulicht, das dem anhand von 3 beschriebenen beispielhaften lastabhängigen Einlassventilprofiltrend entspricht. Darin ist eine Kurve allgemein durch das Bezugszeichen 61 bezeichnet, wobei sie nur in Bezug auf die 360 Grad Kurbelwellendrehung über den Ausstoß- und über den Ansaugtakt des vollständigen Viertaktprozesses, wie sie an der Oberseite der Figur innerhalb zweiseitiger Pfeile abgegrenzt sind, die mit AUSSTOSSEN und ANSAUGEN bezeichnet sind, veranschaulicht ist. Der Zylinderdruck ist auf einer linearen Skale entlang der vertikalen Achse veranschaulicht, wobei der Umgebungsdruck speziell bezeichnet ist und angenommen ist, dass er im Wesentlichen eine Standardatmosphäre oder etwa 101 kPa ist. Der Bereich 63 bezeichnet allgemein das Gebiet resultierender Niederdruckereignisse oder von Unterdruckbedingungen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Ein mäßig tiefes und andauerndes Niederdruckereignis erreicht im Wesentlichen 60 kPa unter dem Umgebungsdruck oder Unterdruck oder, anders gesagt, etwa 60 % unter dem Umgebungs- oder Atmosphärendruck oder etwa 40 % des Umgebungs- oder Atmosphärendrucks. Natürlich sind die in 4 veranschaulichten spezifischen Kurven beispielhaft, wobei weitere solche Kurven und Profile aufgrund komplexerer und unabhängigerer Änderungen des Auslass- und des Einlassprofils einschließlich mittels Hubänderung zusätzlich zu der der Zeit und Dauer hergestellt werden können. Zum Beispiel würde in Bezug auf die spezifische in 3 veranschaulichte Kurve 77 eine weitere Verstellung des Einlassventilöffnens nach spät während Einlassereignissen tiefere Niederdruckereignisse bewirken, während ein weiteres Verstellen nach früh des Einlassventilöffnens während Einlassereignissen flachere Niederdruckereignisse bewirken würde. Ein beispielhaftes verhältnismäßig flaches Niederdruckereignis mit beschränkter Dauer erreicht im Wesentlichen 42 kPa unter dem Umgebungsdruck oder Unterdruck oder, anders gesagt, etwa 42 % unter dem Umgebungs- oder Atmosphärendruck oder etwa 58 % des Umgebungs- oder Atmosphärendrucks. Ein beispielhaftes verhältnismäßig tiefes und andauerndes Niederdruckereignis erreicht im Wesentlichen 75 kPa unter dem Umgebungsdruck oder Unterdruck oder, anders gesagt, etwa 75 % unter dem Umgebungs- oder Atmosphärendruck oder etwa 25 % des Umgebungs- oder Atmosphärendrucks. Wie zuvor anhand von 3 beschrieben wurde, ist erwünscht, dass bei niedrigeren Motorlasten niedrigere zylinderinterne Drücke bewirkt werden, das heißt, dass bei niedrigeren Motorlasten tiefere Unterdruckpegel erzielt werden. Der Pfeil abnehmender Last aus 4 veranschaulicht den gewünschten gesteuerten Trend der Ansaugdruckprofile als eine Funktion abnehmender Motorlast.
  • Es ist erwünscht, dass zurückgeführte Abgase in die Verbrennungskammer eingeführt werden, damit sie sich mit Luft und Kraftstoff mischen. Noch einmal anhand der in 3 gezeigten Ventilpläne bewirkt eine Auslassrücksaugen-Auslassventilbetätigung die Wiederaufnahme verbrannter Gase, die zuvor durch das Auslassventil in den Auslasskanal ausgestoßen wurden. Die Hubänderung ermöglicht in dieser Auslass-Rücksaug-Realisierung. Ein beispielhafter Rücksaugplan ist in 3 mit 79 bezeichnet.
  • Es wird nun die bevorzugte Kraftstoffbeaufschlagungsmethodik für einen wie oben dargelegt betriebenen Motor beschrieben. Flüssige und gasförmige Einspritzungen sind Kandidaten für die DI. Zusätzlich wird betrachtet, dass luftgestützte und andere Förderungstypen genutzt werden können. Außerdem ist der Typ des nutzbaren Verbrennungssystems - allgemein in Übereinstimmung mit Motorlast und Klopfbetrachtungen - veränderlich und enthält solche nicht einschränkenden Beispiele wie SI, CI und gesteuerte Selbstzündung.
  • In Übereinstimmung mit den Kraftstoffbeaufschlagungs-Steuerungsaspekten der vorliegenden Erfindung sind innerhalb des Teillast-Betriebsbereichs des Motors zwei allgemeine Lastbereiche abgegrenzt. Anhand von 5 ist der Bereich niedriger Teillast mit L-PL bezeichnet und ist der Zwischenteillastbereich/Bereich hoher Teillast mit I/H-PL bezeichnet. Diese Bereiche sind gegen einen vollständigen Viertakt-Verbrennungszyklus dargestellt, der unterschiedlich unten durch den Kurbelwinkel nach OT Verbrennungstakt und oben entsprechend aufeinander folgend wiederholter Verbrennungszyklusbereiche abgetrennt ist. Allgemein wird in dem Bereich niedriger Teillast veranlasst, dass eine Aufteilungseinspritzung der Gesamtkraftstoffladung stattfindet, während in dem Zwischenteillastbereich/Bereich hoher Teillast veranlasst wird, dass eine Einzeleinspritzung der Gesamtkraftstoffladung stattfindet. In der Figur ist ein Übergangsbereich 62 veranschaulicht, der einen oder beide der angrenzenden Teillastbereiche wesentlich überlappen kann, wobei er die Teillastbereiche für entsprechende Kraftstoffsteuerungen effektiv erweitert.
  • Bei der Aufteilungseinspritzung wird die Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus in zwei Einspritzereignisse geteilt. Eines der Einspritzereignisse wird früh in dem Ansaugzyklus ausgeführt, während das andere Einspritzereignis spät in dem Verdichtungszyklus ausgeführt wird. Allgemein spritzt das erste Kraftstoffbeaufschlagungsereignis etwa 10 bis etwa 50 Prozent der Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus ein. Die durch diesen ersten Kraftstoffbruchteil hergestellte Zylinderladung reicht allgemein für die Selbstzündung innerhalb der Verbrennungskammer nicht aus. Der Rest der Kraftstoffanforderung für den Zyklus wird während des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses eingespritzt. Dieser zweite Kraftstoffbruchteil reichert die Zylinderladung während eines Verdichtungstakts des Kolbens ausreichend an, um eine Selbstzündung zu veranlassen.
  • Das Eindringen und die Zerstreuung des zweiten Kraftstoffsprühstrahls werden wegen der höheren zylinderinternen Ladungstemperatur und -dichte unterdrückt. In der Verbrennungskammer wird ein lokalisierter Bereich fetten Gemischs gebildet. Das Gemisch aus Luft, wiederaufgenommenem verbranntem Gas und Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffeinspritzung arbeitet mit dem lokalisierten fetten Gemisch zusammen, das durch die zweite Kraftstoffeinspritzung gebildet wird, um die Selbstzündung des Benzins im Vergleich zu einem verhältnismäßig hohen Verdichtungsverhältnis, das bei der Selbstzündung von Dieselkraftstoff verwendet wird, unter einem verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne irgendeine Hilfe eines Funkens auszuführen.
  • In dem Betriebsbereich hoher Teillast (H-PL) wird eine Einzeleinspritzung des Kraftstoffs ausgeführt. Bei der Einzeleinspritzung wird die Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus in einem Einspritzereignis zusammengefasst, das früh in dem Ansaugzyklus ausgeführt wird.
  • 5 demonstriert außerdem bestimmte Präferenzen hinsichtlich der Einspritzzeit. Der durch die mit 56 und 57 bezeichneten durchgehenden Linien abgegrenzte Bereich entspricht bevorzugten Winkelbereichen innerhalb des Ansaug- und des Verdichtungszyklus für die Lieferung des ersten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses bzw. des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses für den Betriebsbereich niedriger Teillast. Vorzugsweise wird der erste Kraftstoffbruchteil etwa 360 bis etwa 400 Grad nach OT Verbrennungstakt eingespritzt. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Einspritzzeit für die erste Einspritzung vorzugsweise ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Außerdem wird der zweite Kraftstoffbruchteil etwa 640 bis etwa 700 Grad nach OT Verbrennungstakt (20 bis 80 Grad vor oberem Totpunkt Verbrennungstakt) eingespritzt. Diese Einspritzzeit wird gewählt, um einen rauchfreien Betrieb sicherzustellen, und wird durch den Einspritzdüsen-Sprühkegelwinkel und durch den Betrag des eingespritzten Kraftstoffs bewirkt. Die Einspritzzeit für die zweite Einspritzung wird vorzugsweise ebenfalls auf kontinuierliche Weise auf früh verstellt, während die Motorlast ansteigt. Für die Aufteilungseinspritzungs-Einspritzung können andere Winkelbereiche genutzt werden, die aber keinen so wesentlichen Vorteil wie die bevorzugten Bereiche liefern können.
  • Der durch die mit 58 bezeichnete durchgezogene Linie abgegrenzte Bereich entspricht einem bevorzugten Winkelbereich innerhalb des Ansaugzyklus für die Lieferung des Ansaugzyklus-Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses für den Zwischenteillast-Betriebsbereich/Betriebsbereich hoher Teillast. Vorzugsweise wird dieser Kraftstoff etwa 390 bis etwa 450 Grad nach OT Verbrennungstakt eingespritzt. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Einspritzzeit für die Einzeleinspritzung vorzugsweise ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Für die Einzeleinspritzung können andere Winkelbereiche genutzt werden, die aber keinen so wesentlichen Vorteil wie die bevorzugten Bereiche liefern können.
  • Der Übergang von einer Einspritzungsstrategie zu einer anderen während einer Laständerung wird sowohl durch die Motorleistung als auch durch die Emissionen reguliert. Zum Beispiel ist während des Betriebs mit niedriger Teillast die Aufteilungseinspritzung mit der ersten Einspritzung während des frühen Ansaugtakts und mit der zweiten Einspritzung während des Verdichtungstakts die einzige Einspritzungsstrategie, die eine stabile Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung erzeugen kann. Die Einspritzzeit für die zweite Einspritzung wird mit zunehmender Motorlast kontinuierlich nach früh verstellt, um die Zerstreuung des Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskammer zu fördern und um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des lokalisierten Gemischs innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten, um inakzeptable Pegel von NOx- und Rauchemissionen zu vermeiden. Allerdings kann selbst mit der auf früh verstellten Einspritzzeit die Bildung von Stickoxiden (NOx) während des Betriebs mit Zwischenteillast immer noch auf einen inakzeptablen Pegel steigen. Somit wird die Einspritzungsstrategie, wie in 6 gezeigt ist, bei etwa 90 bis etwa 130 kPa effektivem Nettomitteldruck (NMEP) von der Aufteilungseinspritzung zur Einzeleinspritzung geschaltet. Experimente bestätigen, dass sowohl die Aufteilungseinspritzungs- als auch die Einzeleinspritzungsstrategie während des Zwischenteillast-Motorbetriebs zu ähnlicher Motorleistung führen. Vergleichende NOx-Emissionen sind bei der Einzelkraftstoffeinspritzung während des Ansaugtakts wesentlich niedriger als bei der Aufteilungseinspritzung. Dagegen sind vergleichende Kohlenwasserstoffemissionen (HC-Emissionen) bei Einzelkraftstoffeinspritzung während des Ansaugtakts wegen Zunahmen von im Spalt eingefangenem Kraftstoff, der der Verbrennung entgeht, höher als bei der Aufteilungseinspritzung. Somit wird die genaue Last, bei der der Übergang stattfindet, durch NOx-HC-Emissions-Abwägung bestimmt.
  • 6 zeigt beispielhafte Öffnungs- und Schließventilzeiten als eine Funktion der Motorlast für das Auslass- und für das Einlassventil eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Phasensteuerungs-Ventilbetätigungssystems arbeitet. Darin ist die folgende Bezeichnung verwendet: Einlassventilöffnen (IVO); Einlassventilschließen (IVC); Auslassventilöffnen-Auslass (EVOe ); Auslassventilschließen-Auslass (EVCe ); Auslassventilöffnen-Rücksaugen (EVOr ); und Auslassventilschließen-Rücksaugen (EVCr ). Außerdem sind in 6 die lastabhängigen Einspritzungsstrategien und die verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten als eine Funktion der Motorlast in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere wird der Motor unterhalb etwa 420 kPa NMEP mit magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch (CAI-L) in der Verbrennungsbetriebsart mit gesteuerter Selbstzündung betrieben. Während dieser Verbrennungsbetriebsart steigt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast an. Bei etwa 420 kPa NMEP ist der NOx-Emissionsindex etwa 1 g/kg Kraftstoff. Zwischen etwa 420 und etwa 500 kPa NMEP wird der Motor in der Verbrennungsbetriebsart mit gesteuerter Selbstzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (CAI-S) betrieben, um nach Behandlung für die NOx-Steuerung die Verwendung des herkömmlichen 3-Wege-Katalysators zuzulassen. Zwischen etwa 500 und etwa 600 kPa NMEP wird der Motor in der ungedrosselten Verbrennungsbetriebsart mit Funkenzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (NT-S) unter Verwendung frühen Einlassventilschließens für die Laststeuerung betrieben. Jenseits etwa 600 kPa NMEP wird der Motor in der herkömmlichen gedrosselten Verbrennungsbetriebsart mit Funkenzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (T-S) betrieben, bis die Volllast erreicht ist.
  • Zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf die Verbrennungsgas-Rückführungsventil- und die Kraftstoffsteuerung für die gesteuerte Selbstzündung - einschließlich alternativer FFVA-Realisierungen - sind in den Druckschriften US 2006 / 0 016 420 A1 und US 2006 / 0 016 422 A1 zu finden.
  • In Übereinstimmung mit bestimmten alternativen Ventilsteuerungsaspekten der vorliegenden Erfindung wird während des Teillastbetriebs des Motors innerhalb der Verbrennungskammer, vorzugsweise mittels FFVA oder Phasensteuerungs-Ventilbetätigung, die das Schließen des Auslassventils nach früh verschiebt und vorzugsweise das Öffnen des Einlassventils nach spät verschiebt, ein Hochdruckereignis hergestellt. Das Verstellen des Auslassventilschließens nach früh erzeugt eine negative Ventilüberlappung, während der sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil geschlossen sind. Außerdem bewirkt das nach früh verstellte Schließen des Auslassventils eine interne Rückführung verbrannter Gase durch Aufbewahren oder Einfangen eines Teils davon innerhalb der Verbrennungskammer. Das eingefangene Abgas wird daraufhin für den Rest des Kolbentakts während des Ausstoßzyklus rückverdichtet.
  • Die 7 und 9 veranschaulichen eine Phasensteuerungs-Ventilbetätigung, um die Aspekte der Aufbewahrung und Verdichtung von verbranntem Gas der vorliegenden Erfindung zu bewirken. Darin schafft ein hydraulisch gesteuerter Ventilhubmechanismus zusammen mit einem Nockenphasenstellermechanismus, beide gut bekannter Arten, eine Einlassventil- und Auslassventil-Phasenverschiebung, um die gewünschten Verbrennungskammerbedingungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bewirken. Der Einlassventilplan ist mit einer beispielhaften Dauer von im Wesentlichen 125 Grad veranschaulicht, wobei er in jeder der einzelnen Kurven veranschaulicht ist, die den Einlassplan 74 von einer stärker nach früh verstellten zu einer stärker nach spät verstellten Phaseneinstellung umfassen, während die Motorlast abnimmt. Der Auslassventilplan ist ähnlich mit einer beispielhaften Dauer von im Wesentlichen 125 Grad veranschaulicht, wobei er in jeder der einzelnen Kurven veranschaulicht ist, die den Auslassplan 72 von einer stärker nach spät verstellten zu einer stärker nach früh verstellen Phaseneinstellung umfassen, während die Motorlast abnimmt.
  • In dem in 7 veranschaulichten vorliegendem Beispiel ist angenommen, dass veranlasst wird, dass ein Auslassereignis auftritt, in dem das Auslassventil wenigstens für einen Abschnitt des Ausstoßtakts von 180 bis 360 Grad geöffnet wird. Der tatsächliche Öffnungs- und Schließwinkel des Auslassventils während eines Auslassereignisses ändern sich in Übereinstimmung mit solchen Faktoren wie der Motordrehzahl oder -last und Abgasleitungsgeometrien sowie anderen gewünschten Motorabstimmungseigenschaften. In dem vorliegenden veranschaulichten Beispiel ist zu sehen, dass sich die Schließzeit des Auslassventils, wie durch den Pfeil ansteigender Last zentral in der Figur angegeben ist, als eine Funktion der Motorlast ändert. Während des Teillastbetriebs wird die Auslassventil-Schließzeit umso mehr nach früh vorgestellt (und wird die Öffnungszeit wegen der Phasensteller-Realiserung ebenfalls umso mehr nach früh vorgestellt), je niedriger die Motorlast wird. Somit ist es allgemein wahr, dass abnehmende Lasten zu erhöhtem Einfang von verbranntem Gas und zu höherer Verdichtungstemperatur und zu höherem Verdichtungsdruck davon führen. Die durch die Ventilsteuerung bewirkten höheren Drücke und Temperaturen schaffen eine zylinderinterne Umgebung, die förderlich für eine Teilreformation von darin eingespritztem Kraftstoff ist, wobei die Reformation und die nachfolgende Zerstreuung von Reformat innerhalb der Verbrennungskammern eine gesteuerte Selbstzündung ermöglichen. Der gewünschte Trend der Erhöhungen eingefangener verbrannter Gase und der Erhöhungen der Drücke und Temperaturen bei Abnahme der Motorbetriebslasten schafft über den gesamten Teillastbereich des Motorbetriebs eine optimale Selbstzündungsverbrennungs-Phaseneinstellung. Wie in jeder der einzelnen Kurven, die den Einlassplan 74 umfassen, veranschaulicht ist, wird außerdem eine allgemein symmetrische und in Bezug auf die Richtung entgegengesetzte Phaseneinstellung der Einlassventil-Öffnungszeit bewirkt. Dadurch wird die Entspannung des hohen Drucks innerhalb der Verbrennungskammer bewirkt und die gespeicherte Energie des verdichteten Gases an den Kolben und an die Motorkurbelwelle zurückgegeben. Somit wird mit dem Mechanismus der Phasensteuerung des Auslassventilhubs der gewünschte Trend der Zunahmen eingefangener verbrannter Gase und Zunahmen der Drücke und Temperaturen bei Abnahme der Motorbetriebslasten ausgeführt. Wie ebenfalls in dem Einlassplan 74 veranschaulicht ist, wird außerdem eine allgemein symmetrische und richtungsmäßig entgegengesetzte Phaseneinstellung der Einlassventilzeit bewirkt, um die oben beschriebenen Entspannungsvorteile zu schaffen.
  • Die Phasensteuerungs-Ventilbetätigung des Einlass- und des Auslassventils zum Herstellen der Bedingungen des eingefangenen verbrannten Gases und des Drucks innerhalb der Verbrennungskammer werden ausgeführt, um zylinderinterne Gas-, Druck- und Temperaturtrends als eine Funktion der Motorlast herzustellen, die im herkömmlichen bekannten Viertaktbetrieb nicht zu finden sind.
  • Es wird nun die bevorzugte Kraftstoffbeaufschlagungsmethodik für einen Motor beschrieben, der wie im Folgenden dargelegt betrieben wird. Flüssige und gasförmige Einspritzungen sind Kandidaten für die DI. Zusätzlich wird betrachtet, dass luftgestützte und andere Typen der Förderung genutzt werden können. Der Typ des nutzbaren Zündungssystems ist ebenfalls - allgemein in Übereinstimmung mit Motorlast- und Klopfbetrachtungen - veränderlich und enthält solche nicht einschränkenden Beispiele wie SI, CI und gesteuerte Selbstzündung.
  • In Übereinstimmung mit den Kraftstoffbeaufschlagungs-Steuerungsaspekten der vorliegenden Erfindung werden innerhalb des Teillast-Betriebsbereichs des Motors drei allgemeine Lastbereiche abgegrenzt. Anhand von 8 ist der Bereich niedriger Teillast durch L-PL bezeichnet, ist der Zwischenteillastbereich durch I-PL bezeichnet und ist der Bereich hoher Teillast durch H-PL bezeichnet. Diese Bereiche sind gegenüber einem vollständigen Viertakt-Verbrennungszyklus dargestellt, der unterschiedlich unten durch den Kurbelwinkel nach OT Verbrennungstakt und oben durch Bereiche entsprechend aufeinander folgend wiederholter Verbrennungszyklen abgegrenzt ist. Allgemein wird in dem Bereich niedriger Teillast und in dem Zwischenteillastbereich veranlasst, dass eine Aufteilungseinspritzung der Gesamtkraftstoffladung erfolgt, während in dem Bereich hoher Teillast veranlasst wird, dass eine Einzeleinspritzung der Gesamtkraftstoffladung erfolgt. In der Figur sind die Übergangsbereiche 42 und 54 veranschaulicht, die sich jeweils mit einem oder mit beiden angrenzenden Teillastbereichen wesentlich überlappen können, was die Teillastbereiche für die entsprechenden Kraftstoffsteuerungen effektiv erweitert.
  • Bei der Aufteilungseinspritzung wird die Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus in zwei Einspritzereignisse geteilt. In dem Betriebsbereich niedriger Teillast (L-PL) wird eines der Einspritzereignisse spät in dem Ausstoßzyklus ausgeführt, während das andere Einspritzereignis spät in dem Verdichtungszyklus ausgeführt wird. Allgemein spritzt das erste Kraftstoffbeaufschlagungsereignis etwa 10 bis etwa 50 Prozent der Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus ein. Die durch diesen ersten Kraftstoffbruchteil hergestellte Zylinderladung reicht allgemein für die Selbstzündung innerhalb der Verbrennungskammer nicht aus. Der Rest der Kraftstoffanforderung für den Zyklus wird während des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses eingespritzt. Dieser zweite Kraftstoffbruchteil reichert die Zylinderladung bei niedrigen Teillasten während eines Verdichtungstakts des Kolbens ausreichend an, um eine Selbstzündung zu veranlassen.
  • Das Eindringen und die Zerstreuung des zweiten Kraftstoffsprühstrahls werden wegen höherer zylinderinterner Ladungstemperatur und -dichte unterdrückt. In der Verbrennungskammer wird ein lokalisierter Bereich fetten Gemischs gebildet. Das Gemisch aus Luft, eingefangenem verbranntem Gas und Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffeinspritzung wirkt mit dem lokalisierten fetten Gemisch zusammen, das durch die zweite Kraftstoffeinspritzung gebildet wird, um die Selbstzündung des Benzins im Vergleich zu einem verhältnismäßig hohen Verdichtungsverhältnis, das bei der Selbstzündung von Dieselkraftstoff verwendet wird, unter einem verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne irgendeine Hilfe eines Funkens auszuführen.
  • In dem Zwischenteillast-Betriebsbereich (I-PL) wird ähnlich eines der Einspritzereignisse spät in dem Ausstoßzyklus ausgeführt. Dagegen wird das andere Einspritzereignis früh in dem Ansaugzyklus ausgeführt. Allgemein spritzt das erste Kraftstoffbeaufschlagungsereignis etwa 10 bis etwa 50 Prozent der Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus ein. Allgemein reicht die durch diesen ersten Kraftstoffbruchteil hergestellte Zylinderladung für die Selbstzündung innerhalb der Verbrennungskammer nicht aus, schafft aber die Keimladung von Kraftstoff und Reformat, die entscheidend für die Selbstzündung ist. Der Rest der Kraftstoffanforderung für den Zyklus wird während des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses eingespritzt. Dieser zweite Kraftstoffbruchteil reichert die Zylinderladung während des Ansaugtakts des Kolbens ausreichend an, um bei Zwischenteillasten eine Selbstzündung zu veranlassen.
  • Das Eindringen und die Zerstreuung des zweiten Kraftstoffsprühstrahls werden anfangs wegen der höheren zylinderinternen Ladungstemperatur und -dichte und wegen des zuerst eingespritzten Kraftstoffs unterdrückt. Allerdings schaffen die Entspannung des zylinderinternen Drucks und die nachfolgende Frischluftaufnahme und Verwirbelung während des Ansaugzyklus Bedingungen für eine wesentliche Zerstreuung und Homogenität des Zylindergemischs. Dieses homogene Gemisch aus Luft, aufbewahrtem verbranntem Gas und Kraftstoff arbeitet zusammen, um die Selbstzündung des Benzins im Vergleich zu einem verhältnismäßig hohen Verdichtungsverhältnis, das bei der Selbstzündung von Dieselkraftstoff verwendet wird, unter einem verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne irgendwelche Hilfe eines Funkens auszuführen.
  • In dem Betriebsbereich hoher Teillast (H-PL) wird eine Kraftstoffeinzeleinspritzung ausgeführt. Bei der Einzeleinspritzung wird die Gesamtkraftstoffanforderung für den Zyklus in einem Einspritzereignis, das während der negativen Ventilüberlappung ausgeführt wird, vereinigt.
  • 8 demonstriert außerdem bestimmte Präferenzen hinsichtlich der Einspritzzeit. Der durch die mit 44 und 46 bezeichneten durchgezogenen Linien abgegrenzte Bereich entspricht bevorzugten Winkelbereichen innerhalb des Ausstoß- und des Verdichtungszyklus für die Lieferung des ersten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses bzw. des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses für den Betriebsbereich niedriger Teillast. Vorzugsweise wird der erste Kraftstoffbruchteil bei etwa 300 bis etwa 350 Grad nach OT Verbrennungstakt eingespritzt. Wie in der Figur gezeigt ist, wird außerdem vorzugsweise die Einspritzzeit für die erste Einspritzung auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Außerdem wird der zweite Kraftstoffbruchteil etwa 640 bis etwa 695 Grad nach OT Verbrennungstakt (25 bis 80 Grad vor oberer Totpunkt Verbrennungstakt) eingespritzt. Diese Einspritzzeit wird gewählt, um einen rauchfreien Betrieb sicherzustellen, und wird durch den Einspritzdüsen-Sprühkegelwinkel und durch den Betrag des eingespritzten Kraftstoffs bewirkt. Vorzugsweise wird die Einspritzzeit für die zweite Einspritzung ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach früh vorgestellt, während die Motorlast ansteigt. Es können weitere Winkelbereiche für die Aufteilungseinspritzungs-Einspritzung genutzt werden, die aber keinen so wesentlichen Vorteil wie die bevorzugten Bereiche liefern können.
  • Der durch die mit 47 und 48 bezeichneten durchgezogenen Linien abgegrenzte Bereich entspricht bevorzugten Winkelbereichen innerhalb des Ausstoß- und des Ansaugzyklus für die Lieferung des ersten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses bzw. des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses für den Zwischenteillast-Betriebsbereich. Vorzugsweise wird der erste Kraftstoffbruchteil etwa 300 bis etwa 360 Grad nach OT Verbrennungstakt eingespritzt. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Einspritzzeit für die erste Einspritzung vorzugsweise ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Diese Einspritzzeit wird so gewählt, dass ein rauchfreier Betrieb sichergestellt wird (z. B. Vermeidung des Kraftstoffsprühstrahls bei steigendem Kolben), was eine ausreichende Kraftstoffmenge und Residenzzeit für die angemessene Reformation sicherstellt und durch den Einspritzdüsen-Sprühkegelwinkel und durch den Betrag des eingespritzten Kraftstoffs bewirkt wird. Der zweite Kraftstoffbruchteil wird etwa 30 bis etwa 60 Grad nach dem Ende der ersten Einspritzung eingespritzt. Vorzugsweise wird die Einspritzzeit für die zweite Einspritzung ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Beide Zwischeneinspritzungen werden innerhalb des negativen Überlappungsbereichs des Auslass- und des Einlassventils ausgeführt. Weitere Winkelbereiche für die Aufteilungseinspritzungs-Einspritzung können genutzt werden, können aber keinen so wesentlichen Vorteil wie die bevorzugten Bereiche liefern.
  • Der durch die mit 49 bezeichnete durchgezogene Linie abgegrenzte Bereich entspricht einem bevorzugten Winkelbereich für die Förderung des Kraftstoffs für den Betriebsbereich hoher Teillast. Vorzugsweise wird dieser Kraftstoff etwa 340 bis etwa 490 Grad nach OT Verbrennungstakt eingespritzt. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Einspritzzeit für die Einzeleinspritzung vorzugsweise ebenfalls auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, während die Motorlast ansteigt. Für die Einzeleinspritzung können andere Winkelbereiche genutzt werden, die aber keinen so wesentlichen Vorteil wie die bevorzugten Bereiche liefern können.
  • Der Übergang von einer Einspritzungsstrategie zu einer anderen während einer Laständerung wird sowohl durch die Motorleistung als auch durch die Emissionen reguliert. Zum Beispiel ist während des Betriebs mit niedriger Teillast die Aufteilungseinspritzung mit der ersten Einspritzung während der Periode negativer Ventilüberlappung und mit der zweiten Einspritzung während des Verdichtungstakts die einzige Einspritzungsstrategie, die eine stabile Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung erzeugen kann. Die Einspritzzeit für die zweite Einspritzung wird mit zunehmender Motorlast kontinuierlich nach früh verstellt, um die Zerstreuung des Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskammer zu fördern und um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des lokalisierten Gemischs innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten, um inakzeptable Pegel von NOx- und Rauchemissionen zu vermeiden. Allerdings kann selbst mit der nach früh verstellten Einspritzzeit die Bildung von Stickoxiden (NOx) während des Betriebs bei Zwischenteillast immer noch auf einen inakzeptablen Pegel ansteigen. Somit wird die Einspritzungsstrategie, wie in 9 gezeigt ist, bei etwa 130 bis etwa 200 kPa NMEP von der Aufteilungseinspritzung mit einer zweiten Einspritzung im Verdichtungszyklus zur Aufteilungseinspritzung mit einer zweiten Einspritzung im Ansaugzyklus geschaltet. Experimente bestätigen, dass beide Aufteilungseinspritzungsstrategien zu ähnlicher Motorleistung während des Zwischenteillast-Motorbetriebs führen. Bei Aufteilungseinspritzungen unter Verwendung einer zweiten Einspritzung während des Ansaugtakts können vergleichende NOx-Emissionen wesentlich kleiner als bei Aufteilungseinspritzungen, die eine zweite Einspritzung während des Verdichtungstakts verwenden, sein. Dagegen sind vergleichende Kohlenwasserstoffemissionen (HC-Emissionen) bei Aufteilungseinspritzungen, die eine zweite Einspritzung während des Ansaugtakts verwenden, wegen Zunahmen von im Spalt gefangenem Kraftstoff, der der Verbrennung entgeht, höher als bei Aufteilungseinspritzungen, die eine zweite Einspritzung während des Verdichtungstakts verwenden. Somit wird die genaue Last, bei der der Übergang von Aufteilungseinspritzung bei niedriger Teillast und Aufteilungseinspritzung bei Zwischenteillast stattfindet, durch NOx-HC-Emissions-Abwägung bestimmt. Ähnliche Betrachtungen definieren Kriterien, die zur Festsetzung des Übergangs von der Aufteilungseinspritzungsstrategie bei Zwischenteillast zur Einzeleinspritzungsstrategie bei hoher Teillast verwendet werden (z. B. NOx-HC-Emissionsabwägung).
  • 9 zeigt für das Einlass- und für das Auslassventil eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung arbeitet, um unter Verwendung einer 2-Schritt/Phasensteller-Hardware für variable Ventilbetätigung eine Abgasrückverdichtung zu bewirken. Darin ist die folgende Bezeichnung verwendet: Einlassventilöffnen (IVO); Einlassventilschließen (IVC); Auslassventilöffnen (EVO); Auslassventilschließen (EVC). Außerdem sind in 9 die lastabhängigen Einspritzungsstrategien und verschiedene Verbrennungsbetriebsarten als eine Funktion der Motorlast in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere wird der Motor unterhalb etwa 320 kPa NMEP in der Verbrennungsbetriebsart mit gesteuerter Selbstzündung mit magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch (CAI-L) betrieben. Während dieser Verbrennungsbetriebsart steigt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast an. Bei etwa 320 kPa NMEP ist der NOx-Emissionsindex etwa 1 g/kg Kraftstoff. Zwischen etwa 320 und etwa 420 kPa NMEP wird der Motor in der Verbrennungsbetriebsart mit gesteuerter Selbstzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (CAI-S) betrieben, um nach der Behandlung für die NOx-Steuerung die Verwendung des herkömmlichen 3-Wege-Katalysators zu ermöglichen. Zwischen etwa 420 und etwa 620 kPa NMEP wird der Motor in der ungedrosselter Betriebsart mit Funkenzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (NT-S) unter Verwendung eines frühen Einlassventilschließens zur Laststeuerung betrieben. Jenseits etwa 620 kPa NMEP wird der Motor bis zum Erreichen der Volllast in der herkömmlichen gedrosselten Betriebsart mit Funkenzündung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (T-S) betrieben.
  • Zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich der Verbrennungsgaseinfang- und der Rückverdichtungs-Ventil- und der Kraftstoffsteuerung für die gesteuerte Selbstzündung - einschließlich alternativer FFVA-Realisierungen - sind in den Druckschriften US 2006 / 0 016 423 A1 und US 2006 / 0 016 422 A1 zu finden.
  • Die oben beschriebene Abgasrückführung erfolgte in Bezug auf nicht einschränkende Beispiele des Auslassventil-Rücksaugens verbrannter Gase und des Einfangs/der Rückverdichtung verbrannter Gase unter Verwendung einer Mehrschritt-Hub- und Nockenphasenstellerbetätigung. Alternative Ventilbetätigungsrealisierungen für dieses Rücksaugen und/oder für diesen Einfang/diese Rückverdichtung, z. B. FFVA, wie sie in den Druckschriften US 2006 / 0 016 423 A1 , US 2005 / 0 000 478 A1 , US 2005 / 0 000 485 A1 , US 2006 / 0 016 420 A1 , US 2006 / 0 016 421 A1 und US 2006 / 0 016 422 A1 offenbart sind, sind gleichfalls anwendbar, um die gewünschten Verbrennungskammerbedingungen zu bewirken. In Übereinstimmung mit einer alternativen Rücksaugrealisierung für die Abgasrückführung wird das Einlassventil wenigstens während eines Abschnitts des Auslassereignisses geöffnet, um verbrannte Gase zur nachfolgenden Rückführung oder zum nachfolgenden Rücksaugen davon in den Einlasskanal 17 auszustoßen, um sie nachfolgend gegenüber dem Einlassventil in die Verbrennungskammer zurückzuziehen. Rücksaug-Einlassventilbetätigungen können durch FFVA- oder Mehrschritthub- und Nockenphaseneinsteller-Realisierungen bewirkt werden. Zusätzliche Einzelheiten dieses einlassventilgestützten Abgasrücksaugens in Verbindung mit der Herstellung niedriger Verbrennungskammerdrücke sind in der Druckschrift US 2006 / 0 016 421 A1 offenbart. Zusätzlich kann eine externe Abgasrückführungsvorrichtung genutzt werden. Zum Beispiel können herkömmliche Abgasrückführungsventile angemessene verbrannte Gase zu einem Einlasskanal des Motors liefern, wo ein angemessener Einlassunterdruck für die erzwungene Aufnahme vorhanden ist. Alternativ kann dort, wo in einem Einlasskanal kein ausreichender Unterdruck vorhanden ist - wie es etwa bei ungedrosselten Betriebsarten der Fall ist, die in Systemen mit gesteuerter Selbstzündung typisch sind - eine Abgasrückführungspumpe den Überdruck liefern, der die verbrannten Gase dem Einlass zuführt.
  • Anhand von 10 sind nun beispielhafte Luft-Kraftstoff-Pläne für eine Vielzahl von Kombinationen von Abgasrücksaug- und Abgasrückverdichtungsstrategien, Aufteilungs- und Einzeleinspritzungsstrategien und Strategien mit magerem und stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die rücksaugbezogenen Strategien entsprechen im Wesentlichen den früheren Beschreibungen hier in Bezug auf die 3-6. Außerdem entsprechen die rückverdichtungsbezogenen Strategien im Wesentlichen den früheren Beschreibungen hier in Bezug auf die 7-9. Die Luft-Kraftstoff-Pläne aus 10 entsprechen im Wesentlichen experimentell unter Verwendung eines beispielhaften Einzylindermotors wie hier zuvor dargelegt bestimmten Daten und bewirken einen stabilen Teillast-Motorbetrieb bis zu wenigstens etwa 75 kPa NMEP entweder in der genutzten Rücksaug- oder Rückverdichtungsstrategie. Eine stabile Teillast wird durch allgemein akzeptierte Metriken wie etwa 5 % oder weniger Änderungskoeffizient des effektiven angegebenen Mitteldrucks (COV von IMEP) als ein Indikator gemessen. Mit alternativen Ventilsteuerungen gegenüber jenen, die hier zur Veranschaulichung genau beschrieben sind, ist selbst der Betrieb mit niedriger stabiler Teillast erreichbar, wobei der Niederlastgrenzwert nicht besonders entscheidend für die Realisierung oder für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist. Aus 10 kann für die Rücksaug-Ventilsteuerstrategien beobachtet werden, dass bei den niedrigsten Teillasten bis zu etwa 425 kPa NMEP magere Luft-Kraftstoff-Verhältnisse bewirkt werden, während danach im Wesentlichen stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnisse bewirkt werden. Ähnlich kann für Rückverdichtungs-Ventilsteuerungsstrategien beobachtet werden, dass bei den niedrigsten Teillasten bis zu etwa 320 kPa NMEP magere Luft-Kraftstoff-Verhältnisse bewirkt werden, während danach im Wesentlichen stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnisse bewirkt werden. Die für den Übergang gewählten Motorlasten entsprechen im Wesentlichen einem Emissionsziel von NOx und werden im Folgenden anhand von 11 umfassender diskutiert. In einer Realisierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und wie im Folgenden anhand von 13 ausführlich beschrieben wird, kann eine Korrelation verschiedener Motorbetriebsparameter wie etwa Kraftstoffbeaufschlagungsrate oder Drosselklappenanforderung zur Motorlast entsprechend einem NOx-Ziel erfolgen und genutzt werden. Obgleich diese Realisierungen verhältnismäßig unkompliziert sind, erfordern sie eine umfangreiche Motorabbildung für Kalibrierungen, die über die Motorbetriebslebensdauer weniger genau werden können. Somit kann eine solche Motorparameter-Kalibrierungstabellenrealisierung zusätzlichen Nutzen aus adaptiven Einstellungen für Kalibrierungsdaten über die Motorbetriebslebensdauer ziehen.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, wird die Verbrennungsstabilität oberhalb eines Grenzwerts der unteren Teillast leicht aufrechterhalten. Der Übergang der Steuerung mageres/stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis liegt weit über diesem Niederlastgrenzwert und ist von Verbrennungsstabilitätsbetrachtungen effektiv unbeeinflusst. Dagegen bezieht sich der bevorzugte Übergang wesentlich auf Emissionsbetrachtungen - insbesondere Zunahmen der NOx-Emissionen beim Motorbetrieb mit höherer Teillast. Somit wird zusätzlich Bezug genommen auf 11, in der normierte NOx-Emissionen (NOx-Emissionsindex), wie sie in Gramm pro Kilogramm (g/kg) Kraftstoff gemessen werden, gegen die Motorlast dargestellt sind, wie sie durch NMEP in kPa gemessen wird. Der Übergang zwischen magerem und stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist für alternative Steuerungsrealisierungen direkt mit dem NOx-Emissionsindex korreliert. Für die Übergänge kann irgendein beliebiger Indexwert gewählt werden; allerdings ist ein Indexwert von im Wesentlichen 1 g/kg ein bevorzugter Wert, unterhalb dessen die NOx-Emissionen derzeit als akzeptabel gelten und oberhalb dessen die NOx-Emissionen derzeit als inakzeptabel gelten. Eine direkte Messung der NOx-Emissionen schafft somit eine genaueste und am besten wiederholbare Übergangssteuerung, die sich an Emissionsänderungen, die über die Motorbetriebslebensdauer auftreten können, selbst anpasst. Somit kann in einer weiteren Realisierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie auch im Folgenden anhand von 14 weiter ausführlich geschildert wird, eine direkte Messung von NOx-Emissionen vorgenommen und genutzt werden. Obgleich Technologien der direkten NOx-Abfühlung allgemein verfügbar sind (z. B. Sensoren auf der Grundlage von Dickschicht-Zirkoniumdioxid), hat diese Abgasbestandteilabfühlung derzeit eine beschränkte Produktionsdurchdringung und kommerzielle Erfahrung.
  • Eine weitere alternative Realisierung der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs nutzt eine Korrelation zwischen umfassender und herkömmlich genutzter Abfühltechnologie und NOx-Emissionen. Zum Beispiel wird eine üblicherweise genutzte Klopfsensorausgabe (Klingelstärke), wie sie in Volt (V) gemessen wird, gegen die Motorlast, wie sie durch den NMEP in kPa gemessen wird, dargestellt. Es ist experimentell bestimmt worden, dass zwischen der Klopfstärke und NOx-Emissionen eine wesentliche Korrelation besteht. Somit kann in einer nochmals weiteren Realisierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie auch im Folgenden anhand von 15 weiter ausführlich geschildert wird, eine Korrelation der Klopfstärke zum NOx-Index vorgenommen und genutzt werden. Eine solche Realisierung ist nützlich, da die Klopfabfühlung mit wesentlicher Produktionsdurchdringung und kommerzieller Erfahrung und Verfügbarkeit allgemein gut verstanden ist. Außerdem erfordert eine solche Korrelation weder eine umfangreiche Kalibrierungsabbildung noch erfordert ihre Genauigkeit Anpassungsmaßnahmen über die Motorbetriebslebensdauer. Somit kann eine Nachschlagetabelle ausreichend Korrelationsdaten bereitstellen, die zur Verwendung in einer weiteren Realisierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs die Klopfstärke auf die NOx-Emissionen abbilden.
  • Die verschiedenen oben dargelegten alternativen Ausführungsformen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergangs sind in den schematischen Darstellungen der 13-15 veranschaulicht. 13 veranschaulicht eine Vorgehensweise auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle, in der die Kraftstoffbeaufschlagungsrate genutzt wird, um daraus einen NOx-Emissionsindex zu bestimmen. Die Kraftstoffbeaufschlagungsrate kann aus einem Steuerparameter wie etwa einem Kraftstoffimpulsbreitensignal oder aus einem Maß für die angeforderte Drossel oder aus einem anderen lastangebenden Maß bestimmt werden. Durch Korrelieren zusätzlicher Parameter 111, z. B. der Motordrehzahl, mit den NOx-Emissionsdaten, kann außerdem die Genauigkeit auf Kosten größerer Kalibrierungsdatensätze verbessert werden. Der Betriebsartbestimmungs-Logikblock stützt sich bei der Bestimmung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart (d. h. mager oder stöchiometrisch) auf den bereitgestellten NOx-Emissionsindexwert aus der Nachschlagetabelle. Ferner kann die Betriebsart-Bestimmungslogik durch weitere Parameter 113 wie etwa eine Motordrehzahl beeinflusst und bestimmt werden. Vorzugsweise nutzen die Betriebsart-Bestimmungslogik und die Schaltung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart eine Routinenhysterese, um eine Betriebsartschaltstabilität zu bewirken.
  • 14 veranschaulicht eine Vorgehensweise auf der Grundlage der direkten NOx-Abfühlung, in der der NOx-Emissionsindex aus einem Abgas-Bestandteilsensor bestimmt wird, der innerhalb des Abgasstroms angeordnet ist. Die Betriebsart-Bestimmungslogik stützt sich bei der Bestimmung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart (d h. mager oder stöchiometrisch) auf den bereitgestellten NOx-Emissionsindexwert von dem Sensor. Ferner kann die Betriebsart-Bestimmungslogik durch weitere Parameter 113 wie etwa die Motordrehzahl weiter beeinflusst und bestimmt werden. Vorzugsweise nutzen die Betriebsart-Bestimmungslogik und die Schaltung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart eine Routinehysterese zum Bewirken einer Betriebsartschaltstabilität.
  • 15 veranschaulicht einen Zugang auf der Grundlage der indirekten NOx-Abfühlung, in dem der NOx-Emissionsindex auf der Grundlage der Korrelation der Klopfsensorausgabe mit dem NOx-Emissionsindex aus einer Nachschlagetabelle bestimmt wird. Durch Korrelieren zusätzlicher Parameter 111, z. B. der Motordrehzahl, mit den NOx-Emissionsdaten kann außerdem die Genauigkeit auf Kosten größerer Kalibrierungsdatensätze verbessert werden. Der Betriebsartbestimmungs-Logikblock stützt sich bei der Bestimmung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart (d. h. mager oder stöchiometrisch) auf den bereitgestellten NOx-Emissionsindexwert aus der Nachschlagetabelle. Ferner kann die Betriebsart-Bestimmungslogik durch weitere Parameter 113 wie etwa die Motordrehzahl beeinflusst und bestimmt werden. Vorzugsweise nutzen die Betriebsart-Bestimmungslogik und die Schaltung der aktiven Kraftstoffbeaufschlagungsbetriebsart eine Routinenhysterese, um eine Betriebsartschaltstabilität zu bewirken.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der in einer Betriebsart gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, wobei der Motor eine Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen, die durch einen Kolben definiert ist, der innerhalb eines Zylinders zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt hin- und hergeht, einen Einlass- und einen Auslasskanal, ein Kraftstoffbeaufschlagungssystem und ein Einlass- und ein Auslassventil, die während wiederholter aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Arbeitstakte des Kolbens gesteuert werden, enthält, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben eines Systems veränderlicher Ventile zum Steuern des Einlass- und des Auslassventils zum Bewirken zylinderinterner Bedingungen, die einer gesteuerten Selbstzündung förderlich sind; Betreiben eines Kraftstofffördersystems zum Bewirken einer zylinderinternen Kraftstoffladung in einem stöchiometrischen oder in einem mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das einer gesteuerten Selbstzündung förderlich ist; Bereitstellen eines Maßes der Motor-NOx-Emission; und wenn die Motor-NOx-Emission einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, Überführen der zylinderinternen Kraftstoffladung aus dem arbeitenden des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in das nicht arbeitende des stöchiometrischen oder des mageren gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wobei das Betreiben des Systems veränderlicher Ventile zum Steuern des Einlass- und des Auslassventils zum Bewirken zylinderinterner Bedingungen, die einer gesteuerten Selbstzündung förderlich sind, Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Auslassereignisses, während dessen das Auslassventil offen ist, um verbrannte Gase aus der Verbrennungskammer auszustoßen; nach dem Auslassereignis, Bereitstellen einer Periode gleichzeitigen Schließens des Auslass- und des Einlassventils wenigstens während eines Abschnitts des Ansaugtakts des Kolbens, was das Herstellen einer Unterdruckbedingung innerhalb der Verbrennungskammer bewirkt, wobei mit abnehmender Motorlast tiefere Unterdruckbedingungen bewirkt werden; und Bereitstellen eines Einlassereignisses, während dessen das Einlassventil offen ist, um Frischluft in die Verbrennungskammer aufzunehmen.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Herstellen zurückgeführter Abgase innerhalb der Verbrennungskammer während Ansaugtakten umfasst.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, bei dem das Herstellen zurückgeführter Abgase eine interne Abgasrückführung umfasst.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 3, bei dem die interne Abgasrückführung das Einfangen von Abgasen innerhalb der Verbrennungskammer durch frühes Auslassventilschließen umfasst.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 3, bei dem die interne Abgasrückführung das Rücksaugen von Abgasen, die durch das während des Ausstoßtakts geöffnete Auslassventil in den Auslasskanal ausgestoßen werden, durch das während des Ansaugtakts geöffnete Auslassventil in die Verbrennungskammer umfasst.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 3, bei dem die interne Abgasrückführung das Rücksaugen von Abgasen, die durch das während des Ausstoßtakts geöffnete Einlassventil in den Einlasskanal ausgestoßen werden, durch das während des Ansaugtakts geöffnete Einlassventil in die Verbrennungskammer umfasst.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, bei dem das Herstellen zurückgeführter Abgase eine externe Abgasrückführung umfasst.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, bei dem das Maß der NOx-Emission durch eine Nachschlagetabelle bereitgestellt wird, die die Kraftstoffbeaufschlagungsrate mit dem Maß der NOx-Emission korreliert.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, bei dem das Maß der NOx-Emission durch einen NOx-Sensor bereitgestellt wird.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, bei dem das Maß der NOx-Emission durch eine Nachschlagetabelle bereitgestellt wird, die das Motorklopfen mit dem Maß der NOx-Emission korreliert.
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