DE112006003208B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennungssteuerung in einem Mehrzylindermotor mit homogener Kompressionszündung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennungssteuerung in einem Mehrzylindermotor mit homogener Kompressionszündung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer Verbrennung in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor, bei welchem Verfahren die Verbrennungs-Phasenlage durch die Drosselventilposition und EGR-Ventilpositionen für alle Zylinder ganzheitlich beeinflusst wird, wobei der Mehrzylinderverbrennungsmotor in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, und wobei zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität folgende Schritte ausgeführt werden: Ausführen einer Kraftstoffeinspritzung während eines Zeitraums einer negativen Ventilüberlappung, während dessen sowohl ein Einlass- als auch ein Auslassventil eines Zylinders des Mehrzylinderverbrennungsmotors in der Nähe des oberen Totpunkts des Einlasstakts geschlossen sind; Überwachen einer Verbrennung und Ermitteln der Verbrennungs-Phasenlage in jedem Zylinder; Bestimmen eines Zielwerts der Verbrennungs-Phasenlage, indem die Verbrennungs-Phasenlage eines der Zylinder ausgewählt wird, die am weitesten vorverstellt ist; und selektives Steuern einer Kraftstoffzufuhr zu jedem Zylinder während der Kraftstoffeinspritzung derart, dass die Differenz zwischen der ermittelten Verbrennungs-Phasenlage und dem Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage für jeden Zylinder minimiert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Steuersysteme von Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Betreiben eines Motors mit homogener Kompressionszündung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Um die thermische Effizienz eines Benzin-Verbrennungsmotors zu verbessern, steigert eine verdünnte Verbrennung – entweder mittels Luft oder mittels eines zurückgeführten Abgases – die thermische Effizienz und reduziert NOx-Emissionen. Wegen Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität infolge eines langsamen Abbrennens in einem oder mehreren Zylindern gibt es jedoch eine Grenze, bis zu der ein Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren, um das Verdünnungslimit auszudehnen, umfassen 1) ein Verbessern einer Zündbarkeit des Gemisches durch ein Verbessern einer Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung, 2) ein Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch ein Einführen einer Ladungsbewegung und einer Turbulenz, und 3) ein Betreiben des Motors unter Verwendung eines Verbrennungsprozesses mit gesteuerter Selbstzündung.
  • Der Prozess mit gesteuerter Selbstzündung wird auch als Prozess der homogenen Kompressionszündung (HCCI) bezeichnet. Bei diesem Prozess wird ein Gemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff erzeugt, das als eine Verbrennungsladung bezeichnet wird, und eine Selbstzündung wird in dem Gemisch während einer Verdichtung an vielen Zündungsstellen gleichzeitig ausgelöst, was zu einer stabilen Leistungsabgabe und einer hohen thermischen Effizienz führt. Da die Verbrennung hoch verdünnt und über die Verbrennungsladung gleichmäßig verteilt ist, sind die Temperatur des verbrannten Gases und damit die NOx-Emissionen erheblich niedriger als NOx-Emissionen eines herkömmlichen Zündfunkenmotors, der auf einem Ausbreiten einer Flammenfront basiert, und eines herkömmlichen Dieselmotors, der auf einer angelagerten Flammendiffusion basiert. Eine Verbrennungs-Phasenlage ist ein wichtiger Aspekt des Verbrennungsprozesses und umfasst eine Zeitsteuerung eines zylindereigenen Verbrennungsparameters relativ zur Kolbenposition und wird üblicherweise durch einen Drehwinkel einer Kurbelwelle gemessen. Zylindereigene Verbrennungsparameter umfassen solche Parameter wie eine Lage eines Spitzendrucks (LPP) und einen Motor-Kurbelwinkel, bei dem 50% einer Verbrennungsladung verbrannt sind (CA-50).
  • Motoren, die mit einer Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung betrieben werden, hängen von Faktoren ab, welche die Zusammensetzung, die Temperatur und den Druck der Zylinderladung bei dem Schließen des Einlassventils umfassen, um die Verbrennungs-Phasenlage zu steuern. Daher müssen die Steuereingaben an den Motor, wie zum Beispiel die Masse und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (bezogen auf die Kolbenposition) und die Profile des Einlass-/Auslassventils, sorgfältig abgestimmt werden, um eine robuste Selbstzündungsverbrennung zu gewährleisten. Allgemein gesprochen wird ein HCCI-Motor für die beste Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit ungedrosselt und mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben.
  • Bei einem HCCI-Motor, der eine Ventilstrategie einer Abgaswiederverdichtung verwendet, werden die Temperaturen der Verbrennungsladung in jedem Zylinder gesteuert, indem heißes Restgas aus einem vorhergehenden Verbrennungszyklus während eines Zeitraums einer negativen Ventilüberlappung (NVO) eingefangen wird. Der NVO-Zeitraum ist als ein durch einen Motor-Kurbelwinkel gekennzeichneter Bereich definiert, in dem sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil für einen gegebenen Zylinder geschlossen sind, und tritt um den TDC-Einlass herum auf. Während jeder Einlassphase eines Verbrennungszyklus tritt eine Wiederverdichtung während eines NVO-Zeitraums durch ein Vorziehen des Schließen (d. h. ein früheres Schließen) eines Auslassventils auf, vorzugsweise in Kombination mit einem Verzögern des Öffnens (d. h. einem verspäteten Öffnen) eines entsprechenden Einlassventils, vorzugsweise symmetrisch um den oberen Totpunkt (TDC). Sowohl die Zusammensetzung als auch die Temperatur der Verbrennungsladung werden durch den Schließzeitpunkt des Auslassventils stark beeinflusst. Insbesondere kann durch ein früheres Schließen des Auslassventils mehr heißes Restgas aus einem vorhergehenden Verbrennungszyklus zurückgehalten werden, was weniger Raum für eine eintretende Masse von Frischluft lässt. Die Nettoergebnisse umfassen eine höhere Temperatur der Verbrennungsladung und eine niedrigere Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsladung. Die gesteuerte Verwendung der NVO führt zu einer Möglichkeit, die Menge des heißen Restgases zu steuern, die in jedem Zylinder gefangen ist. Während jedes NVO-Zeitraums kann eine Kraftstoffmenge eingespritzt und in der Verbrennungskammer reformiert werden.
  • Bei einem HCCI-Motor mit mehreren Zylindern kann die Verbrennungs-Phasenlage zwischen einzelnen Zylindern aufgrund von Unterschieden in den thermischen Randbedingungen der einzelnen Zylinder und von Unterschieden in den Einlassbedingungen, einschließlich Schwankungen in dem Lufteinlass, der Kraftstoffeinspritzung, den zurückgeführten Abgasen und dem Zündfunken, erheblich schwanken.
  • Es ist bekannt, die Verbrennungs-Phasenlage mittels zusätzlicher Wärme zu steuern, die von dem Kraftstoffreformierungsprozess abgegeben wird, um die Temperatur der Zylinderladung und die Verbrennungs-Phasenlage zu verändern. Übermäßige Kraftstoffreformierung erhöht jedoch den Kraftstoffverbrauch, und daher ist es vorteilhaft, ein Steuerschema zu entwerfen, das ein Gleichgewicht zwischen Zylindern mit minimalen Fehlern in der Verbrennungs-Phasenlage mittels einer geringsten Menge an Kraftstoffreformierung erreicht.
  • Aus der DE 102 37 328 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit HCCI-Brennverfahren bekannt, bei welchem die Verbrennung überwacht wird, ein Zielwert einer Verbrennungs-Phasenlage bestimmt wird und eine Kraftstoffzufuhr derart gesteuert wird, dass der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage erreicht wird.
  • Ein ähnliches Verfahren ist in der DE 102 15 674 A1 beschrieben, wobei allerdings die eine mittels eines Ionenstromsignals gemessene Verbrennungs-Phasenlage mit einer durch den Zylinderdruckverlauf ermittelten Phasenlage korrigiert wird.
  • Ferner beschreibt die DE 600 10 176 T2 ein Verfahren zum Steuern einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine, bei dem die Verbrennungs-Phasenlage durch ein geeignetes Steuern von Ventilöffnungsphasen und der Kraftstoffzufuhr an unterschiedliche Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine angepasst wird.
  • Schließlich ist in der DE 103 50 796 A1 ein Steuerverfahren beschrieben, bei dem Abgas während eines Ladungswechsels im Kompressionsmodus zurückgehalten wird, wobei wahlweise eine erste Kraftstoffmenge in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt wird. Dabei wird bei einer Abweichung der Verbrennungsschwerpunktlage von einem Sollwert die zurückgehaltene Abgasmenge derart korrigiert, dass die Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung des Sollwerts verschoben wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Verbrennung in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor zu schaffen, mit denen die Leistung eines HCCI-Motors verbessert wird, während die oben beschriebenen Bedenken behandelt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden für die Fachleute offensichtlich werden, wenn sie die nachfolgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen lesen und verstehen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und in einer Anordnung von Teilen physische Gestalt annehmen, deren Ausführungsform ausführlich beschrieben und in den unten eingebundenen Zeichnungen dargestellt ist, umfassend:
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Steuerschemas gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2A und 2B sind Datengraphen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die Figuren nur dem Zweck der Erfindungsdarstellung dienen und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Steuerschemas zum Steuern eines Verbrennungsmotors 10, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Steuerschema umfasst eine Steuerlogik, die vorzugsweise als mindestens ein Algorithmus in dem Steuermodul 5 ausgeführt ist und die dazu dient, einen Aspekt des Gesamtmotorbetriebs zu steuern. Das elektronische Steuermodul überwacht und verarbeitet eine Vielzahl von Eingaben aus dem Motor 10 und handelt, um einen oder mehrere Motoraktuatoren zu steuern, die alle auf der Steuerlogik basieren.
  • Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, wird man einsehen, dass die vorliegende Erfindung auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung angewendet werden kann, der mit einem Prozess mit gesteuerter Selbstzündung betrieben werden kann, d. h. mit der zuvor erwähnten homogenen Kompressionszündung oder HCCI. Die Ausbildung des Motors umfasst vorzugsweise einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, der eine Vielzahl von an einem Ende geschlossenen Zylindern aufweist, wobei jeder an einem Ende geschlossene Zylinder einen darin eingefügten beweglichen Kolben aufweist, der zusammen mit dem Zylinder eine Verbrennungskammer mit einem variablen Volumen definiert. Eine Einlassöffnung liefert Luft an die Verbrennungskammer, wobei die Luftströmung in die Verbrennungskammer durch ein oder mehrere Einlassventile gesteuert wird. Verbrannte (abgebrannte) Gase strömen durch eine Auslassöffnung aus der Verbrennungskammer, wobei die Strömung der verbrannten Gase durch die Auslassöffnung hindurch durch ein oder mehrere Auslassventile gesteuert wird. Ein System zum Steuern des Öffnens und des Schließens der Einlass- und Auslassventile kann Einrichtungen und Steuerstrategien umfassen, welche die Größe des Ventilhubs oder der Ventilöffnung, die Dauer der Ventilöffnung und den Zeitpunkt der Ventilöffnung steuern und üblicherweise Einlassventile und/oder Auslassventile für alle Motorenzylinder einschließen. Eine Kurbelwelle ist durch eine Pleuelstange mit jedem Kolben verbunden, der sich während des laufenden Motorbetriebs in jedem Zylinder hin- und herbewegt. Der Motor ist vorzugsweise mit einem Zündungssystem ausgestattet, das eine Zündkerze umfasst, die in die jeweilige Verbrennungskammer eingefügt ist. Ein Kurbelwellensensor überwacht die Drehposition der Kurbelwelle. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung dient dazu, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer einzuspritzen, und wird durch das Steuermodul 5 gesteuert. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in einem Modus einer Einzeleinspritzung oder einem Modus einer geteilten Einspritzung steuerbar. In dem Modus der geteilten Einspritzung gibt es während jedes Verbrennungszyklus ein erstes Ereignis der Kraftstoffeinspritzung, das für eine Kraftstoffreformierung verwendet werden kann, und ein zweites Hauptereignis der Kraftstoffeinspritzung, das zum Antreiben des Motors verwendet werden kann. Bei der beschriebenen Ausführungsform weist jeder Zylinder einen Zylinderdrucksensor auf, um während des laufenden Betriebs den zylindereigenen Druck zu überwachen. Die Information des Zylinderdrucksensors wird in dem Steuerschema verwendet, um spezielle Verbrennungseigenschaften, wie zum Beispiel die Lage des Zylinderspitzendrucks, zu identifizieren. Es versteht sich, dass alternative Einrichtungen und Verfahren, die spezielle Verbrennungsparameter überwachen und bestimmen, im Rahmen der Erfindung durch das Steuerschema verwendet werden können. Alternative Einrichtungen und Verfahren umfassen beispielsweise ein Überwachen eines Funkenionisationsstroms und ein Überwachen einer Veränderung der Kurbelwellendrehzahl, wobei beides dazu dient, Parameter bereitzustellen, die mit der Verbrennungs-Phasenlage korrelierbar sind. Der Motor ist vorzugsweise mit einer Dual-Equal Steuereinrichtung der variablen Nocken-Phasenlage ausgestattet, welche die Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlass- und Auslassventile steuert. Der variable Nocken-Phasensteller wird durch das Steuermodul 5 gesteuert und durch einen elektrohydraulischen, einen hydraulischen oder einen elektrischen Aktuator des Nocken-Phasenstellers betrieben.
  • Die Verbrennungs-Phasenlage kann während des Motorbetriebs mit gesteuerter Selbstzündung durch ein Einstellen einer Überlappung des Einlass- und Auslassventils, einschließlich einer negativen Ventilüberlappung (NVO), und anderer Motorbetriebsparameter, wie zum Beispiel der Masse und des Zeitpunkts der Einspritzung, des Zündzeitpunkts, der Drosselposition und der Position eines EGR-Ventils, gesteuert werden. Der NVO-Betrag kann mittels vieler Mechanismen eingestellt werden, beispielsweise mittels eines voll flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA-System), des oben erwähnten Dual-Equal-Systems der Nocken-Phasenlage und eines mechanischen zweistufigen Ventilsystems. Die negative Ventilüberlappung (NVO), die als eine Kurbelwinkel-Zeitdauer definiert ist, in der sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil für einen gegebenen Zylinder geschlossen sind, tritt während einer Zeitdauer auf, wenn ein bestimmter Kolben während eines Einlassanteils eines jeden Motorzyklus einen oberen Totpunkt erreicht (TDC-Einlass). NVO wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, um die Menge der heißen Restgase zu steuern, die in dem Zylinder gefangen ist.
  • Die Verbrennungs-Phasenlage des beispielhaften Mehrzylindermotors wird durch die Drosselventilposition und EGR-Ventilpositionen beeinflusst, deren Auswirkungen für alle Zylinder ganzheitlich sind. Daher sind die Steuerung der Drosselventilposition und die Steuerung der EGR-Ventilposition nicht effektiv, um die Verbrennungs-Phasenlage eines einzelnen Zylinders zu steuern.
  • Eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ist notwendig, um eine selbst gezündete Verbrennung über einen weiten Bereich der Motorlasten zu erreichen. Beispielsweise kann eine Verbrennungsladung bei einer geringen Motorlast (z. B. Kraftstoffrate < 7 mg/Zyklus bei 1000 U/min) für eine stabile selbst gezündete Verbrennung nicht heiß genug sein, wenn der höchste praktische Wert der NVO verwendet wird, was zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung der Verbrennungsladung führt. Die Temperatur der Verbrennungsladung kann durch eine Voreinspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in der Nähe des TDC-Einlasses während einer Wiederverdichtung und der NVO erhöht werden, was zu einer Kraftstoffreformierung führt, d. h. der Kraftstoff wird in ein Gemisch aus Wasserstoff, CO und leichten HC-Molekülen umgewandelt. Zumindest ein Teil des voreingespritzten Kraftstoffs reformiert sich aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur während der Wiederverdichtung. Die durch die Kraftstoffreformierung abgegebene Wärmeenergie hilft, einen Wärmeverlust aufgrund einer Übertragung der Motorwärme und einer Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs auszugleichen, und erhöht die Temperatur der Zylinderladung in ausreichendem Maß, um die Verbrennungsladung selbst zu zünden, die während eines nachfolgenden Haupt-Kraftstoffeinspritzereignisses erzeugt wird. Die Menge des voreingespritzten Kraftstoffes, die sich während der Wiederverdichtung reformiert, hängt von vielen Variablen ab, wie zum Beispiel der eingespritzten Masse, dem Einspritzzeitpunkt und der Temperatur und dem Druck des gefangenen Abgases. Die Wärmeabgabe aus dem Kraftstoffreformierungsprozess kann verwendet werden, um die Temperatur der Zylinderladung zu verändern, indem entweder der Einspritzzeitpunkt oder die Menge der Kraftstoffeinspritzung während des NVO-Zeitraums gesteuert werden. Dadurch wird die HCCI-Verbrennung gesteuert, und ihr folgt eine zweite, eine Hauptkraftstoffeinspritzung. Um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu wahren, ist es wünschenswert, die Kraftstoffmenge zu minimieren, die für die Reformierung und den Zylinderausgleich verwendet wird.
  • Wie zuvor beschrieben, ist das Steuermodul 5 vorzugsweise ein Element eines Gesamtsteuersystems, das eine verteilte Steuermodularchitektur aufweist, die dazu dient, eine koordinierte Steuerung eines Antriebsstrangsystems zu schaffen. Das Steuermodul 5 setzt eine passende Information und Eingaben von Messeinrichtungen zusammen einschließlich des Kurbelwellensensors, der Zylinderdrucksensoren, eines Abgassensors und anderer Motorsensoren, und führt Algorithmen aus, um den Betrieb verschiedener Aktuatoren, wie zum Beispiel der Kraftstoffeinspritzvorrichtung und variabler Ventilaktuatoren, zu steuern, eine Drehmomentanforderung eines Bedieners zu erreichen und einen Motorbetrieb so zu führen, dass Steuerziele erfüllt werden, die auf Faktoren bezogen sind, welche Emissionen, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die Fahrbarkeit und andere umfassen.
  • Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Allzweck-Elektronikcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM) und einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) umfassen, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung(A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabeschaltungen und -einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen aufweist. Ein Satz von Steueralgorithmen, die residente Programmanweisungen, welche von der zentralen Verarbeitungseinheit ausführbar sind, sowie Kalibrierungen umfassen, ist in dem ROM gespeichert und wird ausgeführt, um die jeweiligen Funktionen zu schaffen. Die Algorithmen werden üblicherweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, sodass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichereinrichtungen gespeichert sind, werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Messeinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb der jeweiligen Einrichtung mittels voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden üblicherweise während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Wieder auf 1 Bezug nehmend, ist ein graphisches Abbild des Steuerschemas dargestellt, das ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennungs-Phasenlage umfasst, um die Verbrennung zwischen den Motorzylindern in ein Gleichgewicht zu bringen, wenn der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird.
  • Während des Betriebs in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung gibt es eine Kraftstoffgesamtmasse, die in jede Verbrennungskammer eingespritzt werden soll, um eine Drehmomentanforderung eines Bedieners zu erfüllen und den Motor anzutreiben. Die Verbrennungs-Phasenlage, die eine Zeitsteuerung der zylindereigenen Verbrennungsparameter relativ zu der Kolbenposition umfasst, wird in jedem Zylinder durch Steuerung der Kraftstoffreformierung gesteuert.
  • Das Steuerschema arbeitet wie folgt: die Verbrennung wird in jedem der Zylinder überwacht, und Verbrennungsparameter aus jedem Zylinder werden überwacht (Block 20), um einen Parameter der Verbrennungs-Phasenlage T1(k), T2(k), ..., Tj(k) für jeden der j Zylinder während jedes Motorzyklus k zu bestimmen. In dieser Ausführungsform wird für jeden Zylinder ein Druck in dem Zylinder als Funktion eines Kurbelwinkels überwacht. Das Überwachen der Verbrennung umfasst das Bestimmen eines Verbrennungsbetriebsparameters für jeden Zylinder während jedes Motorzyklus, einschließlich beispielsweise eines Motor-Kurbelwinkels, bei dem ein Verbrennungsdruck in dem Zylinder einen Spitzendruck erreicht und der allgemein als Lage des Spitzendrucks (LPP) bezeichnet wird. Alternativ umfasst das Überwachen der Verbrennung einen Motor-Kurbelwinkel, bei dem 50% einer Verbrennungsladung verbrannt sind (CA-50). Es sind andere Verbrennungsparameter anwendbar, die andere Überwachungsschemata verwenden.
  • Es wird ein Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage TT bestimmt, der vorzugsweise aus den Parametern der Verbrennungs-Phasenlage T1, T2, ... Tj ausgewählt wird, die während jedes Motorzyklus bestimmt werden (Block 22). Der ausgewählte Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage TT umfasst ferner eine Phasenlage, die von jedem Zylinder mittels Kraftstoffreformierung erreichbar ist. Die Logik, die zur Auswahl des Zielwerts der Verbrennungs-Phasenlage in einem Motorzyklus k, TT(k), verwendet wird, ist in Gleichung 1 wie folgt dargestellt: TT(k) = min{Tn(k)|In(k) < ε}, [1] wobei Tn(k) die Verbrennungs-Phasenlage des n-ten Zylinders in dem Motorzyklus k, In(k) der Integratorwert des Integralcontrollers für den n-ten Zylinder in dem Motorzyklus k und ε ein anpassbarer Parameter ist. Der Parameter ε ist üblicherweise so kalibriert, dass er eine genügend kleine positive Zahl darstellt. Der Wert In(k) ist direkt auf die Menge der Kraftstoffreformierung bezogen, die von dem Controller gefordert wird, um eine tatsächliche Verbrennungs-Phasenlage Tn zu erreichen, die sich TT annähert. Die Beziehung für den Integratorparameter lautet In(k) ≥ 0 für alle n und k. Wenn der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage TT erreichbar ist, konvergiert jedes der Integrale In, wenn Tn sich TT annähert. Jedes Motorereignis Tn und TT wird während jedes Motorzyklus bestimmt, und ein Fehler en wird als eine Differenz zwischen den Werten bestimmt. Jeder Fehler en wird zu einem vorangegangenen Wert des Integrators In arithmetisch addiert, um einen neuen Wert für In zu bestimmen (Block 24). Der Zielwert der Phasenlage TT wird an einen Gesamtcontroller für die Verbrennungs-Phasenlage ausgegeben, der vorzugsweise in dem Steuermodul 5 residiert, um Befehlsparameter für die NVO, die EGR, die Drossel sowie für die Masse und den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen, wobei sowohl das erste Ereignis der Kraftstoffeinspritzung als auch das Hauptereignis der Kraftstoffeinspritzung umfasst sind, wenn der Betrieb in dem Modus der geteilten Einspritzung erfolgt (Block 26). Der Kraftstoffreformierungsprozess erhöht die Zylindertemperatur und stellt demzufolge die Verbrennungs-Phasenlage vor. Die Verbrennungs-Phasenlage eines der Zylinder, die eine am weitesten vorverstellte Verbrennungs-Phasenlage bei einer geringsten Menge der Kraftstoffreformierung aufweist, wird als der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage ausgewählt, so dass die anderen Zylinder den Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage mit einer geringsten Menge der Kraftstoffreformierung erreichen können. Unter einer Betriebsbedingung, bei welcher der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage nicht erreichbar ist, sind die Fehler zwischen dem Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage und den anderen Verbrennungs-Phasenlagen vorzugsweise für mindestens einen der Zylinder minimal, sogar mit einer maximalen Kraftstoffreformierung bei einer geringsten Menge der Kraftstoffreformierung.
  • Das Zylindersteuerschema arbeitet vorzugsweise mit dem Gesamtcontroller für die Verbrennungs-Phasenlage zusammen (Block 26), um den Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage TT zu dem gewünschten Wert der Verbrennungs-Phasenlage Td zu führen, basierend auf einem Fehler zwischen diesen beiden Werten. Die Befehlsparameter für die Masse und den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, die von dem Controller ausgegeben werden (Block 26), werden durch den Integrator In so eingestellt, dass Befehle zur Steuerung der einzelnen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen erzeugt werden, im Sinne des Zeitpunkts jedes Einspritzereignisses und der Kraftstoffmasse, die während jedes Einspritzereignisses eingespritzt wird (Block 28).
  • Entweder die Menge oder der Zeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung wird für jeden Zylinder durch einen einzelnen Integralcontroller gesteuert, um die Differenz zwischen einer gemessenen Verbrennungs-Phasenlage und dem Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage zu minimieren. Die Menge des zugeführten Kraftstoffs wird üblicherweise eingestellt, indem die Pulsweite der Einspritzvorrichtung gesteuert wird, und der Zeitpunkt der Einspritzung wird üblicherweise auf der Grundlage einer Steuerung eines Anfangs oder eines Endes eines jeden Einspritzereignisses relativ zu einem Motor-Kurbelwinkel und einer Kolbenposition gesteuert. Die einzelnen Integratoren In sind immer größer oder gleich Null und sind durch einen Maximalwert für alle Motorereignisse begrenzt. Der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage kann zu der gewünschten Verbrennungs-Phasenlage geführt werden, indem andere Aktuatoren durch ein Einwirken des Steuermoduls eingestellt werden, einschließlich der Verstellung der Kurbel-Phasenlage zum Einstellen der NVO, der EGR-Strömung und der Drossel. Wenn folglich der Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage für alle Zylinder erreichbar ist, konvergiert die Verbrennungs-Phasenlage jedes Zylinders zu der gewünschten Verbrennungs-Phasenlage.
  • Nun auf 2A und 2B Bezug nehmend, werden Ergebnisse aus einem Simulationsbetrieb des beispielhaften HCCI-Motors bei einer Motordrehzahl von 1000 U/min gezeigt. Das Steuerschema für das Zylindergleichgewicht wird nach ungefähr 10 Sekunden des Betriebs betätigt, wie gezeigt ist. Die Ergebnisse stellen eine Lage des Spitzendrucks (LPP) für jeden der vier Zylinder dar, die sich nach nur wenigen Sekunden des Betriebs einem Zielwert der LPP annähert, wenn das Steuerschema wie oben beschrieben arbeitet. Die entsprechenden Integratorwerte In sind für jeden der n Zylinder in 2B dargestellt.
  • Das Steuerschema schafft ein Verfahren zum Auswählen eines Zielwerts der Verbrennungs-Phasenlage und zum Berechnen einer geeigneten Menge von Kraftstoffreformierung, um eine Differenz der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern zu reduzieren. In dem Steuerschema ist das Einstellen eines einzelnen Zylinders begrenzt, und die Differenz der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern nimmt bei einer Minimalmenge der Kraftstoffreformierung einen Minimalbetrag an. Das Steuerschema bestimmt und steuert den Zeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung, um das Niveau der Kraftstoffreformierung in jedem Zylinder einzustellen, um die Differenz der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern zu reduzieren. Alternativ bestimmt und steuert das Steuerschema eine während des ersten Einspritzereignisses einzuspritzende Kraftstoffmasse, um das Niveau der Kraftstoffreformierung in jedem Zylinder einzustellen, um die Differenz der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern zu reduzieren. Alternativ werden in dem Steuerschema sowohl die Kraftstoffmasse als auch der Zeitpunkt des ersten Einspritzereignisses gesteuert, um das Niveau der Kraftstoffreformierung in jedem Zylinder einzustellen, um die Differenz der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern zu reduzieren. Das gezeigte Beispiel verwendet in einem Modus einer geteilten Einspritzung nur den Zeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung. Es versteht sich, dass der gleiche Algorithmus in jedem Zyklus ebenso auf ein einzelnes Ereignis der Kraftstoffeinspritzung angewendet werden kann, wobei der Zeitpunkt des Einspritzereignisses gesteuert wird, und der eingespritzte Kraftstoff ausreicht, um ein gewisses Reformierungsniveau zu erreichen und den Motor anzutreiben.
  • Die Vorteile, einen Motor auf die hierin beschriebene Weise während des HCCI-Modus zu betreiben, umfassen eine verbesserte Motorstabilität, d. h. ein Verringern des COVIMEP (Variationskoeffizient des indizierten mittleren Drucks). Dies kann verwendet werden, um den Betriebsbereich des HCCI-Modus zu vergrößern, was zu einer verbesserten Motoreffizienz und Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs führt. Ein weiterer Vorteil umfasst ein Verringern der vom Motor abgegebenen NOx-Emissionen, was somit zu einer breiteren Verwendbarkeit der HCCI-Technologie führt.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Kraftstoffeinspritzstrategie, welche Zylinder in ein Gleichgewicht bringt und die Verbrennungs-Phasenlage einzelner Zylinder einstellt, um im Wesentlichen zeitlich gleichmäßig abgestimmte Verbrennungsereignisse in jedem der Zylinder während eines Betriebs in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu erreichen. Indem der Zeitpunkt der Einspritzung oder die Menge der Kraftstoffeinspritzung während des ersten, reformierenden Ereignisses der Kraftstoffeinspritzung, das in dem NVO-Zeitraum auftritt, gesteuert wird, kann die Wärmeabgabe aus dem Kraftstoffreformierungsprozess verwendet werden, um die Temperatur der Zylinderladung zu verändern. Diesem folgt vorzugsweise das zweite, das Hauptereignis der Kraftstoffeinspritzung. Das Verfahren kann ebenso auf eine einzelne Kraftstoffeinspritzung angewendet werden, indem der Zeitpunkt der Einspritzung eingestellt wird, um den Kraftstoffreformierungsprozess und die Verbrennungs-Phasenlage zu steuern.
  • Die Verbrennungs-Phasenlage wird in der vorliegenden Erfindung für jeden Zylinder des Mehrzylinder-HCCI-Motors einzeln mittels Kraftstoffreformierung gesteuert. Dies reduziert die Differenz in der Verbrennungs-Phasenlage zwischen den Zylindern und verbessert die Verbrennungsstabilität während des HCCI-Betriebs. Der Algorithmus erreicht einen Zylinderausgleich mit einer minimalen Menge von Kraftstoffreformierung, wodurch eine Kraftstoffwirtschaftlichkeitsleistung, die für HCCI-Motoren kennzeichnend ist, aufrechterhalten wird.
  • Die Erfindung wurde unter einer speziellen Bezugnahme auf die Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Die speziellen Details des Steuerschemas und die damit verbundenen, hierin beschriebenen Ergebnisse veranschaulichen die Erfindung, die durch die Ansprüche beschrieben ist. Weitere Modifikationen und Veränderungen können anderen Personen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist beabsichtigt, dass alle diese Modifikationen und Änderungen eingeschlossen sind, soweit sie sich im Rahmen der Erfindung befinden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Steuern einer Verbrennung in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor, bei welchem Verfahren die Verbrennungs-Phasenlage durch die Drosselventilposition und EGR-Ventilpositionen für alle Zylinder ganzheitlich beeinflusst wird, wobei der Mehrzylinderverbrennungsmotor in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, und wobei zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität folgende Schritte ausgeführt werden: Ausführen einer Kraftstoffeinspritzung während eines Zeitraums einer negativen Ventilüberlappung, während dessen sowohl ein Einlass- als auch ein Auslassventil eines Zylinders des Mehrzylinderverbrennungsmotors in der Nähe des oberen Totpunkts des Einlasstakts geschlossen sind; Überwachen einer Verbrennung und Ermitteln der Verbrennungs-Phasenlage in jedem Zylinder; Bestimmen eines Zielwerts der Verbrennungs-Phasenlage, indem die Verbrennungs-Phasenlage eines der Zylinder ausgewählt wird, die am weitesten vorverstellt ist; und selektives Steuern einer Kraftstoffzufuhr zu jedem Zylinder während der Kraftstoffeinspritzung derart, dass die Differenz zwischen der ermittelten Verbrennungs-Phasenlage und dem Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage für jeden Zylinder minimiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Phasenlage eines Verbrennungsereignisses in jedem Zylinder ferner ein Bestimmen einer Lage eines Spitzen-Zylinderdrucks in jedem Zylinder während des Verbrennungsereignisses umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Phasenlage eines Verbrennungsereignisses in jedem Zylinder ferner ein Bestimmen einer Kurbel-Winkellage, bei der fünfzig Prozent einer Verbrennungsladung abgebrannt sind, in jedem Zylinder während des Verbrennungsereignisses umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern der Kraftstoffzufuhr ferner umfasst: ein Ausführen eines Modus einer geteilten Kraftstoffeinspritzung und ein Steuern einer ersten Kraftstoffeinspritzung während eines Zeitraums einer negativen Ventilüberlappung derart, dass der eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen reformiert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Steuern des ersten Ereignisses der Kraftstoffeinspritzung, das bewirkt, dass der eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen reformiert wird, ein Steuern einer Kraftstoffmasse umfasst, die während der ersten Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Steuern des ersten Ereignisses der Kraftstoffeinspritzung, das bewirkt, dass der eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen reformiert wird, ein Steuern einer Kraftstoffmasse und eines Zeitpunkts der ersten Kraftstoffeinspritzung umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern der Kraftstoffzufuhr ferner umfasst: Ausführen einer einzelnen Kraftstoffeinspritzung derart, dass ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs reformiert wird und der Motor durch die Verbrennung des restlichen Kraftstoffs angetrieben wird.
  8. Vorrichtung, die ein Speichermedium mit einem maschinenausführbaren Code umfasst, der in diesem codiert ist und eine Steuerung einer Verbrennung in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor bewirkt, bei welcher die Verbrennungs-Phasenlage durch die Drosselventilposition und EGR-Ventilpositionen für alle Zylinder ganzheitlich beeinflusst wird, wobei der Mehrzylinderverbrennungsmotor in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, und wobei der Code zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität umfasst: einen Code zum Ausführen einer Kraftstoffeinspritzung während eines Zeitraums einer negativen Ventilüberlappung, während dessen sowohl ein Einlass- als auch ein Auslassventil eines Zylinders des Mehrzylinderverbrennungsmotors in der Nähe des oberen Totpunkts des Einlasstakts geschlossen sind; einen Code zum Überwachen einer Verbrennung und zum Ermitteln der Verbrennungs-Phasenlage in jedem Zylinder während eines Betriebs in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung; einen Code zum Bestimmen eines Zielwerts der Verbrennungs-Phasenlage, wobei der Code die Verbrennungs-Phasenlage eines der Zylinder auswählt, die am weitesten vorverstellt ist; und einen Code zum selektiven Steuern einer Kraftstoffzufuhr zu jedem Zylinder während der Kraftstoffeinspritzung derart, dass die Differenz zwischen der ermittelten Verbrennungs-Phasenlage und dem Zielwert der Verbrennungs-Phasenlage minimiert wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Code zum Überwachen der Verbrennung umfasst: einen Code zum Überwachen eines Motor-Verbrennungsdrucks, um für jede Verbrennungskammer die Verbrennungs-Phasenlage während eines Betriebs in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu bestimmen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Code zum Überwachen der Verbrennung umfasst: einen Code zum Überwachen einer Drehzahlveränderung einer Kurbelwelle, um für jede Verbrennungskammer die Verbrennungs-Phasenlage während eines Betriebs in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu bestimmen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Code zum Überwachen der Verbrennung umfasst: einen Code zum Überwachen eines Funkenionisationsstroms, um für jede Verbrennungskammer die Verbrennungs-Phasenlage während eines Betriebs in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu bestimmen.
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