DE112008000497T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Motors mit homogener Kompressionszündung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Motors mit homogener Kompressionszündung, der in einem Selbstzündungsmodus arbeitet, umfassend, dass:
eine Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt wird; und
eine Massenströmungsrate eines außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Ist-Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage gesteuert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft den Betrieb und die Steuerung von Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Motoren).
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
  • In einem HCCI-Motor (Motor mit homogener Kompressionszündung) ist die Verbrennung flammenlos und tritt spontan über das gesamte Volumen der Verbrennungskammer hinweg auf. Die homogen gemischte Zylinderladung wird selbstgezündet, wenn die Zylinderladung verdichtet wird und ihre Temperatur zunimmt. Der Zündzeitpunkt der selbstgezündeten Verbrennung hängt von anfänglichen Zylinderladungsbedingungen ab, einschließlich hauptsächlich der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung. Daher ist es wichtig, Motorsteuereingaben abzustimmen, wie beispielsweise die Kraftstoffmasse, den Einspritzzeitpunkt und die Einlass- und Auslassventilbewegung, um eine robuste HCCI-Verbrennung sicherzustellen. In Abhängigkeit von der Bewegung der Einlass- und Auslassventile gibt es in HCCI-Motoren zwei primäre Betriebsstrategien – eine Abgas-Wiederverdichtungsstrategie und eine Abgas-Rückatmungsstrategie.
  • Eines der Hauptprobleme bei der Anwendung eines HCCI-Motors ist es, dass die selbstgezündete Verbrennung anfällig gegenüber Schwankungen in Kraftstoffoktanniveaus und Schwankungen in Umweltbedingungen einschließlich der Umgebungstemperatur und der Feuchtigkeit ist. Dies liegt daran, dass solche Schwankungen die Zylinderladungsbedingungen verändern können und infolgedessen den Zündzeitpunkt der selbstgezündeten Verbrennung signifikant beeinflussen und unerwünschte Vibrationen in der Motorausgabe hervorrufen können. Daher ist es wichtig, die Motoreingaben/Aktuatoren in Echtzeit derart abzustimmen, dass eine robuste HCCI-Verbrennung bei der Anwesenheit solcher Schwankungen aufrechterhalten werden kann.
  • Nun auf 1 Bezug nehmend, zeigt eine Datengraphik der Zylinderladungstemperatur bei dem Schließen des Einlassventils (IVC) über der Abgastemperatur (EXH) typische stationäre Betriebskennlinien der Verbrennungsphasenlage der selbstgezündeten Verbrennung eines typischen HCCI-Motors, wobei Unterschiede in der umgebenden Umwelt und in dem Kraftstoffoktan verglichen werden. Die Ergebnisse sind für die Temperaturen TIVC und TEXH aufgetragen, wobei TIVC die Temperatur einer Einlassladung bei dem Schließen des Einlassventils umfasst und TEXH die Abgastemperatur umfasst. Die gestrichelten Linien umfassen Linien der TIVC und TEXH, die für eine konstante Verbrennungsphasenlage erforderlich sind, hierin definiert als ein Kurbelwinkel, bei dem 50% der eingeleiteten Kraftstoffmasse verbrannt sind (CA50). Die Ergebnisse geben an, dass die Zylinderladungstemperatur mit der Menge des heißen Restgases (d. h. einer inneren AGR) variiert, die in dem Zylinder eingefangen ist. Einer der Gründe für die Verschiebung der Verbrennungsphasenlage nach spät in einer Hochtemperaturzone ist, dass das Gemisch aufgrund eines höheren Verdünnungsniveaus schließlich zunehmend langsamer brennt, wenn die Menge des in dem Zylinder eingefangenen heißen Restgases zunimmt. Die qualitative Auswirkung auf die Verbrennung aufgrund von Änderungen der umgebenden Umwelt und/oder des Kraftstoffoktans ist durch einen Vergleich der Kurven 102 und 104 zu erkennen. Es ist beispielsweise gezeigt, dass sich die Verbrennungsphasenlage entweder mit einer Zunahme der Kraftstoffoktanzahl oder einer Zunahme der Feuchtigkeit nach spät verschiebt. Nun auf 2 Bezug nehmend, sind experimentelle Daten für einen beispielhaften HCCI-Motor dargestellt, der mit verschiedenen Kraftstoffsorten arbeitet, die unterschiedliche Oktanzahlen aufweisen. Der Motor wurde mit einer festen Motordrehzahl von ungefähr 1000 U/min mit einer festen Strömungsrate der Kraftstoffeinspritzung betrieben. Die Ergebnisse geben an, dass sich die Verbrennungsphasenlage nach spät verschiebt, wenn die Oktanzahl des Kraftstoffs von einer niedrigen Oktanzahl auf eine mittlere Oktanzahl und eine hohe Oktanzahl zunimmt. Die Oktanzahl umfasst ein Standard-Kraftstoffbewertungssystem, das verwendet wird, um eine Anti-Klopf-Qualität, d. h. eine Beständigkeit gegen eine unkontrollierte Frühzündung des Kraftstoffs zu beschreiben und zu definieren, der zur Verwendung in Funkenzündungs- und HCCI-Motoren vorgesehen ist. Die Beständigkeit gegen die unkontrollierte Frühzündung nimmt mit zunehmender Oktanzahl zu. Die in 2 dargestellten Ergebnisse geben an, dass sich die Kennlinien der Verbrennungsphasenlage mit Umwelt- und/oder Kraftstoffoktanänderungen qualitativ nicht verändern.
  • Nun auf 3 Bezug nehmend, sind stationäre Kennlinien der Verbrennungsphasenlage von Selbstzündungsverbrennungen mit äußerer AGR-Massenströmung dargestellt. Die Linien 302, 304 und 306 repräsentieren Linien konstanter Verbrennungsphasenlage, angegeben durch einen Punkt, bei dem 50% der Kraftstoffmasse verbrannt ist (CA50), für Kurbelwinkel von 0, 10 bzw. 20 Grad nach dem oberen Totpunkt im Verbrennungstakt (nach TDC). Die Linien 312 und 314 repräsentieren Beziehungen zwischen TEXH und TIVC mit zwei unterschiedlichen Sätzen eines konstanten Ventiltimings und -profils, und das Ventiltiming und -profil, die bei der Linie 312 verwendet werden, führen eine geringere innere AGR als diejenigen ein, die bei der Linie 314 verwendet werden. Die Kurve 308 repräsentiert einen HCCI-Motorbetrieb ohne äußere AGR, und 310 repräsentiert einen HCCI-Motorbetrieb mit 5% äußerer AGR. Die Ergebnisse geben an, dass die Verbrennungsphasenlage gesteuert werden kann, indem entweder die innere oder die äußere AGR-Massenströmung oder beide eingestellt werden. Üblicherweise verwenden die HCCI-Motoren einen Mechanismus, um das Ventiltiming/Profil zu steuern, um die innere AGR einzustellen, z. B. eine Nocken-Phaseneinstellung oder eine flexible Ventilsteuerung. Das Abgas aus dem vorhergehenden Motorzyklus wird eingefangen und erhöht die Ladungstemperatur bis zu einem Punkt, an dem sie genügend heiß genug für eine selbstgezündete Verbrennung ist. Die Menge des in dem Zylinder eingefangenen Abgases bestimmt die Ladungstemperatur und somit die Verbrennungsphasenlage der selbstgezündeten Verbrennung. Wie durch die in 3 dargestellten Ergebnisse gezeigt ist, ändert sich die Verbrennungsphasenlage jedoch nicht für alle Bedingungen monoton mit der inneren AGR. Daher ist die Steuerung der Verbrennungsphasenlage unter Verwendung der inneren AGR üblicherweise auf Betriebsbedingungen begrenzt, bei denen sich die Verbrennungsphasenlage monoton mit der inneren AGR ändert. Derartige Betriebsbedingungen schwanken mit Umwelt- und Kraftstoffqualitätsänderungen, die sich während eines Echtzeitbetriebs ändern können. Ohne präzise Information über Umwelt- und Kraftstoffqualitätsänderungen ist es eine Herausforderung, Änderungen der Betriebsbedingungen in Echtzeit zu identifizieren.
  • Die in 3 dargestellten Ergebnisse geben an, dass eine Erhöhung der äußeren AGR-Massenströmung die Temperatur des Abgases für eine gegebene Einlassladungstemperatur monoton erhöht. Daher kann die Verbrennungsphasenlage gesteuert werden, indem die äußere AGR-Strömungsmasse eingestellt und gesteuert wird. Diese monotone Beziehung existiert zwischen der Verbrennungsphasenlage und der äußeren AGR unabhängig von Schwankungen der umgebenden Umwelt und/oder des Kraftstoffoktans. Daher können Änderungen der äußeren AGR verwendet werden, um die Verbrennungsphasenlage der selbstgezündeten Verbrennung in Ansprechen auf Änderungen in der umgebenden Umwelt und/oder dem Kraftstoffoktan zu steuern. Die Figuren zeigen, dass, obwohl sich die Verbrennungsphasenlage mit den Änderungen in der umgebenden Umwelt oder dem Kraftstoffoktan verschiebt, das qualitative Verhalten der Verbrennung über der Zylinderladungstemperatur dasselbe bleibt.
  • Die nachstehend beschriebene Erfindung umfasst ein Verfahren und ein Steuerschema, um den Betrieb eines HCCI-Motors zu steuern, um Schwankungen in den Umgebungsbedingungen und dem Motor-Kraftstoffoktan, insbesondere dem Kraftstoffoktanniveau, zu kompensieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines HCCI-Motors geschaffen, der in einem Selbstzündungsmodus arbeitet. Das Verfahren umfasst, dass eine Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt wird; und dass eine Massenströmungsrate eines außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Ist-Verbrennungsphasenlage gesteuert wird. Ein Aspekt der Erfindung umfasst, dass ein Regelungsschema ausgeführt wird, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu steuern. Dadurch wird die Massenströmung des außen zurückgeführten Abgases eingestellt, um den Fehler der Verbrennungsphasenlage zu kompensieren, der durch Schwankungen in der umgebenden Umwelt und/oder dem Kraftstoffoktan verursacht wird.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNEN
  • Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die Ausführungsformen im Detail beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt werden, die einen Teil hiervon bilden, und wobei:
  • 1, 2 und 3 Datengraphiken gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
  • 4 ein schematisches Diagramm eines Steuerschemas gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine Datengraphik gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein schematisches Diagramm eines Steuerschemas gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 7 eine Datengraphik gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die Darstellungen nur zu dem Zweck der Veranschaulichung der Erfindung dienen und nicht zu dem Zweck, dieselbe einzuschränken, stellen 4 und 6 Blockdiagramme von Steuerschemata dar, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung konstruiert sind. Insgesamt werden die Steuerschemata jeweils in einem Steuermodul 20 ausgeführt, das ausgebildet ist, den Betrieb eines Verbrennungsmotors 10 zu steuern, der in einem Selbstzündungsmodus arbeitet, der als homogene Kompressionszündung (HCCI) bezeichnet wird. Der beispielhafte Motor umfasst einen bekannten Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor 10 mit Direkteinspritzung, der sich hin- und herbewegende Kolben aufweist, die in Zylindern bewegbar sind, welche Verbrennungskammern mit variablem Volumen definieren. Es gibt einen Ansaugkrümmer, der Luft in jede Verbrennungskammer zuführt, wobei die Luftströmung durch Einlassventile gesteuert wird, und verbrannte Gase strömen über Abgasdurchgänge, die durch Auslassventile gesteuert werden, aus den Verbrennungskammern zu einem Abgaskrümmer. Zwischen dem Motoreinlass und dem Motorauslass befindet sich ein äußerer Strömungsdurchgang für zurückgeführte Abgase, der ein Strömungssteuerventil aufweist, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil, nicht gezeigt) bezeichnet wird. Das AGR-Ventil wird durch das Steuermodul 20 gesteuert und dient dazu, die Massenströmung des Abgases zu dem Motorlufteinlass zu steuern. Der beispielhafte Motor 10 kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, um das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile zu steuern, was ein beliebiges oder mehrere von einem Ventiltiming, einer Ventilphasenlage und einer Größe der Ventilöffnungen umfasst. Der Motor weist ein Kraftstoffeinspritzsystem auf, durch das eine Kraftstoffmasse geliefert wird, und ein Funkenzün dungssystem, durch das Zündfunkenenergie geliefert wird, um Zylinderladungen in den Verbrennungskammern zu zünden oder deren Zündung zu unterstützen. Es gibt ein Drosselventil, das üblicherweise in Ansprechen auf eine Bedienereingabe oder andere Motorsteuerungen elektronisch gesteuert wird. Eine Zündkerze wird verwendet, um die Steuerung des Zündzeitpunkts des Motors unter bestimmten Bedingungen (z. B. während eines Kaltstarts oder in der Nähe der Betriebsgrenze bei niedriger Last) zu verbessern. Es hat sich als bevorzugt herausgestellt, sich in der Nähe der Betriebsgrenze bei hoher Teillast unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung und während Betriebsbedingungen bei hoher Drehzahl/Last mit gedrosseltem oder nicht gedrosseltem Funkenzündungsbetrieb auf die Funkenzündung zu stützen.
  • Der Motor ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen ausgestattet, um den Motorbetrieb zu überwachen, einschließlich eines Motordrehzahlsensors, eines Sensors 12, um die Verbrennung zu überwachen, und eines Sensors 16 für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit weitem Messbereich, der in 6 dargestellt ist. Der hierin beschriebene Verbrennungssensor umfasst eine Sensoreinrichtung, die dazu dient, einen Verbrennungsparamter zu überwachen und ist hierin als ein Zylinderdrucksensor dargestellt, um den Verbrennungsdruck in dem Zylinder zu überwachen. Es versteht sich, dass andere Detektionssysteme, die verwendet werden, um den Zylinderdruck oder einen anderen Verbrennungsparameter zu überwachen, der in eine Verbrennungsphasenlage übersetzt werden kann, in den Umfang der Erfindung eingeschlossen sind, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion.
  • Der Motor ist ausgestaltet, um in einem ungedrosselten Modus mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffgemischen über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -Lasten mit der HCCI-Verbrennung zu arbeiten, einschließlich des Motorstarts, wo dies möglich ist. Der Funkenzündungs- und drosselgesteuerte Betrieb kann jedoch mit herkömmlichen oder modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen verwendet werden, die für den HCCI-Betrieb und dafür nicht förderlich sind, die maximale Motorleistung zu erreichen, um eine Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen. Anwendbare Kraftstoffzufuhrstrategien können eine beliebige von einer direkten Zylindereinspritzung, einer Einlasskanal-Kraftstoffeinspritzung und einer Drosselklappen-Kraftstoffeinspritzung umfassen. Weithin verfügbare Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen mit diesem sind bevorzugte Kraftstoffe; es können jedoch auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase und andere, bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Das Steuermodul 20 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um Eingaben zur Steuerung des Motorbetriebs zu erzeugen, einschließlich einer Drosselposition, eines Zündfunkenzeitpunkts, der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, des Timings und der Phasenlage des Einlass- und/oder Auslassventils und der AGR-Ventilposition, um die Strömung der zurückgeführten Abgase zu steuern. Das Ventiltiming und die Ventilphasenlage umfassen eine negative Ventilüberlappung (NVO in einer Abgas-Wiederverdichtungsstrategie) und einen Hub einer Abgasventil-Wiederöffnung (in einer Abgas-Rückatmungsstrategie). Das Steuermodul ist ausgebildet, um Eingangssignale von einem Betreiber (z. B. eine Gaspedalposition), um eine Drehmomentanforderung (TO_REQ) des Betreibers zu ermitteln, und von Sensoren zu empfangen, welche die Motordrehzahl (RPM), die Einlasslufttemperatur, die Kühlmitteltemperatur und die Umgebungsbedingungen angeben. Das Steuermodul 20 arbeitet, um aus Nachschlagetabellen momentane Steuereinstellungen für den Zündfunkenzeitpunkt (wenn benötigt), für die AGR-Ventilposition, für Einstellungspunkte des Timings und/oder des Hubs des Einlass- und Auslassventils und für den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zu ermitteln, und berechnet die Anteile des verbrannten Gases in den Einlass- und Auslasssystemen. Weitere Details eines beispielhaften HCCI-Motor- und Steuersystems sind in der US-Patentanmeldung Nr. 11/366,217 (Anwaltsaktenzeichen GP306189) zu finden, die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Anmeldung, die am 2. März 2006 eingereicht wurde und den Titel „Load Transient Control Methods for Direct-Injection Engines with Controlled Auto-Ignition Combustion” trägt und deren Inhalte durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
  • Wieder auf 4 Bezug nehmend, ist die erste Ausführungsform des Steuerschemas dargestellt. Der Betrieb des beispielhaften HCCI-Motors 10 wird gesteuert, indem Aktuatoren gesteuert werden, einschließlich der AGR-Ventilposition, der Drosselposition, der Kraftstoffmasse und des Einspritzzeitpunkts, des Zeitpunkts und der Steuerung der Funkenzündung sowie der Steuerung des Timings und der Phasenlage des Einlass- und Auslassventils. Überwachte Motorausgaben umfassen die Motordrehzahl 14 (in U/min) und die Verbrennungsphasenlage, hierin in der Form des Zylinderdrucks 11 gezeigt, der unter Verwendung des Zylinderdrucksensors 12 gemessen wird, und verschiedene andere detektierte und geschätzte Ausgaben, die für den laufenden Betrieb und die Steuerung notwendig sind. Das Steuerschema, das in dem Steuermodul 20 ausgeführt wird, überwacht die Motordrehzahl und die Betreiberanforderung für das Drehmoment (TO_REQ) oder die gewünschte Last. Das Steuerschema umfasst einen Optimalwert- bzw. Feedforward-Controller 22 und einen PID-Controller 24. Der Optimalwert-Controller 22 wird bevorzugt unter Verwendung von Information von vorbestimmten Kalibrierungen ausge führt, um eine erfolgreiche HCCI-Verbrennung unter stationären Betriebsbedingungen zu erreichen. In einem System, das nur eine Optimalwertsteuerung verwendet, kann die Verbrennungsphasenlage durch Störungen und/oder Umweltänderungen beeinträchtigt sein. Die Störungen umfassen beispielsweise signifikante oder schnelle Änderungen in der Motordrehzahl und -last, die üblicherweise während des laufenden Fahrzeug-Motorbetriebs auftreten.
  • Während des Betriebs überwacht der Optimalwert-Controller 22 die Drehmomentanforderung des Betreibers und die Motordrehzahl und ermittelt Steuerzustände für die AGR-Ventilposition, die Drosselposition, die Kraftstoffmasse und den Einspritzzeitpunkt, den Zeitpunkt und die Steuerung der Funkenzündung sowie die Steuerung des Ventiltimings und der Ventilphasenlage mit einer Steuerkette. Eine Soll-Verbrennungsphasenlage 26 wird basierend auf der Drehmomentanforderung des Betreibers und der Motordrehzahl ermittelt, um eine Verbrennungsphasenlage zu erreichen, die mit dem charakteristischen Motorbetrieb konsistent ist, wie mit Bezug auf 5 gezeigt ist. Eine Ist-Verbrennungsphasenlage 28 wird basierend auf einem Zustand des überwachten Verbrennungsparameters ermittelt. Wenn der überwachte Verbrennungsparameter den Zylinderdruck umfasst, umfasst die Berechnung der Verbrennungsphasenlage beispielsweise, dass eine Position eines Zylinderspitzendrucks oder eine Verbrennung von 50% der eingeleiteten Kraftstoffmasse relativ zu dem Motorkurbelwinkel ermittelt werden. Ein Fehler der Verbrennungsphasenlage wird als eine Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt. Der Fehler der Verbrennungsphasenlage wird in den PID-Controller 24 oder einen anderen geeigneten Controller eingegeben, der eine Korrektur erzeugt, die mit der AGR-Ventilposition der Steuerkette addiert wird. Das AGR-Ventil wird darauf basierend zu einer korrigierten Ventilposition gesteuert. Die korrigierte AGR-Ventilposition umfasst einen Befehl für eine äußere AGR-Massenströmungsrate basierend auf einer Differenz zwischen der Soll-Verbrennungsphasenlage und der Ist-Verbrennungsphasenlage.
  • Nun auf 5 Bezug nehmend, stellt eine Datengraphik Verbrennungskennlinien dar, die als Verbrennungstemperaturen bei dem Schließen des Einlassventils (IVC) und an dem Auslassventil (EXH), d. h. TIVC über TEXH, bei dem Betrieb des beispielhaften Motors und Steuermoduls, die unter Bezugnahme auf 4 beschrieben sind, in einem stationären Zustand für zwei verschiedene Arten (Oktanzahlen) des Kraftstoffs aufgetragen sind. Die Kurve 601 stellt einen Betrieb mit Steuerkette mit Niedrigoktan-Kraftstoff und keiner äußeren AGR dar; die Kurve 603 stellt einen Betrieb mit Steuerkette mit Hochoktan-Kraftstoff und keiner äußeren AGR dar; und die Punkte 602 und 604 umfassen Gleichgewichtspunkte mit einem konstanten Ventiltiming und -profil. Die Kurve 605 stellt einen Regelungsbetrieb mit Niedrigoktan-Kraftstoff und mit äußerer AGR dar; die Kurve 607 stellt einen Regelungsbetrieb mit Hochoktan-Kraftstoff und äußerer AGR dar; die Kurve 608 repräsentiert eine Beziehung zwischen TEXH und TIVC für ein konstantes Ventiltiming und -profil; und der Punkt 606 umfasst einen gemeinsamen Gleichgewichtspunkt mit konstantem Ventiltiming und -profil. Bei stationärem Motorbetrieb wird die Verbrennungsphasenlage der selbstgezündeten Verbrennung durch die Steuerkette üblicherweise nach früh verschoben, wenn die Oktanzahl des Kraftstoffs, der in dem Motor verwendet wird, abnimmt. Wenn die Regelung basierend auf der Verbrennungsphasenlage implementiert wird, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, wird die Verbrennungsphasenlage zu dem Sollwert gesteuert, indem die äußere AGR unabhängig von der Oktanzahl des Kraftstoffs eingestellt wird. Da sich die Kennlinien der Verbrennungsphasenlage mit Änderungen in der umgebenden Umwelt und/oder dem Kraftstoffoktan qualitativ nicht ändern, bleibt das qualita tive Verhalten der Verbrennung unter schwankenden Betriebsbedingungen über die Zylinderladungstemperatur dasselbe, und die Massenströmungsrate der äußeren AGR wird eingestellt, um den Fehler der Verbrennungsphasenlage zu kompensieren, der durch Schwankungen in der umgebenden Umwelt und/oder dem Kraftstoffoktan verursacht wird.
  • Wieder auf 6 Bezug nehmend, ist die zweite Ausführungsform des Steuerschemas dargestellt, die umfasst, dass die Steuerung der Verbrennungsphasenlage mit einem Controller für das Luft-Kraftstoffverhältnis kombiniert wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis derart zu steuern, dass es unter Verwendung einer Steuerung des Ventiltimings und der Ventilphasenlage mittels Ventilsteueraktuatoren oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt. Dadurch können spezielle Motorausgestaltungen, die empfindlicher gegenüber Änderungen in der umgebenden Umwelt und/oder dem Kraftstoffoktan sind, den Motorbetrieb unter Verwendung der äußeren AGR und der Ventiltriebsteuerung steuern, um das Luft-Kraftstoffverhältnis zu steuern und beliebige Fehler der Verbrennungsphasenlage zu kompensieren. Bei dieser Ausführungsform weist der beispielhafte HCCI-Motor 10 Steuereingaben auf, welche die AGR-Ventilposition, die Drosselposition, die Kraftstoffmasse und den Einspritzzeitpunkt, den Zeitpunkt und die Steuerung der Funkenzündung sowie die Fähigkeit der Einlass- und Auslassventilsteuerung umfassen. Die überwachten Motorausgaben umfassen die Motordrehzahl (in U/min) 14 und die Verbrennungsphasenlage, hierin gezeigt in der Form des gemessenen Zylinderdrucks 11, und das Luft/Kraftstoffverhältnis, das hierin derart gezeigt ist, dass es durch einen Sensor 16 für das Luft/Kraftstoffverhältnis überwacht wird. Das Steuerschema, das in dem Steuermodul 20' ausgeführt wird, weist Eingaben auf, welche die Motordrehzahl und die Drehmomentanforderung des Betreibers (TO_REQ) umfassen. Das Steuerschema umfasst den Optimalwert-Controller 22, den PID-Controller 24 und einen zweiten PID-Controller 34 mit zugeordneter Steuereinschaltlogik 32 für das Luft/Kraftstoffverhältnis. In dem Betrieb überwacht der Optimalwert-Controller 22 die Drehmomentanforderung des Betreibers und die Motordrehzahl und ermittelt Steuerzustände für die AGR-Ventilposition, die Drosselposition, die Kraftstoffmasse und den Einspritzzeitpunkt, den Zeitpunkt und die Steuerung der Funkenzündung sowie die Steuerung des Ventiltimings und der Ventilphasenlage mit einer Steuerkette. Eine Soll-Verbrennungsphasenlage 26 wird basierend auf der Drehmomentanforderung des Betreibers und der Motordrehzahl ermittelt, um eine Verbrennungsphasenlage zu erreichen, die mit dem charakteristischen Motorbetrieb konsistent ist, wie mit Bezug auf 7 gezeigt ist. Die Ist-Verbrennungsphasenlage 28 wird basierend auf einem Zustand des überwachten Verbrennungsparameters ermittelt, wie zuvor beschrieben. Der Fehler der Verbrennungsphasenlage wird als eine Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt. Der Fehler der Verbrennungsphasenlage wird in den PID-Controller 24 eingegeben, der die Korrektur für die AGR-Ventilposition der Steuerkette erzeugt. Das Steuerschema steuert darauf basierend das AGR-Ventil zu der korrigierten Ventilposition. Die korrigierte AGR-Ventilposition umfasst einen Befehl für eine äußere AGR-Massenströmungsrate basierend auf einer Differenz zwischen der Soll-Verbrennungsphasenlage und der Ist-Verbrennungsphasenlage. Die Ausgabe des Sensors 16 für das Luft/Kraftstoffverhältnis wird mit einem Schwellenwert für das Luft/Kraftstoffverhältnis verglichen, und ein L/K-Fehler wird ermittelt. Der L/K-Fehler wird in den zweiten PID-Controller 34 und die L/K-Steuereinschaltlogik 32 eingegeben, die ermittelt, ob eine beliebige Steuerung des Ventiltimings oder der Ventilphasenlage basierend auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis zugelassen wird. Unter Bedingungen, bei denen die Ventilsteuerung zugelassen wird, wird eine Korrektur für das Ventiltiming oder die Ventilphasenlage mit der Ventiltiming-Ausgabe von dem Optimalwert-Controller 22 addiert, und die Ventilsteuerung wird ausgeführt. Bei einem Beispiel umfasst diese Ventilsteuerung, dass die Phasenlage des Öffnens der Motorventile basierend auf einer Differenz zwischen dem Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Schwellenwert gesteuert wird, um die Soll-Verbrennungsphasenlage zu erreichen und einen stabilen Betrieb des Motors über den Bereich der Kraftstoffoktanniveaus und Umgebungsbedingungen aufrecht zu erhalten. Daher kann bei Niedrigoktan-Kraftstoff ein übermäßiger Betrag der äußeren AGR von dem Controller 24 befohlen werden, und infolgedessen nimmt das Ladungsvolumen für die Frischluft ab, was das Luft/Kraftstoffverhältnis verringert. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis unter den Schwellenwert für das Luft/Kraftstoffverhältnisses fällt, wird durch die L/K-Steuereinschaltlogik 32 in Betracht gezogen, dass Niedrigoktan-Kraftstoff in Verwendung ist, und die Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses, welche die Steuerung des Ventiltimings verwendet, wird aktiviert, um eine fette Verbrennung zu vermeiden. Der Controller kann handeln, um die innere AGR (Restgas) zu verringern und den Frischlufteinlass zu erhöhen, während die Soll-Verbrennungsphasenlage aufrechterhalten wird.
  • Nun auf 7 Bezug nehmend, stellt eine Datengraphik die Verbrennungskennlinien (TIVC über TEXH) des Betriebs des beispielhaften Motors und Steuermoduls, die unter Bezugnahme auf 6 beschrieben sind, in einem stationären Zustand für zwei verschiedene Arten (Oktanzahlen) des Kraftstoffs dar. Die Kurve 701 stellt einen Betrieb mit Steuerkette mit Niedrigoktan-Kraftstoff und keiner äußeren AGR dar; die Kurve 703 stellt den Betrieb mit Steuerkette mit Hochoktan-Kraftstoff und keiner äußeren AGR dar; und die Punkte 702 und 704 umfassen Gleichgewichtspunkte mit einem konstanten Ventiltiming und -profil. Die Kurve 705 stellt einen Regelungsbetrieb mit Niedrigoktan-Kraftstoff und mit äußerer AGR dar; die Kurve 707 stellt einen Regelungsbetrieb mit Hochoktan-Kraftstoff und äußerer AGR dar; und der Punkt 706 umfasst einen Gleichgewichtspunkt mit konstantem Ventiltiming und -profil; der Punkt 708 umfasst einen Gleichgewichtspunkt mit einem angepassten Ventiltiming und/oder -profil; und die Linien 710 und 712 repräsentieren Beziehungen zwischen TEXH und TIVC mit zwei unterschiedlichen Sätzen des konstanten Ventiltimings und -profils, und das Ventiltiming und -profil, die bei der Linie 712 verwendet werden, führen eine niedrigere innere AGR als diejenigen ein, die bei der Linie 710 verwendet werden. Dies stellt qualitativ die resultierenden stationären Verbrennungskennlinien mit dem in 6 gezeigten Controller dar, wenn ein HCCI-Motor mit zwei verschiedenen Arten (Oktanzahlen) des Kraftstoffs betrieben wird. Wie man erkennen kann, stellt der Controller für die Verbrennungsphasenlage die äußere AGR ein, um die Verbrennungsphasenlage unabhängig von der Oktanzahl des Kraftstoffs zu dem Sollwert zu steuern. Insbesondere kann die Linie 710 in einem Fall auf die Linie 712 verschoben werden, wenn ein übermäßiger Betrag der äußeren AGR erforderlich ist, um den Fehler der Verbrennungsphasenlage aufgrund beispielsweise von Niedrigoktan-Kraftstoff zu kompensieren. In diesem Fall wird der Controller für das Luft-Kraftstoffverhältnis aktiviert, um die innere AGR zu verringern, während die Frischluft unter Verwendung des Ventiltimings/-profils erhöht wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis oberhalb eines benutzerdefinierten Schwellenwerts zu halten. Daher wird eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten, indem genügend Luft für die Verbrennung geliefert wird.
  • Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist einzusehen, dass Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts durchgeführt werden können. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche zugelassen wird.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Motors mit homogener Kompressionszündung, der in einem Selbstzündungsmodus arbeitet. Das Verfahren umfasst, dass eine Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt wird; und dass eine Massenströmungsrate eines außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Ist-Verbrennungsphasenlage gesteuert wird. Ein Regelungsschema wird ausgeführt, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu steuern.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Motors mit homogener Kompressionszündung, der in einem Selbstzündungsmodus arbeitet, umfassend, dass: eine Soll-Verbrennungsphasenlage ermittelt wird; und eine Massenströmungsrate eines außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Ist-Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Regelungsschema ausgeführt wird, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Differenz zwischen der Ist-Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu steuern.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Soll-Verbrennungsphasenlage basierend auf der Motordrehzahl und einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verbrennungsphasenlage einen Motorkurbelwinkel umfasst, bei dem 50% einer Zylinderladungs-Kraftstoffmasse verbrannt sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Verbrennungsphasenlage basierend auf einer Kurbelwinkelposition eines Zylinderspitzendrucks ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Verbrennungsphasenlage basierend auf einer Überwachung der Verbrennung durch Ionendetektion ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor mit homogener Kompressionszündung steuerbare Einlass- und Auslassventile aufweist, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: ein Motor-Luft Kraftstoffverhältnis ermittelt wird; das Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Schwellenwert verglichen wird; und eine Steuerung der Motorventile basierend auf dem Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Schwellenwert selektiv eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das selektive Einstellen der Steuerung der Motorventile umfasst, dass die Phasenlage der Einlass- oder der Auslassventile basierend auf einer Differenz zwischen dem Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Schwellenwert gesteuert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass eine Überlappung der Einlass- und Auslassventile selektiv gesteuert wird, um die innere Abgasrückführung zu verringern, und dass die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf der Ist-Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage eingestellt wird.
  10. Verfahren zum Steuern der Verbrennungsphasenlage eines Motors mit homogener Kompressionszündung, der unter schwankenden Bedingungen des Kraftstoffoktans und der umgebenden Umwelt in einem Selbstzündungsmodus arbeitet, umfassend, dass: die Verbrennungsphasenlage und ein Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis überwacht werden; eine Massenströmungsrate eines außen zurückgeführten Abgases basierend auf der Verbrennungsphasenlage und dem Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Steuern der Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf der Verbrennungsphasenlage ferner umfasst, dass eine Soll-Verbrennungsphasenlage basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers und der Motordrehzahl ermittelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass ein Regelungsschema ausgeführt wird, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Differenz zwischen der Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu steuern.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: dass das Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis überwacht wird und dass die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases gesteuert wird, um das Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis unter einem Schwellenwert für das Luft/Kraftstoffverhältnisses zu halten.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend, dass die Verbrennungsphasenlage des Motors mit homogener Kompressionszündung unter schwankenden Bedingungen der umgebenden Umwelt gesteu ert wird, welche die Umgebungstemperatur, den Umgebungsdruck oder die Feuchtigkeit umfassen.
  15. Erzeugnis, das ein Speichermedium umfasst, das ein maschinenausführbares Programm enthält, das dazu dient, einen Motor mit homogener Kompressionszündung zu steuern, der selektiv in einem Selbstzündungsmodus arbeitet und ein AGR-Ventil aufweist, das dazu dient, Abgas zu einem Motoreinlass außen zurückzuführen, wobei das Programm umfasst: einen Code, um den Motor in dem Selbstzündungsmodus zu betreiben; einen Code, um eine Soll-Verbrennungsphasenlage zu ermitteln; und einen Code, um das AGR-Ventil zu steuern, um eine Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Ist-Verbrennungslage und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu erreichen.
  16. Erzeugnis nach Anspruch 15, wobei der Motor mit homogener Kompressionszündung steuerbare Einlass- und Auslassventile aufweist und der Motor eine Detektionseinrichtung für ein Luft/Kraftstoffverhältnis aufweist, wobei der Code ferner umfasst: einen Code, um ein Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis von der Detektionseinrichtung für das Luft/Kraftstoffverhältnisses zu ermitteln; einen Code, um das Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Schwellenwert zu vergleichen; und einen Code, um eine Steuerung der Motorventile basierend auf dem Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Schwellenwert für das Luft/Kraftstoffverhältnisses selektiv anzupassen.
  17. Erzeugnis nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Code, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases zu steuern, um das Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis unter dem Schwellenwert für das Luft/Kraftstoffverhältnisses zu halten.
  18. Erzeugnis nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Code, um eine Überlappung der Einlass- und Auslassventile selektiv zu steuern, um die innere Abgasrückführung zu verringern, und einen Code, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf der Ist-Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage einzustellen.
  19. Erzeugnis nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Code, der ein Regelungsschema umfasst, das dazu dient, um die Massenströmungsrate des außen zurückgeführten Abgases basierend auf einer Differenz zwischen der Verbrennungsphasenlage und der Soll-Verbrennungsphasenlage zu steuern.
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