DE112009001000T5 - Verbesserungen einer HCCI-Verbrennungssteuerung bei leichter Last und im Leerlauf durch Modifikation des Kraftstoffdrucks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der zu einer homogenen Kompressionszündung fähig ist und bei niedriger Last mit einer strahlgeführten geschichteten Verbrennung mit Funkenzündung arbeitet, einschließlich einer selektiven Verwendung eines verringerten Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffeinspritzungssystem zum Erhöhen der Verbrennungsstabilität, wobei das Verfahren umfasst, dass:
eine Drehzahl des Motors überwacht wird;
eine Last des Motors überwacht wird;
ein gewünschter Kraftstoffdruck basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ermittelt wird; und
der gewünschte Kraftstoffdruck verwendet wird, um eine Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu steuern;
wobei der gewünschte Kraftstoffdruck bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die Drehzahl und die Last kalibriert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (SIDI-Motoren), die zu einer homogenen Kompressionszündung (HCCI) fähig sind.
  • HINTERGRUND
  • Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
  • Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, fallen allgemein in eine von zwei Kategorien – Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit Kompressionszündung. Es ist bekannt, dass herkömmliche Motoren mit Funkenzündung, wie beispielsweise Benzinmotoren, durch ein Einleiten eines Kraftstoff/Luftgemischs in die Verbrennungszylinder funktionieren, das anschließend in dem Kompressionstakt komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Herkömmliche Motoren mit Kompressionszündung, wie beispielsweise Dieselmotoren, funktionieren typischerweise durch ein Einleiten oder Einspritzen von unter Druck stehendem Kraftstoff in einen Verbrennungszylinder in der Nähe eines oberen Totpunkts (TDC) des Kompressionstakts, welcher Kraftstoff bei der Einspritzung zündet. Die Verbrennung umfasst sowohl für herkömmliche Benzinmotoren als auch Dieselmotoren vorgemischte oder Diffusionsflammen, die durch die Fluidmechanik gesteuert werden. Jeder Motortyp weist Vorteile und Nachteile auf. Im Allgemeinen erzeugen Benzinmotoren geringere Emissionen, sind aber weniger effizient, während Dieselmotoren im Allgemeinen effizienter sind, aber mehr Emissionen erzeugen.
  • Kürzlich wurden andere Typen von Verbrennungsmethodiken für Verbrennungsmotoren eingeführt. Eines dieser Verbrennungskonzepte ist in der Technik als HCCI-Verbrennung bekannt. Die HCCI-Verbrennung, die auch als Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung bezeichnet wird, umfasst einen verteilten, flammenlosen, Selbstzündungs-Verbrennungs-Prozess, der durch die Oxidationschemie anstelle der Fluidmechanik gesteuert wird. Bei einem Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, ist die Einlassladung zu der Einlassventil-Schließzeit nahezu homogen bezüglich der Zusammensetzung, der Temperatur und des Restniveaus. Da die gesteuerte Selbstzündung ein verteilter kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess ist, arbeitet der Motor mit einem sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemisch (d. h. magerer als am Kraftstoff/Luft-Stöchiometriepunkt) und weist eine relativ niedrige Verbrennungs-Spitzentemperatur auf, wodurch extrem niedrige NOx-Emissionen gebildet werden. Das Kraftstoff/Luftgemisch für die gesteuerte Selbstzündung ist im Vergleich zu den geschichteten Kraftstoff/Luft-Verbrennungsgemischen, die in Dieselmotoren verwendet werden, relativ homogen, und daher werden die fetten Zonen im Wesentlichen beseitigt, die bei Dieselmotoren Rauch und Partikelemissionen bilden. Aufgrund dieses sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemischs kann ein Motor, der in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung arbeitet, ungedrosselt arbeiten, um eine dieselähnliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen.
  • In einem HCCI-Motor ist die Verbrennung einer Zylinderladung flammenlos und tritt spontan über das gesamte Verbrennungskammervolumen hinweg auf. Die homogen gemischte Zylinderladung wird selbstgezündet, wenn die Zylinderladung komprimiert wird und ihre Temperatur zunimmt.
  • Der Verbrennungsprozess in einem HCCI-Motor hängt stark von Faktoren ab, wie beispielsweise der Zusammensetzung, der Temperatur und dem Druck der Zylinderladung bei dem Schließen des Einlassventils. Diese Faktoren werden durch gegenwärtige und vorhergehende Motorbetriebszustände beeinflusst, die eine Restenergie erzeugen, die in der Verbrennungskammer zu der Zeit der beabsichtigten Verbrennung vorhanden ist. Ein Motorbetriebszustand wird häufig durch die Motordrehzahl und die Motorlast geschätzt. Da die HCCI-Verbrennung gegenüber den Bedingungen in dem Zylinder besonders empfindlich ist, müssen die Steuereingaben für den Motor, beispielsweise die Kraftstoffmasse und der Einspritzungszeitpunkt sowie das Einlass/Auslass-Ventilprofil, sorgfältig abgestimmt werden, um eine robuste Selbstzündungsverbrennung sicherzustellen.
  • Im Allgemeinen arbeitet ein HCCI-Motor für die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit ungedrosselt und mit einem mageren Luft/Kraftstoffgemisch. Ferner wird die Zylinderladungstemperatur in einem HCCI-Motor unter Verwendung einer Abgasrekompressions-Ventilstrategie gesteuert, indem unterschiedliche Mengen des heißen Restgases aus dem vorhergehenden Zyklus durch ein Variieren des Schließzeitpunkts des Auslassventils eingeschlossen werden. Der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils wird vorzugsweise symmetrisch zu dem Schließzeitpunkt des Auslassventils relativ zu dem TDC bei Einlass verzögert. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Temperatur der Zylinderladung werden durch den Schließzeitpunkt des Auslassventils stark beeinflusst. Insbesondere kann mehr heißes Restgas aus einem vorhergehenden Zyklus mit einem früheren Schließen des Auslassventils zurückgehalten werden, wodurch weniger Raum für eine eintretende Frischluftmasse übrig gelassen wird. Die Nettoeffekte sind eine höhere Zylinderladungstemperatur und eine niedrigere Zylinder-Sauerstoffkonzentration. Bei der Abgasrekompressionsstrategie werden der Schließzeitpunkt des Auslassventils und der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils durch die negative Ventilüberlappung (NVO) gemessen, die als die Dauer bezüglich des Kurbelwinkels zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils definiert ist.
  • Zusätzlich zu einer Ventilsteuerstrategie muss es für eine stabile Verbrennung eine geeignete Kraftstoffeinspritzungsstrategie geben. Bei niedrigen Kraftstoffzufuhrraten (z. B. einer Kraftstoffzufuhrrate < 7 mg/Zyklus bei 1000 U/min in einer beispielhaften Verbrennungskammer mit 0,551) kann die Zylinderladung beispielsweise für eine stabile Selbstzündungsverbrennung trotz des höchsten Werts der zulässigen NVO nicht heiß genug sein, was zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führt. Ein Weg zum Erhöhen der Ladungstemperatur ist es, dass eine kleine Kraftstoffmenge voreingespritzt wird, wenn der Kolben den TDC des Einlasstakts während der NVO-Rekompression erreicht. Ein Teil des voreingespritzten Kraftstoffs reformiert aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur während der Rekompression und gibt Wärmeenergie frei, welche die Zylinderladungstemperatur für eine erfolgreiche selbstgezündete Verbrennung der Verbrennungsladung, die aus der nachfolgenden Hauptkraftstoffeinspritzung resultiert, ausreichend erhöht. Der Betrag einer solchen thermischen Kraftstoff-Selbstreformierung basiert auf der Masse und dem Zeitpunkt der Voreinspritzung, wobei die Kraftstoffreformierung im Allgemeinen mit einem früheren Zeitpunkt der Voreinspritzung und einer größeren Kraftstoffmasse der Voreinspritzung zunimmt.
  • Eine übermäßige Kraftstoffreformierung verringert die gesamte Kraftstoffwirtschaftlichkeit, und ein Mangel an Kraftstoffreformierung kann zu einer Verbrennungsinstabilität führen. Daher profitiert eine effektive Steuerung des Reformierungsprozesses von genauen Schätzungen der Reformierung. Es ist ein Verfahren bekannt, das den Betrag der Kraftstoffreformierung unter Verwendung der eindeutigen Charakteristik eines universellen Abgas-Sauerstoffsensors (UEGO-Sensors) schätzt. Es ist auch eine Steuerstrategie bekannt, um den Betrag der Kraftstoffreformierung in einem HCCI-Motor indirekt zu steuern, indem Motorbetriebsbedingungen überwacht werden, welche die Einlass-Luftmassenströmung und das Auslass-Luft/Kraftstoffverhältnis umfassen, indem die negative Ventilüberlappung gesteuert wird, um die Einlassluftströmung zu steuern, um ein gewünschtes tatsächliches Luft-Kraftstoffverhältnis für eine gegebene Kraftstoffzufuhrrate zu erreichen, und indem der Zeitpunkt der Voreinspritzung des Kraftstoffs eingestellt wird, um das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis auf ein gewünschtes zweites Luft/Kraftstoffverhältnis zu steuern, das kleiner als das gewünschte tatsächliche Luft-Kraftstoffverhältnis ist. Ein anderes Verfahren zum Steuern eines Betrags der Kraftstoffreformierung umfasst, dass Drücke in dem Zylinder während eines gegenwärtigen Verbrennungszyklus gemessen werden, dass die reformierte Kraftstoffmasse in dem gegenwärtigen Zyklus basierend auf den Drücken in dem Zylinder geschätzt wird, dass die Schätzung der reformierten Kraftstoffmasse in dem gegenwärtigen Zyklus verwendet wird, um die in dem nächsten Zyklus erforderliche Reformierung vorherzusagen, um dass die Steuerung basierend auf der vorhergesagten in dem nächsten Verbrennungszyklus erforderlichen Reformierung über den nächsten Zyklus beeinflusst wird.
  • Bei mittleren Motordrehzahlen und -lasten wurde gefunden, dass eine Kombination von Ventilprofil und -timing (beispielsweise Abgas-Rekompression und Abgas-Rückatmung) und Kraftstoffzufuhrstrategie effektiv ist, um für eine adäquate Aufheizung der Zylinderladung zu sorgen, so dass die Selbstzündung während des Kompressionstakts zu einer stabilen Verbrennung mit geringem Geräusch führt. Eines der Hauptprobleme für den effektiven Betrieb eines Motors in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung war es, den Verbrennungsprozess korrekt zu steuern, so dass eine robuste und stabile Verbrennung, die zu geringen Emissionen, einer optimalen Wärmefreigaberate und geringem Geräusch führt, über einen Bereich von Betriebsbedingungen erreicht wird.
  • Ein Motor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der zu einem Betrieb in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung fähig ist, wechselt zwischen dem Betrieb in einem selbstgezündeten Verbrennungsmodus unter Bedingungen mit Teillast und niedrigerer Motordrehzahl und in einem herkömmlichen funkengezündeten Verbrennungsmodus unter Bedingungen mit hoher Last und hoher Drehzahl. Es besteht eine Notwendigkeit, während des laufenden Motorbetriebs einen glatten Wechsel zwischen den zwei Verbrennungsmodi zu haben, um ein kontinuierliches Motorausgangsdrehmoment aufrecht zu erhalten und beliebige Motorfehlzündungen oder Teilverbrennungen während dieser Wechsel zu verhindern. Diese zwei Verbrennungsmodi erfordern einen unterschiedlichen Motorbetrieb, um eine robuste Verbrennung aufrecht zu erhalten. Ein Aspekt des Motorbetriebs umfasst die Steuerung des Drosselventils. Wenn der Motor in dem selbstgezündeten Verbrennungsmodus betrieben wird, umfasst die Motorsteuerung einen Betrieb mit magerem Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem die Drossel weit offen ist, um Motorpumpverluste zu minimieren. Im Gegensatz dazu umfasst die Motorsteuerung dann, wenn der Motor in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung betrieben wird, einen Betrieb mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem das Drosselventil über einen Bereich von Positionen von 0% bis 100% der weit offenen Position gesteuert wird, um die Einlassluftströmung zum Erreichen der Stöchiometrie zu steuern.
  • Während des Motorbetriebs wird die Motorluftströmung gesteuert, indem die Position des Drosselventils selektiv eingestellt wird und indem das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen eingestellt wird. Das Einstellen des Öffnens und des nachfolgenden Schließens der Einlass- und Auslassventile nimmt hauptsächlich die Form an: einer Phaseneinstellung des Öffnens (und des nachfolgenden Schließens) der Ventile bezogen auf die Kolben- und die Kurbelwellenposition; und einer Größe des Hubs des Öffnens der Ventile. Bei derart ausgestatteten Motorsystemen wird das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile unter Verwendung eines Systems zur variablen Ventilbetätigung (VVA-Systems) durchgeführt, das eine Nockenphaseneinstellung und einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub umfassen kann, z. B. mehrstufige Nocken, die zwei oder mehr Ventilhubprofile liefern. Im Gegensatz zu der kontinuierlich variablen Drosselposition ist die Änderung des Ventilprofils des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine diskrete Änderung und nicht kontinuierlich. Wenn ein Wechsel zwischen den Stufen des auswählbaren mehrstufigen Ventilhubs nicht effektiv gesteuert wird, können unerwünschte Störungen in der Motorluftströmung auftreten, was zu einer schlechten Verbrennung führt, einschließlich einer Fehlzündung oder von Teilverbrennungen.
  • Die HCCI-Verbrennung umfasst einen mageren, verteilten, flammenlosen Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, der zu möglichen Vorteilen führt, wenn ein Motor in einem Bereich von HCCI-fähigen Motordrehzahlen und -lasten arbeitet, wie oben beschrieben wurde. Der Betrieb der HCCI-Verbrennung wird jedoch nicht unter einer festen Motorsteuerstrategie durchgeführt, stattdessen können aber Bereiche von Steuerstrategien die HCCI-Verbrennung mit unterschiedlichen Betriebsergebnissen durchführen. Zusätzlich zu den oben erwähnten Ventilsteuer- und Kraftstoffeinspritzungsstrategien sind auch andere Techniken bekannt, um den Motorbetrieb zu begünstigen und den Bereich der Betreibbarkeit zu niedrigeren Lasten und Temperaturen hin auszudehnen, was die Ausgestaltungen der Verbrennungskammer und verschiedene Ventilsteuer- und Zündungsstrategien umfasst. Obwohl diese verschiedenen Technologien die Betriebsgrenzen eines HCCI-Motors ausdehnen, weisen sie alle eine untere Grenze der Betreibbarkeit auf, bei welcher der Verbrennungszyklus zu kalt ist, um eine Selbstzündung zu erreichen. Zusätzlich weist jede Steuerstrategie bevorzugte Betriebsbereiche auf, und jede weist positive und negative Aspekte im Vergleich zu anderen Ventilsteuer- und Kraftstoffeinspritzungsstrategien auf. Eine spezielle Steuerstrategie, die in einem speziellen Motorbetriebsbereich zufriedenstellend arbeitet, kann in einem anderen speziellen Motorbetriebsbereich übermäßige NOx-Emissionen erzeugen oder zu einer instabilen Verbrennung führen. Ein Motor, der in einem Bereich von Motordrehzahlen und -lasten arbeitet und für den Faktoren, wie beispielsweise der Kraftstoffverbrauch, die Verringerung von Emissionen und die Verbrennungsstabilität, optimiert sind, kann in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen und ausgleichenden Prioritäten zwischen den Steuerstrategien umschalten.
  • Die HCCI-Modi und die dazugehörige Selbstzündung der Luft-Kraftstoffladung in der Verbrennungskammer hängen von den Bedingungen in der Kammer ab. Die Motorstabilität in den HCCI-Modi in einem Motor, der bei niedrigen Lasten arbeitet, kann schwierig aufrecht zu erhalten sein. Ein Verfahren zum Verbessern der Motorstabilität bei niedrigen Lasten wäre vorteilhaft.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der zu einer homogenen Kompressionszündung fähig ist und bei niedriger Last mit einer strahlgeführten geschichteten Verbrennung mit Funkenzündung arbeitet, einschließlich einer selektiven Verwendung eines verringerten Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffeinspritzungssystem zum Erhöhen der Verbrennungsstabilität, umfasst, dass eine Drehzahl des Motors überwacht wird, dass eine Last des Motors überwacht wird, dass ein gewünschter Kraftstoffdruck basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ermittelt wird und dass der gewünschte Kraftstoffdruck verwendet wird, um die Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu steuern. Der gewünschte Kraftstoffdruck wird bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die Drehzahl und die Last kalibriert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 einen beispielhaften Verbrennungsmotor und ein Steuersystem schematisch darstellt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurden;
  • 2 beispielhafte auf die Drehzahl/Last bezogene Verbrennungsmodi gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 3A und 3B Verfahren zum Steuern eines Wechsels zwischen einem strahlgeführten Verbrennungsmodus mit Funkenzündung und einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen;
  • 4 einen beispielhaften Motorzyklus für einen Viertakt-Verbrennungsmodus gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, einschließlich von Details bezüglich der Einspritzungsereignisse, der Zündungsereignisse und des Ventilhubs für eine Anzahl von auf die Last bezogenen Verbrennungsmodi;
  • 5 eine Korrelation zwischen einer während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse und der Verbrennungsstabilität gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 6 eine Korrelation zwischen einer während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse und NOx-Emissionen, die in dem Verbrennungsprozess erzeugt werden, gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 7 eine Korrelation zwischen einer während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse und einer Notwendigkeit für eine flammeninduzierte Kompression während der Hauptverbrennung zum Auslösen der Selbstzündung gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 8 eine Korrelation zwischen einer Kraftstoffmenge, die vor dem Auftreten der Selbstzündung verbrannt wird, und NOx-Emissionen, die in dem Verbrennungsprozess erzeugt werden, gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 9 eine Korrelation zwischen einer Kraftstoffmenge, die vor dem Auftreten der Selbstzündung verbrannt wird, und der Verbrennungsstabilität gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 10 einen beispielhaften Motorzyklus für einen Viertakt-Verbrennungsmotor, der in einem beispielhaften Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung arbeitet, gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
  • 11 einen beispielhaften Prozess gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, durch den mehrere Einspritzungsereignisse in einem Motorzyklus gesteuert werden können;
  • 12 eine Korrelation zwischen einer Separation zwischen dem Einspritzungszeitpunkt und dem Zündfunkenzeitpunkt und der Verbrennungsstabilität gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 13 eine beobachtete Beziehung zwischen einem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt eines ersten Pulses und einer während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, wodurch ermöglicht wird, dass der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt der ersten Einspritzung für einen gewünschten Betrag der Kraftstoffreformierung eingestellt wird;
  • 14 eine Korrelation zwischen einer während der Rekompression reformierten Kraftstoffmasse und Zylinderdrücken gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, wodurch ein Verfahren zum Überwachen des Reformierungsprozesses durch das Überwachen von Zylinderdruckmessungen ermöglicht wird;
  • 15 eine Korrelation zwischen einem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt eines zweiten Pulses und der Kraftstoffeffizienz sowie der Verbrennungsphasenlage gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
  • 16 und 17 die Anwendung von drei beispielhaften Verbrennungsmodi mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung sowie beispielhafte Testergebnisse, die zur detaillierten Darstellung von Auswirkungen auf NOx-Emissionen und auf die Verbrennungsstabilität erzeugt wurden, gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellen;
  • 16 beispielhafte Testdaten bezüglich der NOx-Emissionen für einen Bereich von Motordrehzahlen und -lasten mit definierten Bereichen für den ersten, zweiten und dritten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung darstellt;
  • 17 beispielhafte Testdaten bezüglich der Verbrennungsstabilität, wie sie durch die Standardabweichung des IMEP für einen Bereich von Motordrehzahlen und -lasten gemessen wurden, mit definierten Bereichen für einen ersten, zweiten und dritten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung darstellt;
  • 18 beispielhafte Drücke in einem Zylinder gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, die über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurden;
  • 19 einen beispielhaften PMEP gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, der über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurde;
  • 20 und 21 beispielhafte Daten eines Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellen, der bei Drehzahlen in der Nähe des oberen Endes eines HCCI-Betriebsbereichs und bei niedriger Last arbeitet;
  • 20 beispielhafte Drücke in einem Zylinder graphisch darstellt, die über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurden;
  • 21 einen beispielhaften PMEP graphisch darstellt, der über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurde;
  • 22 beispielhafte Testergebnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, die einen Motor unter Kaltstartbedingungen beschreiben und die NOx-Emissionen und die Verbrennungsstabilität für variierende Kraftstoffeinspritzungsdrücke darstellen; und
  • 23 eine beispielhafte Einspritzungsdruckstrategie gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, wobei der Einspritzungsdruck über einen Bereich von Motordrehzahlen und Motorlasten moduliert wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellt 1 einen Verbrennungsmotor 10 und ein Steuersystem 25 schematisch dar, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor ist selektiv in mehreren Verbrennungsmodi betriebsfähig, die nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden. Die gezeigte Ausführungsform wird als Teil eines Gesamtsteuerschemas eingesetzt, um einen beispielhaften Benzin-Viertaktverbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, Funkenzündung und Direkteinspritzung zu betreiben, der ausgebildet ist, um unter einem gesteuerten Selbstzündungsprozess zu arbeiten, der auch als Modus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Modus) bezeichnet wird. Wie ein Fachmann einsehen wird und wie oben angemerkt wurde, können jedoch Motor-Ausführungsformen mit vielen verschiedenen Ausbildungen von den Verfahren der vorliegenden Offenbarung profitieren, und es ist nicht beabsichtigt, dass die Offenbarung auf die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Gemäß der vorliegenden beispielhaften Darstellung der Offenbarung wurde ein selbstsaugender Viertakt-Verbrennungsmotor mit einem einzelnen Zylinder von 0,55 Litern und gesteuerter Selbstzündung, der mit Benzin durch Direkteinspritzung mit Kraftstoff versorgt wird und der ein Kompressionsverhältnis von im Wesentlichen 12 bis 13 aufweist, bei der hierin verkörperten Implementierung der Ventil- und Kraftstoffzufuhrsteuerungen und Erfassung der verschiedenen Daten verwendet. Wenn es nicht auf eine andere Weise speziell diskutiert wird, wird angenommen, dass alle solche Implementierungen und Erfassungen unter Standardbedingungen ausgeführt werden, wie es einem Fachmann geläufig ist.
  • Der beispielhafte Motor 10 weist einen Motorblock aus Gussmetall mit mehreren darin gebildeten Zylindern, von denen einer gezeigt ist, und einen Motorkopf 27 auf. Jeder Zylinder umfasst einen Zylinder mit geschlossenem Ende, der einen bewegbaren Hubkolben 11 aufweist, der darin eingefügt ist. Eine Verbrennungskammer 20 mit variablem Volumen ist in jedem Zylinder gebildet und wird durch Wände des Zylinders, den bewegbaren Kolben 11 und den Kopf 27 definiert. Der Motorblock weist vorzugsweise Kühlmitteldurchgänge 29 auf, durch die ein Motorkühlmittelfluid strömt. Ein Kühlmittel-Temperatursensor 37, der dazu dient, die Temperatur des Kühlmittelfluids zu überwachen, ist an einem geeigneten Ort angeordnet und liefert eine Signaleingabe an das Steuersystem 25, die zur Steuerung des Motors verwendbar ist. Der Motor weist vorzugsweise bekannte Systeme auf, einschließlich eines äußeren Abgasrückführungsventils (AGR-Ventils) und eines Einlassluft-Drosselventils (nicht gezeigt).
  • Jeder bewegbare Kolben 11 umfasst eine Einrichtung, die gemäß bekannten Kolbenbildungsverfahren ausgestaltet ist, und weist eine Oberseite und einen Körper auf, der im Wesentlichen an den Zylinder angepasst ist, in dem er arbeitet. Der Kolben weist eine Oberseiten- oder Kronenfläche auf, die in der Verbrennungskammer exponiert ist. Jeder Kolben ist mittels eines Stifts 34 und einer Pleuelstange 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden. Die Kurbelwelle 35 ist an dem Motorblock in einem Hauptlagerbereich in der Nähe eines Unterseitenabschnitts des Motorblocks drehbar befestigt, so dass sich die Kurbelwelle um eine Achse drehen kann, die rechtwinklig zu einer durch jeden Zylinder definierten Längsachse liegt. Ein Kurbelsensor 31 ist an einem geeigneten Ort angeordnet und dient dazu, ein Signal zu erzeugen, das von dem Controller 25 verwendbar ist, um einen Kurbelwinkel zu messen, und das übersetzbar ist, um Messwerte einer Kurbelwellendrehung, -drehzahl und -beschleunigung zu liefern, die bei verschiedenen Steuerschemata verwendbar sind. Während des Betriebs des Motors bewegt sich jeder Kolben 11 aufgrund der Verbindung mit der Kurbelwelle 35 und deren Drehung sowie aufgrund des Verbrennungsprozesses auf eine hin- und hergehende Weise in dem Zylinder aufwärts und abwärts. Die Drehbewegung der Kurbelwelle bewirkt eine Übersetzung einer linearen Kraft, die auf jeden Kolben während der Verbrennung ausgeübt wird, in eine Winkeldrehmomentausgabe von der Kurbelwelle, die auf eine andere Einrichtung, wie z. B. einen Fahrzeugantriebsstrang, übertragen werden kann.
  • Der Motorkopf 27 umfasst eine Gussmetalleinrichtung mit einer oder mehreren Einlassöffnungen 17 und einer oder mehreren Auslassöffnungen 19, die in die Verbrennungskammer 20 münden. Die Einlassöffnung 17 liefert Luft an die Verbrennungskammer 20. Verbrannte (abgebrannte) Gase strömen über die Auslassöffnung 19 aus der Verbrennungskammer 20. Die Luftströmung durch jede Einlassöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Einlassventile 21 gesteuert. Die Strömung der verbrannten Gase durch jede Auslassöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Auslassventile 23 gesteuert.
  • Die Einlass- und Auslassventile 21, 23 weisen jeweils einen Kopfabschnitt auf, der einen Oberseitenabschnitt umfasst, welcher der Verbrennungskammer ausgesetzt ist. Jedes der Ventile 21, 23 weist einen Schaft auf, der mit einer Ventilbetätigungseinrichtung verbunden ist. Eine Ventilbetätigungseinrichtung, dargestellt als 60, dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Einlassventile 21 zu steuern, und eine zweite Ventilbetätigungseinrichtung 70 dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Auslassventile 23 zu steuern. Jede der Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 70 umfasst eine Einrichtung, die signaltechnisch mit dem Steuersystem 25 verbunden ist und dazu dient, den Zeitpunkt, die Dauer und das Ausmaß des Öffnens und Schließens jedes Ventils entweder zusammen oder einzeln zu steuern. Die erste Ausführungsform des beispielhaften Motors umfasst ein doppeltes oben liegendes Nockensystem, das eine variable Hubsteuerung (VLC) und eine variable Nockenphaseneinstellung (VCP) aufweist. Die VCP-Einrichtung dient dazu, den Zeitpunkt des Öffnens oder Schließens jedes Einlassventils und jedes Auslassventils relativ zu einer Drehposition der Kurbelwelle zu steuern, und sie öffnet jedes Ventil für eine feste Kurbelwinkeldauer. Die beispielhafte VLC-Einrichtung dient dazu, das Ausmaß des Ventilhubs in eine von zwei Positionen zu steuern: eine Position mit einem Hub von 3–5 mm für eine Öffnungsdauer von 120–150 Kurbelwinkelgraden und eine andere Position mit einem Hub von 9–12 mm für eine Öffnungsdauer von 220–260 Kurbelwinkelgraden. Einzelne Ventilbetätigungseinrichtungen können der gleichen Funktion mit der gleichen Wirkung dienen. Die Ventilbetätigungseinrichtungen werden vorzugsweise durch das Steuersystem 25 gemäß vorbestimmten Steuerschemata gesteuert. Alternative variable Ventilbetätigungseinrichtungen, einschließlich beispielsweise vollflexibler elektrischer oder elektrohydraulischer Einrichtungen, können ebenso verwendet werden und weisen den weiteren Vorteil einer unabhängigen Phasensteuerung für das Öffnen und Schließen wie auch einer im Wesentlichen unbegrenzten Ventilhub-Variabilität innerhalb der Grenzen des Systems auf.
  • Luft wird durch einen Einlasskrümmerkanal 50, der gefilterte Luft empfängt, die durch eine bekannte Luftmesseinrichtung und eine Drosseleinrichtung (nicht gezeigt) strömt, in die Einlassöffnung 17 eingelassen. Abgas strömt von der Auslassöffnung 19 zu einem Abgaskrümmer 42, der Abgassensoren 40 aufweist, die dazu dienen, die Bestandteile des Abgaszustroms zu überwachen und diesem zugeordnete Parameter zu ermitteln. Die Abgassensoren 40 können beliebige von verschiedenen bekannten Detektionseinrichtungen umfassen, die dazu dienen, Werte für den Abgaszustrom, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, oder einen Messwert der Abgasbestandteile, beispielsweise NOx, CO, HC und andere, zu liefern. Das System kann einen Sensor 16 in dem Zylinder zum Überwachen der Verbrennungsdrücke oder nicht eingreifende Drucksensoren oder eine inferentiell ermittelte Druckermittlung (beispielsweise durch Kurbelwellenbeschleunigungen) umfassen. Die zuvor erwähnten Sensoren und Messeinrichtungen liefern jeweils ein Signal als eine Eingabe an das Steuersystem 25. Diese Eingaben können von dem Steuersystem verwendet werden, um Messwerte der Verbrennungsleistung zu ermitteln.
  • Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise eine Teilmenge einer gesamten Steuerarchitektur, die dazu dient, eine abgestimmte Systemsteuerung des Motors 10 und anderer Systeme zu schaffen. In dem Gesamtbetrieb dient das Steuersystem 25 dazu, Betreibereingaben, Umgebungsbedingungen, Motorbetriebsparameter und Messwerte der Verbrennungsleistung zu synthetisieren und Algorithmen zum Steuern verschiedener Aktuatoren auszuführen, um Zielwerte für die Steuerung zu erreichen, die beispielsweise die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die Emissionen, die Leistung und die Fahrbarkeit beeinflussen. Das Steuersystem 25 ist funktional mit mehreren Einrichtungen verbunden, durch die ein Betreiber den Betrieb des Motors typischerweise steuert und lenkt. Beispielhafte Betreibereingaben umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, eine Wähleinrichtung für den Getriebegang und einen Tempomat für die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn der Motor in einem Fahrzeug verwendet wird. Das Steuersystem kann mit anderen Controller, Sensoren und Aktuatoren mittels eines Busses eines lokalen Rechnernetzes (LAN-Bus, nicht gezeigt) in Verbindung stehen, der vorzugsweise eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen verschiedenen Controllern ermöglicht.
  • Das Steuersystem 25 ist funktional mit dem Motor 10 verbunden und wirkt derart, dass Daten von Sensoren erfasst werden und dass eine Vielfalt von Aktuatoren des Motors 10 über geeignete Schnittstellen 45 gesteuert wird. Das Steuersystem 25 empfangt einen Motordrehmomentbefehl und erzeugt basierend auf den Betreibereingaben eine gewünschte Drehmomentabgabe. Beispielhafte Motorbetriebsparameter, die unter Verwendung der zuvor erwähnten Sensoren von dem Steuersystem 25 detektiert werden, umfassen die Motortemperatur, wie sie durch Verfahren wie beispielsweise das Überwachen der Motorkühlmitteltemperatur indiziert wird, die Öltemperatur oder die Metalltemperatur; die Kurbelwellendrehzahl (RPM) und -position; den Krümmerabsolutdruck; die Umgebungsluft-Strömung und -Temperatur; und den Umgebungsluftdruck. Die Messungen der Verbrennungsleistung können gemessene und abgeleitete Verbrennungsparameter umfassen, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, der Lage des Verbrennungsspitzendrucks, unter anderen.
  • Aktuatoren, die von dem Steuersystem 25 gesteuert werden, umfassen:
    Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 12; die VCP/VLC-Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 70; eine Zündkerze 14, die mit Zündungsmodulen funktional verbunden ist, um die Zündfunkenverweilzeit und den Zündfunkenzeitpunkt zu steuern; ein AGR-Ventil (nicht gezeigt) und ein Modul zur elektronischen Drosselsteuerung (nicht gezeigt). Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 dient vorzugsweise dazu, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer 20 einzuspritzen. Spezielle Details beispielhafter Kraftstoffeinspritzeinrichtungen zur Direkteinspritzung sind bekannt und werden hierin nicht ausführlich beschrieben. Die Zündkerze 14 wird von dem Steuersystem 25 verwendet, um die Steuerung des Zündzeitpunkts des beispielhaften Motors über Abschnitte des Motordrehzahl- und Motorlastbetriebsbereichs zu verbessern. Wenn der beispielhafte Motor in einem reinen HCCI-Modus betrieben wird, verwendet der Motor keine aktivierte Zündkerze. Es hat sich jedoch als wünschenswert herausgestellt, die Funkenzündung zum Ergänzen des HCCI-Modus unter bestimmten Bedingungen, einschließlich beispielsweise während eines Kaltstarts, zum Vermeiden einer Verschmutzung und gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bei Betriebsbedingungen mit niedriger Last in der Nähe einer Niedriglastgrenze zu verwenden. Es hat sich ebenso als bevorzugt herausgestellt, die Funkenzündung an einer Betriebsgrenze bei hoher Last in dem HCCI-Modus und bei Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl/Last während eines gedrosselten oder ungedrosselten Funkenzündungsbetriebs zu verwenden.
  • Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise einen Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Jedes Steuersystem 25 weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem ROM gespeichert sind.
  • Die Algorithmen zur Motorsteuerung werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal für jeden Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichereinrichtungen gespeichert sind, werden durch das Steuersystem ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb des Motors unter Verwendung von voreingestellten Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden typischerweise während des laufenden Motorbetriebs 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 oder einer Unterbrechungsanforderung ausgeführt werden.
  • Der Motor ist ausgestaltet, um ungedrosselt mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffmischungen über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung zu arbeiten. Der Betrieb mit Funkenzündung und Drosselsteuerung kann jedoch mit herkömmlichen oder modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen verwendet werden, die für den Betrieb mit Selbstzündung und für das Erreichen der maximalen Motorleistung, um eine Drehmomentanforderung eines Betreibers zu erfüllen, nicht förderlich sind. Die Kraftstoffzufuhr umfasst vorzugsweise eine Kraftstoff-Direkteinspritzung in jede der Verbrennungskammern. 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, gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, stellt 2 stellt einen beispielhaften, auf die Drehzahl/Last bezogenen Betriebsmodus graphisch dar. Die Drehzahl und die Last sind von Motorbetriebsparametern, wie beispielsweise von dem Kurbelsensor oder von der Motor-Kraftstoffströmung oder von dem Krümmerdruck, gemäß der vorliegenden Offenbarung ableitbar. Die Motor-Verbrennungsmodi umfassen einen strahlgeführten Modus mit Funkenzündung (SI-SG-Modus), einen Selbstzündungsmodus mit einzelner Einspritzung (HCCI-SI-Modus) und Selbstzündungsmodus mit doppelter Einspritzung (HCCI-DI-Modus) sowie einen homogenen Funkenzündungsmodus (SI-H-Modus). Ein bevorzugter Drehzahl- und Last-Betriebsbereich für jeden der Betriebsmodi basiert auf Motorbetriebsparametern, welche die Verbrennungsstabilität, den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen, die Motordrehmomentabgabe und andere umfassen. Grenzen, welche die bevorzugten Drehzahl- und Last-Betriebsbereiche definieren, um die Verbrennungsmodi abzugrenzen, werden typischerweise während der Motorkalibrierung und der Entwicklung in der Vorproduktion ermittelt, und sie werden in dem Motorsteuermodul ausgeführt. Der Betrieb in den HCCI-Verbrennungsmodi mit einzelner Einspritzung ist beispielsweise, wie oben beschrieben wurde, unterhalb bestimmter Motordrehzahlen und -lasten nicht wünschenswert, da nicht genügend Wärme in der Verbrennungskammer vorhanden ist, um die Selbstzündung zuverlässig zu erzeugen. Auf ähnliche Weise ist der Betrieb in den HCCI-Modi oberhalb bestimmter Motordrehzahlen und -lasten nicht möglich, da übermäßige Wärme in der Verbrennungskammer vorhanden ist, was zu Verbrennungsproblemen wie beispielsweise Klingeln führt. Es ist bekannt, dass der Betrieb bei niedrigen Motordrehzahlen und -lasten entweder durch HCCI-Verbrennungsmodi mit doppelter Einspritzung, welche die Vorteile der Rekompression und Reformierung nutzen, wie oben beschrieben wurde, um die Selbstzündung zu erweitern, oder durch strahlgeführte geschichtete SI-Verbrennungsmodi aufgenommen wird, die einen Zündfunken verwenden, um eine Ladungskonzentration in der Verbrennungskammer zu zünden, obgleich man sich im Vergleich zu dem Betrieb in den HCCI-Modi Ineffizienzen einhandelt. Daher kann ein Motor betrieben werden, um die Vorteile bekannter vorteilhafter Verbrennungsmodi über einen Bereich von Motordrehzahlen und -lasten zu nutzen.
  • 3A und 3B zeigen Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Steuern eines Wechsels zwischen dem SI-SG-Verbrennungsmodus (SG-Verbrennungsmodus) und dem HCCI-Verbrennungsmodus gemäß der vorliegenden Offenbarung beispielhaft darstellen. Wenn in dem SI-SG-Verbrennungsmodus gearbeitet wird, wird aus Gründen, welche die geringere Notwendigkeit für Reformate in der Verbrennungskammer umfassen, weniger NVO befohlen als dann, wenn in dem HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird. Bei dem Wechseln zwischen dem HCCI- und dem SI-SG-Verbrennungsmodus gibt es eine Zeitverzögerung, eine endliche Zeitdauer, während der sich die VCP-Einrichtungen zu den gewünschten Positionen bewegen.
  • Gemäß dem beispielhaften Verfahren, das in 3A dargestellt ist, wird ein Prozess 100 beschrieben, bei dem dann, wenn der Motor in dem SG-Verbrennungsmodus arbeitet (102) und das Steuermodul einen Wechsel in den HCCI-Verbrennungsmodus befiehlt (104), das Steuermodul den VCP-Einrichtungen befiehlt, zu der gewünschten NVO zu wechseln, bevor der Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus befohlen wird (106). Dies umfasst, dass die NVO überwacht wird und dass sie mit einem Schwellenwert verglichen wird, vorzugsweise mit der befohlenen Überlappung (108), bevor der Betrieb in dem HCCI-Modus befohlen wird (110). Dieser Betrieb wird ausgeführt, um die Verbrennungsstabilität während des Wechsels zu der HCCI aufrecht zu erhalten, da die Verbrennung in dem SI-SG-Modus über den Bereich der negativen Ventilüberlappung stabiler und robuster ist, in dem der HCCI-Betrieb befohlen werden kann.
  • Ferner wird gemäß diesem beispielhaften Verfahren, das in 3B dargestellt ist, ein Prozess 150 beschrieben, bei dem dann, wenn sich der Motor in dem HCCI-Verbrennungsmodus befindet (152) und das Steuermodul einen Wechsel in den SI-SG-Verbrennungsmodus befiehlt (154), das Steuermodul der VCP befiehlt, zu der gewünschten NVO zu wechseln, bevor ein Wechsel zu dem Betrieb in dem SI-SG-Verbrennungsmodus befohlen wird (156). Bei diesem Wechsel wird die gemessene NVO mit einer Schwellenwert-NVO verglichen (158). Die Schwellenwert-NVO umfasst eine NVO, bei der ein Betrieb entweder in dem HCCI-Verbrennungs-modus oder in dem SI-SG-Verbrennungsmodus für das Motorsystem ausführbar ist.
  • Wenn die gemessene NVO kleiner als die Schwellenwert-NVO ist, wird der Motorbetrieb von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-SG-Verbrennungsmodus befohlen (160). Unter Verwendung dieser Strategie wird die Verbrennung während der Wechsel fortgesetzt, und die Wechsel werden für einen Fahrzeugbetreiber transparent.
  • Wie oben beschrieben wurde, werden der SI-SG- und der HCCI-DI-Verbrennungsmodus verwendet, um einen Motor bei Motordrehzahlen und -lasten zu betreiben, unterhalb derer eine typische HCCI-SI möglich wäre. Der Betrieb in einem bekannten SI-SG-Verbrennungsmodus schließt jedoch viele der Vorteile aus, die in den mageren HCCI-Verbrennungsmodi mit Selbstzündung auftreten. Zusätzlich hat ein Testen die Vorteile und Nachteile des Betriebs in einigen bekannten HCCI-Verbrennungsmodi unter bestimmten Motorbedingungen gezeigt. Die Ergebnisse des beispielhaften Testens und das Ausbalancieren zwischen den Vorteilen und Nachteilen werden hierin detailliert dargestellt.
  • Wie 4 darstellt, ist ein Motorzyklus in einem Viertakt-Verbrennungsmotor aus vier Phasen zusammengesetzt: (1) Ausdehnung; (2) Auslass; (3) Einlass; und (4) Kompression. Während der NVO beginnt die Rekompressionsphase, wenn das Einlassventil geschlossen ist, bis sich der Kolben an dem TDC befindet. Nachdem sich der Kolben von dem TDC zurückzieht, ist die Rekompression beendet, und die Verbrennungskammer beginnt sich auszudehnen.
  • 4 ist auch eine graphische Darstellung von Ventil- und Kraftstoffzufuhrstrategien für verschiedene Motorlasten. Die bekannte HCCI-Verbrennung tritt, wie oben beschrieben wurde, ohne einen Zündfunken durch die Kompression des Kraftstoff-Luftgemischs bis zu einem Punkt der Selbstzündung auf. 4 demonstriert jedoch eine zusätzliche Strategie, bei der eine Zündkerze, eine Glühkerze oder eine andere Zündungsquelle verwendet wird, um die Verbrennung in den Fällen zu unterstützen, in denen die Zylinderbedingungen zu kalt sind, um eine stabile Selbstzündung zu unterstützen (z. B. bei einem Betrieb mit niedriger Last).
  • Die vorliegende Offenbarung legt eine Kombination von Strategien mit mehreren Einspritzungen und mehreren Zündfunken dar, die mit einem Überwachen und einem Steuern der Verbrennungsleistung gekoppelt sind, um die Betriebsgrenze der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung bei niedriger Last weiter auszudehnen. Bei einer hohen Teillast ist nur eine Einspritzung für eine robuste Selbstzündung notwendig. Für dazwischenliegende Teillasten, bei denen die Gastemperatur und der Gasdruck hoch sind, wird eine geteilte Einspritzung mit großer NVO verwendet, bei der ein Teil der gesamten erforderlichen Kraftstoffmasse pro Zyklus während der Rekompressionsphase eingespritzt wird. Der eingespritzte Kraftstoff durchläuft eine Teiloxidation oder eine Reformierungsreaktion, um zusätzliche Wärme für eine verbesserte Selbstzündung zu erzeugen.
  • Für niedrigere Lasten, und somit für niedrigere Zylindertemperaturen, kann eine Reformierung eines Teils des Kraftstoffs während der Rekompression nicht ausreichend sein, um die Selbstzündung auszulösen. In diesem Betriebsbereich (z. B. in der Nähe des Leerlaufbetriebs) wird der Hauptteil der Kraftstoffmasse spät in den Kompressionstakt anstatt während des Einlasstakts eingespritzt. Dieser geschichtete Teil des Kraftstoffs wird durch eine Zündkerze gezündet und komprimiert das übrige Kraftstoff-Luftgemisch weiter, um die Selbstzündung zu erreichen.
  • Bei einer Strategie mit zwei Einspritzungen pro Motorzyklus pro Zylinder gibt es einen Kompromiss zwischen der Verbrennungsstabilität und den NOx-Emissionen. 5 stellt beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die eine inverse Beziehung zwischen der während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse und der Verbrennungsstabilität zeigen. Der IMEP oder mittlere effektive Druck ist ein Maß für die Arbeit, die durch den Zylinder pro Verbrennungszyklus verrichtet wird. Der COV des IMEP, ein Maß für die Variabilität des IMEP, ist ein Indikator der Verbrennungsstabilität, wobei höhere Werte des COV des IMEP eine größere Instabilität in dem Verbrennungsprozess angeben. Wie in den Daten gezeigt ist, führen größere Mengen von reformiertem Kraftstoff in dem Abschnitt des Verbrennungszyklus mit Rekompression/negativer Ventilüberlappung zu einer größeren Instabilität des Zyklus. 6 stellt beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die eine Beziehung zwischen der während der Reformierung verbrannten Kraftstoffmasse und den verringerten NOx-Emissionen zeigen. Wenn mehr Kraftstoff während der Rekompression reformiert wird, werden die NOx-Emissionen wie gewünscht verringert; der COV des IMEP ist jedoch unerwünscht höher.
  • Der Betrieb in dem SI-SG-Modus, der einen Zündfunken zum Erzeugen einer Kompressionswelle in der Verbrennungskammer verwendet, um die Verbrennung zu erleichtern, umfasst inverse Beziehungen zu dem reformierenden Kraftstoff in dem HCCI-DI-Modus. 9 stellt beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die eine Beziehung zwischen der Verbrennungsstabilität und der Flammenausbreitung zeigen, die mit dem SI-SG-Modus verbunden ist. Ein durch eine Flamme verbrannter Massenanteil (Flammen-MFB) beschreibt das Voranschreiten der Verbrennung in einem Verbrennungszyklus an einem gewissen Referenzpunkt oder Referenzkurbelwinkel. Ein aggressiverer Zeitpunkt der Funkenzündung in dem SI-SG-Modus, der früher in dem Verbrennungszyklus ausgelöst wird, führt zu höheren Werten des durch die Flamme verbrannten Massenanteils. Bei den beispielhaften Daten von 9 führt der erhöhte durch die Flamme verbrannte Massenanteil zu einem niedrigern COV des IMEP, was eine gewünschte erhöhte Stabilität beschreibt. 8 stellt beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die eine inverse Beziehung zwischen den NOx-Emissionen und der Flammenausbreitung zeigen, die mit dem SI-SG-Modus verbunden ist. Der erhöhte durch die Flamme verbrannte Massenanteil führt zu höheren NOx-Emissionen. 8 und 9 beschreiben einen inversen Kompromiss zwischen der Verbrennungsstabilität und den NOx-Emissionen, der mit dem SI-SG-Modus verbunden ist, im Vergleich zu dem oben beschriebenen Kompromiss, welcher der Stabilität und den NOx-Emissionen zugeordnet ist, die mit der Reformierung in dem HCCI-DI-Modus verbunden sind.
  • Wie in 2 dargestellt ist, erfordert der Betrieb bei niedriger Last durch die hierin beschriebenen Verfahren einen Betrieb entweder in dem SI-SG-Modus, der einen Zündfunken zum Erzeugen einer Kompressionswelle in der Verbrennungskammer verwendet, um die Verbrennung zu erleichtern, oder in dem HCCI-DI-Modus, der die Kraftstoffreformierung verwendet, um die in der Verbrennungskammer vorhandene Wärme zum Auslösen der Selbstzündung zu erhöhen. 7 stellt graphisch beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, welche die Reformierung und einen nach früh verstellten Verbrennungszeitpunkt, wie er durch einen Zündfunken ausgelöst wird, als komplementäre Verfahren zeigen, die zum Erzeugen einer stabilen Verbrennung kombiniert werden. Die Reformierung durch doppelte Einspritzung kann in Kombination mit dem SI-SG-Modus in einem hybridisierten Modus verwendet werden, um selektiv gemäß den gewünschten Stabilitäts- und NOx-Zielwerten zu arbeiten. Mehr Reformierung führt zu einer geringeren Notwendigkeit einer flammeninduzierten Kompression während der Hauptverbrennung zum Auslösen der Selbstzündung, was eine weniger aggressive Funkenzündung zu einem späteren Zeitpunkt in dem SI-SG-Modus ermöglicht. Es wird ein Verfahren offenbart, das von den Vorteilen der Kraftstoffreformierung und der Verbrennung mit Flammenausbreitung profitiert und bessere Bedingungen in dem Zylinder für die Selbstzündung erreicht, wobei die Kompromisse zwischen den Modi ausbalanciert werden und der Verbrennungszyklus sowohl mit der Reformierung als auch mit der Flammenausbreitung betrieben wird. Ein bevorzugtes Verfahren zum Auswählen der reformierten Kraftstoffmenge umfasst, dass die während der Rekompression eingespritzte Kraftstoffquantität und die für die Reformierung eingespritzte Kraftstoffquantität auf ein Minimum verringert werden, das zum Erreichen der gewünschten Ausgabe erforderlich ist. Ein Verfahren zum Einspritzen des restlichen Kraftstoffs, der zum Erreichen einer gewünschten Motorarbeitsabgabe erforderlich ist, ist in 10 graphisch dargestellt. Der Kraftstoff kann in einem oder mehreren Einspritzungspulsen während des Einlasstakts oder früh in den Kompressionstakt zur Verbrennung in dem Hauptverbrennungsereignis eingeleitet werden, und die resultierende Arbeit, die in dem Hauptverbrennungsereignis erzeugt wird, kann durch in der Technik bekannte Verfahren geschätzt werden.
  • Diese Einspritzungsstrategie unterscheidet sich von den Mehrfacheinspritzungsstrategien für SIDI-Motoren mit geschichteter Verbrennung, bei denen der gesamte Kraftstoff spät in den Kompressionstakt eingespritzt und durch eine einzelne Funkenentladung gezündet wird. Bei HCCI-Motoren mit geringeren Beschränkungen bezüglich der Motoremissionen und der Verbrennungsstabilität oder für Anwendungen mit durch Controller verarbeiteten Begrenzungen kann die Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs in drei oder mehr gleichen Einspritzungsquantitäten oder drei oder mehr gleichen Einspritzungspulsweiten eingeleitet werden, während weiterhin von der erhöhten Verbrennungsstabilität und den verringerten NOx-Emissionen profitiert wird.
  • Bei Leerlauf- oder Niedriglastbedingungen ist eine feste Kalibrierung für jeden Betriebszustand nicht nur zeitaufwendig, sondern auch für einen HCCI-Verbrennungsprozess aufgrund des Einflusses von nicht aktiv gesteuerten Bedingungen auf den Selbstzündungsprozess (z. B. durch den Kraftstoffverbrauch, die thermische Historie oder Verbrennungskammerablagerungen usw.) nicht robust.
  • Unter Verwendung des beschriebenen Mehrfacheinspritzungsschemas wird eine beispielhafte Steuerstrategie für den Drehzahl/Lastbereich vom Leerlauf bis zur Straßenlast offenbart. 11 stellt ein beispielhaftes Dreifacheinspritzungsschema zum Auswählen von Motorbetriebsparametern gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Es wird ein Steuerprozess 200 beschrieben. Eingaben bezogen auf die Motordrehzahl und die gewünschte Motorlast werden überwacht, und drei Einspritzungsereignisse, welche die Stabilität und die NOx-Emissionen ausbalancieren und die erforderliche Ausgangsarbeit liefern, werden gemäß den hierin beschriebenen Verfahren ausgewählt (202). Pulsweiten für die Kraftstoffeinspritzung werden basierend auf der gewünschten Motorausgangsarbeit ermittelt. Anschließend wird die NVO für das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis eingestellt (204). Ein Einspritzungszeitpunkt für ein Flammenausbreitungs-SI-SG-Ereignis (EOI_3) wird basierend auf der erforderlichen Verbrennungsstabilität ausgewählt (206). Ein Zündfunkenzeitpunkt für das SI-SG-Flammenausbreitungsereignis wird basierend auf dem Einspritzungszeitpunkt von 206 und basierend auf dem gewünschten verbrannten Kraftstoffmassenanteil ausgewählt, wie es hierin offenbart ist. Zusätzlich wird bei 208 ein Einspritzungszeitpunkt für ein Kraftstoffreformierungsereignis (EOI_1) basierend auf den vorausgesagten NOx-Emissionen, der vorausgesagten Stabilität, dem vorausgesagten Kraftstoffverbrauch und der Auswahl der Einspritzung und des Zündfunkens von 206 ausgewählt. Ein Zündfunken kann zusätzlich bei 208 verwendet werden, um die Auslösung des Reformierungsprozesses zu unterstützen. Schließlich wird ein Einspritzungszeitpunkt für das Hauptverbrennungsereignis (EOI_2) basierend auf dem ausgewählten Einspritzungszeitpunkt und dem ausgewählten Zündfunkenzeitpunkt von den Schritten 206 und 208 und basierend auf der erforderlichen Arbeitsabgabe und der resultierenden Ausgangseffizienz ausgewählt (210). Auf diese Weise können mehrere Einspritzungs- und Zündfunkenzeitpunkte ausgewählt und ausbalanciert werden, um einen Verbrennungszyklus gemäß den hierin beschriebenen Parametern zu steuern.
  • Wie in Verbindung mit 11 beschrieben ist, werden Zündfunkenzeitpunkte zur Verwendung in dem Verbrennungszyklus ausgewählt. Die Auswahl der Einspritzungszeitpunkte und der darauf bezogenen Zündfunkenzeitpunkte ist für den Betrieb des Verbrennungszyklus wichtig. 12 stellt graphisch beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, welche die Separation zwischen dem Einspritzungszeitpunkt und dem zugeordneten Zündfunkenzeitpunkt für ein Flammenausbreitungs-SI-SG-Ereignis und der daraus resultierenden Verbrennungsstabilität beschreiben. Die Verbrennungsstabilität in den beispielhaften Daten wird gemäß der Standardabweichung des IMEP beschrieben, wobei höhere Werte eine geringere Verbrennungsstabilität beschreiben. Vier Datensätze sind dargestellt, welche die Kurbelwinkelgrade der Separation zwischen dem Ende des Einspritzungsereignisses und dem Zeitpunkt des zugeordneten Zündfunkens beschreiben. In Abhängigkeit von dem gemäß den hierin beschriebenen Verfahren ausgewählten Einspritzungszeitpunkt kann ein unterschiedlicher Zündfunkenzeitpunkt bezogen auf den ausgewählten Einspritzungszeitpunkt basierend auf einer Nachschlagetabelle oder einem ähnlichen Verfahren ausgewählt werden, welche die Auswirkungen des Zündfunkenzeitpunkts auf die Verbrennungsstabilität beschreiben. Es ist einzusehen, dass die Daten von 12 beispielhafte Daten für eine spezielle Motorausbildung sind und dass ähnliche Daten durch ein beliebiges Verfahren, das zum Abschätzen des Betriebs des Verbrennungszyklus ausreichend ist, für eine andere Motorausbildung erzeugt, vorausgesagt oder modelliert werden können.
  • 13 stellt beispielhafte Daten gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die eine Beziehung zwischen der in der Rekompressionsdauer reformierten Kraftstoffmasse eines Verbrennungszyklus und dem Zeitpunkt der zugeordneten Kraftstoffeinspritzung beschreiben. Diese Beziehung ermöglicht, dass der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt der ersten Einspritzung verwendet wird, um den gewünschten Betrag der Kraftstoffreformierung zu steuern. Alternativ kann die Kraftstoffmasse überwacht werden, die während der Rekompression reformiert wird. 14 stellt eine beispielhafte Beziehung zwischen gemessenen Drücken in einem Zylinder und der während der Rekompression reformierten Kraftstoffmasse gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar. Ein beliebiges derartiges beispielhaftes Verfahren zum Überwachen und Abschätzen der Auswirkungen der Reformierung kann für die Einstellung oder die Rückkopplungssteuerung der reformierten Kraftstoffmasse verwendet werden.
  • Sobald die Einspritzungen festgelegt sind, die der Reformierung und der Flammenausbreitung zugeordnet sind, müssen anschließend eine Einspritzung oder Einspritzungen zum Liefern der erforderlichen Arbeitsabgabe ausgewählt werden, die durch das Hauptverbrennungsereignis geliefert werden muss. Die Kraftstoffeffizienz und die Verbrennungsphasenlage sind wichtige Kriterien, um das Hauptverbrennungsereignis zu steuern. 15 stellt eine beispielhafte Korrelation zwischen dem Einspritzungszeitpunkt und der Effizienz sowie dem Zeitpunkt des Hauptverbrennungsereignisses gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar. Solche Kalibrierungskurven, die eine Auswirkung des Einspritzungszeitpunkts auf die Verbrennungseigenschaften ermitteln, sind in der Technik wohlbekannt, und sie werden für unterschiedliche spezielle Motorausbildungen verschieden sein.
  • Wie oben beschrieben wurde, ermöglichen die Verbrennungsmodi mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung den gewünschten Motorbetrieb über Betriebsbereiche, die für die herkömmliche HCCI-SI nicht förderlich sind, und sie vermeiden die Nachteile der bekannten zwei Einspritzungen pro Motorzyklus pro Zylinderstrategie. Indem Mehrfacheinspritzungen und Mehrfachzündungen in Verbindung mit dem SI-SG und dem HCCI-Verbrennungsmodus verwendet werden und indem spezielle Strategien in diesen Modi ausgewählt werden, können verschiedene Vorteile und Nachteile, von denen bekannt ist, dass sie bei speziellen Parametern existieren, zum Steuern der Verbrennung reguliert werden. Darüber hinaus können diskrete Modi definiert werden, um die rechnerbezogenen Lasten und die Lasten durch die Überwachung zu verringern, die durch das kontinuierliche Einstellen der Motorparameter in den Verbrennungsmodi auferlegt werden würden. Daher wird ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung offenbart, der zumindest drei Einspritzungsereignisse umfasst, wobei drei verschiedene Modi innerhalb des Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung identifiziert und basierend auf der Motordrehzahl und -last ausgewählt werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung, und um eine gewisse Komplexität in einem solchen Steuerschema zu beseitigen, wird eine Strategie zur Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung mit gleicher Pulsweite verwendet.
  • In einem ersten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung wird bei einer niedrigen Drehzahl und einer niedrigen Last, die den Leerlauf umfassen, bei dem die Motorzyklen kalt werden, ein Verbrennungsmodus mit drei Einspritzungsereignissen und Mehrfachzündung verwendet, wie er oben bezogen auf 10 beschrieben ist, der eine Kombination einer Selbstzündungs- und einer strahlgeführten geschichteten Verbrennung ist. Der Einspritzungs- und Zündungszeitpunkt in der Rekompression werden für den gewünschten Betrag der Kraftstoffreformierung eingestellt. Der Zeitpunkt der Einspritzung und der Zündung in der Hauptkompression werden eingestellt, um die gewünschte Verbrennungsstabilität durch die robuste strahlgeführte geschichtete Verbrennung zu erreichen. Der Rest des Kraftstoffs, der zum Erreichen einer gewünschten Motorarbeitsabgabe benötigt wird, kann während des Einlasstakts eingeleitet werden, um die beste Kraftstoffeffizienz zu erreichen und die gewünschte Verbrennungsphasenlage zu erzielen.
  • In einem zweiten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung nimmt die Bildung von NOx und Ruß dann, wenn die Motordrehzahl und -last zunehmen, aufgrund der nachteiligen Auswirkungen der strahlgeführten geschichteten Verbrennung zu. In einem Bereich mittlerer Drehzahl und Last kann eine Strategie mit weiter Separation der Dreifacheinspritzung implementiert werden. Der Einspritzungszeitpunkt und der Zündungszeitpunkt während der Rekompression werden eingestellt, um einen gewünschten Betrag der Reformierung zu erreichen. Die Temperatur bei dem Schließen des Einlassventils kann durch die Reformierung erhöht werden, was die Robustheit der HCCI-Verbrennung verbessert. Der Zeitpunkt der Einspritzung und der Zündung während der Hauptkompression wird eingestellt, um die strahlgeführte geschichtete Verbrennung soweit wie möglich zu verringern, während die Verbrennungsstabilität aufrecht erhalten wird. Der Rest des Kraftstoffs, der zum Erreichen einer gewünschten Motorarbeitsabgabe benötigt wird, kann während des Einlasstakts eingeleitet werden, um den Beginn der HCCI-Verbrennung zu fördern.
  • In einem dritten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung kann sogar ein kleiner Anteil der strahlgeführten geschichteten Verbrennung dann, wenn die Motordrehzahl und -last weiter zunehmen, signifikante NOx-Emissionen erzeugen. Darüber hinaus kann zuviel Reformierung die Verbrennungsstabilität und die Motoreffizienz verletzen. Bei hoher Drehzahl und hoher Last wird eine Strategie mit enger Separation der Dreifacheinspritzung verwendet. Alle drei Einspritzungs- und Zündungszeitpunkte werden unter Berücksichtigung der Effizienz und der Verbrennungsphasenlage ausgewählt. Die Separation wird vorzugsweise basierend auf NOx-Emissionen, der Verbrennungsstabilität und Rußemissionen ermittelt.
  • 16 und 17 stellen die Anwendung der hierin beschriebenen drei Verbrennungsmodi mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung sowie beispielhafte Testergebnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die zum detaillierten Darstellen der Auswirkungen auf die NOx-Emissionen und die Verbrennungsstabilität erzeugt wurden. Die Grenzen, welche die Gebiete abgrenzen, in denen die drei Modi betrieben werden, sind nur beispielhaft. Diese Gebiete können für einen speziellen Motor experimentell, empirisch, voraussagend, durch Modellierung oder durch andere Techniken entwickelt werden, die zum genauen Widerspiegeln des Motorbetriebs geeignet sind, und es kann eine Vielzahl von Gebietsdefinitionen durch denselben Motor für jeden Zylinder und für verschiedene Motoreinstellungen, Motorzustände oder Motorbetriebsbereiche verwendet werden. Spezieller stellt 16 Testdaten als Linien konstanter NOx-Emissionen für einen Bereich von Motordrehzahlen und -lasten dar, wobei Gebiete für einen ersten, zweiten und dritten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung definiert werden, wie sie oben beschrieben sind. Spezieller stellt 17 Testdaten als Linien konstanter Verbrennungsstabilität dar, wie sie durch die Standardabweichung des IMEP für einen Bereich von Motordrehzahlen und -lasten gemessen werden, wobei Gebiete für einen ersten, zweiten und dritten Verbrennungsmodus mit Mehrfacheinspritzung und Mehrfachzündung definiert werden, wie sie oben beschrieben sind. Die Daten in 16 und 17 stellen eine Auswahl von Gebieten in einem Bereich des Motorbetriebs und der resultierenden Faktoren der Motorleistung dar, die analysiert und kalibriert werden können.
  • Wie oben und speziell bezogen auf 3 beschrieben wurde, gehören Motorleistungskompromisse zu dem Umschalten zwischen dem SI-SG- und dem HCCI-Modus. Die bezogen auf 3 beschriebene Methodik kann auf das oben beschriebene Verfahren angewendet werden, um zwischen den drei Betriebsmodi umzuschalten, um die nachteiligen Auswirkungen auf den Motorbetrieb und die Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu verringern, die aus den Umschaltungen resultieren.
  • Wie oben beschrieben wurde liefert der HCCI-Betrieb Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz und niedriger NOx-Emissionen. Die HCCI-Verbrennung und die zugeordnete Selbstzündung weisen jedoch, wie oben beschrieben wurde, bei niedrigen Motorlasten und -drehzahlen Grenzen auf, wobei ein Fehlen an Energie oder Wärme in der Verbrennungskammer dazu führt, dass die komprimierte Luft-Kraftstoffladung einen Schwellenwertzustand für die Selbstzündung nicht erreicht. Die Flammenausbreitung durch den SI-SG-Modus liefert, wie oben beschrieben wurde, eine Druckwelle in der Verbrennungskammer, welche die verfügbare Energie in der Kammer erhöht und die Zündung der Ladung unterstützt. Die Verbrennungsstabilität der HCCI-Verbrennung bei leichter Last, insbesondere in Verbindung mit dem oben beschriebenen Hybridmodus, ist mit der Robustheit der SI-SG-Verbrennung eng verbunden. Es ist einzusehen, dass die spezielle Ausbildung des eingespritzten Kraftstoffstrahls, die Ausrichtung des Kraftstoffstrahls bezogen auf die zugeordnete Zündfunkenquelle und der Zeitpunkt des Zündfunkens bezogen auf den Strahl wichtig sind, um eine effektive Flammenfront zum Aufbauen der Selbstzündung zu erzeugen, die in dem SI-SG-Modus gewünscht ist. Diese Faktoren werden kombiniert, um ein Luft-Kraftstoffgemisch in der Nähe der Zündkerze zu liefern, vorzugsweise lokal in der Nähe des stöchiometrischen AFR, das für das Erzeugen einer optimierten Druckfront in der Kammer förderlich ist. Ein Testen hat gezeigt, dass zusätzlich zu diesen Faktoren der Kraftstoffdruck, der zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Kammer implementiert wird, eine Auswirkung auf die Verbrennungsstabilität bei niedrigen Lasten aufweist. Durch die Verwendung der Flammenausbreitung kann die Stabilität des Betriebs bei niedriger Last in einem HCCI-Modus verbessert werden. Ein solcher Betrieb kann als ein durch Flammenausbreitung unterstützter HCCI-Modus bezeichnet werden.
  • 18 stellt beispielhafte Drücke in einem Zylinder gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl unter Verwendung verschiedener Einspritzungsdrücke gemessen wurden. Die Graphik zeigt die Ergebnisse von IMEP-Änderungen über 300 Zyklen zwischen einem hohen Einspritzungsdruck und einem niedrigen Einspritzungsdruck, die bei 850 U/min und einem NMEP von 85 kPa erhalten wurden. Der verwendete hohe Druck umfasst einen Kraftstoffdruck, bei dem das Kraftstoffeinspritzungssystem wie während des normalen Motorbetriebs betrieben werden kann. Der verwendete niedrige Druck umfasst einen Kraftstoffdruck unterhalb eines Kraftstoffdrucks im Normalbetrieb, und ein solcher niedriger Druck wird typischerweise während des Normalbetriebs des Motors bei einigen beispielhaften Ausbildungen aufgrund des übermäßigen Rußes vermieden, der aus dem Verbrennungsprozess bei normalen Motordrehzahlen und -lasten resultiert. Wie anhand der Daten offensichtlich ist, zeigen die Drücke in dem Zylinder, die aus einer Verbrennung mit Kraftstoffeinspritzung bei niedrigem Druck resultieren, eine durchgängig geringere Varianz, wobei die IMEP-Werte mit einer geringeren Schwankung um einen stabilen Wert zentriert sind, als die Drücke, die aus einer Verbrennung mit einer Kraftstoffeinspritzung bei hohem Druck resultieren. Eine geringere Veränderlichkeit der Drücke in dem Zylinder entspricht einer höheren Verbrennungsstabilität.
  • Zusätzlich ist ein stabilerer PMEP bei niedrigem Einspritzungsdruck offensichtlich, der zu einer beständigeren reformierten Kraftstoffmasse führt. 19 stellt einen beispielhaften PMEP gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, der über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurde. Der PMEP, ein Maß für die Pumparbeit, die durch die Zylinder über den Verbrennungszyklus verrichtet wird, kann als ein Maß für die Dynamik verwendet werden, die über den Zyklus auf die Ladung wirkt. Beständigere Drücke und dynamische Kräfte auf die Ladung führen zu einer beständigeren Reformierung über den Verbrennungszyklus. Wie anhand der Daten offensichtlich ist, zeigt der PMEP, der aus einer Verbrennung mit einer Kraftstoffeinspritzung bei niedrigem Druck resultiert, eine gleichbleibend niedrigere Varianz, wobei die Werte mit einer geringeren Abweichung um einen stabilen Wert zentriert sind, als die Drücke, die aus einer Verbrennung mit einer Kraftstoffeinspritzung bei hohem Druck resultieren.
  • Ein anderer Vorteil des niedrigen Einspritzungsdrucks ist die weitere Ausdehnung der Grenze der HCCI-Verbrennung bei niedriger Last. Die verbesserte Verbrennungsstabilität infolge der niedrigen Einspritzungsdrücke bei niedrigen Motordrehzahlen und -lasten zeigt sich weiterhin bei höheren Motordrehzahlen und niedrigen Motorlasten. 20 und 21 stellen beispielhafte Daten eines Motorbetriebs bei Drehzahlen in der Nähe des oberen Endes eines HCCI-Betriebsbereichs und bei niedriger Last gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar. Die beispielhaften Daten von 20 und 21 wurden während eines Testens bei 1000 U/min und einem NMEP von 35 kPa erfasst. 20 stellt beispielhafte Drücke in einem Zylinder graphisch dar, die über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast unter Verwendung von verschiedenen Einspritzungsdrücken gemessen wurden. 21 stellt einen beispielhaften PMEP graphisch dar, der über aufeinander folgende Verbrennungszyklen bei niedriger Motorlast unter Verwendung verschiedener Einspritzungsdrücke gemessen wurde. Eine Überprüfung des IMEP und des PMEP von 20 und 21 zeigt eine geringere Veränderlichkeit in beiden Indikatoren, was sowohl eine verbesserte Verbrennungsstabilität als auch eine verbesserte Stabilität bei der Reformierung beschreibt, wie oben in Verbindung mit 18 und 19 beschrieben wurde.
  • Ein anderer Vorteil des niedrigen Einspritzungsdrucks ist ferner die Ausdehnung der Grenze der HCCI-Verbrennung bei leichter Last während kalter Motorzustände. 22 stellt beispielhafte Testergebnisse gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, die einen Motor unter Kaltstartbedingungen beschreiben und die NOx-Emissionen und die Verbrennungsstabilität für variierende Kraftstoffeinspritzungsdrücke darstellen. Die Testbedingungen, die zum Erzeugen der beispielhaften Daten verwendet wurden, umfassten eine Motordrehzahl von 800 U/min, einen NMEP von 120 kPa und eine Kühlmitteltemperatur von 25°C. Wie anhand der Daten offensichtlich ist, bleiben die NOx-Emissionen über den Bereich von Kraftstoffdrücken relativ unverändert, und die Standardabweichung des IMEP nimmt mit abnehmendem Kraftstoffeinspritzungsdruck ab, was eine verbesserte Verbrennungsstabilität bei niedrigerem Kraftstoffeinspritzungsdruck angibt. Auf diese Weise kann ein Modulieren des Kraftstoffeinspritzungsdrucks verwendet werden, um die Verbrennungsstabilität bei niedriger Last während Aufwärmbedingungen zu erhöhen.
  • Es ist bekannt, wie oben beschrieben wurde, dass ein niedriger Einspritzungsdruck die Rußemissionen erhöht. Bei zunehmender Motorlast wurden hohe Rußemissionen bei einem niedrigen Einspritzungsdruck erhalten. Eine Zunahme der Rußemissionen kann vermieden werden, indem die Verwendung der Strategie mit niedrigem Einspritzungsdruck nur auf ein begrenztes Gebiet beschränkt wird, wobei der magere Betrieb beispielsweise bei Motorleerlaufbedingungen und bei einem Betrieb mit leichter Last implementiert wird. Es wird ein Verfahren zum Modulieren des Kraftstoffeinspritzungsdrucks basierend auf der Motorlast und der Motordrehzahl offenbart, das die Verwendung von niedrigen Kraftstoffeinspritzungsdrücken bei niedrigen Motorlasten und geeigneten Motordrehzahlen ermöglicht und hohe Kraftstoffeinspritzungsdrücke in Betriebsbereichen verwendet, in denen Rußemissionen problematisch sind.
  • Die Motorlasten und -drehzahlen, bei denen niedrige Kraftstoffdrücke zum Verbessern der Verbrennungs- und Reformierungsstabilität verwendet werden können, können feste Gebiete sein, in denen der Betrieb mit niedrigem Druck basierend auf einem Testen, auf Voraussagen oder auf dem Modellieren des vorausgesagten Betriebs des Motors und der zugeordneten Rußemissionen entweder freigegeben oder gesperrt wird. Bei diesem binären Steuerverfahren wird ein gewünschter Kraftstoffdruck, der für die Einspritzung verwendet wird, entweder auf einen hohen oder einen niedrigen Druck moduliert, wobei der spezielle hohe und niedrige Druck gemäß dem Motorbetrieb und der Motorkalibrierung ausgewählt wird. Alternativ können die binären Druckeinstellungen oder die Betriebsbereiche, in denen die Druckeinstellungen betrieben werden, basierend auf einer Umgebungstemperatur, dem Kraftstofftyp oder beliebigen anderen ermittelbaren Faktoren moduliert werden, welche die Verbrennung und die resultierende Stabilität beeinflussen. Ferner kann von mehreren Kraftstoffdrücken ausgewählt werden, wobei jeder Kraftstoffdruck basierend auf dem Motorbetrieb und den Rußemissionen Drehzahl- und Last-Betriebsbereichen des Motors zugeordnet ist. Die mehreren Kraftstoffdrücke können einen hohen Druck, einen niedrigen Druck und einen dazwischenliegenden Druck oder mehrere dazwischenliegende Drücke umfassen. Ferner kann der gewünschte Kraftstoffdruck ein Bereich mit niedrigem Kraftstoffdruck sein, der basierend auf der Motordrehzahl und der Motorlast zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert skaliert wird. 23 stellt eine beispielhafte Einspritzungsdruckstrategie gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch dar, bei welcher der Einspritzungsdruck über einen Bereich von Motordrehzahlen und Motorlasten moduliert wird. Die Motorlast ist als eine verbrannte Kraftstoffmasse pro Verbrennungszyklus dargestellt. Die Datenlinien in der Graphik stellen einen gewünschten Kraftstoffdruck dar, der für eine Motordrehzahl und eine Motorlast befohlen werden kann. Der Kraftstoffdruck wird bei einem niedrigen Druck in einem definierten Bereich mit niedriger Motordrehzahl und niedriger Motorlast betrieben. Wenn die Motordrehzahlen und -lasten zunehmen, nimmt auch der gewünschte Einspritzungsdruck zu, wodurch die Rußerzeugung bei höheren Lasten vermieden wird. Eine solche Graphik kann in einem Steuermodul durch eine Nachschlagetabelle, eine programmierte Logik oder in einem fahrzeugeigenen Modell verkörpert werden, das zum Voraussagen des Motorbetriebs ausreicht. Wie oben beschrieben wurde, sind die Kraftstoffdrücke und die speziellen Betriebsbereiche in Abhängigkeit von der speziellen Motorausbildung variabel. Die Werte und Bereiche können experimentell, empirisch, voraussagend, durch Modellierung oder durch andere Techniken entwickelt werden, die für eine genaue Voraussage des Motorbetriebs geeignet sind, und eine Vielzahl von Kalibrierungskurven könnte durch denselben Motor für jeden Zylinder und für verschiedene Motoreinstellungen, Motorzustände und Motorbetriebsbereiche verwendet werden.
  • Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Motors, der zu einer homogenen Kompressionszündung fähig ist und bei niedriger Last mit einer strahlgeführten geschichteten Verbrennung mit Funkenzündung arbeitet, umfasst, dass eine Drehzahl des Motors überwacht wird, dass eine Last des Motors überwacht wird, dass ein gewünschter Kraftstoffdruck basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ermittelt wird und dass der gewünschte Kraftstoffdruck verwendet wird, um die Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu steuern, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die Drehzahl und die Last kalibriert wird.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der zu einer homogenen Kompressionszündung fähig ist und bei niedriger Last mit einer strahlgeführten geschichteten Verbrennung mit Funkenzündung arbeitet, einschließlich einer selektiven Verwendung eines verringerten Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffeinspritzungssystem zum Erhöhen der Verbrennungsstabilität, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Drehzahl des Motors überwacht wird; eine Last des Motors überwacht wird; ein gewünschter Kraftstoffdruck basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ermittelt wird; und der gewünschte Kraftstoffdruck verwendet wird, um eine Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu steuern; wobei der gewünschte Kraftstoffdruck bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die Drehzahl und die Last kalibriert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner gemäß einem hohen Kraftstoffdruck und einem niedrigen Kraftstoffdruck kalibriert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner für einen Zwischenwert kalibriert wird, der zwischen dem hohen Kraftstoffdruck und dem niedrigen Kraftstoffdruck ausgewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner für Zwischenwerte kalibriert wird, die zwischen dem hohen Kraftstoffdruck und dem niedrigen Kraftstoffdruck ausgewählt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner derart kalibriert wird, dass er ein skalierbarer Wert ist, der auf einen hohen Kraftstoffdruck, einen niedrigen Kraftstoffdruck oder einen Wert zwischen dem hohen Kraftstoffdruck und dem niedrigen Kraftstoffdruck festgelegt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des gewünschten Kraftstoffdrucks basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors umfasst, dass der gewünschte Kraftstoffdruck auf einen Bereich mit niedrigem Kraftstoffdruck festgelegt wird, wenn sich die Drehzahl des Motors in einem Bereich mit niedriger Drehzahl befindet und wenn sich die Last des Motors in einem Bereich mit niedriger Last befindet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Bereich mit niedriger Drehzahl und der Bereich mit niedriger Last eine Motorleerlaufeinstellung umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ermitteln des gewünschten Kraftstoffdrucks basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ferner umfasst, dass der gewünschte Kraftstoffdruck auf den Bereich mit niedrigem Kraftstoffdruck festgelegt wird, wenn sich die Last des Motors in einem Bereich mit niedriger Last befindet und wenn die Drehzahl des Motors und die Last des Motors einen für eine homogene Kompressionszündung fähigen Bereich umfassen.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des gewünschten Kraftstoffdrucks basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ferner auf einem Kraftstofftyp basiert.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des gewünschten Kraftstoffdrucks basierend auf der Drehzahl des Motors und der Last des Motors ferner auf einer Umgebungstemperatur basiert.
  11. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der eine Mehrfacheinspritzung mit Flammenausbreitung verwendet, um den Betrieb in einem Modus mit homogener Kompressionszündung bei niedriger Motorlast auszudehnen, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Drehzahl des Motors überwacht wird; eine Last des Motors überwacht wird; der Motor selektiv in einem durch die Flammenausbreitung unterstützten Modus mit homogener Kompressionszündung basierend auf der überwachten Drehzahl und der überwachten Last betrieben wird, die angeben, dass sich der Motor in einem Betriebsbereich mit niedriger Stabilität der homogenen Kompressionszündung befindet, wobei der durch die Flammenausbreitung unterstützte Modus mit homogener Kompressionszündung umfasst, dass: ein gewünschter Kraftstoffdruck ermittelt wird, der bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die überwachte Drehzahl und die überwachte Last kalibriert wird; und der gewünschte Kraftstoffdruck verwendet wird, um die Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu steuern.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner gemäß einem hohen Kraftstoffdruck und einem niedrigen Kraftstoffdruck kalibriert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der gewünschte Kraftstoffdruck ferner gemäß einem skalierbaren Wert kalibriert wird, der dem hohen Kraftstoffdruck, dem niedrigen Kraftstoffdruck oder einem Wert zwischen dem hohen Kraftstoffdruck und dem niedrigen Kraftstoffdruck gleich ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Angeben, dass sich der Motor in einem Betriebsbereich mit niedriger Stabilität der homogenen Kompressionszündung befindet, ein Ermitteln umfasst, dass sich der Motor in einem Leerlaufzustand befindet.
  15. Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der zu einer homogenen Kompressionszündung fähig ist und bei niedriger Last arbeitet, einschließlich einer selektiven Verwendung eines verringerten Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoffeinspritzungssystem zum Erhöhen der Verbrennungsstabilität, wobei die Vorrichtung umfasst: den Motor, der in einem durch eine Flammenausbreitung unterstützten Modus mit homogener Kompressionszündung arbeitet; das Kraftstoffeinspritzungssystem, das Kraftstoff bei einem variablen Kraftstoffdruck an den Motor liefert; einen Controller, der eine Drehzahl des Motors überwacht, eine Last des Motors überwacht, einen gewünschten Kraftstoffdruck befiehlt, der bei niedrigeren Kraftstoffdrücken basierend auf einer erhöhten Stabilität des Motors und bei höheren Kraftstoffdrücken basierend auf niedrigeren Rußemissionen aus dem Motor für die Drehzahl und die Last kalibriert wird.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Controller, der einen gewünschten Kraftstoffdruck befiehlt, umfasst, dass der Controller einen höheren, normalen Kraftstoffdruck und einen niedrigeren Kraftstoffdruck befiehlt.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Controller, der den gewünschten Kraftstoffdruck befiehlt, umfasst, dass der Controller einen skalierbaren Kraftstoffdruck in einem Bereich befiehlt, der einen höheren, normalen Kraftstoffdruck und einen niedrigeren Kraftstoffdruck umfasst.
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