DE102007006606A1

DE102007006606A1 - System und Verfahren zur Steuerung von Selbstzündung

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Publication number: DE102007006606A1
Application number: DE102007006606A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Stump; Jens Wojahn; Martin Dr. Wirth; Themi Petridis
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-02-10
Publication date: 2007-09-27
Also published as: US20070215106A1; US7992541B2

Abstract

Verfahren zur Steuerung von Verbrennungsmodi eines Motors mit mindestens einem ersten und einem zweiten Zylinder, wobei der Motor ein zur Steuerung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes erstes Stellglied und ein zur Steuerung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes zweites Stellglied aufweist; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Senden eines ersten Signals zum ersten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, und eines zweiten Signals zum zweiten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, wobei das erste und das zweite Signal bei verschiedenen Kurbelwinkeln gesendet werden; und Übergang von Verbrennungsmodi des ersten und des zweiten Zylinders, wobei die Verbrennungsmodi Fremdzündung und homogene Kompressionszündung umfassen.

Description

Hintergrund und Kurzdarstellung
Motoren können über verschiedene Betriebsbedingungen verschiedene Verbrennungsmodi verwenden, um die Gesamtmotorleistung zu verbessern. Einige der verschiedenen Modi können eine unterschiedliche Zylinderventilbetätigung, wie zum Beispiel eine unterschiedliche Ventilsteuerung und/oder einen unterschiedlichen Ventilhub, erfordern. Zum Beispiel könnte unter gewissen Bedingungen bei einer ersten Zylinderventilbetätigung Fremdzündungsverbrennung (SI – Verbrennung, SI – spark ignition) verwendet werden, während unter anderen Bedingungen gesteuerte Selbstzündung (CAI – controlled auto-ignition) oder homogene Kompressionszündung (HCCI – homogenous charge compression ignition) verwendet werden könnte. In noch einem anderen Beispiel könnte der Zylinder ohne Verbrennung betrieben werden, wie zum Beispiel in einem Zylinderdeaktivierungsmodus.
Ein Lösungsansatz für die Zeitsteuerung verschiedener Zylinderventilstellglieder zur Steuerung eines Übergangs zwischen Modi (zum Beispiel aus einem Verbrennungsmodus in einen Nichtverbrennungsmodus) wird in der US 5,408,966 beschrieben. In diesem Beispiel kann für jeden Zylinder des Motors ein hydraulisches Stellglied zur Steuerung der Betätigung von Einlass- und Auslassventilen verwendet werden. Insbesondere steuert die Steuerung ein Ventil dahingehend an, die Deaktivierung eines gewählten Zylinders während eines vorbestimmten Einlassereignisses zu beginnen und den die Deaktivierung beendenden Mechanismus nicht später zu betätigen als der Beginn des nächsten Auslassereignisses.
Die Erfinder der vorliegenden Schrift haben Nachteile bei solch einem Lösungsansatz erkannt. Insbesondere da für jeden Zylinder ein getrenntes Stellglied vorgesehen ist, kann das Signalfenster zum Senden eines Übergangssignals dahingehend begrenzt sein, eine gewünschte Deaktivierungsfolge zwischen dem Einlass- und Auslassventil zu erreichen. Und bei Anwendung solch eines Systems auf ein Nockenprofilwechsel zwischen Groß- und Niedrighubprofilen zur Ermöglichung von HCCI-Betrieb verwendendes System kann solch ein System zum Beispiel aufgrund der Variation der Zeiteinstellungsbeschränkungen zwischen verschiedenen Hubprofilen (insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die Einlassventilöffnungszeit äußerst kurz sein) und aufgrund der Beschränkungen der Einlass-/Auslass-Ventilschaltreihenfolge eine begrenzte Anwendbarkeit aufweisen.
Somit wird bei einem Lösungsansatz ein Verfahren zur Steuerung von Verbrennungsmodi eines Motors mit mindestens einem ersten und einem zweiten Zylinder vorgeschlagen, wobei der Motor ein zur Steuerung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes erstes Stellglied und ein zur Steuerung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes zweites Stellglied aufweist. Das Verfahren umfasst Senden eines ersten Signals zum ersten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, und eines zweiten Signals zum zweiten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, wobei das erste und das zweite Signal bei verschiedenen Kurbelwinkeln gesendet werden; und Übergang von Verbrennungsmodi des ersten und des zweiten Zylinders, wobei die Verbrennungsmodi Fremdzündung und homogene Kompressionszündung umfassen.
Auf diese Weise ist es möglich, der Zündfolge eines Motors Rechnung zu tragen und ein Stellglied zur Einstellung von Ventilen von mehreren Zylindern zu verwenden. Dies kann zu einem vergrößerten Fenster zum Schalten der Ventilbetätigung führen. Des Weiteren ist es möglich, zum Beispiel die Einlass- und Auslassventile unabhängig zu steuern.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Beispiel einer Motorzylinderkonfiguration;
2A–B zeigen eine Detailansicht von beispielhaften Brennkammern;
2C zeigt eine beispielhafte Detailansicht eines Stößels zur Verwendung mit dem Beispiel von 2B;
3 zeigt beispielhafte Hubprofile;
4–5 zeigen beispielhafte Hydraulikstellgliedkreise zur Steuerung der Betätigung von Mehrzylinderventilstellgliedsystemen;
6–7 zeigen beispielhafte Zeitdiagramme und Zeitfenster für die beispielhafte Konfiguration von 4; und
8–9 zeigen beispielhafte Zeitdiagramme und Zeitfenster für die beispielhafte Konfiguration von 5.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt einen Zylinder eines Mehrzylindermotors sowie den mit dem Zylinder verbundenen Einlass- und Auslassweg. Weiterhin auf 1 Bezug nehmend, wird der mehrere Brennkammern umfassende Verbrennungsmotor 10 mit Direkteinspritzung durch eine elektronische Motorsteuerung 12 gesteuert. Die Brennkammer 30 des Motors 10 wird Brennkammerwände 32 aufweisend gezeigt, in denen ein mit der Kurbelwelle 40 verbundener Kolben 36 angeordnet ist. Ein (nicht gezeigter) Startermotor ist über ein (nicht gezeigtes) Schwungrad mit der Kurbelwelle 40 verbunden. Die Brennkammer, oder der Zylinder, 30 ist in der Darstellung über jeweilige (nicht gezeigte, siehe 2) Einlassventile 52a und 52b und (nicht gezeigte, siehe 2) Auslassventile 54a und 54b mit dem Einlasskrümmer 44 und dem Auslasskrümmer 48 verbunden. In der Darstellung ist die Kraftstoffeinspritzdüse 66A direkt mit der Brennkammer 30 verbunden, um eingespritzten Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des über den elektronischen Treiber 68 von der Steuerung 12 empfangenen Signals fpw direkt darin abzugeben. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann in der Seite der Brennkammer oder im Oberteil der Brennkammer befestigt sein. Kraftstoff wird der Kraftstoffeinspritzdüse 66A durch eine (nicht gezeigte) herkömmliche Hochdruckkraftstoffanlage zugeführt, die einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoff-Verteilerleitung enthält.
Der Einlasskrümmer 44 ist in der Darstellung über eine Drosselplatte 62 mit dem Drosselkörper 58 verbunden. In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselplatte 62 mit einem Elektromotor 94 verbunden, so dass die Position der Drosselplatte 62 durch die Steuerung 12 über den Elektromotor 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird gemeinhin als elektronische Drosselsteuerung (ETC – electronic throttle control) bezeichnet, die auch während Leerlaufdrehzahlregelung verwendet wird.
In der Darstellung ist der Abgassensor 76 stromaufwärts des Katalysators 70 mit dem Auslasskrümmer 48 verbunden. Der Sensor 76 kann ein beliebiger vieler bekannter Sensoren sein, um das Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis anzuzeigen, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (universal oder wide-range exhaust gas oxygen), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (heated EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor.
Das Zündsystem 88 liefert der Brennkammer 30 über eine Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Zündvorstellsignal SA von der Steuerung 12 unter gewählten Betriebsmodi einen Zündfunken. Obgleich Fremdzündungskomponenten gezeigt werden, kann der Motor 10 (oder ein Teil seiner Zylinder) in einem Kompressionszündungsmodus mit oder ohne Funkenunterstützung betrieben werden, wie unten ausführlicher erläutert. Des Weiteren weist die Brennkammer bei einer alternativen Ausführungsform keine Zündkerze auf.
Die Steuerung 12 kann so konfiguriert sein, dass sie einen Betrieb der Brennkammer 30 in verschieden Verbrennungsmodi bewirkt, wie hierin beschrieben. Die Kraftstoffeinspritzzeitpunkteinstellung kann zur Bereitstellung verschiedener Verbrennungsmodi zusammen mit anderen Parametern, wie zum Beispiel AGR, Ventilsteuerung, Ventilbetätigung, Ventildeaktivierung usw., geändert werden.
In der Darstellung befindet sich die Abgasreinigungsanlage 70 stromabwärts des Auslasskrümmers 48. Die Anlage kann ein Dreiwegekatalysator, eine NOx-Falle, verschiedene andere Vorrichtungen oder Kombinationen davon sein.
Weiterhin zeigt 1 ein Dampfrückgewinnungssystem, das die Rückgewinnung von Kraftstoffdämpfen vom Kraftstofftank 180 und Kraftstoffdampfspeicherbehälter 184 über das Spülsteuerventil 168 ermöglicht.
In der Darstellung von 1 ist die Steuerung 12 ein herkömmlicher Mikrocomputer mit einer Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs /Ausgangsanschlüssen 104, einem elektronischen Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem bestimmten Beispiel als Nur-Lese-Speicherchip 106 gezeigt wird, Direktzugriffsspeicher 108, KAM 110 (keep alive memory – batteriestrom-gestützter Speicherchip) und einem herkömmlichen Datenbus. In der Darstellung empfängt die Steuerung 12 neben den bereits besprochenen Signalen Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren, einschließlich Messung von induziertem Massenluftstrom (MAF – mass air flow) von dem an den Drosselkörper 58 gekoppelten Massenluftstromsensor 100; Motorkühlmitteltemperatur (ECT – engine coolant temperature) von dem an die Kühlbuchse 114 gekoppelten Temperatursensor 112; ein Profilzündungsaufnahmesignal (PIP – profil ignition pickup) von dem an die Kurbelwelle 40 gekoppelten Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einer anderen Sensorart); und Drosselposition TP (throttle position) vom Drosselpositionssensor 120 und Absolutsaugrohrdrucksignal MAP (manifold pressure signal) vom Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM wird von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP auf herkömmliche Weise erzeugt, und das Saugrohrdrucksignal MAP von einem Saugrohrdrucksensor liefert eine Anzeige des Vakuums oder Drucks im Einlasskrümmer. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie zum Beispiel ein MAF-Sensor ohne MAP-Sensor oder umgekehrt. Bei stöchiometrischem Betrieb kann dieser Sensor das Motordrehmoment anzeigen. Des Weiteren kann dieser Sensor zusammen mit der Motordrehzahl eine Schätzung von in den Zylinder angesaugter Ladung (einschließlich Luft) liefern. Bei einem Beispiel erzeugt der Sensor 118, der auch als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen.
Weiterhin auf 1 Bezug nehmend, wird der Motor 10 mit einer Einlass-Nockenwelle 130 und einer Auslass-Nockenwelle 132 gezeigt, wobei die Nockenwelle 130 beide Einlassventile 52a, b und die Nockenwelle 132 beide Auslassventile 54a, b betätigt. Die Ventile können über Hubprofile (siehe 2) an den Nockenwellen betätigt werden, wobei die Hubprofile zwischen den verschiedenen Ventilen hinsichtlich Höhe, Dauer und/oder Zeiteinstellung variieren können. Es könnten jedoch, falls gewünscht, auch alternative Nockenwellen-(obenliegende und/oder Stößelstangen-) Anordnungen verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 2A ausführlicher beschrieben wird, kann im Ventilschaft von einem oder mehreren der Einlass- und Auslassventile 52 und 54 ein deaktivierbarer Stößel verwendet werden, um individuelle Ventildeaktivierung unter gewählten Betriebsbedingungen zu gewährleisten. In diesem Beispiel kann der Stößel zum Beispiel eine Leerhubwirkung aufweisen. 2B zeigt jedoch ein alternatives Beispiel, in dem ein alternativer deaktivierbarer Stößel gezeigt wird, bei dem nur ein Teil des Stößels deaktiviert ist. Des Weiteren kann bei einem Beispiel die Nockenwellensteuerung über die Stellglieder 136 und 138 auf Grundlage der Betriebsbedingungen variiert werden. Die Stellglieder können hydraulisch angetrieben oder elektrisch betätigt werden, oder Kombinationen davon. Die Signalleitung 150 kann ein Ventileinstellungssteuersignal an die Einheit 136 senden und eine Nockenwellensteuerungsmessung erhalten. Ebenso kann die Signalleitung 152 ein Ventileinstellungssteuersignal an die Einheit 138 senden und eine Nockenwellensteuerungsmessung erhalten.
Wie oben beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors und dass jeder Zylinder seinen eigenen Satz von Einlass/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzdüsen, Zündkerzen usw. aufweist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine Einlasskanaleinspritzkonfiguration verwendet werden, wenn eine Kraftstoffeinspritzdüse in einem Kanal mit dem Einlasskrümmer 44 statt direkt mit dem Zylinder 30 verbunden ist.
Des Weiteren leitet bei den offenbarten Ausführungsformen ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) einen gewünschten Abgasteil aus dem Auslasskrümmer 48 über ein (nicht gezeigtes) AGR-Ventil zum Einlasskrümmer 44. Als Alternative kann ein Teil der Verbrennungsgase durch Steuerung der Auslassventileinstellung in den Brennkammern zurückgehalten werden.
Der Motor 10 wird in verschiedenen Modi betrieben, einschließlich Magerbetrieb, Fettbetrieb und „nahe stöchiometrischer" Betrieb. „Nahe stöchiometrischer" Betrieb betrifft Schwingbetrieb um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
In Verbindung mit den dargestellten Ausführungsformen kann auch Feuchtigkeitserfassung eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein Sensor (140) für absolute oder relative Feuchtigkeit zum Messen von Feuchtigkeit der Umgebungsluft oder Einlassluft verwendet werden. Dieser Sensor kann entweder in dem in den Krümmer 44 eintretenden Einlassluftstrom angeordnet sein oder zum Beispiel durch den Motorraum des Fahrzeugs strömende Umgebungsluft messen. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass Feuchtigkeit auf Grundlage verschiedener Betriebsparameter, wie zum Beispiel Luftdruck, geschätzt oder gefolgert werden kann. Als Alternative kann Feuchtigkeit auf Grundlage von Selbstzündungskenndaten über adaptives Lernen gefolgert werden. Weiterhin können Luftdruck und adaptives Lernen kombiniert verwendet und des Weiteren mit erfassten Feuchtigkeitswerten verwendet werden.
Wie unten ausführlicher beschrieben, kann die Verbrennung im Motor 10 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen in verschiedenen Arten/Modi erfolgen. In einem Beispiel kann Fremdzündung (SI) eingesetzt werden, wenn der Motor eine Funkenbildungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine in der Brennkammer gekoppelte Zündkerze, verwendet, um die Zeitsteuerung von Brennkammergas zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem oberen Totpunkt des Arbeitshubs zu regulieren. In einem Beispiel ist bei Fremdzündungsbetrieb die Temperatur der in die Brennkammer eintretenden Luft viel niedriger als die zur Selbstzündung erforderliche Temperatur. Obgleich die SI-Verbrennung über einen großen Bereich von Motordrehmomenten und -drehzahlen verwendet werden kann, kann sie im Vergleich zu anderen Verbrennungsarten zu erhöhten Pegeln von NOx und geringerer Kraftstoffwirtschaftlichkeit führen.
Eine andere Art von Verbrennung, die von dem Motor 10 eingesetzt werden kann, verwendet homogene Kompressionszündung (HCCI) oder gesteuerte Selbstzündung (CAI), wobei Selbstzündung der Brennkammergase zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Verdichtungshub des Verbrennungszyklus oder in der Nähe des oberen Totpunkts der Verdichtung auftritt. Wenn Kompressionszündung einer vorgemischten Luft- und Kraftstoff-Ladung verwendet wird, wird Kraftstoff in der Regel normalerweise homogen mit Luft vorgemischt, wie bei einem Fremdzündungsmotor mit Einlasskanaleinspritzung oder direkt eingespritztem Kraftstoff während eines Ansaughubs, aber mit einem hohen Anteil von Luft zu Kraftstoff. Da das Luft/Kraftstoff-Gemisch durch Luft oder Restabgase stark verdünnt ist, was zu niedrigeren Verbrennungsgasspitzentemperaturen führt, kann die Erzeugung von NOx im Vergleich zu bei SI-Verbrennung gefundenen Pegeln reduziert werden. Des Weiteren kann bei Betrieb in einem Kompressionsverbrennungsmodus die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöht werden, indem der Motorpumpverlust verringert wird, das gasspezifische Wärmeverhältnis erhöht und ein höheres Verdichtungsverhältnis verwendet wird.
Im Kompressionszündbetriebsmodus kann es wünschenswert sein, die Selbstzündungseinstellung genau zu steuern. Die Anfangseinlassladungstemperatur beeinflusst direkt die Selbstzündungseinstellung. Der Zündbeginn wird nicht direkt durch ein Ereignis, wie zum Beispiel das Einspritzen von Kraftstoff beim standardmäßigen Dieselmotor oder die Funkenbildung der Zündkerze im Motor mit Fremdzündung, gesteuert. Des Weiteren wird die Wärmeabgaberate weder durch die Rate oder Dauer des Kraftstoffeinspritzprozesses, wie beim Dieselmotor, noch durch die Zeit der turbulenten Flammenausbreitung, wie beim Motor mit Fremdzündung, gesteuert.
Es sei darauf hingewiesen, dass Selbstzündung weiterhin ein Phänomen ist, das in einem Motor mit Fremdzündung zu Klopfen führen kann. Klopfen ist in Motoren mit Fremdzündung unerwünscht, da es eine Wärmeübertragung im Zylinder verstärkt und den Kolben verbrennen oder beschädigen kann. Bei gesteuertem Kompressionszündungsbetrieb mit seinem hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verursacht Klopfen in der Regel keine Beeinträchtigung des Motors, da die verdünnte Ladung die Druckanstiegsrate niedrig und die Maximaltemperatur der verbrannten Gase relativ gering hält. Die niedrige Druckanstiegsrate lindert die schädlichen Druckschwingungseigenschaften von Fremdzündungsklopfen.
Im Vergleich zu einem Motor mit Fremdzündung kann die Temperatur der Ladung zu Beginn des Verdichtungshubs in der Regel ansteigen, um Selbstzündungsbedingungen am oder nahe dem Ende des Verdichtergehäuses zu erreichen. Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass zahlreiche andere Methoden verwendet werden können, um die Anfangsladungstemperatur zu erhöhen. Zu diesen gehören Erwärmen der Einlassluft (Wärmetauscher), Halten eines Teils der warmen Verbrennungsprodukte im Zylinder (innere AGR) durch Einstellen der Einlass- und/oder Auslassventilsteuerung, Verdichten der Einlassladung (Abgasturboaufladung und Kompressoraufladung), Ändern der Selbstzündungseigenschaften des dem Motor zugeführten Kraftstoffes und Erwärmen der Einlassluftladung (äußere AGR).
Bei HCCI-Verbrennung kann Selbstzündung des Brennkammergases so gesteuert werden, dass sie in einer gewünschten Position des Kolbens oder bei einem gewünschten Kurbelwinkel auftritt, um ein gewünschtes Motordrehmoment zu erzeugen, und somit ist es möglicherweise nicht erforderlich, einen Funken von einem Funkenbildungsmechanismus einzuleiten, um Verbrennung zu erreichen. Eine späte Einstellung der Zündkerze, nachdem eine Selbstzündungstemperatur erreicht sein sollte, kann als eine Reservezündquelle verwendet werden, falls es nicht zur Selbstzündung kommt.
Eine dritte Art der Verbrennung, die von dem Motor 10 durchgeführt werden kann, wenn zum Beispiel eine Zündvorrichtung enthalten ist, verwendet die Funkenbildungsvorrichtung, um Verbrennung einzuleiten (oder zu unterstützen), wenn sich die Temperatur des Brennkammergases einer Selbstzündungstemperatur nähert (zum Beispiel eine Höhe erreicht, die im Wesentlichen nahe Selbstzündung ist, ohne Verbrennung zu erreichen). Solch eine funkenunterstützte Verbrennung kann eine erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine verringerte NOx-Erzeugung gegenüber der SI-Verbrennung aufweisen, könnte jedoch im Vergleich zur HCCI-Verbrennung in einem höheren Drehzahlbereich arbeiten. Des Weiteren kann Funkenunterstützung ein insgesamt größeres Fenster zur Steuerung der Temperatur zu einem spezifischen Zeitpunkt im Motorzyklus bieten. Mit anderen Worten, ohne Funkenunterstützung kann eine geringe Temperaturänderung zu einer größeren Änderung des Verbrennungszeitpunkts führen, wodurch die Motorleistung beeinflusst wird. Im Funkenunterstützungsmodus ist es möglich, viele der Vorzüge der HCCI-Verbrennung zu erreichen, sich jedoch auf Zündsteuerung zu verlassen, um die Endenergie bereitzustellen, die zum Erreichen von Selbstzündung und somit genauerer Steuerung des Verbrennungszeitpunkts erforderlich ist. Somit kann bei einem Beispiel unter den gleichen Bedingungen Funkenunterstützung auch bei Übergängen zwischen SI-Verbrennung und HCCI verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform kann der Funkenunterstützungsmodus betrieben werden, wenn eine geringe Kraftstoffmenge den Gasen in der Nähe der Zündkerze zugeführt wird. Diese kleine Kraftstoffwolke kann dazu verwendet werden, eine bessere Flammausbreitung zu gestatten und einen erhöhten Druck im Zylinder zu erzeugen, um dadurch Selbstzündung des verbleibenden Luft/Kraftstoff-Gemisches einzuleiten. Somit kann eine im Verhältnis kleine Wolke von fetteren Gasen verwendet werden, die sich in der Nähe der Zündkerze befinden, die des Weiteren homogen, geschichtet oder leicht geschichtet sein können. Bei einem Lösungsansatz zur Bereitstellung solch eines Betriebs könnte eine zweite direkte Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungshubs verwendet werden.
Ein Beispiel für eine Anwendung, an der mindestens die drei oben dargestellten Verbrennungsmodi beteiligt sind, kann die Verwendung von SI zum Starten und/oder nach dem Motorstart während einer Motoraufwärmperiode umfassen. Nach solch einem Motorstart und Motoraufwärmen kann der Verbrennungsprozess über funkenunterstützte Verbrennung auf HCCI-Verbrennung für verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionen übergehen. Während Perioden hoher Motordrehmomentanforderungen kann Funkenunterstützung aktiviert werden, um eine ordnungsgemäße Verbrennungseinstellung zu gewährleisten. Wenn der Motor wieder zu einer niedrigen oder mittleren Drehmomentanforderung zurückgebracht wurde, kann die Beteiligung von Funkenunterstützung enden, um die vollen Vorzüge von HCCI zu realisieren.
Wie oben erwähnt, kann die Umgebungsfeuchtigkeit von während des Ansaughubs in den Motor angesaugter Luft die Verbrennungstemperatur über Verdünnung der Ladung mit Material, das nicht oxidiert werden kann, und weil die spezifische Wärme von Wasser größer ist als Luft, beeinflussen. Mit ansteigender Feuchtigkeit sollte somit zum Erreichen einer gewünschten Selbstzündungseinstellung die Anfangsladungstemperatur gemäß Feuchtigkeitsgraden eingestellt werden. Verwendung von Feuchtigkeitserfassung oder -schätzung kann somit zum Beispiel eine verbesserte Einstellung mehrerer Motorbetriebsparameter ermöglichen, um das Erreichen oder Aufrechterhalten von HCCI-Verbrennung zu unterstützen, selbst wenn ein Fahrzeug verschiedene Grade an Umgebungsfeuchtigkeit erfährt. Somit kann sich erhöhende Feuchtigkeit höhere Anfangstemperaturen erfordern, und geringere Feuchtigkeit kann niedrigere Anfangstemperaturen für eine gegebene Selbstzündungseinstellung bei einer gegebenen Drehzahl und einem gegeben Drehmoment erfordern.
Die Umgebungsfeuchtigkeit von während des Ansaughubs in den Motor gesaugter Luft beeinflusst auch Verbrennungsspitzentemperaturen, weil sie eine größere spezifische Wärme hat als Luft, das gebräuchlichere Verdünnungsmittel. Mit steigender Umgebungsfeuchtigkeit der während des Ansaughubs in den Motor gesaugten Luft wird die Verbrennungsspitzentemperatur über Verdünnung der Ladung mit Material, das nicht oxidiert werden kann, vermindert und erhöht anschließend die erforderliche Anfangsladungstemperatur, um eine effiziente HCCI-Verbrennung zu erreichen. Die Umgebungs- oder relative Feuchtigkeit kann unter Verwendung von Sensoren 140 und/oder 141 bestimmt oder aus anderen Daten gefolgert werden, die an die Motorsteuerung 12 gegeben werden, um die idealen Einstellungen der Motorsteuerungsparameter für einen effizienten Betrieb zu bestimmen.
Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere andere Parameter sowohl die Verbrennungsspitzentemperatur als auch die erforderliche Temperatur für eine effiziente HCCI-Verbrennung beeinflussen können. Diese und andere zutreffende Parameter können in den in der Motorsteuerung 12 eingebetteten Routinen berücksichtigt und zur Bestimmung optimaler Betriebsbedingungen verwendet werden. Mit steigender Oktanzahl des Kraftstoffs kann zum Beispiel die erforderliche Verbrennungsspitzentemperatur steigen, da der Kraftstoff eine höhere Verdichtungsspitzentemperatur erfordert, um Zündung zu erreichen. Des Weiteren kann der Grad an Ladungsverdünnung durch die verschiedensten Faktoren beeinflusst werden, darunter sowohl Feuchtigkeit als auch die in der Einlassladung vorhandene Menge an Abgasen. Auf diese Weise ist es möglich, Motorparameter einzustellen, um die Wirkung von Feuchtigkeitsschwankung bei Selbstzündung auszugleichen, das heißt die Wirkung von Wasser macht Selbstzündung weniger wahrscheinlich.
Obgleich in einigen Beispielen eine oder mehrere der obigen Verbrennungsmodi verwendet werden kann bzw. können, können noch andere Verbrennungsmodi, wie zum Beispiel geschichteter Betrieb, entweder mit oder ohne fremdgezündeter Verbrennung, verwendet werden.
Wie hier erwähnt, wird (werden) bei einem Beispiel eines kompressions- oder selbstzündungsfähigen Motors das (die) Einlassventil e) entweder durch Groß- oder Niedrughubnockenprofil in Abhängigkeit von dem gewählten Verbrennungsmodus betätigt. Das Niedrighubnockenprofil wird dazu verwendet, einen hohen Grad an Restgas (Abgas) im Zylinder zu fangen. Die gefangenen Gase fördern in einigen Beispielen Verdichtung oder Selbstzündung durch Erhöhen der Anfangsladungstemperatur. In einem Fremdzündungsmodus (entweder hohe oder niedrige Lasten) wird das Großhubnockenprofil verwendet. Solch ein schaltbares Nockenprofil kann durch verschiedene Nocken- und Stößelsysteme erreicht werden, die zum Beispiel zwischen einem inneren und einem äußeren Stößel schalten. Das Schalten kann durch hydraulische Ölstromstellglieder erreicht werden, die eine Ölpumpe für größeren Strom erfordern, wodurch potentiell das Gewicht und die Kosten erhöht und die Wirksamkeit reduziert werden (zum Beispiel kann eine Ölpumpe für größeren Strom aufgrund eines vergrößerten Ölvolumens und von mit einem Mangel an ausreichendem Strom in den Ölwegen verwandten potentiellen Problemen zu höheren parasitären Verlusten führen). Als anderes Beispiel können solche Systeme eine erhöhte Anzahl von Stößeln sowie erhöhte Bearbeitungskosten mit sich bringen.
Anstatt der Verwendung eines Zylinders mit einem einzigen Einlassventil (oder mehreren schaltbaren Einlassventilen), der zwischen verschiedenen Profilen wechselt, kann somit bei einer anderen Ausführungsform ein Zylinder mit mindestens zwei Einlassventilen verwendet werden, wobei jedes der Ventile ein anderes Hubprofil (zumindest für den Zylinder) aufweist. Während der Kompressions- oder Selbstzündung kann ein Einlassventil mit größerem und/oder längerem Hub durch die Verwendung eines zusammenschiebbaren Stößels gesperrt werden, während ein Einlassventil mit niedrigerem und/oder kürzerem Hub aktiv bleibt. Bei Fremdzündung kann das Einlassventil mit größerem/längerem Hub zur Erhöhung des Luftstroms in den Motor betätigt werden, während der niedrigere/kürzere Hub weiter betätigt wird.
Aufgrund dessen, dass in diesem Beispiel nun nur die Hälfte der Ventile geschaltet werden muss, ist das Ölstromerfordernis für die Ventilbetätigung deutlich reduziert, wodurch die Gesamtölstromerfordernisse des Motorsystems reduziert werden. Bei näherer Betrachtung des Ventils sind in diesem Beispiel nur die Hälfte der Stößel schaltbare Einheiten, und die Nockenwelle kann mit einem kostengünstigeren Herstellungsverfahren mit viel weniger maschineller Bearbeitung hergestellt werden. Des weiteren kann die Ölpumpe einen geringeren Arbeitsdurchfluss aufweisen, wodurch Kosten und parasitäre Verluste reduziert werden. Auf diese Weise können Systemkosten verringert werden, während immer noch sowohl Fremd- als auch Kompressions- oder Selbstzündung zusammen mit Übergängen dazwischen bereitgestellt werden.
Eine aktive Ventilbetätigung kann sich auf das Öffnen und Schließen der Ventile während eines Zylinderzyklus beziehen, wobei deaktivierte Ventile für einen Zyklus des Zylinders in einer geschlossenen Position (oder für den Zyklus in einer festgelegten Position) gehalten werden können.
Obgleich die obigen Beispiele die Vorteile einer bestimmten Situation darstellen, können die hier angeführten Lösungsansätze auf die verschiedensten Systeme und Konfigurationen angewendet werden, wie zum Beispiel auf Abgassysteme sowie Systeme mit mehr als zwei Einlass- oder Auslassventilen pro Zylinder.
Erneut auf ein beispielhaftes Einlassventilsystem Bezug nehmend, kann das erste Einlassventil ein niedrigeres Hubprofil aufweisen und alleine in der Lage sein, ausreichend Luft zum Betrieb des Motors in Kompressions- oder Selbstzündung zu leiten. Des Weiteren kann das erste Einlassventil eine für Kompressions- oder Selbstzündung eingestellte (feste oder verstellbare) Ventilsteuerung aufweisen. Das zweite Einlassventil kann einen Ventilhub und/oder eine Ventilsteuerung (fest oder verstellbar) aufweisen, der bzw. die das Gleichgewicht der Luft für Fremdzündung über der für Kompressions- oder Selbstzündung erforderlichen Luft bereitstellt, wie in dem Beispiel von 3 dargestellt.
Ventildeaktivierung kann über schaltbare an einem Ventil mit größerem/längerem Hub angebrachte Stößel bereitgestellt werden, wobei das Ventil in einem Beispiel nur während Selbstzündungsbetätigung aktiv ist. Bei Kompressions- oder Selbstzündung kann der Stößel deaktivieren, um das Ventil mit größerem/längerem Hub während eines Zylinderzyklus geschlossen zu halten. Das Ventil mit niedrigerem/kürzerem Hub kann dauerhaft aktiv sein, um sich während eines Zyklus zu öffnen und zu schließen, um entweder sämtliche Luft während Kompressions- oder Selbstzündung oder einen Teil der Luft für Fremdzündung bereitzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann jedoch auch ein Einlassventil mit größerem/längerem Hub unter anderen Bedingungen als Kompressions- oder Selbstzündung deaktiviert werden, wie zum Beispiel bei Fahrzeugverzögerung zur Reduzierung des Luftstroms bei Verzögerungskraftstoffabschaltung oder anderen Bedingungen. Des Weiteren sind verschiedene Ventile als einen größeren oder kürzeren Hub aufweisend bezeichnet worden, was durch einen maximalen Ventilhub oder eine durchschnittliche Ventilhubhöhe (Öffnen in den Zylinder) identifiziert werden kann. Ebenfalls können Ventile mit kürzerem oder längerem Hub zum Beispiel durch eine Kurbelwinkelöffnungsdauer identifiziert werden, obgleich sich die Ventile früher oder später während des Zylinderzyklus öffnen und/oder schließen können.
Nunmehr auf 2A Bezug nehmend, wird darin eine beispielhafte Zylinderkonfiguration gezeigt, in der zwei Einlassventile (52a und 52b) des Zylinders 30 des Motors 10 über eine gemeinsame Nockenwelle 130 betätigt werden, wobei sie jeweils ein anderes Nockenprofil 210 und 212 aufweisen, wobei Beispiele davon unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben werden. Die Figuren zeigen das Ventil 52a mit einem längeren und größeren Ventilhubprofil als 52b. In diesem Beispiel wird das Ventil 52b über einen Stößel 216 betätigt, während das Ventil 52b durch einen zusammenschiebbaren Stößel 214 betätigt wird, der über die Steuerung 12 gesteuert werden kann.
Des Weiteren zeigt 2A zwei Abgasventile 54a und 54b, die auch über Profile 220 und 222 durch Stößel 224 und 226 betätigt werden, wobei der Stößel 224 über die Steuerung 12 deaktiviert werden kann. In diesem Beispiel wird das Ventil 54a mit einem längeren und größeren Ventilhub als das Ventil 54b gezeigt.
Obgleich dieses Beispiel einen Motor mit obenliegender Nockenwelle, mit einem mit den Ventilschäften verbundenen Stößel zeigt, können auch Stößel mit einem Stößelstangenmotor verwendet werden, und ein zusammenschiebbarer Stößel kann somit mit einer Stößelstange verbunden sein.
Des Weiteren zeigt das Schema von 2A nur einen einzigen Zylinder des Motors 10, wobei es sich bei dem Motor um einen Mehrzylindermotor handeln kann, bei dem jeder Zylinder dem einen in 2A gezeigten gleich ist, ihm ähnelt oder verschieden davon ist. Obgleich das obige Ventilsystem Vorteile in einem Motor mit Kompressions- oder Selbstzündung bieten kann, kann es des Weiteren auch in anderen Motorverbrennungssystemen verwendet werden.
Nunmehr auf 2B Bezug nehmend, wird darin eine alternative Nockenwellen- und Stößelkonfiguration gezeigt. Insbesondere ist in diesem Beispiel das Hubprofil 210 in Hubprofile 210A und 210C und einen Nullhubteil 210B unterteilt. Bei aktiver Ventilbetätigung wird der Stößel 284 durch die Profile 210A und 210C als eine Einheit betätigt, und bei Deaktivierung wird ein äußerer Teil von 284 von einem inneren Teil getrennt, wie in 2C beschrieben, so dass das Ventil 52a nicht aktiviert wird. Ebenso ist der Hub 220 ähnlich unterteilt, und der Stößel 294 ähnelt dem Stößel 284. Somit wird ein alternativer Lösungsansatz zur Deaktivierung gezeigt, der zum Beispiel eine verbesserte Herstellbarkeit bereitstellen kann. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass ein einziges Profil, wie zum Beispiel bei 210A, anstatt des gezeigten Doppelprofils (210A und 210C) verwendet werden kann.
Insbesondere zeigt 2C einen alternativen deaktivierbaren Stößel, bei dem ein Verriegelungsstift 254 zur Verbindung oder Trennung des inneren Teils 252 vom äußeren Teil 250 verwendet werden kann. Wenn sich der Stift in der verriegelten Position befindet, bewirkt auf diese Weise die durch den Kontakt mit den Profilen 210A und 210C verursachte Bewegung, dass der innere Teil der Bewegung folgt, und aktiviert somit den Ventilschaft und das mit dem inneren Teil verbundene Ventil. Wenn sich der Stift in der entriegelten Position befindet, bewirkt als Alternative eine Leerhubfeder im inneren Abschnitt 256, dass sich der äußere Teil 250 getrennt vom inneren Teil 252 bewegt. Da das Profil 210B, das mit dem inneren Teil 252 in Kontakt steht, des Weiteren einen reduzierten Hub oder keinen Hub aufweist, bleibt das Ventil im Wesentlichen geschlossen, und somit kann der Zylinder deaktiviert werden. Der Stift 254 kann in einem Beispiel über Hydraulikdruck, der über ein mit der Steuerung in Verbindung stehendes Hydraulikventil gesteuert wird, betätigt werden.
Auf diese Weise kann ein einen deaktivierbaren Stößel verwendender alternativer Lösungsansatz verwendet werden, bei dem die Herstellbarkeit des Stößels erhöht sein kann, während die gewünschte Wirkung noch immer beibehalten wird.
Schließlich können, falls gewünscht, noch andere Beispiele für Ventildeaktivierung verwendet werden.
Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, wird darin bei 310 ein beispielhaftes Hubprofil für das Ventil 52b gezeigt, wobei dieses Profil zur Bereitstellung einer gewünschten frischen Luftladung und Restladung zur Verbesserung von Kompressions- oder Selbstzündung verwendet werden kann, wie zum Beispiel durch Bereitstellung einer höheren Anfangsladungstemperatur bei Verdichtungsbeginn. Wie hier erwähnt, weist das Ventil 52b in einem Beispiel keinen Deaktivierungsmechanismus auf. Des Weiteren zeigt 3 bei 312 ein beispielhaftes Hubprofil für das Ventil 52a, wobei dieses Profil zur Bereitstellung einer gewünschten Betätigung für Fremdzündungsbetrieb verwendet werden kann. In dem Beispiel von 3 weist das Profil 312 einige Hubteile auf, die höher sind als die von 310, und auch einen längeren Hub als der von 310. Wie hier erwähnt, kann das Ventil 312 bei Kompressions- oder Selbstzündungsbetrieb über einen deaktivierbaren Stößel gezielt deaktiviert werden.
Wenn beide Einlassventile aktiv sind, kann ein effektives Hubprofil, wie durch 314 dargestellt, erreicht werden, während das Profil 310 bei Kompressions- oder Selbstzündung mindestens in einem Beispiel steuert.
Die obigen beispielhaften Ausführungsformen und Alternativen können zum Übergang von einem oder mehreren Zylindern eines Motors zwischen Verbrennungsmodi verwendet werden. Um während eines Schaltens Drehmomentschwankungen, Emissionsspitzen und NHV (noise, vibration, harshness – Geräusche, Vibration, Rauheit) zu reduzieren, kann es wichtig sein, zu wissen, wann jeder Stößel geschaltet hat, so dass die ordnungsgemäße Kraftstoffmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt werden kann. Ein Lösungsansatz kann darin bestehen, Schaltungen am Stößel zu messen, wofür zusätzliche Sensoren und andere Systeme verwendet werden könnten, die die Systemkosten erhöhen können. Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, einen geschalteten Stößel aus Druckmessungen im Zylinder der einer Schaltung unmittelbar folgenden Verdichtung zu folgern.
Wie oben erwähnt, kann ein schaltbarer Stößelmechanismus verwendet werden, der einen Stift enthält, welcher in Abhängigkeit von dem auf den Stift ausgeübten Öldruck in eine verriegelte oder entriegelte Position gleitet. Die genaue Position, wann ein Stößel schaltet, kann in hohem Maße von der Dynamik des Ölkreislaufes abhängen. Wenn ein Ventil geöffnet und die Öldruckschaltschwelle erreicht ist, kann sich der Verriegelungsstift möglicherweise nicht bewegen, bis sich das Ventil vollständig geschlossen hat, und der geänderte Ventilhub tritt bis zum nächsten Ventilereignis nicht auf. Wenn der Verriegelungsstift begonnen hat, sich zu bewegen, und ein Ventilereignis auftritt, bevor der Stift voll eingerückt oder ausgerückt ist, dann kann des Weiteren der Stift beeinträchtigt werden. Diese Faktoren machen zusammen mit anderen Alterungs- und Beeinträchtigungswirkungen eine robuste Steuerung der Stößelschalteinstellung und Schaltreihenfolge zu einer wichtigen Überlegung.
Ein Lösungsansatz, der bei den folgenden Ausführungsformen auf einen Vier-Zylinder-Motor angewandt wird, verwendet eine Ölkreislaufkonfiguration, die die Komplexheit verringert, aber ein System mit ausreichender Wiederholbarkeit und Robustheit und ausreichender Variabilität zur Handhabung der verschiedensten Betriebsbedingungen bereitstellt, wobei die Zylinderschaltreihenfolge vordefiniert und robust erreicht werden kann.
Auf 4 Bezug nehmend, wird eine erste beispielhafte Konfiguration unter Verwendung eines ersten hydraulischen Stellglieds 410 und eines zweiten hydraulischen Stellglieds 412 beschrieben, die jeweils Öldrücke in Zylindern eins bis vier steuern, wie gezeigt. In diesem Beispiel ist die Motor-Zündfolge 1-3-4-2, obgleich es sich hierbei nur um ein Beispiel handelt. Weiterhin auf 4 Bezug nehmend, verwenden die beiden Stellglieder jeweils getrennte Ölkanäle für jeden der Einlassstößel und Auslassstößel. Diese Konfiguration gestattet eine unabhängige Steuerung jeder Gruppe von Einlass- und Auslassventilen und ermöglicht das Erreichen ausreichender Schaltfenster für eine vordefinierte Zylinderschaltfolge sowohl für die Einlass- als auch die Auslassventile, wie unten unter Bezugnahme auf die 6 und 7 näher beschrieben. Wie dargestellt, ist es mit solch einem System möglich, eine Zylinderschaltfolge zu erreichen, die sowohl für die Einlass- als auch für die Auslassventilstößel gleich ist. Mit anderen Worten, da die zum Erreichen sowohl eines akzeptablen als auch robusten Schaltens in einer vordefinierten Zylinderschaltfolge verwendeten Nockenereignisschaltfenster nicht für die Einlass- und Auslassseiten zusammenfallen, kann eine getrennte Steuerung für Einlass- und Auslassventile mehrerer Zylinder verwendet werden, um die gewünschte Schaltfolge zu erreichen.
Bei einer alternativen Ausführungsform können jedoch weitere Verbesserungen zur robusten Steuerung mit der Ölkreislaufkonfiguration von 5 erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform verwendet der Ölkreislauf vier Stellglieder (510, 512, 514 und 516) zur Steuerung des Öldrucks in vier getrennten Ölkanälen. Die Konfiguration von 5 verwendet wieder eine Zylinderzündfolge von 1-3-4-2.
Es sei darauf hingewiesen, dass die obigen Lösungsansätze dahingehend ausgelegt und/oder modifiziert werden können, alternativen Zündfolgen Rechnung zu tragen. Zum Beispiel können die Ölkanäle neu konfiguriert werden, um das gleiche oder ein anderes gewünschtes Ergebnis zu erzielen, wie zum Beispiel durch Verbindung irgendwelcher zwei folgender Zylinder in der Zündfolge mit dem gleichen Ölkanal. Es sei darauf hingewiesen, dass im obigen Beispiel die Figuren einen Motor mit einer einzigen Reihe von vier Zylindern zeigen. Dieser Ansatz kann jedoch beispielsweise auf einen V-8-Motor mit zwei Motorreihen, die jeweils vier Zylinder aufweisen, ausgeweitet werden. In diesem Fall kann die Zündfolge der Zylinder der bestimmten Reihe zur Konfiguration der Ölkanäle verwendet werden, obgleich die Gesamtmotorzündfolge periodisch zwischen Reihen wechseln kann. Mit anderen Worten, Zylinder 3 kann nachfolgend nach Zylinder 1 unter den gezeigten Zylindern in der bestimmten Reihe zünden, obgleich ein Zylinder in einer anderen Reihe zwischen Zylindern 1 und 3 zünden könnte.
Die obigen Konfigurationen können dazu verwendet werden, das Schaltfenster zur Betätigung des Ventilwechselmechanismus auf Werte, die in der Regel in einem Bereich von 220 bis 270 Kurbelwinkelgrad liegen, entsprechend einem vergrößerten Bereich von 6,1 bis 7,5 ms bei 6000 U/min, zu erweitern. Ein die Ausführungsform von 5 darstellendes Zeitdiagramm wird in den 8 und 9 dargestellt, die schematische Nockenereigniszeittafeln und die sicheren Schaltfenster für ein Schalten von SI auf HCCI bzw. umgekehrt zeigen.
Nunmehr insbesondere auf 6 – 7 Bezug nehmend, werden Nockenereigniszeittafeln für die Konfiguration von 4 (Vierzylindermotor mit einer Zylinderzündfolge von 1-3-4-2) für ein Schalten von einer langen Großhubdauer SI auf eine kurze Niedrighubdauer HCCI bzw. umgekehrt gezeigt. Insbesondere zeigen die Figuren die Einlass- und Auslassventilöffnungsdauern für jeden der Zylinder. Des Weiteren wird ein Nockenprofilschaltfenster (CPS – Fenster, CPS – cam profil switch) für jeden der Stellglieder 410 und 412 gezeigt.
Das CPS-Fenster zeigt den Kurbelwinkelbereich, über den ein Signal zum Stellglied gesendet werden kann, um ein Schalten der Ventilbetätigung einzuleiten. Die Anfangs- und Endbereiche der Fenster werden durch die Zündfolge, die Ventilöffnungsdauern usw. definiert. Für das beispielhafte Schalten des Modus beginnend mit Zylinder Nr. 1 wird der Anfang des Auslasssignalfensters so definiert, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Auslassventils für Zylinder 2 liegt, und das Ende liegt deshalb vor dem Auslassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 1 (durch die gestrichelte Linie am Auslassnockenöffnungsfenster von Zylinder 1 gezeigt). Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass in diesem Beispiel das Schalten so gesteuert wird, dass für das letzte Verbrennungsereignis im SI-Modus das Auslasshubprofil der HCCI-Art ist, und das erste Verbrennungsereignis im HCCI-Modus verwendet ein Einlasshubprofil der HCCI-Art.
Weiterhin auf 6 Bezug nehmend, wird für das beispielhafte Schalten des Modus beginnend mit Zylinder Nr. 1 der Anfang des Einlasssignalfensters so definiert, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Einlassventils für Zylinder 2 liegt, und das Ende liegt vor dem Einlassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 1 (durch die gestrichelte Linie am Einlassnockenöffnungsfenster von Zylinder 1 gezeigt).
Umgekehrt zeigt 7 einen Übergang von HCCI- auf SI-Betrieb und die entsprechenden Fenster für solch einen Betrieb. Es sei darauf hingewiesen, dass sich Startwinkel, Endwinkel und/oder Dauern von jenen von 6 unterscheiden können. Dies kann zum Beispiel auf verschiedene Ventilöffnungszeiten und -dauern zwischen den verschiedenen Hubprofilen zurückzuführen sein.
Wie das Beispiel von 6 sind die jeweiligen Einlass- und Auslassfenster von 7 auf die Einlass- und Auslassventilzeiten der Zylinder abgestimmt, die unmittelbar vor dem Schalten und unmittelbar nach dem Schalten in der Zündfolge der Zylinder in der besonderen Motorreihe oder -gruppe von Zylindern mit einer gemeinsamen Nockenwelle zünden. In diesem Beispiel sind jedoch keine gestrichelten Linien erforderlich, da die gezeigten Ventilöffnungen die Fenster auf gleiche Weise wie in 6 bestimmen.
In Abhängigkeit von der grundlegenden Nockenzeitsteuerung und -dauer des Motors können die Fenster in einem Bereich von 150 Kurbelwinkelgrad zum Schalten von SI auf HCCI und in der Regel in einem Bereich von 50 Kurbelwinkelgrad zum Schalten von HCCI auf SI liegen. Bei 6000 U/min entspricht dies einem Bereich von 1,4 bis 4,2 ms, was eine genaue Steuerung erfordern könnte, insbesondere bei Berücksichtigung von Alterungs- und Beeinträchtigungswirkungen des Öls und Ölsystems. Wenn das schaltende Motordrehzahlfenster jedoch auf niedrigere Drehzahlen begrenzt ist, kann eine vergrößerte Robustheit erreicht werden.
Nunmehr auf die 8–9 Bezug nehmend, werden schematische Nockenereigniszeittafeln für die Konfiguration von 5 (Vierzylindermotor mit einer Zylinderzündfolge von 1-3-4-2) für ein Schalten von langer Großhubdauer SI auf kurze Niedrighubdauer HCCI bzw. umgekehrt gezeigt. Insbesondere zeigen die Figuren die Einlass- und Auslassventilöffnungsdauern für jeden der Zylinder. Des Weiteren wird ein Nockenprofilschaltfenster (CPS-Fenster) für jeden der Stellglieder 510 bis 516 gezeigt.
Die CPS-Fenster zeigen die Kurbelwinkelbereiche, über die ein Signal zum Stellglied gesendet werden kann, um ein Schalten der Ventilbetätigung einzuleiten. Die Anfangs- und Endbereiche der Fenster werden durch die Zündfolge, die Ventilöffnungsdauern usw. definiert. Für das beispielhafte Schalten des Modus beginnend mit Zylinder Nr. 1 wird der Anfang des Auslasssignalfensters für die Zylinder 1 und 3 so definiert, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Auslassventils für Zylinder 3 liegt, und das Ende liegt vor dem Auslassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 1 (durch die gestrichelte Linie am Auslassnockenöffnungsfenster von Zylinder 1 gezeigt). Das Schalten wird wieder so gesteuert, dass für das letzte Verbrennungsereignis im SI-Modus das Auslasshubprofil der HCCI-Art ist, und das erste Verbrennungsereignis im HCCI-Modus verwendet ein Einlasshubprofil der HCCI-Art.
Weiterhin auf 8 Bezug nehmend, wird für das beispielhafte Schalten des Modus beginnend mit Zylinder Nr. 1 der Anfang des Einlasssignalfensters für die Zylinder 1 und 3 so definiert, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Einlassventils für Zylinder 3 liegt, und das Ende liegt vor dem Einlassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 1 (durch die gestrichelte Linie am Einlassnockenöffnungsfenster von Zylinder 1 gezeigt). Eine ähnliche Analyse gilt für die Fenster der Zylinder 2 und 4, außer dass der Anfang des Auslasssignalfensters für die Zylinder 2 und 4 so definiert wird, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Auslassventils für Zylinder 2 liegt, und das Ende liegt vor dem Auslassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 4 (durch die gestrichelte Linie am Auslassnockenöffnungsfenster von Zylinder 4 gezeigt). Des Weiteren wird der Beginn des Einlassignalfensters für die Zylinder 2 und 4 so definiert, dass er hinter dem Öffnungswinkel des Einlassventils für Zylinder 2 liegt, und das Ende liegt vor dem Einlassventilöffnungswinkel des Großhubnockens für Zylinder 4 (durch die gestrichelte Linie am Einlassnockenöffnungsfenster von Zylinder 4 gezeigt).
Umgekehrt zeigt 9 einen Übergang von HCCI- auf SI-Betrieb und die entsprechenden Fenster für solch einen Betrieb. Es sei darauf hingewiesen, dass sich Startwinkel, Endwinkel und/oder Dauern von jenen von 8 unterscheiden können. Dies kann zum Beispiel auf verschiedene Ventilöffnungszeiten und -dauern zwischen den verschiedenen Hubprofilen zurückzuführen sein.
Es versteht sich, dass die Konfigurationen und Routinen, die hier offenbart werden, rein beispielhaft sind und dass diese besonderen Ausführungsformen nicht als einschränkend betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, Vierzylinder-Boxermotor und andere Motorarten angewendet werden. Als weiteres Beispiel können verschiedene andere Mechanismen in einem System verwendet werden, das zwei verschiedene Ventilprofile für jedes der Ventile in einem Zylinder und die gezielte Deaktivierung eines oder mehrerer Ventile zur Bereitstellung der ordnungsgemäßen Strömungsverbindungen für Kompressions- und Selbstzündungsverbrennung verwendet. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche unterstreichen insbesondere gewissen Kombinationen und Unterkombinationen, die als neu und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein" Element oder „ein erstes" Element der dessen Äquivalent beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie eins oder mehrere solcher Elemente enthalten, wobei zwei oder mehrere solcher Elemente weder erforderlich sind noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Präsentation neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, seien sie weiter, enger, gleich oder unterschiedlich hinsichtlich des Schutzbereichs der Originalansprüche, werden auch als vom Gegenstand der vorliegenden Offenbarung mit umfasst betrachtet.

Claims

Verfahren zur Steuerung von Verbrennungsmodi eines Motors mit mindestens einem ersten und einem zweiten Zylinder, wobei der Motor ein zur Steuerung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes erstes Stellglied und ein zur Steuerung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes zweites Stellglied aufweist; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Senden eines ersten Signals zum ersten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, und eines zweiten Signals zum zweiten Stellglied, das die Betätigung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders einstellt, wobei das erste und das zweite Signal bei verschiedenen Kurbelwinkeln gesendet werden; und Übergang von Verbrennungsmodi des ersten und des zweiten Zylinders, wobei die Verbrennungsmodi Fremdzündung und homogene Kompressionszündung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Signal vor dem ersten Signal gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das erste Signal effektiven Einlassventilhub und effektive Einlassventilsteuerung ändert und das zweite Signal effektiven Auslassventilhub und effektive Auslassventilsteuerung ändert.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das zweite Signal vor einem Auslassventilöffnen des ersten Zylinders und während eines Auslassventilöffnens des zweiten Zylinders gesendet wird, und bei dem ersten Zylinders und während eines Einlassventilöffnens des zweiten Zylinders gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste Stellglied ein Einlassventil aktiviert und deaktiviert und das zweite Stellglied ein Auslassventil aktiviert und deaktiviert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Kurbelwinkelbereich, in dem das erste Signal gesendet wird, in Abhängigkeit davon, ob der erste und zweite Zylinder von der homogenen Kompressionszündung in die Fremdzündung oder von der Fremdzündung in die homogene Kompressionszündung übergehen, variiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich der erste und der zweite Zylinder in einer gemeinsamen Reihe befinden und der zweite Zylinder nach dem ersten Zylinder in einer Zündfolge von Zylindern in der gemeinsamen Reihe nachfolgend zündet.
verfahren zur Steuerung von Verbrennungsmodi eines Motors mit mindestens vier Zylindern in einer Reihe, wobei der Motor ein zur Steuerung von mindestens Einlassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes erstes Stellglied, ein zur Steuerung von mindestens Auslassventilen des ersten und des zweiten Zylinders konfiguriertes zweites Stellglied, ein zur Steuerung von mindestens Einlassventilen des dritten und des vierten Zylinders konfiguriertes drittes Stellglied, ein zur Steuerung von mindestens Auslassventilen des dritten und des vierten Zylinders konfiguriertes viertes Stellglied aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Senden eines ersten Signals zum ersten Stellglied; Senden eines zweiten Signals zum zweiten Stellglied; Senden eines dritten Signals zum dritten Stellglied; Senden eines vierten Signals zum vierten Stellglied; wobei mindestens das zweite Signal und das dritte Signal bei verschiedenen Kurbelwinkeln gesendet werden; und Übergang der Verbrennungsmodi der vier Zylinder, wobei die Verbrennungsmodi Fremdzündung und homogene Kompressionszündung umfassen, wobei in einer Zündfolge der Zylinder in der Reihe der zweite Zylinder nach dem ersten Zylinder nachfolgend zündet und der vierte Zylinder nach dem dritten Zylinder nachfolgend zündet.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das erste Signal effektiven Einlassventilhub und effektive Einlassventilsteuerung ändert und das zweite Signal effektiven Auslassventilhub und effektive Auslassventilsteuerung ändert.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das erste Signal nach anfänglichem Öffnen eines Einlassventils im ersten Zylinder, aber vor anfänglichem Öffnen eines Einlassventils im zweiten Zylinder gesendet wird, das zweite Signal nach anfänglichem Öffnen eines Auslassventils im ersten Zylinder, aber vor anfänglichem Öffnen eines Auslassventils im zweiten Zylinder gesendet wird, das dritte Signal nach anfänglichem Öffnen eines Einlassventils im dritten Zylinder, aber vor anfänglichem Öffnen eines Einlassventils im vierten Zylinder gesendet wird, das zweite Signal nach anfänglichem Öffnen eines Auslassventils im dritten Zylinder, aber vor anfänglichem Öffnen eines Auslassventils im vierten Zylinder gesendet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Motors eines Fahrzeugs, wobei der Motor mindestens einen ersten und einen zweiten Zylinder aufweist, die jeweils ein erstes und ein zweites Ventil aufweisen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: während eines ersten Modus Betätigen des ersten und des zweiten Zylinders mit dem ersten Ventil aktiv und dem zweiten Ventil deaktiviert während eines Zyklus des Zylinders, wobei während des ersten Modus der Zylinder dahingehend wirkt, während eines Ansaughubs zumindest einen Lufteintritt in den Zylinder zu gestatten, wobei die Luft mit Kraftstoff vermischt und zum Erreichen von Selbstzündung verdichtet wird; während eines zweiten Modus Betätigen des ersten und des zweiten Zylinders mit dem ersten und dem zweiten Ventil aktiv während eines Zylinderzyklus, wobei während des zweiten Modus der Zylinder dahingehend wirkt, zumindest einen Lufteintritt in den Zylinder zu gestatten, wobei die Luft mit Kraftstoff vermischt und über einen Funken von einer Zündkerze gezündet wird; und während eines Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Modus Senden eines ersten Signals zu einem ersten Stellglied zur Einstellung von Aktivierung oder Deaktivierung des zweiten Ventils sowohl im ersten als auch im zweiten Zylinder.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die ersten und zweiten Ventile Einlassventile sind und bei dem während eines Übergangs von dem ersten Modus in den zweiten Modus das zweite Einlassventil aktiviert wird und das erste Einlassventil aktiv gehalten wird und bei dem die Zylinder weiterhin ein erstes und ein zweites Auslassventil aufweisen, wobei während des ersten Modus das erste Auslassventil aktiv ist und das zweite Auslassventil deaktiviert wird und während des zweiten Modus sowohl das erste als auch das zweite Auslassventil während eines Zyklus des Zylinders aktiv sind.
Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin während eines Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Modus Senden eines zweiten Signals zu einem zweiten Stellglied zur Einstellung der Aktivierung oder Deaktivierung des zweiten Auslassventils in dem ersten sowie dem zweiten Zylinder umfasst, wobei das zweite Signal bei einem anderen Kurbelwinkel als das erste Signal gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Hubprofil des zweiten Einlassventils länger ist als ein Hubprofil des ersten Einlassventils und wobei ein einziger Nocken sowohl die ersten als auch die zweiten Einlassventile betätigt.