-
TECHNISCHES GEBIET
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf den Betrieb und die Steuerung von Kompressionszündungsmotoren, die
in einer Selbstzündungsbetriebsart
betrieben werden können.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen
bezüglich
der vorliegenden Offenbarung und stellen nicht unbedingt den Stand
der Technik dar.
-
Motoren
mit Kompressionszündung,
z. B. Dieselmotoren, bieten Vorteile einschließlich eines verbesserten Kraftstoffverbrauchs.
Hersteller von Fahrzeugen einschließlich Personenwagen, Lastkraftwagen
sowie baugewerblichen und landwirtschaftlichen Zugmaschinen müssen strenge
Emissionsanforderungen erfüllen, um
ihre Produkte vermarkten zu können.
-
Das
Steuern des Zündzeitpunkts,
d. h. das Verzögern
oder Vorverlegen des Zeitpunkts, bei einem Dieselmotor ist eine
wertvolle Steueroption zum Erreichen raucharmer Emissionen. Es ist
beispielsweise aufgezeigt worden, dass es bei einem System, das
in einer Kompressionszündungsbetriebsart
mit magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
mit einer vorgemischten Zylinderladung (d. h. in einer Betriebsart
der gesteuerten Selbstzündung
oder der Kompressionszündung
mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI))
arbeitet, erforderlich ist, die Einspritzung des gesamten Kraftstoffs
abzuschließen,
bevor die Zündung
eintritt, um Vorteile bezüglich
gesenkter Fest- bzw. Schwebstoffemissionen (particulate matter (PM) emissions)
zu erzielen.
-
Bei
einem Motor, der in einer Selbstzündungsbetriebsart arbeitet,
ist die Verbrennung flammenlos und tritt in dem gesamten Verbrennungskammervolumen
spontan ein. Die homogen gemischte Zylinderladung entzündet sich
selbst, wenn die Zylinderladung komprimiert wird und ihre Temperatur
zunimmt. Der Zündzeitpunkt der
selbstgezündeten
Verbrennung hängt
von den anfänglichen
Zylinderladungsbedingungen ab, die in erster Linie die Temperatur,
den Druck und die Zusammensetzung der Zylinderladung umfassen. Somit
ist es wichtig, die Motorsteuereingaben wie etwa die Kraftstoffmasse,
den Einspritzzeitpunkt und die Einlass- und Auslassventilbewegung
zu koordinieren, um eine robuste Selbstzündungsverbrennung zu gewährleisten.
-
Die
zeitliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzung wird gegenwärtig bei
Dieselmotoren angewandt, um den Zünd- und Verbrennungszeitpunkt
zu steuern. Der Einspritzzeitpunkt während des Hauptkompressionstakts
ist die hauptsächliche
alternative Steueroption zum Steuern des Zündzeitpunkts bei Dieselmotoren. Durch
Verzögern
des Einspritzzeitpunkts wird die Zündung der Zylinderladung verzögert. Jedoch
ist es erforderlich, die Einspritzung des gesamten Kraftstoffs abzuschließen, bevor
die Zündung
eintritt.
-
Es
ist wohlbekannt, dass Techniken zum Erzielen niedriger NOx-Emissionen
und weniger Fest- bzw. Schwebstoffe, die mit der Diesel-Selbstzün dungsverbrennung
zusammenhängen,
auf mäßige Lasten
beschränkt
sind, da die Zündung
der Zylinderladung bei hohen Lasten zu schnell ist. Es wäre sinnvoll,
ein Verfahren zum Verzögern
des Zündzeitpunkts
zu haben, das nicht auf den Einspritzzeitpunkt bezogen ist. Es wäre sinnvoll,
den Betriebsbereich eines Kompressionszündungsmotors in der Selbstzündungsbetriebsart
zu erweitern, um die Emissionsleistung und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
zu verbessern.
-
Aus
Untersuchungen von Benzin-HCCI-Motoren mit negativer Ventilüberlappung
(negative valve overlap, NVO) ist bekannt, dass Kraftstoff, der
während
der negativen Ventilüberlappung
eingespritzt wird, den Verbrennungszeitpunkt vorverlegt. Der dafür angegebene
Grund ist, dass der während
der negativen Ventilüberlappung
(Rekompression) eingespritzte Kraftstoff teilweise oxidiert oder
sich reformiert, womit eine gewisse Menge an Wärme freigesetzt wird, so dass
sich die Temperatur des eingeschlossenen Rückstands erhöht. Das Vorhandensein
höherer
eingeschlossener Rückstände ergibt
eine höhere
Temperatur beim Einlassventilschließen, was zu einer früheren Zündung bei
einem in der HCCI-Betriebsart arbeitenden Benzinmotor führt.
-
Bei
mittleren und hohen Lasten nimmt bei einem vorgemischten Dieselmotor
die Zündverzögerung infolge
der Temperatur im Zylinder ab. Als Folge wird der Verbrennungszeitpunkt übermäßig vorverlegt,
was zu einem unangemessen starken Motorgeräusch und möglicherweise zu höheren Rußemissionen
führt.
Die vorgemischte Dieselverbrennung stützt sich beim Verzögern der
Verbrennung stark auf die Abgasrückführung (AGR).
Während
des Übergangsbetriebs
der vorgemischten Dieselverbrennung kann eine Verzögerung des den
Zylinder erreichenden zurückgeführten Abgases
zu einem instabilen Zündzeitpunkt
führen.
Bei hoher Last wird auf Grund dessen, dass nicht genügend zurückgeführtes Abgas
in die Ver brennungskammer eingeleitet werden kann, das Motorgeräusch zu
einem Problem.
-
Es
besteht ein Bedarf, bei einem in einer Selbstzündungsbetriebsart arbeitenden
Kompressionszündungsmotor
den Zündzeitpunkt
unabhängig
von dem Einspritzzeitpunkt zu steuern. Die Vorteile eines solchen Vorgehens
umfassen das Erweitern des dynamischen Betriebsbereichs des Motors
in der Selbstzündungsbetriebsart,
das Verbessern der Emissionsleistung und der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
sowie das Minimieren des Motorgeräuschs.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung werden ein Verfahren und ein System zum Steuern des Zündzeitpunkts
einer Zylinderladung in einem Kompressionszündungsmotor mit steuerbaren
Einlass- und Auslassventilbetätigungssystemen,
der in einer gesteuerten Selbstzündungsbetriebsart
arbeitet, geschaffen. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines
bevorzugten Zündzeitpunkts
für die
Zylinderladung und einer Kraftstoffladungsmasse zur Direkteinspritzung
in den Zylinder auf der Grundlage einer Bediener-Drehmomentanforderung.
Ein Anteil der Kraftstoffladung oxidiert teilweise durch Einspritzung
in den Zylinder während
einer negativen Ventilüberlappungsperiode
unmittelbar vor einem Kompressionstakt. Die Größe des Anteils der Kraftstoffladung
basiert auf dem bevorzugten Zündzeitpunkt
der Zylinderladung. Eine restliche Kraftstoffladung wird während des
Kompressionstakts in den Zylinder eingespritzt. Diese und weitere
Aspekte der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen und die Beschreibung der Ausführungsformen beschrieben.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung kann Gestalt annehmen in bestimmten Teilen und einer bestimmten
Anordnung von Teilen, wobei ihre bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben
wird und in den begleitenden Zeichnungen, die Teil hiervon sind,
gezeigt ist; in den Zeichnungen sind:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein
Datengraph gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
3A und 3B Datengraphen
gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Unter
den Zeichnungen, deren Schilderungen ausschließlich zur Veranschaulichung
der Erfindung dienen und nicht bezwecken, dieselbe zu beschränken, beinhaltet 1 eine
schematische Darstellung, die eine Brennkraftmaschine 10,
ein Abgasnachbehandlungssystem 15 und ein Steuermodul 5,
konstruiert gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, zeigt.
-
Der
beispielhafte Motor 10 umfasst eine Brennkraftmaschine
mit mehreren Zylindern, Direkteinspritzung und Kompressionszündung, die
Hubkolben 22 besitzt, die an einer Kurbelwelle 24 befestigt
und in Zylindern 20 beweglich sind, die Verbrennungskammern 34 mit
veränderlichem
Volumen definieren. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Getriebe
und einem Endantrieb des Fahrzeugs wirksam angefügt, um an diese in Ansprechen
auf eine Bediener-Drehmomentanforderung (TO_REQ)
ein Durchzugsmo ment abzugeben. Der Motor gebraucht einen Viertaktbetrieb,
bei dem jeder Motorverbrennungszyklus einen Drehwinkel der Kurbelwelle 24 von
720 Grad umfasst, der in vier 180-Grad-Stufen für Einlass, Kompression, Expansion,
Auslass unterteilt ist, die die Hin- und Herbewegung des Kolbens 22 in
dem Motorzylinder 20 beschreiben.
-
Der
Motor besitzt vorzugsweise einen Luft/Kraftstoff-Betriebszustand,
der in erster Linie überstöchiometrisch
ist. Der erfahrene Praktiker wird erkennen, dass Aspekte der Erfindung
auf andere Motorkonfigurationen, die in erster Linie überstöchiometrisch
arbeiten, z. B. Magermotoren mit Funkenzündung, anwendbar sind. Während des
normalen Kompressionszündungsbetriebs
des Kompressionszündungsmotors
tritt während
jedes Motorzyklus ein Verbrennungsereignis ein, wenn eine Kraftstoffladung
in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, um zusammen mit der
Einlassluft die Zylinderladung zu bilden. Die Zylinderladung wird
anschließend
durch die Wirkung ihrer Kompression während des Kompressionstakts
verbrannt. Während
des normalen Kompressionszündungsbetriebs
wird die Kraftstoffladung während
des Kompressionstakts eingespritzt. Infolge einer unvollständigen Verbrennung
des Kraftstoff- und Luftgemischs werden im Zylinder verbrannte Gase
erzeugt, die zu Abgasen werden, wenn sie mit dem Öffnen der
Motorauslassventile während
des Auslasstaktes, was nach dem Expansionstakt erfolgt, aus der
Verbrennungskammer heraus gelassen werden. Das Abgas ist aus regulierten
Bestandelementen gebildet, die vorzugsweise durch das Nachbehandlungssystem
zu Inertgasen umgewandelt werden und typischerweise unter anderem
Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und
Fest- bzw. Schwebstoffe (PM) umfassen. Der Motor umfasst Messvorrichtungen
zum Überwachen
des Motorbetriebs und der Aktoren, die den Motorbetrieb steuern.
Die Messvorrichtungen und die Aktoren stehen mit dem Steuermodul 5 in
Signal- oder in Wirkverbindung.
-
Messvorrichtungen
sind an dem Motor 10 oder in der Nähe von diesem installiert,
um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen,
die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Messvorrichtungen
umfassen vorzugsweise einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen
der Kurbelwellendrehzahl (RPM), einen Ladedrucksensor zum Überwachen
des Ladedrucks (MAP) und des barometrischen Drucks der Umgebung
(BARG), einen Massenluftdurchflusssensor zum Überwachen des Einlass-Massenluftdurchflusses
MAF) und der Einlasslufttemperatur (TIN)
und einen Abgassensor 16 zum Überwachen von Zuständen eines
oder mehrere Abgasparameter, z. B. der Temperatur, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
und der Bestandteile (EXH). Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen,
dass zu Steuerungs- und Diagnosezwecken eine oder mehrere Messvorrichtungen
und Messverfahren zum Überwachen
von Abgas vor und nach dem Abgasnachbehandlungssystem sowie in dessen
Mitte vorhanden sein können.
Die Bedienereingabe in Form der Bediener-Drehmomentanforderung (TO_REQ) wird typischerweise über ein
Fahrpedal und ein Bremspedal oder auch andere Vorrichtungen erhalten.
Der Motor ist vorzugsweise mit weiteren Sensoren (nicht gezeigt)
zum Überwachen
des Betriebs und zu Zwecken der Systemsteuerung ausgestattet. Jede
der Messvorrichtungen steht mit dem Steuermodul 5 in Signalverbindung,
um Signalinformationen bereitzustellen, die durch das Steuermodul
in Informationen umgewandelt werden, die für den jeweiligen Parameter
repräsentativ sind.
Selbstverständlich
ist diese Konfiguration veranschaulichend und nicht einschränkend einschließlich der verschiedenen
Messvorrichtungen, die durch funktional äquivalente Vorrichtungen und
Algorithmen ersetzbar sind und dennoch in den Umfang der Erfindung
fallen.
-
Die
Aktoren sind an dem Motor installiert und werden durch das Steuermodul 5 in
Ansprechen auf Bedienereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele
zu erreichen. Die Aktoren umfassen eine elektronisch gesteuerte
Drosselvorrichtung, die die Drosselöffnung auf eine befohlene Eingabe
(ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 zum
direkten Einspritzen von Kraftstoff in jede der Verbrennungskammern
in Ansprechen auf eine befohlene Eingabe (INJ_PW), die alle in Ansprechen
auf die Bediener-Drehmomentanforderung (TO_REQ)
gesteuert werden. Es sind ein Abgasrückführungsventil 26 und
ein Kühlgefäß (nicht
gezeigt) vorhanden, die den Durchfluss von Abgas, das extern zu
dem Motoreinlass zurückführt wird,
in Ansprechen auf ein Steuersignal (EGR) von dem Steuermodul steuern.
-
Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 12 ist ein Element eines
Kraftstoffeinspritzsystems, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
umfasst, wovon jede dazu ausgelegt ist, in Ansprechen auf das Steuersignal
INJ_PW von dem Steuermodul eine Kraftstoffladung, die eine Kraftstoffmasse
umfasst, direkt in die Verbrennungskammern einzuspritzen. Jede der
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 12 wird von einem Kraftstoffverteilungssystem
(nicht gezeigt) mit mit Druck beaufschlagtem Kraftstoff versorgt
und besitzt Betriebseigenschaften, die eine minimale Impulsweite
und einen zugeordneten minimalen steuerbaren Kraftstoffdurchfluss
sowie einen maximalen Kraftstoffdurchfluss umfassen. Der minimale
steuerbare Kraftstoffdurchfluss bestimmt einen unteren Grenzwert
für die
steuerbare Kraftstoffeinspritzung einschließlich während einer Kraftstoffreformierungsperiode,
die während
einer negativen Ventilüberlappungsperiode
und während
eines Haupteinspritzereignisses eintritt.
-
Der
Motor 10 ist mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet,
der dazu dient, das Öffnen
und Schließen
von Einlass- und Auslassventilen aller Zylinder einzustellen, was
den Ventilsteuerzeitpunkt und/oder die Phasenlage (d. h. den Zeitpunkt
bezüglich
des Kurbelwinkels und der Kolbenstellung) und/oder die Größe des Hubs
der Ventilöffnung
umfasst. Wie in 1 gezeigt ist, weist jeder Zylinder
ein Einlassventil und ein Auslassventil auf, deren Öffnen und
Schließen
durch Nockenwellen gesteuert wird, die mit der Kurbelwelle drehbar verbunden
sind. Es ist eine Einlassluftsteuervorrichtung 38 vorhanden,
die einen variable Nockenwellensteller (variable cam phaser, VCP)
umfasst, der die Phasenlage und das Öffnen und Schließen des
Einlassventils bezüglich
der Kurbelwellendrehung einstellt. Die Einlassluftsteuervorrichtung 38 ist
vorzugsweise weiter mechanisiert, um den Ventilhub jedes Einlassventils
zu steuern, was als variable Hubsteuerung (variable lift control, VLC)
bezeichnet wird. Das variable Hubsystem dient dazu, den Hub des
Einlassventils auf eine oder zwei oder mehr unterschiedliche Stufen
zu steuern. Das Einlass-VCP/VLC-System 38 steuert die Phasenlage,
die Öffnungs-
und Schließzeiten
und den Ventilhub des Einlassventils in Ansprechen auf ein Steuersignal
(VCP-INT) von dem Steuermodul. Es ist eine Auslassluftsteuervorrichtung 36 vorhanden,
die einen variablen Nockenwellensteller (VCP) umfasst, der die Phasenlage
des Öffnens
und Schließens
des Auslassventils bezüglich
der Kurbelwellendrehung einstellt. Die Auslassluftsteuervorrichtung 36 ist
vorzugsweise weiter mechanisiert, um den Ventilhub jedes Auslassventils
zu steuern, was wieder als variable Hubsteuerung (VLC) bezeichnet
wird. Das variable Hubsystem dient dazu, den Hub des Einlassventils
auf eine oder zwei oder mehr unterschiedliche Stufen zu steuern.
Das Auslass-VCP/VLC-System 36 steuert
die Phasenlage, die Öffnungs-
und Schließzeiten und
den Ventilhub des Auslassventils in Ansprechen auf ein Steuersignal
(VCP-EXH) von dem Steuermodul. Das Steuermodul dient dazu, die Phasenlage
des Öffnens
und Schließens
der Einlass- und Auslassventile zu steuern, um die NVO-Periode zu
schaffen. Dies umfasst vorzugsweise das Ausführen der Steuerung, um gleichzeitig
das Schließen
der Aus lassventile vorzuverlegen und das Öffnen des Einlassventils zu
verzögern, und
zwar um im Wesentlichen gleiche Grad Drehung, d. h. so, dass die
Phasenlagen der Einlass- und Auslassventile ausgeglichen sind. In Ähnlich kann
in einer ausgeglichenen Weise das Schließen der Einlassventile vorverlegt
und das Öffnen
der Einlassventil verzögert
werden.
-
Die
Einlass- und Auslassluftsteuervorrichtungen können durch elektrohydraulische,
hydraulische oder elektrische Steuerkraft betätig werden. Weitere Motorsystemkomponenten
(nicht gezeigt) können
eine Einlassluftverdichtungsvorrichtung, z. B. eine Turbinenvorrichtung
variabler Geometrie mit Luftkompressor, einen Ladeluftkühler und
dergleichen umfassen.
-
Der
Motor arbeitet in der Selbstzündungsverbrennungsbetriebsart
ungedrosselt unter Verwendung von Dieselkraftstoff oder ähnlichen
Kraftstoffgemischen über
einen Bereich von Motordrehzahlen und Lasten, die im Allgemeinen
während
der Motorentwicklung bestimmt und im Voraus in das Steuermodul kalibriert
werden. Die herkömmliche
Kompressionszündungsverbrennung
wird bei Betriebsdrehzahl-/Lastbedingungen, die nicht zu einem Betrieb
in der Selbstzündungsverbrennungsbetriebsart
führen,
und aus dem Grund, zur Erfüllung
der Bediener-Drehmomentanforderung die maximale Motorleistung zu
erzielen, angewandt.
-
Das
Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Universalrechner,
der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit,
Speichermedien, die einen nicht flüchtigen Speicher inbegriffen
eines Nur-Lese-Speichers (ROM) und eines elektrisch programmierbaren
Nur-Lese-Speichers (EPROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff
(RAM) umfassen, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen
für Analog-Digital-(A/D)- und Digital-Analog-(D/A)-Umsetzung
und Schaltungen und Vorrichtungen für Eingabe/Ausgabe (E/A) sowie
geeignete Schaltungen für
Signalaufbereitung und Signalpufferung umfasst. Das Steuermodul
besitzt einen Satz von Steueralgorithmen, der residente Programmanweisungen
und Kalibrierungen umfasst, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert
sind und ausgeführt
werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Rechners zu erfüllen. Die
Algorithmen werden im Allgemeinen während voreingestellter Schleifenzyklen
ausgeführt,
derart, dass jeder Algorithmus wenigstens einmal pro Schleifenzyklus
ausgeführt
wird. Von der Zentraleinheit werden Algorithmen ausgeführt, die
dazu benutzt werden können,
Eingaben von den oben erwähnten
Messvorrichtungen zu überwachen
und Steuer- und
Diagnoseroutinen auszuführen,
um die Betätigung
der Aktoren unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu
steuern. Schleifenzyklen werden im Allgemeinen in regelmäßigen Intervallen,
beispielsweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden,
während
des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt. Alternativ können Algorithmen
in Ansprechen auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
-
Das
Steuermodul 5 führt
darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die oben erwähnten Aktoren
zum Steuern des Motorbetriebs zu steuern, was die Drosselstellung,
die Kraftstoffeinspritzmasse und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt,
den Einlassventil- und/oder den Auslassventilsteuerzeitpunkt, die
Phasenlage und den Hub sowie die AGR-Ventilstellung zum Steuern
des Durchflusses von zurückgeführten Abgasen
umfasst. Das Steuermodul ist dazu ausgelegt, Eingangssignale von
der Bedienungsperson (z. B. eine Fahrpedalstellung und eine Bremspedalstellung)
zu empfangen, um die Bediener-Drehmomentanforderung (TO_REQ)
zu bestimmen, und von Sensoren zu empfangen, die die Motordrehzahl
(RPM) und die Einlasslufttemperatur (TIN) sowie
die Kühlmitteltemperatur
und andere Umgebungsbedingungen angeben, zu empfangen. Das Steuermodul 5 bestimmt
aus Verweistabellen im Speicher momentane Steuerein stellungen für die AGR-Ventilstellung, die
Einlassventil- und Auslassventilsteuerzeiten und/oder Hubeinstellpunkte
sowie die Kraftstoffeinspritzmasse und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt.
-
Die
Erfindung umfasst ein Verfahrens- und Steuerschema zum Steuern des
Zündzeitpunkts
der Zylinderladung in dem oben beschriebenen beispielhaften Kompressionszündungsmotor,
der in einer Selbstzündungsbetriebsart
arbeitet, in der Weise, dass der dynamische Drehzahl-/Lastbetriebsbereich
des Motors in der Selbstzündungsbetriebsart
vergrößert wird,
woraus damit verbundene Vorteile entstehen.
-
Das
Verfahren umfasst das Steuern des Zündzeitpunkts der Zylinderladung,
während
der Motor in der gesteuerten Selbstzündungsbetriebsart arbeitet,
was das Aufteilen der Einspritzung der Kraftstoffladung auf zwei
oder mehr Einspritzereignisse während
eines Motorzyklus umfasst. Die Motorsteuerung umfasst die Abgasrekompression,
wobei der Steuerzeitpunkt und die Phasenlage der Einlass- und Auslassventile
gesteuert werden, um die negative Ventilüberlappungsperiode (NVO-Periode)
zu erhalten, während
der eine teilweise Oxidation von während dieser NVO-Periode eingespritztem
Kraftstoff stattfinden kann. Diese teilweise Oxidation wird gelegentlich
als Kraftstoffreformierung bezeichnet. Von dem Steuermodul werden
anhand von bekannten Kalibrierungen und Motorbetriebskennlinien
ein bevorzugter Zündzeitpunkt
für die
Zylinderladung und eine Gesamtmasse der Kraftstoffladung zur Direkteinspritzung
in den Zylinder, die die Bediener-Drehmomentanforderung erfüllen, bestimmt.
Während
des laufenden Motorbetriebs wird ein erster Anteil der Kraftstoffladung
während
der NVO-Periode unmittelbar vor dem Kompressionstakt eingespritzt.
Die Masse des ersten Anteils der Kraftstoffladung basiert auf dem
bevorzugten Zündzeitpunkt
der Zylinderladung. Ein restlicher Anteil der Kraftstoffladung wird
während
des nachfolgenden Kompressionstakts ein gespritzt. Die Masse des
ersten Anteils der eingespritzten Kraftstoffladung wird anhand des
minimalen steuerbaren Kraftstoffdurchflusses der Einspritzvorrichtung
bestimmt. Diese Masse ist entweder null Prozent der Kraftstoffladung
oder kann im Bereich zwischen dem minimalen steuerbaren Kraftstoffdurchfluss
und etwa fünfzig
Prozent der Kraftstoffladung liegen. In Übereinstimmung mit dem Selbstzündungsverbrennungsprozess
wird der Rest der Kraftstoffgesamtmasse während des nachfolgenden Kompressionstakts
eingespritzt.
-
Unter
Bezugnahme auf
2 und die Tabelle 1 unten werden
nun Ergebnisse eines simulierten Motorbetriebs für den Motor, der wie beschriebenen
betrieben wird, um den Zündzeitpunkt
durch Reformieren von Kraftstoff während der NVO-Periode zu steuern,
beschrieben. Das Konzept des Verfahrens basiert auf einer Veränderung
der Zusammensetzung von eingeschlossenem Restgas in der Verbrennungskammer,
wenn der Kraftstoff während
der NVO-Periode eingespritzt wird, infolge der teilweisen Oxidation
des Kraftstoffs. Mit Dieselkraftstoff erzeugt der sich reformierende
Kraftstoff eine Zusammensetzung, die schwerer zu zünden ist
als der Dieselkraftstoff selbst. Der simulierte Motorbetrieb umfasste
Vollzyklus-Motormodellierungsberechnungen, die mit n-Heptan, einem
Dieselkraftstoffsurrogat, ausgeführt
wurden, wobei 1,05 Milligramm (mg) Kraftstoff vor dem oberen Totpunkt
(OT) der NVO-Periode eingespritzt wurden und 13,95 mg Kraftstoff
während
des Kompressionstakts kurz vor OT des Hauptverbrennungstakts eingespritzt
wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Teil des vor OT während der
NVO-Periode eingespritzten Kraftstoffs teilweise oxidierte oder
sich reformierte, um Moleküle
wie etwa Methan, Ethen, Ethan, Propen, 1-Penten, Kohlenmonoxid und
Hegten zu bilden. Die Moleküle
wurden in der Verbrennungskammer eingeschlossen und während des
nachfolgenden Einlasstakts mit Einlassluft vermischt, um beim Einlassventilschließen ein
Gemisch aus diesen Molekülen
mit n-Heptan und Luft zu erzeugen. Die Moleküle sind sowohl gesondert als
auch miteinander kombiniert schwerer zu zünden als n-Heptan selbst. Das
Gemisch aus n-Heptan und den Molekülen führte zu einem verzögerten Zündzeitpunkt
im Vergleich zu dem Fall, wo 1,05 mg n-Heptan nach OT der NVO-Periode
und 13,95 mg Kraftstoff mit demselben verzögerten Einspritzzeitpunkt kurz
von OT des Hauptverbrennungstakts eingespritzt wurden. Im letzten
Fall trat eine geringe oder keine teilweise Oxidation des eingespritzten
n-Heptans ein. Dieselkraftstoff verhält sich im Allgemeinen ähnlich wie
n-Heptan, weil Dieselkraftstoff Kohlenwasserstoffe mit vielen langen geraden
Ketten enthält,
die Verbrennungseigenschaften besitzen, die n-Heptan stark gleichen.
Als Folge dieser zu vielen Komponenten von Dieselkraftstoff ähnlichen
Struktur besitzt n-Heptan ähnlich
wie gewöhnlich verwendete
Dieselkraftstoffe eine hohe Cetanzahl. Die Simulationsergebnisse
sind in
2 gezeigt und in Tabelle 1 näher geschildert.
Das Einzeleinspritzungsereignis besaß ein Ende der Kraftstoffeinspritzung
(EOI2), das bei
20 Kurbelwinkelgrad vor OT eintrat; das
Doppeleinspritzungsereignis ohne Kraftstoffreformierung besaß ein erstes
Einspritzereignis von 1,05 mg Kraftstoff und ein Ende der ersten
Kraftstoffeinspritzung (EOI1), das bei 405,7 Kurbelwinkelgrad nach
der vorausgehenden OT-Kompression, d. h. nach OT-Einlass, eintrat, und
ein Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung (EOI2), das bei 20 Kurbelwinkelgrad
vor OT eintrat; außerdem besaß das Doppeleinspritzungsereignis
mit Kraftstoffreformierung ein erstes Einspritzereignis von 1,05
mg Kraftstoff und ein Ende der ersten Kraftstoffeinspritzung (EOI1),
das bei 310,7 Kurbelwinkelgrad nach der vorausgehenden OT-Kompression,
d. h. von OT-Einlass, eintrat, und ein Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung (EOI2),
das bei 20 Kurbelwinkelgrad vor OT eintrat. Tabelle 1
| Parameter | Einzeleinspritzung | Keine
Reformierung | Reformierung |
| Eingespritzter
Kraftstoff, mg | | 15 | 15 |
| Einspritzdauer,
CA-Grad | 10 | 10 | 10 |
| EOI1,
nach-OT-Verbrennung | - | 405,7 | 310,7 |
| EOI2,
nach OT | –20 | –20 | –20 |
| Einspritzmenge
1, mg | 0 | 1,05 | 1,05 |
| Einspritzmenge
2, mg | 15 | 13.95 | 13,95 |
| NMEP,
bar | 3,46 | 3,44 | 3,46 |
| CA10,
Grad nach OT | 0,9 | –0,35 | 3,8 |
| CA50,
Grad nach OT | 3,0 | 1,9 | 6,4 |
| Geräusch, MW/m2 | 4,1 | 3,4 | 3,5 |
| T@IVC,
K | 426 | 424 | 431 |
-
Wie
im Zusammenhang mit 2 und Tabelle 1 beschrieben
und gezeigt worden ist, führt
bei den Bedingungen der Berechnungen die während der teilweisen Oxidation
des n-Heptans während
der NVO-Periode freigesetzte Wärme
zu einer höheren
Temperatur beim Einlassventilschließen, jedoch zu einer verzögerten Verbrennungsphasenlage
im Vergleich zum Ausbleiben dieser teilweisen Oxidation. Eine höhere Temperatur beim
Einlassventilschließen
läuft auf
eine Vorverlegung des Selbstzündungszeitpunkts
hinaus. Die Produkte der teilweisen Oxidation des Kraftstoffs tragen
jedoch zu einer Verzögerung
des Selbstzündungszeitpunkts bei.
Dies bedeutet, dass es eine Konkurrenz zwischen dem Temperatureffekt
und dem Zusammensetzungseffekt gibt. Unter manchen Bedingungen kann
einer von diesen dominieren und unter anderen Bedingungen der andere.
In
-
3 dominiert der Zusammensetzungseffekt
bei vor OT der NVO-Periode eingespritzten Kraftstoffmengen im Bereich
von etwa 1 mg bis 4 mg, wobei der Rest der 15 mg Kraftstoffladung
während
des Kompressionstakts eingespritzt wird.
-
Motorlast-
und Motordrehzahlbedingungen, unter denen das Steuermodul das hier
beschriebene Steuerschema vorzugsweise ausführt, umfassen einen Lastbereich
von etwa 200 bis 700 kPa effektiver Mitteldruck (brake-mean-effektive-pressure,
BMEP) und von etwa 1000 bis 4000 min–1.
-
In 3 sind nun Ergebnisse des simulierten
Motorbetriebs für
den Motor, der wie beschriebenen betrieben wird, um den Zündzeitpunkt
durch Reformieren von Kraftstoff während der NVO-Periode zu steuern, bei
unterschiedlichen Mengen von sich reformierendem Kraftstoff gezeigt.
Die Ergebnisse in 3A zeigen einen berechneten
CA10, d. h. einen Kurbelwinkelort, bei dem 10% der Kraftstoffmasse
verbrannt wird, als Funktion der Masse sich reformierenden Kraftstoffs
(mg) für
den Einzeleinspritzungsbetrieb, den Doppeleinspritzungsbetrieb mit
dem vor OT eintretenden Ende der Einspritzung (EOI) und dem Doppeleinspritzungsbetrieb
mit dem nach OT eintretenden Ende der Einspritzung (EOI). Die Ergebnisse
in 3B zeigen einen berechneten CA50, d. h. einen
Kurbelwinkelort, bei dem 50% der Kraftstoffmasse verbrannt wird,
als Funktion der Masse sich reformierenden Kraftstoffs (mg) für den Einzeleinspritzungsbetrieb,
den Doppeleinspritzungsbetrieb mit dem vor OT eintretenden Ende
der Einspritzung (EOI) und dem Doppeleinspritzungsbetrieb mit dem
nach OT eintretenden Ende der Einspritzung (EOI). In beiden Doppeleinspritzungsfällen wurde
der restliche Kraftstoff so eingespritzt, dass das Ende der Einspritzung 20 Kurbelwinkelgrad
vor OT der nachfolgenden Einspritzung eintrat. Diese Ergebnisse
zeigen, dass die Zündung
der Zylinderladung bei dem Doppeleinspritzungsbetrieb, dessen Ende
der Einspritzung (EOI) vor OT der NVO-Periode eintrat, verzögert wird.
Folglich verzögert
das Ein spritzen eines Teils des Kraftstoffs während der NVO-Periode den Zündzeitpunkt
und reduziert das Motorgeräusch,
was eine Erweiterung des Bereichs gesteuerten Selbstzündung zu
höheren
Lastbedingungen hin zulässt.
-
Obwohl
die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, könnten
im Umfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte und deren Leitgedanken
entsprechend zahlreiche Änderungen
vorgenommen werden. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht
auf die offenbarten Ausführungsformen
begrenzt ist, sondern den vollen Umfang, der durch die Sprache der
folgenden Ansprüche zugelassen
wird, besitzt.