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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Automobilindustrie untersucht ständig neue
Wege zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses des Verbrennungsmotors
in einem Bemühen, die
Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, Vorgaben von Vorschriften
hinsichtlich der Emissionen zu erfüllen oder zu übertreffen
und Kundenerwartungen hinsichtlich Emissionen, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und
Produktunterscheidung zu erfüllen
oder zu übertreffen.
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Die
meisten modernen herkömmlichen
Verbrennungsmotoren versuchen, um stöchiometrische Bedingungen herum
zu arbeiten. Das heißt
es wird ein optimales Luft/Kraftstoff-Verhältnis von im Wesentlichen 14,6
zu 1 bereitgestellt, das zu einem im Wesentlichen vollständigen Verbrauch
des dem Motor gelieferten Kraftstoffs und Sauerstoffs führt. Ein derartiger
Betrieb erlaubt eine Abgasnachbehandlung durch 3-Wege-Katalysatoren,
die jeglichen unverbrannten Kraftstoff (HC) und Verbrennungsnebenprodukte
wie etwa NOx und CO beseitigen. Die meisten modernen Motoren besitzen
eine Kraftstoffeinspritzung mit entweder einer Drosselklappenkörpereinspritzung
(TBI von Throttle Body Injection) oder Mehrfachöff nungs-Kraftstoffeinspritzung
(MPFI von Multi-Port Fuel Injection), wobei eine jede einer Vielzahl
von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen in der Nähe einer Einlassöffnung an
jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors angeordnet ist. Eine bessere Steuerung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
wird mit einer MPFI-Anordnung erreicht; jedoch begrenzen Bedingungen,
wie etwa die Wandungsbenetzung und Einlassleitungsdynamik, die Genauigkeit,
mit der eine derartige Steuerung erreicht wird. Die Genauigkeit
der Kraftstoffabgabe kann durch direkte Einspritzung in den Zylinder
(DI von Direct In-Cylinder Injection) verbessert werden. So genannte
lineare Sauerstoffsensoren bieten einen höheren Grad an Steuerungsfähigkeit
und stellen, wenn sie mit DI gekoppelt sind, ein attraktives System
mit einer verbesserten Fähigkeit
zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von Zylinder zu Zylinder
zur Verfügung.
Jedoch wird die Verbrennungsdynamik im Zylinder wichtiger und die
Verbrennungsqualität
spielt bei der Steuerung von Emissionen eine zunehmend wichtige Rolle.
So haben sich die Motorhersteller auf solche Dinge konzentriert
wie Sprühstrahlprofile
der Einspritzvorrichtungen, Einlassdrall und Kolbengeometrie, um
eine verbesserte Luft/Kraftstoff-Mischung und -Homogenität im Zylinder
zu bewirken.
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Obgleich
stöchiometrische
Viertakt-Benzinmotor- und 3-Wege-Katalysatorsysteme das Potential
besitzen, Vorgaben äußerst niedriger
Emissionen zu erfüllen,
steht der Wirkungsgrad derartiger Systeme so genannten Magersystemen
nach. Magersysteme sind auch viel versprechend bei der Erfüllung von
Emissionsvorgaben für
NOx über
Verbrennungssteuerungen, die Technologien hoher Abgasverdünnung und
der Nachbehandlung von entstehendem NOx einschließen. Jedoch
stoßen
Magersysteme noch auf weitere Hürden,
beispielsweise die Verbrennungsqualität und Verbrennungsstabilität, insbesondere
bei Teillast-Arbeitspunkten und hoher Abgasverdünnung.
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Magermotoren
umfassen auf einer untersten Ebene alle Verbrennungsmotoren, die
mit mehr Luft betrieben werden als für die Verbrennung der abgegebenen
Kraftstoffladung erforderlich ist. Eine Vielfalt von Kraftstoffbeaufschlagungs-
und Zündmethoden unterscheiden
Magertopologien. Fremd- oder funkengezündete Systeme (SI von Spark
Ignition) leiten die Verbrennung ein, indem eine elektrische Entladung
in der Brennkammer vorgesehen wird. Kompressionszündungssysteme
(CI von Compression Ignition) leiten die Verbrennung mit Brennkammerbedingungen
ein, die Kombinationen aus Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Temperatur und Druck
neben anderen umfassen. Kraftstoffbeaufschlagungsverfahren können TBI,
MPFI und DI umfassen. Homogene Ladungssysteme zeichnen sich durch
eine sehr konsistente und gut verdampfte Kraftstoffverteilung in
dem Luft/Kraftstoff-Gemisch aus, wie sie durch MPFI oder direkte
Einspritzung früh
im Ansaugzyklus erreicht werden kann. Schichtladungssysteme zeichnen
sich durch weniger gut verdampften und verteilen Kraftstoff in dem
Luft/Kraftstoff-Gemisch aus und gehören typischerweise zu direkter
Einspritzung von Kraftstoff spät
in dem Verdichtungszyklus.
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Bekannte
Benzin-DI-Motoren können
selektiv unter homogenen Betriebsarten mit Fremdzündung oder
geschichteten Betriebsarten mit Fremdzündung betrieben werden. Eine
homogene Betriebsart mit Fremdzündung
wird im Allgemeinen für Bedingungen
höherer
Last ausgewählt,
wohingegen eine geschichtete Betriebsart mit Fremdzündung im Allgemeinen
für Bedingungen
niedrigerer Last ausgewählt
wird.
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Bestimmte
DI-Kompressionszündungsmotoren
benutzen ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus vorgewärmter Luft
und Kraftstoff und stellen Druck- und Temperaturbedingungen während Motorkompressionszyklen
her, die eine Zündung ohne
die Notwendigkeit zusätzlicher Zündenergie
bewirken. Dieser Prozess wird manchmal gesteuerte Selbstzündung genannt.
Die gesteuerte Selbstzündung
ist ein vorhersagbarer Prozess und unterscheidet sich somit von
unerwünschten
Frühzündungsereignissen,
die manchmal bei Fremdzündungs- oder
Ottomotoren auftreten. Die gesteuerte Selbstzündung unterscheidet sich auch
von der wohlbekannten Kompressionszündung in Dieselmotoren, bei
der Kraftstoff im Wesentlichen unmittelbar nach Einspritzung in
eine stark vorkomprimierte Hochtemperatur-Luftladung zündet, wohingegen
in dem Prozess der gesteuerten Selbstzündung die vorgewärmte Luft
und Kraftstoff vor der Verbrennung während Einlassereignissen und
im Allgemeinen mit Kompressionsprofilen, die mit herkömmlichen
funkengezündeten
Viertakt-Verbrennungssystemen
vereinbar sind, miteinander gemischt werden.
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Es
sind Viertakt-Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden, die für eine Selbstzündung sorgen,
indem die Bewegung der Einlass- und Auslassventile, die zu einer
Brennkammer gehören,
gesteuert wird, um sicherzustellen, dass eine Luft/Kraftstoff-Ladung
mit verbrannten Gasen gemischt wird, um Bedingungen zu erzeugen,
die für
eine Selbstzündung
geeignet sind, ohne die Notwendigkeit für ein externes Vorwärmen der
Ansaugluft- oder
Zylinderladung oder für
hohe Verdichtungsprofile. In dieser Hinsicht sind bestimmte Motoren
vorgeschlagen worden, die ein nockenbetätigtes Auslassventil aufweisen,
das wesentlich später
in dem Viertaktzyklus geschlossen wird, als es in einem fremdgezündeten Viertaktmotor üblich ist,
um eine beträchtliche Überschneidung
des offenen Auslassventils mit einem offenen Einlassventil zuzulassen,
wodurch zuvor ausgestoßene
verbrannte Gase früh
während
des Ansaugzyklus zurück
in die Brennkammer gesaugt werden. Es sind bestimmte andere Motoren
vorgeschlagen worden, die ein Auslassventil aufweisen, das wesentlich
früher
in dem Ausstoßzyklus
geschlossen wird, wodurch verbrannte Gase für ein nachfolgendes Mischen
mit Kraftstoff und Luft während
des Ansaugzyklus eingefangen werden. In beiden derartigen Motoren
werden die Auslass- und
Einlassventile nur einmal in jedem Viertaktzyklus geöffnet. Es
sind bestimmte andere Motoren vorgeschlagen worden, die ein hydraulisch
gesteuertes Auslassventil aufweisen, das zweimal während jedes
Viertaktzyklus geöffnet
wird – einmal,
um während
des Ausstoßzyklus verbrannte
Gase aus der Brennkammer in den Auslasskanal auszustoßen, und
einmal, um verbrannte Gase spät
während
des Ansaugzyklus aus dem Auslasskanal in die Brennkammer zurückzusaugen.
Diese Motoren benutzen verschiedentlich eine Drosselklappenkörper-, Öffnungs-
oder direkte Brennkammerkraftstoffeinspritzung.
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Wie
vorteilhaft derartige Magermotorsysteme auch zu sein scheinen, bestehen
weiterhin bestimmte Mängel
in Bezug auf die Verbrennungsqualität und Verbrennungsstabilität, insbesondere
bei Teillast-Arbeitspunkten und hoher Abgasverdünnung. Derartige Mängel führen zu
unerwünschten Kompromissen,
die Beschränkungen
davon umfassen, wie sehr eine Kraftstoffladung während Teillast-Arbeitspunkten
effektiv reduziert werden kann und dennoch akzeptable Verbrennungsqualitäts- und
Verbrennungsstabilitätseigenschaften
aufrechterhalten werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist festgestellt worden, dass homogene Luft/Kraftstoff-Ladungen
in einer Brennkammer im Allgemeinen in einer Vielfalt von Verbrennungsmotoren
wünschenswert
sind, die Motoren einschließen, die
Strategien, wie etwa TBI, MPFI, DI, SI, CI, gesteuerte Selbstzündung, stöchiometrische,
mager brennende und Kombinationen und Variationen davon anwenden.
Es ist allgemein ein Viertakt-Mager-Verbrennungsmotor wünschenswert.
Darüber
hinaus ist ein solcher Motor wünschenswert,
der eine hohe Verbrennungsstabilität bei Teillast-Arbeitspunkten
zeigt. Dar über
hinaus ist ein solcher Motor wünschenswert,
der zu einer Ausdehnung des Magerbetriebs in bisher nicht erzielte
Teillast-Arbeitspunktbereiche in der Lage ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert diese und weitere wünschenswerte
Aspekte in einem Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit
einer ausgedehnten Tauglichkeit bei niedrigen Motorlasten, während die
Verbrennungsqualität,
die Verbrennungsstabilität
und die Emissionen aus dem Motor heraus beibehalten oder verbessert
werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden während des Ansaugtaktes des
Kolbens Niederdruckbedingungen in der Brennkammer hergestellt, die
durch niedrigeren Druck bei niedrigerer Last gekennzeichnet sind.
Die Tiefe und Dauer des Niederdruckereignisses beeinflusst direkt
die Verbrennungsstabilität
und die Teillastgrenze des Motors. Die Phaseneinstellung des Einlass-
und Auslassventils oder die Öffnungs-
und Schließzeit
wird dazu verwendet, die Niederdruckprofile herzustellen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Abgase aus dem
Motor während
des Ansaugzyklus in die Brennkammer zurückgeführt. Eine Abgasrückführung kann
bewerkstelligt werden, indem während
des Ausstoßtaktes Abgase
in der Brennkammer eingefangen werden oder indem ausgestoßene Abgase über doppelte Öffnungen
von Auslass- oder
Einlassventilen rückgesaugt
werden oder durch externe Rückführungsmittel.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Aufteilungseinspritzstrategie
bei einem Motorbetrieb mit niedriger Teillast angewandt, wodurch
ein erster Kraftstoffanteil früh
während
des Ansaugzyklus eingespritzt wird und der restliche Kraftstoff
der gesamten Kraft stoffladung für den
Zyklus spät
während
des Verdichtungszyklus eingespritzt wird. Bei einem Motorbetrieb
mit Zwischenteillast und hoher Teillast wird eine einzelne Kraftstoffeinspritzung
während
des Ansaugtaktes angewandt. Eine optimale Kraftstoffbeaufschlagung wird
durch eine Kraftstoffzeitsteuerung erreicht, wodurch Kraftstoffeinspritzungen
als Funktion der Motorlast nach früh oder nach spät verstellt
werden. Zusätzliche
Optimierungen zum Bewirken von Emissionszielen reichern die Kraftstoffladung
bei Betriebsbereichen mit höherer
Teillast an.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 Kurven
von Ventilhub über
Kurbelwinkel gemäß einer
Auslass- und Einlassventilphaseneinstellung eines herkömmlichen
fremdgezündeten Verbrennungsmotors
aus dem Stand der Technik darstellt;
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3 verschiedene
Kurven von Auslass- und Einlassventilphase und -hub über Kurbelwinkel und
Trendübereinstimmung
mit der Motorlast gemäß dem Einzylindermotor
von 1 mit einer vollständig flexiblen Ventilbetätigung zum
Bewirken gewünschter
Bedingungen im Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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4 verschiedene
Kurven von Zylinderdruck über
Kurbelwinkel und bevorzugter Trendübereinstimmung mit der Motorlast
zum Bewirken gewünschter
Bedingungen im Zylinder gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 Teillast-Betriebsbereiche
und beispielhafte Kraftstoffeinspritzzeitpläne, die diesen entsprechen,
gemäß Abgasrücksaugaspekten
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 eine
beispielhafte Ventilzeiteinstellung, die durch eine vollständig flexible
Ventilbetätigung
und Kraftstoffeinspritzstrategien bewirkt wird, über Teillastbereiche des Motorbetriebs
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 beispielhafte
Kurven von Verbrennungsstabilität über effektivem
Nettomitteldruck, die Teillaststabilitätsvorzüge der vollständig flexiblen Ventilbetätigung und
Kraftstoffbeaufschlagungssteuerungsaspekte demonstrieren, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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8 Kurven
von spezifischem Kraftstoffnettoverbrauch über effektivem Nettomitteldruck,
die Teillastkraftstoffverbrauchsvorzüge der vollständig flexiblen
Ventilbetätigung
und Kraftstoffbeaufschlagungssteueraspekte demonstrieren, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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9 verschiedene
Kurven von Auslass- und Einlassventilphase und -hub über Kurbelwinkel und
bevorzugte Trendübereinstimmung
mit der Motorlast gemäß dem Einzylindermotor
von 1 mit einer phasengesteuerten Ventilbetätigung zum
Bewirken gewünschter
Bedingungen im Zylinder gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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10 beispielhafte
Ventilzeiteinstellungen, die durch phasengesteuerte Ventilbetätigungs-
und Kraftstoffeinspritzstrategien bewirkt werden, über Teillastbereiche
des Motorbetriebs gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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11 beispielhafte
Kurven von Verbrennungsstabilität über effektivem
Nettomitteldruck, die Teillaststabilitätsvorzüge der phasengesteuerten Ventilbetätigung und
Kraftstoffbeaufschlagungssteueraspekte demonstrieren, gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt; und
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12 Kurven
von spezifischem Nettokraftstoffverbrauch über effektivem Nettomitteldruck,
die Teillastkraftstoffverbrauchsvorzüge der phasengesteuerten Ventilbetätigung und
Kraftstoffbeaufschlagungssteueraspekte demonstrieren, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist
schematisch ein beispielhaftes Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotorsystem
(Motor) 10 dargestellt, das für die Implementierung der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. Es ist festzustellen, dass die vorliegende
Erfindung gleichermaßen auf
einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor anwendbar ist. Der
vorliegende beispielhafte Motor 10 ist so gezeigt, dass
er für
eine direkte Brennkammereinspritzung (Direkteinspritzung) von Kraftstoff über der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41 konfiguriert ist. Alternative
Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien, die eine Kraftstoffeinspritzung
in die Öffnung
oder eine Kraftstoffeinspritzung in den Drosselklappenkörper einschließen, können in
Verbindung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet
werden; jedoch ist der bevorzugte Ansatz die Direkteinspritzung.
Obgleich weitläufig
verfügbare
Qualitäten
von Benzin und leichten Ethanolmischungen davon bevorzugte Kraftstoffe
sind, können bei
der Implementierung der vorliegenden Erfindung auch alternative
flüssige
und gasförmige
Kraftstoffe wie etwa höhere
Ethanolmischungen (z.B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines
Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate,
Syngase usw. verwendet werden.
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In
Bezug auf den Basismotor ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 13 bewegbar
und definiert darin eine Brennkammer 15 mit variablem Volumen.
Ein Kolben 11 ist mit einer Kurbelwelle 35 durch
eine Pleuelstange 33 verbunden und treibt eine Kurbelwelle 35 hin-
und hergehend an oder wird von dieser hin- und hergehend angetrieben.
Der Motor 10 umfasst auch einen Ventiltrieb 16,
der mit einem einzelnen Einlassventil 21 und einem einzelnen
Auslassventil 23 dargestellt ist, obwohl Abwandlungen mit mehreren
Einlass- und Auslassventilen gleichermaßen zur Benutzung mit der vorliegenden
Erfindung anwendbar sind. Der Ventiltrieb 16 um fasst auch
ein Ventilbetätigungsmittel 25,
das eine Vielfalt von irgendwelchen Formen annehmen kann, die bevorzugt
eine elektrisch gesteuerte hydraulische oder elektromechanische
Betätigung
umfasst (auch bekannt als vollständig
flexible Ventilbetätigung,
FFVA von Fully Flexible Valve Actuation). Alternative Ventilbetätigungsmittel,
die zur Implementierung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
geeignet sind, umfassen Mehrprofilnocken (auch bekannt als, mit mehreren
Kurven, mehreren Stufen) und Auswahlmechanismen, Nockenphasensteller
und andere mechanisch variable Ventilbetätigungstechnologien, die einzeln
oder in Kombination eingesetzt werden. Ein Einlasskanal 17 führt der
Brennkammer 15 Luft zu. Die Luftströmung in die Brennkammer 15 wird
durch ein Einlassventil 21 während Einlassereignissen gesteuert.
Verbrannte Gase werden aus der Brennkammer 15 durch einen
Auslasskanal 19 ausgestoßen, wobei die Strömung während Auslassereignissen durch
ein Auslassventil 23 gesteuert wird.
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Die
Motorsteuerung wird durch eine Steuerung 27 auf Computerbasis
bereitgestellt, die die Form von herkömmlichen Bauteilkonfigurationen oder
Kombinationen, die Antriebsstrang-Controller, Motor-Controller und
digitale Signalprozessoren in integrierten oder verteilten Architekturen
einschließen,
annehmen kann. Im Allgemeinen umfasst die Steuerung 27 mindestens
einen Mikroprozessor, ROM, RAM und verschiedene E/A-Vorrichtungen, die A/D-
und D/A-Wandler und eine Leistungstreiberschaltung umfassen. Die
Steuerung 27 umfasst spezifisch auch Steuerungen für ein Ventilbetätigungsmittel 25 und
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41. Die Steuerung 27 umfasst
die Überwachung
einer Vielzahl von mit dem Motor in Beziehung stehenden Eingängen von
einer Vielzahl von übersetzten
Quellen, die die Motorkühlmitteltemperatur,
Außenlufttemperatur,
Krümmerlufttemperatur,
Bedienerdrehmomentanforderungen, Umgebungsdruck, Krümmerdruck
bei gedrosselten Anwendungen einschließen, Verschiebungs- und Positionssensoren,
wie etwa für Ventiltrieb-
und Motorkurbelwellengrößen, und
umfasst darüber
hinaus die Erzeugung von Steuerbefehlen für eine Vielfalt von Aktuatoren
sowie das Leistungsvermögen
von allgemeinen diagnostischen Funktionen. Obgleich sie als Integral
mit dem Controller 27 darstellt und beschrieben ist, können die Steuerung
und die Leistungselektronik, die zu dem Ventilbetätigungsmittel 25 und
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41 gehört, als
Teil eines verteilten intelligenten Betätigungsschemas eingebaut sein,
wobei bestimmte Überwachungs-
und Steuerfunktionalität, die
mit jeweiligen Teilsystemen in Beziehung steht, durch programmierbare
verteilte Controller, die zu derartigen jeweiligen Ventil- und Kraftstoffsteuerteilsystemen
gehören,
implementiert sind.
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Nachdem
die Umgebung und bestimmte Anwendungsbauelemente, die für die Implementierung der
vorliegenden Erfindung geeignet sind, beschrieben worden sind, wird
nun die Aufmerksamkeit auf die 2-12 gerichtet.
In 2 sind herkömmliche
oder Grundlinienventilhübe
der Einlass- und Auslassventile
eines Verbrennungsmotors über
einen vollständigen
Viertakt-Verbrennungszyklus aufgetragen. In dieser und nachfolgenden
Figuren sind Auslassventilpläne
(EV) mit dünnen
Linien dargestellt, wohingegen Einlassventilpläne (IV) mit dicken Linien darstellt
sind. Volle 720 Grad oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle sind über die
horizontale Achse beginnend bei 0 Grad entsprechend dem oberen Totpunkt
(OT) des Verbrennungstaktes (d.h. die Position des Kolbens zu Beginn
des Arbeitstaktes (Ende des Verdichtungstaktes) und endend bei 720 Grad
entsprechend der gleichen Position des oberen Totpunktes am Ende
des Verdichtungstaktes (Beginn des Arbeitstaktes) aufgetragen. Durch Übereinkunft und
so wie dem hierin gefolgt wird, beziehen sich die Kurbelwinkelpositionen
0 bis 720 auf Kurbelwellenrotation nach OT des Verbrennungstaktes
in Grad. Die nachfolgenden wiederholten Zyklen sind oben in der Figur mit
Doppelpfeilen angegeben, die mit ARBEITEN, AUSSTOSSEN, ANSAUGEN
und VERDICHTEN beschriftet sind. Jeder dieser Zyklen entspricht der
Kolbenbewegung zwischen jeweiligen Positionen des oberen Totpunktes
und des unteren Totpunktes und deckt volle 180 Grad Kurbelwellenrotation
oder ein Viertel des vollständigen
Viertaktzyklus ab.
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Bei
der vorliegenden beispielhaften Vorstellung der Erfindung wurde
ein Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit 0,55 Liter, gesteuerter Selbstzündung und
Benzindirekteinspritzung bei der Implementierung der Ventil- und
Kraftstoffbeaufschlagungssteuerungen und der Beschaffung der verschiedenen
hierin ausgeführten
Daten benutzt. Es sei denn, es wird speziell anders besprochen,
sei angenommen, dass alle derartigen Implementierungen und Beschaffungen
unter normalen Bedingungen ausgeführt werden, wie es der Fachmann
verstehen wird.
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Gemäß bestimmten
Ventilsteuerungsaspekten der vorliegenden Erfindung wird während des Teillastbetriebes
des Motors ein Niederdruckereignis in der Brennkammer, vorzugsweise
mittels FFVA hergestellt, die das Öffnen und Schließen von
einem oder mehreren der Einlass- oder Auslassventile steuert. So
wie er hierin verwendet wird, entspricht Teillastbetrieb einer Motorlast
unter Mittellast von ungefähr
450 kPa effektivem Nettomitteldruck. Niedrige Teillast, wie sie
hierin verwendet wird, entspricht einer Motorlast unter etwa 125
kPa effektivem Nettomitteldruck. Zwischenteillast, so wie sie hierin
verwendet wird, entspricht einer Motorlast von etwa 125 bis etwa
200 kPa effektivem Nettomitteldruck. Hohe Teillast, wie sie hierin
verwendet wird, entspricht einer Motorlast von etwa 200 bis etwa
450 kPa effektivem Nettomitteldruck. In dem vorliegenden Beispiel, das
in 3 darstellt ist, wird angenommen, dass hervorgerufen
wird, dass ein Auslassereignis auftritt, wobei das Auslassventil über mindestens
einen Teil des Ausstoßtaktes
von 180 bis 360 Grad geöffnet wird.
Die tatsächli chen Öffnungs-
und Schließwinkel des
Auslassventils während
eines Auslassereignisses werden gemäß solchen Faktoren, wie Motordrehzahl
oder -last und Geometrie der Auslassleitung sowie anderen gewünschten
Motorabstimmungseigenschaften variieren. Bei dem vorliegenden darstellten
Beispiel wird angenommen, dass das Schließen des Auslassventils im Wesentlichen
380 Grad nach OT des Verbrennungstaktes oder 20 Grad nach OT des
Ausstoßtaktes
entspricht. Vorzugsweise tritt das Schließen des Auslassventils innerhalb
von ungefähr
20 Grad vor OT des Ausstoßtaktes
bis 20 Grad nach OT des Ausstoßtaktes
auf. Man glaubt im Allgemeinen, dass der maximale Ausstoß von Abgasen
aus der Brennkammer beim Minimieren des Restzylinderdrucks unterstützen wird,
und eine solche Bedingung ist im Allgemeinen mit dem Bewirken von
tieferen und länger
andauernden Niederdruckereignissen vereinbar. Durch eine bestimmte
Gasdynamik unter bestimmten Bedingungen tritt das maximale Ausstoßen auf,
wenn das Auslassventil über
irgendeinen Winkel nach OT des Ausstoßtaktes offen bleibt. Dann
tritt das Schließen
des Auslassventils stärker
bevorzugt innerhalb ungefähr
OT des Ausstoßtaktes
bis 20 Grad nach OT des Ausstoßtaktes auf,
insbesondere bei den niedrigsten Motorlasten, bei denen gemäß der vorliegenden
Erfindung Bedingungen niedrigeren Drucks im Zylinder erwünscht sind.
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In Übereinstimmung
mit dem Ziel, während des
Ansaugtaktes ein Niederdruckereignis in der Brennkammer herzustellen,
ist es ferner wünschenswert,
dass die absolute Phase des Schließens des Auslassventils beim
Auslassereignis vor OT des Ausstoßtaktes nicht größer ist
als die Phase des Öffnens des
Einlassventils nach OT des Ausstoßtaktes, oder dass eine minimale
Ventilüberschneidung
vorhanden ist. Im Allgemeinen ist wie beschrieben ein bestimmter
Grad an Asymmetrie um den OT des Ausstoßtaktes wie zwischen dem Schließen des
Auslassventils und dem Öffnen
des Einlassventils, erforderlich, um die gewünschten Niederdruckbedin gungen
in der Brennkammer herzustellen. Wenn das Schließen des Auslassventils beim
Auslassereignis vor OT des Ausstoßtaktes auftritt, dann kann
es wünschenswert sein,
mindestens einen ähnlichen
Winkel nach OT zuzulassen, damit sich der Druck in der Brennkammer
abbaut, bevor das Einlassventil zu öffnen beginnt. Das Öffnen des
Einlassventils während
eines Einlassereignisses folgt dem Schließen des Auslassventils vorzugsweise
bei etwa 30 bis etwa 90 Grad nach OT des Ausstoßtaktes bei Teillast-Arbeitspunkten.
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Die
allgemeinen und bevorzugten Eigenschaften der Phasen des Einlassund
Auslassventils, die bislang beschrieben wurden, sind im Wesentlichen
in den beispielhaften in 3 darstellten Kurven dargelegt.
Auslassprofil 50 stellt ein Auslassventilprofil beim Auslassereignis
dar, wobei das Schließen
des Ventils bei im Wesentlichen 20 Grad nach dem OT des Ausstoßtaktes
auftritt. Zu Erläuterungszwecken
sei angenommen, dass das Auslassereignis in Bezug auf die Phaseneinstellung
des Schließens
des Auslassventils beim Auslassereignis im Wesentlichen statisch
ist, obwohl, wie es zuvor beschrieben wurde, in Betracht zu ziehen
ist, dass eine Phasenverschiebung des Schließens des Auslassventils innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung liegt, um verschiedene Ergebnisse
und Ziele derselben zu erreichen. Das Einlassprofil 52 entspricht
dem Öffnen
des Einlassventils bei im Wesentlichen 40 Grad nach dem oberen Totpunkt
des Ausstoßtaktes und
dem Schließen
bei im Wesentlichen 70 Grad nach dem unteren Totpunkt des Ansaugtaktes,
um ein Niveau an Unterdruck im Zylinder zu bewirken. Das Einlassprofil 51 entspricht
einem früheren Öffnen des
Einlassventils bei im Wesentlichen 20 Grad vor dem oberen Totpunkt
des Ausstoßtaktes
und Schließen
bei im Wesentlichen 70 nach dem unteren Totpunkt des Ansaugtaktes,
um einen geringeren Unterdruck im Zylinder zu bewirken. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden wunschgemäß niedrigere Drücke im Zylinder
bei niedrigeren Motor lasten bewirkt. Das heißt es werden bei niedrigeren
Motorlasten tiefere Unterdruckniveaus erreicht. Um diesen Trend
zu bewirken, tendiert die Phase des Öffnens des Einlassventils bei
abnehmender Motorlast in die Richtung, die durch den Pfeil abnehmender
Last in der Mitte von 3 angegeben ist. Bei der beispielhaften
FFVA-Implementierung kann die Phase des Schließens des Einlassventils, wie
es in 3 darstellt ist, bei etwa 610 Grad nach OT des
Verbrennungstaktes im Wesentlichen statisch gehalten werden.
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Würde man
ein Kontinuum derartiger Einlassprofile in der Figur mit Grenzen
des Öffnens
des Einlassventils bei weniger stark nach spät und stärker nach spät verstellten
Phasenwinkeln auftragen, wären
das Ergebnis variierende Unterdruckniveaus und Dauern davon in der
Brennkammer. Natürlich
können zusätzlich zu
den verschiedenen Niederdruckprofilen in der Brennkammer, die mit
einfachen Phasenverschiebungs-Ventilöffnungen wie beschrieben erreicht werden
können,
zusätzliche
Druckprofile durch komplexere und unabhängige Veränderungen der Auslass- und
Einlassprofile, die welche mittels einer Hubveränderung zusätzlich zu einer Zeiteinstellung
umfassen, erreicht werden. Zusätzliche
Details im Hinblick auf das Verändern
von Unterdruckniveaus sind in weiteren Einzelheiten in den gemeinschaftlich übertragenen
und anhängigen
U.S. Patentanmeldungen mit den Seriennummern 10/611,845, 10/611,366 und
10/899,443 aufgeführt,
deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen
ist.
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Die
FFVA-Steuerung der Einlass- und Auslassventile, um ein Niederdruckereignis
in der Brennkammer herzustellen, wird ausgeführt, um Niederdruckvertiefungen
und deren Dauern in der Brennkammer herzustellen, die bei einem
herkömmlich
bekannten Viertaktbetrieb nicht zu finden sind. Nun mit zusätzlichem
Bezug auf 4 ist dort ein Druckpro fil, das
dem beispielhaften lastabhängigen
Einlassventilprofiltrend entspricht, der in Bezug auf 3 beschrieben
ist, darstellt. Darin ist eine Kurve allgemein mit Bezugszeichen 61 gekennzeichnet
und in Bezug auf lediglich die 360 Grad Kurbelwellenrotation durch die
Ausstoß-
und Ansaugtakte des vollständigen Viertaktprozesses
darstellt, wie dies oben in der Figur mit Doppelpfeilen angegeben
ist, die mit AUSSTOSSEN und ANSAUGEN beschriftet sind. Der Zylinderdruck
ist in einem linearen Maßstab
entlang der vertikalen Achse darstellt, wobei der Umgebungsdruck spezifisch
beschriftet ist und angenommen wird, dass er im Wesentlichen eine
Standardatmosphäre oder
etwa 101 kPa beträgt.
Bereich 63 bezeichnet allgemein den Bereich eines resultierenden
Niederdruckereignisses oder von Bedingungen unterhalb von Atmosphärendruck,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden. Ein mäßig tiefes und mäßig andauerndes
Niederdruckereignis erreicht im Wesentlichen 60 kPa unter
Umgebungsdruck oder Unteratmosphärendruck
oder alternativ ausgedrückt, etwa
60% unter Umgebungsdruck oder Atmosphärendruck oder etwa 40% des
Umgebungsdrucks oder Atmosphärendrucks.
Die spezifischen Kurven, die in 4 darstellt
sind, sind natürlich
beispielhaft, wobei andere derartige Kurven und Profile aufgrund
komplexerer und unabhängiger
Veränderungen
der Auslass- und Einlassprofile hergestellt werden können, die
welche mittels Hubveränderung
zusätzlich
zur Zeiteinstellung und Dauer sein können. Beispielsweise würde in Bezug
auf die spezifische Kurve 52, die in 3 darstellt
ist, ein weiteres Verstellen des Öffnens des Einlassventils nach
spät während des
Einlassereignisses tiefere Niederdruckereignisse bewirken, wobei
ein weiteres Verstellen des Öffnens
des Einlassventils nach früh
während
des Einlassereignisses flachere Niederdruckereignisse bewirken würde. Beispielsweise
erreicht ein Niederdruckereignis, das relativ flach und von begrenzter
Dauer ist, im Wesentlichen 42 kPa unter Umgebungsdruck
oder Unteratmosphärendruck
oder anders ausgedrückt
etwa 42% unter Umgebungsdruck oder Atmosphärendruck oder etwa 58% des
Umgebungsdrucks oder Atmosphärendrucks.
Beispielsweise erreicht ein Niederdruckereignis, das relativ tief
und andauernd ist, im Wesentlichen 75 kPa unter Umgebungsdruck
oder Atmosphärendruck
oder anders ausgedrückt
etwa 75% unter Umgebungsdruck oder Atmosphärendruck oder etwa 25% des
Umgebungsdrucks oder Atmosphärendrucks.
Wie es zuvor in Bezug auf 3 beschrieben
wurde, werden niedrigere Drücke
im Zylinder wunschgemäß bei niedrigeren
Motorlasten bewirkt. Das heißt
es werden bei niedrigeren Motorlasten tiefere Unterdruckniveaus
erreicht. Der Pfeil abnehmender Last von 4 stellt
den gewünschten gesteuerten
Trend der Einlassdruckprofile als Funktion abnehmender Motorlast
dar.
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Rückgeführte Abgase
werden wunschgemäß in die
Brennkammer zur Vermischung mit Luft und Kraftstoff eingeleitet.
Nochmals mit Bezug auf die in 3 gezeigten
Ventilpläne
ermöglicht
die FFVA eine Abgasrücksaug-Auslassventilbetätigung mit
einer Flexibilität
beim Öffnen,
Schließen,
Hub und der Dauer des Ventils, um verbrannte Gase, die zuvor durch
das Auslassventil in den Auslasskanal ausgestoßen wurden, wieder einzusaugen.
Die FFVA erlaubt signifikante Veränderungen bei Gasbestandteilgemische
und den Temperaturen in einer Abgasrücksaugimplementierung. Beispielhafte
Rücksaugpläne, die
die Veränderungen
in Hub, Dauer und Phaseneinstellung darstellen, sind in 3 mit 53 und 55 beschriftet.
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Nun
wird die bevorzugte Kraftstoffbeaufschlagungsmethode für einen
Motor beschrieben, der wie vorstehend dargelegt betrieben wird.
Flüssige
und gasförmige
Einspritzungen sind Kandidaten für
DI. Zusätzlich
ist in Betracht zu ziehen, dass eine luftunterstützte Abgabe oder andere Arten
einer Abgabe angewandt werden können.
Ebenfalls ist der Typ von Zündsystem,
der anwendbar ist, variabel – im
Allgemeinen gemäß Motorlast- und Klopferwägungen – und umfasst
solche nicht einschränkenden Beispiele
wie SI, CI und gesteuerte Selbstzündung.
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Gemäß den Kraftstoffbeaufschlagungssteueraspekten
der vorliegenden Erfindung sind zwei allgemeine Lastbereiche innerhalb
des Teillast-Betriebsbereiches des Motors angegeben. In Bezug auf 5 ist
ein Bereich mit niedriger Teillast mit L-PL beschriftet, ein Bereich
mit Zwischenteillast /hoher Teillast ist mit I/H-PL beschriftet.
Diese Bereiche sind über
einen vollständigen
Viertakt-Verbrennungszyklus aufgetragen, der verschiedentlich durch
Kurbelwinkel nach OT des Verbrennungstaktes an der Unterseite angegeben
ist und sequentiell wiederholten Verbrennungszyklusbereichen oben
entspricht. Im Allgemeinen wird bewirkt, dass in dem Bereich mit niedriger
Teillast eine Aufteilungseinspritzung der gesamten Kraftstoffladung
auftritt, wohingegen bewirkt wird, dass in dem Bereich mit Zwischenteillast/hoher Teillast
eine Einzeleinspritzung der gesamten Kraftstoffladung auftritt.
In der Figur ist ein Übergangsbereich 62 darstellt,
der einen oder beide benachbarten Teillastbereiche wesentlich überlappen
kann, wodurch die Teillastbereiche für entsprechende Kraftstoffsteuerungen
effektiv ausgedehnt werden.
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Mit
der Aufteilungseinspritzung wird der Gesamtkraftstoffbedarf für den Zyklus
in zwei Einspritzereignisse unterteilt. Eines der Einspritzereignisse wird
früh in
dem Ansaugzyklus ausgeführt,
während das
andere Einspritzereignis spät
in dem Verdichtungszyklus ausgeführt
wird. Im Allgemeinen spritzt das erste Kraftstoffbeaufschlagungsereignis
etwa 10 bis 50 Prozent des Gesamtkraftstoffbedarfs für den Zyklus
ein. Im Allgemeinen ist die Zylinderladung, die durch diesen ersten
Kraftstoffanteil hergestellt wird, für eine Selbstzündung in
der Brennkammer unzureichend. Der Rest des Kraftstoffbedarfs für den Zyklus wird
während
des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses eingespritzt. Dieser
zweite Kraftstoffanteil reichert die Zylinderladung während eines Verdichtungstaktes
des Kolbens hinreichend an, um eine Selbstzündung zu bewirken.
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Die
Durchdringung und Verteilung des zweiten Kraftstoffsprühstrahls
werden aufgrund einer höheren
Ladungstemperatur und Dichte im Zylinder unterdrückt. Es wird ein örtlich festgelegter
fetter Gemischbereich in der Brennkammer gebildet. Das Gemisch aus
Luft, zurück
eingesaugtem verbranntem Gas und Kraftstoff von der ersten Kraftstoffeinspritzung
arbeitet in Verbindung mit dem örtlich
festgelegten fetten Gemisch, das durch die zweite Kraftstoffeinspritzung
gebildet wird, um die Selbstzündung
von Benzin unter einem relativ niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne
irgendeine Zuhilfenahme eines Funkens zu bewerkstelligen, im Vergleich
mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis, das bei der Selbstzündung von
Dieselkraftstoff verwendet wird.
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Der
Gesamtkraftstoffbeaufschlagungsbedarf (d.h. die kombinierten ersten
und zweiten Kraftstoffanteile) ist wesentlich niedriger als der
Kraftstoffbeaufschlagungsbedarf eines ähnlichen, konventionell betriebenen
Verbrennungsmotors, wie dies gegenüber derartigen üblichen
Maßen,
wie die Verbrennungsstabilität,
bestimmt wird, so wie es später
in Bezug auf die 7 und 8 demonstriert
wird.
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Mit
der Einzeleinspritzung wird der Gesamtkraftstoffbedarf für den Zyklus
in einem einzigen Einspritzereignis konsolidiert, das früh in dem
Ansaugzyklus ausgeführt
wird.
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5 demonstriert
auch bestimmte Präferenzen
hinsichtlich der Einspritzzeiteinstellung. Der Bereich, der durch
die mit 56 und 57 beschrifteten durchgezogenen
Linien begrenzt ist, entspricht bevorzugten Winkelbereichen innerhalb
der Ansaug- und Verdichtungszyklen zur Vornahme des ersten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses
bzw. des zweiten Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses jeweils für den Betriebsbereich
mit niedriger Teillast. Der erste Kraftstoffanteil wird vorzugsweise
etwa 360 bis etwa 400 Grad nach OT des Verbrennungstaktes eingespritzt.
Die Einspritzzeit für
die erste Einspritzung wird ebenfalls vorzugsweise auf kontinuierliche
Weise nach spät
verstellt, wenn die Motorlast zunimmt, wie es in der Figur gezeigt
ist. Der zweite Kraftstoffanteil wird etwa 640 bis etwa 700 Grad
nach OT des Verbrennungstaktes (20 bis 80 Grad vor dem oberen Totpunkt
des Verbrennungstaktes) eingespritzt. Diese Einspritzzeit wird so
gewählt,
dass ein rauchfreier Betrieb sichergestellt ist, und wird durch
den Sprühstrahlkonuswinkel
der Einspritzvorrichtung und die eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst.
Die Einspritzzeit für
die zweite Einspritzung wird ebenfalls auf eine kontinuierliche
Weise nach früh
verstellt, wenn die Motorlast zunimmt. Andere Winkelbereiche für die Aufteilungseinspritzung
können
verwendet werden, es kann aber sein, dass sie keinen so wesentlichen
Vorteil wie die bevorzugten Bereiche ergeben.
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Der
Bereich, der durch die mit 58 beschriftete durchgezogene
Linie begrenzt ist, entspricht einem bevorzugten Winkelbereich innerhalb
des Ansaugzyklus zum Liefern des Ansaugzyklus-Kraftstoffbeaufschlagungsereignisses
für den
Betriebsbereich mit Zwischenteillast/hoher Teillast. Dieser Kraftstoff
wird vorzugsweise etwa 390 bis etwa 450 Grad nach OT des Verbrennungstaktes
eingespritzt. Die Einspritzzeit für die Einzeleinspritzung wird
ebenfalls auf eine kontinuierliche Weise nach spät verstellt, wenn die Motorlast
zunimmt, wie es in der Figur gezeigt ist. Andere Winkelbereiche
für die
Einzeleinspritzung können
benutzt werden, es kann aber sein, dass diese keinen so wesentlichen
Vorteil wie die bevorzugten Bereiche ergeben.
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Der Übergang
von einer Einspritzstrategie zu einer anderen während einer Änderung
der Teillast wird sowohl durch die Motorleistung als auch die Motoremissionen
geregelt. Beispielsweise während
des Betriebes mit niedriger Teillast ist die Aufteilungseinspritzung
mit einer ersten Einspritzung während
des frühen
Ansaugtaktes und der zweiten Einspritzung während des Verdichtungstaktes
die einzige Einspritzstrategie, die in der Lage ist, eine stabile
gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
zu erzeugen. Die Einspritzzeit für
die zweite Einspritzung wird mit zunehmender Motorlast kontinuierlich
nach früh
verstellt, um die Verteilung von Kraftstoff in der Brennkammer zu
fördern
und um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
des örtlich
festgelegten Gemisches in einem akzeptablen Bereich zu halten, um
unannehmbare Niveaus von NOx und Rauchemissionen zu vermeiden. Jedoch
kann während
des Betriebes mit Zwischenteillast selbst mit einer nach früh verstellten Einspritzzeit
die Bildung von Stickoxiden (NOx) auf ein unannehmbares Niveau ansteigen.
Somit wird die Einspritzstrategie von Aufteilungseinspritzung zu Einzeleinspritzung,
wie es in 6 gezeigt ist, etwa 100 bis
etwa 140 kPa effektiver Nettomitteldruck (NMEP), umgeschaltet. Experimente
bestätigen, dass
sowohl die Aufteilungs- als auch Einzeleinspritzungsstrategie zu
einem ähnlichen
Motorleistungsvermögen
während
des Motorbetriebes mit Zwischenteillast führen. Vergleichbare NOx-Emissionen sind
mit einer Einzelkraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes wesentlich
niedriger als mit der Aufteilungseinspritzung. Vergleichbare Kohlenwasserstoffemissionen
(HC-Emissionen) sind jedoch mit einer Einzeleinspritzung während des
Ansaugtaktes aufgrund von Zunahmen in Spalten eingefangenen Kraftstoffs,
der einer Verbrennung entweicht, größer als mit der Aufteilungseinspritzung.
Deshalb wird die exakte Last, bei der der Übergang stattfinden wird, durch
einen Kompromiss zwischen den NOx- und HC-Emissionen bestimmt.
-
6 zeigt
beispielhafte Öffnungs-
und Schließzeiten
von Ventilen als Funktion der Motorlast für die Auslass- und Einlassventile
eines Viertakt-Verbrennungsmotors,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung eines FFVA-Systems arbeitet. Darin werden
die folgenden Beschriftungen verwendet: Öffnen des Einlassventils (IVO); Schließen des
Einlassventils (IVC); Öffnen
des Auslassventils – Auslassen
(EVOe); Schließen des Auslassventils – Auslassen
(EVCe); Öffnen
des Auslassventils – Rücksaugen
(EVOr); und Schließen des Auslassventils – Rücksaugen
(EVCr). Ebenfalls in 6 sind die
lastabhängigen
Einspritzstrategien und verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten
als Funktion der Motorlast gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Insbesondere wird der Motor in einer Betriebsart
mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (CAI-L) unter etwa 420
kPa NMEP betrieben. Während
dieser Verbrennungsbetriebsart nimmt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast
zu. Bei etwa 420 kPa NMEP beträgt
der NOx-Emissionsindex etwa 1 g/kg Kraftstoff. Zwischen etwa 420
und etwa 500 kPa NMEP wird der Motor in einer Betriebsart mit gesteuerter
Selbstzündungsverbrennung
mit einem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnis (CAI-S)
betrieben, um die Verwendung einer traditionellen Nachbehandlung
mit einem 3-Wege-Katalysator für
die NOx-Steuerung
zuzulassen. Zwischen etwa 500 und etwa 600 kPa NMEP wird der Motor
in einer fremdgezündeten,
ungedrosselten Verbrennungsbetriebsart mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch
(NT-S) unter Verwendung eines frühen
Schließens
des Einlassventils für
eine Laststeuerung betrieben. Über
etwa 600 kPa NMEP hinaus wird der Motor in einer traditionellen
fremdgezündeten,
gedrosselten Verbrennungsbetriebsart mit einem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Gemisch (T-S) betrieben, bis Volllast erreicht wird.
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Die 7 und 8 zeigen
die gemessene Verbrennungsstabilität (COV von IMEP) und den spezifischen
Nettokraftstoffverbrauch (NSFC) als Funktion der Motorlast (NMEP)
für einen
Einzylinder-Benzin-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung,
der unter einer Betriebsart mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
unter Verwendung eines FFVR-Systems
betrieben wird.
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Ohne
die Verwendung der Ventil- und Kraftstoffsteuerungen der gegenwärtigen Erfindung
beträgt
die Teillastgrenze des beispielhaften – und typischsten – Viertakt-Benzinmotors
mit Direkteinspritzung und Selbstzündung etwa 240 kPa effektiver Nettomitteldruck
(NMEP) mit einem allgemein akzeptierten 5% Veränderungskoeffizient des indizierten effektiven
Mitteldrucks (COV von IMEP von Coefficient of Variation of Indicated
Mean Effective Pressure) als ein Indikator. Es ist aus 7 zu
sehen, dass mit der Kombination der FFVA-Ventil- und Kraftstoffbeaufschlagungsaspekte
der vorliegenden Erfindung eine optimale Verbrennungsphaseneinstellung
für eine
gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
durch den gesamten Lastbereich zwischen etwa 25 und etwa 500 kPa
NMEP mit weniger als 5% COV IMEP gemäß der vorliegenden Erfindung
erhalten wird. 8 demonstriert den spezifischen
Nettokraftstoffverbrauch, der bei der praktischen Ausführung der FFVA-Ventil-
und Kraftstoffaspekte der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
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Die 9–12 stellen
eine alternative Ventiltopologieimplementierung der vorliegenden
Erfindung dar, um deren Aspekte von Rücksaugung verbrannten Gases
zu bewirken. Darin liefern 2-stufige, hydraulisch gesteuerte Ventilhubmechanismen zusammen
mit Nockenphasenstellermechanismen, die beide allgemein bekannte
Arten sind, die Einlassventilphasenverschiebung und den Auslassventil-Rücksaugereignishub,
um die gewünschten Brennkammerbedingungen
gemäß der vorliegenden Erfin dung
zu bewirken. Der Einlassventilplan ist mit einer beispielhaften
Einlassdauer von im Wesentlichen 165 Grad bei einzelnen phasenverschobenen Positionen
darstellt, die mit 71, 73, 75 und 77 von
einer stärker
nach früh
zu einer stärker
nach spät
verstellten Phaseneinstellung beschriftet sind.
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Ein
niedriger Druck wird in der Brennkammer über eine Einlassventilphasenverschiebung
hergestellt, die dessen Öffnen
relativ zu dem Schließen des
Auslassventils beim Auslassereignis steuert. Bei dem vorliegenden
Beispiel, das in 9 darstellt ist, wird angenommen,
dass bewirkt wird, dass ein Auslassereignis auftritt, wobei das
Auslassventil für
mindestens einen Teil des Ausstoßtaktes von 180 bis 360 Grad
geöffnet
wird. Bei dem vorliegenden dargestellten Beispiel wird angenommen,
dass das Schließen
des Auslassventils im Wesentlichen 380 Grad nach OT des Verbrennungstaktes
oder 20 Grad nach OT des Ausstoßtaktes
entspricht. Eine vorzuziehende Auslassventil-Schließphase ist,
wie es vorher in Bezug auf die FFVA-Implementierung beschrieben wurde
(im Wesentlichen innerhalb von ungefähr 20 Grad vor OT des Ausstoßtaktes
bis 20 Grad nach OT des Ausstoßtaktes,
und stärker
bevorzugt innerhalb von ungefähr
OT des Ausstoßtaktes
bis 20 Grad nach OT des Ausstoßtaktes).
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Die
zuvor besprochenen Erwägungen
bezüglich
der Asymmetrie des Schließens
des Auslassventils und Öffnens
des Einlassventils um OT herum, die minimale Ventilüberschneidung
und des Druckabbaus im Zylinder, sind auf die vorliegende Implementierung
des Ventilphasenstellers anwendbar. Das Öffnen des Einlassventils während des
Einlassereignisses folgt vorzugsweise dem Schließen des Auslassventils bei
etwa 30 bis etwa 90 Grad nach OT des Ausstoßtaktes bei Teillast-Arbeitspunkten.
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Diese
Eigenschaften der Einlass- und Auslassventilphaseneinstellungen,
die bislang beschrieben wurden, sind im Wesentlichen in den beispielhaften
in 9 dargestellten Kurven ausgeführt. Auslassprofil 69 stellt
ein Auslassventilprofil bei einem Auslassereignis dar, wobei das
Ventilschließen
bei im Wesentlichen 20 Grad nach OT des Auslasstakts auftritt. Zu
Erläuterungszwecken
sei angenommen, dass das Auslassereignis in Bezug auf die Phaseneinstellung
des Auslassventilschließens
beim Auslassereignis im Wesentlichen statisch ist, obwohl es in
Betracht zu ziehen ist, wie es zuvor beschrieben wurde, dass eine
Verschiebung des Auslassventilprofils im Umfang der Erfindung beim
Erzielen verschiedener Ergebnisse und Ziele derselben liegt. Das
Einlassprofil 77 entspricht einem Öffnen des Einlassventils bei
im Wesentlichen 40 Grad nach dem oberen Totpunkt des Ausstoßtaktes
und einem Schließen
des Einlassventils bei im Wesentlichen 25 Grad nach dem unteren
Totpunkt des Ansaugtaktes, um ein Niveau an Unterdruck im Zylinder
zu bewirken. Die Einlassprofile 75, 73 und 71 entsprechen
jeweils früherem Öffnen des
Einlassventils bei im Wesentlichen 20 Grad nach, bei bzw. 30 Grad
vor dem oberen Totpunkt des Ausstoßtaktes. Entsprechende Schließungen des
Einlassventils für
Profile 75, 73 und 71 liegen jeweils
bei im Wesentlichen 5 Grad nach, 15 Grad vor bzw. 45 Grad vor dem
unteren Totpunkt des Ansaugtaktes. Gemäß dem Ziel, bei fortschreitend
niedrigeren Motorlasten abnehmende Zylinderdrücke zu bewirken, folgt der
Trend der Phasenkurven dem in der Figur gezeigten Pfeil abnehmender
Last.
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Ein
Kontinuum von derartigen Einlassprofilen, wie es in den endlichen,
einzelnen, in der Figur aufgetragenen Beispielen beispielhaft ausgeführt ist, mit
einer Phasenverschiebung, die der Motorlast entspricht, wie es gezeigt
ist, würde
zu den gewünschten
variierenden Unterdruckniveaus und deren Dauern in der Brennkammer
führen.
Zusätzliche
Einzelheiten hinsichtlich eines Veränderns von Unterdruckniveaus
sind ausführlicher in
den zuvor mit aufgenommenen, gemeinschaftlich übertragenen und anhängigen US-Patentanmeldungen,
Seriennummern 10/611,845, 10/611,366 und 10/899,443 ausgeführt, deren
Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
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Rückgeführte Abgase
werden wunschgemäß in die
Brennkammer zum Mischen mit Luft und Kraftstoff eingeleitet. Vorliegend,
wieder mit Bezug auf die in 9 gezeigten
Ventilpläne,
bewirkt eine Abgasrücksaug-Auslassventilbetätigung ein
Wiedereinlassen von verbrannten Gasen, die zuvor durch das Auslassventil
in den Auslasskanal ausgestoßen wurden.
Eine Hubveränderung
erlaubt eine Veränderung
in Gasbestandteilgemischen und -temperaturen in dieser Implementierung
der Abgasrücksaugung. Ein
beispielhafter Rücksaugplan
ist in 9 mit 79 beschriftet.
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Die
zuvor ausführlich
beschriebene Kraftstoffbeaufschlagungsstrategie ist gleichfalls
wunschgemäß auf die
unmittelbar vorhergehend beschriebene alternative Ventilsteuerimplementierung
von Steuerungen des Drucktrends im Zylinder anwendbar. Die Erwägungen hinsichtlich
Lastbereiche, Aufteilungs- und Einzeleinspritzungen, Zeiteinstellungen,
Verstellungen nach früh,
Verstellungen nach spät, Übergängen, Emissionen
und magere und stöchiometrische Kraftstoffverhältnisse
gelten vorliegend alle, wie es zuvor beschrieben wurde.
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10 zeigt
beispielhafte Öffnungs-
und Schließzeiten
von Ventilen als Funktion der Motorlast für die Auslass- und Einlassventile
eines Viertakt-Verbrennungsmotors,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung arbeitet, unter Verwendung variabler Ventilbetätigungsbauteile
mit 2-Stufen/Phasensteller. Darin folgt die Beschriftungskonvention
der zuvor in Relation zu 6 beschriebenen. Ebenfalls in 10 sind
die lastabhängigen Einspritzstrategien und
verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten als Funktion der Motorlast
gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt.
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Die 11 und 12 zeigen
die gemessene Verbrennungsstabilität (COV von IMEP) und den spezifischen
Nettokraftstoffverbrauch (NSFC) als Funktion der Motorlast (NMEP)
für einen
Einzylinder-Benzin-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung,
der in einer Betriebsart mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung unter Verwendung
von Bauteilen mit 2-Stufen/Phasensteller
arbeitet.
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Es
ist aus 11 zu sehen, dass mit der Kombination
aus den 2-Stufen/Phasensteller-Ventil- und Kraftstoffbeaufschlagungsaspekten
der vorliegenden Erfindung eine optimale Verbrennungsphaseneinstellung
für eine
gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
in dem gesamten Lastbereich zwischen etwa 75 und über 550
kPa NMEP hinaus mit weniger als 5% COV IMEP gemäß der vorliegenden Erfindung
erhalten wird. 12 demonstriert den spezifischen
Nettokraftstoffverbrauch, der bei der praktischen Ausführung der
2-Stufen/Phasensteller-Ventil- und Kraftstoffbeaufschlagungsaspekte
der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
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Die
vorstehend beschriebe Abgasrückführung ist
in Bezug auf nicht einschränkende
Beispiele von FFVA-, Mehrstufenhub- und Nockenphasenstellerimplementierungen
von Rücksaug-Abgasventilbetätigungen
vorgenommen worden. Gemäß einer
alternativen Rücksaugimplementierung
für eine
Abgasrückführung wird
das Einlassventil während
mindestens eines Teils des Auslassereignisses geöffnet, um verbrannte Gase in
den Einlasskanal 17 für
eine nachfolgende Rückführung oder
ein nachfolgendes Rücksaugen
davon, indem diese zurück
in die Brennkammer über
das Einlassventil gesaugt werden, auszustoßen. Rücksaug-Einlassventilbetätigungen
können ähnlich durch
Implementierungen mit FFVA, Mehrstu fenhub und Nockenphasensteller
bewirkt werden. Zusätzliche
Einzelheiten eines derartigen einlassventilbasierten Abgasrücksaugens
in Verbindung mit der Herstellung niedriger Brennkammerdrücke sind
in der zuvor mit eingeschlossenen, gemeinschaftlich übertragenen
und anhängigen
U.S. Seriennummer 10/899,443 offenbart. Zusätzlich kann eine externe Abgasrückführvorrichtung
angewandt werden. Beispielsweise können herkömmliche Abgasrückführventile
angemessene verbrannte Gase zu einem Einlasskanal des Motors liefern,
wo ein angemessener Einlassunterdruck für eine erzwungene Ansaugung
vorhanden ist. Alternativ, wenn kein ausreichender Unterdruck in
einem Einlasskanal vorhanden ist – etwa in dem Fall mit ungedrosselten
Betriebsarten, die in Systemen mit gesteuerter Selbstzündung typisch
sind – kann
eine Abgasrückführpumpe
eine sichere Druckversorgung von verbrannten Gasen zu dem Einlass
vorsehen.
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Die
vorliegende Erfindung ist hierin anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
und Abwandlungen beschrieben worden. Andere alternative Ausführungsformen,
Abwandlungen und Implementierungen können eingesetzt und praktisch
durchgeführt
werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der nur
durch die folgenden Ansprüche
begrenzt ist:
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Zusammenfassung
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Ein
Teillast-Arbeitspunkt für
einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Selbstzündung wird
verringert, ohne die Verbrennungsstabilität preiszugeben, durch eine
Ventilsteuerung, die dazu dient, Niederdruckbedingungen in der Brennkammer, in
die Kraftstoff und Abgase eingeleitet werden, herzustellen. Brennkammerdrücke während des
Ansaugzyklus werden niedriger gesteuert, wenn die Motorlast abnimmt.
Verbrannte Gase werden durch eine Vielfalt von internen und externen
Rückführungsmechanismen
in die Brennkammer zurückgeführt. Eine
Aufteilungseinspritzungs-Kraftstoffsteuerung wird während niedrigen
Teillastbetriebes eingesetzt, wohingegen eine Einzeleinspritzungs-Kraftstoffsteuerung
während
eines Betriebes mit Zwischenteillast und hoher Teillast eingesetzt
wird. Aufteilungseinspritzungen zeichnen sich durch magere Kraftstoff/Luft-Verhältnisse
aus und Einzeleinspritzungen zeichnen sich durch entweder magere
oder stöchiometrische
Kraftstoff/Luft-Verhältnisse
aus. Dadurch wird eine gesteuerte Selbstzündung über einen ausgedehnten Bereich
von Motorlasten ermöglicht,
während
eine annehmbare Verbrennungsstabilität und annehmbare Emissionen
aufrechterhalten werden.