DE112006000528T5

DE112006000528T5 - Drehzahlübergangssteuerverfahren für Direkteinspritzmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung

Info

Publication number: DE112006000528T5
Application number: DE112006000528T
Authority: DE
Inventors: Chen-Fang Troy Chang; Zongxuan Troy Sun; Jun-Mo Ann Arbor Kang; Tang-Wei Troy Kuo; James A. Troy Eng; Barry L. Lake Orion Brown; Paul M. Bloomfield Hills Najt; Man-Feng Troy Chang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: DE112006000528B4; WO2006096423A3; US20060196468A1; US7367313B2; WO2006096423A2

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors, der mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, während Drehzahlübergangsvorgängen, wobei das Verfahren umfasst:
Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses (der Kraftstoffzufuhrrate), des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI), der Drosselklappenstellung, der Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und
Steuern des Motors während Drehzahlübergangsvorgängen von einem ersten stabilen Drehzahlzustand in einen zweiten stabilen Drehzahlzustand durch Synchronisieren der Änderungsraten von vorgegebenen Steuereingangsgrößen des Motors mit der aktuellen Motordrehzahl-Änderungsrate, wobei die vorgegebenen Steuereingangsgrößen wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit gesteuerter Selbstzündung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Stabilität im Hinblick auf Drehzahlübergänge bei solchen Motoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um den thermischen Wirkungsgrad von Benzin-Brennkraftmaschinen zu erhöhen, ergibt eine verdünnte Verbrennung – entweder mittels Luft oder zurückgeführtem Abgas – bekanntermaßen einen höheren thermischen Wirkungsgrad und niedrige NOx-Emissionen. Jedoch besteht wegen Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität als Ergebnis einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bis zu der ein Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Erweitern der Verdünnungsgrenze umfassen 1) das Erhöhen der Zündempfindlichkeit des Gemischs durch Verbessern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung, 2) das Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einführen von Ladungsbewegung und Ladungsturbulenz und 3) das Betreiben des Motors unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung.
Der gesteuerte Selbstzündungsprozess wird manchmal Prozess der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) genannt. In diesem Prozess wird ein Gemisch aus Verbrennungsgasen, Luft und Kraftstoff erzeugt und während der Kom- Pression gleichzeitig von vielen Zündstellen innerhalb des Gemischs aus die Selbstzündung ausgelöst, was zu einer sehr stabilen Leistungsabgabe und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Da die Verbrennung hoch verdünnt und über die gesamte Ladung gleichmäßig verteilt ist, ist die Verbrennungsgastemperatur und folglich die NOx-Emission wesentlich niedriger als jene des auf einer sich ausbreitenden Flammenfront basierenden herkömmlichen Ottomotors und des auf einer gebundenen, streuenden Flamme basierenden Dieselmotors. Sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren ist die Verbrennungsgastemperatur innerhalb des Gemischs stark heterogen bei sehr hoher lokaler Temperatur, was hohe NOx-Emissionen erzeugt.
Motoren, die unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind bei Zweitaktbenzinmotoren, die ein herkömmliches Verdichtungsverhältnis verwenden, erfolgreich demonstriert worden. Es wird geglaubt, dass der hohe Anteil an Verbrennungsgasen, die von dem vorhergehenden Zyklus verbleiben, d.h. der Restinhalt, in der Zweitaktmotor-Verbrennungskammer für das Schaffen der hohen Gemischtemperatur, die erforderlich ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern, verantwortlich ist. Bei Viertaktmotoren mit herkömmlichen Ventilmitteln ist der Restinhalt gering und eine gesteuerte Selbstzündung bei Teillast schwer zu erreichen. Bekannte Verfahren zum Herbeiführen einer gesteuerten Selbstzündung bei Teillast umfassen: 1) die Einlasslufterhitzung, 2) ein variables Verdichtungsverhältnis und 3) das Verschneiden von Benzin mit Kraftstoff, der weitere Selbstzündungsbereiche als Benzin besitzt. Bei allen oben genannten Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und Lasten, in dem eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, relativ schmal.
Motoren, die unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind bei Viertakt-Benzinmotoren, die eine variable Ventilbetätigung verwenden, um die erforderlichen Zustände für Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu erreichen, demonstriert worden. Es sind verschiedene Kraftstoffzufuhrsteuerungen, die aufgeteilte Einspritzung und Einzeleinspritzung umfassen, zur Verwendung in Verbindung mit Ventilsteuerstrategien, um über verschiedenartige Motorlastzustände hinweg eine stabile Selbstzündungsverbrennung aufrechtzuerhalten, vorgeschlagen worden.
In der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 10/899,457 ist eine beispielhafte Kraftstoffeinspritz- und Ventilstrategie für eine stabile, erweiterte gesteuerte Selbstzündung offenbart. Bei dieser folgt während des Betriebs bei niedriger Last auf eine erste Einspritzung mit einer festen Kraftstoffmenge während der Periode negativer Ventilüberlappung eine zweite Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Kompressionstaktes. Der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung eilt nach, während der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung in kontinuierlicher Weise voreilt, wenn die Motorlast zunimmt. Während des Betriebs mit einer mittleren Teillast unterstützt eine erste Kraftstoffeinspritzung während der Periode negativer Ventilüberlappung, der unmittelbar eine zweite Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Ansaugtaktes folgt, die Selbstzündung. Der optimale Abstand der zwei Einspritzungen beträgt etwa 30 bis 60 Grad Kurbelwinkel. Die Einspritzzeitpunkte beider Einspritzungen eilen in kontinuierlicher Weise nach, wenn die Motorlast zunimmt. Außerdem unterstützt während des Betriebs mit hoher Teillast eine einzelne Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes die Selbstzündung. Der Einspritzzeitpunkt eilt nach, wenn die Motorlast zunimmt.
Obwohl die oben umrissenen Fortschritte erfolgreich Fähigkeiten zur gesteuerten Selbstzündung bei stabilen Zuständen nachgewiesen haben, können schnelle Drehzahländerungen oder Drehzahlsprünge bzw. -übergänge unerwünschte Verbrennungsergebnisse einführen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Motor mit gesteuerter Selbstzündung wird die Verbrennungsphasenlage durch die Ladungstemperatur stark beeinflusst; z.B. verschiebt eine hohe Ladungstemperatur die Verbrennungsphasenlage nach vorn und kann zu einem Klopfen führen, während eine niedrige Ladungstemperatur die Verbrennungsphasenlage verzögert und zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führen kann. Obwohl das Laufen des Motors im stationären bzw. stabilen Zustand bei geeigneten Betriebsparametern wie etwa dem Einspritzzeitpunkt, der Nockenwellenverstellung, dem Zündzeitpunkt usw. sehr stabil sein kann, ist für einen optimalen Motor- und Fahrzeugbetrieb ein sanfter Übergang von einem stationären Zustand zu einem anderen wünschenswert. Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren für eine robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung während Drehzahlübergangsvorgängen bei entweder konstanten oder variablen Kraftstoffeinspritzmasse-Zufuhrraten. Mit der vorliegenden Erfindung wird während Drehzahlübergängen mittels verschiedener Kombinationen von Einspritz- und Ventilstrategien eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten.
Bei niedrigen Lasten wird der Motor ungedrosselt mit mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und gesteuerter Selbstzündung unter Anwendung der Abgasrekompression zum Steuern von Verbrennungstemperaturen betrieben. Bei hoher Teillast ist für die NOx-Emissionssteuerung ein stöchiometrischer Betrieb erforderlich; somit werden für die Verbren nungstemperatursteuerung ein gedrosselter Betrieb und eine externe Abgasrückführung (AGR) hinzugefügt. Für einen stabilen Betrieb bei verschiedenen Lasten und Drehzahlen werden aus Verweistabellen erhaltene Bedingungen für stabile Verbrennung verwendet.
Im HCCI-Betrieb mit mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen im Niedriglastbereich können ohne übermäßige Verbrennungsschwankungen schnelle Drehzahländerungen von einer niedrigen zu einer hohen Drehzahl und zurück zu einer niedrigen Drehzahl vollzogen werden, indem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (FI), der Zündzeitpunkt (SI) und die negative Ventilüberlappung (NVO) auf die Änderungen des aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses synchronisiert werden. Im stöchiometrischen Betrieb bei höheren Lasten werden für die Verbrennungstemperatursteuerung die Drosselklappenstellung und die externe AGR zur NVO hinzugefügt. Wenn Laständerungen mit Drehzahländerungen kombiniert sind, ist eine Synchronisierung der Steuereingangsgrößen mit den kombinierten Auswirkungen von Drehzahl und Last (der Kraftstoffmasse-Zufuhrrate) erforderlich, um stabile Verbrennungsbedingungen, wie sie in den Verweistabellen für stationären bzw. stabilen Betrieb gefunden werden, aufrechtzuerhalten. Wo es notwendig ist, können während schnellen Laständerungen, die eine vorgegebene Schwelle überschreiten, weitere Einstellungen hinsichtlich der Drosselklappe, der AGR oder der NVO gefordert werden, um hinreichende Gastemperaturen in den Zylindern aufrechtzuerhalten, um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten.
Es ist eine Optimalwertsteuerung vorgesehen, bei der Eingangsgrößen des Motors, die den Zündzeitpunkt, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Ventilsteuerung umfassen, kontinuierlich stationären Eingangsgrößen, die der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate und der aktuellen Drehzahl entsprechen, gleichgesetzt werden. Im Voraus kalibrierte stationäre Eingangsgrö ßen sind in Verweistabellen gespeichert, wobei Eingangsgrößen des Motors durch Interpolieren von Werten der stationären Eingangsgrößen in den Verweistabellen anhand der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate und der aktuellen Drehzahl bestimmt werden. Um die unterschiedliche Dynamik im System zu kompensieren, etwa durch Steuern der Raten der Luft- und Kraftstoffzuführung, um mit den gewünschten Drehzahlübergängen synchron zu gehen, werden Ratenbegrenzer verwendet.
Es kann eine Regelung vorgesehen sein, um die Leistung der Optimalwertsteuerung zu unterstützen, indem die Steuereingangsgrößen so abgeglichen werden, dass jegliche durch unterschiedliche Umgebungs-, Fertigungs- und Alterungsbedingungen verursachte Schwankungen kompensiert werden.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird, vollständiger verstanden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung, die gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;
2 ist ein Graph des Ventilhubs über dem Kurbelwinkel für das Einphasen von Auslass- und Einlassventilen einer Viertakt-Brennkraftmaschine, die gemäß einer beispielhaften Steuerung für gesteuerte Selbstzündung, die eine zweistufige vari able Ventilbetätigung mit dualer Nockenwellenverstellung bei verschiedenen Lasten arbeitet;
3A ist ein Graph von typischen Einlass- und Auslassventilereignissen über dem Kurbelwinkel mit beispielhaften Einspritzstrategien für gesteuerte Selbstzündung für einen Motorbetrieb mit niedriger, mittlerer bzw. höherer Teillast;
3B ist ein Graph einer typischen Zylinderdruckhistorie über dem Kurbelwinkel für eine beispielhafte Ventilstrategie für gesteuerte Selbstzündung und Abgasrekompression;
4 ist ein Graph einer beispielhaften Gesamt-Betriebsstrategie über der Motorlast für Auslass- und Einlassventile, der Kraftstoffeinspritzung und der Betriebsart für eine Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine, die gemäß beispielhaften Steuerungen für gesteuerte Selbstzündung unter Verwendung eines zweistufigen variablen Ventilbetätigungssystems mit dualer Nockenwellenverstellung arbeitet;
5 ist ein Schema eines beispielhaften Controllers, mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung während verschiedener Lastübergänge eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten wird;
6 ist ein Graph, der die genaue Struktur der bei der Optimalwertsteuerung verwendeten Verweistabelle zeigt;
7 u. 8 sind Graphen von Motortestergebnissen, wobei Drehzahländerungen zwischen zwei der extremsten Drehzahlübergänge (Beschleunigen und Verzögern), die während des New European Driving Cycle (NEDC) Tests für einen typischen Personenwagen gefordert werden, variieren;
9 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer hohen zu einer niedrigen Drehzahl bei konstanten Kraftstoffzufuhrraten von 8 mg/Zyklus, wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
10 ist ein Graph der während des Drehzahlübergangstests von 9 befohlenen NVO;
11 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von
9 gemessenen indizierten mittleren wirksamen Drucks (IMEP);
12 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer niedrigen zu einer hohen Drehzahl bei konstanten Kraftstoffzufuhrraten von 8 mg/Zyklus, wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
13 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von 12 gemessenen IMEP;
14 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1) zu einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1), wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
15 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von 14 gemessenen IMEP;
16 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1) zu einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1), wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
17 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von 16 gemessenen IMEP;
18 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1) zu einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1), wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
19 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von 18 gemessenen IMEP;
20 ist ein Graph von Drehzahlübergangstests von einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1) zu einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1), wobei verschiedene Drehzahländerungsraten getestet wurden;
21 ist ein Graph des während des Drehzahlübergangstests von 20 gemessenen IMEP;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Zur Einfachheit richten sich die folgenden Beschreibungen auf die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Einzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, obwohl hervorgehoben werden soll, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf Mehrzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung anwendbar ist. Zum Implementieren der verschiedenen Steuerungen und der Erfassung der verschiedenen hier konkretisierten Daten wurde eine Viertakt-Einzylinder-0,55-Liter-Brennkraftmaschine verwendet. Sofern nicht speziell anders besprochen wird angenommen, dass alle solche Implementierungen und Erfassungen unter Standardbedingungen ausgeführt werden, was von einem Fachmann verstanden wird. Die vorliegende Erfindung wird in ihrer Anwendung auf einen Motor mit zwei Ventilen pro Zylinder (einem Einlassventil und einem Auslassventil) beschrieben, obwohl hervorgehoben werden soll, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf einen Motor mit mehreren Ventilen pro Zylinder anwendbar ist. Obwohl die vorliegende Erfindung auf jede Strategie mit variabler Ventilbetätigung (variable valve actuation, VVA) unter Verwendung entweder eines voll flexiblen elektrohydraulischen Systems oder eines elektromechanischen Systems anwendbar ist, basiert außerdem das Beispiel, das nachstehend verwendet wird, um unsere Steuerstrategie zu veranschaulichen, auf einem zweistufigen VVA-System mit dualer Nockenwellenverstellung.
Um zunächst auf 1 der Zeichnungen näher einzugehen, gibt das Bezugszeichen 10 allgemein eine schematische Darstellung einer beispielhaften Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung an. In der Figur ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 beweglich und definiert in dem Zylinder 12 eine Verbrennungskammer 13 mit variablem Volumen. Ein Einlasskanal 14 führt Luft in die Verbrennungskammer 13. Der Luftstrom in die Verbrennungskammer 13 wird durch ein Einlassventil 15 gesteuert. Verbrennungsgase können über einen Auslasskanal 16, der durch ein Auslassventil 17 gesteuert wird, aus der Verbrennungskammer 13 strömen.
Der beispielhafte Motor 10 besitzt einen hydraulisch gesteuerten Ventiltrieb mit einem elektronischen Controller 18, der programmierbar ist und das Öffnen und Schließen sowohl des Einlassventils 15 als auch des Auslassventils 17 hydraulisch steuert. Der elektronische Controller 18 steuert die Bewegung des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17 unter Beachtung der Positionen der Einlass- und Auslassventile 15 und 17, wie sie von zwei Positionsmesswandlern 19 und 20 gemessen werden. Der Controller 18 bezieht sich auch auf die Winkelposition des Motors, wie sie durch einen Umdrehungssensor 21, der mit der Motorkurbelwelle 22 verbunden ist, angegeben wird. Die Kurbelwelle 22 ist durch einen Verbindungsstab 23 mit dem sich in dem Zylinder 12 hin- und herbewegenden Kolben 11 verbunden. Eine Benzin-Direkteinspritzvorrichtung 24, die durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird dazu verwendet, Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 13 einzuspritzen. Die dem Controller 18 zugeschriebenen verschiedenen Funktionen können durch mehrere getrennte, jedoch koordinierte Controller, die für die verschiedenen Aufgaben geeignet sind, gleichfalls ausgeführt werden.
Eine Zündkerze 25, die ebenfalls durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung des Motors bei bestimmten Zustanden (z.B. während des Kaltstarts und in der Nähe der Niedriglast-Betriebsgrenze) zu erweitern. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, sich in der Nähe der Betriebsgrenze für hohe Teillast unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung und während Betriebszuständen mit hoher Drehzahl/Last mit gedrosseltem oder nicht gedrosseltem SI-Betrieb auf die Funkenzündung zu stützen.
2 zeigt die Steuerbewegungen des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17, wobei die Ventilhubprofile als Funktion des Kurbelwinkels für das Auslassventil 17 und das Einlassventil 15 der Viertakt-Brennkraftmaschine, die mit beispielhaften Steuerungen für gesteuerte Selbstzündung (HCCI-Verbrennung) arbeitet, gezeigt sind.
Die Bewegung des Auslassventils ist durch die fetten Linien 17 gezeigt, während die Bewegung des Einlassventils durch die gestrichelten Linien 15 angegeben ist. Das Auslassventil 17 schließt früh bei einem variablen Winkel vor dem oberen Auslass/Einlass-Totpunkt (OT 360 Grad), während das Einlassventil 15 spät öffnet, vorzugsweise bei einem gleichen Winkel nach OT. Die Zwischenperiode, wenn beide Ventile geschlossen sind, wird als negative Ventilüberlappung (negative valve overlap, NVO) bezeichnet. Die paarweisen Auslass-/Einlassventilprofile 17, 15, die von dem Paar, das am engsten beieinander liegt, bis zu dem Paar, das am weitesten auseinander liegt, gehen, repräsentieren eine NVO, die mit abnehmenden Motorlasten (NMEP) von nacheinander 350, 285, 215 und 144 kPa zunimmt. Diese Ventilbewegung kann durch ein duales Nockenwellenverstellsystem oder durch irgendwelche anderen Vorrichtungen, die solche Ventilprofile erzeugen können, erreicht werden.
Mit dieser Strategie wird die negative Ventilüberlappung (NVO) durch gleichzeitiges Einphasen sowohl der Einlass- als auch der Auslasshubprofile verändert. Es ließ sich experimentell bestätigen, dass zum Aufrechterhalten einer optimalen Selbstzündungsverbrennung über den gesamten Lastbereich die erforderliche Periode negativer Ventilüberlappung mit abnehmender Motorlast linear zunimmt, wobei diese Beziehung in 2 veranschaulicht ist.
3A zeigt beispielhafte Einspritzstrategien während des Motorbetriebs mit niedriger, mittlerer bzw. hoher Teillast. Außerdem sind in 3A beispielhafte Einlass- und Auslassventilereignisse gezeigt, während in 3B die Zylinderdruckhistorie in Entsprechung mit solchen beispielhaften Ventilereignissen gezeigt ist.
Während des Betriebs mit niedrigerer Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung zweimal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch beabstandete Balken 27, 28 angegeben ist. Die erste Einspritzung 27 zwischen etwa 300 und 350 nach OT, Verbrennung, sprüht eine feste Menge an Benzin oder äquivalentem Kraftstoff in das während der Periode negativer Ventilüberlappung in dem Zylinder eingeschlossene Hochtemperatur- und Hochdruckabgas. Der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung wird in kontinuierlicher Weise verzögert, wenn die Motorlast zunimmt. Der Kraftstoff wird teilweise oxidiert und in reaktionsfähigere chemische Spezies umgewandelt, wobei Energie freigesetzt wird. Die Menge der reaktionsfähigeren chemischen Spezies und die Energie ändern sich mit der Quantität und dem Zeitpunkt von bei der ersten Einspritzung eingespritztem Kraftstoff und der Periode negativer Ventilüberlappung (NVO).
Wie in 3B gezeigt ist, werden die eingeschlossenen Gase in der NVO-Periode zum Ende des Ausstoßtaktes hin, zwischen etwa 300 und 360 Grad nach OT, nachdem das Auslassventil schließt, zuerst verdichtet. Das verdichtete Kraftstoff- und Abgasgemisch wird dann während des frühen Teils des Ansaugtaktes, wenn sowohl das Einlassventil als auch das Aus lassventil geschlossen sind, expandiert. Der Zylinderdruck fällt auf etwa den Umgebungsdruck ab, zu welcher Zeit das Einlassventil öffnet, um Frischluft in die Verbrennungskammer einzuleiten. Während des Kornpressionstaktes wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung bei 28 wieder für eine zweite Einspritzung von Benzin in die Verbrennungskammer zwischen 60 und 20 Grad vor OT, Verbrennung, aktiviert. Dieser Einspritzzeitpunkt wird gewählt, um einen rauchfreien Betrieb sicherzustellen, und wird entweder durch den Einspritzvorrichtungs-Sprühkegelwinkel oder die Menge an eingespritztem Kraftstoff beeinflusst.
Der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung wird in kontinuierlicher Weise vorverlegt, wenn die Motorlast zunimmt. Die Eindringung und die Streuung des Kraftstoffnebels werden dank einer höheren Zylinderladungstemperatur und einer höheren Zylinderladungsdichte unterdrückt. In der Verbrennungskammer wird ein örtlicher fetter Gemischbereich gebildet. Die Spezies, die durch Benzinumwandlung nach der ersten Kraftstoffeinspritzung gebildet werden, wirken mit dem durch die zweite Kraftstoffeinspritzung gebildeten örtlichen fetten Gemisch zusammen, um unter einem relativ niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne Unterstützung eines Zündfunkens im Vergleich zu einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis, das bei einem Dieselmotor verwendet wird, die Selbstzündung von Benzin zu erreichen.
Während des Betriebs mit mittlerer Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ebenfalls zweimal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch benachbarte Balken 29, 30 gezeigt ist. Die erste Einspritzung 29 sprüht ähnlich wie jene, die bei dem Betrieb mit niedriger Teillast verwendet wird, zwischen etwa 300 und 360 Grad nach OT, Verbrennung, Benzin in die Verbrennungskammer. Die zweite Einspritzung 30 jedoch beginnt etwa 30 bis 60 Grad nach dem Ende der ersten Einspritzung.
Beide Einspritzungen werden während der Periode negativer Ventilüberlappung oder des nachfolgenden Ansaugtaktes ausgeführt. Die Einspritzzeitpunkte beider Einspritzungen werden in kontinuierlicher Weise verzögert, wenn die Motorlast zunimmt. Das Ziel ist, eine aufgeteilte Einspritzung zum Steuern der Benzinumwandlung und somit des Selbstzündungsprozesses zu verwenden. Sowohl für einen Betrieb bei niedriger Last als auch für einen Betrieb bei mittlerer Teillast reichen 1–3 mg Kraftstoff für die erste Einspritzung 29 aus. Der restliche Kraftstoff wird während der zweiten Einspritzung 30 eingespritzt.
Während des Betriebs mit hoher Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nur einmal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch den Balken 31 gezeigt ist. Der Einspritzzeitpunkt variiert zwischen 340 und 490 Grad nach OT, Verbrennung, in Abhängigkeit von der Motorlast. Der Einspritzzeitpunkt wird verzögert, wenn die Motorlast zunimmt.
Der Übergang von einer Einspritzstrategie zu einer anderen während einer Laständerung wird geregelt, was sowohl die Motorleistung als auch die Emissionen günstig beeinflusst. Während des Betriebs mit niedriger Teillast ist beispielsweise die aufgeteilte Einspritzung – wobei die erste Einspritzung 27 während der Periode negativer Ventilüberlappung stattfindet und die zweiten Einspritzung 28 während des Kompressionstaktes stattfindet – die einzige Einspritzstrategie, die sich als geeignet erwiesen hat, eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung zu erzeugen. Der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung 28 wird mit zunehmender Motorlast kontinuierlich vorverlegt, um die Streuung von Kraftstoff in dem Zylinderinhalt zu fördern und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des örtlichen Gemischs in einem annehmbaren Bereich zu halten, um übermäßige Emissionen von NOx und Rauch zu vermeiden.
Jedoch kann selbst bei dem vorverlegten Einspritzzeitpunkt die Bildung von Stickoxiden (NOx) während des Betriebs bei mittlerer Teillast noch auf unannehmbare Pegel ansteigen. Somit wird bei mittlerer Teillast der Einspritzzeitpunkt der zweiten Kraftstoffeinspritzung 30 von dem Kompressionstakt zu dem Ansaugtakt verschoben, wie in 3A gezeigt ist. Es ließ sich experimentell bestätigen, dass beide Strategien zu einer ähnlichen Motorleistung führen. Obwohl mit der zweiten Kraftstoffeinspritzung 30 während des Ansaugtaktes die NOx-Emission stark reduziert werden kann, nimmt infolge einer Zunahme des in dem Spalt eingeschlossenen Kraftstoffs, der der Verbrennung entweicht, die HC-Emission zu. Die genaue Last, bei der der Übergang stattfindet, wird durch einen Kompromiss hinsichtlich der Emissionen bestimmt.
4 zeigt beispielhafte Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte als Funktion der Motorlast für die Auslass- und Einlassventile einer Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine, die bei einer konstanten Drehzahl arbeitet. Die Ventilsteuerung dient als Beispiel für eine Abgasrekompression unter Verwendung eines zweistufigen VVA-Systems mit dualer Nockenwellenverstellung. Auslassventilöffnungen über dem Lastbereich (NMEP) sind durch eine fette Linie 33 gezeigt, während Auslassventilschließungen durch eine gestrichelte Linie 34 gezeigt sind. Einlassventilöffnungen sind durch eine fette Linie 35 gezeigt, während Einlassventilschließungen durch eine gestrichelte Linie 36 gezeigt sind. In 4 sind außerdem die Einspritzstrategie (aufgeteilt gegenüber einzeln) und verschiedene Verbrennungsbetriebsarten als Funktion der Motorlast bei einer beispielhaften konstanten Drehzahl gezeigt.
Insbesondere wird der Motor unterhalb von 320 kPa NMEP in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (HCCI/mager) betrieben. Während dieser Verbrennungsbetriebsart nimmt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast zu. Bei 320 kPa NMEP beträgt der NOx-Emissionsindex etwa 1 g/kg Kraftstoff. Demgemäß wird der Motor zwischen 320 und 400 kPa NMEP in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (HCCI/stöch.) betrieben, um die Verwendung einer herkömmlichen Nachbehandlungsvorrichtung für NOx-Steuerung zu ermöglichen. In dem Abschnitt höherer Last dieser Betriebsart kann die aufgeteilte Einspritzung verwendet werden, um die maximale Rate des Zylinderdruckanstiegs zu begrenzen.
Zwischen 400 und 600 kPa NMEP wird der Motor in einer Funkenzündungsbetriebsart, ungedrosselt, stöchiometrisch, mit Last, die durch VVA-Strategien wie etwa eine frühe Einlassventilschließung (SI-NTLC/stöch., wie gezeigt) oder eine späte Einlassventilschließung gesteuert wird, betrieben. Jenseits von 600 kPa NMEP wird der Motor in einer herkömmlichen Betriebsart mit Funkenzündung und gedrosselter Verbrennung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (SI-gedrosselt/stöch.) betrieben, bis Volllast erreicht ist. Die aufgeteilte Einspritzung kann in jeder der letzten beiden Betriebsarten verwendet werden, um die maximale Rate des Zylinderdruckanstiegs zu begrenzen.
Es soll betont werden, dass die Kalibrierungswerte in 4 im Wesentlichen die Werte für 1000 min^–1 in der Verweistabelle von 6, die im Folgenden besprochen werden wird, sind. Für andere Motordrehzahlen äußern sich experimentell Betriebsstrategien hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung, der Ventilsteuerung und der Verbrennung, die zu jenen, die in 4 gezeigt sind, ähnlich sind, wobei lediglich dort, wo verschiedenartige Übergänge stattfinden, Unterschiede in den genauen NMEP-Werten auf treten. Im Allgemeinen nehmen die in 4 berichteten NMEP-Werte für die verschiedenartigen Übergänge mit zunehmender Motordrehzahl ab. Insbesondere nimmt die Hochlast-Betriebsgrenze wegen des geringeren Motorwärmeverlustes zu dem Kühlmittel, der zu höheren Zyklustemperaturen führt, mit zunehmender Motordrehzahl ab. Somit nimmt auch der Bereich der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit zunehmender Motordrehzahl ab.
Bei einem Motor mit gesteuerter Selbstzündung wird die Verbrennungsphasenlage stark durch die Ladungstemperatur beeinflusst; z.B. können höhere Ladungstemperaturen die Verbrennungsphasenlage nach vorn verschieben und zu einem Klopfen führen, während niedrige Ladungstemperaturen die Verbrennungsphasenlage verzögern und zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führen können. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung von einer niedrigen zu einer hohen Teillast (und umgekehrt) während schnellen Drehzahlübergangen. Mit der vorliegenden Erfindung wird während Drehzahlübergängen mittels verschiedener Kombinationen von Einspritz- und Ventilstrategien eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten.
5 zeigt einen Schaltplan eines Motorcontrollers 40 gemäß der Erfindung, mit dem während Drehzahlübergängen, entweder mit einer konstanten oder mit einer variablen Kraftstoffzufuhrrate, eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht wird. Der Controller 40 umfasst eine Optimalwertsteuerung 42 und eine Regelung 44, die mit zugeordneten Komponenten eines repräsentativen Benzin-Direkteinspritzmotors 46 verbunden sind, obwohl sich die vorliegende Erfindung auf die Optimalwertsteuerung konzentriert.
Die Optimalwertsteuerung 42 ist entscheidend dafür, dass eine schnelle Systemreaktion erzielt wird, und umfasst zwei Hauptelemente, nämlich Verweistabellen und Ratenbegrenzer. Auf der Grundlage der gewünschten Last und der Motorbetriebszustände werden anhand der Verweistabellen 57 die erforderlichen Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (FI) und Impulsbreiten (die Kraftstoffzufuhrrate) 48, die Ventilbetätigung (NVO) 50, der Zündzeitpunkt (SI) 52, die Drosselklappenstellung 54 und die AGR-Ventilstellung 56 berechnet, um die Verbrennungsphasenlage zu steuern. Außerdem werden in Abhängigkeit von den aktuellen Motorbetriebszuständen und der Lastanforderung vom Fahrer variable Ratenbegrenzer 58, 60, 62, 64, 66 verwendet, um die unterschiedliche Dynamik im System, z.B. die Luft- und Kraftstoffdynamik, zu kompensieren, wie später näher besprochen wird.
6 ist ein Arbeitsdiagramm einer Verweistabelle, bei der zwei Eingangsvariablen die Motordrehzahl 67 und die Kraftstoffzufuhrrate 68 sind und die Steuerausgangsvariablen 69 den Kraftstoffeinspritz-, den Ventilbetätigungs- und den Zündzeitpunkt enthalten. Es sei angemerkt, dass bei der vorgeschlagenen Anwendung anders als bei herkömmlicheren SI-Motoren die Kraftstoffzufuhrrate nicht notwendigerweise zu dem vom Fahrer angeforderten Drehmoment (oder zur Last, die auf der Eingangsgröße vom Pedal basiert) proportional ist. Wegen der komplexeren Natur vieler möglicher Verbrennungsbetriebsarten ist es nicht ungewöhnlich, dass ein SIDI/HCCI-Motor bei einer geringfügig kleineren Kraftstoffzufuhrrate in Wirklichkeit ein größeres Drehmoment erzeugt, wenn die Motordrehzahl zunimmt, und umgekehrt. Es ist entscheidend, die richtige Einspritzstrategie und die Kraftstoffzufuhrrate für jede Verbrennungsbetriebsart in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment und dem Motorbetriebszustand zu bestimmen, wie später besprochen wird. Daher sind die in den Tests verwendeten verschiedenen Kraftstoffzufuhrraten, die im Folgenden berichtet werden, wohlgemerkt nur dazu gedacht, die vorgeschlagene Drehzahlübergangssteuermethodik unter Motorlasten zu demonstrieren. Die genaue Abbildung des vom Fahrer angeforderten Motordrehmoments auf die erforderliche Kraftstoffzufuhrrate muss für die Betriebszustände jedes Motormodells entwickelt werden.
Wie später gezeigt wird, ist während schnellen Drehzahlübergängen in der Testzelle unter bloßer Anwendung der Optimalwertsteuerung 42 mit kalibrierten Verweistabellen 57 eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten worden. Jedoch wird, um in einer ungewisseren Umgebung zu arbeiten, der Rückkopplungsteil verwendet, um die Gesamt-Systemrobustheit weiter zu verbessern. Für die Regelung können physikalische Variablen wie etwa die Abgastemperatur, der Rekompressionsdruck usw. verwendet werden. Es soll betont werden, dass, obwohl die hier präsentierten Beispiele von einem Motor stammen, der im CAI- /Magerbereich (in der CAI-/Magerbetriebsart) arbeitet, dieselbe Methodik als ebenso auf andere Bereiche anwendbar erachtet wird. Im letzteren Fall würden die Verweistabellen den Kraftstoffeinspritz-, den Ventilbetätigungs- und den Zündzeitpunkt, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung enthalten. Es wird erwartet, dass die Anwendung der Regelung bei diesen weiteren Betriebsbereichen wichtiger sein wird.
Im Grundbetrieb der Optimalwertsteuerung 42 werden während schnellen Drehzahlübergängen bei HCCI-(Kompressionszündung mit homogener Ladung)-Motorbetrieb Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens den Zündzeitpunkt (SI), den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (FI) und die Ventilsteuerung (sowie, falls verwendet, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung) umfassen, stationären Eingangsgrößen, die dem aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss (der Kraftstoffzufuhrrate) entsprechen, gleichgesetzt (d.h. mit diesen synchronisiert). In den Verweis tabellen 57 sind im Voraus kalibrierte stationäre Eingangsgrößen gespeichert, wobei die Motoreingangsgrößen durch Interpolieren von Werten der stationären Eingangsgrößen in den Verweistabellen bestimmt werden.
Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wird anhand von Testergebnissen mit Drehzahländerungsraten, die zwischen den zwei extremsten Drehzahländerungsraten, die während des New European Driving Cycle (NEDC) auftreten, variieren und in 7 (Beschleunigungsübergang) und 8 (Verzögerungsübergang) gezeigt sind, demonstriert. In 7 zeigt die Linie 70 die Motordrehzahl in min^–1 über der Zeit in Sekunden für eine schnelle Beschleunigung. Die Gerade 72 gibt die Spitzenbeschleunigungsrate von etwa 1300 min^–1/s an. Die Linie 74 zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h. In 8 zeigt die Linie 76 die Motordrehzahl in min^–1 über der Zeit in Sekunden für eine schnelle Verzögerung. Die Gerade 78 gibt die Spitzenverzögerungsrate von etwa 175 min^–1/s an. Die Linie 80 zeigt wiederum die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h.
Die 9–21 zeigen graphisch die Ergebnisse von Drehzahlübergangstests, wobei jeder bei 6 unterschiedlichen Drehzahländerungsraten von 1100(A), 900(B), 700(C), 500(D), 300(E) und 100(F) min^–1/s abläuft, wobei die Zeichen A–F die Linien kennzeichnen, die die zugeordneten Drehzahlen der Tests angeben.
9 zeigt die Motordrehzahl über Zyklen für Drehzahlübergangstests mit einer Verzögerung von einer hohen Drehzahl von 2000 min^–1 auf eine niedrige Drehzahl von 1000 min^–1 bei einer konstanten Kraftstoffzufuhrrate von 8 mg/Zyklus. In der Figur sind außerdem der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO bei den zwei Enddrehzahlpunkten während des stationären bzw. stabilen Betriebs gezeigt. Alle diese Parameter folgen derselben Änderungsrate wie jener der entsprechenden Dreh zahländerungsrate. Ein Beispiel ist in 10 gezeigt, wo die befohlene NVO während der Drehzahlübergangstests von 9 wiedergegeben ist.
11 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 9 gemessenen IMEP. Aus der Figur geht hervor, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang von 270 kPa zu 240 kPa verändern. Ferner ist die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung während allen Drehzahlübergangstests stets robust, wobei weder eine Fehlzündung noch Teilverbrennungen beobachtet werden.
12 zeigt die Motordrehzahl über Zyklen für Drehzahlübergangstests mit einer Beschleunigung von einer niedrigen Drehzahl von 1000 min^–1 auf eine hohe Drehzahl von 2000 min^–1 bei einer konstanten Kraftstoffzufuhrrate von 8 mg/Zyklus. In der Figur sind außerdem der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO an den zwei Enddrehzahlpunkten während des stationären bzw. stabilen Betriebs gezeigt.
13 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 12 gemessenen IMEP. Es ist ersichtlich, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang zuerst von 240 zu 265 kPa verändern. Es braucht dann etwa weitere 50 Zyklen, bis der gemessene IMEP den stationären bzw. stabilen Wert von 270 kPa erreicht. Es kann außerdem beobachtet werden, dass die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung weniger robust ist, wobei gelegentliche Teilverbrennungen während des Drehzahlübergangs und nach diesem auftreten. Durch Vergleichen von 11 mit 13 ist zu sehen, dass bei konstanter Kraftstoffzufuhrrate die gesteuerte Selbstzündung bei Übergängen von einer hohen zu einer niedrigen Drehzahl robuster als jene bei Übergängen von einer niedrigen zu einer hohen Drehzahl ist.
14 zeigt Motor-Drehzahlübergangstests von einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1) zu einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1). In 14 sind außerdem die Drehzahl, der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO bei den zwei Enddrehzahlpunkten während des stationären bzw. stabilen Betriebs gezeigt. Während den Drehzahlübergangstests folgten alle diese Parameter derselben Änderungsrate wie jener der entsprechenden Drehzahländerungsrate.
15 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 14 gemessenen IMEP. Aus der Figur ist ersichtlich, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang von 280 zu 140 kPa verändern. Ferner ist die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung während allen Drehzahlübergangstests stets robust, wobei weder eine Fehlzündung noch Teilverbrennungen beobachtet werden. Die sichtbare höhere Standardabweichung von IMEP bei einem Motorbetrieb mit 1000 min^–1 und 6 mg/Zyklus ist für die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung bei Niedriglast typisch.
16 zeigt Motor-Drehzahlübergangstests von einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1) zu einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1). In 16 sind außerdem die Drehzahl, der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO für vier Testpunkte während des stationären Betriebs gezeigt. Während den Drehzahlübergangstests folgten alle diese Parameter derselben Änderungsrate wie jener der entsprechenden Drehzahländerungsrate.
17 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 16 gemessenen IMEP. Aus der Figur ist ersichtlich, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang von 140 zu 270 kPa verändern. Es braucht dann etwa weitere 100 Zyklen, bis der gemessene IMEP den stationären Wert von 280 kPa erreicht. Es kann außerdem beobachtet werden, dass die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung weniger robust ist, wobei gelegentliche Teilverbrennungen während des Drehzahlübergangs und nach diesem auftreten. Durch Vergleichen von 15 mit 17 ist zu sehen, dass die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung bei Übergängen von einem Betriebspunkt hoher Drehzahl und hoher Last zu einem Betriebspunkt niedriger Drehzahl und niedriger Last robuster ist.
18 zeigt Motor-Drehzahlübergangstests von einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1) zu einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1). In 18 sind außerdem die Drehzahl, der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO für drei Testpunkte während des stationären Betriebs gezeigt. Während den Drehzahlübergangstests folgten alle diese Parameter derselben Änderungsrate wie jener der entsprechenden Drehzahländerungsrate.
19 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 18 gemessenen IMEP. Aus der Figur geht hervor, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang von 190 zu 246 kPa verändern. Ferner ist die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung während allen Drehzahlübergangstests stets robust, wobei weder eine Fehlzündung noch Teilverbrennungen beobachtet werden.
20 zeigt Motor-Drehzahlübergangstests von einer hohen Kraftstoffzufuhrrate (8 mg/Zyklus) bei niedriger Drehzahl (1000 min^–1) zu einer niedrigen Kraftstoffzufuhrrate (6 mg/Zyklus) bei hoher Drehzahl (2000 min^–1). In 20 sind außerdem die Drehzahl, der Kraftstoffeinspritz- und der Zündzeitpunkt sowie NVO für drei Testpunkte während des stationären Betriebs gezeigt. Während den Drehzahlübergangstests folgten alle diese Parameter derselben Änderungsrate wie jener der entsprechenden Drehzahländerungsrate.
21 zeigt den während den Drehzahlübergangstests von 20 gemessenen IMEP. Aus der Figur ist ersichtlich, dass sich die gemessenen IMEP-Werte bei allen untersuchten Drehzahländerungsraten sofort nach dem Drehzahlübergang von 246 zu 185 kPa verändern. Es braucht dann etwa weitere 100 Zyklen, bis der gemessene IMEP den stationären Wert von 190 kPa erreicht. In diesem Fall ist die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung bei dem untersuchten Drehzahl- und Kraftstoffzufuhrratenbereich jedoch etwas weniger robust als jene die in 19 für ist.
Zusammengefasst ist die vorliegende Erfindung wirksam beim Aufrechterhalten einer robusten Selbstzündungsverbrennung während Drehzahlübergängen bei konstanten oder variablen Kraftstoffzufuhrraten. Während allen Drehzahlübergangstests traten keine Fehlzündung und keine wesentlichen Teilverbrennungen auf.
Wohlgemerkt sind die weit reichenden Konzepte der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Verwendung zusammen mit dem beispielhaften Optimalwertsteuerung/Regelung-Steuersystem, auf das bei der Anwendung verwiesen worden ist, begrenzt. Auch ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Steuerungen begrenzt, die wie hier besprochen auf Verweistabellen basieren. Ferner können bei einem Motor, der über seinen vollen Betriebsbereich in mehreren Betriebsarten betreibbar ist, manche Motor-Steuereingangsgrößen, die in einer Betriebsart verwendet werden, in einer anderen Betriebsart inaktiv sein.
Der Ausdruck "Synchronisieren von Änderungsraten" wie er hier verwendet wird, bedeutet, dass die Änderungsraten von zusammenhängenden Steuereingangsgrößen proportional zur Änderung der Drehzahl oder Last, mit der sie zusammenhängen, verändert werden. Somit könnten Änderungsraten von Steuereingangsgrößen konstant sein oder sich relativ zur Drehzahl- oder Laständerung, auf die sie bezogen sind, verändern. Sie könnten beispielsweise auch während eines Abschnitts einer Drehzahländerung variieren und während eines anderen Abschnitts, wo eine Funktion der Eingangsgröße nicht benötigt wird oder von einer anderen Eingabevorrichtung ausgeführt wird, inaktiv oder fest sein. In einem solchen Fall würde die Steuereingangsgröße eine feste oder variable Änderungsratenbeziehung zu der Drehzahländerungsrate besitzen, wenn die Eingangsgröße aktiv ist, jedoch eine Nullratenbeziehung besitzen, wenn die Eingangsgröße inaktiv ist.
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.
Drehzahlübergangssteuerverfahren für Direkteinspritzmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
Zusammenfassung
Ein Direkteinspritzmotor mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung wird in einem Lastbereich der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen der Motorsteuereingangsgrößen, die wenigstens den Einspritzzeitpunkt (FI), den Zündzeitpunkt (SI), die Drosselklappenstellung, die Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und die durch negative Ventilüberlappung (NVO) erhaltene Rekompression umfassen, in einem stabilen Zustand betrieben. Während MotorDrehzahlübergängen werden die Steuereingangsgrößen auf Änderungen der aktuellen Motordrehzahl und außerdem mit jeglichen gleichzeitigen Änderungen der Motorkraftstoffzufuhrrate synchronisiert. Eingangsgrößen, die während der gesamten Drehzahländerung oder eines Teils von dieser inaktiv sind, besitzen, während sie inaktiv sind, eine Null-Änderungsrate. Das Verfahren hält während Drehzahlübergängen bei konstanten oder variablen Kraftstoffzufuhrraten und mit oder ohne Laständerungen eine robuste Selbstzündungsverbrennung aufrecht.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors, der mit gesteuerter Selbstzündung betrieben wird, während Drehzahlübergangsvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses (der Kraftstoffzufuhrrate), des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI), der Drosselklappenstellung, der Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und Steuern des Motors während Drehzahlübergangsvorgängen von einem ersten stabilen Drehzahlzustand in einen zweiten stabilen Drehzahlzustand durch Synchronisieren der Änderungsraten von vorgegebenen Steuereingangsgrößen des Motors mit der aktuellen Motordrehzahl-Änderungsrate, wobei die vorgegebenen Steuereingangsgrößen wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Motor mit mageren Kraftstoff-Luft-Dünngemischen betrieben wird und die Steuereingangsgrößen FI, SI und NVO umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Motor mit stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Dünngemischen betrieben wird und die Steuereingangsgrößen FI, SI, NVO, die Drosselklappeneinstellung und die AGR-Ventileinstellung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drehzahlübergänge von Lastübergängen begleitet sind, die gleichzeitige Kraftstoffzufuhränderungen nach sich ziehen, wobei das Verfahren das Synchronisieren der Änderungsraten der Steuereingangsgrößen mit der aktuellen Motordrehzahl-Änderungsrate und der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Motoreingangsgrößen durch eine Optimalwertsteuerung synchronisiert werden, die während Drehzahlübergangsvorgängen vorgegebene Beziehungen zwischen momentanen Drehzahlwerten und entsprechenden Werten der damit zusammenhängenden Motoreingangsgrößen aufrechterhalten.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die vorgegebenen Beziehungen durch Verweistabellen, die einem Computer-Steuersystem zugänglich sind, bereitgestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 5, das eine Regelung umfasst, die die Optimalwertsteuerung anhand von gemessenen Werten der Motorleistung abgleicht, um Fehler in den gesteuerten Ausgangswerten zu minimieren und die Ausgangswerte mit den vorgegebenen Beziehungen in Einklang zu bringen.