DE102006044523A1

DE102006044523A1 - Übergangsstrategie für Motorbetrieb mit den Betriebsarten Fremdzündung und homogene Kompressionszündung

Info

Publication number: DE102006044523A1
Application number: DE102006044523A
Authority: DE
Inventors: Jialin Canton Yang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: DE102006044523B4; US20070062483A1; US20070233354A1; US7240659B2

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Brennraum mit einem Kolben und einer Zündkerze aufweist, wobei bei Übergang zwischen Fremdzündungsverbrennung und Selbstzündungsverbrennung ein erstes Gemisch aus Luft und Kraftstoff erzeugt wird, eine Betriebsbedingung des Motors so angepasst wird, dass das erste Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Selbstzündungstemperatur nahe kommt, diese aber nicht erreicht, und ein Zündfunke der Zündkerze ausgelöst wird, so dass mindestens ein Teil des ersten Gemisches verbrennt, um einen verbleibenden Teil des ersten Gemisches auf die Selbstzündungstemperatur anzuheben.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Steuern eines Motorbetriebs während verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten.
Hintergrund und Kurzdarstellung
Bei einem Verbrennungsmotor können verschiedene Arten von Verbrennung eingesetzt werden. Die Fremdzündung (SI, vom engl. Spark Ignition) eines homogenen Gemisches während des Auspufftakts ist zum Beispiel ein beispielhaftes Verfahren. Dieses Verfahren beruht auf einem zeitlich gesteuerten Zündfunken einer Zündkerze, um Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Brennraum zu verwirklichen. Eine andere Art von Verbrennung ist die homogene Kompressionszündung (HCCI, vom engl. Homogeneous-Charge, Compression Ignition), die eintritt, wenn die Temperatur des Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Brennraum die Selbstzündungstemperatur des spezifischen Kraftstoffs erreicht. HCCI-Betriebe können genutzt werden, um unter manchen Bedingungen eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine verringerte NOx-Erzeugung vorzusehen.
Bei manchen Benzinmotoren kann der Motor unter manchen Bedingungen den SI-Betrieb und unter anderen Bedingungen den HCCI-Betrieb ausführen, um einen verbesserten Gesamtbetrieb zu verwirklichen. Die HCCI-Verbrennung kann aber ein Verdünnen des Gemisches mit Luft oder Verbrennungsprodukten (Rückständen) fordern, wodurch in der HCCI-Betriebsart ein hoher Einlassdruck erzeugt wird (d.h. ungedrosselt oder verstärkt). Die SI-Verbrennung kann dagegen mit dem Gemisch bei oder nahe stöchiometrischen Verhältnissen arbeiten. Somit kann der Einlassdruck bei SI-Betrieb bei Teillast niedriger als der Atmosphärendruck sein, um die Frischluftmasse zu senken. Dadurch ist während Verbrennungsbetriebsartübergängen (beispielsweise bei Teillast) häufig eine im Wesentlichen schnelle Änderung des Einlassdrucks und/oder der Temperatur erwünscht.

Ein Ansatz zum Vornehmen eines Übergangs zwischen Verbrennungsbetriebsarten findet sich in U.S. 6,336,436. Bei diesem Ansatz wird die Kraftstoffeinspritzsteuerzeit während eines Übergangsbetriebs angepasst, wobei eine Schichtladungsverbrennung ausgeführt wird. Die Schichtladungsverbrennung wird durch Einspritzen von Kraftstoff während eines Verdichtungstakts ausgeführt. Auf diese Weise können der Einlassdruck und/oder die Temperatur allmählich über einen Zeitraum mehrerer Zyklen angepasst werden.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben einen Nachteil bei einem solchen Ansatz erkannt. Zum Beispiel kann das Verwenden einer Schichtladungsverbrennung unter manchen Bedingungen immer noch eine im Wesentlichen schnelle Änderung des Ansaugkrümmerdrucks erfordern. In einem anderen Beispiel kann die bei geschichtetem und Kompressionszündungsbetrieb ungleichartige Verbrennung eine schlechtere Leistung während des Übergangs verursachen.

Bei einem Ansatz können die obigen Belange durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Brennraum mit einem Kolben und einer Zündkerze aufweist, angegangen werden, welches umfasst: bei Übergang zwischen Fremdzündungsverbrennung und Selbstzündungsverbrennung Erzeugen eines ersten Gemisches aus Luft und Kraftstoff, Anpassen einer Betriebsbedingung des Motors, so dass das erste Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Selbstzündungstemperatur nahe kommt, sie aber nicht erreicht, und Auslösen eines Zündfunken von der Zündkerze, so dass mindestens ein Teil des ersten Gemisches verbrennt, um einen verbleibenden Teil des ersten Gemisches auf die Selbstzündungstemperatur anzuheben.

Auf diese Weise ist es möglich, einen Übergangsbetrieb an Stelle oder zusätzlich zu einem geschichteten Übergang vorzusehen. Dies kann eine Betriebsart vorsehen, die dem Kompressionszündungsbetrieb näher kommt, so dass die Änderung von Bedingungen während des Übergangs reduziert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann während des Übergangs ein zusätzlicher Betrieb vorgesehen werden, so dass eine geringere Krümmerdruckänderung vorgesehen werden kann. Dadurch kann zumindest unter manchen Bedingungen ein verbesserter Übergang vorgesehen werden.

Eingehende Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt einen Verbrennungsmotor und ein Steuersystem.

2 zeigt verschiedene Verbrennungsbetriebsarten, die bei veränderlicher Last/Umdrehungen pro Minute arbeiten.

3A und 3B sind Flussdiagramme, die ein beispielhaftes Verfahren für das gezielte Verändern der Verbrennungsbetriebsart während des Motorbetriebs zeigen.

4A und 4B sind Kurven, die beispielhafte Temperaturfenster mit und ohne Zündfunkenunterstützung als Funktion von Motorlast und/oder Kraftstoff-/Luftverhältnis zeigen.

5 ist eine Ansicht eines beispielhaften Verfahrens zum Ermitteln der Sollbetriebstemperatur des Kraftstoff-/Luftgemisches.

6 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für den Übergang zwischen Verbrennungsbetriebsarten zeigt, die eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart einsetzen.

7 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Wählen und Ausführen der Zwischen-Verbrennungsbetriebsart zeigt.

8 ist ein Diagramm einer Kraftstoffeinspritzsteuerung, das eine beispielhafte Einspritzstrategie für einen Übergang von der HCCI-Betriebsart zur SI-Betriebsart unter Verwendung von zwei Zwischen-Verbrennungsbetriebsarten zeigt.

Eingehende Beschreibung
Ein Verbrennungsmotor 10 mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, der mehrere Brennräume umfasst, wird durch ein in 1 gezeigtes elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Brennraum 30 des Motors 10 umfasst Brennraumwände 32, wobei ein Kolben 36 darin positioniert und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. In einem Beispiel umfasst der Kolben 36 eine (nicht dargestellte) Aussparung oder Mulde zum Bilden ausgewählter Schichtungs- oder Homogenisierungswerte der Luft- und Kraftstoffladung. Alternativ kann auch ein flacher Kolben verwendet werden.
Der Brennraum 30 wird mittels jeweiliger (nicht dargestellter) Einlassventile 52a und 52b und (nicht dargestellter) Auslassventile 54a und 54b mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 in Verbindung stehend gezeigt. Die Einspritzdüse 66 wird mit dem Brennraum 30 zum Zuführen flüssigen Kraftstoffs direkt in diesen proportional zur Impulsbreite des vom Steuergerät 12 mittels eines herkömmlichen elektronischen Treibers 68 empfangenen Signals fwp direkt verbunden gezeigt. Der (nicht dargestellten) Kraftstoffanlage mit Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und einem Verteilerrohr wird Kraftstoff zugeführt.
Der Ansaugkrümmer 44 wird mit einem Drosselklappengehäuse 58 mittels einer Drosselklappe 62 in Verbindung stehend gezeigt. In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselklappe 62 mit einem Elektromotor 94 verbunden, so dass die Stellung der Drosselklappe 62 mittels des Elektromotors 94 durch das Steuergerät 12 gesteuert wird. Ein Abgassauerstoffsensor 76 wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts eines Katalysators 70 verbunden gezeigt. In einer alternativen Ausführung kann der Sensor 76 ein Signal liefern, das anzeigt, ob das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Abgases entweder überstöchiometrisch oder unterstöchiometrisch ist. Ein (nicht dargestellter) mechanischer Lader oder (nicht dargestellter) mechanischer Turbolader kann in einem Beispiel mit dem Motor 10 verbunden sein.
Die (nicht dargestellte) verteilerlose Zündanlage liefert dem Brennraum 30 mittels der Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Frühzündungssignal SA vom Steuergerät 12 einen Zündfunken. Das Steuergerät 12 aktiviert während des Ansaugtakts die Einspritzdüse 66, so dass ein Gemisch des erwünschten Kraftstoff-/Luftverhältnisses gebildet wird, wenn der Zündkerze 92 durch die Zündanlage 88 Zündspannung geliefert wird. Das Steuergerät 12 steuert die von der Einspritzdüse 66 gelieferte Kraftstoffmenge, so dass das Gemisch des Kraftstoff-/Luftverhältnisses im Brennraum 30 im Wesentlichen bei (oder nahe) Stöchiometrie, einem unterstöchiometrischen Wert oder einem überstöchiometrischen Wert gewählt werden kann.
Ein Stickstoff(NOx)-Absorptionsmittel bzw. -Filter 72 wird stromabwärts des Katalysators 70 angeordnet gezeigt. Der NOx-Filter 72 absorbiert NOx, wenn der Motor 10 überstöchiometrisch arbeitet. Das absorbierte NOx wird anschließend mit HC zur Reaktion gebracht und während eines NOx-Spülzyklus katalysiert, wenn das Steuergerät 12 den Motor 10 veranlasst, entweder in einer fetten Betriebsart oder einer nahezu stöchiometrischen Betriebsart zu arbeiten.
In 1 wird das Steuergerät 12 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigter, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium zum Ausführen von Programmen und Kalibrierungswerten, das in diesem bestimmten Beispiel als Festwertspeicher 106 gezeigt wird, einen Arbeitsspeicher 108, einen Dauerspeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus.
Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich zu den bereits erläuterten Signalen empfängt, einschließlich: Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von einem Luftmengenmesser 100, der mit dem Drosselklappengehäuse 58 verbunden ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118, das einen Hinweis auf die Motordrehzahl (RPM) gibt; eine Drosselklappenstellung (TP) von einem Drosselklappenstellungssensor 120; und ein Ansaugunterdrucksignal (MAP) von einem Sensor 122. Ein Motordrehzahlsignal RMP wird von dem Steuergerät 12 aus dem Signal PIP in herkömmlicher Weise erzeugt, und ein Ansaugunterdrucksignal MAP liefert einen Hinweis auf Motorlast.
Wie nachstehend eingehender beschrieben wird, kann die Verbrennung im Motor 10 abhängig von Betriebsbedingungen von unterschiedlicher Art sein. In einem Beispiel kann eine Fremdzündung (SI) eingesetzt werden, bei der der Motor eine Zündvorrichtung, beispielsweise eine in dem Brennraum angeschlossene Zündkerze, nutzt, um die Steuerung der Verbrennung des Brennraumgases bei einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem oberen Totpunkt des Auspufftakts zu regeln. Während eines Fremdzündungsbetriebs ist die Temperatur der in den Brennraum eintretenden Luft beträchtlich niedriger als die für Selbstzündung erforderliche Temperatur. Die SI-Verbrennung kann während Warmlaufzeiträumen des Motors oder während Zeiträumen hoher Motorlast eingesetzt werden. Während die SI-Verbrennung zwar über einem breiten Bereich an Motorlast und Motordrehzahl eingesetzt werden kann, kann sie gegenüber anderen Verbrennungsarten höhere NOx-Werte und eine geringere Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzeugen.
Eine andere Art der Verbrennung, die vom Motor 10 verwendet werden kann, nutzt die homogene Kompressionszündung (HCCI), bei der eine Selbstzündung von Brennraumgasen bei einem vorbestimmten Punkt nach dem Verdichtungstakt des Verbrennungszyklus oder nahe dem oberen Totpunkt der Verdichtung erfolgt. Da das Kraftstoff-/Luftgemisch stark durch Luft oder Rückstände verdünnt ist, was zu einer niedrigeren Verbrennungsgastemperatur führt, kann die Erzeugung von NOx verglichen mit Werten, die bei der SI-Verbrennung gefunden werden, dramatisch reduziert sein. Ferner kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei der Selbstzündung eines mageren (oder verdünnten) Kraftstoff-/Luftgemisches durch Reduzieren des Motorpumpverlusts, Erhöhen des Adiabatenexponenten des Gases und durch Nutzen eines höheren Verdichtungsverhältnisses verbessert werden.
Während der HCCI-Verbrennung wird die Selbstzündung des Brennraumgases so gesteuert, dass sie bei einer erwünschten Position des Kolben erfolgt, um ein erwünschtes Drehmoment zu erzeugen, und dadurch ist es unter Umständen nicht erforderlich, einen Funken von einem Zündmechanismus auszulösen, um Verbrennung zu verwirklichen. Es kann aber, nachdem eine Selbstzündungstemperatur erreicht worden sein sollte, eine späte Steuerzeit der Zündkerze als Reservezündquelle für den Fall genutzt werden, dass die Selbstzündung nicht erfolgt.
Eine dritte Art der Verbrennung, die von dem Motor 10 ausgeführt werden kann, nutzt eine Zündvorrichtung zum Auslösen (oder Unterstützen) von Verbrennung, wenn sich die Temperatur des Brennraumgases einer Selbstzündungstemperatur nähert (z.B. einen Wert im Wesentlichen nahe der Selbstzündung erreicht, ohne Verbrennung zu verwirklichen). Eine solche zündfunkenunterstützte Art der Verbrennung kann eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufweisen und die NOx-Erzeugung gegenüber der SI-Verbrennung senken, kann aber verglichen mit HCCI-Verbrennung in einem Bereich höherer Last arbeiten. Die Zündfunkenunterstützung kann auch ein insgesamt größeres Fenster zur Temperatursteuerung bieten, da es nicht erforderlich sein muss, eine Selbstzündungstemperatur bei einer festgelegten Steuerzeit im Motorzyklus präzis zu erreichen. Ohne Zündfunkenunterstützung kann eine kleine Temperaturänderung mit anderen Worten zu einer recht großen Änderung der Verbrennungssteuerung führen, wodurch die Motorleistung beeinflusst wird. In der zündfunkenunterstützten Betriebsart ist es möglich, viele der Vorteile der HCCI-Verbrennung zu erhalten, aber die Zündeinstellung zu nutzen, um die zum Erreichen von Selbstzündung erforderliche endgültige Energie vorzusehen und somit die Steuerzeiten der Verbrennung präziser zu steuern. Somit kann in einem Beispiel unter gewissen Bedingungen die Zündfunkenunterstützung auch während Übergängen zwischen SI-Verbrennung und HCCI genutzt werden.
In einer Ausführung kann die zündfunkenunterstützte Betriebsart verwendet werden, wenn eine kleine Menge Kraftstoff den Gasen nahe der Zündkerze geliefert wird. Diese kleine Kraftstoffwolke kann genutzt werden, um einer Flamme ein besseres Ausbreiten zu ermöglichen und im Zylinder höheren Druck zu erzeugen, um dadurch eine Selbstzündung des verbleibenden Kraftstoff-/Luftgemisches auszulösen. Dadurch kann eine relativ kleine Wolke fetterer Gase verwendet werden, die sich nahe der Zündkerze befindet, die auch homogen, geschichtet oder leicht geschichtet sein kann. Ein Ansatz zum Vorsehen eines solchen Betriebs kann darin bestehen, eine zweite Kraftstoffdirekteinspritzung im Verdichtungstakt zu nutzen. Daher kann der zündfunkenunterstützte Betrieb eine einzelne oder mehrere Einspritzungen nutzen. In einer Ausführung könnte das Kraftstoff/Luftgemisch im Brennraum homogen sein, während es in einer anderen Ausführung im Wesentlichen homogen sein könnte, mit Bereichen die mager und weniger mager sind, wobei der weniger magere Bereich in die Nähe des Zündfunken vorgesehen wird.
Ein Beispiel für eine Anwendung, die mindestens die drei oben vorgestellten Verbrennungsbetriebsarten umfasst, kann die Verwendung von SI zum Anlassen und/oder nach dem Motoranlassen während eines Motorwarmlaufzeitraums einschließen. Nach einem solchen Motoranlassen und Motorwarmlaufen kann der Verbrennungsprozess für verbesserte Wirtschaftlichkeit und Emissionen über zündfunkenunterstützte Verbrennung zu HCCI-Verbrennung übergehen. Während Zeiträumen hoher Motorlastforderungen kann die Zündfunkenunterstützung aktiviert werden, um eine ordnungsgemäße Verbrennungssteuerung sicherzustellen. Wenn der Motor zu einer niedrigen oder mäßigen Lastforderung zurückgeführt wird, kann die Beteiligung der Zündfunkenunterstützung entfallen, um den vollen Nutzen von HCCI zu verwirklichen.
In einer Ausführung der Anwendung kann der Motorbetrieb abhängig von Motordrehzahl und -last in verschiedene erwünschte Verbrennungsbetriebsarten unterteilt werden. 2 zeigt drei Verbrennungsbetriebsartbereiche, die von Motordrehzahl und -last abhängen. Während 2 beispielhafte Betriebsartbereiche zeigt, können diese abhängig von verschiedenen Faktoren wie Motorauslegung, Emissionen etc. eingestellt werden. Während 2 ferner drei verschiedene Betriebsarten zeigt, können auch weitere Betriebsarten verwendet werden. Weiterhin können bei Bedarf nur zwei Betriebsarten verwendet werden.
Weiter mit 2 ist die HCCI-Betriebsart in diesem Beispiel in einem Bereich niedrigerer Drehzahl und Last und ist von einer zündfunkenunterstützten Betriebsart umgeben. Ferner wird die Fremdzündungsbetriebsart für den Rest der Betriebshüllkurve gezeigt. Während 2 verschiedene Betriebsarten zeigt, die von Drehzahl und Last abhängen, können verschiedene andere Betriebsparameter verwendet werden, beispielsweise erwünschtes Drehmoment, Krümmerdruck Nenndrehmoment, Motorbremsdrehmoment, Temperatur, Kombinationen derselben und verschiedene andere.
Wie in 2 gezeigt, kann der HCCI-Bereich in einem Beispiel innerhalb des SI-Betriebsbereichs enthalten sein. Somit kann die Zündstrategie in einer Ausführung vor dem Eintritt in den HCCI-Verbrennungsbereich von dem äußeren SI-Verbrennungsbereich einer übergangsweisen zündfunkenunterstützten Betriebsart folgen. In einer anderen Ausführung kann der Motor aber direkt zwischen SI- und HCCI-Betriebsarten oder einer Kombination von Verbrennungsbetriebsarten wechseln. In einer noch anderen Ausführung kann der Übergang zwischen Betriebsarten durch eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart erleichtert werden. Nachstehend werden unter Bezug auf die 6 und 7 Übergänge erläutert, die eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart nutzen. Weiterhin können wie vorstehend erwähnt zusätzliche Betriebsarten verwendet werden, zum Beispiel geschichtete Verbrennung oder andere.
Unter Bezug nun auf die 3A und 3B werden beispielhafte Routinen zum Ausführen eines Motorsteuerbetriebs beschrieben. Die durch die 3A und 3B beschriebenen Routinen können eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Senkung der NOx-Erzeugung durch gezieltes Ermöglichen einer Verbrennungsbetriebsart vorsehen, die für bestimmte Motor- und/oder Fahrzeugbedingungen (beispielsweise Motorlast) geeignet ist, wodurch sowohl HCCI- als auch zündfunkenunterstützte Betriebsarten vorteilhaft genutzt werden.
Im Einzelnen wird in 3A eine Routine zum Wählen einer erwünschten Motorverbrennungsbetriebsart und zum Abwandeln der Motorbetriebsparameter während Übergängen zwischen Verbrennungsbetriebsarten beschrieben. Zunächst werden bei Schritt 300 die Betriebsbedingungen des Motors ermittelt, einschließlich zum Beispiel erwünschte Motorleistung, erwünschte Last, erwünschtes Kraftstoff-/Luftverhältnis usw. Als Nächstes wird bei 302 die geeignete Verbrennungsbetriebsart anhand der Betriebsbedingungen sowie anderer Motor- und/oder Fahrzeugbedingungen wie Abgasbedingungen, Katalysatorbedingungen, Temperatur usw. gewählt. In einem Beispiel verwendet die Routine ein Kennfeld ähnlich dem von 2, um eine erwünschte Verbrennungsbetriebsart zu wählen. Ferner kann die gewählte Betriebsart auf Übergangsbedingungen beruhen. Wenn zum Beispiel gewünscht wird, von der SI-Betriebsart zur HCCI-Betriebsart zu wechseln, kann die Routine wählen, eine zündfunkenunterstützte Betriebsart zu durchlaufen, um einen verbesserten Übergang von SI- zu HCCI-Verbrennung oder umgekehrt vorzusehen. Im Einzelnen kann es unter manchen Bedingungen schwierig sein, direkt zwischen SI- und HCCI-Verbrennung zu wechseln, und daher kann, da die zündfunkenunterstützte Verbrennung mit einer weniger präzisen Temperatursteuerung von Verbrennungsgasen gesteuert werden kann, diese zwischen Betriebsarten übergangsweise verwendet werden.
Als Nächstes wird bei Schritt 304 anhand der erwünschten Betriebsart und der aktuellen Verbrennungsbetriebsart festgestellt, ob ein Übergang gewünscht ist. Soll kein Übergang eintreten, endet die Routine. Alternativ wird bei Schritt 304 festgestellt, dass ein Übergang gefordert wird, die Routine geht zu Schritt 306 weiter.
Bei Schritt 306 wird festgestellt, ob ein Übergang von SI zu Zündfunkenunterstützung gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 306 Ja lautet, geht die Routine weiter zu Schritt 308, wo die Temperatur des Brennraumgases angepasst wird. Die Anpassung der Temperatur kann durch Abändern der Betriebsparameter des Motors, beispielsweise durch Verändern der Ventilsteuerung, Zugabe von Abgasrückführung (AGR), Anhebung des Verdichtungsverhältnisses, Steuern der Luftladungstemperatur mittels einer Wärmetauscherkonfiguration, den Beitrag von Laden oder Turboladen oder eine Kombination derselben vorgenommen werden. Als Nächstes geht die Routine zu Schritt 310, wo die Zündeinstellung angepasst wird, wie nachstehend unter Bezug auf 3B und 4 beispielsweise eingehender beschrieben wird. Als Nächstes endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 306 alternativ Nein lautet, rückt die Routine zu Schritt 312 vor.
Bei Schritt 312 wird festgestellt, ob ein Übergang von Zündfunkenunterstützung zu SI gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 312 Ja lautet, dann rückt die Routine zu Schritt 314 vor, wo die Temperatursteuerung des Brennraumgases eingestellt wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 316 vor, wo die Zündeinstellung basierend auf Motorbetriebsbedingungen auf die entsprechenden Steuerzeiten eingestellt wird. Die Routine kehrt mit anderen Worten zu der Verbrennung zurück, bei der der Motor die herkömmliche Fremdzündungsverbrennung ausführt. Als Nächstes endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 312 altnativ Nein lautet, rückt die Routine zu Schritt 318 vor.
Bei Schritt 318 wird festgestellt, ob ein Übergang von Zündfunkenunterstützung zu HCCI gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 318 Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 320 vor, wo die Temperatur des Brennraumgases durch Anpassen von Motorbetriebsparametern auf die Selbstzündungstemperatur angehoben wird, wie hierin beschrieben wird. Zum Beispiel kann die Ventilsteuerung mittels eines Nockenprofilschaltmechanismus angepasst werden, um das wirksame Verdichtungsverhältnis anzuheben und vermehrte Abgasrückstände zurückzuhalten, wodurch die Ladungstemperatur angehoben wird. Es können aber auch verschiedene andere Ansätze verwendet werden, beispielsweise die Anwendung von Wärmetauschern zum Erwärmen eines Ansaugluftstroms und zum Mischen der erwärmten und nicht erwärmten Ansaugluftströme zum Steuern der Ansauglufttemperatur oder Kombinationen verschiedener Parameter. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 322 vor, wo die Zündsteuerzeiten in Richtung spät verstellt oder ausgesetzt werden. Zum Beispiel können die Zündsteuerzeiten bis zu einem Punkt über eine erwartete Selbstzündungszeit hinaus auf spät verstellt werden. Als Nächstes endet die Routine. Alternativ ist die Antwort auf Schritt 318 Nein, die Routine rückt zu Schritt 324 vor.
Bei Schritt 324 wird festgestellt, ob ein Übergang von HCCI zu Zündfunkenunterstützung gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 324 Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 326 vor, wo die Temperatur des Brennraumgases gesenkt wird, so dass die Selbstzündung reduziert wird, und somit kann die Zündeinstellung zum Steuern der Steuerzeiten der Verbrennung genutzt werden. Somit rückt die Routine zu Schritt 328 vor, wo die Zündsteuerzeiten angepasst oder eingeleitet werden. Als Nächstes endet die Routine. Alternativ rückt die Routine zu Schritt 330 vor, wenn die Antwort auf Schritt 324 Nein lautet.
Bei Schritt 330 wird festgestellt, ob ein Übergang von HCCI zu SI gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 330 Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 332 vor, wo die Temperatursteuerung des Brennraumgases abgebrochen wird. Die Temperatursteuerung kann in einem Beispiel abhängig von Übergangsbedingungen abgebrochen oder allmählich reduziert werden. Zum Beispiel kann die Zündfunkenunterstützung bei Bedaruf über mehrere Zyklen allmählich an die herkömmliche Zündeinstellung angepasst werden. Dadurch rückt die Routine dann zu Schritt 334 vor, wo die Zündsteuerzeiten basierend auf Motorbetriebsbedingungen, einschließlich Temperatur, Drehzahl, Last usw. angepasst oder eingeleitet werden. Als Nächstes endet die Routine. Alternativ lautet die Antwort auf Schritt 330 Nein, die Routine rückt zu Schritt 336 vor.
Bei Schritt 336 wird festgestellt, ob ein Übergang von SI zu HCCI gefordert wird. Wenn die Antwort auf Schritt 336 Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 338 vor, wo die Temperatur des Brennraumgases auf Selbstzündungstemperatur angehoben wird, wie hierin vorstehend beschrieben wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 340 vor, wo die Zündsteuerzeiten auf spät verstellt oder ausgesetzt werden. Als Nächstes endet die Routine. Alternativ lautet die Antwort auf Schritt 336 Nein, die Routine endet.
Als Nächstes wird unter Bezug auf 3B eine Routine zum Ermitteln der Verbrennungsbetriebsart und zum Abwandeln von Motorbetriebsparametern basierend auf gewählter Verbrennungsbetriebsart beschrieben. Zunächst werden bei Schritt 350 die Motorbetriebsbedingungen ermittelt. Zum Beispiel ermittelt die Routine Motordrehzahl, Last, Drehmoment, Temperaturen (z.B. Motorkühlmitteltemperatur, Lufttemperatur, Umgebungstemperatur) und andere Parameter. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 352 vor, wo die aktuelle Verbrennungsbetriebsart ermittelt wird. Wenn die SI-Betriebsart gewählt ist, rückt die Routine zu Schritt 354 vor. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 356 vor, wo die dem Motor zugeführte Luft basierend auf den Drehmomentforderungen des Motors gesteuert wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 358 vor, wo entsprechend der dem Motor zugeführten Luft Kraftstoff zugeführt wird, um ein Kraftstoff-/Luftverhältnis in etwa bei Stöchiometrie zu erzeugen. Als Nächstes endet die Routine.
Wenn andererseits bei Schritt 352 die HCCI-Betriebsart gewählt ist, rückt die Routine zu Schritt 360 vor. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 362 vor, wo die Temperatur des Brennraumgases durch Ändern der Betriebsparameter, beispielsweise der hierin vorstehend beschriebenen, bei einer Selbstzündungstemperatur nahe dem oberen Totpunkt gehalten wird. Die Routine kann zum Beispiel die Ventilsteuerung, den Ventilhub, das Verhältnis von zwei Ansaugluftströmen, die durch die Wärmetauscher oder an diesen vorbei strömen, die Zündsteuerung, AGR, Turbolader oder Lader und/oder Kombinationen derselben, anpassen. Als Nächstes endet die Routine.
Wenn andererseits bei Schritt 352 die zündfunkenunterstützte Betriebsart gewählt ist, rückt die Routine zu Schritt 364 vor. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 366 vor, wo die Temperatur des Brennraumgases innerhalb des Zündfunkenunterstützungstemperaturbereichs gehalten wird, um die Selbstzündung auf spät zu stellen, wie hierin unter Bezug auf 4 zum Beispiel beschrieben wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 368 vor, wo festgestellt wird, ob auf Selbstzündung hin zu testen ist. Wie nachstehend beschrieben kann die Routine die Steuerzeiten der Zündung während dieser Betriebsart ändern, um zu ermitteln, ob eine durch die Veränderung verursachte erwartete Wirkung vorliegt. Solche Informationen können zum Verändern der Gemischtemperatur verwendet werden, um eine verbesserte Zeitsteuerung der zündfunkenunterstützten Verbrennung zu ermöglichen.
Wenn die Antwort auf Schritt 368 Nein lautet, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 368 Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 370 vor, wo die Zündeinstellung um einen vorgeschriebenen Zeitpunkt herum kurz nach dem OT moduliert wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 372 vor, wo die Temperatur des Gases in dem Brennraum basierend auf der aus Schritt 370 ermittelten Zündeinstellungshistorie abgewandelt wird. Wenn zum Beispiel ermittelt wird, dass das Zünden des Funken nicht die Steuerzeiten der Verbrennung steuert (d.h. die Selbstzündung erfolgt im Wesentlichen ohne den Funken), dann kann die Temperatur des Gemisches gesenkt werden, um die vorrangige Steuerung der Verbrennungssteuerzeiten auf das Zünden der Zündkerze zurückzuführen. Ferner können diese Informationen zum Verbessern von Übergängen zwischen verschiedenen Betriebsarten verwendet werden, da eine genauere Ermittlung der Grenzwerte der Selbstzündung während des Motorbetriebs gefunden und sich verändernde Bedingungen und Alterungswirkungen berücksichtigt werden können. Schließlich endet die Routine.
Unter Bezug nun auf 4A zeigt diese eine Kurve der Selbstzündungstemperatur bei verschiedenen Motorlasten als durchgehende Linie. Während Zeiten hoher Motorlast in der HCCI-Betriebsart ohne Zündfunkenunterstützung nimmt das zulässige Temperatursteuerfenster mit sinkenden Kraftstoff-/Luftverhältnissen ab, wie schematisch in 4A gezeigt wird. Ein kleineres Temperaturfenster führt zu größerer Schwierigkeit bei der Zeitsteuerung der Selbstzündung. Ferner zeigt 4A einen erwünschten oder zulässigen Temperaturbereich des Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Brennraum während einer zündfunkenunterstützten Betriebsart bei höheren Lasten. Das breitere Temperaturfenster aufgrund der Zündfunkenunterstützung verbessert die Steuerbarkeit der Verbrennungssteuerzeiten; somit kann der HCCI-Betriebsbereich bei höherer Last genutzt werden. Während 4A ferner Veränderung bei Last zeigt, können sich auch die Temperaturen oder Temperaturbereich mit dem Kraftstoff-/Luftverhältnis der Verbrennung oder dem Gas-/Kraftstoffverhältnis verändern.
Weiterhin können die Verbrennungsteuerzeiten der zündfunkenunterstützten Selbstzündung bei höherer Last weiter auf spät verstellt werden, um die Wärmeübertragungsverluste des Motors zu reduzieren und den Spitzenzylinderdruck zu beschränken, was die erforderliche Steifigkeit der Motorstruktur beeinflusst. Ohne Zündfunkenunterstützung wird das Spätverstellen der HCCI-Verbrennungssteuerzeiten durch Fehlzündung beschränkt. Der Grund hierfür ist, dass die freigesetzte Wärme und die während der Niedertemperaturreaktionen bei oder vor dem OT erzeugten Radikalen nicht ausreichend sein können, um zu Hochtemperaturreaktionen in dem Gemisch zu gelangen, wenn die Gastemperatur aufgrund von Expansion zu schnell fällt. Wenn ein Zündfunke nach dem OT erfolgt, können die Verbrennungssteuerzeiten weiter auf spät verstellt werden und somit den HCCI-Betriebsbereich auf höhere Lasten anheben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass ein Verstellen der Zündsteuerzeiten vom OT auf erheblich spätere Zeiten den unteren Grenzwert des Temperaturbereichs ändert, wie in 4A gezeigt wird. Wenn die Motorlast steigt und die Zündsteuerzeiten noch weiter auf spät verstellt werden sollen, steuert das Motorsteuergerät die Vorrichtungen, beispielsweise das Verhältnis der beiden Ansaugluftströme, die durch die Wärmetauscher oder an diesen vorbei strömen, die AGR-Rate, die Ventilsteuerung, den Ventilhub oder andere so, dass die Gastemperatur langsam aber kontinuierlich steigt, um sicherzustellen, dass die Selbstzündung mit Zündfunkenunterstützung erfolgen kann. Das Ansteigen der Gastemperatur kann gestoppt werden, wenn detektiert wird, dass der Zündfunke keine Rolle bei der Selbstzündung spielt, wie später beschrieben wird. Zu diesem Zeitpunkt kann die Gastemperatur zum Verwenden eines Zündfunkens zum Steuern der Verbrennungssteuerzeiten auf einen etwas niedrigeren Wert angepasst werden.
Alternativ wird mit 4B ein Solltemperaturbereich zum Nutzen der zündfunkenunterstützten Betriebsart unter der Selbstzündungstemperatur gezeigt, wobei der Solltemperaturbereich mit zunehmender Last (und/oder mit abnehmendem Kraftstoff/Luftverhältnis) allmählich weiter von der Selbstzündungstemperatur entfernt ist. Ferner kann in einer alternativen Ausführung der untere Grenzwert des Temperaturbereichs eine Funktion des Kraftstoff-/Luftverhältnisses und der obere Grenzwert eine Funktion der Selbstzündungstemperatur und Last sein. Die als DT bezeichnete Temperaturdifferenz stellt eine Differenz zwischen der Selbstzündungstemperatur und der oberen Temperatur des Zündfunkenunterstützungstemperaturbereichs dar. Wie hierin beschrieben wird, kann diese Differenz zum Anpassen der Motorbetriebsparameter (beispielsweise der Temperatur) verwendet werden, um eine größere Differenz zwischen der Gemischtemperatur und der Selbstzündungstemperatur vorzusehen, wenn sich Last oder Kraftstoff-/Luftverhältnis ändert, wodurch die Ausweitung der zündfunkenunterstützten Betriebsart ermöglicht wird. Diese Differenz kann auch genutzt werden, um den HCCI-SI-Betriebsartübergang zu erleichtern, da die Gemischtemperatur niedriger ist und näher bei der für SI-Verbrennung erforderlichen Temperatur liegt.
Wenn die Last ansteigt, kann mit anderen Worten die für die Selbstzündung erforderliche Temperatur aufgrund der höheren chemischen Energiedichte (Kraftstoff) in dem Gemisch und der höheren Temperatur der Brennraumwand sinken. Ferner sinkt unter Hochlastbedingungen aufgrund der größeren Empfindlichkeit der Verbrennungssteuerzeiten auf die Änderung der Gastemperatur der Temperaturbereich bzw. das Temperaturfenster mit niedrigeren Kraftstoff-/Luftverhältnissen. Somit kann bei steigender Last die Steuerung der Temperatur im Brennraum schlechter werden. Somit kann in einer Ausführung eine erwünschte Temperaturdifferenz (DT) mit gestiegener Last oder sich veränderndem Kraftstoff-/Luftverhältnis vergrößert werden, um den mit Temperatursteuerung einhergehenden größeren Fehler zu berücksichtigen, so dass die Selbstzündungstemperatur nicht erreicht wird, sondern vielmehr die Verbrennung durch das Zünden der Zündkerze gesteuert wird.
Unter Bezug nun auf 5 wird eine beispielhafte Routine zum Ermitteln der Sollmotorbetriebstemperatur abhängig von der Verbrennungsbetriebsart, die die Informationen in 4A und 4B nutzt, beschrieben. Die Routine beginnt bei Schritt 500, wo die Verbrennungsbetriebsart ermittelt wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 502 vor, wo die Verbrennungsbetriebsart identifiziert wird, wie in 3 ermittelt wird. Wenn der Motor in der SI-Betriebsart arbeitet, endet die Routine, da die Temperatursteuerung unter SI-Betrieben abgebrochen oder reduziert werden kann.
Wenn alternativ bei Schritt 502 festgestellt wird, dass der Motor in der HCCI-Betriebsart arbeitet, rückt die Routine zu Schritt 504 vor, wo die Temperaturdifferenz zwischen der Solltemperatur und der Selbstzündung (DT) auf Null gesetzt wird. Die Temperatursteuerung während einer HCCI-Betriebsart wird mit anderen Worten so gewählt, dass die Selbstzündungstemperatur ohne Zündfunkenunterstützung erreicht wird.
Wenn stattdessen bei Schritt 502 festgestellt wird, dass der Motor in der zündfunkenunterstützten Betriebsart arbeitet, rückt die Routine zu Schritt 506 vor, wo die DT als die Differenz zwischen der Selbstzündungstemperatur und dem oberen Grenzwert des Zündfunkenunterstützungstemperaturbereichs als Funktion von Last, Drehzahl und/oder Kraftstoff-/Luftverhältnis ermittelt wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 508 vor, wo die Motorbetriebsparameter abgewandelt werden können, um die Solltemperatur aus der errechneten DT zu erhalten.
Wie vorstehend erwähnt kann die Anpassung des Solltemperaturbereichs nicht nur in der zündfunkenunterstützten Betriebsart, sondern auch dann erfolgen, wenn der Motor zwischen Verbrennungsbetriebsarten wechselt. Während des Übergangs zwischen Betriebsarten kann zum Beispiel die Sollbetriebstemperatur eine Funktion beruhend auf den Anfangs- und Endsolltemperaturen der bei dem Übergang beteiligten Betriebsarten sein.
Unter manchen Bedingungen kann der Einlassdruck während Übergängen zwischen Verbrennungsbetriebsarten angepasst werden. Der Motor kann zum Beispiel von der HCCI-Betriebsart zur SI-Betriebsart übergehen, wenn der Fahrer beschleunigt. Während solcher Übergänge kann diese Anpassung des Einlassdrucks von einer Reaktionsverzögerung mindestens eines Motorzyklus begleitet werden. In dem Fall eines Übergangs von HCCI zu SI, bei dem der angepasste Druck nachhinkt und daher höher als erwünscht ist, kann somit Motorklopfen eintreten. Alternativ kann während eines Übergangs von der SI- zur HCCI-Betriebsart dieses Nachhinken bewirken, dass der eingestellte Druck niedriger als erwünscht ist, wodurch eine instabile Verbrennung eintreten kann. Ein ähnliches Nachhinken kann bei Anpassung der Ansauglufttemperatur eintreten.
Unter Bezug nun auf 6 wird ein Flussdiagramm gezeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zum Ausführen eines Übergangs zwischen Verbrennungsbetriebsarten zeigt, die eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart nutzen. Beginnend bei Schritt 610 wird festgestellt, ob ein Übergang zwischen Verbrennungsbetriebsarten gefordert wurde. Wenn die Antwort auf Schritt 610 Nein lautet, endet die Routine. Wenn die Antwort auf Schritt 610 alternativ Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 612 vor. Bei Schritt 612 wird eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart gewählt und während des Übergangsbetriebs ausgeführt. Die Zwischen-Verbrennungsbetriebsart kann eine zündfunkenunterstützte Verbrennung nutzen, bei der mehrere Kraftstoffeinspritzungen ausgeführt und später durch einen von einer Zündkerze ausgelösten Zündfunken verbrannt werden. Eine erste Kraftstoffeinspritzung kann zum Beispiel während des Ansaugtakts vorgenommen werden, während eine zweite Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts vorgenommen wird, um ein fettes Gemisch in der Nähe der Zündkerze zu bilden. Alternativ kann eine Schichtladungsverbrennung für die Zwischen-Verbrennungsbetriebsart genutzt werden. In manchen Beispielen einer Zwischen-Schichtladungsverbrennungsbetriebsart kann eine einzelne Kraftstoffeinspritzung spät im Verdichtungstakt ausgeführt werden. In einer dritten Zwischen-Verbrennungsbetriebsart kann ein kombinierter Verbrennungsbetrieb ausgeführt werden, bei dem sowohl Schichtladungs- als auch zündfunkenunterstützte Betriebsarten genutzt werden. Die Auswahl und der Betrieb der Zwischen-Betriebsart werden nachstehend unter Bezug auf 7 eingehender beschrieben.
Nach Ausführen einer Zwischen-Verbrennungsbetriebsart bei Schritt 612 rückt die Routine zu Schritt 614 vor, wo der Ansaugluftdruck und/oder die Temperatur angepasst werden, um einen erwünschten Druck und/oder ein Temperaturziel zu erreichen. Das Anpassen des Einlassdrucks und/oder der Temperatur können durch Anpassen einer Vielzahl von Motorparametern wie AGR-Beitrag, Ventilsteuerung, Zündeinstellung, Turboladen und Laden, Wärmetauscher- und Ladeluftkühlerbeitrag u.a. verwirklicht werden. In manchen Beispielen kann der erwünschte Druck/das Temperaturziel der Betriebsdruck/die Betriebstemperatur der Sollbetriebsart sein. Das Temperaturziel für die SI-Betriebsart kann zum Beispiel die Umgebungstemperatur sein, während das Temperaturziel für die HCCI-Betriebsart die Selbstzündungstemperatur sein kann.
Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 616 vor, wo festgestellt wird, ob der Solldruck/die Solltemperatur der Ansaugluft erreicht wurde. Wenn die Antwort auf Schritt 616 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 612 zurück. Wenn die Antwort auf Schritt 616 alternativ Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 618 vor, wo die Sollverbrennungsbetriebsart ausgeführt wird. Auf diese Weise kann ein Übergang zwischen Betriebsarten allmählich vorgenommen werden, so dass ausreichend Zeit für das Anpassen verschiedener Betriebsparameter wie Einlassdruck, Einlasstemperatur, Kraftstoff-/Luftverhältnis, Kombinationen derselben usw. zur Verfügung steht.
Unter Bezug nun auf 7 wird ein Flussdiagramm gezeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zum Ausführen einer vorstehend durch Schritt 612 von 6 beschriebenen Zwischen-Verbrennungsbetriebsart darstellt. Beginnend bei Schritt 710 wird eine Zwischen-Verbrennungsbetriebsart gewählt. Die geeignete Zwischen-Verbrennungsbetriebsart kann basierend auf einer Vielzahl von Faktoren wie u.a. Umgebungsbetriebsbedingungen, Motorparametern, Fahrereingabe und Art der Übergangsforderung (d.h. HCCI zu SI oder SI zu HCCI) gewählt werden. Wenn der Motor zum Beispiel in der HCCI-Betriebsart arbeitet und der Fahrer beschleunigt, kann ein schneller Übergang zu einer SI-Betriebsart gefordert sein. In diesem Beispiel kann ein schneller Übergang am Besten durch eine bestimmte Zwischen-Betriebsart erleichtert werden, die bei Schritt 710 gewählt werden kann. In einem anderen Beispiel kann ein sanfterer Übergang ermöglicht werden, wenn ein Übergang von der SI-Betriebsart zur HCCI-Betriebsart gefordert wird, wodurch bei Schritt 710 eine einen allmählichen Übergang am Besten erleichternde Übergangsbetriebsart gewählt werden kann.
Wenn bei Schritt 710 eine zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart gewählt wird, rückt die Routine zu Schritt 712 vor, wo die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart eingeleitet wird. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 714 vor, wo ein Teil des Kraftstoffs während des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt wird, um ein homogenes Gemisch zu bilden. Als Nächstes wird bei Schritt 716 eine zweite Einspritzung des verbleibenden Kraftstoffs während des Verdichtungstakts ausgeführt, um eine Tasche fetten Gemisches in der Nähe der Zündkerze zu bilden. Als Nächstes wird bei Schritt 718 das homogene Gemisch durch Verdichtung der durch Zündfunke gezündeten Tasche fetten Gemisches gezündet. Die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart erzeugt zwar mehr NOx und bewirkt einen höheren Kraftstoffverbrauch gegenüber dem nicht unterstützten HCCI-Betrieb, dennoch sorgt sie für einen stabileren HCCI-Betrieb für Übergänge. Da weiterhin die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart vorrangig als Übergangsbetriebsart eingesetzt wird, kann sie nicht wesentlich zu NOx und Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors insgesamt beitragen.
Als Nächstes wird bei Schritt 720 festgestellt, ob der geforderte Übergang beendet ist. In manchen Beispielen kann der geforderte Übergang beendet sein, wenn der Druck und/oder die Temperatur der Ansaugluft einen Wert im Wesentlichen nahe dem der Sollbetriebsart erreichen. Wenn die Betriebsbedingungen und Motorparameter einen erwünschten Wert erreicht haben, kann ein Übergang zur Sollverbrennungsbetriebsart ausgeführt werden, wodurch der Übergang beendet wird. Wenn daher die Antwort bei Schritt 720 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 712 zurück, wo die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus genutzt wird. Wenn alternativ die Antwort bei Schritt 720 Ja lautet, endet die Routine, da die Sollverbrennungsbetriebsart erreicht wurde.
Wenn stattdessen bei Schritt 710 eine Schichtladungsverbrennungsbetriebsart gewählt wird, rückt die Routine zu Schritt 722 vor, wo eine Schichtladungsverbrennungsbetriebsart eingeleitet wird. Als Nächstes wird bei Schritt 724 eine einzelne Kraftstoffeinspritzung spät im Verdichtungstakt durchgeführt. Als Nächstes wird bei Schritt 726 eine Zündung durch eine Zündkerze zu dem erwünschten Steuerzeitpunkt vorgenommen, um die Verbrennung auszulösen. Als Nächstes wird bei Schritt 728 festgestellt, ob der geforderte Übergang beendet ist. Wenn die Antwort bei Schritt 728 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 722 zurück, wo die Schichtladungsverbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus eingesetzt wird. Wenn die Antwort bei Schritt 728 alternativ Ja lautet, endet die Routine.
Wenn alternativ bei Schritt 710 eine kombinierte Verbrennungsbetriebsart gewählt wird, rückt die Routine zu Schritt 730 vor, wo eine kombinierte Verbrennungsbetriebsart eingeleitet wird. Als Nächstes wird bei Schritt 732 die Art des Übergangs gewählt. Wenn ein Übergang von SI zu HCCI gefordert wird, rückt die Routine zu Schritt 734 vor, wo eine kombinierte Verbrennungsbetriebsart eingeleitet wird, die eine erste Schichtladungsverbrennungsbetriebsart und eine zweite zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart umfasst. Als Nächstes rückt die Routine zu Schritt 736 vor, wo die Schichtladungsverbrennungsbetriebsart genutzt wird, wobei eine einzige Kraftstoffeinspritzung spät im Verdichtungstakt bei Schritt 738 vorgenommen wird und später durch einen von einer Zündkerze bei Schritt 740 erzeugten Zündfunken verbrannt wird.
Als Nächstes wird bei Schritt 742 festgestellt, ob die nächste Verbrennungsbetriebsart des kombinierten Verbrennungsbetriebsartübergangs genutzt werden sollte. In manchen Beispielen kann die erste Verbrennungsbetriebsart des Übergangs zugunsten einer zweiten Verbrennungsbetriebsart abgebrochen werden, wenn eine vorgeschriebene Anzahl an Zyklen ausgeführt und/oder ein teilweiser Übergangszustand erreicht wurde, beispielsweise mit einer teilweisen Anpassung von Temperatur/Druck. Wenn die Antwort auf Schritt 742 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 736 zurück, wo die Schichtladungsverbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus genutzt wird. Wenn die Antwort auf Schritt 742 alternativ Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 744 vor, wo eine zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart eingeleitet wird. Als Nächstes werden mehrere Kraftstoffeinspritzungen bei den Schritten 746 und 748 ausgeführt und es wird eine Zündkerze zum Auslösen der Selbstzündung des homogenen Gemisches bei Schritt 750 verwendet. Als Nächstes wird bei Schritt 752 festgestellt, ob der geforderte Übergang beendet ist. Wenn die Antwort bei Schritt 752 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 744 zurück, wo die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus genutzt wird. Wenn die Antwort bei Schritt 752 alternativ Ja lautet, endet die Routine.
Wenn bei Schritt 732 alternativ ein Übergang von HCCI zu SI gefordert wird, rückt die Routine zu Schritt 754 vor. Bei Schritt 754 wird ein Übergang von HCCI zu SI eingeleitet, wobei eine kombinierte Verbrennungsbetriebsart während des Übergangs genutzt wird, welche eine erste zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart und eine zweite Schichtladungsverbrennungsbetriebsart umfasst. Bei Schritt 756 wird eine erste zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart während der ersten Phase des Übergangs genutzt. Als Nächstes werden bei den Schritten 758 und 760 mehrere Kraftstoffeinspritzungen vorgenommen und es wird eine Zündkerze zum Auslösen der Selbstzündung bei Schritt 762 verwendet.
Als Nächstes wird bei Schritt 764 festgestellt, ob die nächste Verbrennungsbetriebsart während des Übergangs eingesetzt werden soll. Wenn die Antwort auf Schritt 764 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 756 zurück, wo die zündfunkenunterstützte Verbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus genutzt wird. Wenn die Antwort auf Schritt 764 alternativ Ja lautet, rückt die Routine zu Schritt 766 vor, wo eine Schichtladungsverbrennungsbetriebsart eingeleitet wird, wobei bei Schritt 768 eine einzige Kraftstoffeinspritzung spät im Verdichtungstakt vorgenommen wird und später von einem von einer Zündkerze bei Schritt 770 ausgelösten Zündfunken verbrannt wird. Als Nächstes wird bei Schritt 772 festgestellt, ob der geforderte Übergang beendet ist. Wenn die Antwort bei Schritt 772 Nein lautet, kehrt die Routine zu Schritt 766 zurück, wo die Schichtladungsverbrennungsbetriebsart für den folgenden Motorzyklus genutzt wird. Wenn die Antwort bei Schritt 772 alternativ Ja lautet, endet die Routine.
Auf diese Weise können drei Zwischen-Betriebsarten: Schichtladung, Zündfunkenunterstützung oder eine Kombination derselben für den Übergang zwischen SI- und HCCI-Verbrennungsbetriebsarten genutzt werden. Die Nutzung einer Zwischen-Verbrennungsbetriebsart, die zum Verlängern des Übergangs für mindestens einen Motorzyklus verwendet werden kann, kann die Anpassung verschiedener Motorparameter erleichtern, wie Einlassdruck und/oder Temperatur. Daher sehen die hierin vorgeschlagenen Zwischen-Verbrennungsbetriebsarten eine robuste und stabile Verbrennung durch den Übergangsbetrieb vor.
Zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen verwendet werden können, wie sie vorstehend beschrieben werden. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen in das maschinenlesbare Speichermedium in dem Steuergerät 12 einzuprogrammierenden Code graphisch darstellen.
Unter Bezug nun auf 8 wird ein Einspritzsteuerungsdiagramm für eine beispielhafte Übergangsstrategie gezeigt. Im Einzelnen beginnt das Steuerungsdiagramm links mit dem in der HCCI-Betriebsart ohne Zündfunkenunterstützung arbeitenden Motor. Kurz nach 360 Grad des ersten Zyklus wird während des Ansaugtakts eine einzelne Einspritzung vorgenommen, um ein homogenes mageres Kraftstoff-/Luftgemisch zu bilden, wie in dem beispielhaften Zylinder oben gezeigt wird.
Als Nächstes wird eine zündfunkenunterstützte HCCI-Betriebsart über mehrere Zyklen des Übergangs verwendet, wobei eine erste Einspritzung während des Ansaugtakts ausgeführt wird und eine zweite Einspritzung während des Verdichtungstakts ausgeführt wird. Unter manchen Bedingungen kann aber eine unterschiedliche Anzahl an Zyklen verwendet werden oder alternativ kann die Betriebsart während des Übergangs umgangen werden. Die erste Einspritzung kann zum Erzeugen eines homogenen mageren Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Zylinder verwendet werden, und eine zweite folgende Einspritzung kann zum Erzeugen eines weniger mageren Bereichs in der Nähe der Zündkerze verwendet werden, wie vorstehend in dem beispielhaften Zylinder gezeigt wird. Als Nächstes kann ein nach 0 Grad (OT) ausgelöster Zündfunke die Kompressionszündung des Kraftstoff-/Luftgemisches einleiten. Auf diese Weise kann eine zündfunkenunterstützte HCCI-Betriebsart während des Übergangs verwendet werden, um eine allmähliche Anpassung der Motorbetriebsparameter vor dem Erreichen der Soll-SI-Betriebsart zu ermöglichen.
Zu beachten ist, dass aufgrund der durch Flammenausbreitung bewirkten längeren Brenndauer, die von den Schichtladungs- und SI-Betriebsarten erfahren wird, während der zündfunkenunterstützten Übergangsbetriebsart die Zündung später als während der Schichtladungs- und SI-Betriebsarten ausgeführt wird. Das stärkere Verstellung der Zündung auf spät der Zündunterstützungsbetriebsart soll in 8 ersichtlich gemacht werden.
Als Nächstes wird für einen einzigen Zyklus eine geschichtete SI-Betriebsart verwendet, bei der eine einzelne Einspritzung während des Verdichtungstakts ausgeführt wird und die Zündung bei etwa 0 Grad (OT) erfolgt, um die Verbrennung einzuleiten. Es kann aber eine unterschiedliche Anzahl an Zyklen verwendet werden oder alternativ kann die Betriebsart während des Übergangs umgangen werden. Die einzelne Einspritzung während des Verdichtungstakts kann zum Erzeugen eines geschichteten Kraftstoff-/Luftgemisches verwendet werden, wie vorstehend in dem beispielhaften Zylinder gezeigt wird. Auf diese Weise kann eine geschichtete SI-Betriebsart während des Übergangs verwendet werden, um eine allmähliche Anpassung der Motorbetriebsparameter vor dem Erreichen der Soll-SI-Betriebsart zu ermöglichen.
Als Nächstes wird die Soll-SI-Betriebsart durch Ausführen einer einzelnen Einspritzung während des Ansaugtakts und späteres Vornehmen einer Zündung bei etwa 0 Grad (OT) zum Einleiten der Verbrennung erreicht. Die einzelne Einspritzung kann zum Erzeugen eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches verwendet werden, das wie vorstehend in dem beispielhaften Zylinder in etwa bei Stöchiometrie liegt.
8 zeigt eine beispielhafte Übergangsstrategie, es sind aber verschiedene andere möglich. Unter manchen Bedingungen können zum Beispiel die zündfunkenunterstützte HCCI-Betriebsart und/oder die geschichtete SI-Betriebsart umgangen werden. Alternativ können sich abhängig von der aktuellen Motorbetriebsart und der Sollbetriebsart die Reihenfolge oder Dauer der Übergangsbetriebsarten unterscheiden. Zum Beispiel kann wie vorstehend unter Bezug auf 7 erläutert ein Übergang von einer SI-Betriebsart zu einer HCCI-Betriebsart vor dem Erreichen der Soll-HCCI-Betriebsart eine erste geschichtete Übergangsbetriebsart und eine zweite zündfunkenunterstützte Übergangsbetriebsart nutzen.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, Gegenkolben- und andere Motorausführungen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Brennraum mit einem Kolben und einer Zündkerze aufweist, welches umfasst: bei Übergang zwischen Fremdzündungsverbrennung und Selbstzündungsverbrennung Erzeugen eines ersten Gemisches aus Luft und Kraftstoff, Anpassen einer Betriebsbedingung des Motors, so dass das erste Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Selbstzündungstemperatur nahe kommt, diese aber nicht erreicht, und Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze, so dass mindestens ein Teil des ersten Gemisches verbrennt, um einen verbleibenden Teil des ersten Gemisches auf die Selbstzündungstemperatur anzuheben.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin während des Übergangs das Ausführen einer Einspritzung während eines Verdichtungstakts, so dass ein zweites geschichtetes Gemisch aus Luft und Kraftstoff gebildet wird, und das Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze, so dass das zweite Gemisch verbrennt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündfunke für das erste Gemisch nach dem oberen Totpunkt der Kolbenposition ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gemisch durch Ausführen einer ersten Einspritzung während eines Ansaugtakts, so dass ein magerer homogener Luft- und Kraftstoffbereich erzeugt wird, Ausführen einer zweiten Einspritzung während eines Verdichtungstakts, so dass ein weniger magerer homogener Luft- und Kraftstoffbereich im Wesentlichen nahe der Zündkerze erzeugt wird, erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Brennraum mit einem Kolben, einer Zylinder-Kraftstoffeinspritzdüse und einer Zündkerze aufweist, welches umfasst: während einer ersten Betriebsart Ausführen einer Einspritzung vor einem Verdichtungstakt, um ein erstes im Wesentlichen homogenes Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu erzeugen, und Auslösen eines Zündfunkens einer Zündkerze, so dass das erste Gemisch verbrennt; während einer zweiten Betriebsart Ausführen einer Einspritzung während eines Verdichtungstakts, um ein zweites Gemisch aus geschichteter Luft und Kraftstoff zu bildeten, und Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze, so dass das zweite Gemisch verbrennt, und während einer dritten Betriebsart Erzeugen eines dritten Luft- und Kraftstoffgemisches durch Ausführen einer ersten Einspritzung während eines Ansaugtakts, so dass ein magerer homogener Luft- und Kraftstoffbereich erzeugt wird, und Ausführen einer zweiten Einspritzung während eines Verdichtungstakts, so dass ein weniger magerer homogener Luft- und Kraftstoffbereich im Wesentlichen nahe der Zündkerze erzeugt wird, Anpassen einer Betriebsbedingung des Motors, so dass das dritte Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Selbstzündungstemperatur nahe kommt, diese aber nicht erreicht, und Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze nach dem oberen Totpunkt der Kolbenposition, sodass das dritte Gemisch verbrennt, und während einer vierten Betriebsart Anpassen einer Betriebsbedingung des Motors, so dass ein viertes Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum eine Selbstzündungstemperatur erreicht und verbrennt, ohne dass ein Zündfunke von der Zündkerze erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart während eines Zeitraums höherer Motorlast als bei der vierten Betriebsart verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart während eines Motorwarmlaufzeitraums verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Betriebsart für mindestens einen Zyklus während eines Übergangs zwischen der ersten Betriebsart und der vierten Betriebsart verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Betriebsart für mindestens einen Zyklus während eines Übergangs zwischen der ersten Betriebsart und der vierten Betriebsart verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Übergangs von der ersten Betriebsart zu der vierten Betriebsart die zweite Betriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird und dann die dritte Betriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Übergangs von der vierten Betriebsart zu der ersten Betriebsart die dritte Betriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird und dann die zweite Betriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Brennraum mit einem Kolben, einer Zylinder-Kraftstoffeinspritzdüse und einer Zündkerze aufweist, welches umfasst: während eines ersten Übergangs zwischen Betriebsarten Erzeugen eines ersten Gemisches aus Luft und Kraftstoff durch Ausführen einer ersten Einspritzung während eines Ansaugtakts, so dass ein magerer homogener Luft- und Kraftstoffbereich erzeugt wird, Ausführen einer zweiten Einspritzung während eines Verdichtungstakts, so dass ein weniger magererer homogener Luft- und Kraftstoffbereich im Wesentlichen nahe der Zündkerze erzeugt wird, und Anpassen einer Betriebsbedingung des Motors, so dass das erste Gemisch aus Luft und Kraftstoff in dem Brennraum der Selbstzündungstemperatur nahe kommt, diese aber nicht erreicht, und Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze nach dem oberen Totpunkt der Kolbenposition, so dass mindestens ein Teil des ersten Gemisches durch Selbstzündung verbrennt, und während eines zweiten Übergangs zwischen Betriebsarten Ausführen einer Einspritzung während eines Verdichtungstakts, so dass ein zweites geschichtetes Gemisch aus Luft und Kraftstoff gebildet wird, und Auslösen eines Zündfunkens der Zündkerze, so dass das zweite Gemisch verbrennt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Fremdzündungsbetriebsart zu einer Kompressionszündungsbetriebsart die erste Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Fremdzündungsbetriebsart zu einer Kompressionszündungsbetriebsart die zweite Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Kompressionszündungsbetriebsart zu einer Fremdzündungsbetriebsart die erste Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Kompressionszündungsbetriebsart zu einer Fremdzündungsbetriebsart die zweite Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Kompressionszündungsbetriebsart zu einer Fremdzündungsbetriebsart die erste Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird und später die zweite Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übergang von einer Fremdzündungsbetriebsart zu einer Kompressionszündungsbetriebsart die zweite Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird und später die erste Übergangsbetriebsart für mindestens einen Zyklus verwendet wird.