DE10191819B4 - Motor mit Kompressionszündung von Vorgemisch und Betriebsverfahren - Google Patents

Motor mit Kompressionszündung von Vorgemisch und Betriebsverfahren Download PDF

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Abstract

Verbrennungsmotor (10), der in einem Modus der Kompressionszündung einer vorgemischten Ladung oder eines Vorgemischs bei einer Motordrehzahl und einem Motordrehmoment, die einer Motorleistung entsprechen, betreibbar ist, aufweisend:
einen Motorkörper (12);
eine Brennkammer (16), die im Motorkörper (12) gebildet ist;
ein Lufteinlaßsystem (18) zur Zuführung von Ansaugluft zur Brennkammer (16);
ein Kraftstoffzufuhrsystem (60), das am oder auf dem Motorkörper (12) angebracht ist, zur Versorgung des Lufteinlaßsystems (18) und/oder der Brennkammer (16), wobei der Zufuhrkraftstoff und die Ansaugluft eine vorgemischte Ladung oder ein Vorgemisch bilden; und
ein Steuersystem (54), das angepaßt ist, um das Motordrehmoment und die Motordrehzahl anzupassen, wenn der Motor (10) im Kompressionszündmodus mit vorgemischter Ladung oder Vorgemisch arbeitet, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs zu variieren, während eine Soll- oder bestimmte Motorleistung geliefert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell einen Verbrennungsmotor, der in der Lage ist, in einem Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch zu arbeiten, wobei der Beginn der Verbrennung effektiv gesteuert wird, und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Seit weit mehr als 75 Jahren war der Verbrennungsmotor die Hauptquelle des Menschen für Antriebskraft. Es wäre schwierig, seine Bedeutung oder die Engineeringbemühungen zu übertreiben, die für seine Perfektionierung aufgebracht werden. Die Technik des Verbrennungsmotorkonzepts ist so ausgereift und gut verstanden, daß die meisten sogenannten "neuen" Motorenkonzepte bloße Konzepte sind, die darin bestehen, aus einer Vielzahl bekannter Alternativen auszuwählen. Eine verbesserte Abtriebsdrehmomentkurve läßt sich zum Beispiel leicht verwirklichen, indem auf die Kraftstoffsparsamkeit des Motors verzichtet wird. Die Schadstoffemissionsbekämpfung oder gesteigerte Zuverlässigkeit kann mit gesteigerten Kosten erzielt werden. Weitere Zielsetzungen können realisiert werden, wie mehr Leistung und Größen- oder Gewichtsreduzierungen, jedoch normalerweise sowohl auf Kosten der Kraftstoffeffizienz als auch auf Kosten des Aufwands.
  • Die Herausforderung ist für heutige Designer durch die Notwendigkeit signifikant gestiegen, den Regierungsauflagen hinsichtlich der Emissionseinschränkung zu entsprechen und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz beizubehalten oder zu steigern. Angesichts der Reife des Motorkonzepts ist es extrem schwierig, gesteigerte Motorleistung und Emissionsreduzierung aus weiteren Innovationen des heute im Handel erhältlichen grundlegenden Motordesigns zu holen. Der Bedarf an solchen Innovationen ist dennoch so hoch wie noch nie angesichts der Reihen scharfer Forderungen der Emissionsnormen, die die Regierung der USA und anderer Länder für die Zukunft vorschreiben. Unter den Versuchen, diesen Normen zu entsprechen, findet man einige Designer, die nach einem völlig neuen Motorenkonzept suchen.
  • Traditionsgemäß gab es zwei Hauptformen der hin- und hergehenden Kolben- oder Umlauf-Verbrennungsmotoren: Diesel- und Funkenzündmotoren. Diese Motorentypen haben einen ähnlichen Aufbau und ähnliche mechanische Funktionsweisen, sie unterscheiden sich jedoch in ihren Betriebseigenschaften, die sehr unterschiedlich sind. Die Diesel- und Funkenzündmotoren steuern den Beginn der Verbrennung (SOC – start of combustion) mit einfachen aber unterschiedlichen Mitteln. Der Dieselmotor steuert den SOC durch den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung. Bei einem Motor mit Funkenzündung wird der SOC vom Zeitpunkt der Funken gesteuert. Im Endeffekt gibt es große Unterschiede in den Vorteilen und Nachteilen der Diesel- und der Funkenzündmotoren. Der Hauptvorteil eines Motors mit Funkenzündung, der mit Erdgas oder Benzin funktioniert, gegenüber einem Dieselmotor ist seine Fähigkeit, extrem niedrige NOx- und Partikelemissionsniveaus zu verwirklichen. Der Hauptvorteil der Dieselmotoren gegenüber den Motoren mit Funkenzündung mit Vorgemisch (wie Personenkraftwagen-Benzinmotoren und Gasmotoren mit magerem Gemisch) ist die höhere Wärmeeffizienz. Einer der Hauptgründe für die höhere Effizienz von Dieselmotoren ist die Möglichkeit, höhere Kompressionsverhältnisse verwenden zu können als bei Motoren mit Funkenzündung und Vorgemisch (bei Motoren mit Funkenzündung mit Vorgemisch muß das Kompressionsverhältnis relativ niedrig gehalten werden, um ein Klopfen des Motors zu vermeiden). Ein zweiter Hauptgrund für die höhere Effizienz von Dieselmotoren ist die Fähigkeit, die Leistungsabgabe des Dieselmotors ohne Drosselklappe steuern zu können. Das eliminiert die Drosselverluste der Benzinmotoren mit Funkenzündung und ergibt bei Teillast eine signifikant höhere Effizienz für Dieselmotoren. Charakteristische Dieselmotoren verwirklichen jedoch die sehr niedrigen NOx- und Partikelemissionsniveaus nicht, die bei Benzinmotoren mit Funkenzündung möglich sind. Da die Dieselverbrennung gemischgesteuert ist, existiert ein großer Anteil des Kraftstoffs mit einem sehr hohen Äquivalenzverhältnis, das bekanntlich zur Partikelemission führt. Benzinmotoren mit Funkenzündung hingegen haben ein nahezu homogenes Luft-Kraftstoffgemisch, das dazu tendiert, entweder mager oder fast stöchiometrisch zu sein, was die sehr niedrigen Partikelemissionen möglich macht. Andererseits entsteht die gemischgesteuerte Verbrennung bei Dieselmotoren, wenn der Kraftstoff und Luft bei einem nahezu stöchiometri schen Äquivalenzverhältnis liegen, was zu hohen Temperaturen führt. Die hohen Temperaturen wiederum verursachen hohe NOx-Emissionen. Benzinmotoren mit Funkenzündung und magerem Gemisch hingegen verbrennen ihren Kraftstoff bei Äquivalenzverhältnissen, die viel magerer sind und signifikant niedrigere Temperaturen ergeben, die zu weitaus geringeren NOx-Emissionen führen. Stöchiometrische Motoren mit Funkenzündung und Vorgemisch hingegen haben auf Grund der hohen Flammentemperaturen, die bei stöchiometrischer Verbrennung entstehen, hohe NOx-Emissionen. Die nahezu sauerstofffreien Abgase erlauben es jedoch, die NOx-Emissionen mit Dreiwegkatalysoren auf sehr niedrige Niveaus zu reduzieren.
  • Vor relativ kurzer Zeit haben einige Motorendesigner ihre Bemühungen auf einen anderen Motortyp konzentriert, der den Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch (PCCI – premixed charge compression ignition) oder den Kompressionszündbetrieb mit homogenem Gemisch (HCCI – homogenes charge compression ignition) verwendet, die im folgenden gemeinsam als PCCI bezeichnet werden. Motoren, die nach den PCCI-Konzepten funktionieren, basieren auf der Selbstzündung eines relativ gut vorgemischten Kraftstoff-Luftgemischs. Wichtig ist dabei, daß der Kraftstoff und die Luft vorgeschaltet vor dem Zylinder vermischt werden, d. h. an der Einlassöffnung, oder im Zylinder, lang bevor das Zünden eintritt. Das Ausmaß des Mischens kann je nach den gewünschten Verbrennungsmerkmalen geändert werden. Gewisse Motoren werden konzipiert und/oder betrieben, um sicher zu stellen, daß der Kraftstoff und die Luft in einem homogenen oder nahezu homogenen Zustand gemischt werden. Ein Motor kann auch speziell konzipiert und/oder betrieben werden, um eine etwas weniger homogene Charge mit einem niedrigen Grad an Schichtung zu schaffen. In beiden Fällen existiert das Gemisch in einem vorgemischten Zustand lange bevor das Zünden eintritt, und es wird verdichtet, bis es sich von selbst entzündet. Daher zeichnet sich die PCCI-Verbrennung durch folgendes aus: 1. so gut wie der gesamte Kraftstoff wird ausreichend mit Luft vorgemischt, um ein brennbares Gemisch in der ganzen Charge bis zum Zeitpunkt der Zündung zu bilden; 2. das Zünden, das heißt das Einsetzen oder der Beginn der Verbrennung selbst, wird durch Kompressionszündung ausgelöst. Anders als beim Dieselmotor wirkt sich der Zeitpunkt der Kraftstoffzufuhr, zum Beispiel der Zeitpunkt der Einspritzung, bei einem PCCI-Motor nicht stark auf den Zeitpunkt des Zünden aus. Insbesondere zeichnet sich die PCCI-Verbrennung dadurch aus, daß fast das gesamte Gemisch signifikant magerer ist als stöchiometrisch, so daß die Emissionen vorteilhaft reduziert werden und nicht wie beim typischen Dieselmotorzyklus, bei dem ein großer Teil oder das ganze Gemisch während der Verbrennung in einem reichen bzw. fetten Zustand existiert.
  • Da der Motorbetrieb nach den Konzepten der PCCI-Verbrennung das Potential hat, eine ausgezeichnete Kraftstoffeinsparung des Dieselmotors bereitzustellen, während die Niveaus der NOx- und Partikelemissionen viel niedriger sind als bei herkömmlichen Motoren mit Funkenzündung, war er in jüngster Zeit der Gegenstand umfassender Forschung und Entwicklung. Die US-Patente Nr. 4,768,481 ; 5,535,716 und 5,832,880 offenbaren Motoren und Verfahren zur Steuerung der PCCI-Verbrennung in Motoren. Die Forscher haben für die PCCI-Verbrennung verschiedene andere Bezeichnungen benutzt, darunter Kompressionszündung mit homogener Charge bzw. Ladung (HCCI) und andere, wie "ATAC", nämlich "aktive Thermo-Atmosphären-Verbrennung" (SAE Technical Paper Nr. 790501, 26. Februar – 2. März 1979), "TS" bedeutet "Toyota-Soken" (SAE Technical Paper Nr. 790840, 10.–13. September 1979), und "CIHC" steht für "Kompressionsgezündete homogene Charge" bzw. Ladung (SAE Paper Nr. 830264, 1983). Alle diese Begriffe werden im folgenden gemeinsam PCCI genannt.
  • Obwohl die PCCI-Verbrennung eine Verbesserung der Kraftstoffeinsparung und deutlich verringerte Emissionen ergeben kann, ist es für einen Motor schwierig, in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen vom Kaltstarten bis hin zu verschiedenen Motorlasten im PCCI-Betrieb zu funktionieren. So berichtet SAE Technical Paper Nr. 790501 zum Beispiel, daß die PCCI-Verbrennung (ATAC) in Zweitaktmotoren bei geringer Last über einen großen Geschwindigkeitsbereich verwirklichbar ist. Um die PCCI-Verbrennung zu verwirklichen, haben sich die folgenden Bedingungen als wichtig herausgestellt. Die Gemischmenge und das Luft-/Kraftstoffverhältnis, das dem Zylinder zugeführt wird, müssen Zyklus für Zyklus gleichmäßig sein. Die "Lenkbarkeit" und Geschwindigkeit der Spülung müssen eine zyklische Regelmäßigkeit aufweisen, um den richtigen Zustand der Restgase sicher zu stellen, die im Zylinder verbleiben. Die Temperatur der Brennkammerwände muß passen. Der Verlauf des Spüleinlasses muss sich auf der Unterseite des Kurbelgehäuses befinden. Es hat sich herausgestellt, daß PCCI bei sehr geringen Lasten keinen Erfolg hat, weil die Gemischtemperaturen zu niedrig waren. Bei sehr hohen Lasten war PCCI nicht erfolgreich, weil die restliche Gasmenge zu gering war. Zwischen den beiden Bereichen war die PCCI-Verbrennung erfolgreich.
  • Daher hat sich die Forschung auf einen Motor konzentriert, der in der Lage ist, in einer Vielzahl von Verbrennungsarten zu funktionieren. Zum Beispiel hat das SAE Technical Paper Nr. 892068 mit dem Titel "Homogeneous-Charge Compression Ignition (HCCI) Engines", Thring, R., 25. September 1989, den PCCI-Betrieb eines Viertaktmotors untersucht. Der Bericht schlägt einen Motor vor, der im herkömmlichen Funkenzündbetrieb beim Starten und bei hohen Lasten funktioniert, bei Teillast und im Leerlauf jedoch im PCCI-Betrieb. Andere haben Zweiradmotoren hergestellt, die einen Funken erfolgreich zum Auslösen der Verbrennung beim Starten des Motors, bei niedrigsten Lastbedingungen, wie im Leerlauf, und bei hoher Last verwenden, im PCCI-Betrieb für den Bereich von niedriger bis zu mittlerer Last funktionieren. Die SAE-Berichte 920512 und 972874 offenbaren bekanntlich Versuchsergebnisse für den Vergleich der PCCI-Verbrennung mit der Verbrennung im Funkenzündbetrieb. Das deutsche Patent Nr. 198 18 596 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Motors im PCCI-Betrieb bei zumindest geringen Lasten und im Funkenzündbetrieb bei hohen Lasten.
  • Auf Grund der Vorteile der verringerten Emissionen und gehobenen Kraftstoffeinsparung beim PCCI-Betrieb haben sich andere auf praktische Lösungen zum Stabilisieren des PCCI-Betriebs bei veränderlichen Motorbedingungen konzentriert. Die Patentanmeldung Nr. 09/255,780, eingereicht am 23. Februar 1999 (veröffentlicht als Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/US99/03289), die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbart einen Motor und ein Betriebsverfahren, die verschiedene Steuerfunktionen zum effizienteren Steuern des Beginns der Verbrennung umfassen. Die Anmeldung bestätigt die Fähigkeit, die Temperatur innerhalb des Zylinders durch IMT-Steuerung zu steuern, wobei der Beginn und/oder die Dauer der Verbrennung effektiv gesteuert werden. Außerdem bestätigt die Anmeldung, daß es möglich ist, den Verbrennungsvorgang vorzuverlegen, indem die Motordrehzahl verringert wird, und den Verbrennungsvorgang zu verzögern, indem die Motordrehzahl erhöht wird.
  • Die WO 00/28197 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in einer Brennkammer eines Viertaktmotors. Es wird ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch der Brennkammer zugeführt, wobei das Gemisch durch Kompression selbst zündet. Ein Auslaßventil wird so gesteuert, daß es zumindest innerhalb eines Bereichs niedriger Drehzahl schließt, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Der Öffnungsgrad des Ventils wird in Abhängigkeit von der Motorlast und Drehzahl so gesteuert, daß die Menge an im Zylinder verbleibendem Gas beim Schließen des Ventils bei niedrigen Lasten und hohen Drehzahlen größer ist als bei hohen Lasten und niedrigen Drehzahlen, um hierdurch den Zündverzug durch Variation des Grads der Verdünnung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mit Restgas in der Brennkammer zu variieren.
  • Es besteht jedoch noch der Bedarf an einem Motor, einem Verfahren des Motorbetriebs, die einen effektiveren und effizienteren Betrieb im PCCI-Betrieb erlauben, darunter auch das einfache, effektive Steuern des Beginns der Verbrennung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine generelle Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden sowie einen praktischen Motor und ein Verfahren für den Betrieb des Motors in einem Kompressionszündbetrieb bzw. -modus mit Vorgemisch bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, den Beginn der Verbrennung (SOC) über die Motorlastbedingungen hinweg zu steuern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, den SOC schneller und glatter zu steuern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, über einen weiteren Lastbereich zu funktionieren, ohne eine IMT-Anpassung auf unerwünschte Niveaus oder Niveaus zu benötigen, die schwer zu verwirklichen sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, einen effizienteren Betrieb in Hybrid- und Krafterzeugungsanwendungen zu erzielen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, einen effizienteren Betrieb in Verbindung mit einer kontinuierlich variablen Übertragung bzw. Übersetzung zu erzielen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, mit einem einzigen Kraftstoff über den gesamten Betrieb hinweg zu funktionieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines PCCI-Motors, der in der Lage ist, Emissionen zu minimieren und schweres, zerstörendes Klopfen und Fehlzünden zu vermeiden.
  • Die oben genannten Aufgaben sowie noch andere werden verwirklicht, indem ein Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, der im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch bei einer Motorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl und einem Motordrehmoment betrieben werden kann, die einer Motorleistung entsprechen, der einen Motorkörper, einen Brennraum im Motorkörper, ein Lufteinlaßsystem zur Zuführung von Ansaughaft zum Brennraum und ein Kraftstoffzufuhrsystem aufweist, das auf dem Motorkörper angebracht ist, um mindestens eines von Lufteinlaßsystem und Brennkammer zu versorgen, wobei der zugeführte Kraftstoff und die angesaugte Luft ein Vorgemisch erzeugen. Außerdem umfaßt der Motor ein Steuersystem, das dafür geeignet ist, das Motordrehmoment und die Motordrehzahl anzupassen, wenn der Motor im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch arbeitet, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs zu verändern, wobei eine bestimmte, z. B. geforderte oder wünschenswerte, Motorleistung geliefert wird.
  • Der Motor kann außerdem einen Verbrennungssensor umfassen, der an das Steuersystem angeschlossen wird, um den Beginn der Verbrennung zu erfassen und ein Signal für den Beginn der Verbrennung zu erzeugen, wobei das Steuersystem dazu geeignet ist, den Beginn der Verbrennung auf der Grundlage des Signals des Beginns der Verbrennung zu steuern. Außerdem kann der Motor einen Turbolader umfassen. Das Kraftstoffzufuhrsystem kann dem Motor nur einen einzigen Kraftstofftyp zuführen oder mehr als einen Kraftstofftyp. Das Steuersystem kann außerdem dazu geeignet sein, eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum durch das Kraftstoffzufuhrsystem nach dem Zünden durchführen zu lassen, nachdem die Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer begonnen hat, wenn der Motor im Kompressionszündbetrieb bzw. -modus mit Vorgemisch läuft. Der Kraftstoff kann Dieselöl, Kerosin, Benzin, Erdgas, Wasserstoff oder Propan sein. Der Motor kann außerdem ein Steuersystem für das Motordrehmoment umfassen, das vom Steuersystem gesteuert werden kann, um das Motordrehmoment zu steigern, um den Beginn der Verbrennung vorzuverlegen. Das Steuersystem kann auch dazu geeignet sein, das Kraftstoffzufuhrsystem zu steuern, um die Menge des dem Lufteinlaßsystem und/oder der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs anzupassen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kompressionszündbetrieb mit einem Vorgemisch bei einer Motordrehzahl und einem Motordrehmoment, die einer Motorleistung entsprechen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Zuführen von Ansaugluft zu einer Brennkammer und Zuführen von Kraftstoff zu mindestens einem von Luftansaugsystem und Brennkammer, wo der Kraftstoff und die angesaugte Luft ein Vorgemisch bilden. Außerdem umfaßt das Verfahren das Anpassen der Motordrehzahl und des Motordrehmoments, wenn der Motor im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch arbeitet, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs zu verändern, wobei eine bestimmte, z. B. geforderte oder wünschenswerte, Motorleistung verwirklicht wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematisches Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt einen einzigen Zylinder des Motors und das dazu gehörende Steuersystem;
  • 2 ist eine grafische Darstellung der Wirkungen der Laständerung anhand des Drucks im Verhältnis zur Temperatur bezüglich einer Zündlinie;
  • 3 ist eine grafische Darstellung der Wirkungen der Motordrehzahländerung anhand des Drucks im Verhältnis zur Temperatur bezüglich Zündlinien bei verschiedenen Drehzahlen; und
  • 4 ist eine Grafik, die das Motordrehmoment in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung, wie sie hier beschrieben wird, betrifft einen verbesserten Verbrennungsmotor und ein Betriebsverfahren des Motors, die das effektive und effiziente Steuern des Beginns der Verbrennung beim Betrieb im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch umfassen. Insbesondere sind der Motor und das Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Lage, den Beginn des Verbrennungsereignisses effektiv zu steuern, indem die Motordrehzahl und das Motordrehmoment geändert werden, wobei eine bestimmte, z. B. geforderte oder wünschenswerte, Motorleistung bereitgestellt wird. Insbesondere wird der Motor der vorliegenden Erfindung, in 1 generell mit 10 bezeichnet, vorzugsweise bei den meisten Motorbetriebsbedingungen im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch (PCCI) betrieben. Es wird jedoch anerkannt, daß der Motor unter gewissen Bedingungen, wie beim Kaltstarten und bei hohen Motorlasten in einer oder mehreren anderen Betriebsarten betrieben werden kann, wie im Dieselmodus oder mit Zünden eines flüssigen oder elektrischen Funkenzündmodus (LSI oder SI), um die Anlaßfähigkeit und die Lastverarbeitung zu verbessern. Der Betrieb der vorliegenden Erfindung in anderen Betriebsarten und der Übergang zwischen den Betriebsarten ist komplett in der auch anhängenden US-Patentanmeldung mit dem Titel "Multiple Operating Mode Engine and Method of Operation" beschrieben, die zum gleichen Datum wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht wurde, und dessen gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. Ein PCCI-Betrieb bzw. -Modus bezieht sich auf einen Verbrennungsvorgang, bei dem: 1. der Großteil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft gemischt wird, um ein brennbares Gemisch in der Charge bzw. Ladung im Zeitpunkt der Zündung zu erzeugen, und 2. bei dem die Zündung (der Beginn der Verbrennung) durch Kompressionszündung ausgelöst wird, was Motoren mit Kompressionszündung einer homogenen Charge (HCCI) einschließt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff PCCI, so wie er hier verwendet wird, den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie von Voreinspritzungen und Funkenzündung, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung eines Vorgemischs präzis festzulegen, wobei der größte Teil des Vorgemischs durch Kompressionszünden ohne Anwesenheit einer selbsterhal tenden voraneilenden Flammenfront verbrennt, wie das beim Motor mit Funkenzündung der Fall ist. Das erlaubt es dem PCCI-Motor, ein Gemisch zu verbrennen, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flammenfront zu nähren, was ein Vorgemisch zuläßt, das magerer ist als das, das ein Motor mit Funkenzündung zuläßt. Es sollte anfangs auch darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung auf verschiedene Verbrennungsmotorentypen angewandt werden kann, die verschiedene Kraftstoffe verbrennen, darunter (aber ohne Einschränkung) Erdgas, Benzin, Propan, Diesel, Wasserstoff, Kerosin, Rohbenzin (Naphta) und/oder andere Kraftstoffe.
  • Die 1 zeigt das Ausführungsbeispiel des Motors 10 mit einem Motorkörper 12 mit einem hin- und her bewegbar eingebauten Kolbenaufbau 14. Der Kolbenaufbau 14 und der Motorkörper 12 bilden eine Brennkammer 16 in bekannter Art. Der Motor 10 umfaßt ein Lufteinlaßsystem 18, das Ansaugluft oder eine Kombination aus Ansaugluft und Kraftstoff zur Brennkammer 16 liefert, und ein Abgassystem 20 zum Entfernen von Abgasen aus der Brennkammer 16. Es wird darauf hingewiesen, daß zwar nur ein Zylinder in 1 dargestellt ist, daß die vorliegende Erfindung jedoch in Verbrennungsmotoren verschiedener Konfiguration verwendet werden kann, darunter auch in Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern, zum Beispiel mit vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder sechzehn Zylindern. Zusätzlich, und auch wenn der vorliegende Multimodus-Motor in der Hauptsache unter Bezugnahme auf einen Viertaktmotor besprochen wird, können das vorliegende Steuersystem und der Motor die Form eines Zweitaktmotors haben.
  • Das Lufteinlaßsystem 18 umfaßt einen Einlaßkrümmer 20 und eine Einlaßöffnung 22 zum Leiten von Ansaug- bzw. Einlaßluft oder eines Luft-/Kraftstoffgemischs in die Brennkammer 16. Ebenso umfaßt das Abgassystem 20 eine Abgasöffnung 24, um die Abgase wie weiter unter beschrieben zu leiten. Ein oder mehrere Einlaß- bzw. Ansaugventile, wie das Einlaß- bzw. Ansaugventil 26, und ein oder mehrere Auslaß- bzw. Abgasventile, wie das Auslaß- bzw. Abgasventil 28, befinden sich in den entsprechenden Öffnungen und werden anhand eines herkömmlichen Ventilsteuersystems oder eines variablen Ventilzeitsteuersystems zwischen der offenen und geschlossenen Position bewegt, um den Strom von Ansaugluft oder des Luft-/Kraftstoffgemischs in den Zylinder hinein bzw. von Abgasen aus dem Zylinder heraus zu steuern. Das Lufteinlaßsystem 18 kann außerdem eine Drosselklappe 30 zum Steuern des Drucks des Ansaugkrümmers umfassen, und so fließen die Einlaß- bzw. Ansaugluft oder das Luft-Kraftstoffgemisch durch das Lufteinlaßsystem 18. Ein Luftkühler 32 kann ebenfalls bereitgestellt werden, um die Temperatur der angesaugten Luft oder des Luft-/Kraftstoffgemischs zu steuern. Ein Luftkühlerbypasskreislauf 34 und ein Bypassventil 36 können bereitgestellt werden, um die Menge an Luft oder Luft-/Kraftstoffgemisch, die durch den Luftkühler 32 fließt, zu steuern, so daß mehr Kontrolle über die Temperatur der Ansaugströmung möglich ist. Ein Kompressor 38 kann dem Lufteinlaßsystem 18, dem Ansaugkrümmer 20 und dem Luftkühler 32 vorgeschaltet bereitgestellt werden, um den Auflade(ansaug)druck zu variieren. Der Kompressor 38 kann mit herkömmlichen Mitteln angetrieben werden, wie mit einer Turbine 40 mit Abgasantrieb. Eine Abgasbegrenzung oder -drossel 42 kann vor der Abgasturbine 40 angeordnet sein, um größere Kontrolle über den Verbrennungsprozess zu erlauben, d. h. zum Steuern des Restmasseteils für die Steuerung des SOC. Ein Abgasschieber, der nicht dargestellt ist, kann in üblicher Weise bereitgestellt werden, um die Menge an Abgas zu regeln, die zur Turbine 40 geleitet wird, um den Einlaß- bzw. Ansaugdruck nach Wunsch zu Variieren. Eine weitere Möglichkeit, die Ansaugtemperatur zu steuern und somit den SOC, besteht darin, die Rückführung heißer Abgase (hot exhaust gas recirculation – EGR) zu verwenden. Ein EGR-Kreislauf 44 kann dazu verwendet werden, heiße Abgase, von stromauf der Turbine 40 in das Ansaugsystem 18 zu leiten. Der EGR-Kreislauf 44 umfaßt ein EGR-Steuerventil 46 zum Steuern der Rückführung der Abgase. Das Auslaß- bzw. Abgassystem 20 kann auch mit einem Oxidationskatalysator 48 versehen sein, der die Abgase aufbereitet. Vorzugsweise umfaßt der Motor 10 einen Verbrennungssensor 50 zum Erfassen einer Verbrennungscharakteristik, wie des Zylinderdrucks, und zum Erzeugen eines Signals, das der Verbrennungscharakteristik entspricht. Vorzugsweise wird der Zylinderdrucksensor auf einem oder allen Motorzylindern zum zyklenweisen Erfassen des SOC bereitgestellt. Natürlich kann der Verbrennungssensor 50 auch andere Verbrennungsdaten bereitstellen, wie die Verbrennungsrate, die Verbrennungszeit, den Kurbelwinkel, bei welchem der Spitzen-Zylinderdruck auftritt, den Verbrennungsvorgang oder die Wärmefreisetzungßtelle und Daten zum Ende der Verbrennung, wobei jede Charakteristik an Stelle der Information über den Beginn der Verbrennung verwendet werden kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern. In der vorliegenden Ausführung ist der Sensor 50, der ein Datensignal liefert, ein Drucksensor. Andere Sensoren können jedoch verwendet werden, die ein Signal liefern, das den Zylinderdruck angibt, wie über den Gebrauch in Wechselbeziehung stehender Druckdaten. Zu solchen Sensoren gehören Beschleunigungsmesser, Ionenfühler, optische Diagnosen, Dehnungsmessgeräte, Lastscheiben und/oder schnelle Thermoelemente in oder in der Nähe des Zylinderkopfes, der Zylinderbüchse oder des Kolbens. Es können auch Drehmoment- oder Drehzahlsensoren verwendet werden, um die Änderungen des Drehmoments oder der Drehzahl bei jedem Verbrennungsvorgang zu erfassen. In einer Ausführung kann der Motor auch mit einer Zündkerze 52 versehen werden, um im elektronischen Funkenzündbetrieb bzw. -modus zu arbeiten.
  • Der Motor 10 umfaßt außerdem ein Steuersystem, das generell mit 54 bezeichnet ist, das eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit – ECU) 56 umfaßt, die zum Empfangen eines oder mehrerer Motorzustandssignale von verschiedenen Motorbestandteilen bzw. -Komponenten wie in 1 gezeigt konzipiert ist, wie vom Verbrennungssensor 50 und von einem Motorpositionssensor (nicht dargestellt), der diese Signale verarbeiten und Steuersignale an die entsprechenden Motorbauteile senden kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern, zum Beispiel den Beginn der Verbrennung. In der bevorzugten Ausführung einer Wechselstromgenerator/Gleichstromgeneratoranwendung der vorliegenden Erfindung, die weiter unten beschrieben wird, umfaßt das Steuersystem 54 ein Drehmomentsteuersystem 90 zum Ändern des Stroms, so daß das Motordrehmoment angepaßt wird. Wenn das Drehmomentsteuersystem 90 zum Steuern des Beginns der Verbrennung verwendet wird, wobei eine Soll- bzw. Zielabtriebsleistung abgegeben wird, wird die Motordrehzahl automatisch angepaßt, wodurch der Beginn der Verbrennung wie weiter unten beschrieben gesteuert wird, um die Notwendigkeit einer Änderung der Ansaugkrümmertemperatur (intake manifold temperature – IMT) zu begrenzen oder möglicherweise zu vermeiden, indem die Motorbauteile gesteuert werden, die die IMT beeinflussen, wie der Luftkühlerbypass 36 oder das EGR-Ventil 46. Die dabei entstehende IMT kann ohne weitere Steuerung akzeptabel sein, oder es kann wünschenswert sein, die IMT zu steuern, um eine verbesserte Motorleistung zu erzielen. Bei einer hybriden Motoranwendung für ein Fahrzeug umfaßt das Steuersystem 54 eine kontinuierlich variable Übersetzung bzw. Übertragung 100 zum Steuern der Motordrehzahl und Zulassen von Unterschieden in der Drehzahl der Motorwelle und einer Abtriebswelle. Das Drehmoment einer solchen Ausführung wird durch das Steuersystem 54 verändert, das ein Kraftstoffzufuhrsystem so steuert, daß die Menge des dem Motor pro Motorzyklus zugeführten Kraftstoffs angepaßt wird. Natürlich kann die elektronische Steuereinheit 56 in alternativen Ausführungen ein oder mehrere Temperatursteuersysteme zum Ändern der Temperatur der Einlaß- bzw. Ansaugluft oder eines Gemischs aus Kraftstoff und Ansaugluft steuern, ein Drucksteuersystem kann den Druck des Gemischs steuern, das Äquivalenzverhältnis-Steuersystem kann ein Äquivalenzverhältnis des Gemischs steuern, und ein Steuersystem für die Selbstzündungscharakteristik des Gemischs kann eine Selbstzündungscharakteristik des Gemischs steuern, so daß eine effektivere und/oder schnellere Steuerung des SOC erzielt wird. Die spezifischen Details des veränderlichen Steuerns von Bauteilen, die zu einem Verbrennungssteuersystem gehören, wurden in der WO 99/42718 A1 veröffentlicht, deren vollständiger kompletter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. Es wird hervorgehoben, daß die Erfindungen der vorliegenden Anmeldung je nach Anwendung und Steuerungsfähigkeit entweder mit einer geschlossenen Steuerschleife bzw. Regelung der PCCI-Verbrennung oder mit einer offenen Steuerschleife bzw. Steuerung verwendet werden können. Dabei versteht sich, daß der Multimodus-Motor der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere der oben genannten Steuersystembauteile umfassen kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern. Bei dem wie hier dargestellten Motor kann die ECU 56 das Luftkühler-Bypassventil 36, das EGR-Ventil 46, ein veränderliches Ventiltimingsystem 80 und/oder verschiedene Bauteile zur Kraftstoffzuführung/Einspritzung, die unten genauer beschrieben werden, steuern. Die ECU 56 kann auch die Drosselklappe 30 und die Abgaseinschränkung bzw. -drossel 42 steuern. Die ECU 56 kann auch Signale von einem Abgassensor 58 empfangen, der die Bestimmung der Qualität der Verbrennung oder des Beginns der Verbrennung unterstützen kann, indem er das Kohlenmonoxid, den Sauerstoff, Stickstoffoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), Wasser und/oder Kohlendioxid mißt und entsprechende Signale liefert. Die Merkmale, die in 1 gestrichelt eingetragen sind, gehören nicht zur bevorzugten Ausführung, einer oder mehrere dieser Bauteile können jedoch hinzugefügt werden, um alternative Ausführungen zu bilden und das Steuern der Verbrennung zu unterstützen.
  • Der Motor 10 umfaßt außerdem ein Kraftstoffzufuhrsystem, generell mit 60 bezeichnet, das bei der bevorzugten Ausführung einen Direktkraftstoffinjektor 62 umfaßt, um im richtigen Zeitpunkt während des Motorzyklus Hochdruck-Kraftstoff in die Brennkammer 16 einzuspritzen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Zum Beispiel kann der Direktkraftstoffinjektor 62 zum Einspritzen von Kraftstoff verwendet werden, nämlich von Dieselkraftstoff, in der Nähe des oberen Totpunkts, um eine Dieselverbrennung beim Betreiben im Dieselmoduszu bewirken, kann eine frühe Dieselvoreinspritzungsmenge im PCCI-Betrieb einspritzen, um zum Beispiel die Steuerung des Zeitpunkts des Beginns der Verbrennung zu unterstützen, ohne jedoch die Verbrennung im Zeitpunkt des Einspritzens auszulösen; kann eine Dieselvoreinspritzmenge im LSI-Betrieb einspritzen und/oder Kraftstoff früh im Motorzyklus einspritzen, um ein Vorgemisch zu bilden, wenn der Motor nur einen Kraftstoff und eine Einspritzung verwendet, um den PCCI-Betrieb herzustellen. In der bevorzugten Ausführung umfaßt das Kraftstoffzuführsystem 60 außerdem eine stromaufliegende Kraftstoffzuführung in das Lufteinlaßsystem 18. Vorzugsweise wird der Kraftstoff in den Einlaß- bzw. Ansaugkrümmer 20 in 64 von einem Mischer oder Vergaser eingeführt, so daß der Kraftstoff mit einer ausreichenden Menge Luft vorgemischt werden kann, für Kompressionszündungsmodus des Vorgemischs und, falls gewünscht, für Funkenzündbungs-Modi. Als Alternative kann die vorgeschaltete Kraftstoffzuführung vor dem Kompressor 38 in 66 oder vor der Einlaß- bzw. Ansaugöffnung 22 über die Öffnungseinspritzung 68 zugeführt werden. Als weitere Alternative kann eine zweite Direkteinspritzung 70 verwendet werden, um einen anderen Kraftstoff als den von der Direkteinspritzung 62 eingespritzten Kraftstoff einzuspritzen. Bei einer Ausführung mit der Direkteinspritzung 62 und der Direkteinspritzung 70 kann der Direktkraftstoffinjektor 62 Dieselöl für den Dieselmodus, für die frühe Dieselvoreinspritzung, für die Einspritzungen nach der Zündung einspritzen, während der Direktkraftstoffinjektor 70 einen gasförmigen Kraftstoff, wie Erdgas, für den Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch und Übergangsbetriebsarten einspritzt. Als Alternative können der Direktkraftstoffinjektor 62 und der Direktkraftstoffinjektor 70 in einem einzigen Injektor kombiniert werden, der in der Lage ist, zwei verschiedene Kraftstoffe einzuspritzen. Jede der Kraftstoffzuführvorrichtungen, die oben besprochen wurden, wird vorzugsweise elektronisch von der ECU 56 gesteuert, um den Zeitpunkt und die Menge einer spezifischen Kraftstoffeinspritzung zu steuern.
  • Weitere Details in Zusammenhang mit dem Einsatz und der Durchführung einer frühen Dieselvoreinspritzung sind detailliert in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Internal Combustion Engine Operable in PCCI Mode with Post-Ignition Injection and Method of Operation" dargelegt, die am gleichen Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht wurde, und deren kompletter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt eingegliedert wird.
  • Die Anmelder haben erkannt, daß beim Steigen der Last beim Betrieb im PCCI-Modus die IMT, die zum Aufrechterhalten eines zufriedenstellenden Zeitpunkts des Beginns der Verbrennung erforderlich ist, klar, wie in 2 gezeigt, sinkt. Für einen Motor mit festgelegtem Kompressionsverhältnis sind daher signifikant höhere Temperaturen am Einlaß- bzw. Ansaugkrümmer erforderlich als bei niedriger Last. Unter Bezugnahme auf die 3 haben die Anmelder auch beobachtet, daß beim Steigen der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors (U/Min.) die Einlaß- bzw. Ansaugtemperatur, die zum Aufrechterhalten eines ähnlichen Beginns der Verbrennung erforderlich ist, steigt. Diese Notwendigkeit einer niedrigen IMT bei hoher Last, niedriger Motordrehzahlbedingungen und hoher IMT bei niedriger Last, hohen Motordrehzahlbedingungen bedeutet eine beachtliche Herausforderung für die Änderung der IMT über einen breiten Temperaturbereich. Als Alternative stellt die vorliegende Erfindung den Gebrauch eines Systems und eines Verfahrens bereit, die wenig oder keine Steuerung der IMT während des PCCI-Betriebs erfordern. Insbesondere erlaubt die vorliegende Erfindung dem Motor das Steuern des SOC beim Ändern der Lastforderung durch ein Betreiben des Motors bei verschiedenen Drehzahlen. Im Endergebnis erlauben der vorliegende Motor und das Verfahren vorteilhafterweise den Betrieb bei relativ konstanter IMT oder bei einer IMT, die besonders vorteilhaft ist, d. h. bei einer IMT, die sich ohne Ladungs- bzw. Chargenluftkühlung ergibt. Wie in 4 gezeigt, läuft der Motor zum Beispiel über einen Bereich/Funktion. Die Linie 1 entspricht der Betriebsbedingung, die optimale Motorleistung hinsichtlich der Emissionen und Motoreffizienz ergibt. Daher gibt es für jeden Leistungswert/Abtrieb entlang der Linie 1 eine vorzugsweise Kombination von Geschwindigkeit und Drehmoment, die in der ECU 56 gespeichert sind, und die das wünschenswerte SOC ergeben, das für eine optimale Motorleistung unter Verwendung leicht verwirklichbarer (gewünschter) IMT erforderlich ist. So zeigt die Linie 1 verschiedene Abtriebsleistungen bei der gewünschten, verwirklichbaren oder verfügbaren IMT. Die Linie 2 wiederum ist eine Linie konstanter Leistung, bei der das Drehmoment × U/Min. konstant ist. Natürlich gibt es für jede Leistung eine einzige andere Linie konstanter Leistung ähnlich mit Linie 2, jedoch an einem anderen Leistungswert entlang der Linie 1. Wenn der Zeitpunkt des SOC unerwünscht bei einem gegebenen Drehmoment-/Drehzahlpunkt verzögert ist, steuert die ECU 56 den Motor, so daß eine Verschiebung entlang der konstanten Leistungslinie 2 entsteht, um den SOC wie erforderlich vorzuverlegen, ohne daß die Abtriebsleistung wie im unten stehenden Beispiel beschrieben geändert wird.
  • Während des Betriebs mit einer Systemforderung für eine bestimmte Steigerung der Wellenleistung, steuert die ECU 56 den Motor, so daß er eine Reaktion erzeugt, die entlang der Linie 1 vom Punkt A zum gewünschten Betriebspunkt B weitergeht. Diese Steuerung könnte an einem Hybridmotor durch Steigern des Drehmoments verwirklicht werden, indem zum Beispiel ein Drehmomentsteuersystem 90 verwendet wird, um den Feldstrom auf bzw. beieinem Wechselstromgenerator zu steigern (oder den Feldstrom und den Ankerstrom eines Gleichstromgenerators), während gleichzeitig die Kraftstoffmenge angehoben wird, die dem Motor pro Motorzyklus zugeführt wird. Unter optimalen Bedingungen ergibt sich ein neuer Sollwert für das Motordrehmoment (Feldstrom), und die Kraftstoffzufuhrrate ergibt einen optimalen SOC-Zeitpunkt und die gewünschte Leistung wird verwirklicht. Natürlich kann die kontinuierliche Änderung der Motordrehzahl auch über den Gebrauch bzw. unter Verwendung einer kontinuierlich variablen Übertragung bzw. Übersetzung verwirklicht werden. Eine Forderung nach Sinken der Wellenleistung ergibt in gleicher Weise ideal eine Verschiebung entlang der Linie 1 vom Punkt B zum gewünschten Betriebspunkt A. Änderungen an einem beliebigen Wert, der den SOC beeinflußt (z. B. IMT, Kraftstoffmenge, Änderungen des Kompressionsverhältnisses, Feuchtigkeitsschwankungen, usw.) verursachen ein Abweichen der Motordrehzahl/des Motordrehmoments von der optimalen Linie 1 als Reaktion auf die Forderung nach Leistungsänderung. Ist die Raumtemperatur zum Beispiel viel niedriger als bei Nennbedingungen, ergibt sich eine SOC-Verzögerung und dadurch eine Verringerung des Drehmoments für einen festgelegten Wechselgenerator-Feldstrom, eine festgelegte Drehzahl und Kraftstoffzufuhrrate. Unter diesen Bedingungen verursacht die Forderung nach zusätzlicher Leistung das Verschieben entlang der Linie 1a vom ursprünglichen Punkt A zum weniger geeigneten Punkt C. Um die gewünschte Leistung beim festgelegten Feldstromwert zu verwirklichen, muss der Motor schneller drehen, und das bedingt eine Steigerung der Kraftstoffzufuhrrate (was die Effizienz des Motors verringert).
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren bereit, anhand welcher bei einer festgelegten Motorwellenleistung die ECU 56 des Motors den Motor zum optimalen Betriebspunkt zurückführen kann (oder so nahe wie möglich an den optimalen Betriebspunkt), indem das Drehmoment und die Drehzahl gleichzeitig oder fast gleichzeitig geändert werden, um den SOC anzupassen. Dadurch verschiebt die ECU 56 den Motorbetrieb entlang der Linie der kon stanten Wellenleistung der Linie 2 in 4. Die ECU 56 bewirkt zum Beispiel, daß der Motorbetrieb vom Punkt C zum optimalen Punkt B verschoben wird, indem gleichzeitig die Motordrehzahl gesenkt und das Motordrehmoment gesteigert wird. Bei einem Hybridmotor zum Beispiel kann das Drehmomentsteuersystem 90 dazu verwendet werden, den Feldstrom des Wechselstromgenerators zu steigern, während die Kraftstoffzufuhrrate gleichzeitig angepaßt wird, um diesen Übergang zu bewirken. Bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Fahrzeugen, kann die kontinuierlich veränderliche Übersetzung bzw. Übertragung (continuously variable transmission – CVT) 100 verwendet werden, um Änderungen der Motordrehzahl zu erlauben, wobei eine passende Abtriebswellendrehzahl geliefert wird. Die CVT wird von der ECU 56 gesteuert, um die Motordrehzahl anzupassen, während die ECU 56 die Anpassmotordrehzahl durch Ändern der pro Motorzyklus zugeführten Kraftstoffmenge steuert, indem eine oder mehrere Kraftstoffzuführvorrichtungen gesteuert werden. In beiden Ausführungen enthalten die Rückkoppel- bzw. Feedbacksignale zur ECU 56 die Wellenleistung und die Lage des SOC, wie zum Beispiel anhand des Verbrennungssensors 50. Die ECU 56 vergleicht den tatsächlichen SOC mit dem gewünschten SOC und erfaßt Abweichungen. Die ECU 56 erzeugt dann die entsprechenden Steuersignale für entsprechende Motorbauteile, wie zum Beispiel für das Drehmomentsteuersystem 90, um die gewünschte Steigerung oder Reduzierung des Motordrehmoments zu schaffen, zum Beispiel durch Ändern des Feldstroms eines Hybridmotors. Dadurch sinkt oder steigt die Motordrehzahl. Das Ändern der Drehzahl und des Drehmoments des Motors ändert dann den SOC und infolge dessen die Wellenleistung. Dann erzeugt die ECU 56 entsprechende Steuersignale für das (die) entsprechenden Kraftstoffzuführsystem(e), um die Kraftstoffzufuhrrate anzupassen, so dass die Motorleistung entsprechend erhalten wird. Durch schnelle und geringfügige Korrekturen ergibt dieses Steuerverfahren die Anpassung des SOC auf eine im wesentlichen konstante Leistung oder während eine bestimmte, z. B.. eine geforderte oder gewünschte, Motor(abtriebs)leistung abgegeben wird. Durch das Senken der Motordrehzahl und Steigern des Motordrehmoments ergibt sich das gewünschte Vorverlegen des SOC auf (oder in die Nähe des) optimalen Sollwert(s). Natürlich kann die ECU 56 so konzipiert werden, daß sie gleichzeitig die Drehmomentforderung (d. h. den Feldstrom) und die Kraftstoffzufuhrrate anpaßt, um die Anpassung schneller und glatter zu gestalten. Wichtig ist dabei, daß dieser Übergang ohne Hilfsvorrichtungen zum Ändern der IMT, des Kompressionsverhältnisses oder Verschiebens der Zündlinie durch Ändern der Kenndaten des Kraftstoff-Luftgemischs vor der Zündung erfolgt, wie beim Gebrauch einer frühen Dieselvoreinspritzung. Es kann sich jedoch als vorteilhaft erweisen, die vorliegende Steuerstrategie auf Drehzahlbasis mit einer oder mehreren SOC-Steuervorrichtungen zu verwenden, die in den anhängigen oben genannten Anmeldungen beschrieben sind, die als Referenz hiermit eingeführt werden, um schneller Änderungen und/oder Ergebnisse zu erzielen, die dem optimalen Sollwert näher liegen. Daraus ist ersichtlich, daß es die vorliegende Erfindung einem PCCI-Motor erlaubt, über einen weiten Lastbereich zu arbeiten bzw. funktionieren, ohne daß die IMT auf Temperaturen forciert werden müsste, die weitab von einer leicht verwirklichbaren oder wünschenswerten IMT liegen. Natürlich muß beachtet werden, daß es unter gewissen Bedingungen wünschenswert sein kann, den Motor bei einer Drehmoment-/Drehzahlkombination zu verwenden, die von der Linie 1 in 4 abweicht. Solche Situationen umfassen plötzliche Spitzen oder die Notwendigkeit, bestimmten Auflagen für das gesamte System zu entsprechen.
  • Es wird hervorgehoben, daß die Linie 1 der 4 selbst ihre Position je nach der Betriebshistorie des Motors ändern kann, wie zum Beispiel auf Grund der Zeit, während welcher der Motor bei einer bestimmten Last gelaufen ist, auf Grund der Kühlmitteltemperatur und/oder der Raumtemperatur. Außerdem würde der Motor wahrscheinlich bei einem Äquivalenzverhältnis arbeiten, das bei einem gegebenen Drehmoment und bei gegebener Drehzahl relativ konstant ist und außer bei den höchsten Lasten keines Drosselns bedarf. Es wird betont, daß beim Ändern der geforderten Leistung die wünschenswerte IMT durch verschiedene Bauteile beeinflußt werden kann, inklusive durch die Turbomaschine oder Luftförderausstattungen. Ist der Motor mit einem Turbolader versehen, kann die Linie 1 weitgehend von der Fähigkeit des Turboladers bestimmt werden, die nötige Vorverdichtung zu liefern. In diesem Fall sollte die Einlaß- bzw. Ansauglufttemperatur mit Wärmeaustauscher, Heizvorrichtungen, Kühlvorrichtungen oder durch Hinzufügen von EGR gesteuert werden, oder die Menge der internen EGR könnte geändert werden, um den SOC zu steuern. Eine Anwendung ist der ungedrosselte Betrieb des Motors, wobei der Turbolader eine vorausbestimmte Vorverdichtung beim gewünschten Äquivalenzverhältnis liefert. Wenn die Motordrehzahl steigt, steigt die Vorverdichtung. Diese Steigerung legt die Lage der Linie 1 fest, und andere Mittel können verwendet werden, um den SOC wie oben besprochen zu steuern.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Der vorliegende PCCI-Motor und das Steuersystem können in jeder stationären oder nicht stationären Antriebsmaschinenanlage verwendet werden, darunter für Automobil-, Marine- oder Militäranwendungen. Der vorliegende PCCI-Motor und sein Steuersystem sind besonders vorteilhaft bei Antriebserzeugungsanwendungen, für welche niedrige Emissionen wünschenswert sind und für Hybridanwendungen, bei welchen die Motordrehzahl verändert werden kann, um gegebenen Leistungsforderungen zu entsprechen.

Claims (18)

  1. Verbrennungsmotor (10), der in einem Modus der Kompressionszündung einer vorgemischten Ladung oder eines Vorgemischs bei einer Motordrehzahl und einem Motordrehmoment, die einer Motorleistung entsprechen, betreibbar ist, aufweisend: einen Motorkörper (12); eine Brennkammer (16), die im Motorkörper (12) gebildet ist; ein Lufteinlaßsystem (18) zur Zuführung von Ansaugluft zur Brennkammer (16); ein Kraftstoffzufuhrsystem (60), das am oder auf dem Motorkörper (12) angebracht ist, zur Versorgung des Lufteinlaßsystems (18) und/oder der Brennkammer (16), wobei der Zufuhrkraftstoff und die Ansaugluft eine vorgemischte Ladung oder ein Vorgemisch bilden; und ein Steuersystem (54), das angepaßt ist, um das Motordrehmoment und die Motordrehzahl anzupassen, wenn der Motor (10) im Kompressionszündmodus mit vorgemischter Ladung oder Vorgemisch arbeitet, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs zu variieren, während eine Soll- oder bestimmte Motorleistung geliefert wird.
  2. Motor nach Anspruch 1, der außerdem einen Verbrennungssensor (56) umfaßt, der an das Steuersystem (54) angeschlossen ist, um den Beginn der Verbrennung zu erfassen und ein Signal für den Beginn der Verbrennung zu erzeugen, wobei das Steuersystem (54) dazu geeignet ist, den Beginn der Verbrennung basierend auf dem Signal für den Beginn der Verbrennung zu steuern.
  3. Motor nach Anspruch 1, der außerdem einen Turbolader umfaßt.
  4. Motor nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffzuführsystem (60) dem Motor (10) nur einen einzigen Kraftstofftyp zuführt.
  5. Motor nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem (54) außerdem dazu angepaßt ist, um das Kraftstoffzufuhrsystem (60) eine Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer (16) nach dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs im Kompressionszündmodus zu- bzw. durchführen zu lassen.
  6. Motor nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff Dieselöl, Kerosin, Benzin, Erdgas, Wasserstoff oder Propan ist.
  7. Motor nach Anspruch 1, der außerdem ein Steuersystem für das Motordrehmoment umfaßt, wobei das Steuersystem (54) außerdem dazu angepaßt ist, um das Steuersystem des Motordrehmoments das Motordrehmoment steigern zu lassen, um den Beginn der Verbrennung vorzuverlegen.
  8. Motor nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem außerdem dazu angepaßt ist, um das Kraftstoffzufuhrsystem zu steuern, um die Menge des dem Lufteinlaßsystem (18) und/oder der Brennkammer (16) zugeführten Kraftstoffs anzupassen.
  9. Motor nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem dazu angepaßt ist, um das Motordrehmoment anzupassen und die Motordrehzahl anzupassen, um die Motorleistung im wesentlichen konstant zu halten.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Kompressionszündmodus mit vorgemischter Ladung oder Vorgemisch bei einer Motordrehzahl und einem Motordrehmoment, die einer Motorleistung entsprechen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen von Ansaugluft zu einer Brennkammer; Zuführen von Kraftstoff zu einem Lufteinlaßsystem und/oder der Brennkammer, wobei der Kraftstoff und die Ansaugluft eine vorgemischte Ladung oder ein Vorgemisch bilden; und Anpassen der Motordrehzahl und Anpassen des Motordrehmoments, wenn der Motor im Kompressionszündmodus mit vorgemischter Ladung oder Vorgemisch arbeitet, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs zu variieren, wobei eine gewünschte Motorleistung geliefert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Motor nur einen einzigen Kraftstofftyp verwendet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der einzige verwendete Kraftstoff Dieselöl ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter den Schritt des Anpassens der Menge des Kraftstoffs umfaßt, der dem Lufteinlaßsystem und/oder der Brennkammer zugeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte des Anpassens des Motordrehmoments und des Anpassens der Kraftstoffmenge pro Motorzyklus zumindest fast gleichzeitig ausgeführt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter den Schritt des Steigerns des Motordrehmoments umfaßt, um den Beginn der Verbrennung vorzuverlegen.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter die Schritte des Erfassens des Beginns der Verbrennung, Erzeugens eines Signal des Beginns der Verbrennung und Steuerns des Beginns der Verbrennung basierend auf dem Signal des Beginns der Verbrennung umfaßt.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei außerdem eine Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer des Motors nach dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer im Kompressionszündmodus erfolgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter die Schritte des Anpassens des Motordrehmoments und Anpassens der Motordrehzahl umfaßt, um die Motorleistung im wesentlichen konstant zu halten.
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