DE10122775A1 - Hybrider Motor und Verfahren zu dessen Taktsteuerung - Google Patents

Hybrider Motor und Verfahren zu dessen Taktsteuerung

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Abstract

Ein hybrider Motor mit Homogener-Ladungs-Kompressionszündung und Funkenzündung weist wenigstens einen Zylinder mit wenigstens einem Einlassventil (52, 54) und wenigstens einem Auslassventil (56, 58) auf. Es sind zwei Nockenwellen (#1, #2) vorgesehen. Die erste Nockenwelle (#1) ist so ausgebildet und angeordnet, dass sie wenigstens eines der Einlassventile betätigt und die zweite Nockenwelle (#2) so, dass sie wenigstens eines der Auslassventile betätigt. Der Motor weist ferner eine den Nockenwellen zugeordnete Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung auf, durch die der Motor in einem Homogenen-Ladungs-Kompressionszündungs-Modus und in einem Funkenzündungs-Modus betrieben werden kann. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors enthält die Schritte: Betätigen wenigstens eines der Einlassventile durch die erste Nockenwelle; Betätigen wenigstens eines der Auslassventile durch die zweite Nockenwelle; Bestimmung eines Motorlastzustandes; Betrieb wenigstens einer der Nockenwellen durch die Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung, basierend auf dem bestimmten Motorlastzustand. Somit kann der Motor in einem Zustand geringer Last unter Einsatz der Homogenen-Ladungs-Kompressionszündung und in einem Zustand hoher Last unter Einsatz einer Funkenzündung betrieben werden. Ein Volllastbetrieb kann mit oder ohne Vorverdichtung oder Turboaufladung erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft einen hybriden Motor und die Bereit­ stellung verschiedener Taktstrategien für die Steuerung ei­ nes hybriden Motors mit Homogener-Ladungs-Kompressions­ zündung (HCCI: homogeneous-charge compression-ignition) und Funkenzündung (SI: spark ignition).
Motoren mit Homogener-Ladungs-Kompressionszündung stellen eine relativ neue Bauweise von Motoren dar. Solche Motoren weisen bestimmte attraktive Vorteile auf, wie etwa extrem geringe NOx-Emissionen aufgrund niedriger Verbrennungstempe­ raturen eines verdünnten Gemisches und fehlende Rußemissio­ nen aufgrund eines vorgemischten mageren Gemisches. Ferner ist der thermische Wirkungsgrad von HCCI-Motoren wesentlich größer als der von SI-Motoren und vergleichbar mit dem von herkömmlichen Kompressionszündungs(CI)-Motoren (Dieselmoto­ ren) aufgrund eines hohen Kompressionsverhältnisses (ähnlich zu Dieselmotoren), eines ungedrosselten Betriebs (die Motor- Pumpverluste minimierend), eines hohen Luft-Kraftstoff- Verhältnisses (hohes spezifisches Wärmeverhältnis), redu­ zierter Strahlungswärme-Übertragungsverluste (ohne Rußflamme (sooting flame)) und einer geringen Takt-zu-Takt-Variation der HCCI-Verbrennung (da die frühe Flammenentwicklung und die Verbrennungsrate des HCCI-Motors von der Gasströmung und der Turbulenz im Zylinder unabhängig sind).
Ein Problem bei der Verbrennung in einem HCCI-Motor besteht in der Steuerung des Zündzeitpunktes und der Verbrennungsra­ te bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Dies liegt daran, dass eine Verbrennung durch Selbstzündung dann ein­ setzt, wenn das Gemisch eine bestimmte Temperatur erreicht. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird vor Erreichen des oberen Totpunktes (TDC) gebildet, und die Zündung kann zu irgendei­ nem Zeitpunkt während des Kompressionsvorganges erfolgen. Mit zunehmender Motorbelastung tendiert die Zündung zu einer Vorverlegung, und die Verbrennungsrate tendiert aufgrund ei­ nes fetteren Gemisches zu einem Anstieg. Der thermische Wir­ kungsgrad kann überdies aufgrund vorzeitiger Wärmefreiset­ zung vor dem TDC abnehmen, und der Motor zeigt aufgrund schneller und vorzeitiger Verbrennung rauhe Betriebseigen­ schaften.
Wenn die Motorbelastung abnimmt, tendiert die Zündung zu ei­ ner Verzögerung, was möglicherweise Fehlzündungen sowie eine Zunahme von HC und CO-Emissionen zur Folge haben kann. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, erfolgt die Hauptwärmefreiset­ zung verzögert, da die für eine Vorreaktion des verdünnten Gemisches bei niedriger Temperatur verfügbare Zeit nicht mehr ausreicht, so dass Fehlzündungen auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Steuerung und den Betrieb eines hybriden HCCI/SI-Motors über einen weiten Lastbereich ein­ schließlich eines Kaltstartes unterstützt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines hybriden HCCI/SI-Motors, welcher bei unter­ schiedlichen Betriebsbedingungen mit zwei verschiedenen Tak­ ten betrieben werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines hybriden HCCI/SI-Motors, der während einiger Betriebsbedingungen unter Einsatz eines Atkinson-Taktes mit Funkenzündung und während anderer Betriebsbedingungen unter Einsatz eines HCCI-Verbrennungsmodus arbeiten kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines hybriden HCCI/SI-Motors mit einer Strategie einer variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung (VCT: variable camshaft timing) für zwei Nockenwellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines Motors mit zwei Nockenwellen, die zur besse­ ren Steuerung des Motors individuell gesteuert werden kön­ nen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines Motors mit der Möglichkeit einer Kontrolle von NOx-, HC- und CO-Emissionen während eines Betriebs mit hoher Belastung oder hoher Drehzahl, indem das Luft- Kraftstoff-Verhältniss durch Kontrolle der IVC-Zeitsteuerung und Einsatz eines herkömmlichen Dreiwegekatalysators auf ein stöchiometrisches Verhältnis geregelt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Mo­ tor mit hoher Drehmomentabgabe bei Volllast zu schaffen (welche genauso groß wie oder größer als diejenige von her­ kömmlichen SI-Motoren sein kann).
Ein weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstel­ lung eines Motors, bei dem ein spätes Schließen des Einlass­ ventils, eine Aufladung (supercharging) oder eine Turboauf­ ladung mit Zwischenkühlung und eine späte Funken- Zeitsteuerung eingesetzt werden können, um den Zylinderspit­ zendruck zu minimieren und ein Klopfen zu vermeiden, während die Motordrehmomentabgabe maximiert wird.
Die Erfindung bezieht sich auf den Betrieb eines benzinbe­ triebenen HCCI- und Funkenzündungsmotors in einem weiten Be­ lastungsbereich einschließlich Kaltstartbedingungen. Es wird vorgeschlagen, mindestens zwei unterschiedliche Takte (cy­ cles) unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen einzuset­ zen.
Nachfolgend werden drei verschiedene Taktstrategien be­ schrieben. In einer ersten Taktstrategie - bei geringer Last - arbeitet der Motor im HCCI-Verbrennungsmodus mit ei­ nem hohen Maß an interner Abgasrückführung (EGR) oder einer großen Menge an Restgasen und einem hohen Kompressionsver­ hältnis. Dies erfordert eine hohe Ventilüberlappung oder ei­ ne große Lücke zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils, und es wird eine herkömmliche Zeitsteuerung des Einlassventil-Schließens (IVC: intake val­ ve closing) verwendet.
Bei einer zweiten Taktstrategie - während hoher Belastung, hoher Drehzahl oder eines Motorkaltstarts - arbeitet der Mo­ tor im SI-Verbrennungsmodus mit einer reduzierten internen EGR und einem reduzierten effektiven Kompressionsverhältnis (unter Einsatz eines Atkinson-Taktes). Dies erfordert eine herkömmliche Ventilüberlappung und ein spätes IVC-Timing.
Das IVC-Timing kann mit der Veränderung der Belastung ange­ passt werden, um die Einlassluftmasse zu steuern, so dass die Mischung auf ein stöchiometrisches Verhältnis (Luft- Kraftstoff-Verhältnis von 14.6) geregelt werden kann. Dies hat zur Folge, daß ein herkömmlicher Dreiwegekatalysator im Auspuffrohr eingesetzt werden kann, um NOx-, CO- und HC- Emissionen zu minimieren.
Bei einer dritten Taktstrategie während Volllast wird der Motor im SI-Verbrennungsmodus mit reduzierter interner EGR betrieben, was eine eine herkömmliche Ventilüberlappung er­ fordert. Das effektive Kompressionsverhältnis kann jedoch sowohl reduziert als auch nicht reduziert sein, und zwar in Abhängigkeit davon, ob eine Vorverdichtung oder eine Turbo­ aufladung erfolgt (d. h., der Atkinson-Takt kann eingesetzt oder auch nicht eingesetzt werden).
Wenn keine Vorverdichtung oder Turboaufladung erfolgt, soll­ te das effektive Kompressionsverhältnis nicht reduziert wer­ den (der Atkinson-Takt wird nicht eingesetzt), so dass der Motor einen ausreichenden volumetrischen Wirkungsgrad auf­ weist. Um ein Motorklopfen zu vermeiden und den Spitzenzy­ linderdruck zu kontrollieren, sollte die Funken-Zeit­ steuerung erheblich verzögert werden (wie in Fig. 5 darge­ stellt). Es wird ein herkömmliches IVC-Timing eingesetzt.
Wenn eine Vorverdichtung oder Turboaufladung mit Zwischen­ kühlung eingesetzt wird (d. h., die komprimierte Luft wird vor Eintritt in den Zylinder gekühlt), wird das effektive Kompressionsverhältnis reduziert (d. h., der Atkinson-Takt wird eingesetzt, jedoch bei einem höheren Einlassdruck), um die Einlassluftmasse zu steuern. Das effektive Kompressions­ verhältnis wird wiederum durch ein spätes IVC-Timing redu­ ziert. Dieser Takt ist in Fig. 6 dargestellt.
Um diese unterschiedlichen Taktstrategien zu verwirklichen, können wenigstens drei unterschiedliche Mechanismen einge­ setzt werden.
Bei allen drei Mechanismen werden duale obenliegende Nocken und ein unkonventionelles, einzeln steuerbares Nockentiming für jede Nockenwelle (dual ungleiches gegenläufiges (coun­ ter-shifting) variables Nockentiming) eingesetzt. Die Anord­ nung der Einlass- und Auslassschlitze/Ventile kann unter­ schiedlich sein.
Bei dem ersten Mechanismus wird eine vergrößerte Einlass­ ventil-Ereignislänge (event length) (290-330 cad) mit einer herkömmlichen Ventil-/Schlitzanordnung und zwei, drei oder vier Ventilen pro Zylinder eingesetzt. Dieser Mechanismus kann dazu eingesetzt werden, alle Taktstrategien zu verwirk­ lichen, ausgenommen unter Volllastbetrieb und ohne Einsatz einer Vorverdichtung oder Turboaufladung. Die Port-/Ventil­ anordnung sowie die Nocken-Phasensteuerung (phasing) und Ventil-Zeitsteuerung unter zwei verschiedenen Verbrennungs­ modi sind in den Fig. 1, 3, 7 und 8 dargestellt.
Bei dem zweiten Mechanismus werden drei Ventile eingesetzt, und zwar zwei Einlassventile und ein Auslassventil. Die Port-/Ventilanordnung und die Ventil-Zeitsteuerung sind aus den Fig. 2, 9, 10 und 11 ersichtlich. Mit diesem Mecha­ nismus können alle Taktstrategien verwirklicht werden.
Bei dem dritten Mechanismus werden vier Ventile eingesetzt. Die Port-/Ventilanordnung und die Ventil-Zeitsteuerung sind aus den Fig. 4 und 12-17 ersichtlich. Mit diesem Mecha­ nismus können alle Taktstrategien verwirklicht werden.
Die Erfindung ist insbesondere bei einem benzinbetriebenen Motor mit einem Kompressionsverhältnis von 12 : 1-19 : 1, vor­ zugsweise 14 : 1-16 : 1, einsetzbar. Dieser Motor ist dazu ausgelegt, während eines Kaltstartes, bei hoher Last und bei hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Atkinson-Taktes mit Funkenzündung betrieben zu werden. Im Atkinson-Takt kann ein spätes Einlassventil-Schließen (IVC) erfolgen, so dass das effektive Kompressionsverhältnis des Motors in Abhängig­ keit von der Last auf unterhalb von 10 : 1 reduziert wird, während das Expansionsverhältnis hoch bleibt. Unter dieser Bedingung liegt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen 12-20 und vorzugsweise bei 14.6 bei Funkenzündung und ei­ ner Emissionskontrolle unter Einsatz eines Dreiwegekatalysa­ tors. Wenn der Motor warm und die Last gering ist, wird der Motortakt auf einen HCCI-Verbrennungsmodus umgeschaltet mit einem hohen Kompressionsverhältnis und einer großen Menge an heißen Resten (residuals) bzw. Restgasen. Das höhere Kom­ pressionsverhältnis wird durch Wiederherstellung der IVC- Zeitsteuerung in ihren normalen Zustand erreicht.
Die Menge der Reste bzw. der Restgase wird durch eine signi­ fikante Vorverlegung der Zeitsteuerung der Einlassventilöff­ nung (IVO: inlet valve opening) um 20-90 Kurbelwinkel­ grad (cad: crank angle degrees) gegenüber der normalen IVO-Zeitsteuerung herkömmlicher Motoren und durch Verzöge­ rung der Zeitsteuerung des Auslassventilschließens (EVC: ex­ haust valve closing) erhöht. Eine sehr frühe IVO- Zeitsteuerung ermöglicht es, dass eine sehr große Menge an Abgas in den Einlassport und während des Einlassprozesses zurück in den Zylinder strömt. Ein spätes EVC ermöglicht es den Abgasen, in den Zylinder zurückzuströmen.
Bei dem Gegenstand der Erfindung kann die Ereignislänge (event length) des Einlassnockens auf 290-330 cad vergrö­ ßert werden. Im Gegensatz hierzu beträgt die Ereignislänge bei einem herkömmlichen Motor nur etwa 240-270 cad und ty­ pischerweise bei Kraftfahrzeugmotoren 248 cad (z. B. Ford 2.0L ZETA). Die Phasensteuerung beider Nockenwellen kann, basierend auf einer Strategie einer dual ungleichen gegen­ läufigen variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung (VCT), varia­ bel sein. Die Bereiche der Phasenverschiebung für die beiden Nockenwellen können unterschiedlich sein. Der maximale Pha­ senverschiebungsbereich für die Einlassnockenwelle beträgt etwa 20-90 cad. Der maximale Phasenverschiebungsbereich für die Auslassnockenwelle beträgt jedoch nur etwa 10-30 cad. Falls der Phasenverschiebungsmechanismus für die beiden Nockenwellen gekoppelt ist, müssen somit die Ver­ schiebungsraten mit einem Verhältnis von etwa 3-8 in ge­ gensätzliche Richtungen unterschiedlich sein.
Für den HCCI-Verbrennungsmodus wird die Phase bzw. Phasenla­ ge der Einlassnockenwelle vorverlegt, und zwar mit dem IVO bei 40-110 cad vor dem oberen Totpunkt (bTDC) und mit dem IVC bei 20-40 cad hinter dem unteren Totpunkt (aBDC). Fer­ ner wird die Phase bzw. Phasenlage der Auslassnockenwelle verzögert, und zwar mit dem EVC bei 30-60 hinter dem obe­ ren Totpunkt (aTDC) und mit dem EVO bei 20-40 cad vor dem unteren Totpunkt (bBDC). Sowohl die Verzögerung des IVC als auch die Vorverlegung des EVO sind kleiner als bei herkömm­ lichen Motoren, da der HCCI-Verbrennungmodus üblicherweise bei niedriger Motordrehzahl eingesetzt wird. Für eine Fun­ kenzündungsverbrennung während eines Kaltstartes oder bei Bedingungen hoher Belastung wird die Phase der Einlassnoc­ kenwelle verzögert, und zwar mit einem IVO bei 5-20 cad bTDC und mit IVC bei 80-120 cad aBDC. Ferner wird die Pha­ se bzw. Phasenlage der Auslassnockenwelle auf herkömmliche Zeitsteuerungen vorverlegt, und zwar mit EVC bei 15-30 cad aTDC und mit EVO bei 40-60 cad bBDC.
Bei Volllast wird das IVC-Timing verzögert, um das effektive Kompressionsverhältnis zu reduzieren und die Einlassluft­ masse zu steuern. Durch das späte IVC in Kombination mit Vorverdichtung oder Turboaufladung mit Zwischenkühlung und einer späten Funken-Zeitsteuerung kann der Spitzenzylinder­ druck kontrolliert, ein Klopfen vermieden und eine ausrei­ chende Drehmomentabgabe gewährleistet werden.
Die vorgeschlagenen Maßnahmen können auch dazu eingesetzt werden, den Lastbereich der HCCI-Verbrennung auszudehnen und das Selbstzündungstiming zu steuern. Wenn die Last zunimmt, tendiert die Selbstzündung zu einer Vorverlegung, so dass die Phase der Einlassnockenwelle derart verzögert wird, daß sowohl das effektive Kompressionsverhältnis als auch die heißen Reste verringert werden. Durch eine Vorverlegung der Auslassnockenwellen-Phasensteuerung kann eine auch Reduzie­ rung "gefangener" heißer Reste erfolgen. Mit einem niedrige­ rem Kompressionsverhältnis und einer geringen Menge an hei­ ßen Resten kann somit die Selbstzündung in einem optimalen Zeitsteuerungsbereich verbleiben.
Bei dem vorstehenden primären Vorschlag einer ungleichen ge­ genläufigen VCT wird davon ausgegangen, dass die Einlass- und Auslasswellen für die Phasenverschiebung mechanisch ver­ bunden sind. Durch die Phasensteuerung beider Nockenwellen werden die Reste beeinflusst, und zwar wird durch die Ein­ lassnockenwellen-Phasensteuerung das effektive Kompressions­ verhältnis beeinflusst, und im Gegensatz hierzu wird durch die Auslassnockenwellen-Phasensteuerung das Expansionsver­ hältnis beeinflusst. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann auch eine individuelle Steuerung der beiden Nockenwel­ len vorgesehen sein, um eine verbesserte Motorsteuerung zu erzielen. Darüber hinaus kann auch die Einlassnockenwellen- VCT ohne Steuerung der Auslassnockenwelle eingesetzt werden, da der Effekt der Anpassung des effektiven Kompressions­ verhältnisses von größerer Bedeutung ist.
Zur Bedienung der Nockenwellenphasensteuerung kann eine rückgekoppelte Regelung vorgesehen sein. Hierzu können opti­ sche Sensoren oder Druckwandler eingesetzt werden. Wenn die Phasensteuerung zu früh liegt, kann sie zur Verzögerung der Phasensteuerung angepasst werden, und wenn sie zu spät liegt, kann die Nockenwellenphasensteuerung vorverlegt wer­ den.
Die Verbrennungsphase kann in einem in Betrieb befindlichen Motor unter Verwendung eines Zylinderdruckwandlers oder ei­ nes optischen Helligkeitssensors detektiert werden. Die In­ formation über die Verbrennungsphase kann für eine rück­ gekoppelte Regelung der Nockenphasensteuerung durch die Mo­ torregelungseinheiten eingesetzt werden. Zur Erreichung der angestrebten Ziele wird ein hybrider Motor mit Homogener- Ladungs-Kompressionszündung und Funkenzündung eingesetzt. Der hybride Motor weist wenigstens einen Zylinder mit wenig­ stens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil auf. Es sind eine erste Nockenwelle und eine zweite Nocken­ welle vorgesehen, und zwar derart, dass die erste Nockenwel­ le so ausgebildet und angeordnet ist, dass durch sie wenig­ stens ein Einlassventil betätigt wird, und dass die zweite Nockenwelle so ausgebildet und angeordnet ist, dass durch sie wenigstens ein Auslassventil betätigt wird. Für eine va­ riable Nockenwellen-Zeitsteuerung ist eine Vorrichtung funk­ tionell mit den Nockenwellen verbunden, und zwar zum Betrei­ ben des Motors in einem Homogenen-Ladungs-Kompressions­ zündungs-Modus und in einem Funkenzündungs-Modus.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein hy­ brider HCCI-/SI-Motor vorgesehen, der wenigstens einen Zy­ linder mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen aufweist. Der Motor enthält ferner eine erste Nockenwelle und eine zweite Nockenwelle, wobei die erste Nockenwelle so ausgebildet und angeordnet ist, dass durch sie eines der Einlassventile und eines der Auslassventile betätigt wird. Die zweite Nockenwelle ist so ausgebildet und angeordnet, dass durch sie die anderen Einlassventile und das Auslass­ ventil betätigt werden. Zum Betreiben des Motors in einem Homogenen-Ladungs-Kompressionszündungs-Modus und in einem Funkenzündungs-Modus ist eine Vorrichtung zur variablen Noc­ kenwellen-Zeitsteuerung vorgesehen. Die Vorrichtung zur va­ riablen Nockenwellen-Zeitsteuerung ist so ausgebildet und angeordnet, dass ein Zustand großer Ventilüberlappung im Ho­ mogenen-Ladungs-Kompressionszündungs-Modus vorhanden ist, indem durch sie wenigstens einem der Einlassventile erlaubt wird, sich zu öffnen, bevor das Auslassventil schließt. Die Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung ist weiterhin so ausgebildet und angeordnet, dass durch sie im Funkenzündungs-Modus wenigstens eines der Einlassventile im Bereich von 70-110 Kurbelwinkelgrad nach dem unteren Tot­ punkt zum Schließen veranlasst wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Motor mit Homogener-Ladungs- Kompressionszündung und Funkenzündung vorgesehen. Das Ver­ fahren umfasst die Schritte eines Betätigens wenigstens ei­ nes der Einlassventile durch eine erste Nockenwelle, eines Betätigens wenigstens eines der Auslassventile durch eine zweite Nockenwelle und einer Bestimmung des Motorlastzustan­ des. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben wenigstens einer der Nockenwellen durch eine Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung, basierend auf dem bestimmten Mo­ torlastzustand, so dass der Motor unter Einsatz von Homoge­ ner-Ladungs-Kompressionszündung arbeiten kann, wenn sich der Motor in einem Zustand geringer Belastung befindet, und un­ ter Einsatz von Funkenzündung arbeiten kann, wenn sich der Motor in einem Zustand hoher Belastung befindet.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung unter Be­ zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche Be­ zugszeichen für die Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Tei­ le verwendet werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Zylinders in einem hybriden Motor mit einem Einlassventil und einem Aus­ lassventil gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Zylinders in einem hybriden Motor mit zwei Einlassventilen und einem Auslassventil gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Zylinders in einem hybriden Motor mit zwei Einlassventilen und zwei Aus­ lassventilen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Zylinders in einem hybriden Motor mit zwei Einlassventilen und zwei Aus­ lassventilen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm des Volumens und des Drucks für einen Verbrennungstakt unter idealen Bedingungen bei Voll­ last ohne Vorverdichtung oder Turboaufladung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein weiteres Diagramm des Volumens und des Drucks für den Verbrennungstakt unter idealen Bedingungen bei Volllast für den Fall, dass ein Auflader mit Zwi­ schenkühlung gemäß der vorliegenden Erfindung verwen­ det wird;
Fig. 7 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des HCCI-Verbrennungsmodus bei geringen bis mittleren Lasten für den Fall, dass die Ventil- /Schlitzanordnung gemäß den Fig. 1 und 3 verwendet wird;
Fig. 8 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei hoher Last und während des Kaltstarts für den Fall, dass die Ventil- /Schlitzanordnung gemäß den Fig. 1 und 3 verwendet wird;
Fig. 9 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des HCCI-Verbrennungsmodus bei geringen bis mittleren Lasten für den Fall, dass die Ventil- /Schlitzanordnung nach Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 10 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des ST-Verbrennungsmodus bei hoher Last und während des Kaltstarts für den Fall, dass die Ven­ til-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 11 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei Volllast für den Fall, dass die Ventil-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 12 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des HCCI-Verbrennungsmodus bei geringen bis mittleren Lasten für den Fall, dass die Ventil- /Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 verwendet wird;
Fig. 13 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei hoher Last und während des Kaltstarts für den Fall, dass die Ven­ til-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 verwendet wird;
Fig. 14 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei Volllast, wenn die Ventil-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 verwendet wird;
Fig. 15 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des HCCI-Verbrennungsmodus bei geringen bis mittleren Lasten für den Fall, dass die Ventil- /Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 entsprechend einer alternativen Betriebsstrategie der vorliegenden Er­ findung verwendet wird;
Fig. 16 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei hohen Lasten und während des Kaltstarts für den Fall dass die Ven­ til-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 entsprechend ei­ ner alternativen Betriebsstrategie der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
Fig. 17 eine schematische Ansicht der Ventilzeitsteuerung während des SI-Verbrennungsmodus bei Volllast für den Fall, dass die Ventil-/Schlitzanordnung gemäß Fig. 4 entsprechend einer alternativen Betriebsstrategie der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
In den Fig. 1-4 sind unterschiedliche repräsentative Zylinderanordnungen dargestellt, die in einem hybriden Motor mit Homogener-Ladungs-Kompressionszündung und Funkenzündung vorgesehen sein können. Diese unterschiedlichen Zylinder­ anordnungen werden nachfolgend zunächst diskutiert. An­ schließend erfolgt eine Beschreibung der Ventil-Zeit­ steuerungen, die für einen Betrieb des Motors eingesetzt werden.
Fig. 1 zeigt eine erste Art eines repräsentativen Zylinders in einem hybriden Motor mit Homogener-Ladungs-Kompressions­ zündung und Funkenzündung mit einem Einlassventil 4 und ei­ nem Auslassventil 8. Das Einlassventil 4 wird von einer Noc­ kenwelle #1 betätigt und das Auslassventil 8 von einer Noc­ kenwelle #2.
Fig. 2 zeigt eine zweite Art eines repräsentativen Zylin­ ders in einem hybriden Motor mit Homogener-Ladungs-Kompres­ sionszündung und Funkenzündung mit zwei Einlassventilen 104 und 106 und einem Auslassventil 108. Das Einlassventil 104 wird durch eine Nockenwelle #1 und das Einlassventil 106 so­ wie das Auslassventil 108 werden von einer Nockenwelle #2 betätigt.
Fig. 3 zeigt eine dritte Art eines repräsentativen Zylin­ ders in einem hybriden Motor mit Homogener-Ladungs- Kompressionszündung und Funkenzündung mit zwei Einlassventi­ len 52 und 54 und zwei Auslassventilen 56 und 58. Die Ein­ lassventile 52 und 54 werden von einer Nockenwelle #1 betä­ tigt und die Auslassventile 56 und 58 von einer Nockenwel­ le #2.
Fig. 4 zeigt eine vierte Art eines repräsentativen Zylin­ ders mit zwei Nockenwellen #1 und #2 mit zwei Einlassventi­ len 304 und 306 und zwei Auslassventilen 308 und 310. Wie dargestellt sind das Einlassventil 304 und das Auslassven­ til 310 der Nockenwelle #1 zugeordnet, und das Einlassven­ til 306 und das Auslassventil 308 sind der Nockenwelle #2 zugeordnet.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem für einen Verbrennungs­ takt unter idealen Bedingungen der Druck P gegen das Volumen V aufgetragen ist. Das Kompressionsverhältnis des mit Benzin betriebenen HCCI-Motors sollte wesentlich höher als jenes herkömmlicher Funkenzündungs-Motoren sein, um die Selbstzün­ dung zu fördern und den Kraftstoffwirkungsgrad zu erhöhen. Um den HCCI-Motor bei Volllast zu betreiben, wird, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Volllasttakt für die Funkenzündungs­ verbrennung vorgeschlagen. Die Ventilzeitsteuerung in diesem Verbrennungsmodus erfolgt ähnlich wie bei herkömmlichen Mo­ toren, so dass der volumetrische Wirkungsgrad des Motors hoch bleiben kann. Durch eine beträchtliche Verzögerung der Zündungs-Zeitsteuerung (zum Beispiel Zündung bei 18,5 Kur­ belwinkelgrad nach dem oberen Totpunkt, wie in Fig. 5 ge­ zeigt), kann der Motor ohne Klopfen bei dem gleichen thermi­ schen Wirkungsgrad wie demjenigen herkömmlicher Funken­ zündungs-Motoren betrieben werden.
Fig. 5 zeigt den Verbrennungstakt, wobei die Basislinie dem atmosphärischen Druck entspricht und am Ende des Einlasses am unteren Totpunkt (BDC) ein Punkt A erreicht wird. Dann beginnt die Kompression. Das Volumen wird reduziert und der Druck steigt bis zu einem Punkt B am oberen Totpunkt (TDC). Nach dem TDC beginnt dann der Druck zu fallen, und die Zün­ dung erfolgt in einem Punkt C, was den Druck auf einen Punkt D anhebt. Der Punkt D zeigt das Ende der Verbrennung an, und danach nimmt aufgrund der Expansion der Druck ab und das Volumen zu bis zu einem Punkt E; dann beginnt der Öff­ nungsvorgang des Auslassventils. Zwischen Punkt E und Punkt A erfolgt das Ausblasen (blow down), woraufhin sich der Takt wiederholen kann.
Entscheidend für die Verbrennung ist, bis nach TDC zu war­ ten. Bei dem Ausführungsbeispiel wird bis 18.5 cad nach dem oberen Totpunkt (aTDC) gewartet. Im Allgemeinen sind zwei Kriterien zu berücksichtigen. Zunächst sollte die Zeitsteue­ rung dann verzögert werden, wenn ein Klopfen auftritt. Zudem sollte die Zeitsteuerung dann verzögert werden, wenn der Spitzendruck begrenzt ist.
Während der SI-Verbrennung bei hoher Last wird ein Atkinson- Takt (nicht dargestellt) eingesetzt. Fig. 6 zeigt den Takt für Volllast, wobei ein Vorverdichter oder Turboauflader mit Zwischenkühlung eingesetzt wird. Aus diesem Diagramm ist er­ sichtlich, dass ein spätes IVC eingesetzt wird und eine spä­ te Funkenerzeugung erfolgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie in den Zeich­ nungen dargestellt, drei Takte eingesetzt werden, um den Mo­ tor zu betreiben. Dabei sei darauf hingewiesen, dass es mög­ lich ist, den Motor lediglich mit dem HCCI-Modus und dem Funkenzündungs-Modus bei hoher Last ohne Einsatz des Funken­ zündungs-Modus bei Volllast zu betreiben. Die folgenden Strategien zur Ventil-Zeitsteuerung können bei zwei, drei oder vier Ventilen pro Zylinder eingesetzt werden. Mit den Strategien einer "dual ungleich gegenläufigen variablen Noc­ ken-Zeitsteuerung" kann eine gewünschte Ventil-Zeitsteuerung verwirklicht werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen den Betrieb für den Fall, dass der Motor mit den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 3 ein­ gesetzt und im HCCI-Modus betrieben wird. Wie ersichtlich, zeigt ein Bereich 160 den Betrieb des Auslassventils, das etwa 20-40° vor dem unteren Totpunkt (BDC) geöffnet und etwa 30-60° nach dem oberen Totpunkt (TDC) geschlossen wird. Ein Bereich 162 zeigt den Betrieb des Einlassventils, das 50-110° vor TDC geöffnet und etwa 10-40° nach BDC geschlossen wird (Anmerkung: die Ausführungen zu den Fig. 7 bis 17 gelten analog auch für mehrere Einlass- oder Aus­ lassventile).
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist zwischen dem Öffnen des Einlassventils und dem Schließen des Auslassventils ein gro­ ßer Ventilüberlapp vorgesehen. Dieser Überlapp trägt dazu bei, die Zylindertemperatur während der HCCI-Zündung zu er­ höhen. Da das lokale Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedrig ist, wird ein mageres Gemisch eingesetzt. Die Verbrennung wird unterhalb 1800 K gehalten, so dass nur ein niedriger Level von NOx produziert wird. Bei etwa halber Last wird der HCCI Betrieb wegen auftretenden Klopfens impraktikabel. Dies liegt u. a. daran, dass bei höheren Lasten das Luft- Kraftstoffgemisch fetter wird und die Verbrennung zu schnell erfolgt, was Vibrationen und Klopfen hervorrufen kann.
Zur Verhinderung von Klopfen und zur Erzielung weiterer Vor­ teile erfolgt eine Umschaltung der Regelung des Motors mit dem Ziel, den Motor bei höheren Lasten in einem Funkenzün­ dungs-Modus zu betreiben, wie in Fig. 8 dargestellt. Dabei zeigt ein Bereich 170 den Betrieb des Auslassventils, wel­ ches sich etwa bei 40-60° vor BDC öffnet und etwa 15-30° nach TDC schließt. Ein Bereich 172 zeigt den Betrieb des Einlassventils, das sich geringfügig vor TDC (5-20°) öff­ net und 70-110° nach BDC schließt.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist hier ein wesentlich gerin­ gerer Ventilüberlapp zwischen dem Öffnen des Einlassventils und dem Schließen des Auslassventils vorgesehen.
Die Fig. 9-11 zeigen drei mögliche Betriebsmodi unter Einsatz einer Anordnung mit zwei Einlassventilen und einem Auslassventil entsprechend Fig. 2. Bei diesem System wird eine dual ungleiche gegenläufige variable Nocken- Zeitsteuerung eingesetzt, um variable effektive Kompressi­ onsverhältnisse und variable Ventilüberlappungen zu erzie­ len.
Fig. 9 zeigt den Betrieb für den Fall, dass der Motor im HCCI-Modus mit hoher Abgasrezirkulation arbeitet. Dabei ent­ spricht ein Bereich 210 dem Betrieb des Auslassventils 108, das sich etwa 20-40° vor BDC öffnet und etwa 30-50° nach IDC schließt. Ein Bereich 212 veranschaulicht den Betrieb des Einlassventils 106, das sich geringfügig nach TDC öffnet und etwa 40-60° nach BDC schließt. Ein Bereich 214 veran­ schaulicht den Betrieb des Einlassventils 104, das sich 50-110° vor TDC öffnet.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich, ist ein großer Ventilüberlapp zwischen dem Öffnen des Einlassventils 104 und dem Schließen des Auslassventils 108 vorgesehen. Dieser Überlapp trägt zu einer Erhöhung der Zylindertemperatur während der HCCI- Zündung bei. Da das lokale Luft-Kraftstoff-Verhältnis nied­ rig ist, wird dementsprechend eine magere Mischung einge­ setzt und die Verbrennung unterhalb von 1800 K gehalten, so dass nur ein geringer Level von NOx produziert wird.
Wie bereits erwähnt, wird bei etwa halber Last das HCCI auf­ grund des Klopfens impraktikabel. Zur Verhütung von Klopfen und zur Erzielung weiterer Vorteile wird die Steuerung des Motors umgeschaltet, um den Motor bei höheren Lasten im Fun­ kenzündungs-Modus zu betreiben. Diese Regelung ist in Fig. 10 dargestellt. Wie ersichtlich, veranschaulicht ein Be­ reich 220 den Betrieb des Auslassventils 108, das sich etwa 40-60° vor BDC öffnet und etwa 15-30° nach TDC schließt. Ein Bereich 222 veranschaulicht den Betrieb des Einlassven­ tils 106, das sich geringfügig vor TDC (10-20°) öffnet und geringfügig nach BDC schließt. Ein Bereich 224 veranschau­ licht den Betrieb des Einlassventils 104, das sich geringfü­ gig nach TDC öffnet und etwa 70-110° nach BDC schließt.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist hier der Ventilüberlapp zwischen dem Öffnen des Einlassventils und dem Schließen des Auslassventils wesentlich geringer. Zudem erfolgt das in dem Bereich 224 gezeigte Schließen des Auslassventils sehr spät, so dass die Kompressionsrate reduziert wird.
Fig. 11 veranschaulicht die Ventil-Zeitsteuerungsregelung, wie sie bei Volllast verwendet wird. Grundsätzlich ist diese Anordnung ähnlich Fig. 10, außer dass die Zeitsteuerung des Einlassventils 104, die in einem Bereich 234 dargestellt ist, geändert wurde. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, koinzi­ dieren - wie durch Bereiche 232 und 234 dargestellt - die Öffnungen der Einlassventile im Wesentlichen. Weiterhin schließt das Einlassventil 104 nunmehr etwa 50-70° nach BDC. Dies ermöglicht ein kontrollierbares Kompressionsver­ hältnis, welches mehr Luft einfangen und mehr Leistung be­ reitstellen kann, als es durch einen Einsatz einer Ventil­ zeitsteuerung gemäß Fig. 10 möglich ist.
Ein Verfahren zum Betreiben des Motors unter Einsatz zweier Einlassventile 304 und 306 und zweier Auslassventile 308 und 310 gemäß Fig. 4 wird anhand der Fig. 12-14 beschrie­ ben.
Fig. 12 zeigt einen Betrieb des Motors im HCCI-Modus bei geringen bis mittleren Lasten. Ein Bereich 410 veranschau­ licht den Betrieb des Auslassventils 308, welches sich ge­ ringfügig vor BDC öffnet und etwa 40-80° nach TDC schließt. Ein Bereich 416 veranschaulicht den Betrieb des Auslassventils 310, welches etwa 40-60° vor BDC geöffnet wird und vor TDC schließt. Ein Bereich 412 bezieht sich auf den Betrieb des Einlassventils 306, welches sich geringfügig nach TDC öffnet und etwa 40-60° nach BDC schließt. Weiter­ hin betrifft ein Bereich 414 das Einlassventil 304, welches sich etwa 60-90° vor TDC öffnet und geringfügig vor BDC schließt. Diese Betriebsweise weist einen großen Ventilüber­ lapp mit höherer interner Abgasrezirkulation (EGR) und ein hohes Kompressionsverhältnis auf.
Fig. 13 zeigt einen Betrieb im Funkenzündungs-Modus während hoher Lasten und bei Kaltstart. Wie ersichtlich, veranschau­ licht ein Bereich 420 den Betrieb des Auslassventils 308, welches etwa 40-60° vor BDC öffnet und etwa 15-30° nach TDC schließt. Ein Bereich 426 veranschaulicht den Betrieb des Auslassventils 310, welches nach BDC geöffnet und etwa zur selben Zeit wie das Auslassventil 308 geschlossen wird. Ein Bereich 422 betrifft den Betrieb des Einlassventils 306, welches etwa 10-20° vor TDC geöffnet und kurz nach BDC ge­ schlossen wird. Weiterhin betrifft ein Bereich 424 das Ein­ lassventil 304, welches geringfügig nach TDC geöffnet und etwa 70-110° nach BDC geschlossen wird. Dieser Betriebsmo­ dus weist einen normalen Ventilüberlapp und ein niedriges effektives Kompressionsverhältnis auf. Ein Auftreten von Klopfen wird vermieden.
Fig. 14 zeigt einen Betrieb des Motors im Funkenzündungs- Modus bei Volllast. Ein Bereich 430 veranschaulicht den Be­ trieb des Auslassventils 308, welches etwa 40-60° vor BDC geöffnet und etwa 15-30° nach TDC geschlossen wird. Ein Bereich 436 veranschaulicht den Betrieb des Auslass­ ventils 310, welches nach BDC geöffnet und kurz vor TDC ge­ schlossen wird. Ein Bereich 432 betrifft den Betrieb des Einlassventils 306, welches etwa 10-20° vor TDC geöffnet und geringfügig nach BDC geschlossen wird. Weiterhin be­ trifft ein Bereich 434 das Einlassventil 304, welches etwa 10-20° vor TDC geöffnet und etwa 50-70° nach BDC ge­ schlossen wird. Dieser Betriebsmodus weist ebenfalls einen normalen Ventilüberlapp und ein hohes Kompressionsverhältnis mit später Zündung auf. Dieses Verfahren eignet sich für ei­ nen Betrieb mit einem Turbolader oder Vorverdichter mit ei­ nem Zwischenkühler.
Die Fig. 15-17 zeigen eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung unter Einsatz von zwei Einlassventi­ len 304 und 306 und zwei Auslassventilen 308 und 310 gemäß Fig. 4.
Fig. 15 zeigt einen Betrieb des Motors im HCCI-Modus bei geringen bis mittleren Lasten. Ein Bereich 510 veranschau­ licht den Betrieb des Auslassventils 308, welches geringfü­ gig nach BDC geöffnet und etwa 40-50° vor TDC geschlossen wird. Ein Bereich 516 veranschaulicht den Betrieb des Aus­ lassventils 310, welches etwa 30-50° vor BDC geöffnet wird und früher als das Auslassventil 308 geschlossen wird. Ein Bereich 514 betrifft den Betrieb des Einlassventils 304, welches etwa 40-50° nach TDC geöffnet und geringfügig vor BDC geschlossen wird. Weiterhin betrifft ein Bereich 512 das Einlassventil 306, welches geringfügig nach dem Einlassven­ til 304 geöffnet und etwa 40-60° nach BDC geschlossen wird. Bei dieser Betriebsweise ist eine große Lücke ohne Ventilüberlapp zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile vorgesehen, was zu einer Erhö­ hung der Erzeugung von heißen Resten führt. Es wird mit ei­ nem hohen Kompressionsverhältnis gearbeitet.
Fig. 16 zeigt den Betrieb im Funkenzündungs-Modus während hoher Lasten und während eines Kaltstartes. Dabei veran­ schaulicht ein Bereich 520 den Betrieb des Auslassven­ tils 308, welches etwa 40-60° vor BDC geöffnet wird und geschlossen wird, kurz nachdem das Auslassventil 310 geöff­ net wurde. Ein Bereich 526 veranschaulicht den Betrieb des Auslassventils 310, welches geöffnet wird, kurz bevor das Auslassventil 308 geschlossen wird, und welches etwa 35-45° nach TDC geschlossen wird. Ein Bereich 522 betrifft den Betrieb des Einlassventils 306, welches etwa 10-20° vor TDC geöffnet wird und geschlossen wird, kurz bevor das Einlassventil 304 geöffnet wird. Weiterhin betrifft ein Be­ reich 524 das Einlassventil 304, welches geöffnet wird, kurz bevor das Einlassventil 306 geschlossen wird, und welches etwa 70-90° nach BDC geschlossen wird. Dieser Betriebsmo­ dus weist einen hohen Grad an Ventilüberlapp und ein gerin­ ges effektives Kompressionsverhältnis auf, so dass ein Auf­ treten von Klopfen vermieden wird.
Fig. 17 zeigt einen Betrieb des Motors im Funkenzündungs- Modus bei Volllast. Ein Bereich 530 veranschaulicht den Be­ trieb des Auslassventils 308, welches sich etwa 40-60° vor BDC öffnet und zwischen BDC und TDC schließt. Ein Be­ reich 536 veranschaulicht den Betrieb des Auslass­ ventils 310, welches nach BDC geöffnet und etwa 15-20° nach TDC geschlossen wird. Ein Bereich 532 entspricht dem Betrieb des Einlassventils 306, welches etwa 10-20° vor TDC geöffnet und kurz vor BDC geschlossen wird. Weiterhin entspricht ein Bereich 534 dem Einlassventil 304, welches zwischen TDC und BDC geöffnet und etwa 50-60° nach BDC ge­ schlossen wird. Dieser Betriebsmodus weist ebenfalls eine normale Ventilüberlappung und ein hohes Kompressionsverhält­ nis mit Spätzündung auf.
Das Betriebs-Volumen-Druck-Diagramm des idealen Zündzyklus für den Gegenstand des in Fig. 15 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels unterscheidet sich infolge der dort vorgese­ henen Ventilbetätigung geringfügig von demjenigen der Gegen­ stände der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 7, 9 und 12.
Die unterschiedlichen Ausgestaltungen dienen verschiedenen Zwecken. Die in den Fig. 7, 9 und 12 gezeigten Ausgestal­ tungen dienen einer Erhöhung der internen EGR. Aufgrund der großen Ventilüberlappung strömt eine größere Menge verbrann­ ter Gase in den Zylinder zurück. Die in Fig. 15 gezeigte Ausgestaltung dient dazu, eine größere Menge "heißer Reste" im Zylinder gefangen zu halten, ohne dass Gase aus dem Zy­ linder heraus und in diesen zurückfließen. Dies wird durch ein frühes Schließen des Auslassventils erreicht, so daß ein Teil der verbrannten Gase vor einem Ausströmen zurückgehal­ ten wird. Die Gase im Zylinder werden dann komprimiert, und anschließend erfolgt eine Expansion. Wenn der Druck auf den Umgebungsdruck reduziert ist, öffnet sich das Einlassventil, um den Einlassvorgang zu beginnen. Aus diesem Grunde ist von EVC bis IVO eine Lücke anstelle einer Überlappung vorgese­ hen.
Obwohl die Erfindung lediglich anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit zwei Nockenwellen erläutert wurde, sind auch an­ dere Anordnungen möglich. Ferner ist es möglich, die Nocken­ wellen so zu betreiben, dass die Einlass- und Auslassventile separat geregelt werden könnten.
Es sei darauf hingewiesen, dass der exakte Punkt des Über­ ganges von einem HCCI-Verbrennungsmodus auf einen funkenge­ zündeten Verbrennungsmodus von der Art und der Größe des Mo­ tors abhängt und problemlos durch Testen unter unterschied­ lichen Lastbedingungen feststellbar ist.

Claims (20)

1. Hybrider Motor mit Homogener-Ladungs-Kompressions­ zündung und Funkenzündung, mit
wenigstens einem Zylinder mit wenigstens einem Ein­ lassventil (4, 104; 52, 54; 304) und wenigstens einem Auslassventil (8; 108; 56, 58; 308);
einer ersten Nockenwelle (#1) und einer zweiten Noc­ kenwelle (#2), wobei die erste Nockenwelle so ausge­ bildet und angeordnet ist, dass sie das wenigstens ei­ ne Einlassventil betätigt und die zweite Nockenwelle so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie das wenig­ stens eine Auslassventil betätigt; und
einer Vorrichtung zur variablen Nockenwellen- Zeitsteuerung, die funktionell mit den Nockenwellen verbunden ist, um den Motor in einem Homogenen-La­ dungs-Kompressionszündungs-Modus und in einem Funken­ zündungs-Modus zu betreiben.
2. Hybrider Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass das wenigstens eine Auslassventil ein Paar von Auslassventilen (308, 310) umfasst, welche so aus­ gebildet und angeordnet sind, dass eines der Auslass­ ventile (310) von der ersten Nockenwelle (#1) und das andere der Auslassventile (308) von der zweiten Noc­ kenwelle (#2) betrieben wird.
3. Hybrider Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das wenigstens eine Einlassventil ein Paar von Einlassventilen umfasst, welche so ausgebil­ det und angeordnet sind, dass eines der Einlassventi­ le (104; 304) durch die erste Nockenwelle (#1) und das andere der Einlassventile (106; 306) durch die zweite Nockenwelle (#2) betätigt wird.
4. Hybrider Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur varia­ blen Nockenwellen-Zeitsteuerung so ausgebildet und eingerichtet ist, dass im Homogenen-Ladungs-Kompres­ sionszündungs-Modus ein Zustand großer Ventilüberlap­ pung vorhanden ist, indem sie dem wenigstens einen Einlassventil das Öffnen erlaubt, bevor das wenigstens eine Auslassventil schließt.
5. Hybrider Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass der Zustand der Ventilüberlappung wenigstens 50 Kurbelwinkelgrad beträgt.
6. Hybrider Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Zustand der Ventilüberlappung we­ nigstens 80 Kurbelwinkelgrad beträgt.
7. Hybrider Motor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass der Zustand der Ventilüber­ lappung im Bereich von 80-160 Kurbelwinkelgrad liegt.
8. Hybrider Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur varia­ blen Nockenwellen-Zeitsteuerung so ausgebildet und an­ geordnet ist, dass sie bewirkt, dass die Einlassven­ til-Ereignislänge größer als 250 Kurbelwinkelgrad ist.
9. Hybrider Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur varia­ blen Nockenwellen-Zeitsteuerung so ausgebildet und an­ geordnet ist, dass sie bewirkt, dass die Einlassven­ til-Ereignislänge zwischen 290-330 Kurbelwinkelgrad liegt.
10. Hybrider Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass ein Paar von Einlassventi­ len (52, 54) und ein Paar von Auslassventilen (56, 58) vorgesehen ist und die erste Nockenwelle (#1) so aus­ gebildet und angeordnet ist, dass sie das Paar von Einlassventilen betätigt und die zweite Nockenwel­ le (#2) so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie das Paar von Auslassventilen betätigt.
11. Hybrider Motor mit Homogener-Ladungs-Kompressionszün­ dung und Funkenzündung, mit
wenigstens einem Zylinder mit zwei Einlass­ ventilen (304, 306) und zwei Auslassventilen (308, 310);
einer ersten Nockenwelle (#1) und einer zweiten Noc­ kenwelle (#2), wobei die erste Nockenwelle so ausge­ bildet und angeordnet ist, dass sie eines der Einlass­ ventile (304) und eines der Auslassventile (310) betä­ tigt, und die zweite Nockenwelle so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie das andere Einlassven­ til (306) und Auslassventil (308) betätigt, und mit
einer Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeit­ steuerung zum Betreiben des Motors in einem Homogenen- Ladungs-Kompressionszündungs-Modus und in einem Fun­ kenzündungs-Modus, wobei die Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung so ausgebildet und einge­ richtet ist, dass sie einen Zustand großer Ventilüber­ lappung im Homogenen-Ladungs-Kompressionszündungs-Mo­ dus bewirkt, indem sie wenigstens einem der Einlass­ ventile das Öffnen erlaubt, bevor das Auslassventil schließt, und wobei die Vorrichtung zur variablen Noc­ kenwellen-Zeitsteuerung weiterhin so ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bewirkt, dass wenigstens eines der Einlassventile im Funkenzündungs-Modus im Bereich von 70-110 Kurbelwinkelgrad nach dem unteren Totpunkt schließt.
12. Hybrider Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ventilüberlappung im Homogenen-Ladungs- Kompressionszündungs-Modus im Bereich von 80-160 Kurbelwinkelgrad liegt.
13. Verfahren zum Betreiben eines hybriden Motors mit Ho­ mogener-Ladungs-Kompressionszündung und Funkenzündung, wobei der Motor wenigstens einen Zylinder mit minde­ stens einem Einlassventil (4; 104, 106; 52, 54; 304, 306) und mindestens einem Auslassventil (8; 108; 56, 58; 308, 310) aufweist, umfassend die folgenden Schritte:
Betätigen wenigstens eines der Einlassventile durch eine erste Nockenwelle (#1);
Betätigen wenigstens eines der Auslassventile durch eine zweite Nockenwelle (#2);
Bestimmung eines Motorlastzustandes;
Betreiben wenigstens einer der Nockenwellen durch eine Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung basierend auf dem im zuvor genannten Schritt bestimm­ ten Motorlastzustand, derart, dass der Motor unter Einsatz einer Homogenen-Ladungs-Kompressionszündung arbeiten kann, wenn sich der Motor in einem Zustand geringer Belastung befindet, und unter Einsatz einer Funkenzündung, wenn sich der Motor in einem Zustand hoher Belastung befindet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt einer Veranlassung eines großen Ven­ tilüberlapps durch die Vorrichtung zur variablen Noc­ kenwellen-Zeitsteuerung, indem wenigstens einem der Einlassventile erlaubt wird, sich zu öffnen, bevor das Auslassventil schließt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Veranlassung eines großen Ventil­ überlapps eine Bereitstellung eines Ventilüberlapps von mindestens 50 Kurbelwinkelgrad beinhaltet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, weiter­ hin enthaltend den Verfahrensschritt eines Betreibens wenigstens einer der Nockenwellen (#1, #2) durch eine Vorrichtung zur variablen Nockenwellen-Zeitsteuerung basierend auf dem bestimmten Motorlastzustand, derart, dass der Motor unter Einsatz einer Funkenzündung mit einer reduzierten internen Abgasrückführung arbeiten kann, wenn sich der Motor in einem Volllastzustand be­ findet.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Betreibens des Motors in einem Volllastzustand eine Verzögerung der Funkenzündung be­ inhaltet.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Schritt des Betreibens des Motors in einem Volllastzustand eine Reduktion eines effekti­ ven Kompressionsverhältnisses durch Einsatz einer spä­ ten Einlassventil-Steuerzeit beinhaltet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, weiter­ hin enthaltend den Verfahrensschritt eines Betätigens eines der Einlassventile und des Auslassventils durch die zweite Nockenwelle (#2).
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zwei Auslassventi­ le (56, 58) und zwei Einlassventile (52, 54) aufweist, und dass die Einlassventile durch die erste Nockenwel­ le (#1) und die Auslassventile durch die zweite Noc­ kenwelle (#2) betätigt werden.
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