DE102005001046A1 - Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs sowie Hybridfahrzeug mit einer Elektromaschine gekoppelten Mehrzylinderverbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einem mit einer Elektromaschine gekoppelten Mehrzylinderverbrennungsmotor mit zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslassventil pro Zylinder, einer variablen Ventilsteuerung sowie einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder, wobei von einer dem Fahrzeug zur Verfügung gestellten Gesamtantriebsleistung eine erste Teilleistung von dem Verbrennungsmotor und eine zweite Teilleistung von der Elektromaschine zur Verfügug gestellt wird, ist vorgesehen, dass nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt wird und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs erfolgt und/oder dass zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung, vorzugsweise eine Doppeleinspritzung, von Kraftstoff in einer Homogen-Split-Betriebsart erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung ein Hybridfahrzeug zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs sowie ein Hybridfahrzeug jeweils gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Bei Hybridfahrzeugen werden zwei oder mehr Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise, die für den Fahrzeugantrieb erforderliche Leistung bereitstellen. Da sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine besonders gut ergänzen, weisen die heute gängigen Hybridfahrzeuge überwiegend eine Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer Elektromaschine auf. Der Betrieb des Fahrzeugs erfolgt mit der Elektromaschine vorzugsweise in Bereichen mit nur geringen Lastanforderungen, da Verbrennungsmotoren bei Teillastbetrieb erheblich geringere Wirkungsgrade als bei Volllastbetrieb aufweisen. Bei höheren Lastanforderungen erfolgt der Betrieb mit dem Verbrennungsmotor, der dann mit relativ gutem Wirkungsgrad durch einen zusätzlichen generatorischen Betrieb der Elektromaschine die elektrischen Energiespeicher, aus denen die Elektromaschine im motorischen Betrieb gespeist wird, wieder laden kann. Um das dem Fahrzeug maximal zur Verfügung stehende Drehmoment zu steigern, kann darüber hinaus die Momentenabgabe von Verbrennungsmotor und Elektromaschine auch parallel erfolgen.
  • Bei Mehrzylinderbrennkraftmaschinen kann ein höherer Gesamtwirkungsgrad durch Abschaltung von Zylindern erreicht werden, da die verbleibenden Zylinder mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden können. Aus der DE 100 06 743 A1 ist beispielsweise ein Hybridantrieb mit einer Wärmekraftmaschine bekannt, welche zur Vermeidung eines Teillastbetriebes die Möglichkeit einer Zylinderabschaltung aufweist.
  • Ein rein elektrischer Antrieb mit Hilfe der Elektromaschine ist in Kombination mit einem konventionellen Verbrennungsmotor nur dann sinnvoll, wenn der Verbrennungsmotor und die Elektromaschine mechanisch entkoppelt werden können. Andernfalls führen die für den abgeschalteten Verbrennungsmotor aufzubringenden Schleppmomente dazu, dass hierfür ein Großteil der elektrischen Energie aufgebracht werden muss. Insbesondere im unteren Teillastbereich lassen sich für einen solchen Betriebsmodus nur sehr geringe Gesamtwirkungsgerade erreichen. Eine mechanische Entkopplung von Verbrennungsmotor und Elektromaschine, beispielsweise durch eine zusätzliche Kupplung ist mit einem erhöhten konstruktiven Aufwand und daher auch mit deutlich erhöhten Kosten verbunden. Des weiteren ergibt sich ein hoher Aufwand für eine Komfort optimierte Abstimmung des Gesamtsystems, da die Ab- und vor allen Dingen die Ankopplung des Verbrennungsmotors an die Elektromaschine auch in dynamischen Fahrsituationen möglichst ohne Momentensprünge bzw. ein daraus resultierendes Fahrzeugrucken vollzogen werden muss. Eine Alternative zur mechanischen Entkopplung besteht in der Reduzierung des Schleppmoments durch Deaktivierung einer Ventilbetätigung von abgeschalteten Zylindern.
  • Neben Konzepten bei denen lediglich die Kraftstoffzufuhr zu den abgeschalteten Zylindern unterbunden wird, ist es bekannt, die Abschaltung über eine Steuerung der Ein- und Auslassventile vorzunehmen. Aus der DE 102 04 129 ist beispielsweise ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem zum vibrationsarmen Abschalten des Verbrennungsmotors zusätzlich zur Reduktion der Kraftstoffzufuhr eine Entlastung von Verdichtungsmitteln, insbesondere eines Kolbens, eingeleitet wird. Die Entlastung der Verdichtungsmittel kann durch eine Öffnung einer Drosselklappe, eine Verkürzung einer Kompressionsphase, eine Verkürzung der Zeit in der Einlass- und Auslassventile gleichzeitig geschlossen sind, eine dauerhafte Öffnung der Einlass- und Auslassventile oder dergleichen erreicht werden. Zusätzlich kann einer oder mehrere der Zylinder des Verbrennungsmotors mechanisch abgeschaltet werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Zylindersteuerung das Einlass- und Auslassventil entweder direkt oder über ein Stellglied für die Nockenwelle derart ansteuert, dass Auslass- und Einlassventil des Brennraums dauerhaft während des Abschaltens des Verbrennungsmotors geöffnet oder dauerhaft geschlossen sind.
  • Aus der DE 42 92 543 C1 ist bereits ein Motorsteuerverfahren für einen Saugrohreinspritzmotor bekannt, bei dem in die abschaltbaren Zylinder unmittelbar vor dem Abschalten nur Luft angesaugt und verhindert wird, dass Verbrennungsgas in die Zylinder eingeschlossen wird. Bei der Zuschaltung eines zuvor abgeschalteten Zylinders werden die Ventiltriebe, welche den abschaltbaren Zylindern zugeordnet sind, von der Unterbrechung der Ventilbetätigung freigegeben, also wieder in Gang gesetzt. Ferner wird mittels einer Erfassungsvorrichtung erfasst, ob sich der Motor in einem Kennfeldbereich für rasche Beschleunigung befindet oder nicht. Befindet sich der Motor in dem Kennfeldbereich für rasche Beschleunigung, so erfolgt eine präliminäre, also vorausgehende Kraftstoffeinspritzung in die abschaltbaren Zylinder. In einem normalen Zustand wird die Kraftstoffeinspritzung begonnen, nachdem die Ventilbetätigung wieder angelaufen ist, das heißt, nachdem nur Luft in die abschaltbaren Zylinder angesaugt wurde. Aufgrund der Saugrohrwandfilmeffekte bei der indirekten Einspritzung befindet sich bei der Zuschaltung eines zuvor abgeschalteten Zylinders eine nur schwer ermittelbare, zusätzliche Kraftstoffmasse im Zylinder, was zu einer hohen Ungenauigkeit bei der Zumessung der richtigen Kraftstoffmasse für das angeforderte Soll-Luftverhältnis bei der Zuschaltung führt. Zusätzlich wird abhängig von der Dauer der Abschaltphase über das Blow-By eine geringe Kraftstoff- und Ölmenge in den Zylinderbrennraum gelangen und damit zu einer weiteren Änderung der Gemischzusammensetzung führen.
  • Aus der DE 195 46 549 C1 ist es ferner bereits bekannt, einen Zylinder nach einem Ansaugtakt und vor einem Auslasstakt zuzuschalten. Um eine unerwünschte Auskühlung des Brennraums zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass im abgeschalteten Zylinder während der Abschaltphase heißes Abgas verbleibt.
  • Zur Verhinderung eines unerwünschten Momentenrucks bei der Abschaltung und/oder Zuschaltung von Zylindern, wird in der EP 1 298 300 A2 vorgeschlagen, bei Teilmotorbetrieb die Leistung der abzuschaltenden Zylinder vor der Abschaltung zu verringern und gleichzeitig die Leistung der weiterlaufenden Zylinder zu erhöhen. Bei Wiederzuschaltung der Zylinder wird deren Leistung gesteigert, während die Leistung der weiterlaufenden Zylinder verringert oder konstant gehalten wird. Da bei einem abgeschalteten Zylinder durch Undichtigkeiten Gasverlust entstehen kann, wird in der DE 33 16 446 A1 der Vorschlag gemacht, das Einlassventil auch bei abgeschaltetem Zylinder kurz zu öffnen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines gattungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit dem eine hohe Genauigkeit bei der Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders realisiert werden kann. Ferner soll ein Hybridfahrzeug zur Ausführung des Verfahrens geschaffen werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüche zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß wird ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch weiterentwickelt, dass nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt wird und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs erfolgt und/oder dass zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung, vorzugsweise eine Doppeleinspritzung, von Kraftstoff in einer Homogen-Split-Betriebsart erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen zuvor abgeschalteten Zylinder mit einem bedarfsgerechten Momentenbeitrag zuzuschalten. Die während einer Ansaugphase erfolgte Füllung des Zylinders mit Frischluft – jedoch ohne Einspritzung von Kraftstoff – verhindert eine Ablagerung von Kraftstoff an den Zylinderwänden und erlaubt eine Zumessung der richtigen Kraftstoffmasse für ein angefordertes Soll-Luftverhältnis bei Zuschaltung des Zylinders. Ferner sind durch die genaue Zumessung der in den wieder zugeschalteten Zylinder eingebrachten Kraftstoffmenge positive Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen und die Lebensdauer von gegebenenfalls in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysatoren zu erreichen.
  • Eine bedarfsgerechte Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders erfolgt erfindungsgemäß durch eine Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff in einer Homogen-Split-Betriebsart. Bevorzugt ist dabei eine Doppeleinspritzung. Bei einer Mehrfacheinspritzung in eine Homogen-Split-Betriebsart erfolgt eine erste frühe Einspritzung während eines Ansaugtaktes des Zylinders, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge bei Zündung eine weitgehend homogene räumliche Verteilung im Brennraum des Zylinders aufweist. Weitere spätere Einspritzungen von Kraftstoff werden während eines anschließenden Verdichtungstaktes durchgeführt, wobei der eingespritzte Kraftstoff im Brennraum eine Schichtladung aufweist. Bei einer Schichtladung konzentriert sich die eingespritzte Kraftstoffmenge in einem Bereich in dem lokal die Zuführung von Zündenergie in den Zylinder erfolgt. Die Mehrfacheinspritzung erlaubt eine spätere Zündung als in einer Einfacheinspritzbetriebsart und damit eine größere Bandbreite bei einer Momentenanpassung.
  • In Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest ein Zylinder, vorzugsweise alle Zylinder des Verbrennungsmotors in einem vorgegebenen Teillastbereich und/oder unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors abgeschaltet, womit der Wirkungsgrad bei einer gegebenen dem Fahrzeug zur Verfügung gestellten Gesamtantriebsleistung erhöht werden kann. Ferner wird im Anschluss an ein Zeitintervall, in dem ein oder gegebenenfalls mehrere Zylinder abgeschaltet sind, eine Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder realisiert, falls eine angeforderte Gesamtantriebsleistung und/oder eine angeforderte Drehzahl höher als jeweils vorgegebene Schwellwerte sind.
  • Wenn in einem Stop-and-Go-Betrieb der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, lässt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichen.
  • Zur Abschaltung bzw. Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder erfolgt eine Deaktivierung bzw. Aktivierung zumindest eines der ausgewählten Gasaustauschventils, womit der Wirkungsgrad für eine Betriebsweise, bei der ein oder mehrere Zylinder des Verbrennungsmotors abgeschaltet sind, deutlich gesteigert werden kann. Zweckmäßig ist es, wenn nach vorhergehender Abschaltung eines Zylinders bei dessen Zuschaltung eine zeitlich verzögerte Aktivierung einer Ventilbetätigung sowie optional anschließend einer Kraftstoffeinspritzung und/oder einer Zündung erfolgt, da so eine Momentenanpassung, insbesondere ein allmählicher Momentenaufbau des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
  • Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt eine Bestimmung der in einem abschaltbaren Zylinder im abgeschalteten Betriebszustand vorliegenden Frischluftmasse und/oder von Gemischparametern und es werden die bestimmte Frischluftmasse und/oder die Gemischparameter zur Bestimmung einer bei Zuschaltung des besagten Zylinders einzuspritzenden Kraftstoffmenge herangezogen, womit eine genauere Zumessung der in den nach Abschaltung wieder zugeschalteten Zylinder einzubringenden Kraftstoffmenge erzielt werden kann.
  • Ferner wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein erster Teil der Kraftstoffeinspritzung in dem besagten Zylinder bis spätestens zum Ende der Ansaugphase und eine späteste Kraftstoffeinspritzung während der Verdichtungsphase vorgenommen, womit, insbesondere zur Momentenanpassung, ein späterer Zündzeitpunkt bei dennoch guten Zündeigenschaften des eingespritzten Kraftstoffs erzielt werden kann. Bevorzugt ist, wenn zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Zündwinkeleinstellung nach spät für ein oder mehrere Verbrennungszyklen des Zylinders gewählt wird. Besonders günstig ist es, wenn die erste Kraftstoffeinspritzung in der ersten Hälfte der Ansaugphase erfolgt und der in dieser Einspritzung zugefügte Kraftstoff zum Zündzeitpunkt homogen im Brennraum des Zylinders verteilt ist. Ferner ist es günstig, wenn die späteste Kraftstoffeinspritzung in der zweiten Hälfte der Verdichtungsphase erfolgt und zum Zündzeitpunkt der in dieser Einspritzung zugeführte Kraftstoff im wesentlichen in einem räumlichen Bereich, in dem die Zündenergie zugeführt wird konzentriert ist.
  • Die Erfindung wird vorteilhaft bei einem gattungsgemäßen Hybridfahrzeug eingesetzt, welches eine Einrichtung zur Momentenanpassung aufweist, mittels der bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung in einer Homogen-Split-Betriebsart erfolgen kann und/oder die eine Einrichtung zur Ab- und Zuschaltung eines Zylinders aufweist, mittels der nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt wird und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs erfolgt.
  • Besonders bevorzugt ist ein Hybridfahrzeug bei dem Elektromaschine und mehrzylinderverbrennungsmotor fest miteinander gekoppelt sind, da in diesem Fall ein geringerer konstruktiver Aufwand und reduzierte Kosten bei Herstellung, Wartung und gegebenenfalls Reparatur des Fahrzeugs erreicht werden können. Allerdings ist die Erfindung auch bei einem Hybridfahrzeug mit variabel gekoppelter Elektromaschine und Mehrzylinderverbrennungsmotor einsetzbar.
  • Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung sind unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen angegeben.
    •
  • Dabei zeigen:
  • 1 einen Hybridantrieb für ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug
  • 2 einen zeitlichen Ablauf bei Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Hybridantrieb 1 für ein ansonsten nicht dargestelltes Hybridfahrzeug. Ein Elektromotor bzw. eine Elektromaschine 10 und ein Mehrzylinderverbrennungsmotor 20 sind mit einem Getriebe 30 gekoppelt, das mit zumindest einem – in der 1 nicht dargestellten – Fahrzeugrad fest oder variabel gekoppelt ist. Für die Anbindung der Elektromaschine an die Motorkurbelwelle sind verschiedene Konzepte möglich. Bevorzugte Konzepte sind dabei eine direkte Anbindung an die Motorkurbelwelle oder eine Anbindung über einen Riementrieb, ein Getriebe oder eine Kupplung. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Elektromaschine 10 und Mehrzylinderverbrennungsmotor 20 mechanisch fest gekoppelt. Der Elektromotor 10 ist mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer aufladbaren Batterie oder dergleichen, elektrisch gekoppelt. Dem Verbrennungsmotor 20 ist eine Abgasanlage 50 mit einem motornahen Vorkatalysator 60 und einem stromab angeordneten Hauptkatalysator 70 zugeordnet. Ein Motorsteuergerät 90 empfängt von Steuersensoren 80, beispielsweise dem Fahrpedalmodul oder einem Antiblockiersystem, Steuersignale sowie von Sensoren 100 Werte von Betriebsparametern des Hybridfahrzeugs, insbesondere des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20, der Abgasanlage 50 sowie weiterer Fahrzeugkomponenten.
  • Der Verbrennungsmotor 20 ist ein direkt einspritzender Otto-Motor mit einer variablen Ventilsteuerung bzw. Ventilbetätigung. Die Ventilbetätigung kann teil- oder vollvariabel, mechanisch oder elektrisch ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist ein magerlauffähiger direkt einspritzender Otto-Motor, da damit in unteren Last-Drehzahlbereichen beträchtliche Einsparungen am Kraftstoffverbrauch gegenüber einem konventionellen Otto-Motor zu erreichen sind. Insbesondere bei diesen Ausbildungsformen der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn der Vorkatalysator 60 ein 3-Wegekatalysator und der Hauptkatalysator 70 ein NOx-Speicherkatalysator ist. Der Vorkatalysator 60 dient vorzugsweise zur Reinigung eines stöchiometrischen Abgases, zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) bei magerem Abgas und zur Verbesserung der Abgasreinigung bei einem Kaltstart. Der NOx-Speicherkatalysator 70 ist vorzugsweise zur Speicherung von Stickoxiden (NOx) bei magerem Abgas ausgelegt.
  • Das Steuergerät 90 beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform einen oder mehrere Mikroprozessoren, Datenspeicher und Schnittstellen sowie eine Einrichtung 90a zur Ab- und Zuschaltung eines Zylinders und/oder zur Momentenanpassung der bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders. Von dem Steuergerät 90 können in Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 80 das Gesamtdrehmoment und/oder Teilmomente bestimmt werden, welche vom Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 geliefert und zumindest teilweise dem Getriebe 30 zur Verfügung gestellt werden. Die Kopplung zwischen dem Elektromotor 10 und dem Verbrennungsmotor 20 ermöglicht sowohl eine negative als auch eine positive Drehmomentübertragung zwischen diesen beiden Komponenten.
  • Die im Einzelnen in 1 nicht genauer dargestellten Sensoren 100 umfassen Sensoren zur Messung oder Ermittlung von Betriebsparametern, vorzugsweise der Speichereinrichtung 40, des Elektromotors 10, des Verbrennungsmotors 20 und der Abgasanlage 50. Insbesondere können Lambda-Sonden in der Abgasanlage 50 stromaufwärts des Vorkatalysators 60, stromabwärts des Vorkatalysators 60, stromaufwärts des Hauptkatalysators 70 oder stromabwärts des Hauptkatalysators 70 angeordnet sein. Ferner können an verschiedenen Stellen der Abgasanlagen NOx-, SOx- oder Kohlenwasserstoffsensoren angeordnet sein.
  • Von einer dem Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellten Gesamtantriebsleistung wird eine erste Teilleistung von dem Verbrennungsmotor und eine zweite Teilleistung von der Elektromaschine zur Verfügung gestellt.
  • Zumindest ein Zylinder, vorzugsweise alle Zylinder des Verbrennungsmotors, werden in einem vorgegebenen Teillastbereich des Verbrennungsmotors oder des Gesamtantriebsmoments abgeschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann erfolgt eine Abschaltung von Zylindern unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird mittels der Einrichtung 90a nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs vorgenommen. Zusätzlich oder alternativ erfolgt zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff in eine Homogen-Split-Betriebsart. Vorzugsweise wird als Mehrfacheinspritzung eine Doppeleinspritzung verwendet.
  • 2 zeigt eine Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer Anforderung zum Wiedereinsetzen eines abgeschalteten Zylinders im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren, jeweils in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. Von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t7 ist eine Abfolge von Ansaug-, Verdichtungs-, Expansions-, Ausschiebe-, Ansaug- und Verdichtungsphasen von Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine dargestellt. Im unteren Teil der 2 ist die Arbeitsweise eines konventionellen Verfahrens dargestellt, bei dem Abgas im Zylinder verbleibt. OT bzw. UT bezeichnen den oberen Totpunkt bzw. unteren Totpunkt der Kurbelwelle. A.s., A.ö. bzw. E.s. und E.ö. bezeichnen das Schließen (s) bzw. Öffnen (ö) des Auslassventils (A) bzw. Einlassventils (E). Die Bezeichnung A.s. bzw. A.ö. bzw. E.s. und E.ö. geben die in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine üblichen Schließ- bzw. Öffnungszeiten der Gaseinlassventile an. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind in der 2 die spätesten möglichen Zeitpunkte zur Aktivierung der Gaswechselventile, sowie der Einspritzung und Zündung und für das konventionelle Verfahren die frühestens möglichen Zeitpunkte dargestellt.
  • Erfindungsgemäß wird bei Zuschaltung eines zum Zeitpunkt t1 in einem abgeschalteten Betriebszustand befindlichen Zylinders in einer Ansaug- oder Verdichtungsphase, d.h. in einem Zeitintervall t3 – t1, eine vorgegebene Kraftstoffmenge in den besagten Zylinder gespritzt. In der nachfolgenden Expansionsphase, d.h. einem Zeitintervall t4 – t3 wird das Auslassventil 17 aktiviert. Eine Aktivierung des Einlassventils 16 erfolgt bis spätestens vor Beginn der nächsten Ansaugphase, d.h. dem oberen Totpunkt OT der Kurbelwelle beim Ladungswechsel.
  • Mit der erfindungsgemäßen direkten Kraftstoffeinbringung in dem Zeitintervall t4 – t3 ist eine genaue Zumessung von Kraftstoff auf die im Zylinder eingeschlossene Frischluftmasse möglich. Ferner bewirkt die späte Einspritzung, dass kein länger andauernder Kontakt des eingespritzten Kraftstoffes mit den Brennraumwänden zustande kommt. Durch entsprechende Wahl der Öffnungs- und Schließzeiten von Auslass- bzw. Einlassventil und/oder der Zündwinkelstellung sowie der Betriebsart kann erfindungsgemäß auch eine Momentensteuerung erfolgen.
  • Bei dem im unteren Teil der 2 dargestellten konventionellen Verfahren wird bei der Zylinderabschaltung vor Beendigung der Expansionsphase das Auslassventil deaktiviert und gleichzeitig oder nachfolgend vor dem nächsten Zeitpunkt „Einlass öffnet" das Einlassventil deaktiviert. Es befindet sich daher in dem abgeschalteten Zylinder unter Druck eingeschlossene Restgasmasse des letzten gefeuerten Zyklus des Zylinders. Durch den höheren Druck im Zylinder kann verhindert werden, dass Blow-By-Gase aus dem Kurbelgehäuse hineingelangen. Nach einer Anforderung zur Zuschaltung kann bei dem konventionellen Verfahren das Auslassventil frühestens zum Zeitpunkt t1 und das Einlassventil sowie die Einspritzung frühestens zum Zeitpunkt t2 aktiviert werden. Vor einer Zündung des Gemischs bei einer Zuschaltung des Zylinders sind Arbeitstakte zum Ausschieben der Restgasmasse und zum Ansaugen von Frischgasmasse erforderlich, so dass eine Zeitverzögerung bei der Zuschaltung unvermeidbar ist. Die Zündung kann bei dem konventionellen Verfahren erst in dem Zeitintervall t7 – t6 erfolgen.
  • Es versteht sich, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Bereich mit einer Ventilüberschneidung, d.h. einer gleichzeitigen Aktivierung von Gasaustauschventilen möglich ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird bei Abschaltung des besagten Zylinders die Kraftstoffeinspritzung deaktiviert und der besagte Zylinder im abgeschalteten Betriebszustand mit Frischgas gefüllt. Die Aktivierung der Zündeinrichtung des besagten Zylinders erfolgt mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung nach Aktivierung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und vor Aktivierung der Gaswechselventile unter Berücksichtigung der für die Einhaltung von Zündzeitpunkten zu berücksichtigenden Bereitstellungszeiten für beispielsweise die Zündspule und dergleichen.
  • In Abhängigkeit von dem Typ der Brennkraftmaschine und den zur Verfügung stehenden Betriebsarten kann die Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders in unterschiedlichen Betriebsarten erfolgen. Der Zeitpunkt der Aktivierung der Kraftstoffeinspritzung sowie der Einspritzung in den besagten Zylinder wird in Abhängigkeit von der Betriebsart bei der Zuschaltung des Zylinders unterschiedlich gewählt.
  • Falls der zuvor abgeschaltete Zylinder bei Zuschaltung in einer Schichtladungsbetriebsart betrieben wird, wird eine Kraftstoffeinspritzung bevorzugt während der Verdichtungsphase vorgenommen, um eine gewünschte Ladungsschichtung in dem Brennraum des Zylinders zu gewährleisten. Gegebenenfalls erfolgt die Aktivierung der Zündeinrichtung zu einem geeigneten Zeitpunkt der während der Ansaug- und/oder Verdichtungsphase.
  • Gemäss dem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines oder mehrere abgeschalteter Zylinder eine Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff in einer Homogen-Split-Betriebsart. Die Mehrfacheinspritzung ist vorzugsweise eine Doppeleinspritzung. In der Homogen-Split-Betriebsart wird der erste Teil der Einspritzung bis zum Ende der Ansaugphase beendet und eine späteste Einspritzung, die zu einer Schichtladung im Zylinder führt, während der Verdichtungsphase vorgenommen. Die erste Einspritzung erfolgt dabei vorzugsweise innerhalb der ersten Hälfe einer Ansaugphase. Die späteste, beispielsweise zweite Einspritzung erfolgt vorzugsweise in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes. Vorzugsweise erfolgt die erste Einspritzung mit einem Ansteuerbeginn in einem Bereich zwischen 360° und 200° KW vor ZOT und die zweite Einspritzung mit einem Ansteuerende zwischen 80° und 20° KW vor ZOT. Der Zündwinkel liegt dabei je nach gefordertem Moment in einem Bereich zwischen 40° KW vor OT und 40° KW nach OT.
  • Bei der Deaktivierung der Ventilbetätigung können alle oder nur einzelne Zylinder abgeschaltet werden. Es versteht sich, dass durch Abschaltung aller Zylinder die größte Absenkung des Schleppmoments des Verbrennungsmotors erzielt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Abschaltung des Verbrennungsmotors, wenn das Hybridfahrzeug im sogenannten Stop-and-Go-Betrieb bewegt wird. In diesem Fall fährt das Fahrzeug häufig nur wenige Meter vorwärts und wird anschließend wieder angehalten. Da bei Hybridfahrzeugen der Verbrennungsmotor im Stillstand aus Verbrauchsgründen in der Regel abgeschaltet wird und der Startvorgang des Verbrennungsmotors zu einem signifikanten Anstieg des Kraftstoffverbrauchs bezogen auf die zurückgelegte Wegstrecke führt, ist es bei dem Stop-and-Go-Betrieb sinnvoll den Verbrennungsmotor bei Deaktivierung der Ventilbetätigung mittels der Elektromaschine zu schleppen. Vorzugsweise wird das Hybridfahrzeug mit einem eingelegten Gang, beispielsweise vorwärts bewegt. Es versteht sich, dass der Verzicht auf häufiges Motorstarten – Abstellen auch mit einer Komfortverbesserung verbunden ist. Durch Deaktivierung der Ventilbetätigung, beispielsweise durch eine Hubumschaltung des Nockens auf 0 Hub wird das Schleppmoment des Verbrennungsmotors deutlich verringert, was auf die geringeren Kräfte zur Ventilbetätigung sowie auf die Vermeidung von Strömungsverlusten beim Ansaugen bzw. Ausschieben der Zylinderfüllung zurück zu führen ist.
  • Im Anschluss an ein Zeitintervall, in dem ein oder gegebenenfalls mehrere Zylinder abgeschaltet werden, erfolgt eine Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder, falls eine angeforderte Gesamtantriebsleistung höher als ein vorgegebener Schwellwert ist. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Zuschaltung falls eine angeforderte Drehzahl höher als ein vorgegebener Schwellwert ist. Der Schwellwert für die Drehzahl liegt in einem Bereich zwischen 2500 und 4500 1/min. bevorzugt in einem Bereich zwischen 3000 und 4000 1/min. besonders bevorzugt bei ca. 3500 1/min. für einen Stop-and-Go-Betrieb liegt der Schwellwert in einem Bereich zwischen 1500 und 2500 1/min. Falls der Fahrer ein Moment M anfordert, welches größer ist als das maximale Moment, das von der Elektromaschine zur Verfügung gestellt werden kann, erfolgt ein Übergang auf motorischem Betrieb bzw. eine Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder.
  • Bei weiter steigender Motordrehzahl bzw. Gesamtantriebsleistung erfolgt ein sukzessiver Übergang von dem elektromotorischen zum verbrennungsmotorischen Betrieb. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für die Motordrehzahl und/oder die Gesamtantriebsleistung erfolgt der Antrieb ausschließlich durch den Verbrennungsmotor. Um keine unerwünschten Fahrzeugbeschleunigungen hervorzurufen, erfolgt ein allmählicher Drehmomentaufbau des Verbrennungsmotors. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein allmählicher Drehmomentenaufbau durch zeitlich verzögertes Aktivieren der Ventilbetätigung der einzelnen Zylinder erreicht. Ferner erfolgt ein zeitlich verzögertes Aktivieren der Einspritzung, sowie der Zündung der einzelnen Zylinder entsprechend dem verzögerten Aktivieren der Ventilbetätigung. Bei einem Ottomotor wird eine Momenteneinstellung durch eine Zündwinkelspätverstellung erreicht. Es versteht sich, dass die einzelnen Maßnahmen auch sämtlich oder teilweise parallel eingesetzt werden können.
    • 1
    Hybridantrieb mit Steuersystem
    10
    Elektromotor
    20
    Verbrennungsmotor
    30
    Getriebe
    40
    Batterie
    50
    Abgasanlage
    60
    Vorkatalysator
    70
    Hauptkatalysator
    80
    Sensoren
    90
    Motorsteuergerät
    90a
    Einrichtung zur Ab- und Zuschaltung eines Zylinders und/oder zur
    Momentenanpassung
    100
    Sensoren

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einem mit einer Elektromaschine gekoppelten Mehrzylinderverbrennungsmotor mit zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslassventil pro Zylinder, einer variablen Ventilsteuerung sowie einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder, wobei von einer dem Fahrzeug zur Verfügung gestellten Gesamtantriebsleistung eine erste Teilleistung von dem Verbrennungsmotor und eine zweite Teilleistung von der Elektromaschine zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt wird und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs erfolgt und/oder dass zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung, vorzugsweise eine Doppeleinspritzung, von Kraftstoff in einer Homogen-Split-Betriebsart erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zylinder, vorzugsweise alle Zylinder des Verbrennungsmotors, in einem vorgegebenen Teillastbereich abgeschaltet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors, vorzugsweise einer Leerlaufdrehzahl abgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an ein Zeitintervall, in dem ein oder gegebenenfalls mehrere Zylinder abgeschaltet sind, eine Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder erfolgt, falls eine angeforderte Gesamtantriebleistung oder Last des Verbrennungsmotors und/oder eine angeforderte Drehzahl des Verbrennungsmotors höher als jeweils vorgegebene Schwellwerte sind.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stop-and-Go-Betrieb der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung bzw. Zuschaltung eines oder gegebenenfalls mehrerer Zylinder eine Deaktivierung bzw. Aktivierung zumindest eines ausgewählten Gasaustauschventils erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach vorhergehender Abschaltung eines Zylinders bei dessen Zuschaltung eine zeitlich verzögerte Aktivierung eines ausgewählten Gasaustauschventils erfolgt.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beendigung der einer Verdichtungsphase nachfolgenden Expansionsphase, ein zuvor deaktiviertes Auslassventil aktiviert und nach Aktivierung des Auslassventils, vorzugsweise bis spätestens zu Beginn der nachfolgenden Ansaugphase, ein zuvor deaktiviertes Einlassventil aktiviert wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der in einem abschaltbaren Zylinder im abgeschalteten Betriebszustand vorliegenden Frischluftmasse und/oder Gemischparameter erfolgt und dass die bestimmte Frischluftmasse und/oder diese Gemischparameter zur Bestimmung einer bei Zuschaltung des besagten Zylinders einzuspritzenden Kraftstoffmenge herangezogen werden.
  10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil der Kraftstoffeinspritzung in den besagten Zylinder bis spätestens zum Ende der Ansaugphase und eine späteste Kraftstoffeinspritzung während der Verdichtungsphase erfolgt.
  11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Momentenanpassung bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Zündwinkeleinstellung nach spät für einen oder mehrere Verbrennungszyklen des Zylinders erfolgt.
  12. Hybridfahrzeug mit einem mit einer Elektromaschine gekoppelten Mehrzylinderverbrennungsmotor mit zumindest einem einer dem Fahrzeug zur Verfügung gestellten Gesamtantriebsleistung eine erste Teilleistung von dem Verbrennungsmotor und eine zweite Teilleistung von der Elektromaschine zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Ab- und Zuschaltung eines Zylinders vorgesehen ist, mittels der nach Anforderung einer Abschaltung eines abschaltbaren Zylinders dieser mit Frischgas gefüllt wird und nach Anforderung einer Zuschaltung des Zylinders in der zeitlich nächsten Ansaug- oder Verdichtungsphase des Zylinders bis spätestens zum Ende der Verdichtungsphase eine Einspritzung einer vorgegebenen Menge von Kraftstoff sowie eine Zündung des Gemischs erfolgt und/oder dass eine Einrichtung zur Momentenanpassung vorgesehen ist, mittels der bei der Zuschaltung eines abgeschalteten Zylinders eine Mehrfacheinspritzung in einer Homogen- Split-Betriebsart erfolgen kann.
  13. Hybridfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Elektromaschine und Mehrzylinderverbrennungsmotor fest miteinander gekoppelt sind.
  14. Hybridfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Elektromaschine und Mehrzylinderverbrennungsmotor variabel miteinander gekoppelt sind.
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