DE102007053775A1

DE102007053775A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zuläßt, und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102007053775A1
Application number: DE102007053775A
Authority: DE
Inventors: Harald Stoffels; Jens Wojahn
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Hybrid-Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren der oben genannten Art aufgezeigt werden, mit dem eine Hybrid-Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art auch bei Störungen bzw. Fehlfunktionen des HCCI-Brennverfahrens sicher betrieben werden kann. Erreicht wird dies durch ein Verfahren der oben genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion, betreffend die Regelung des HCCI-Modus, detektiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Hybrid-Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Fahrzeugantrieben ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten.
Bei Brennkraftmaschinen steht daher insbesondere die Entwicklung verbrauchsoptimierter Brennverfahren im Vordergrund der Bemühungen. Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür ist im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors zu sehen. Das herkömmliche dieselmotorische Verfahren leidet – aufgrund der prozeßbedingt hohen Temperaturen – insbesondere an hohen Stickoxidemissionen (NO_x) und – aufgrund des inhomogenen Brennstoff-Luftgemisches – an hohen Rußemissionen.
Aus den genannten Gründen werden zunehmend neue Brennverfahren entwickelt und untersucht. Häufig sind dies Hybrid-Brennverfahren, mit denen versucht wird, sowohl die Vorteile des dieselmotorischen Verfahrens als auch die Vorteile des ottomotorischen Verfahrens zu nutzen. Dabei konzentrieren sich die Entwicklungsarbeiten in erster Linie auf die wesentlichen Merkmale der beiden Verfahren.
Das herkömmliche ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie die Quantitätsregelung, wohingegen das traditionelle dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung.
Ein Beispiel für ein Hybrid-Brennverfahren ist das direkteinspritzende ottomotorische Brennverfahren, da die Direkteinspritzung von Kraftstoff ursprünglich nur bei Dieselmotoren vorgenommen wurde.
Das sogenannte HCCI-Verfahren, dessen Namen von der englischen Bezeichnung "homogenous-charge compression-ignition" herrührt und welches auch als Raumzündverfahren bezeichnet werden kann, ist ebenfalls ein solches Hybrid-Brennverfahren zum Betreiben eines Ottomotors. Dieses Verfahren, das auch als CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) bezeichnet wird, basiert auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes. Dabei wird der Kraftstoff – wie bei einem Dieselmotor – unter Luftüberschuß, also überstöchiometrisch, verbrannt. Der mager betriebene Ottomotor weist aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen (NO_x) auf und ebenfalls infolge des mageren Gemisches keine Rußemissionen.
Darüber hinaus führt das HCCI-Verfahren zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Der Kraftstoff kann dabei sowohl direkt in die Zylinder als auch in das Ansaugrohr eingebracht werden, wobei eine Direkteinspritzung zusätzlich die Entdrosselung der Brennkraftmaschine durch Eliminierung der Drosselklappe und Vorsehen eines variablen Ventiltriebs gestattet.
Aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperaturen und der damit verbundenen geringeren Temperaturdifferenzen in der Brennkraftmaschine sind die Wärmeverluste geringer als bei herkömmlich betriebenen Brennkraftmaschinen.
Das HCCI-Verfahren und eine Brennkraftmaschine, die dieses Verfahren zur Verbrennung des Kraftstoffes verwendet, werden in der US 6,390,054 B1 beschrieben.
Der wesentliche Nachteil des HCCI-Verfahrens besteht darin, dass dieses Verfahren nach dem Stand der Technik nicht in sämtlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine angewendet werden kann, so dass sich die – oben erwähnten – Vorteile dieses Brennverfahrens nur in einem begrenzten Bereich des Motorkennfeldes (Last über Drehzahl) nutzen lassen. Dies ist auch der Grund dafür, dass – sobald das HCCI-Verfahren eingesetzt werden soll – grundsätzlich eine Hybrid-Brennkraftmaschine erforderlich ist, die in den Betriebspunkten, in denen das HCCI-Verfahren versagt, mittels eines anderen Brennverfahrens betrieben werden kann.
Brennkraftmaschinen, die in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Brennverfahren einsetzen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Hybrid-Brennkraftmaschinen bezeichnet.
Die eingeschränkte Anwendbarkeit des HCCI-Verfahrens resultiert insbesondere aus Problemen bei der Steuerung des Zündzeitpunktes der Selbstzündung und der Steuerung der Brenngeschwindigkeit d. h. des Brennverlaufs. Die Selbstzündung wird eingeleitet, wenn das Kraftstoff-Luftgemisch während der Verdichtung eine bestimmte Temperatur erreicht, wobei sich die Selbstzündung in Abhängigkeit von den die Zündung und Verbrennung beeinflussenden Parameter, beispielsweise der Last und dem Sauerstoffgehalt, zu jedem Zeitpunkt der Verdichtung ereignen kann.
Mit zunehmender Last wird die Selbstzündung infolge des abnehmenden Luftverhältnisses nach früh verschoben d. h. das Kraftstoff-Luftgemisch zündet in der Kompressionsphase zu einem früheren Zeitpunkt, wobei die Umsatzraten bzw. die Brenngeschwindigkeit ebenfalls zunehmen. Durch den frühen und nur schwer zu reproduzierenden Zündzeitpunkt und insbesondere durch die schnellere Brenngeschwindigkeit wird der Lauf der Brennkraftmaschine ungleichförmiger und härter, was durch den steilen Druckanstieg infolge der sprunghaft einsetzenden Verbrennung mitverursacht wird. Zudem nimmt der thermische Wirkungsgrad ab, da die im Kraftstoff gebundene Energie bzw. Wärme weit vor dem oberen Totpunkt (OT) freigesetzt wird.
Wird hingegen die Last gesenkt, setzt infolge des mageren Betriebes die Selbstzündung später ein oder bleibt sogar ganz aus, so dass es zu einer unvollständigen Verbrennung oder zu Zündaussetzern und erhöhten Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid kommen kann. Insbesondere nach einem Kaltstart und im Leerlauf sind vermehrt Zündaussetzer zu beobachten, wobei es aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bzw. der geringen Last nicht zu einer Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommt.
Mit zunehmender Drehzahl wird die Zeit, die zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere für chemische Vorreaktionen und die Homogenisierung, zur Verfügung gestellt wird, verkürzt, so dass es auch bei hohen Drehzahlen zu Zündaussetzern kommen kann, weil kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch generiert werden kann. Zudem wird – eine erfolgreiche Selbstzündung vorrausgesetzt – der Schwerpunkt der Verbrennung nach spät verschoben, so dass sich der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses verschlechtert.
Um den Bereich im Motorkennfeld, in dem das HCCI-Verfahren angewendet werden kann, zu erweitern, wurden nach dem Stand der Technik verschiedene Konzepte erarbeitet. Insbesondere wird versucht, durch verschiedene Maßnahmen auf die Temperatur der dem Zylinder zugeführten Frischladung Einfluß zu nehmen, beispielsweise durch die interne und/oder externe Rückführung von Abgas.
Trotz dieser Bemühungen ist es nach wie vor nicht möglich, einen Ottomotor ausschließlich d. h. in sämtlichen Betriebspunkten des Motorkennfeldes nach dem HCCI-Verfahren zu betreiben, so dass der Einsatz bzw. die Anwendung eines weiteren Brennverfahrens neben dem HCCI-Verfahren erforderlich bzw. unentbehrlich ist.
Bei Ottomotoren besteht eine Möglichkeit, die Vorteile des HCCI-Verfahrens nutzen zu können, darin, die Brennkraftmaschine in den Betriebspunkten, in denen ein HCCI-Betrieb nicht möglich ist, im SI-Modus (spark ignition) zu betreiben, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch – wie bei einem traditionellen Ottomotor – fremdgezündet wird. Hierzu ist eine Überführung der Hybrid-Brennkraftmaschine vom HCCI-Modus in den SI-Modus und umgekehrt erforderlich.
Unter SI-Verfahren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Brennverfahren zu verstehen, bei denen die Verbrennung mittels einer Zündvorrichtung, insbesondere einer Zündkerze, eingeleitet wird, bzw. alle Verfahren, die mit einer Fremdzündung arbeiten und bei denen diese Fremdzündung mittels einer Zündvorrichtung initiiert wird.
Wird eine Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art vom SI-Modus in den HCCI-Modus überführt oder umgekehrt, ändern sich eine Vielzahl von Betriebsparametern, wie beispielsweise der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer, der Einspritzdruck, der Zündzeitpunkt, und/oder die Drosselklappenstellung, insbesondere aber die Ventilsteuerzeiten. Die Regelung der beiden unterschiedlichen Brennverfahren und das Überführen der Brennkraftmaschine in den jeweils anderen Betriebsmodus übernimmt die Motorsteuerung, der für diese Aufgabe verschiedene Eingangssignale zur Verfügung stehen, beispielsweise die Drehzahl und die Last. In der Regel sind in der Motorsteuerung verschiedene Kennfelder für die unterschiedlichen Betriebsmodi hinterlegt d. h. gespeichert.
Problematisch bei einer Hybrid-Brennkraftmaschine, welche sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus betrieben werden kann, sind Störungen bzw. Fehlfunktionen, die den Betrieb der Brennkraftmaschine in einem der beiden Betriebsmodi unmöglich machen bzw. den Betrieb in der gewünschten und vorgesehenen Weise verhindern. Treten solche Störungen bzw. Fehlfunktionen auf, müssen diese erkannt werden, um einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und/oder erhöhte Schadstoffemissionen zu vermeiden. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen.
Wie oben bereits erwähnt, unterscheiden sich die Steuerzeiten der Ventile in den beiden unterschiedlichen Betriebsmodi.
Im SI-Modus weist die Brennkraftmaschine bzw. weisen die Ventile der Brennkraftmaschine in der Regel eine Ventilüberschneidung auf. Dabei ist bzw. wird das mindestens eine Einlaßventil bereits geöffnet, während das mindestens eine Auslaßventil noch nicht geschlossen ist bzw. wurde.
Während der Ventilüberschneidung strömt ein Teil der angesaugten Luft durch den Zylinder direkt in den Abgastrakt. Dies gewährleistet eine weitgehende Restgasausspülung und eine größere Zylinderfüllung.
Im HCCI-Modus hingegen weist die Brennkraftmaschine bzw. weisen die Ventile der Brennkraftmaschine häufig keine derartige Ventilüberschneidung auf. Eine Restgasausspülung soll nämlich gerade vermieden werden. Ein Teil der Verbrennungsgase soll im Brennraum d. h. im Zylinder verbleiben, um das HCCI-Brennverfahren günstig beeinflussen zu können, was oben bereits am Beispiel der Rückführung von Abgas kurz erwähnt wurde. Folglich wird das mindestens eine Auslaßventil geschlossen, bevor das mindestens eine Einlaßventil geöffnet wird.
Eine Möglichkeit, die Steuerzeiten der Ventile zu variieren, besteht in der Verwendung eines Nockenwellenverstellers, mit welchem eine Nockenwelle, welche unterschiedliche Nocken für die beiden unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist, verstellt bzw. entsprechend dem jeweiligen Modus eingestellt wird.
Um die Steuerzeiten in der oben genannten Weise zu realisieren, verfügt die verwendete Nockenwelle über eine erste Gruppe von Nocken, mit denen der für den HCCI-Modus erforderliche kürzere Ventilhub generiert wird, und eine zweite Gruppe von Nocken, mit denen ein längerer Ventilhub generiert wird, der die für den SI-Modus gewünschte Ventilüberschneidung gewährleistet. In diesem Zusammenhang beziehen sich also die Begriffe "lang" und "kurz" nicht auf die Eintauchtiefe bzw. die translatorische Hubbewegung der Ventile, sondern auf die Länge des Kurbelwinkelfensters, das durch die Öffnungs- und Schließzeit des jeweiligen Ventils begrenzt wird, d. h. auf die zeitliche Dauer der Ventilbetätigung.
Nockenwellenversteller werden üblicherweise hydraulisch betätigt bzw. gesteuert, wobei eine oder mehrere Druckkammern mit Hydrauliköl gezielt beaufschlagt werden oder aber entlastet werden.
Eine Fehlfunktion des Nockenwellenverstellers, insbesondere ein unerwünschter Druckabfall bzw. Druckanstieg im Hydrauliköl bzw. Ölkreislauf können dazu führen, dass sich die Nockenwelle nicht mehr verstellen läßt und die Brennkraftmaschine folglich nicht mehr in beiden Betriebsmodi betrieben werden kann, da die für die Überführung erforderliche Nockenwellenverstellung nicht vorgenommen werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 d. h. der gattungsbildenden Art aufzuzeigen, mit dem eine Hybrid-Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art auch bei Störungen bzw. Fehlfunktionen des HCCI-Brennverfahrens sicher betrieben werden kann, insbesondere ohne dass ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und/oder erhöhte Schadstoffemissionen in Kauf genommen werden müssen.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hybrid-Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Regelung des HCCI-Modus detektiert.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Brennkraftmaschine im gesamten Motorkennfeld im SI-Modus betrieben, falls ein Betrieb im HCCI-Modus aufgrund einer Störung nicht möglich ist. Hierzu wird die Brennkraftmaschine in den SI-Modus überführt, falls der momentane Betriebsmodus der HCCI-Modus ist.
Als Störung oder Fehlfunktion sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Unregelmäßigkeiten zu verstehen, die es der Motorsteuerung unmöglich machen, das HCCI-Brennverfahren in der vorgesehenen Weise zu regeln bzw. zu steuern.
Insbesondere Fehlfunktionen betreffend die Nockenwellenverstellung bzw. betreffend den Nockenwellenversteller, welche eine Variation der Ventilsteuerzeiten erschwert bzw. vollständig verhindert oder die Aufrechterhaltung der für den HCCI-Betrieb vorgesehenen Steuerzeiten unmöglich macht, sind als Auslöser für eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI- Modus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusehen.
Ein weiteres Beispiel für eine Fehlfunktion stellt der Ausfall des Drucksensors dar, mit welchem der Zylinderdruck erfaßt wird, da ein derartiger Sensor unverzichtbar ist für die Regelung des HCCI-Brennverfahrens.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine Hybrid-Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art auch bei Störungen bzw. Fehlfunktionen des HCCI-Brennverfahrens sicher betrieben werden kann.
Weitere vorteilhafte Verfahrensvarianten werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
Aus den bereits weiter oben genannten Gründen sind zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine mit Hubventilen, welche mittels einer Betätigungseinrichtung im Rahmen eines Ladungswechsels ausgelenkt werden, und bei der diese Betätigungseinrichtung mindestens eine mittels Nockenwellenversteller verstellbare Nockenwelle umfaßt, welche unterschiedliche Nocken für die unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist, Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– dieser Nockenwellenversteller beim Überführen der Brennkraftmaschine in den anderen Betriebsmodus aktiviert wird, so dass die mindestens eine Nockenwelle verstellt wird, und
– ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Nockenwellenverstellung bzw. den mindestens einen Nockenwellenversteller detektiert.

Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Ventile und Ventilbetätigungseinrichtungen zur Betätigung der Ventile. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Brennraums d. h. das Ansaugen des Frischgemischs bzw. der Frischluft über die Einlaßöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen.
Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Der Betätigungseinrichtung umfaßt eine Nockenwelle, auf der eine Vielzahl von Nocken angeordnet ist und die – beispielsweise mittels eines Kettenantriebes – von der Kurbelwelle in der Art um ihre Längsachse in Drehung versetzt wird, dass die Nockenwelle und mit dieser die Nocken mit der halben Kurbelwellendrehzahl umläuft bzw. umlaufen.
In der Regel verfügen die Auslaßventile und die Einlaßventile über separate Nockenwellen, die beide mittels Nockenwellenversteller verstellbar sein können, weshalb vorliegend die Betätigungseinrichtung mindestens einen Nockenwellenversteller umfaßt.
Läßt sich beispielsweise der für den HCCI-Modus bevorzugte kürzere Ventilhub nicht realisieren bzw. aufrechterhalten, weil die Nockenwelle sich nicht in die dafür erforderliche Arbeitsposition bringen bzw. in dieser Position halten läßt, und die Hybrid-Brennkraftmaschine sich nur mit dem – für den SI-Modus charakteristischen – längeren Ventilhub d. h. mit einer Ventilüberschneidung betreiben, kommt es in den Zylindern ungewollt zu einer Restgasausspülung. Das Zurückbehalten von Verbrennungsgasen im Zylinder während des Ladungswechsels d. h. die gezielte Generierung von Restgasanteilen in der Zylinderfrischladung ist dann nicht mehr in der beabsichtigten Weise möglich.
Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine dann in den SI-Modus überführt. Hinsichtlich der in Rede stehenden Verfahrensvariante sind zwei Ausführungsformen vorteilhaft, auf die im folgenden eingegangen wird und die sich unter anderem in der Funktionsweise des mindestens einen Nockenwellenverstellers unterscheiden.
Zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Nockenwellenversteller hydraulisch betrieben ist und die mindestens eine Nockenwelle für den HCCI-Modus eine erste Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein kürzerer Ventilhub generiert wird, und für den SI-Modus eine zweite Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein längerer Ventilhub generiert wird, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den HCCI-Modus der Öldruck in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Nockenwelle erhöht wird, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass
– ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller einen Abfall des Öldrucks unter den für den HCCI-Betrieb erforderlichen Druck detektiert.

Gemäß dieser Ausführungsform ist der Nockenwellenversteller in der Art konzipiert, dass der Druck in der Hydraulik erhöht werden muß, falls die Nockenwelle in die für den HCCI-Modus erforderliche Arbeitsposition verbracht werden soll.
Kommt es zu einem Druckabfall, beispielsweise infolge von Leckage im Hydraulikkreislauf oder aber aufgrund eines Ausfalls der Ölpumpe, und kann wegen dieses Druckabfalls der für den HCCI-Betrieb erforderlichen Druck nicht generiert werden, lassen sich auch die Steuerzeiten für den HCCI-Betrieb der Brennkraftmaschine nicht realisieren, weshalb die Brennkraftmaschine im SI-Modus zu betreiben ist bzw. betrieben wird.
Zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Nockenwellenversteller hydraulisch betrieben ist und die mindestens eine Nockenwelle für den HCCI-Modus eine erste Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein kürzerer Ventilhub generiert wird, und für den SI-Modus eine zweite Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein längerer Ventilhub generiert wird, sind ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den HCCI-Modus der Öldruck in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Nockenwelle gesenkt wird, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass
– ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung im hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller einen Anstieg des Öldrucks über den für den HCCI-Betrieb erforderlichen niedrigen Druck detektiert.

Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist hier der Nockenwellenversteller bzw. die dazugehörige Hydraulik konstruktiv in der Art ausgelegt, dass der Druck in der Hydraulik gesenkt wird, um die Nockenwelle in die für den HCCI-Modus erforderliche Arbeitsposition zu verbringen.
Läßt sich diese Druckabsenkung nicht realisieren, lassen sich die Steuerzeiten für den Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus ebenfalls nicht realisieren, weshalb die Brennkraftmaschine im SI-Modus betrieben wird bzw. in den SI-Modus überführt wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus mindestens einer der folgenden Betriebsparameter in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl und/oder der momentanen Last angepaßt d. h. verändert wird:

– der Einspritzzeitpunkt,
– die Einspritzdauer,
– der Einspritzdruck,
– der Zündzeitpunkt, und/oder
– die Drosselklappenstellung

Beim Betrieb und Überführen der Brennkraftmaschine können eine Vielzahl von Betriebsparametern verändert werden, beispielsweise der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer bzw. die Kraftstoffmenge, der Zündzeitpunkt, die Drosselklappenstellung, aber gegebenenfalls auch die Abgasrückführrate einer externen und/oder internen Abgasrückführung, der mittels Aufladung generierte Ladedruck und/oder die Temperatur der Zylinderfrischladung.
Die dazugehörigen Systeme der Brennkraftmaschine, nämlich Einspritzung, Zündung, Aufladung und/oder Abgasrückführung oder dergleichen, weisen ein unterschiedliches Ansprechverhalten auf, weshalb einige Betriebsparameter den vorgegebenen Sollwert schneller erreichen und andere Betriebsparameter vergleichsweise langsam, damit zeitversetzt und nicht korrespondierend zu den übrigen Betriebsparametern folgen.
So können der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer und der Zündzeitpunkt vergleichsweise verzögerungsfrei eingestellt werden, wohingegen die Abgasrückführung und die Aufladung eher träge auf vorgegebene Änderungen reagieren.
Die Überführung der Brennkraftmaschine sollte in der Art erfolgen, dass spürbare und nicht akzeptable Änderungen beim Drehmoment, der Drehzahl und/oder den Emissionen vermieden werden, die als Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine anzusehen sind.
Zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, welche für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges verwendet wird, sind Verfahrenvarianten vorteilhaft, bei denen

– eine Anzeigevorrichtung vorgesehen wird, mit der dem Fahrer eine Fehlfunktion bzw. eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus infolge einer detektierten Fehlfunktion visuell angezeigt wird.

Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen

– eine Lampe als Anzeigevorrichtung verwendet wird, welche bei einer Fehlfunktion bzw. einer Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus infolge einer detektierten Fehlfunktion aktiviert wird d. h. aufleuchtet.

Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen

– die Brennkraftmaschine im Rahmen eines ersten Verfahrensschrittes und unter Beibehaltung des momentanen Betriebsmodus in einen vorgebbaren Betriebspunkt, der durch mindestens zwei Betriebsparameter gekennzeichnet ist, überführt wird, und
– zum Überführen der Brennkraftmaschine in den anderen Betriebsmodus die Brennkraftmaschine im Rahmen eines zweiten Verfahrensschrittes kennfeldgesteuert wird in der Art, dass für N aufeinanderfolgende Arbeitsspiele mindestens zwei Steuergrößen für den Betrieb der Brennkraftmaschine sequentiell aus einem Satz von N Kennfeldern ausgelesen werden, wobei jedem Arbeitsspiel jeweils ein Kennfeld zugeordnet wird.

Gemäß dieser Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine während des Überführens in den anderen Betriebsmodus unter Verwendung von N Kennfeldern für N aufeinanderfolgende Arbeitsspiele – entsprechend einer sogenannten Feedforward-Steuerung (open-loop) – gesteuert. Im Gegensatz zu einer sogenannten Feedback-Regelung (closed-loop), bei der eine Rückmeldung vorgesehen ist und die Abweichung des Istwertes eines Betriebsparameters zu einem vorgegebenen Sollwert berücksichtigt wird und Einfluß auf die Steuergröße hat, ist die Feedforward-Steuerung dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Kennfeldern ausgelesenen, fest vorgegebenen Steuergrößen unverändert d. h. unbeeinflußt vom tatsächlichen Betriebszustand der Brennkraftmaschine bleiben.
Gegenüber der Feedback-Regelung hat die Feedforward-Steuerung gleich mehrere Vorteile. Zum einen entfallen mit der nicht vorgesehenen Rückmeldung die für eine Rückmeldung zwingend erforderlichen Sensoren, beispielsweise Sensoren zur Bestimmung bzw. Erfassung des Zylinderdrucks, und damit auch die mit der Sensorik verbundenen Kosten. Zum anderen arbeitet eine Feedforward-Steuerung schneller als eine Feedback-Regelung, denn die N Kennfelder werden sequentiell ausgelesen, ohne dass auf die in den Kennfeldern abgelegten Steuergrößen von außen ergänzend Einfluß genommen wird, beispielsweise in der Weise, dass eine Steuergröße angepaßt wird in Abhängigkeit einer mittels Rückmeldung bereitgestellten Sollwertabweichung eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine von einem vorgegebenen Istwert.
Zudem muß berücksichtigt werden, dass die N Kennfelder speziell für einen konkreten vorgebbaren Betriebspunkt bereitgestellt werden, so dass die in den Kennfeldern abgelegten Steuergrößen zuvor mit der erforderlichen Genauigkeit – beispielsweise empirisch auf dem Motorenprüfstand – ermittelt werden können, was die grundsätzlich größere Ungenauigkeit einer Feedforward-Steuerung zumindest teilweise kompensiert.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, dass die im HCCI-Modus betriebene Brennkraftmaschine in den SI-Modus überführt wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Regelung des HCCI-Modus detektiert.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Hybrid-Brennkraftmaschine. Entsprechend den unterschiedlichen Verfahrensvarianten sind auch unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brenkraftmaschine erforderlich bzw. zielführend, wozu auf die entsprechenden Verfahrensmerkmale Bezug genommen wird. Insbesondere können unterschiedliche Nockenwellenversteller zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Hybrid-Brennkraftmaschine, bei denen die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, dass eine Überführung der Brennkraftmaschine in einen anderen Betriebsmodus kennfeldgesteuert durchführbar ist, wozu eine Liste mit mindestens zwei unterschiedlichen vorgebbaren Betriebspunkten und für jeden vorgebbaren Betriebspunkt ein Satz von Kennfeldern in der Motorsteuerung hinterlegt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms, und
2 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine in Gestalt eines Flußdiagramms. Dem Verfahren liegt eine Hybrid-Brennkraftmaschine zugrunde, die einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus gestattet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist.
Zunächst wird im Rahmen eines ersten Verfahrensschrittes S1 geprüft, in welchem Modus die Brennkraftmaschine momentan betrieben wird. Wird die Brennkraftmaschine im SI-Modus betrieben, wird das Verfahren umgehend beendet bzw. gar nicht erst gestartet, denn gegebenenfalls vorliegende Unregelmäßigkeiten betreffend die Regelung des HCCI-Betriebs sind nicht von Interesse bzw. als unproblematisch anzusehen.
Ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 geprüft, ob es der Motorsteuerung möglich ist, das HCCI-Brennverfahren in der vorgesehenen Weise zu regeln bzw. zu steuern, oder aber eine Störung des HCCI-Modus vorliegt. Liegt eine derartige Störung nicht vor, wird das Verfahren beendet und die Brennkraftmaschine kann wunschgemäß im HCCI-Modus weiter betrieben werden.
Detektiert die Motorsteuerung hingegen eine Fehlfunktion betreffend die Regelung des HCCI-Modus, wird die Brennkraftmaschine im Rahmen eines dritten Verfahrensschrittes S3 in den SI-Modus überführt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Verfahrensvariante wird im Rahmen des zweiten Verfahrensschrittes S2 nicht allgemein die Regelung des HCCI-Brennverfahrens auf Störung hin überprüft, sondern konkret die Funktionstüchtigkeit des Nockenwellenverstellers geprüft.
Weist der Nockenwellenversteller beispielsweise eine Störung in der Art auf, dass sich die für den HCCI-Modus erforderlichen Steuerzeiten der Ventile nicht mehr realisieren lassen, wird die Brennkraftmaschine in den SI-Modus überführt (S3). Bezüglich möglicher Fehlfunktionen und Bauweisen des Nockenwellenverstellers wird auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen.
Abkürzungen

HCCI

Homogenous-charge compression-ignition

SI

Spark ignition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6390054 B1 [0011]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Regelung des HCCI-Modus detektiert.
Verfahren nach Anspruch 1 zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine mit Hubventilen, welche mittels einer Betätigungseinrichtung im Rahmen eines Ladungswechsels ausgelenkt werden, und bei der diese Betätigungseinrichtung mindestens eine mittels Nockenwellenversteller verstellbare Nockenwelle umfaßt, welche unterschiedliche Nocken für die unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist, bei dem – dieser Nockenwellenversteller beim Überfahren der Brennkraftmaschine in den anderen Betriebsmodus aktiviert wird, so dass die mindestens eine Nockenwelle verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Nockenwellenverstellung bzw. den mindestens einen Nockenwellenversteller detektiert.
Verfahren nach Anspruch 2 zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Nockenwellenversteller hydraulisch betrieben ist und die mindestens eine Nockenwelle für den HCCI-Modus eine erste Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein kürzerer Ventilhub generiert wird, und für den SI-Modus eine zweite Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein längerer Ventilhub generiert wird, bei dem – ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den HCCI-Modus der Öldruck in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Nockenwelle erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller einen Abfall des Öldrucks unter den für den HCCI-Betrieb erforderlichen Druck detektiert.
Verfahren nach Anspruch 2 zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Nockenwellenversteller hydraulisch betrieben ist und die mindestens eine Nockenwelle für den HCCI-Modus eine erste Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein kürzerer Ventilhub generiert wird, und für den SI-Modus eine zweite Gruppe von Nocken aufweist, mit denen ein längerer Ventilhub generiert wird, bei dem – ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den HCCI-Modus der Öldruck in dem mindestens einen hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Nockenwelle gesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus vorgenommen wird, sobald die Motorsteuerung im hydraulisch betriebenen Nockenwellenversteller einen Anstieg des Öldrucks über den für den HCCI-Betrieb erforderlichen niedrigen Druck detektiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im HCCI-Modus zur Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus mindestens einer der folgenden Betriebsparameter in Abhängigkeit der momentanen Drehzahl und/oder der momentanen Last angepaßt d. h. verändert wird: – der Einspritzzeitpunkt, – die Einspritzdauer, – der Einspritzdruck, – der Zündzeitpunkt, und/oder – die Drosselklappenstellung
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, welche für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Anzeigevorrichtung vorgesehen wird, mit der dem Fahrer eine Fehlfunktion bzw. eine Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus infolge einer detektierten Fehlfunktion visuell angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lampe als Anzeigevorrichtung verwendet wird, welche bei einer Fehlfunktion bzw. einer Überführung der Brennkraftmaschine in den SI-Modus infolge einer detektierten Fehlfunktion aktiviert wird d. h. aufleuchtet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Brennkraftmaschine im Rahmen eines ersten Verfahrensschrittes und unter Beibehaltung des momentanen Betriebsmodus in einen vorgebbaren Betriebspunkt, der durch mindestens zwei Betriebsparameter gekennzeichnet ist, überführt wird, und – zum Überführen der Brennkraftmaschine in den anderen Betriebsmodus die Brennkraftmaschine im Rahmen eines zweiten Verfahrensschrittes kennfeldgesteuert wird in der Art, dass für N aufeinanderfolgende Arbeitsspiele mindestens zwei Steuergrößen für den Betrieb der Brennkraftmaschine sequentiell aus einem Satz von N Kennfeldern ausgelesen werden, wobei jedem Arbeitsspiel jeweils ein Kennfeld zugeordnet wird.
Hybrid-Brennkraftmaschine insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, die für einen Betrieb sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, dass die im HCCI-Modus betriebene Brennkraftmaschine in den SI-Modus überführt wird, sobald die Motorsteuerung eine Fehlfunktion betreffend die Regelung des HCCI-Modus detektiert.
Hybrid-Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, dass eine Überführung der Brennkraftmaschine in einen anderen Betriebsmodus kennfeldgesteuert durchführbar ist, wozu eine Liste mit mindestens zwei unterschiedlichen vorgebbaren Betriebspunkten und für jeden vorgebbaren Betriebspunkt ein Satz von Kennfeldern in der Motorsteuerung hinterlegt ist.