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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im CAI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, mit mindestens einem Zylinder und variabler Ventilsteuerung zur Steuerung mindestens eines Einlaßventils und mindestens eines Auslaßventils des mindestens einen Zylinders, wobei die Ventile im stationären CAI-Betrieb während des Ladungswechsels in der Art gesteuert werden, dass das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen wird und das mindestens eine Einlaßventil in der Ansaugphase geöffnet wird, um während des Ladungswechsels Verbrennungsgase im Zylinder zurückzuhalten.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Hybrid-Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten. Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere beim traditionellen Ottomotor, der aufgrund der Lastregelung mittels Quantitätsregelung den schlechteren Wirkungsgrad aufweist.
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Auch aus diesem Grund werden zunehmend neue Brennverfahren entwickelt und untersucht. Häufig sind dies Hybrid-Brennverfahren, mit denen versucht wird, die Vorteile des dieselmotorischen Verfahrens und des ottomotorischen Verfahrens zu nutzen. Dabei konzentrieren sich die Entwicklungsarbeiten in erster Linie auf die wesentlichen Merkmale der beiden Verfahren.
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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.
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Ein Beispiel für ein Hybrid-Brennverfahren ist das direkteinspritzende ottomotorische Brennverfahren, da die Direkteinspritzung von Kraftstoff ursprünglich nur bei Dieselmotoren vorgenommen wurde. Die Direkteinspritzung gestattet eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine und damit – zumindest teilweise – die Anwendung der Qualitätsregelung auch bei Ottomotoren, insbesondere den Schichtladebetrieb, der eine starke Abmagerung ermöglicht.
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Das sogenannte CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) ist ebenfalls ein Hybrid-Brennverfahren zum Betreiben eines Ottomotors und 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 (NOx) auf und ebenfalls infolge des mageren Gemisches keine Rußemissionen.
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Darüber hinaus führt das CAI-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 – neben einem variablen Ventiltrieb und einer Eliminierung der Drosselklappe – zusätzlich die Entdrosselung der Brennkraftmaschine unterstützt d. h. fördert.
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Aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperaturen und der damit verbundenen geringeren Temperaturdifferenzen in der Brennkraftmaschine sind die Wärmeverluste geringer als bei herkömmlich betriebenen Brennkraftmaschinen.
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Der wesentliche Nachteil des CAI-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 CAI-Verfahren angewendet werden soll – grundsätzlich eine Hybrid-Brennkraftmaschine erforderlich ist, die in den Betriebspunkten, in denen das CAI-Verfahren versagt, mittels eines anderen Brennverfahrens betrieben werden kann.
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Brennkraftmaschinen, die in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Brennverfahren einsetzen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Hybrid-Brennkraftmaschinen bezeichnet.
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Die eingeschränkte Anwendbarkeit des CAI-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 Parametern, beispielsweise der Last und dem Sauerstoffgehalt, zu jedem Zeitpunkt der Verdichtung ereignen kann.
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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.
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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.
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Mit zunehmender Drehzahl wird die Zeit, die zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 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.
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Um den Bereich im Motorkennfeld, in dem das CAI-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 und deren Zusammensetzung Einfluß zu nehmen, beispielsweise durch die interne und/oder externe Rückführung von Abgas.
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Trotz dieser Bemühungen ist es nach wie vor nicht möglich, einen Ottomotor ausschließlich d. h. in sämtlichen Betriebspunkten des Motorkennfeldes nach dem CAI-Verfahren zu betreiben, so dass der Einsatz bzw. die Anwendung eines weiteren Brennverfahrens neben dem CAI-Verfahren erforderlich bzw. unentbehrlich ist.
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Bei Ottomotoren besteht eine Möglichkeit, die Vorteile des CAI-Verfahrens zu nutzen, darin, die Brennkraftmaschine in den Betriebspunkten, in denen ein CAI-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 CAI-Modus in den SI-Modus und umgekehrt erforderlich, was problematisch sein kann, da sich eine Vielzahl von Betriebsparametern ändern kann, 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.
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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.
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Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Steuerzeiten der Ventile in den beiden unterschiedlichen Betriebsmodi.
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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.
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Im CAI-Modus hingegen weisen die Ventile der Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik keine derartige Ventilüberschneidung auf. Eine Restgasausspülung soll nämlich gerade vermieden werden. Ein Teil der Verbrennungsgase soll bewußt im Brennraum d. h. im Zylinder verbleiben, um die Selbstzündung und die Brenngeschwindigkeit beeinflussen zu können. Folglich wird das mindestens eine Auslaßventil geschlossen bevor das mindestens eine Einlaßventil geöffnet wird.
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Um während des Ladungswechsels Verbrennungsgase im Zylinder zurückzuhalten, werden die Ventile des mindestens einen Zylinders nach dem Stand der Technik im CAI-Modus während des Ladungswechsels in der Art gesteuert, dass das mindestens eine Auslaßventil bereits in der Ausschubphase geschlossen wird und das mindestens eine Einlaßventil erst in der Ansaugphase geöffnet wird. Häufig hat die Öffnungszeit des Einlaßventils einen gleichgroßen Abstand zum oberen Totpunkt (OT) des Ladungswechsels wie die Schließzeit des Auslaßventils. Hierdurch wird sichergestellt, dass die im Zylinder zurückbehaltenen Verbrennungsgase nicht erst teilweise ausgeschoben und dann erneut angesaugt werden, vielmehr den Brennraum gar nicht erst verlassen.
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Diese Vorgehensweise nach dem Stand der Technik d. h. die Ventilsteuerung ohne Ventilüberschneidung bzw. mit einer sogenannten negativen Ventilüberschneidung hat den Vorteil, dass die Menge und die Temperatur der im Zylinder zurückbehaltenen Gase vergleichsweise genau eingestellt d. h. gesteuert werden können und insbesondere nicht durch die Ladungswechsel der anderen Zylinder bzw. die wellendynamischen Vorgänge im Abgastrakt beeinflußt werden. Insofern unterstützt die Ventilsteuerung ohne Ventilüberschneidung die Bemühungen, den Betrieb im CAI-Modus zu stabilisieren und reproduzierbare Arbeitsspiele zu realisieren.
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Wird eine Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art vom SI-Modus in den CAI-Modus überführt, besteht zumindest für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus die Problematik, dass die aus dem letzten Arbeitspiel im SI-Modus stammenden und im Brennraum d. h. Zylinder befindlichen Verbrennungsgase – aufgrund der grundsätzlich höheren Verbrennungstemperaturen im SI-Modus – eine derart hohe Temperatur aufweisen, dass die Selbstzündung und die Brenngeschwindigkeit im CAI-Modus nur schwer zu beherrschen ist.
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Dies führt häufig zu einer ungewollt frühen Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches und insbesondere zu einer erhöhten Brenngeschwindigkeit. Der Lauf der Brennkraftmaschine wird bedingt durch den steilen Druckanstieg infolge der sprunghaft einsetzenden Verbrennung und der hohen Umsatzraten ungleichförmiger und härter. Dies ist auch hinsichtlich der Haltbarkeit der Brennkraftmaschine und der Geräuschentwicklung als nachteilig anzusehen.
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Gemäß einem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik wird versucht, die Temperatur im Zylinder durch die Einspritzung zusätzlichen Kraftstoffes zu senken, wobei die für die Verdampfung des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes erforderliche Energie eine Temperaturabsenkung bewirken soll. Diese Vorgehensweise ist aber bei Berücksichtigung der allgemein geltenden Zielsetzung einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen kontraproduktiv.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im CAI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2006 033 024 A1 , gemäß der die Restgasmenge mittels variabler Ventilsteuerung bzw. Abgasrückführung während der Überführung der Brennkraftmaschine vom SI-Modus in den CAI-Modus variiert wird. Das Restgas wird für eine sichere Selbstzündung benötigt.
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Auch die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2005 043 685 A1 betrifft eine Hybrid-Brennkraftmaschine, die Überführung der Brennkraftmaschine vom SI-Modus in den CAI-Modus sowie den Einfluss der Restgasmenge und deren Variation.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 d. h. der gattungsbildenden Art aufzuzeigen, welches hinsichtlich der Überführung der Hybrid-Brennkraftmaschine vom SI-Modus in den CAI-Modus optimiert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hybrid-Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb sowohl im CAI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, mit mindestens einem Zylinder und variabler Ventilsteuerung zur Steuerung mindestens eines Einlaßventils und mindestens eines Auslaßventils des mindestens einen Zylinders, wobei die Ventile im stationären CAI-Betrieb während des Ladungswechsels in der Art gesteuert werden, dass das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen wird und das mindestens eine Einlaßventil in der Ansaugphase geöffnet wird, um während des Ladungswechsels Verbrennungsgase im Zylinder zurückzuhalten, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus bei der Überführung der Brennkraftmaschine in den CAI-Modus zumindest für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus das mindestens eine Einlaßventil in der Ausschubphase geöffnet wird und das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen wird, um während der Ausschubphase ausgeschobene Verbrennungsgase erneut anzusaugen.
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Im stationären CAI-Modus wird die Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik d. h. mit einer negativen Ventilüberscheidung betrieben und zwar in der beschriebenen Weise, so dass die Menge und die Temperatur der im Zylinder zurückbehaltenen Gase mit der erforderlichen Genauigkeit einstellbar sind.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Ventile aber im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine beim Überführen in den CAI-Modus abweichend hiervon gesteuert. Zumindest für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus wird das mindestens eine Einlaßventil nicht in der Ansaugphase, sondern in der Ausschubphase geöffnet und das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen.
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Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der Verbrennungsgase des letzten Arbeitsspiels im SI-Modus zunächst aus dem Zylinder ausgeschoben bevor diese wieder d. h. erneut angesaugt werden und einen Teil der Zylinderfrischladung für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus bilden.
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Durch das Ausschieben kühlen sich die Verbrennungsgase mehr oder weniger stark ab. Ursächlich hierfür sind im Wesentlichen zwei Effekte. Zum einen erhöht die Strömungsbewegung der Abgase beim Ausschieben und erneuten Ansaugen den Wärmeübergang infolge Konvektion, so dass den Abgasen Energie entzogen wird. Zum anderen erhöht sich das Temperaturgefälle zwischen den Abgasen und den angrenzenden Wandungen und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Verbrennungsgase – vor dem erneuten Ansaugen – über den Einlaß in den Ansaugtrakt oder aber über den Auslaß in den Abgastrakt ausgeschoben werden. In beiden Fällen weisen die angrenzenden Wandungen des Ansaugtraktes bzw. Abgastraktes eine niedrigere Temperatur auf als die Brennrauminnenwände, die thermisch am höchsten belastet sind, wobei der Kühleffekt deutlicher ausfällt, falls die Verbrennungsgase in den Ansaugtrakt ausgeschoben werden.
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Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Einlaßventil in der Ausschubphase geöffnet, wobei der in Richtung des oberen Totpunktes sich bewegende Kolben einen Teil der Verbrennungsgase ausschiebt und zwar über die mindestens eine Einlaßöffnung, welche das mindestens eine Einlaßventil freigibt, in den vergleichsweise kühlen Ansaugtrakt d. h. die Ansaugleitung. Dabei kühlen sich die Verbrennungsgase ab.
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Nach Durchschreiten des oberen Totpunktes werden die zuvor ausgeschobenen Verbrennungsgase erneut zusammen mit Frischluft bzw. Frischgemisch aus dem Ansaugtrakt angesaugt. Das mindestens eine Einlaßventil wird hierfür erst wieder in der Ansaugphase geschlossen.
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Dadurch, dass das mindestens eine Auslaßventil bereits in der Ausschubphase d. h. vor Erreichen des oberen Totpunktes geschlossen wird, kann das einmal in den Abgastrakt ausgeschobene Abgas nicht wieder in der sich anschließenden Ansaugphase angesaugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine interne Abgasrückführung über die Einlaßseite erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass unter Ausnutzung des kühlen Ansaugtraktes eine deutliche Temperaturabsenkung der Verbrennungsgase und damit eine niedrige Temperatur der Zylinderfrischladung erzielt wird. Die Verwendung des Ansaugtraktes zur Abgasrückführung hat zudem den Vorteil, dass das rückgeführte Abgas gemeinsam mit Frischluft bzw. Frischgemisch aus dem Ansaugtrakt angesaugt wird und folglich eine gute Durchmischung der Verbrennungsgase mit der Frischluft bzw. dem Frischgemisch gewährleistet ist. Dies trägt zu einer weitestgehenden Homogenisierung der Brennraumladung bei, was vorteilhaft sein kann.
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Über die Steuerzeiten kann Einfluß genommen werden auf die Temperaturabsenkung. Die verschiedenen Verfahrensvarianten mit ihren unterschiedlichen Steuerzeiten und ihre Vorteile werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
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Das mindestens eine Auslaßventil kann geschlossen werden bevor das mindestens eine Einlaßventil geöffnet wird, so dass die nach Schließen des Auslaßventils noch im Zylinder befindlichen Verbrennungsgase nur noch bei geöffnetem Einlaßventil in den Ansaugtrakt ausgeschoben werden können.
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Vorteilhaft sind aber in diesem Zusammenhang auch Verfahrensvarianten, bei denen das mindestens eine Einlaßventil geöffnet wird bevor das mindestens eine Auslaßventil geschlossen wird, die Ventile also mit einer Ventilüberschneidung betätigt d. h. gesteuert werden. Diese Verfahrensvariante verhindert, dass der Kolben bei gleichzeitig geschlossenem Einlaß- und Auslaßventil die Verbrennungsgase im Rahmen des Ladungswechsels im Zylinder komprimiert und sich beim Öffnen des Einlaßventils eine Druckwelle in die Ansaugleitung ausbreitet.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das mindestens eine Auslaßventil in der Ansaugphase erneut geöffnet wird. Das erneute Öffnen des Auslaßventils ermöglicht das Ansaugen von Abgasen d. h. Verbrennungsgasen zu einem späten Zeitpunkt des Ladungswechsels und damit das Ansaugen von Abgasen, die aus einem Ladungswechsel eines anderen Zylinders stammen.
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Diese aus einem anderen Zylinder stammenden Verbrennungsgase haben bereits kurzzeitig im Abgastrakt verweilt, hatten folglich Zeit zum Abkühlen und haben eine gewisse Abgasstrecke durchströmt, auf der ihnen aufgrund eines Wärmeübergangs infolge Konvektion Energie entzogen wird. Aus den genannten Gründen weist das aus anderen Zylindern stammende Abgas eine niedrigere Temperatur auf als das Abgas, das originär aus dem Zylinder stammt, welcher gerade ansaugt und erst gerade zuvor ausgeschoben hatte d. h. dessen Ladungswechsel hier betrachtet wird.
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Das mindestens eine Einlaßventil kann dabei geschlossen werden bevor das mindestens eine Auslaßventil erneut geöffnet wird, aber auch erst nachdem das mindestens eine Auslaßventil erneut geöffnet wurde.
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Das Ansaugen von aus anderen Zylindern stammenden Abgasen in der oben beschriebenen Weise kann mit dem Ansaugen von Verbrennungsgasen gemäß den anderen Verfahrensvarianten kombiniert werden d. h. es kann zuvor bereits zylindereigenes Abgas, das zunächst in den Ansaugtrakt ausgeschoben wurde, erneut angesaugt werden.
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Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen im stationären CAI-Betrieb das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase Δα°KW vor OT geschlossen wird und das mindestens eine Einlaßventil in der Ansaugphase Δα°KW nach OT geöffnet wird. Gemäß dieser Verfahrensvariante weisen die Steuerzeiten ”Einlaß öffnet” (EÖ) und ”Auslaß schließt” (AS) denselben Abstand in °KW vom oberen Totpunkt (OT) des Ladungswechsels auf.
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Dies hat den Vorteil, dass die in der Ausschubphase im Zylinder zurückbehaltenen und bei geschlossenem Auslaßventil komprimierten Abgase in der anschließenden Ansaugphase auf ihr ursprüngliches Volumen expandieren und folglich beim Öffnen des Einlaßventils kein Überdruck im Zylinder vorliegt, der dazu führen könnte, dass Verbrennungsgase durch die Einlaßöffnung in den Ansaugtrakt gelangen. Das nach dem Ladungswechsel im Zylinder befindliche bzw. zurückbehaltene Abgas läßt sich auf diese Weise besonders genau einstellen.
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Überlegungen derart, wieviel ausgeschobenes Abgas tatsächlich beim erneuten Ansaugen in den Zylinder im Rahmen einer internen Abgasrückführung zurückgelangt, sorgen vorliegend nicht für eine Unschärfe bei der Steuerung der Abgasmenge.
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Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine Hybrid-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, die für einen Betrieb sowohl im CAI-Modus als auch im SI-Modus geeignet und mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ventilsteuerung einen voll variablen Ventiltrieb umfaßt.
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Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Hybrid-Brennkraftmaschine. Entsprechend den unterschiedlichen Verfahrensvarianten sind auch unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erforderlich bzw. zielführend, wozu auf die entsprechenden Verfahrensmerkmale Bezug genommen wird.
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Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind, können diese den Verbrennungsprozeß und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden bzw. mittels eines voll variablen Ventiltriebes beliebig eingestellt werden.
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Insbesondere gestattet eine voll variable Ventilsteuerung für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten jedes einzelnen Ventils.
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Auch nur teilweise variable Ventiltriebe können bereits zielführend sein und zwar abhängig davon, mit welcher Strategie, d. h. welcher Verfahrensvariante die Ventile der Brennkraftmaschine im instationären CAI-Modus betrieben werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Hybrid-Brennkraftmaschine, bei denen die Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
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Die Direkteinspritzung gestattet – wie bereits eingangs erwähnt – die Entdrosselung der Brennkraftmaschine, insbesondere den Schichtladebetrieb und eine starke Abmagerung der Zylinderfrischladung, die vorliegend Frischluft, Kraftstoff und Verbrennungsgase umfaßt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Hybrid-Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder zwei Auslaßventile und zwei Einlaßventile aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlaß- und Auslaßöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei in der Regel eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten.
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Daher ist es vorteilhaft, zwei oder mehr Einlaßöffnungen und/oder Auslaßöffnungen vorzusehen, d. h. jeden Zylinder mit mindestens zwei Einlaßventilen und mindestens zwei Auslaßventilen auszustatten. Stromaufwärts jeder Einlaßöffnung schließt sich ein Einlaßkanal, d. h. eine Ansaugleitung an und stromabwärts jeder Auslaßöffnung eine Abgasleitung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 die Steuerzeiten der Ventile im stationären CAI-Modus gemäß dem Stand der Technik,
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2 die Steuerzeiten der Ventile im instationären CAI-Modus gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens, und
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3 die Steuerzeiten der Ventile im instationären CAI-Modus gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
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In sämtlichen Figuren wird für die Auslaßseite, d. h. das mindestens eine Auslaßventil, eine durchgezogene Linie und für die Einlaßseite, d. h. das mindestens eine Einlaßventil, eine gestrichelte Linie verwendet.
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1 zeigt die Steuerzeiten der Ventile im stationären CAI-Modus gemäß dem Stand der Technik.
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Die Ventile werden im stationären CAI-Betrieb während des Ladungswechsels in der Art gesteuert, dass das mindestens eine Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen (AS) wird und das mindestens eine Einlaßventil in der Ansaugphase geöffnet (EÖ) wird, um während des Ladungswechsels Verbrennungsgase im Zylinder zurückzuhalten.
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Als Ausschubphase wird der Kurbelwinkelbereich bezeichnet, der sich vom unteren Totpunkt (UT) bis zum oberen Totpunkt (OT) des Ladungswechsels erstreckt, unabhängig davon, ob tatsächlich Verbrennungsgase ausgeschoben oder nur komprimiert werden. Die Ansaugphase umfaßt den Kurbelwinkelbereich, der sich an die Ausschubphase anschließt und sich vom oberen Totpunkt (OT) bis zum nächsten unteren Totpunkt (UT) erstreckt.
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Vorliegend weisen die Steuerzeiten ”Einlaß öffnet” (EÖ) und ”Auslaß schließt” (AS) denselben Abstand in °KW vom oberen Totpunkt (OT) auf.
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Die in der Ausschubphase im Zylinder zurückbehaltenen und bei geschlossenem Auslaßventil komprimierten Abgase expandieren wieder in der sich anschließenden Ansaugphase. Beim Öffnen des Einlaßventils haben sie ihr ursprüngliches d. h. dasselbe Volumen, das sie beim Schließen des Auslaßventils aufweisen. Dadurch wird verhindert, dass spürbar Verbrennungsgase beim Öffnen des Einlaßventils durch die Einlaßöffnung in den Ansaugtrakt gelangen.
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Ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine im SI-Modus wird die Brennkraftmaschine in den CAI-Modus überführt, wobei die Steuerzeiten der Ventile im Rahmen der Überführung geändert werden. Die 2 bis 5 zeigen unterschiedliche Ventilsteuerzeiten d. h. unterschiedliche Verfahrensvarianten zum Betreiben der Brennkraftmaschine in dieser Phase des Betriebs.
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Sämtliche Verfahrensvarianten sind dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus das mindestens eine Auslaßventil in der Ansaugphase geschlossen wird und/oder das mindestens eine Einlaßventil in der Ausschubphase geöffnet wird, um während der Ausschubphase ausgeschobene Verbrennungsgase erneut anzusaugen.
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Das mindestens eine Auslaßventil wird bei sämtlichen Varianten noch vor Erreichen des unteren Totpunktes (UT) geöffnet (AÖ).
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2 zeigt die Steuerzeiten der Ventile im instationären CAI-Modus gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens.
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Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ventilsteuerung im stationären Betrieb wird bei der Überführung in den CAI-Modus zumindest für das erste Arbeitsspiel im CAI-Modus sowohl das Einlaßventil in der Ausschubphase geöffnet (EÖ) als auch das Auslaßventil in der Ausschubphase geschlossen (AS).
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Infolge des bereits in der Ausschubphase geöffneten Einlaßventils werden Verbrennungsgase über die Einlaßöffnung in den Ansaugtrakt ausgeschoben, wenn der Kolben sich in Richtung des oberen Totpunktes (OT) bewegt. Das Einlaßventil wird erst wieder in der Ansaugphase geschlossen (ES). Nach Durchschreiten des oberen Totpunktes (OT) werden daher die zuvor ausgeschobenen Verbrennungsgase erneut zusammen mit Frischluft bzw. Frischgemisch aus dem Ansaugtrakt angesaugt.
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Aufgrund des bereits in der Ausschubphase geschlossenen Auslaßventils wird kein in den Abgastrakt ausgeschobenes Abgas wieder angesaugt. Die interne Abgasrückführung erfolgt ausschließlich über die Einlaßseite.
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Das Einlaßventil wird geöffnet (EÖ) bevor das Auslaßventil geschlossen wird (AS). Diese Ventilüberschneidung stellt sicher, dass der Kolben die Verbrennungsgase im Rahmen des Ladungswechsels im Zylinder nicht nur komprimiert, sondern tatsächlich ausschiebt.
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3 zeigt die Steuerzeiten der Ventile im instationären CAI-Modus gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
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Das Auslaßventil wird in der Ansaugphase erneut geöffnet, so dass Verbrennungsgase, die aus einem Ladungswechsel eines anderen Zylinders stammen, angesaugt werden können.
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Vorliegend schließt das Auslaßventil (AS) erstmals in der Ausschubphase kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes (OT), so dass zunächst d. h. zu Beginn der Ansaugphase keine zylindereigenen Abgase wieder angesaugt werden, sondern lediglich Frischluft bzw. Frischgemisch über das geöffnete Einlaßventil, welches kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes geöffnet wird (EÖ) und erst wieder in der Ansaugphase geschlossen wird (ES).
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Das Einlaßventil wird geschlossen (ES) bevor das Auslaßventil erneut geöffnet wird (AÖ). Das Auslaßventil wird noch in der Ansaugphase wieder geschlossen (AS).
