DE102008064538A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen umfasst, wobei Ein- und/oder Auslassventile eine variable Ventilsteuerung zur Darstellung von wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine aufweisen, insbesondere eine Umschaltung des Ventilhubs zwischen einem kleinen Ventilhub und einem großen Ventilhub. Um den Kraftstoffverbrauch bei einem Hybridfahrzeug mit einem Hybridantrieb zu reduzieren, wird ein dem kleinen Ventilhub bzw. einem ersten Betriebsmodus zugeordneter Bereich (21), der verbrauchsgünstig durch den Hybridantrieb genutzt werden kann, erweitert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen umfasst, wobei Ein- und/oder Auslassventile eine variable Ventilsteuerung zur Darstellung von wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine aufweisen. Beispielsweise ist der Ventilhub von Ein- und/oder Auslassventilen zwischen einem kleinen Ventilhub und einem großen Ventilhub umschaltbar.
  • Zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb sind verschiedene Betriebsstrategien bekannt. Die Betriebsstrategie eines Hybridantriebs beinhaltet die logische und zeitliche Abfolge aller Betriebszustände, das heißt, wann welche Komponente des Antriebs wie betrieben wird. Die prinzipiell unterschiedlichen Anordnungen der Energiewandler bei parallelen und seriellen Hybriden ermöglichen entsprechend unterschiedliche Betriebsstrategien. In der europäischen Patentschrift EP 1 186 753 B1 ist eine variable Ventilsteuerung für ein Hybridfahrzeug offenbart. In der europäischen Patentschrift EP 1 754 872 B1 ist ein Ottomotor beschrieben, der in dem so genannten Atkinson-Zyklus betrieben wird. Die beiden US-Patente US 6,343,473 B1 und US 7,076,954 B1 offenbaren die Verwendung von Turboladern in Hybridfahrzeugen. Die US-Patentanmeldungen US 2006/0168944 A1, US 2007/0209618 A1 und US 2007/0209619 A1 offenbaren variable Ventilsteuerungen beim Startvorgang der Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs. Die japanische Patentzusammenfassung JP 2005291012 A offenbart ein Fahrzeug, das entweder durch eine Brennkraftmaschine oder durch einen seriellen Hybridantrieb antreibbar ist. Die japanische Patentzusammenfassung JP 2006170053 A offenbart eine Klopfsteuerung für ein Hybridfahrzeug. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 025 439 A1 offenbart eine variable Ventilsteuerung für einen Dieselmotor.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Kraftstoffverbrauch bei einem Hybridfahrzeug mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine umfasst, zu reduzieren.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen umfasst, wobei Ein- und/oder Auslassventile eine variable Ventilsteuerung zur Darstellung von wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine aufweisen, dadurch gelöst, dass ein dem ersten, verbrauchsgünstigeren Betriebsmodus zugeordneter nutzbarer Bereich der Brennkraftmaschine durch den Hybridantrieb erweitert wird. Durch die variable Ventilsteuerung ist beispielsweise der Ventilhub zwischen einem kleinen Ventilhub und einem großen Ventilhub umschaltbar. Dies schließt als kleinen Ventilhub einen Wert von Null ein, entsprechend einer Zylinderabschaltung. Alternativ oder zusätzlich sind Zeitdauer und/oder Zeitpunkt des Öffnens bzw. Schließens der Ventile variabel. Bei einem Hybridfahrzeug mit einem Hybridantrieb, das heißt einem Kraftfahrzeug, das über eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, und wenigstens eine Elektromaschine, insbesondere einen Elektromotor, angetrieben wird, arbeitet die Brennkraftmaschine nur selten in einem unteren Teillastbereich. Vielmehr wird der untere Teillastbereich entweder durch elektrisches Fahren oder durch eine Lastpunktverschiebung substituiert. Deshalb ist es wichtig, einen weiteren Betriebsmodus, in dem die Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad hat, gut erreichbar zu machen, um so die Lastpunktverschiebung einfach durchführen zu können. Hierzu werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Wenn die Brennkraftmaschine einen schaltbaren Ventilhub aufweist, wird vorgeschlagen, den Bereich mit dem kleinen Ventilhub so zu erweitern, dass der Bereich, in dem die Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad aufweist, leichter erreichbar ist als bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der dem kleinen Ventilhub zugeordnete Betriebsbereich in einen Bereich hinein erweitert wird, der dem großen Ventilhub zugeordnet ist. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Die Erweiterung des Bereichs mit dem kleinen Ventilhub ist, im Vergleich zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine, unproblematisch, da der vergrößerte Bereich mit dem kleinen Ventilhub verbrauchsgünstig durch den Hybridantrieb genutzt werden kann.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi, z. B. zwischen kleinen Ventilhub und großem Ventilhub, in Momenteneingriff mit der Elektromaschine gebracht wird, um einen unerwünschten Umschaltruck zwischen den Betriebsmodi zu kompensieren. Der Momenteneingriff oder Drehmomenteingriff kann durch eine drehfeste Verbindung oder Kopplung zwischen der Elektromaschine und der Brennkraftmaschine realisiert werden, zum Beispiel durch eine Kupplung. Durch den Momenteneingriff kann der Umschaltruck teilweise oder vollständig kompensiert werden, wodurch der Komfort z. B. beim Umschalten zwischen kleinem Ventilhub und großem Ventilhub deutlich vergrößert wird. Auch eine Reduzierung des Vorhalts für Zündwinkeleingriffe zur Kompensation des Umschaltrucks ist alternativ oder zusätzlich möglich, wodurch der nutzbare Bereich des Betriebsmodus erweitert wird.
  • Die vorab angegebene Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Einlassventilen umfasst, alternativ oder zusätzlich auch dadurch gelöst, dass die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine in den für das Hybridfahrzeug relevanten Bereichen optimiert werden. Dabei handelt es sich um eine weitere Maßnahme um die vorab erwähnte Verschiebung der Betriebsmodi einfach durchführen zu können.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine erhöht wird. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis von Hubraum und Verdichtungsraum zum Verdichtungsraum der Brennkraftmaschine. Je größer das Verdichtungsverhältnis, umso höher der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und/oder Auslassventile deutlich früher oder deutlich später geschlossen werden als bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen. Durch die Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitig sehr frühem oder sehr spätem Steuerzeitpunkt Einlass schließt wird die Expansionsphase der Brennkraftmaschine verlängert. Dadurch können, ähnlich wie z. B. bei dem so genannten Atkinson-Zyklus, unerwünschte Expansionsverluste reduziert werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb durch eine erweiterte Steuerzeitenverstellung in einem alternativen Arbeitszyklus betrieben wird. Bei dem alternativen Arbeitszyklus handelt es sich zum Beispiel um den so genannten Miller-Zyklus.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
  • Die einzige beiliegende 1 zeigt ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem das Drehmoment einer Brennkraftmaschine in Form eines Kennfelds über der Drehzahl aufgetragen ist.
  • In 1 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer X-Achse 1 und einer Y-Achse 2 dargestellt. Auf der Y-Achse 2 ist das maximale Drehmoment der Brennkraftmaschine für zwei Betriebsmodi in Newton-Meter aufgetragen. Auf der X-Achse 1 ist die Drehzahl pro Minute aufgetragen. In dem Koordinatendiagramm ist eine Kennlinie 10 mit gestrichelten seitlichen Abschnitten 11 und 12 dargestellt, die einen Betriebsmodus begrenzen.
  • In einem Kennfeldbereich 21 wird die Brennkraftmaschine des Hybridantriebs mit einem kleinen Ventilhub betrieben. In einem Kennfeldbereich 22 wird die Brennkraftmaschine mit einem großen Ventilhub betrieben. Die Bereiche 21, 22 der beiden Betriebsmodi sind durch eine Trennlinie 24 voneinander getrennt. Durch Pfeile 25, 26 ist angedeutet, dass gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Trennlinie 24 zwischen den Bereichen 21, 22 der beiden Betriebsmodi so verschoben wird, dass ein dem Betriebsmodus mit dem kleinen Ventilhub zugeordneter Bereich 21 in einen dem Betriebsmodus mit dem großen Ventilhub zugeordneten Bereich 22 hinein vergrößert wird.
  • Bei einer Brennkraftmaschine mit einem schaltbaren Ventilhub wird bei niedrigen Lasten, also bei einem relativ geringen Drehmoment und relativ kleinen Drehzahlen, mit kleinem Ventilhub gefahren. Das führt zu einem geringeren Verbrauch und besseren Emissionen. Bei steigender Lastanforderung wird ab der Trennlinie 24 auf den großen Ventilhub umgeschaltet, um ausreichend Drehmoment zur Verfügung zu stellen. Während dieser Umschaltung steht durch den Sprung in der Zylinderfüllung für einen Sekundenbruchteil ein größeres Drehmoment zur Verfügung, was zu einem Umschaltruck führen kann, der als störend empfunden werden kann.
  • Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit schaltbarem Ventilhub kann durch eine Reduzierung also Verkleinerung des Bereichs für Betriebsmodus 21 mit dem kleinen Ventilhub eine Reduktion des Umschaltrucks erreicht werden. Dadurch wird aber auch ein Bereich verkleinert, der mit einem Hybridantrieb bei relativ günstigem Verbrauch betrieben werden kann, wenn der Hybridantrieb zum Antrieb des Hybridfahrzeugs genutzt wird. Durch die erfindungsgemäße Vergrößerung des Bereichs für Betriebsmodus 21 mit dem kleinen Ventilhub kann in Kombination mit einem Hybridantrieb ein günstigerer Verbrauch erreicht werden.
  • Zusätzlich kann bei einem Hybridfahrzeug der Kennfeldbereich 21 mit dem kleinen Ventilhub erweitert werden, indem der unerwünschte Umschaltruck durch einen Momenteneingriff der Elektromaschine, z. B. einen generatorischen Betrieb, kompensiert wird. Durch das spätere Umschalten auf den großen Ventilhub wird ein durch den Hybridantrieb, insbesondere durch die Elektromaschine, nutzbarer Bereich mit geringerem Verbrauch und weniger Emissionen erweitert und darüber hinaus der Komfort während der Umschaltung verbessert.
  • Eine weitere Einflussgröße auf den Verbrauch sind die Ventilsteuerzeiten. Durch eine Optimierung der Ventilsteuerzeiten in den für Hybridfahrzeuge relevanten Betriebsbereichen kann eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung erreicht werden. Dies kann zum Beispiel durch Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses und einem gleichzeitigen sehr späten Steuerzeitpunkt Einlass schließt erreicht werden.
  • Dadurch wird eine sehr lange Expansionsphase und damit auch eine Verminderung der Expansionsverluste erzielt. Diese Betriebsart ähnelt dem Atkinson-Zyklus. Durch die lange Expansion wird das Dynamikverhalten des Motors eingeschränkt. Dies kann durch die Elektromaschine im Hybridantriebsstrang ausgeglichen werden. Des Weiteren können durch eine erweiterte Steuerzeitenverstellung auch andere Arbeitszyklen, zum Beispiel der Miller-Zyklus, gefahren werden.
  • Der Atkinson-Zyklus ist eine spezielle Ventilsteuerung, bei der die Einlassventile erst sehr spät schließen und dadurch der Verdichtungstakt nicht am unteren Totpunkt des Kolbens, sondern später beginnt. Der Miller-Zyklus umfasst einen veränderten Verdichtungstakt mit einem verspäteten Schließen des Einlassventils. Das Einlassventil schließt erst dann, wenn sich der Kolben bereits wieder nach oben bewegt. So gelangt ein Teil der angesaugten Frischladung durch das noch offene Einlassventil in den Ansaugkanal und die Kompression findet später statt. Durch die daraus resultierende Vergrößerung des Expansionsverhältnisses wird der thermische Wirkungsgrad erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1186753 B1 [0002]
    • - EP 1754872 B1 [0002]
    • - US 6343473 B1 [0002]
    • - US 7076954 B1 [0002]
    • - JP 2005291012 A [0002]
    • - JP 2006170053 A [0002]
    • - DE 102006025439 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen umfasst, wobei Ein- und/oder Auslassventile eine variable Ventilsteuerung zur Darstellung von wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi der Brennkraftmaschine aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem ersten, verbrauchsgünstigeren Betriebsmodus zugeordneter nutzbarer Bereich (21) der Brennkraftmaschine durch den Hybridantrieb erweitert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub von Ein- und/oder Auslassventilen zwischen einem kleinen Ventilhub und einem großen Ventilhub umschaltbar ist, wobei der dem kleinen Ventilhub zugeordnete Kennfeldbereich (21) in einen Kennfeldbereich (22) hinein erweitert wird, der dem großen Ventilhub zugeordnet ist und in dem die Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi in Momenteneingriff mit der Elektromaschine gebracht wird, um einen unerwünschten Umschaltruck zu kompensieren.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hybridantrieb, der eine Elektromaschine und eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen umfasst, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine in den für das Hybridfahrzeug relevanten Bereichen optimiert werden.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine erhöht wird.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und/oder Auslassventile deutlich früher oder deutlich später geschlossen werden als bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb durch eine erweiterte Steuerzeitenverstellung in einem alternativen Arbeitszyklus betrieben wird.
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