DE10352631B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass in vorbestimmten Betriebszuständen im Leerlauf oder leerlaufnahen Drehzahlbereich ein homogen-mageres Gemisch eingestellt wird und Drehzahleinbrüche aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb durch zusätzliche gegenläufige Eingriffe der elektrischen Maschine kompensiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Hybridfahrzeugen wird der Verbrennungsmotor in Stillstandphasen über eine Start-Stop-Funktion zur Kraftstoffeinsparung in der Regel abgestellt. Da Hybridfahrzeuge über im Vergleich zu einem konventionellen Anlasser deutlich leistungsstärkere Elektromotoren verfügen, ist insbesondere der Motorwiederstart mit hohem Komfort möglich.
  • Es gibt jedoch Betriebsphasen, bei denen ein Abstellen des Verbrennungsmotors aus anderen Gründen nicht zugelassen werden kann. So kann beispielsweise bei eingeschalteter Klimaanlage der über den Riementrieb des Verbrennungsmotors erfolgende mechanische Antrieb eines Klimakompressors den Weiterlauf des Motors erfordern. Auch bei geringen Ladezuständen der Batterien kann es insbesondere bei sehr langen Stillstandphasen erforderlich sein, den Verbrennungsmotor im Leerlauf weiterlaufen zu lassen bzw. wieder zu starten. Darüber hinaus muss beispielsweise die Abgasreinigungsanlage ihre Betriebstemperatur erreicht haben, damit beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors keine unzulässig hohen Abgasschadstoffemissionen entstehen. Aus den zuvor genannten Gründen kann es also auch bei Hybridsystemen erforderlich sein, den Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstillstand im Leerlauf zu betreiben. Gerade bei diesen Verbrauchskonzepten ist es aber erforderlich, den Leerlaufverbrauch so gering wie möglich zu halten.
  • Bei magerlauffähigen, insbesondere direkteinspritzenden, Ottomotoren ist neben der konventionellen homogen-stöchiometrischen Betriebsart auch ein Betrieb mit Luftüberschuss möglich. Dabei ermöglichen der homogen-magere Betrieb und besonders der Schichtbetrieb deutlich geringere Kraftstoffverbräuche als der konventionelle Homogenbetrieb. Vor allem der Schichtbetrieb ist jedoch mit erhöhten Motorrohemissionen verbunden. Zudem sind die Abgastemperaturen im Schichtbetrieb aufgrund des hohen Luftüberschusses deutlich geringer als im Homogenbetrieb. Da die Konvertierungsleistung des Abgasreinigungssystems sehr stark abhängig von dessen Temperatur ist, erfordert die Freigabe des Schichtbetriebs die Überschreitung einer bestimmten Mindesttemperaturschwelle. Hierbei muss insbesondere die so genannte Light-Off-Temperatur des bzw. der Katalysatoren überschritten sein.
  • Fällt die Temperatur zumindest eines Katalysators unter eine vorgegebene Schwelle, so muss zur Vermeidung unzulässig hoher Emissionen auf den homogen-mageren oder auch den homogen-stöchiometrischen Betrieb gewechselt werden, was einen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs bedeutet. Dieses Verfahren gewinnt bei gealterten Katalysatorsystemen aufgrund der mit der Alterung ansteigenden Light-Off-Temperatur zunehmend an Bedeutung.
  • Bei einem direkteinspritzenden Ottomotor wird auch als Leerlaufbetriebsart möglichst der Schichtbetrieb gewählt. Insbesondere hier kühlt das Katalysatorsystem aufgrund des nur sehr geringen Abgastemperaturniveaus stark aus. Bei einem Unterschreiten kritischer Schwellen wäre ein Wechsel in den homogen-mageren Betrieb wünschenswert, da diese Betriebsart aufgrund der geringen Ladungsverdünnung höhere Abgastemperaturen aufweist und bzgl. Kraftstoffverbrauch die nächst günstigere Betriebsart darstellt. Dieser Wechsel von Schichtbetrieb zu homogen-magerem Betrieb ist jedoch im Leerlauf nicht möglich, da sich im Leerlaufbereich diese Betriebsart üblicherweise nicht einstellen lässt.
  • Die Gründe hierfür sind darin zu sehen, dass sich der Motor bereits im homogenen stöchiometrischen Leerlauf aufgrund von Streuungen bei der eingespritzten Kraftstoffmasse zwischen einzelnen Zylindern, den geringen Zylinderfüllungen, der geringen Intensität der Brennraumgasströmungen sowie erhöhter Restgasgehalte in den Brennräumen bzgl. der Laufqualität in einem kritischen Bereich befindet. Werden zusätzlich Motorbetriebsparameter verändert, die die Verbrennungsstabilität negativ beeinflussen, erreicht die Motorlaufqualität schnell ein nicht mehr akzeptables Niveau.
  • So führt eine Abmagerung der Gemischzusammensetzung dazu, dass sich zunehmend stochastisch mangelhafte Verbrennungsereignisse einstellen, die zu einem kurzfristigen, komfortbeeinträchtigenden Einbruch der Leerlaufdrehzahl führen. Daher lässt sich der Motor im Leerlaufbereich mit nur sehr geringem Luftüberschuss betreiben. Da aber sowohl für einen wirkungsgradgünstigen Betrieb als auch für eine geringe Schadstoffemission, insbesondere bzgl. NOx, ein möglichst hoher Luftüberschuss (Lambda > 1,2 für Betrieb mit AGR, Lambda > 1,4 für Betrieb ohne AGR) angestrebt wird, ist ein homogen-magerer Betrieb im Leerlauf in der Regel nicht möglich, obwohl diese Betriebsart bzgl. Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemissionen und Abgastemperatur einen guten Kompromiss zwischen dem homogen-stöchiometrischen Betrieb und dem Schichtbetrieb darstellt.
  • Wird bei einem Hybridfahrzeug eine zusätzliche E-Maschine verbaut, ergeben sich weitere Möglichkeiten, den Laufkomfort der Brennkraftmaschine zu verbessern. Eine E-Maschine stellt gerade im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment sowohl positiv wie auch negativ bereit und kann die elektromotorischen Momente sehr schnell im Bereich von einigen 10 ms auf- bzw. abbauen.
  • Aus der DE 197 09 134 C2 ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem zyklische Drehungleichförmigkeiten durch Ausüben eines entsprechend zyklisch und im Wesentlichen gegenphasig variierenden Drehmomentes von einer elektrischen Maschine auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verringert werden. Durch diesen aktiven Eingriff wird vermieden, dass die zyklische Drehungleichförmigkeitsamplitude bei kaltem Motor größer als bei warmer Motor ist. Dies erlaubt eine niedrige, globale Leerlaufdrehzahl, welche auch bei niedrigen Temperaturen nicht zu kritischen Drehzahlen aufgrund von zyklischen Drehmomentschwankungen aufgrund von hin- und hergehenden Massen führt. Die Verminderung der zyklischen Drehungleichförmigkeitsamplitude wird dadurch bewirkt, dass die elektrische Maschine ein variierendes Drehmoment aufbringt, welches im zeitlichen Verlauf den Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors ähnelt, aber im Wesentlichen gegenphasig zu ihnen ist.
  • Die Druckschrift DE 697 07 990 T2 beschreibt ein Steuerungssystem für ein Hybridfahrzeug, bei dem zur Unterdrückung von Drehzahländerungen unterstützende oder bremsende Antriebskräfte am Elektromotor erzeugt werden.
  • Die Druckschrift DE 198 59 074 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors, bei dem zylinderindividuelle Unterschiede in der Verbrennung mit einem Regelkonzept minimiert werden, um Laufunruheeffekte vor allem im Leerlauf zu kompensieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Laufkomfort einer Brennkraftmaschine im Leerlauf zu verbessern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich zu reduzieren.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in vorbestimmten Betriebszuständen im Leerlauf oder leerlaufnahen Drehzahlbereich ein homogen-mageres Gemisch eingestellt wird und Drehzahleinbrüche aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb durch zusätzliche gegenläufige Eingriffe der elektrischen Maschine kompensiert werden.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsart ”homogen-mager” auch im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich nutzbar ist, wodurch eine zusätzliche Absenkung des Kraftstoffverbrauchs von Hybridfahrzeugen bzw. Antriebskonzepten mit Kombination von Verbrennungsmotor und E-Maschine erzielt wird.
  • Die vorbestimmten Betriebszustände umfassen beispielsweise solche Betriebszustände, bei denen aufgrund zu geringer Abgastemperaturen und/oder Alterung/Auskühlung eines Katalysatorsystems und/oder einer zu hohen Laufunruhe ein Schichtbetrieb nicht freigegeben werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden Drehzahleinbrüche bzw. Momentenungleichförmigkeiten bzw. daraus resultierende Drehzahlschwankungen aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb mittels einer kombinierten Drehzahlregelung von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine ausgeglichen.
  • In einer alternativen Ausführungsform werden Drehzahleinbrüche bzw. Momentenungleichförmigkeiten bzw. daraus resultierende Drehzahlschwankungen aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb mittels Kombination einer konventionellen Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors und einer überlagerten Drehzahlregelung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von den Drehzahleinbrüchen bzw. Momentenungleichförmigkeiten bzw. daraus resultierenden Drehzahlschwankungen ausgeglichen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden zyklische Drehungleichförmigkeiten aufgrund von Wechselmomenten (hin- und hergehenden Massen) durch Beaufschlagen der Brennkraftmaschine mit einem entsprechend zyklisch und im Wesentlichen gegenphasig variierenden Drehmoment der elektrischen Maschine ausgeglichen.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung.
  • Bei einer Kombination eines magerlauffähigen Ottomotors mit einer elektrischen Maschine (E-Maschine) ist es erfindungsgemäß vorgesehen, im Leerlaufbetrieb den Betrieb mit homogen-magerem Gemisch zuzulassen und die Momentenungleichförmigkeiten bzw. die resultierenden Drehzahlschwankungen über eine kombinierte Drehzahlregelung von Verbrennungsmotor und E-Maschine auszugleichen. Alternativ ist auch eine Kombination der konventionellen Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors mit einer überlagerten Drehzahlregelung der E-Maschine denkbar, die auf Drehzahleinbrüche durch stochastisch mangelhafte Verbrennungsereignisse reagiert und somit unzulässige Drehzahleinbrüche verhindert. Derartige stochastische Drehzahlschwankungen können nicht, wie zyklische Drehzahlschwankungen aufgrund von Wechselmomenten (hin- und her bewegten Massen), durch beispielsweise einen Zündwinkeleingriff im homogen-mageren Betrieb abgefangen werden. Besonders bevorzugt wird der homogen-magere Betrieb dann eingestellt, wenn aufgrund zu geringer Abgastemperaturen und/oder der Alterung eines Katalysatorsystems oder einer zu hohen Laufunruhe der Schichtbetrieb nicht freigegeben werden kann.
  • Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Nutzung der homogen-mageren Betriebsart auch im Leerlauf bzw. leerlaufnahen Bereich und bedeutet daher eine zusätzliche Absenkung des Kraftstoffverbrauches von Hybridfahrzeugen bzw. Antriebskonzepten mit Kombination von Verbrennungsmotor und E-Maschine.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass in vorbestimmten Betriebszuständen im Leerlauf oder leerlaufnahen Drehzahlbereich ein homogen-mageres Gemisch eingestellt wird und Drehzahleinbrüche aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb durch zusätzliche gegenläufige Eingriffe der elektrischen Maschine kompensiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Betriebszuständen solche Betriebszustände umfassen, bei denen aufgrund zu geringer Abgastemperaturen und/oder Alterung/Auskühlung eines Katalysatorsystems und/oder einer zu hohen Laufunruhe ein Schichtbetrieb nicht freigegeben werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Drehzahleinbrüche, Momentenungleichförmigkeiten und/oder daraus resultierende Drehzahlschwankungen aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb mittels einer kombinierten Drehzahlregelung von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine ausgeglichen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Drehzahleinbrüche, Momentenungleichförmigkeiten und/oder daraus resultierende Drehzahlschwankungen aufgrund stochastisch mangelhafter Verbrennungsereignisse im homogen-mageren Betrieb mittels Kombination einer konventionellen Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors und einer überlagerten Drehzahlregelung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von den Drehzahleinbrüchen, Momentenungleichförmigkeiten und/oder daraus resultierenden Drehzahlschwankungen ausgeglichen werden.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zyklische Drehungleichförmigkeiten durch Beaufschlagen der Brennkraftmaschine mit einem entsprechend zyklisch und im Wesentlichen gegenphasig variierenden Drehmoment der elektrischen Maschine ausgeglichen werden.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine einen magerlauffähigen Ottomotor aufweist.
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