EP2721275A1 - Hybrid-antriebsstrang, hybrid-fahrzeug, betriebsverfahren - Google Patents

Hybrid-antriebsstrang, hybrid-fahrzeug, betriebsverfahren

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EP2721275A1
EP2721275A1 EP11799371.7A EP11799371A EP2721275A1 EP 2721275 A1 EP2721275 A1 EP 2721275A1 EP 11799371 A EP11799371 A EP 11799371A EP 2721275 A1 EP2721275 A1 EP 2721275A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
ignition
low
electric motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11799371.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Dieler
Dirk Haase
Rüdiger Herweg
Gerd KRÖNER
Friedemann Wolpers
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10S903/902—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid powertrain.
  • the invention also relates to a hybrid vehicle having such a hybrid powertrain.
  • the present invention relates to a method for operating such a hybrid powertrain.
  • a hybrid powertrain comprises at least one internal combustion engine and at least one electric motor. Both motors are used to generate a drive power of the drive train, which can be used in a vehicle to generate a propulsion.
  • Internal combustion engine can be operated in a Seibstzund ists vide.
  • the known hybrid powertrain is operated so that at low speeds or loads, the drive power is provided exclusively by the electric motor while the engine is turned off.
  • Route input data are recorded, which include a starting point and an end point of a preferred route of the hybrid vehicle. Subsequently, an optimally fuel-efficient route to reach the endpoint is determined based on the at least one set of route input data. Subsequently, a powertrain control strategy is selected to achieve the optimum fuel-efficient route, wherein the powertrain control strategy determines when the
  • a lean mixture is externally ignited.
  • Boundary conditions such as temperature and pressure, can be created with the help of the spark ignition of the necessary for the safe auto-ignition frame, so that the spark ignition can directly spark the Randzündverbrennung.
  • the room ignition combustion has an improved energy efficiency compared to the flame front combustion.
  • the present invention addresses the problem of a hybrid powertrain or hybrid vehicle or operating method to provide an improved or at least another embodiment, which is characterized in particular by a high energy efficiency.
  • the invention is based on the general idea of operating the internal combustion engine of the hybrid powertrain in the range of low and medium speeds and / or loads with a low NOx operating method based on space ignition combustion and operating in a higher load range in a spark ignition mode of operation that relies on a flame front combustion.
  • the NOx-poor is based on the general idea of operating the internal combustion engine of the hybrid powertrain in the range of low and medium speeds and / or loads with a low NOx operating method based on space ignition combustion and operating in a higher load range in a spark ignition mode of operation that relies on a flame front combustion.
  • Operating method is characterized in that at an ignition time by means of an ignition device, a homogeneous lean mixture of air and fuel and possibly recirculated exhaust gas is externally ignited to initiate a flame front combustion, wherein the flame front combustion in turn initiates a Jardinzündverbrennung.
  • the room ignition combustion is triggered in two ways, namely first by the spark ignition by means of
  • the necessary boundary conditions such as temperature and pressure, must be created in the respective combustion chamber, which can be implemented in modern internal combustion engines via suitable measures.
  • the power output of the internal combustion engine is limited in low-NOx operation.
  • the spark ignition operation in which at the respective ignition a homogeneous stoichiometric mixture of air and fuel and possibly recirculated exhaust gas is externally ignited to trigger a flame front combustion, which does not transition into a Jardinzündverbrennung in contrast to the low-NOx operating method.
  • the necessary boundary conditions such as pressure and / or temperature, are created in the respective combustion chamber by means of suitable measures.
  • the Fremdzünd istsclar is characterized by a higher power output. For this, however, a deterioration in terms of efficiency and pollutant emissions must be accepted.
  • the operation of the hybrid powertrain takes place largely in the low-NOx operating method, where there is a performance support by the respective
  • the compression ratio is the ratio of the entire combustion chamber before compression to the remaining space after compression. Accordingly, the compression ratio is expressed as the quotient of compression volume (remaining space after compression) and the sum of displacement (difference between the volume before compression and the volume after compression) and
  • Compression volume (volume after compression) is calculated.
  • the energy-efficient, low-NOx operating method based on the combustion of room ignition can be realized.
  • the low-NOx operating method is limited to smaller powers, precisely because of the high compression ratio, since instabilities, such as knocking, occur at higher powers.
  • reducing the compression ratio leads to the range of conventional spark-ignited flame front combustion, which is stable even at high loads, but has a reduced efficiency.
  • An internal combustion engine in which the compression ratio is adjustable may be provided with a corresponding means for varying the compression ratio.
  • the piston stroke can be variable.
  • strokes of gas exchange valves are increased in terms of amplitude and / or opening duration.
  • Opening period to change For example. it can be starting from strokes of the
  • An internal combustion engine in which the strokes of the gas exchange valves can be varied, can, for example, be equipped with a device for adjusting the strokes of the gas exchange valves with regard to amplitude and / or opening duration.
  • the internal combustion engine is operated quasi stationary in the range of low and medium speeds and / or powers.
  • the stationary or quasi-stationary operation of the internal combustion engine with varying small and medium speeds and / or loads is characterized in that the respective operating point of the internal combustion engine despite varying speeds and / or loads does not vary or only comparatively slightly, so that the internal combustion engine operated quasi stationary in said operating point becomes.
  • this quasi-stationary operation of the internal combustion engine is characterized in that the respective operating point of the internal combustion engine despite varying speeds and / or loads does not vary or only comparatively slightly, so that the internal combustion engine operated quasi stationary in said operating point becomes.
  • Combustion engine only comparatively small portions for speed and / or load adjustable.
  • small includes variations of a maximum of 20%, preferably a maximum of 0%, of the maximum bandwidth of the respective range for the speeds or for the loads, in this way it is possible within the range with low and medium speeds and / or loads the engine always operate in a fuel-optimized operating condition, whereby the
  • Internal combustion engine has a particularly high energy efficiency.
  • the target / actual difference can be supplied by the at least one electric motor.
  • the respective electric motor is fed from a battery of the hybrid drive.
  • the target-actual difference is reduced by the at least one electric motor, which is operated in this case as an electric generator. This makes it possible, for example, to recharge the aforementioned battery.
  • the required target load exceeds the actual load of the internal combustion engine in stationary operation and that, moreover, the target actual difference exceeds the maximum power of the at least one electric motor.
  • the steady-state operation of the low-NOx operating method then becomes the Fremdzünd ists vide changed, in the Fremdzünd nowadayssclar the internal combustion engine can then be operated dynamically. Due to the dynamic operation of the internal combustion engine in Fremdzünd istsclar the internal combustion engine can be adapted quickly to changing speeds and loads. Even with these high loads and speeds can be a performance support by the respective
  • An inventive hybrid powertrain comprises the internal combustion engine and at least one electric motor and a battery. Further, the hybrid powertrain includes a controller configured and / or programmed to perform the above-described method of operation.
  • a hybrid vehicle according to the invention which is preferably a
  • Road vehicle may include a chassis, in particular a body or a vehicle body, in which a hybrid drive train of the type described above is arranged.
  • Fig. 2 is a load-speed diagram illustrating an operating method for the hybrid powertrain.
  • a hybrid vehicle 1 which is preferably a road vehicle, includes a chassis 2 and a hybrid powertrain 3. It will be understood that in the case where the vehicle 1 is a road vehicle , the chassis 2 is further equipped with wheels and the like.
  • the hybrid drive 3 comprises at least one internal combustion engine 4 and at least one electric motor 5 and at least one battery 6, which is connected to the at least one electric motor 5 in a suitable manner.
  • the exemplary arrangement of internal combustion engine 4 and electric motor 5 shown by way of example in FIG. 1 can also be replaced by a parallel arrangement or by any other arrangement.
  • the respective electric motor 5 can also be designed as a hub motor, which can be arranged directly on a drive wheel of the vehicle 1.
  • the hybrid powertrain 3 also includes a controller 7, which controls the internal combustion engine 4 and the electric motor 5 depending on incoming signals.
  • the controller 7 can expediently be configured so that it can carry out the operating method explained below in connection with the diagram shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows the speed on the abscissa and the load on the ordinate, which can be realized with the aid of the internal combustion engine 4.
  • a curve 8 shows a torque curve that can be realized with the aid of a low-NOx operating method.
  • the region associated with the low-NOx operating method is designated 9 in FIG. 2.
  • a broken line indicates a curve 10 which reproduces the power that can be achieved in the region 9 of the low-NOx operating method.
  • a parallel torque curve 11 is shown in parallel with a broken line, which represents a border region and essentially correlates with a knock limit.
  • a curve 12 is also shown, which reproduces the torque curve of the internal combustion engine 4 in a Fremdzünd ists vide.
  • the Fremdzündbe- operating method is below this torque curve 12 and above the torque curves 8, 11 of the low-NOx operating method.
  • the associated area is designated by 13 in FIG. This area 13 with Fremdzünd istsclar a power curve 14 is also assigned, which reflects the achievable performance of the internal combustion engine 4 in the Fremdzünd istsclar.
  • An arrow 15 indicates a reduction in the compression ratio in the respective combustion chamber in order to move from the region 9 of the low NOx operating method to the region 13 of the spark ignition operating method.
  • An arrow 16 indicates a change from the low-NOx operating method to the spark ignition operating method.
  • An arrow 17 indicates a change from the spark ignition operation method to the low NOx operation method.
  • a homogeneous fuel-air mixture or a homogeneous fuel-exhaust gas-air mixture with a combustion air ratio of ⁇ > 1 in the respective combustion chamber of the internal combustion engine 4 is externally ignited at a predetermined ignition by means of an ignition device, which is a Fiammenfrontverbrennung by this spark ignition is initiated, which in turn initiates a room ignition combustion or goes into a room ignition combustion.
  • the controller 7 can reduce the compression ratio according to the arrow 15. At the same time, the controller 7 can increase the strokes of gas exchange valves in terms of amplitude and / or opening duration. As a result, the boundary conditions are created, which are required for the realization of the Fremdzünd istsvons.
  • the compression ratio is increased accordingly and the strokes of the gas exchange valves are reduced in amplitude and / or opening duration, so as to provide the constraints for the low-NOx operation method.
  • the internal combustion engine 4 is operated quasi stationary in the region 9 of the small and / or average rotational speeds or loads. Within this range 9, the internal combustion engine 4 thus varies in terms of speed and / or load only in the context of comparatively small subregions. The quasi-stationary operation of the internal combustion engine 4 in this area 9 takes place optimized consumption.
  • the target / actual difference is supplied or compensated by the at least one electric motor 5.
  • the respective electric motor 5 is fed from the battery 6.
  • the required target load in the low-NOx operating method exceeds the actual load of the internal combustion engine 4 in stationary operation, the target / actual difference is reduced by the electric motor 5 operated as an electric generator. In this case, the electricity thus obtained can be used to charge the battery 6.
  • a change from the low-NOx operating method to the spark ignition operating method takes place, in particular, when the required target load exceeds the actual load of the internal combustion engine in steady-state operation and, in addition, when the target / actual difference ximal ancient ancient Chinese, etc.
  • the internal combustion engine 4 is operated dynamically, so that it can be tracked in large areas load changes and speed changes.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebsstrangs (3), der wenigstens einen Elektromotor (5) und einen Verbrennungsmotor (4) aufweist, bei dem in einem Bereich (9) kleiner und mittlerer Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungsmotor (4) mit einem NOx-armen Betriebsverfahren betrieben wird, bei dem zu einem Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ>1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors (4) mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem eine durch die Fremdzündung initiierte Flammenfrontverbrennung in eine Raumzündverbrennung übergeht, und bei dem in einem Bereich (13) größerer Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungsmotor (4) mit einem Fremdzündbetriebsverfahren betrieben wird, bei dem zu einem Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors (4) mittels der Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem durch die Fremdzündung eine Flammenfrontverbrennung initiiert wird, die nicht in eine Raumzündverbrennung übergeht.

Description

Hybrid-Antriebsstrang, Hybrid-Fahrzeug, Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hybrid-Fahrzeug mit einem derartigen Hybrid-Antriebsstrang. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hybrid- Antriebsstrangs.
Ein hybrider Antriebsstrang umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor und wenigstens einen Elektromotor. Beide Motoren dienen zur Erzeugung einer Antriebsleistung des Antriebsstrangs, die in einem Fahrzeug zum Erzeugen eines Vortriebs genutzt werden kann.
Aus der DE 10 2007 016 551 A1 ist ein Hybrid-Antriebsstrang bekannt, dessen
Verbrennungsmotor in einem Seibstzundbetriebsverfahren betrieben werden kann. Der bekannte Hybrid-Antriebsstrang wird so betrieben, dass bei niedrigen Drehzahlen bzw. Lasten die Antriebsleistung ausschließlich durch den Elektromotor bereitgestellt wird, während der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist.
Aus der DE 11 2007 000 515 T5 ist ein Verfahren zum Steuern eines Hybrid- Antriebsstrangs bekannt, bei dem zunächst wenigstens ein Satz von
Routeneingangsdaten aufgezeichnet werden, die einen Startpunkt und einen Endpunkt einer bevorzugten Route des Hybrid-Fahrzeugs umfassen. Anschließend wird eine optimal kraftstoffsparende Route zum Erreichen des Endpunkts auf der Grundlage des wenigstens einen Satzes von Routeneingangsdaten bestimmt. Anschließend wird eine Antriebsstrangsteuerstrategie zum Erzielen der optimalen kraftstoffsparenden Route gewählt, wobei die Antriebsstrangsteuerstrategie das Bestimmen, wann der
Verbrennungsmotor und der Elektromotor betrieben werden sollen und wann eine Batterie geladen werden soll, umfasst. Schließlich wird dann die
Antriebsstrangsteuerstrategie ausgeführt. Bei Verbrennungsmotoren werden unterschiedliche Verbrennungsbetriebsverfahren unterschieden. Allgemein bekannt sind Fremdzündbetriebsverfahren, die mit einer Flammenfrontverbrennung arbeiten. Fremdzündbetriebsverfahren sind bei Ottomotoren üblich. Zu einem Zündzeitpunkt wird mit Hilfe einer Zündeinrichtung eine
Flammenfrontverbrennung gestartet. Dabei breitet sich die Flammenfront ausgehend vom Zündort räumlich im jeweiligen Brennraum aus. Im Unterschied dazu kommen
Selbstzündbetriebsverfahren grundsätzlich ohne Zündeinrichtung aus. Sie
charakterisieren sich in der Regel durch eine Raumzündverbrennung, bei welcher im Brennraum die Verbrennungsreaktion an vielen, räumlich verteilten Stellen gleichzeitig beginnt. Die Selbstzündbetriebsverfahren sind typisch für Dieselmotoren.
Während Dieselmotoren üblicherweise mager betrieben werden, erfolgt bei Ottomotoren die Gemischbildung regelmäßig stöchiometrisch. Es sind jedoch auch moderne
Fremdzündbetriebsverfahren für Ottomotoren bekannt, bei denen ebenfalls ein mageres Gemisch fremdgezündet wird. Bspw. kann mittels einer Schichtladung in Verbindung mit einer Direkteinspritzung ein mageres Gemisch gezündet werden.
Moderne Ottomotoren können zwischenzeitlich ebenfalls in einem
Selbstzündbetriebsverfahren betrieben werden. Problematisch ist bei Ottomotoren dabei, dass diese Selbstzündbetriebsverfahren nur bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen und/oder Lasten zuverlässig funktionieren. Bei höheren Lasten und/oder Drehzahlen werden die Selbstzündbetriebsverfahren instabil und zeigen eine signifikante
Klopfneigung.
Zur Stabilisierung der Selbstzündbetriebsverfahren ist es bei Ottomotoren grundsätzlich möglich, die Raumzündverbrennung mittels einer Fremdzündung zu initiieren, wodurch ein gewünschter Zündzeitpunkt realisiert werden kann. Durch Vorgabe der
Randbedingungen, wie Temperatur und Druck, kann mit Hilfe der Fremdzündung der für die sichere Selbstzündung erforderliche Rahmen geschaffen werden, sodass durch die Fremdzündung direkt die Randzündverbrennung ausgelöst werden kann.
Die Raumzündverbrennung hat gegenüber der Flammenfrontverbrennung einen verbesserten energetischen Wirkungsgrad.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Hybrid- Antriebsstrang bzw. für ein Hybrid-Fahrzeug bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen hohen energetischen Wirkungsgrad auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Verbrennungsmotor des Hybrid-Antriebsstrangs im Bereich kleinerer und mittlerer Drehzahlen und/oder Lasten mit einem NOx-armen Betriebsverfahren zu betreiben, das auf einer Raumzündverbrennung beruht, und in einem Bereich höherer Lasten in einem Fremdzündbetriebsverfahren zu betreiben, das auf einer Flammenfrontverbrennung beruht. Das NOx-arme
Betriebsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zu einem Zündzeitpunkt mittels einer Zündeinrichtung ein homogenes mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff sowie ggf. rückgeführtem Abgas fremdgezündet wird, um eine Flammenfrontverbrennung zu initiieren, wobei die Flammenfrontverbrennung ihrerseits eine Raumzündverbrennung initiiert. Beim NOx-armen Betriebsverfahren wird somit die Raumzündverbrennung zweifach getriggert, nämlich zunächst durch die Fremdzündung mittels der
Zündeinrichtung, wodurch die Flammenfrontverbrennung initiiert wird. Zum anderen erfolgt eine weitere Triggerung durch die Flammenfrontverbrennung, welche die
Raumzündverbrennung auslöst. Um durch die Fremdzündung die
Flammenfrontverbrennung auslösen zu können, die ihrerseits die Raumzündverbrennung auslöst, müssen im jeweiligen Brennraum die dafür erforderlichen Randbedingungen, wie Temperatur und Druck, geschaffen werden, was bei modernen Verbrennungsmotoren über geeignete Maßnahmen realisierbar ist.
Der NOx-arme Betrieb des Verbrennungsmotors zeichnet sich durch einen
vergleichsweise hohen energetischen Wirkungsgrad bei niedrigen Schadstoffemissionen, nämlich bei niedrigen NOx-Emissionen, aus. Allerdings ist die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors im NOx-armen Betrieb begrenzt. Für höhere Leistungen wird dann in den Fremdzündbetrieb gewechselt, bei dem zum jeweiligen Zündzeitpunkt ein homogenes stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Kraftstoff sowie ggf. rückgeführtem Abgas fremdgezündet wird, um eine Flammenfrontverbrennung auszulösen, die im Unterschied zum NOx-armen Betriebsverfahren nicht in eine Raumzündverbrennung übergeht. Hierfür werden die dazu erforderlichen Randbedingungen, wie Druck und/oder Temperatur, im jeweiligen Brennraum mittels geeigneter Maßnahmen geschaffen. Das Fremdzündbetriebsverfahren zeichnet sich durch eine höhere Leistungsabgabe aus. Hierfür muss jedoch eine Verschlechterung hinsichtlich Wirkungsgrad und Schadstoffemissionen in Kauf genommen werden.
Zweckmäßig erfolgt der Betrieb des Hybrid-Antriebsstrangs weitgehend im NOx-armen Betriebsverfahren, wobei dort eine Leistungsunterstützung durch den jeweiligen
Elektromotor realisierbar ist.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei welcher zum Wechseln vom NOx- armen Betriebsverfahren zum Fremdzündbetriebsverfahren ein Verdichtungsverhältnis reduziert wird. Bei einem als Kolbenmotor ausgestalteten Verbrennungsmotor versteht man unter dem Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des gesamten Brennraums vor der Verdichtung zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung. Demzufolge wird das Verdichtungsverhältnis als Quotient aus Kompressionsvolumen (verbleibender Raum nach der Verdichtung) und der Summe aus Hubvolumen (Differenz zwischen dem Volumen vor der Verdichtung und dem Volumen nach der Verdichtung) und
Kompressionsvolumen (Volumen nach der Verdichtung) berechnet.
Bei einem hohen Verdichtungsverhältnis kann das energetisch effiziente NOx-arme Betriebsverfahren auf Basis der Raumzündverbrennung realisiert werden. Das NOx-arme Betriebsverfahren ist jedoch gerade aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses auf kleinere Leistungen beschränkt, da bei höheren Leistungen Instabilitäten, wie Klopfen, auftreten. Reduziert man das Verdichtungsverhältnis gelangt man dagegen in den Bereich der üblichen fremdgezündeten Flammenfrontverbrennung, die auch bei hohen Lasten stabil ist, jedoch einen reduzierten Wirkungsgrad aufweist. Ein
Verbrennungsmotor, bei dem das Verdichtungsverhältnis einstellbar ist, kann mit einer entsprechenden Einrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses ausgestattet sein. Bspw. kann der Kolbenhub variierbar sein.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zum Wechseln vom NOx-armen Betriebsverfahren zum Fremdzündbetriebsverfahren Hübe von Gaswechselventilen hinsichtlich Amplitude und/oder Öffnungsdauer vergrößert werden. Um die für das NOx-arme Betriebsverfahren bzw. für das
Fremdzündbetriebsverfahren geeigneten Randbedingungen im jeweiligen Brennraum schaffen zu können, kann es erforderlich sein, die Gaswechselventile unterschiedlich anzusteuern, insbesondere um die Hübe hinsichtlich Amplitude und/oder
Öffnungszeitdauer zu verändern. Bspw. kann es ausgehend von Hüben der
Gaswechselventile, die für einen Fremdzündbetrieb geeignet sind, erforderlich sein, die Hübe hinsichtlich Amplitude und Öffnungszeitdauer zu verkleinern, um die für den NOx- armen Betrieb geeigneten Randbedingungen zu schaffen.
Ein Verbrennungsmotor, bei dem die Hübe der Gaswechselventile variierbar sind, kann bspw. mit einer Einrichtung zum Verstellen der Hübe der Gaswechselventile hinsichtlich Amplitude und/oder Öffnungszeitdauer ausgestattet sein.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen und/oder Leistungen quasi stationär betrieben wird. Der stationäre oder quasistationäre Betrieb des Verbrennungsmotors bei variierenden kleinen und mittleren Drehzahlen und/oder Lasten charakterisiert sich dadurch, dass der jeweilige Betriebspunkt des Verbrennungsmotors trotz variierender Drehzahlen und/oder Lasten nicht oder nur vergleichsweise geringfügig variiert, sodass der Verbrennungsmotor in besagtem Betriebspunkt quasi stationär betrieben wird. Insbesondere sind in diesem quasi stationären Betrieb des
Verbrennungsmotors nur vergleichsweise kleine Teilbereiche für Drehzahl und/oder Last einstellbar. Die Formulierung„klein" schließt dabei Variationen von maximal 20%, vorzugsweise von maximal 0%, der maximalen Bandbreite des jeweiligen Bereichs für die Drehzahlen bzw. für die Lasten ein. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb des Bereichs mit kleinen und mittleren Drehzahlen und/oder Lasten den Verbrennungsmotor stets in einem kraftstoffoptimierten Betriebszustand zu betreiben, wodurch der
Verbrennungsmotor einen besonders hohen energetischen Wirkungsgrad besitzt.
Überschreitet die geforderte Soll-Last die im Stationärbetrieb vom Verbrennungsmotor geleistete Ist-Last, kann die Soll-Ist-Differenz durch den wenigstens einen Elektromotor geliefert werden. Der jeweilige Elektromotor wird dabei aus einer Batterie des Hybrid- Antriebs gespeist.
Unterschreitet dagegen die geforderte Soll-Last die vom Verbrennungsmotor im
Stationärbetrieb geleistete Ist-Last, wird die Soll-Ist-Differenz durch den wenigstens einen Elektromotor abgebaut, der in diesem Fall als elektrischer Generator betrieben wird. Hierdurch ist es bspw. möglich, die zuvor genannte Batterie wieder aufzuladen.
Des Weiteren kann es dazu kommen, dass die geforderte Soll-Last die Ist-Last des Verbrennungsmotors im Stationärbetrieb überschreitet und dass außerdem die Soll-Ist- Differenz die Maximalleistung des wenigstens einen Elektromotors überschreitet. In diesem Fall wird dann vom Stationärbetrieb des NOx-armen Betriebsverfahrens in das Fremdzündbetriebsverfahren gewechselt, wobei im Fremdzündbetriebsverfahren der Verbrennungsmotor dann dynamisch betrieben werden kann. Durch den Dynamikbetrieb des Verbrennungsmotors im Fremdzündbetriebsverfahren kann der Verbrennungsmotor rasch an wechselnde Drehzahlen und Lasten adaptiert werden. Auch bei diesen hohen Lasten und Drehzahlen kann eine Leistungsunterstützung durch den jeweiligen
Elektromotor realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßer Hybrid-Antriebsstrang umfasst den Verbrennungsmotor und wenigstens einen Elektromotor sowie eine Batterie. Ferner umfasst der Hybrid- Antriebsstrang eine Steuerung, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das vorstehend beschriebene Betriebsverfahren durchführen kann.
Ein erfindungsgemäßes Hybrid-Fahrzeug, bei dem es sich vorzugsweise um ein
Straßenfahrzeug handeln kann, umfasst ein Chassis, insbesondere eine Karosserie bzw. einen Fahrzeugaufbau, in dem ein Hybrid-Antriebsstrang der vorstehend beschriebenen Art angeordnet ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Hybrid-
Fahrzeugs mit Hybrid-Antriebsstrang,
Fig. 2 ein Last-Drehzahl-Diagramm zur Veranschaulichung eines Betriebsverfahrens für den Hybrid-Antriebsstrang. Entsprechend Fig. 1 umfasst ein Hybrid-Fahrzeug 1 , bei dem es sich bevorzugt um ein Straßenfahrzeug handelt, ein Chassis 2 sowie einen Hybrid-Antriebsstrang 3. Es ist klar, dass für den Fall, dass es sich beim Fahrzeug 1 um ein Straßenfahrzeug handelt, das Chassis 2 ferner mit Rädern und dergleichen ausgestattet ist.
Der Hybrid-Antrieb 3 umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor 4 und wenigstens einen Elektromotor 5 sowie wenigstens eine Batterie 6, die mit dem wenigstens einen E- lektromotor 5 auf geeignete Weise verbunden ist. Die in Fig. 1 exemplarisch gezeigte Reihenanordnung von Verbrennungsmotor 4 und Elektromotor 5 kann auch durch eine Parallelanordnung oder durch eine beliebige andere Anordnung ersetzt werden. Insbesondere kann der jeweilige Elektromotor 5 auch als Nabenmotor konzipiert sein, der unmittelbar an einem Antriebsrad des Fahrzeugs 1 angeordnet sein kann.
Der Hybrid-Antriebsstrang 3 umfasst außerdem eine Steuerung 7, die abhängig von eingehenden Signalen den Verbrennungsmotor 4 und den Elektromotor 5 steuert. Dabei kann die Steuerung 7 zweckmäßig so konfiguriert sein, dass sie das nachfolgend in Verbindung mit dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm erläuterte Betriebsverfahren durchführen kann.
Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm zeigt auf der Abszisse die Drehzahl und auf der Ordinate die Last, die mit Hilfe des Verbrennungsmotors 4 realisierbar sind. Eine Kurve 8 gibt dabei einen Drehmomentverlauf wieder, der mit Hilfe eines NOx-armen Betriebsverfahrens realisierbar ist. Die damit erzielbaren Lasten liegen somit unterhalb dieses Verlaufs 8. Der dem NOx-armen Betriebsverfahren zugeordnete Bereich ist in Fig. 2 mit 9 bezeichnet. Mit unterbrochener Linie ist ein Verlauf 10 angedeutet, der die Leistung wiedergibt, die im Bereich 9 des NOx-armen Betriebsverfahrens realisierbar ist.
Oberhalb des Momentenverlaufs 8 ist parallel dazu ein paralleler Momentenverlauf 11 mit unterbrochener Linie dargestellt, der einen Grenzbereich wiedergibt und im Wesentlichen mit einer Klopfgrenze korreliert.
In Fig. 2 ist ferner ein Verlauf 12 wiedergegeben, der den Momentenverlauf des Verbrennungsmotors 4 in einem Fremdzündbetriebsverfahren wiedergibt. Das Fremdzündbe- triebsverfahren befindet sich dabei unterhalb dieses Momentenverlaufs 12 und oberhalb der Momentverläufe 8, 11 des NOx-armen Betriebsverfahrens. Der zugehörige Bereich ist in Fig. 2 mit 13 bezeichnet. Diesem Bereich 13 mit Fremdzündbetriebsverfahren ist außerdem eine Leistungskurve 14 zugeordnet, welche die erzielbare Leistung des Verbrennungsmotors 4 im Fremdzündbetriebsverfahren wiederspiegelt. Erkennbar unterscheiden sich die beiden Betriebsverfahren, nämlich das NOx-arme Betriebsverfahren des Bereichs 9 einerseits und das Fremdzündbetriebsverfahren des Bereichs 13 andererseits durch signifikant unterschiedliche Momentenverläufe 8, 11 bzw. 12 einerseits und unterschiedliche Leistungsverläufe 10 bzw. 14 andererseits.
Ein Pfeil 15 deutet eine Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses im jeweiligen Brennraum an, um vom Bereich 9 des NOx-armen Betriebsverfahrens zum Bereich 13 des Fremdzündbetriebsverfahrens zu gelangen. Ein Pfeil 16 deutet einen Wechsel vom NOx- armen Betriebsverfahren zum Fremdzündbetriebsverfahren an. Ein Pfeil 17 deutet einen Wechsel vom Fremdzündbetriebsverfahren zum NOx-armen Betriebsverfahren an.
Liegt die geforderte Leistung bzw. liegt die geforderte Last im Bereich 9 kleiner und mittlerer Drehzahlen bzw. Lasten wird der Verbrennungsmotor 4 mit dem NOx-armen Betriebsverfahren betrieben. In diesem Fall wird zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. ein homogenes Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ>1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors 4 mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet, wobei durch diese Fremdzündung eine Fiammenfrontverbrennung initiiert wird, die ihrerseits eine Raumzündverbrennung initiiert bzw. in eine Raumzündverbrennung übergeht.
Werden jedoch größere Drehzahlen und/oder Lasten bzw. Leistungen gefordert, die im Bereich 13 liegen, wird der Verbrennungsmotor 4 im Fremdzündbetriebsverfahren betrieben, bei dem zum jeweiligen Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. ein homogenes Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors 4 mittels der Zündvorrichtung fremdgezündet wird, wobei durch die Fremdzündung eine Fiammenfrontverbrennung initiiert wird, die nicht in eine Raumzündverbrennung übergeht.
Während des NOx-armen Betriebsverfahrens bzw. der NOx-armen Verbrennung (NAV) herrscht somit eine Verbrennung vor, die auf der Raumzündverbrennung basiert. Im Un- terschied dazu liegt bei dem Fremdzündbetriebsverfahren eine Verbrennung vor, die auf der Flammenfrontverbrennung basiert.
Um nun vom NOx-armen Betriebsverfahren gemäß dem Pfeil 16 zum Fremdzündbetriebsverfahren zu wechseln, kann die Steuerung 7 das Verdichtungsverhältnis gemäß dem Pfeil 15 reduzieren. Gleichzeitig kann die Steuerung 7 die Hübe von Gaswechselventilen hinsichtlich Amplitude und/oder Öffnungsdauer vergrößern. Hierdurch werden die Randbedingungen geschaffen, die für die Realisierung des Fremdzündbetriebsverfahrens erforderlich sind.
Soll umgekehrt vom Fremdzündbetriebsverfahren zum NOx-armen Betriebsverfahren gemäß dem Pfeil 17 gewechselt werden, wird das Verdichtungsverhältnis entsprechend erhöht und werden die Hübe der Gaswechselventile hinsichtlich Amplitude und/oder Öffnungsdauer entsprechend verkleinert, um so die Randbedingungen für das NOx-arme Betriebsverfahren zu schaffen.
Der Verbrennungsmotor 4 wird im Bereich 9 der kleinen und/oder mittleren Drehzahlen bzw. Lasten quasi stationär betrieben. Innerhalb dieses Bereichs 9 variiert der Verbrennungsmotor 4 hinsichtlich Drehzahl und/oder Last somit nur im Rahmen vergleichsweise kleiner Teilbereiche. Der quasi stationäre Betrieb des Verbrennungsmotors 4 in diesem Bereich 9 erfolgt dabei verbrauchsoptimiert.
Überschreitet während des NOx-armen Betriebsverfahrens die geforderte Soll-Last die aktuell vom Verbrennungsmotor 4 im besagten Stationärbetrieb geleistete Ist-Last, wird die Soll-Ist-Differenz durch den wenigstens einen Elektromotor 5 geliefert bzw. ausgeglichen. Hierbei wird der jeweilige Elektromotor 5 aus der Batterie 6 gespeist.
Überschreitet dagegen die geforderte Soll-Last im NOx-armen Betriebsverfahren die Ist- Last des Verbrennungsmotors 4 im Stationärbetrieb, wird die Soll-Ist-Differenz durch den als elektrischen Generator betriebenen Elektromotor 5 abgebaut. Hierbei kann die so gewonnene Elektrizität zum Laden der Batterie 6 genutzt werden.
Ein Wechsel vom NOx-armen Betriebsverfahren zum Fremdzündbetriebsverfahren findet insbesondere dann statt, wenn die geforderte Soll-Last die Ist-Last des Verbrennungsmotors im Stationärbetrieb überschreitet und wenn außerdem die Soll-Ist-Differenz die Ma- ximalleistung des wenigstens einen Elektromotors 5 überschreitet. Im Bereich 13, in dem das Fremdzündbetriebsverfahren durchgeführt wird, wird der Verbrennungsmotor 4 dynamisch betrieben, sodass er in großen Bereichen Laständerungen und Drehzahländerungen nachgeführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebsstrangs (3), der wenigstens einen Elektromotor (5) und einen Verbrennungsmotor (4) aufweist,
- bei dem in einem Bereich (9) kleiner und mittlerer Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungsmotor (4) mit einem NOx-armen Betriebsverfahren betrieben wird, bei dem zu einem Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ>1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors (4) mittels einer Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem eine durch die
Fremdzündung initiierte Flammenfrontverbrennung in eine
Raumzündverbrennung übergeht,
- bei dem in einem Bereich (13) größerer Drehzahlen und/oder Lasten der
Verbrennungsmotor (4) mit einem Fremdzündbetriebsverfahren betrieben wird, bei dem zu einem Zündzeitpunkt ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Kraftstoff-Abgas-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1 im jeweiligen Brennraum des Verbrennungsmotors (4) mittels der Zündvorrichtung fremdgezündet wird und bei dem durch die Fremdzündung eine
Flammenfrontverbrennung initiiert wird, die nicht in eine Raumzündverbrennung übergeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Wechseln vom NOx-armen Betriebsverfahren zum
Fremdzündbetriebsverfahren ein Verdichtungsverhältnis reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Wechseln von NOx-armen Betriebsverfahren zum
Fremdzündbetriebsverfahren Hübe von Gaswechselventilen hinsichtlich Amplitude und/oder Öffnungsdauer vergrößert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbrennungsmotor (4) im Bereich (9) kleiner und mittlerer Drehzahlen und/oder Lasten quasi stationär betrieben wird, sodass für den Verbrennungsmotor (4) insbesondere innerhalb des Bereichs (9) kleiner und mittlerer Drehzahlen und/oder Lasten nur vergleichsweise kleine Teilbereiche für Drehzahl und/oder Last einstellbar sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Fall, dass die geforderte Soll-Last die Ist-Last des Verbrennungsmotors (4) im Stationärbetrieb überschreitet, die Soll-Ist-Differenz durch den wenigstens einen Elektromotor (5) geliefert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Fall, dass die geforderte Soll-Last die Ist-Last des Verbrennungsmotors (4) im Stationärbetrieb unterschreitet, die Soll-Ist-Differenz durch den als elektrischen Generator betriebenen wenigstens einen Elektromotor (5) abgebaut wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Fall, dass die geforderte Soll-Last die Ist-Last des Verbrennungsmotor (4) im Stationärbetrieb überschreitet und dass die Soll-Ist-Differenz eine
Maximalleistung des wenigstens einen Elektromotors (5) überschreitet, vom NOx- armen Betriebsverfahren in das Fremdzündbetriebsverfahren gewechselt wird, wobei im Fremdzündbetriebsverfahren der Verbrennungsmotor (4) insbesondere dynamisch betrieben wird.
8. Hybrid-Antriebsstrang, insbesondere eines Fahrzeugs (1 ),
- mit wenigstens einem Verbrennungsmotor (4),
- mit wenigstens einem Elektromotor (5),
mit einer Steuerung (7) zum Betreiben des Hybrid-Antriebsstrangs (3) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Hybrid-Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug,
- mit einem Chassis (2),
- mit einem Hybrid-Antriebsstrang (3) nach Anspruch 8.
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