DE102007016551A1

DE102007016551A1 - Hybridantriebsstrang für einen Motorbetrieb mit Homogener Kompressionszündung

Info

Publication number: DE102007016551A1
Application number: DE102007016551A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Clarkston Holmes; Peter J. Bloomfield Hills Savagian; Mark A. Bloomfield Hills Theobald; Eric M. Royal Oak Rask
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: CN101054057A; CN101054057B; US7748481B2; US20070240920A1; DE102007016551B4

Abstract

Es ist ein Hybridantriebsstrang vorgesehen, der eine Brennkraftmaschine umfasst, die zum Betrieb in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung eingerichtet ist. Es sind ein Elektromotor und eine elektrische Speichereinrichtung in einer Parallel-Hybridkombination mit der Brennkraftmaschine vorgesehen. Ein Getriebe ist funktional mit der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor vorgesehen. Die Maschine kann in einem Zweitaktzyklus oder einem Viertaktzyklus arbeiten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Hybridantriebsstränge, die eine Zweitakt- oder Viertakt-Brennkraftmaschine aufweisen, die funktional mit einem Motor und einer Energiespeichereinrichtung in einer Hybridkombination mit der Brennkraftmaschine verbunden sind, so dass die Brennkraftmaschine über einen weiten Bereich der Last der Brennkraftmaschine ausschließlich oder primär in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung arbeiten kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viertakt- und Zweitakt-Brennkraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen fallen im Allgemeinen in eine von zwei Kategorien, nämlich Fremdzündungsmotoren und Kompressionszündungsmotoren. Traditionelle Fremdzündungsmotoren, wie etwa Benzinmotoren, funktionieren typischerweise, indem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in die Motorzylinder eingeleitet wird, welches dann verdichtet und durch eine Zündkerze gezündet wird. Traditionelle Kompressionszündungsmotoren, wie etwa Dieselmotoren, funktionieren typischerweise, indem ein unter Druck gesetzter Kraftstoff in die Motorzylinder in der Nähe des oberen Totpunktes (OT) des Verdichtungstaktes eingeleitet oder eingespritzt wird. Sowohl traditionelle Benzinmotor- als auch Dieselmotorverbrennung umfasst vorgemischte oder Diffusionsflammen, die durch Fluidmechaniken gesteuert sind. Jede Art von Motor hat Vor- und Nachteile.
In jüngster Zeit sind andere Arten von Verbrennungsmethodiken oder -konzepte für Brennkraftmaschinen eingeführt worden. Eines dieser Verbrennungskonzepte ist in der Technik als Motor mit homogener Kompressionszündung oder HCCI-Motor (HCCI von homogeneous charge compression ignition) bekannt. HCCI ist ein verteilter, flammenloser, gesteuerter Selbstzündungsverbrennungsprozess, der vielmehr durch Oxidationschemie als durch Fluidmechaniken gesteuert wird. Da HCCI ein verteilter, kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess ist, können HCCI-Motoren mit einem sehr verdünnten Kraftstoff/Luft-Gemisch, das eine relativ niedrige Spitzenverbrennungstemperatur aufweist, betrieben werden, wodurch geringe Niveaus von NOx-Emissionen gebildet werden. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch für eine HCCI-Verbrennung ist relativ homogen, und daher werden die örtlich fetten Zonen, die Rauch und Partikelemissionen bilden, beseitigt.
Bei mittlerer Motordrehzahl und -last kann rückgeführtes oder eingefangenes Abgas dazu verwendet werden, die Einlassladung zu erwärmen, um eine Selbstzündung zu fördern. Dieses Verfahren arbeitet jedoch bei oder in der Nähe von Leerlaufdrehzahlbedingungen und unter Leerlauflastbedingungen nicht zufrieden stellend. Bei oder in der Nähe der Leerlaufdrehzahl und -last kann es sein, dass es unzureichende Wärmeenergie in dem Abgas gibt, um die Einlassluft zum Ermöglichen einer stabilen Selbstzündung zu erwärmen. Infolgedessen ist unter der Leerlaufbedingung die Abweichung des Verbrennungsprozesses von Zyklus zu Zyklus zu hoch, um eine stabile Selbstzündungsverbrennung zu ermöglichen. Folglich ist eine der Hauptschwierigkeiten beim Betrieb eines HCCI-Motors gewesen, den Verbrennungsprozess richtig zu steuern, so dass eine robuste und stabile Verbrennung mit niedrigen Emissionen, einer optimalen Wärme freigaberate und geringem Geräusch über einen Bereich von Betriebsbedingungen erreicht werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Hybridantriebsstrang für ein Fahrzeug vorgesehen, der eine Brennkraftmaschine aufweist, die für einen Betrieb in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung ausgestaltet ist. Ebenso sind ein Motor und eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa ein Elektromotor und eine Batterie, in Hybridkombination mit der Brennkraftmaschine vorgesehen und in der Lage, das Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten ungeachtet des Betriebes der Brennkraftmaschine anzutreiben. Der Motor und die Energiespeichereinrichtung können während Zeiten niedriger Maschinenlast Leistung liefern, wenn ein stabiler Betrieb mit homogener Kompressionszündung schwierig aufrechtzuerhalten ist. Ein Getriebe ist funktional mit der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor verbunden. Das Getriebe kann einen oder zwei Motoren anwenden, um zu ermöglichen, dass das Getriebe in einem stufenlos verstellbaren Betriebsmodus arbeiten kann.
Die Brennkraftmaschine kann ein Zweitaktmotor sein, der einen Zylinderblock aufweist, der eine Zylinderbohrung definiert. Es kann ein Einlasskanal vorgesehen sein, um Einlassluft in die Zylinderbohrung einzulassen, und ein Auslasskanal, um Abgas aus der Zylinderbohrung zu transportieren. Ein Kolben ist in der Zylinderbohrung zwischen der Position eines oberen Totpunktes und der Position eines unteren Totpunktes hin- und hergehend umsetzbar, wobei der Kolben betreibbar ist, um die Einlass- und Auslasskanäle selektiv zu versperren. Ein Kraftstoffeinspritzventil kann eingerichtet sein, um Kraftstoff direkt in die Zylinderbohrung zur Verbrennung mit der Einlassluft einzuspritzen. Ein Controller kann funk tional mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden und eingerichtet sein, um den Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung zu bewirken.
Die Brennkraftmaschine kann ein Viertaktmotor sein, der einen Zylinderblock aufweist, der eine Zylinderbohrung definiert. Es kann ein Einlasskanal zum Einlassen von Einlassluft in die Zylinderbohrung und ein Einlassventil, das betreibbar ist, um die Einlassluft selektiv von dem Einlasskanal zu der Zylinderbohrung zu transportieren, vorgesehen sein. Es kann auch ein Auslasskanal zum Transportieren von Abgas aus der Zylinderbohrung und ein Auslassventil, das betreibbar ist, um das Abgas aus der Zylinderbohrung zu dem Auslasskanal zu transportieren, vorgesehen sein. Ein Kolben ist in der Zylinderbohrung zwischen der Position eines oberen Totpunktes und der Position eines unteren Totpunktes hin- und hergehend umsetzbar. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann eingerichtet sein, um Kraftstoff direkt in die Zylinderbohrung zur Verbrennung mit der Einlassluft einzuspritzen. Darüber hinaus kann ein Controller funktional mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden und eingerichtet sein, um den Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung zu bewirken.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung genommen werden, deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansicht (nicht maßstäblich) eines Fahrzeugantriebsstrangs mit einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, die im Teilquerschnitt gezeigt ist, welcher eingerichtet ist, in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI) zu arbeiten und der eine Hybridkombination mit einem Elektromotor und einem Getriebe ist; und
2 ist eine schematische Seitenansicht (nicht maßstäblich) eines Fahrzeugantriebsstrangs mit einer Viertakt-Brennkraftmaschine, die im Teilquerschnitt gezeigt ist, welche eingerichtet ist, in dem HCCI-Betriebsmodus zu arbeiten und der eine Hybridkombination mit dem Elektromotor und dem Getriebe von 1 ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Hybridantriebsstrang 10 schematisch dargestellt. Der Hybridantriebsstrang 10 umfasst eine Zweitakt-Brennkraftmaschine 12, einen Motor, wie etwa einen Elektromotor 14, und ein Getriebe 16. Die Zweitakt-Brennkraftmaschine 12 umfasst eine Kurbelwelle 18, die mit dem Getriebe 16 und dem Elektromotor 14 funktional verbunden ist, so dass die Zweitakt-Brennkraftmaschine 12 und der Elektromotor 14 in einer Parallel-Hybridkombination vorliegen. Die Zweitakt-Brennkraftmaschine 12 ist in einem Betriebsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder homogener Kompressionszündung (HCCI von homogeneous Charge compression ignition) betreibbar.
Die Zweitakt-Brennkraftmaschine 12 umfasst ein Zylindergehäuse oder einen Zylinderblock 20, der ein Kurbelgehäusevolumen 22 definiert. Der Zylinderblock 20 definiert darüber hinaus eine Zylinderbohrung 24, in der ein Kolben 26 hin- und herbeweglich ist. Der Kolben 26 ist an einer Pleuelstange 28 montiert, die wiederum an der Kurbelwelle 18 montiert ist, um eine Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung 24 zwischen einer Position eines unteren Totpunktes oder UT und einer Position eines oberen Totpunktes oder OT bereitzustellen. Die Kurbelwelle 18 ist zumindest teilweise in dem Kurbelgehäusevolumen 22 angeordnet und von dem Zylinderblock 20 drehbar gelagert. Der Kolben 26, die Pleuelstange 28 und die Kurbelwelle 18 arbeiten gemeinsam, um die Hin- und Herbewegung des Kolbens 26 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 18 umzuwandeln. Ein Zylinderkopf 32 ist in Bezug auf den Zylinderblock 20 abnehmbar montiert und arbeitet, um ein Ende der Zylinderbohrung 24 zu verschließen. Der Kolben 26, die Zylinderbohrung 24 und der Zylinderkopf 32 arbeiten zusammen, um eine Brennkammer 34 mit variablem Volumen zu bilden. Eine Kammer 36 mit variablem Volumen ist auf der Seite des Kolbens 26 gegenüber der Brennkammer 34 mit variablem Volumen vorgesehen und ist durch den Kolben 26, die Zylinderbohrung 24 und einen Wandabschnitt 38 des Zylinderblocks 20 definiert. Der Wandabschnitt 38 trennt im Wesentlichen die Kammer 36 mit variablem Volumen von dem Kurbelgehäusevolumen 22. Eine Durchbrechung 40 ist durch den Wandabschnitt 38 definiert und eingerichtet, die Pleuelstange 28 dort hindurch aufzunehmen.
Der Zylinderblock 20 definiert einen Einlasskanal 42, einen Auslasskanal 44 und einen Übertragungskanal 46. Der Einlasskanal 42 arbeitet, um selektiv Einlassluft 48 von einem Einlasskrümmer 50 zu der Kammer 36 mit variablem Volumen zu transportieren. Der Übertragungskanal 46 arbeitet, um selektiv Einlassluft 48 von der Kammer 36 mit variablem Volumen zu der Brennkammer 34 mit variablem Volumen zu transportieren. Zusätzlich arbeitet der Auslasskanal 44, um Verbrennungsprodukte oder Abgase 52 aus der Brennkammer 34 mit variablem Volumen selektiv zu einem Auslasskrümmer 54 für die anschließende Freigabe an die Atmosphäre zu transportieren. Der Kolben 26 arbeitet, um den Einlasskanal 42, den Auslasskanal 44 und den Übertragungskanal 46 selektiv zu versperren, wenn sich der Kolben 26 in der Zylinderbohrung 24 hin- und herbewegt.
Eine Zündvorrichtung oder Zündkerze 56 und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 58 sind zumindest teilweise in dem Zylinderkopf 32 vorgesehen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist eingerichtet und positioniert, um Kraftstoff 60, von einer Druckkraftstoffquelle 62 direkt in die Brennkammer 34 mit variablem Volumen einzuspritzen. Alternative Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien, wie etwa Einlasskanal-Kraftstoffeinspritzung und Drosselkörper-Kraftstoffeinspritzung, können auch in Verbindung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet werden; jedoch ist der bevorzugte Ansatz die Direkteinspritzung. Während weitläufig verfügbare Qualitäten von Benzin und dessen leichten Ethanolmischungen bevorzugte Kraftstoffe sind, können bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung ähnlich alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie höhere Ethanolmischungen (E80, E85 usw.), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Syngase, usw., ebenfalls verwendet werden. Die Zündkerze 56 erstreckt sich durch den Zylinderkopf 32 zu der Brennkammer 34 mit variablem Volumen und arbeitet, um eine Zündquelle für ein Gemisch von Kraftstoff 60 und Einlassluft 48 in der Brennkammer 34 mit variablem Volumen während des Fremdzündungsbetriebes der Brennkraftmaschine 12 bereitzustellen.
Wenn sich der Kolben aus der OT-Position in die UT-Position in der Zylinderbohrung 24 bewegt, werden der Auslasskanal 44 und der Durchgang 64 des Übertragungskanals 46 durch den Kolben 26 freigegeben. Zusätzlich wird das Volumen der Kammer 36 mit variablem Volumen abnehmen, wodurch darin enthaltene Einlassluft 48 in den Übertragungskanal 46 über den Durchgang 66 gedrückt wird. Die Einlassluft 48 tritt in die Brennkammer 34 mit variablem Volumen mit einem ausreichenden Moment ein, um Abgase 52 in den Auslasskanal 44 zu drücken und somit eine Abgasspülung zu bewirken. Ein Reedventil 68 ist zwischen dem Einlasskrümmer 50 und dem Einlasskanal 42 vorgesehen und arbeitet, um die Strömung der Einlassluft 48 aus der Kammer 36 mit variablem Volumen in den Einlasskrümmer 50 während des Hubes des Kolbens 26 nach unten zu sperren.
Wenn sich der Kolben 26 aus der UT-Position in die OT-Position bewegt, werden der obere Durchgang 64 des Übertragungskanals 46 und der Auslasskanal 44 durch den Kolben 26 versperrt, so dass das Gemisch aus Einlassluft 48 und Kraftstoff 60 in der Brennkammer 34 mit variablem Volumen verdichtet wird, um Bedingungen zu erzeugen, die für eine Verbrennung darin günstig sind. Der in der Kammer 36 mit variablem Volumen während des Aufwärtshubes des Kolbens 26 geschaffene Unterdruck wird Einlassluft 48 durch das Reedventil 68 und in die Kammer 36 mit variablem Volumen drücken.
Im Betrieb arbeitet die Brennkraftmaschine 12 während leichter bis mittlerer Maschinenlasten in einem HCCI-Verbrennungsmodus, wobei Kraftstoff 60 früher eingespritzt wird, als es üblich ist, um ein adäquates Vormischen von Kraftstoff 60 und Einlassluft 48 zu ermöglichen. Dieses Kraftstoffeinspritzereignis tritt auf, geringfügig nachdem der Kolben 26 seine Bewegung von der UT-Position in die OT-Position beginnt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge liefert ein ausreichend überstöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis, so dass eine vorzeitige Selbstzündung des Gemischs im Wesentlichen vermieden wird. Wenn sich der Kolben 26 näher zu dem OT bewegt, wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff durchgeführt. Diese zweite Einspritzung arbeitet, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 34 mit variablem Volumen fetter zu machen und somit zuzulassen, dass eine Selbstzündung auftreten kann. Fachleute werden andere Kraftstoffeinspritzstrategien erkennen, die in der Lage sind, den HCCI-Betriebsmodus zu ermöglichen, einschließich das Verändern der Kraftstoffeinspritzzeiten sowie die Verringerung oder Erhöhung der Menge von eingespritztem Kraftstoff und die Anzahl von Kraftstoffeinspritzereignissen. Der HCCI-Betriebsmodus ist im Allgemeinen als gesteuerter Selbstzündungsprozess mit einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis charakterisiert. Der HCCI-Verbrennungsprozess zeichnet sich darüber hinaus durch das Fehlen eines durch die Zündkerze 56 gelieferten Funkens zur Einleitung der Verbrennung des Gemischs aus Einlassluft 48 und Kraftstoff 60 aus. Bei sehr leichten Maschinenlasten und hohen Maschinenlasten kann es sein, dass die HCCI-Verbrennung instabil wird, was zu einem rauen Maschinenbetrieb führt. Bei höheren Maschinenlasten kann es vorteilhaft sein, die Brennkraftmaschine 12 in einem fremdgezündeten Betriebsmodus zu betreiben, wobei die Gesamtmenge an Kraftstoff 60 in die Brennkammer 34 mit variablem Volumen eingespritzt wird. Anschließend wird das Gemisch aus Einlassluft 48 und Kraftstoff 60 durch den Kolben 26 verdichtet und über einen durch die Zündkerze 56 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eingeleiteten Zündfunken gezündet.
Ein elektronisches Steuermodul oder Controller 70 ist vorzugsweise ein programmierbarer digitaler Computer, der die Standardelemente einer zentralen Verarbeitungseinheit, eines Direktzugriffsspeichers, eines Nurlesespeichers, eines Analog/Digital-Wandlers, einer Eingabe/Ausgabe-Schaltung und einer Taktschaltung umfasst. Der Controller 70 ist geeig net, Informationen hinsichtlich verschiedener Maschinenparameter von verschiedenen mit der Maschine verbundenen Sensoren, die nicht gezeigt sind, zu empfangen. Bei Empfang derartiger Informationen führt der Controller 70 erforderliche Berechnungen durch und liefert Ausgangssignale, die zu verschiedenen Betriebssystemen übertragen werden, die den Betrieb der Brennkraftmaschine 12 beeinflussen. Der Controller 70 ist eingerichtet, Befehlssignale an die Zündkerze 56 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 58 zu liefern.
Der Elektromotor 14 ist funktional mit einer Energiespeichereinrichtung, wie etwa einer Batterie 72 verbunden, die selektiv Energie zu dem Elektromotor 14 überträgt, so dass der Elektromotor 14 zur Leistungsabgabe des Betriebes 16 beiträgt. Zusätzlich ist der Elektromotor 14 betreibbar, um einen Antrieb eines Fahrzeugs, das mit einem Hybridantriebsstrang ausgestattet ist, bei niedriger Geschwindigkeit ungeachtet des Betriebes der Brennkraftmaschine 12 zu bewirken. Das Getriebe 16 ist vorzugsweise ein stufenloses Getriebe. Genauer ist das Getriebe 16, das in 1 dargestellt ist, ein elektrisch verstellbares Getriebe (EVT von electrically variable transmission). Dementsprechend umfasst das Getriebe 16 einen zweiten Elektromotor 74, eine Antriebswelle 76, die mit der Kurbelwelle 18 für eine Drehung als eine Einheit damit verbunden ist, eine Abtriebswelle 78 und eine Differenzialzahnradanordnung 80. Die Differenzialzahnradanordnung 80 ist funktional mit den Elektromotoren 14, 74, der Antriebswelle 76 und der Abtriebswelle 78 verbunden. Der Controller 70 ist funktional mit der Batterie 72 und den Elektromotoren 14 und 74 verbunden, um die Drehzahl der Elektromotoren 14, 74 und dadurch das Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle 76 und der Abtriebswelle 78 zu steuern. Ein beispielhaftes EVT ist in U.S. Patent Nr. 6,527,658 beschrieben, das am 4. März 2003 für Holmes et al. erteilt wurde, dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist.
Das Getriebe 16 hat vorzugsweise einen ersten Betriebsmodus, in dem einer der Elektromotoren 14 oder 74 es ermöglicht, dass das Getriebe 16 das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe 16 stufenlos verändern kann, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem zwei Elektromotoren 14 und 74 verwendet werden, um das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe 16 stufenlos zu verändern. Fachleute werden erkennen, dass eng beabstandete Übersetzungsverhältnisse mit fester Stufe, wie etwa Stufen von 1, 4 oder weniger, mit der vorliegenden Erfindung anstelle eines stufenlosen Betriebsmodus verwendet werden können.
In 2, in der gleiche Bezugszeichen gleichen Bauteilen von 1 entsprechen, ist schematisch ein Hybridantriebsstrang gezeigt, der allgemein mit 10' angegeben ist. Der Hybridantriebsstrang 10' umfasst eine Viertakt-Brennkraftmaschine 82, den Elektromotor 14 und das Getriebe 16. Die Viertakt-Brennkraftmaschine 82 umfasst eine Kurbelwelle 84, die funktional mit dem Getriebe 16 und dem Elektromotor 14 verbunden ist, so dass die Viertakt-Brennkraftmaschine 82 und der Elektromotor 14 in einer Parallel-Hybridkombination vorliegen. Die Viertakt-Brennkraftmaschine 82 ist eingerichtet, zumindest über einen Teil des Betriebsbereiches der Viertakt-Brennkraftmaschine 82 in dem HCCI-Betriebsmodus zu arbeiten.
Die Viertakt-Brennkraftmaschine 82 umfasst ein Zylindergehäuse oder einen Zylinderblock 86, der ein Kurbelgehäusevolumen 88 definiert. Der Zylinderblock 86 definiert darüber hinaus eine Zylinderbohrung 90, in der ein Kolben 92 hin- und herbeweglich ist. Der Kolben 92 ist an einer Pleuelstange 94 montiert, die an der Kurbelwelle 84 montiert ist, um eine Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung 90 zwischen der UT-Position und der OT-Position bereitzustellen. Die Kurbelwelle 84 ist zumindest teilweise in dem Kurbelgehäusevolumen 88 angeordnet und von dem Zylinderblock 86 drehbar gelagert. Der Kolben 92, die Pleuelstange 94 und die Kurbelwelle 84 arbeiten gemeinsam, um die Hin- und Herbewegung des Kolbens 92 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 84 umzuwandeln. Ein Zylinderkopf 96 ist abnehmbar in Bezug auf den Zylinderblock 86 montiert und arbeitet, um ein Ende der Zylinderbohrung 90 zu verschließen. Der Kolben 92, die Zylinderbohrung 90 und der Zylinderkopf 96 arbeiten zusammen, um eine Brennkammer 98 mit variablem Volumen zu bilden.
Der Zylinderkopf 96 definiert einen Einlasskanal 100 und einen Auslasskanal 102. Der Einlasskanal 100 arbeitet, um Einlassluft 48 in einem Einlasskrümmer 104 zu einem Einlassventil 106 zu transportieren. Das Einlassventil 106 ist in dem Zylinderkopf 96 verschiebbar angeordnet und arbeitet, um die Einlassluft 48 selektiv in die Brennkammer 98 mit variablem Volumen einzuleiten. Ein Auslassventil 108 ist in dem Zylinderkopf 96 verschiebbar angeordnet und arbeitet, um Abgas 52 aus der Brennkammer 98 mit variablem Volumen selektiv in den Auslasskanal 102 einzuleiten. Ein Abgaskrümmer 110 ist in Bezug auf den Zylinderkopf 96 montiert und arbeitet, um Abgas 52 aus dem Auslasskanal 102 zu dem Rest des Fahrzeugabgassystems, nicht gezeigt, zur anschließenden Freigabe an die Atmosphäre zu transportieren. Ein Abgasrückführsystem oder AGR-System 112 kann vorgesehen sein, um einen Bruchteil des Abgases 52 als AGR-Gas 113 zu dem Einlasskrümmer 104 über einen AGR-Kanal 114 zurückzuführen. Der Massendurchsatz von AGR-Gas 113 kann von einem hochtemperaturbeständigen Ventil 116 selektiv und variabel gesteuert werden. Fachleute werden erkennen, dass die Einleitung von AGR-Gas 113 in den Einlasskrümmer 48 arbeiten kann, um Stickoxidemissionen, oder NOx-Emissionen, zu vermindern und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Zusätzlich kann AGR-Gas 113 eine Maßnahme für die Stabilität der Brennkraftmaschine 82 liefern, wenn diese in dem HCCI- Betriebsmodus arbeitet, indem die Einlassluft 48 vor dem Eintritt in die Brennkammer 98 mit variablem Volumen erwärmt wird, wodurch die Selbstzündung gefördert wird.
Eine Zündvorrichtung oder Zündkerze 118 und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 120 sind zumindest teilweise in dem Zylinderkopf 96 vorgesehen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 120 ist eingerichtet und positioniert, um Kraftstoff 60 von der Druckkraftstoffquelle 62 direkt in die Brennkammer 98 mit variablem Volumen einzuspritzen. Alternative Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien, wie etwa Einlasskanal-Kraftstoffeinspritzung und Drosselkörper-Kraftstoffeinspritzung, können ebenfalls in Verbindung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet werden, jedoch ist der bevorzugte Ansatz die Direkteinspritzung. So wie es vorstehend besprochen wurde, können, obwohl weitläufig verfügbare Qualitäten von Benzin und dessen Ethanolmischungen bevorzugte Kraftstoffe sind, bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie etwa höhere Ethanolmischungen (E80, E85, usw.), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Syngase, usw. verwendet werden. Die Zündkerze 118 erstreckt sich durch den Zylinderkopf 96 zu der Brennkammer 98 mit variablem Volumen und arbeitet, um während des Fremdzündungsbetriebes der Viertakt-Brennkraftmaschine 82 eine Zündquelle für das Gemisch aus Kraftstoff 60 und Einlassluft 48 in der Brennkammer 98 mit variablem Volumenbereitzustellen.
Fachleute werden erkennen, dass die Kurbelwelle 84 der Viertakt-Brennkraftmaschine 82 während jedes Taktes der Brennkraftmaschine durch zwei Umdrehungen oder 720 Grad rotiert. Das heißt der Kolben 92 in der Viertakt-Brennkraftmaschine 82 wird sich von der OT-Position zu der UT-Position in dem so genannten Einlasstakt bewegen, in dem Einlassluft 48, Kraftstoff 60 und/oder AGR-Gas 113 in die Brennkammer 98 mit variablem Volumen eingeleitet wird. Während des Verdichtungstaktes wird sich der Kolben 92 aus der UT-Position in die OT-Position bewegen, wobei das Gemisch aus Kraftstoff 60, Einlassluft 48 und/oder AGR-Gas 113 verdichtet wird, um günstige Bedingungen zur Verbrennung zu schaffen. Anschließend wird sich der Kolben 92 während des Arbeits- oder Ausstoßtaktes aus der OT-Position in die UT-Position bewegen. Während des Ausstoßtaktes drängen sich schnell ausdehnende Verbrennungsgase den Kolben 92 nach unten, um Leistung zu erzeugen. Die Abgase 52 werden aus der Brennkammer 98 mit variablem Volumen gedrückt, wenn sich der Kolben 92 aus der UT-Position in die OT-Position bewegt, was üblicherweise als der Ausstoßtakt bezeichnet wird.
Im Betrieb arbeitet die Viertakt-Brennkraftmaschine 82 während leichter bis mittlerer Maschinenlasten in dem HCCI-Verbrennungsmodus, wobei eine vorbestimmte Menge Kraftstoff 60 früher als üblich eingespritzt wird, um ein angemessenes Vormischen von Kraftstoff 60 und Einlassluft 48 zuzulassen. Dieses Kraftstoffeinspritzereignis tritt üblicherweise früh in dem Einlasstakt auf. Die eingespritzte Menge an Kraftstoff 60 liefert ein überstöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis, so dass eine vorzeitige Selbstzündung des Gemischs aus Einlassluft 48 und Kraftstoff 60 im Wesentlichen vermieden wird. Wenn sich der Kolben 92 in Richtung OT des Verdichtungstaktes bewegt, wird eine zweite Einspritzung von Kraftstoff 60 durchgeführt. Dieses zweite Einspritzereignis arbeitet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 98 mit variablem Volumen fetter zu machen und somit eine Selbstzündung zuzulassen. Fachleute werden andere Kraftstoffeinspritzstrategien erkennen, die in der Lage sind, einen HCCI-Betriebsmodus zu ermöglichen, einschließlich das Verändern der Kraftstoffeinspritzzeiten sowie das Verringern oder Erhöhen der eingespritzten Kraftstoffmenge und die Anzahl von Kraftstoffeinspritzereignis sen. Der HCCI-Betriebsmodus ist im Allgemeinen als ein gesteuerter Selbstzündungsprozess mit einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis charakterisiert. Der HCCI-Verbrennungsprozess zeichnet sich darüber hinaus durch das Fehlen eines von der Zündkerze 118 gelieferten Zündfunkens zum Einleiten einer Verbrennung des Gemischs aus Einlassluft 48 und Kraftstoff 60 aus. Bei sehr leichten Maschinenlasten kann es sein, dass die HCCI-Verbrennung instabil wird. Es kann eine Menge von AGR-Gas 113 in den Einlasskrümmer 48 eingeleitet werden, um die Einlassluft 48 zu erwärmen, wodurch eine Selbstzündung unterstützt wird.
Während hoher Maschinenlasten kann es sein, dass die HCCI-Verbrennung instabil wird, was zu einem rauen Betrieb der Maschine führt. Bei höheren Maschinenlasten kann es vorteilhaft sein, die Brennkraftmaschine 82 in einem fremdgezündeten Betriebsmodus zu betreiben, in dem die Gesamtmenge an Kraftstoff 60 in die Brennkammer 98 mit variablem Volumen eingespritzt wird. Die Einlassluft 48 und der Kraftstoff 60 werden dann durch den Kolben 92 verdichtet und über einen durch die Zündkerze 118 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eingeleiteten Zündfunken gezündet. Der Controller 70 ist eingerichtet, um der Zündkerze 118 und der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 120 Befehlssignale zu liefern. Zusätzlich ist der Controller 70 eingerichtet, um Befehlssignale zum Steuern des Ventils 116 bereitzustellen.
Die Komponenten und die Funktionalität des Getriebes 16 von 2 wurden vorstehend anhand von 1 besprochen. Wie es früher festgestellt wurde, tritt der HCCI-Betriebsmodus im Allgemeinen in einem begrenzten Bereich der Maschinenlast auf. Daher wird das Bereitstellen des Getriebes 16, das entweder variable oder eng beabstandete feste Übersetzungsverhältnisse oder eine Kombination davon aufweist, in Kombination mit Elektromotoren 14 und 74, und der Batterie 72 zulassen, dass die Brennkraftmaschine 12 oder 82 die HCCI-Verbrennung aufrechterhält, während der Betrieb des Fahrzeugs variiert. Die Batterie 72 und die Elektromotoren 14 und 74 wirken, um die Leistungslast auf der Maschine auszugleichen, während die Differenzialzahnradanordnung 80 in dem Getriebe 16 arbeitet, um die Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine 12 oder 82 in einem schmalen Betriebsbereich aufrechtzuerhalten oder die Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine 12 oder 82 zu verändern, um den HCCI-Betriebsmodus für ein gegebenes Maschinenleistungsniveau zu optimieren.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Einzylinder-Brennkraftmaschinen 12 und 82 beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf Maschinen mit mehreren Zylindern, wie etwa jene, die 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder auch 16 Zylinder aufweisen, anwendbar ist. Zusätzlich beschrieb die vorstehende Beschreibung sowohl eine Zweitakt- als auch eine Viertakt-Brennkraftmaschine 12 bzw. 82, die in einem fremdgezündeten Betriebsmodus betreibbar sind. Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf Brennkraftmaschinen angewandt werden kann, die rein in Kompressionszündungsmodi arbeiten, wie etwa Dieselmotoren, während sie im beanspruchten Schutzumfang bleiben. Als solche wären die Zündvorrichtungen 56 und 118 Glühkerzen anstelle von Zündkerzen. Zusätzlich können Einlassluftheizungen vorgesehen sein, um bei der Verbrennung des kompressionsgezündeten Motors zu helfen. Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Hybridantriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend: eine Brennkraftmaschine, die für einen Betrieb in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung eingerichtet ist, wobei die Brennkraftmaschine umfasst: eine Kammer mit variablem Volumen zum Komprimieren eines Gemischs aus zumindest Einlassluft und Kraftstoff; einen Kolben, der zumindest teilweise die Kammer mit variablem Volumen definiert; eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, den Kraftstoff direkt in die Kammer mit variablem Volumen zur Verbrennung mit der Einlassluft einzuspritzen; eine Zündvorrichtung in direkter Verbindung mit der Kammer mit variablem Volumen zum Einleiten einer Verbrennung des Gemischs; einen Controller, der funktional mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden und eingerichtet ist, den Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung zu bewirken; einen ersten Motor und eine Energiespeichereinrichtung in Hybridkombination mit der Brennkraftmaschine, die eingerichtet sind, den Antrieb des Fahrzeugs bei niedrigen Geschwindigkeiten unter Ausschluss des Betriebes der Brennkraftmaschine selektiv zu bewirken; und ein Getriebe, das funktional mit der Brennkraftmaschine und dem ersten Motor verbunden ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei sich das Getriebe durch ein stufenlos verstellbares Drehzahlverhältnis zwischen der Brennkraftmaschine und der Abtriebsdrehzahl des Getriebes auszeichnet.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 2, wobei der erste Motor ein Elektromotor ist, wobei der Elektromotor eingerichtet ist, das stufenlos verstellbare Drehzahlverhältnis zu ermöglichen.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen zweiten Motor; wobei der erste und zweite Motor jeweils ein Elektromotor sind; und wobei das Getriebe ein elektrisch verstellbares Getriebe ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 4, wobei das elektrisch verstellbare Getriebe in mehreren Modi betreibbar ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Getriebe sich durch aufeinander folgende Übersetzunghsverhältnisse in Stufen von einem Mittelwert von 1,4 oder weniger über den Betriebsübersetzungsverhältnisbereich des Getriebes auszeichnet.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine eine Zweitakt-Brennkraftmaschine ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine eine Viertakt-Brennkraftmaschine ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8, wobei die Viertakt-Brennkraftmaschine ferner ein Abgas-Rückführsystem umfasst, das betreibbar ist, um rückgeführtes Abgas zu der Brennkammer mit variablem Volumen zu transportieren.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Zündvorrichtung eine Zündkerze ist, wobei die Zündkerze eingerichtet ist, einen Betrieb der Brennkraftmaschine in einem fremdgezündeten Betriebsmodus zu ermöglichen.
Antriebsstrang, umfassend: eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, die in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung betreibbar ist, mit einer Zylinderbohrung, die durch einen Zylinderblock definiert ist, einem Einlasskanal zum Einlassen von Einlassluft in den Zylinder, einem Auslasskanal zum Transportieren von Abgasen aus der Zylinderbohrung, einem Kolben, der in dem Zylinder zwischen einer Position eines oberen Totpunktes und einer Position eines unteren Totpunktes hin- und hergehend umsetzbar ist, wobei der Kolben betreibbar ist, um die Einlass- und die Auslasskanäle selektiv zu verschließen, einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, Kraftstoff direkt in die Zylinderbohrung zur Verbrennung mit der Einlassluft einzuspritzen, und einen Controller, der funktional mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden und eingerichtet ist, um den Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung zu bewirken; einen Elektromotor und eine elektrische Speichereinrichtung in Hybridkombination mit der Zweitakt-Brennkraftmaschine; und ein Getriebe, das mit der Zweitakt-Brennkraftmaschine und dem Elektromotor funktional verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei das Getriebe sich durch ein stufenlos verstellbares Drehzahlverhältnis auszeichnet.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei die Zweitakt-Brennkraftmaschine eine Zündkerze umfasst, die eingerichtet ist, einen Betrieb in einem fremdgezündeten Betriebsmodus zu ermöglichen.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei die elektrische Speichereinrichtung eine Batterie ist.
Antriebsstrang, umfassend: eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, die in einem Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung betreibbar ist, mit einer Zylinderbohrung, die durch einen Zylinderblock definiert ist, einem Einlasskanal zum Einlassen von Einlassluft in den Zylinder, einem Einlassventil, das betreibbar ist, um die Einlassluft selektiv aus dem Einlasskanal zu der Zylinderbohrung zu transportieren, einem Auslasskanal zum Transportieren von Abgasen aus der Zylinderbohrung, einem Auslassventil, das betreibbar ist, um das Abgas selektiv aus der Zylinderbohrung zu dem Auslasskanal zu transportieren, einem Kolben, der in dem Zylinder zwischen einer Position eines oberen Totpunktes und einer Position eines unteren Totpunktes hin- und hergehend umsetzbar ist, einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, Kraftstoff direkt in die Zylinderbohrung zur Verbrennung mit der Einlassluft einzuspritzen, und einen Controller, der funktional mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden und eingerichtet ist, den Betriebsmodus mit homogener Kompressionszündung zu bewirken; einen Elektromotor und eine elektrische Speichereinrichtung in Hybridkombination mit der Zweitakt-Brennkraftmaschine; und ein Getriebe, das funktional mit der Zweitakt-Brennkraftmaschine und dem Elektromotor verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 15, wobei sich das Getriebe durch ein stufenlos verstellbares Drehzahlverhältnis auszeichnet.
Antriebsstrang nach Anspruch 15, wobei die Viertakt-Brennkraftmaschine eine Zündkerze umfasst, die eingerichtet ist, einen Betrieb in einem fremdgezündeten Betriebsmodus zu ermöglichen.
Antriebsstrang nach Anspruch 16, wobei die elektrische Speichereinrichtung eine Batterie ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 15, wobei die Viertakt-Brennkraftmaschine ferner einen Zylinderkopf umfasst, der an dem Zylinderblock montiert ist, wobei der Einlasskanal und/oder der Auslasskanal zumindest teilweise durch den Zylinderkopf definiert sind.