DE102019214703A1

DE102019214703A1 - Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündvorrichtung

Info

Publication number: DE102019214703A1
Application number: DE102019214703.8A
Authority: DE
Inventors: Sven Brannys; Sebastian Gehrke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Ein Hybridfahrzeug 2 weist einen vollhybriden Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor 2 und einem elektrischen Traktionsmotor 24, 27 auf. Der Verbrennungsmotor 2 ist Teil einer Brennkraftmaschine und umfasst mindestens einen Brennraum 5. Dem Brennraum 5 ist eine Vorkammerzündvorrichtung 13 zugeordnet. Durch die Verwendung eines Verbrennungsmotors 2 mit Vorkammerzündvorrichtung 13 in Verbindung mit einem vollhybriden Antriebsstrang können die Vorteile, die eine Vorkammerzündung hinsichtlich der ablaufenden Verbrennungsprozesse bietet, genutzt werden, während die mit einer Vorkammerzündung verbundenen Nachteile, insbesondere hinsichtlich eines relativ schlechten Betriebsverhaltens bei niedrigen Lasten und im Leerlauf des Verbrennungsmotors 2, hinsichtlich einer relativ schlechten Kaltstartfähigkeit sowie hinsichtlich einer relativ geringen Toleranz gegenüber relativ spät eingestellten Zündwinkeln, vermieden beziehungsweise durch einen gezielten Betrieb des vollhybriden Antriebsstrangs kompensiert werden können. Vorzugsweise ist zudem ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis für den Brennraum 5 des Verbrennungsmotors 2 von mindestens 14:1, eine externe Abgasrückführung im gesamten Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors 2, eine Beschränkung der maximalen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors 2 auf höchstens 5000 1/min sowie eine dadurch ermöglichte, relativ kurze Öffnungsdauer für Einlassventile 11 des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hybridfahrzeug, d.h. ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebsstrang sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen elektrischen Traktionsmotor umfasst. Derartige Hybridfahrzeuge ermöglichen, je nach Ausgestaltung, einen zeitweisen emissionsfreien Betrieb infolge einer temporären Bereitstellung der für den Vortrieb des Hybridfahrzeugs erforderlichen Fahrantriebsleistung ausschließlich mittels des elektrischen Traktionsmotors und/oder die Realisierung eines relativ geringen Kraftstoffverbrauchs infolge einer Unterstützungswirkung des elektrischen Traktionsmotor für den Verbrennungsmotor. Hierzu sollte eine möglichst optimale Anpassung der Komponenten des Antriebsstrangs aufeinander vorgesehen sein.
Unabhängig davon ist es bekannt, einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer sogenannten Vorkammerzündung zu betreiben (vgl. EP 3 051 095 A1 ), bei der ein Zündfunke nicht direkt in einem Brennraum des Verbrennungsmotors sondern in einer davon räumlich abgetrennten, jedoch über relativ kleine Verbindungskanäle mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Vorkammer erzeugt wird. Der Zündfunke bewirkt somit zunächst ein Zünden eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in der Vorkammer; die dabei erzeugte Flamme tritt dann gezielt über die Verbindungskanäle in den Brennraum über und entzündet das dortige Kraftstoff-Frischgas-Gemisch. Dadurch kann ein vorteilhafter Verbrennungsverlauf in dem Brennraum realisiert werden. Dies gilt insbesondere, wenn in dem Brennraum ein ladungsverdünntes Kraftstoff-Frischgas-Gemisch verbrannt wird.
Verbrennungsmotoren mit Vorkammerzündung weisen Nachteile auf, die bislang eine Verbreitung solcher Verbrennungsmotoren als Antriebsmotoren für konventionelle Kraftfahrzeuge verhindert haben. Eine über Forschungszwecke hinausgehende Verwendung ist derzeit lediglich aus dem Rennsport bekannt. Diese Nachteile sind insbesondere ein relativ schlechtes Betriebsverhalten bei niedrigen Lasten sowie im Leerlauf, eine relativ schlechte Kaltstartfähigkeit sowie eine relativ geringe Toleranz gegenüber relativ spät eingestellten Zündwinkeln. Eine Spätstellung von Zündwinkeln wird üblicherweise durchgeführt, um temporär relativ heißes Abgas zu erzeugen, wodurch eine einem entsprechenden Verbrennungsmotor zugeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden oder eine solche Betriebstemperatur aufrechtgehalten werden soll.
Die DE 11 2012 006 249 B4 beschreibt einen Großgasmotor mit einer Vorkammerzündung.
Die DE 10 2017 221 734 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasrückführsystems einer aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Die DE 10 2017 222 593 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Saugrohrdrucks einer Brennkraftmaschine mittels eines iterativen Verfahrens.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Hybridfahrzeug insbesondere hinsichtlich des Betriebsverhaltens, des Kraftstoffverbrauchs sowie des Schadstoffemissionsverhaltens zu optimieren.
Diese Aufgabe wird mittels eines Hybridfahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen eines solchen Hybridfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Hybridfahrzeug vorgesehen, das einen vollhybriden Antriebsstrang aufweist. Der Antriebsstrang ist folglich derart ausgestaltet, dass die Möglichkeit besteht, das Hybridfahrzeug nicht nur mittels eines Verbrennungsmotors (insbesondere ein Ottomotor) sondern auch ausschließlich mittels eines elektrischen Traktionsmotors des Antriebsstrangs anzutreiben. Der Verbrennungsmotor ist dabei Teil einer Brennkraftmaschine und dieser weist mindestens einen Brennraum auf. Dem elektrischen Traktionsmotor ist für eine Bereitstellung einer Fahrantriebsleistung für das Kraft- beziehungsweise Hybridfahrzeug bedarfsweise elektrische Energie von einer Traktionsbatterie zuführbar. Die Traktionsbatterie kann dabei mit (PHEV) oder ohne externe Lademöglichkeit ausgestaltet sein.
Gekennzeichnet ist ein solches Hybridfahrzeug dadurch, dass dem Brennraum eine Vorkammerzündvorrichtung zugeordnet ist. Als „Vorkammerzündvorrichtung“ wird dabei eine Vorrichtung verstanden, mittels der ein Zündauslöser, insbesondere ein Zündfunke, erzeugbar ist, wobei dieser Zündauslöser in einer von dem Brennraum räumlich separierten, mit diesem jedoch über mindestens einen und vorzugsweise über mehrere Verbindungskanäle verbundenen Vorkammer erzeugt wird. Bei einer mittels einer solchen Vorkammerzündvorrichtung bewirkten Vorkammerzündung wird folglich zunächst ein Kraftstoff Frischgas-Gemisch innerhalb der Vorkammer mittels des Zündauslösers gezündet, wobei die dabei erzeugte Flamme durch den mindestens einen Verbindungskanal in den Brennraum überströmt und dort für eine nachgelagerte Zündung eines dortigen Kraftstoff-Frischgas-Gemischs sorgt. Insbesondere die dortige Verbrennung bewirkt dann den Antrieb des Verbrennungsmotors durch ein Bewegen eines Kolbens, insbesondere eines Hubkolbens innerhalb eines Zylinders des Verbrennungsmotors, und einer durch die Bewegung des Kolbens bewirkten Rotationen einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, die insbesondere in Form einer Kurbelwelle ausgebildet sein kann.
Durch die Verwendung eines Verbrennungsmotors mit Vorkammerzündvorrichtung in Verbindung mit einem vollhybriden Antriebsstrang kann ein Hybridfahrzeug realisiert werden, dass die Vorteile, die eine Vorkammerzündung im Betrieb eines Verbrennungsmotors insbesondere hinsichtlich der ablaufenden Verbrennungsprozesse bietet, ausnutzen kann, während die mit einer Vorkammerzündung verbundenen Nachteile, insbesondere hinsichtlich eines relativ schlechten Betriebsverhaltens bei niedrigen Lasten und im Leerlauf des Verbrennungsmotors, hinsichtlich einer relativ schlechten Kaltstartfähigkeit sowie hinsichtlich einer relativ geringe Toleranz gegenüber relativ spät eingestellten Zündwinkeln, vermieden beziehungsweise durch einen gezielten Betrieb des vollhybriden Antriebsstrangs kompensiert werden können. Betriebszustände, in denen der Verbrennungsmotor aufgrund der Vorkammerzündung ein relativ schlechtes Betriebsverhalten aufweist, können folglich dadurch hinsichtlich des Fahrverhaltens des Hybridfahrzeugs kompensiert werden, dass der elektrische Traktionsmotor den Verbrennungsmotor bei der Erzeugung der Fahrantriebsleistung unterstützt (bei einer gegebenenfalls nur temporär vorgesehenen parallelen Verschaltung von Verbrennungsmotor und elektrischem Traktionsmotor im Antriebsstrang) oder diese sogar vollständig aufbringt (bei einer gegebenenfalls nur temporär vorgesehenen seriellen Verschaltung von Verbrennungsmotor und elektrischem Traktionsmotor im Antriebsstrang), Im zweiten Fall ist es möglich, den Verbrennungsmotor entkoppelt von der für das Kraftbeziehungsweise Hybridfahrzeug angeforderten Fahrantriebsleistung zu betreiben. Vor diesem Hintergrund können die Vorteile, die die erfindungsgemäße Kombination eines Verbrennungsmotors mit Vorkammerzündung und eines elektrischen Traktionsmotor in dem Antriebsstrang eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs ermöglicht, insbesondere dann in einem möglichst vollen Umfang realisiert werden, wenn eine seriell-parallele Verschaltung des Verbrennungsmotors und des Traktionsmotors im Antriebsstrang vorgesehen ist. Infolge einer solchen seriell-parallelen Verschaltung von Verbrennungsmotor und Traktionsmotor kann folglich wahlweise die Fahrantriebsleistung des Hybridfahrzeugs teilweise von dem Verbrennungsmotor und teilweise von dem elektrischen Traktionsmotor (parallele Verschaltung) oder ausschließlich von entweder dem Verbrennungsmotor (parallele Verschaltung) oder dem elektrischen Traktionsmotor (serielle Verschaltung) bereitgestellt werden. Eine serielle oder parallele oder leistungsverzweigte Verschaltung des Verbrennungsmotors und des elektrischen Traktionsmotors ist ebenfalls vorteilhaft umsetzbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die Vorkammerzündvorrichtung passiv ausgebildet ist und folglich keine Zuführmittel vorgesehen sind, um der Vorkammer unabhängig von dem Brennraum Kraftstoff und/oder Frischgas (insbesondere in voneinander separierter Form) zuzuführen. Dies weist gegenüber der Möglichkeit einer aktiven Ausgestaltung der Vorkammerzündvorrichtung, bei der solche Zuführmittel vorgesehen sind, den wesentlichen Vorteil einer deutlich einfacheren Ausgestaltung des Verbrennungsmotors und damit des Hybridfahrzeugs insgesamt auf. Insbesondere ermöglicht eine solche passive Ausgestaltung der Vorkammerzündvorrichtung, einfache Zündkerzen zu verwenden, die weitgehend identisch zu Zündkerzen sind, die in konventionellen Verbrennungsmotoren für Brennraumzündungen vorgesehen sind und die lediglich zusätzlich ein Gehäuse umfassen, das den Bereich der Zündkerzen, innerhalb dessen der Zündauslöser, insbesondere ein Zündfunke, auftritt, umgibt. Dieses Gehäuse weist dann zudem mindestens einen und vorzugsweise eine Vielzahl von insbesondere ringförmig angeordneten Verbindungskanälen auf, die einen Übertritt einer Flamme aus der Vorkammer in den Brennraum ermöglichen.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug kann vorgesehen sein, dass ein Verdichtungsverhältnis für den Brennraum des Verbrennungsmotors von mindestens 14:1 und insbesondere von mindestens oder im Wesentlichen exakt 15:1 vorgesehen ist. Mittels eines solchen relativ großen Verdichtungsverhältnisses kann insbesondere in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors ein relativ großer thermischer Wirkungsgrad realisiert werden, was sich entsprechend positiv auf den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und damit des Hybridfahrzeugs insgesamt auswirkt. Eine vorteilhafte Wechselwirkung eines solchen relativ hohen Verdichtungsverhältnisses existiert dabei insbesondere mit der für den Verbrennungsmotor eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs vorgesehenen Vorkammerzündung, weil die Nachteile, die üblicherweise mit einem solchen relativ hohen Verdichtungsverhältnis bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren einhergehen, mittels der Vorkammerzündung zumindest teilweise kompensiert werden können. Diese Nachteile sind insbesondere ein relativ schlechtes Durchbrennen des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum sowie, daraus folgend, eine relativ stark ausgeprägte zyklische Streuung, d.h. relativ stark variierende Verbrennungsprozesse in den nacheinander in dem Brennraum stattfinden Arbeitszyklen im Betrieb des Verbrennungsmotors. Diese Nachteile können dabei insbesondere aus einer relativ stark zerklüfteten beziehungsweise unebenen Geometrie des Bodens eines den Brennraum begrenzenden Kolbens resultieren. Diese kann erforderlich sein, um trotz einer infolge des relativ hohen Verdichtungsverhältnis erforderlichen, relativ ausgeprägten Annäherung des Kolbenbodens an ein Brennraumdach und die darin üblicherweise integrierten Komponenten, insbesondere Einlass- und Auslassventile sowie (Vorkammer-)Zündvorrichtung, eine Kollision des Kolbens mit diesen Komponenten des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Ein solcher stark zerklüfteter beziehungsweise unebener Kolbenboden führt üblicherweise zu Verwirbelungen und damit zu Störungen der sich von der (Vorkammer-)Zündvorrichtung ausbreitenden Flammen. Im Vergleich zu einer konventionellen Brennraumzündung erfolgt die Ausbreitung der Flammen bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen Vorkammerzündung jedoch deutlich besser, so dass Störungen dieser Flammen infolge eines relativ stark zerklüfteten Kolbenbodens sich nur in einem geringeren Maße negativ auswirken.
Ein weiterer Nachteil, der sich üblicherweise aus einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis ergibt, liegt in einer erhöhten Gefahr für das Auftreten von Klopfen. Um ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis für den Brennraum des Verbrennungsmotors realisieren zu können beziehungsweise um daraus folgende Nachteile hinsichtlich eines möglichen Klopfens im Betrieb des Verbrennungsmotors zu vermeiden, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor für einen Betrieb mit Kraftstoff, der eine erforschte Oktanzahl (ROZ) von mindestens 98 aufweist, ausgelegt ist. Demnach kann für den Betrieb des Verbrennungsmotors eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs die Verwendung eines solchen Kraftstoffs vorgeschrieben sein, sofern eine normale Betriebsfähigkeit, die ohne Maßnahmen zur Kompensation einer geringeren Oktanzahl auskommt, erreicht werden soll.
Weiterhin bevorzugt kann eine Abgasrückführleitung (vorzugsweise mit darin integriertem Abgasrückführventil) der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die einen Abgasstrang mit einem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine abgasführend verbindet. Mittels dieser Abgasrückführleitung kann folglich zur Durchführung einer Abgasrückführung gezielt Abgas von dem Abgasstrang in den Frischgasstrang überführt und über den Frischgasstrang wieder in den Brennraum zurückgeführt werden. Eine solche Abgasrückführung kann zu einer Verringerung des Risikos für ein Auftreten von Klopfen führen und ist demnach besonders vorteilhaft mit der vorzugsweise vorgesehenen Ausgestaltung des Verbrennungsmotors mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis kombinierbar. Weiterhin kann sich eine solche Abgasrückführung auch vorteilhaft auf das Schadstoffemissionsverhalten des Verbrennungsmotors auswirken.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung stromab einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise stromab eines 3-Wege-Katalysators, aus dem Abgasstrang abgeht. Es hat sich gezeigt, dass eine Verringerung des Risikos für ein Auftreten von Klopfen, die in den Brennraum rückgeführtes Abgas bewirkt, größer sein kann, wenn das rückgeführte Abgas zuvor bereits nachbehandelt wurde und dabei insbesondere eine Umwandlung und/oder Filterung einzelner Abgasbestandteile erfolgt ist.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs, bei dem eine Abgasrückführung durchführbar ist, kann eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung eines Betriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, wobei in der Steuerungsvorrichtung ein Betriebskennfeld gespeichert ist, anhand dessen ein Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere hinsichtlich Last und Betriebsdrehzahl, (von der Steuerungsvorrichtung) gesteuert wird, wobei ein Rückführen von Abgas über die Abgasrückführleitung im gesamten Betriebskennfeld vorgesehen ist. Die sich aus einer Abgasrückführung ergebenden Vorteile sollen demnach in jedem Betriebspunkt, in dem der Verbrennungsmotor betreibbar ist, genutzt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass selbst bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast eine Abgasrückführrate von mindestens 10% realisiert wird. Die Erfindung betrifft diesbezüglich auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs beziehungsweise zum Betreiben eines entsprechenden Hybridfahrzeugs.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor für einen Betrieb mit einer maximalen Betriebsdrehzahl von ≤ 5000 1/min oder sogar von nur von ≤ 4500 1/min ausgelegt ist.. Insbesondere bei einer solchen relativ niedrigen maximalen Betriebsdrehzahl kann eine Abgasrückführung im gesamten Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors vorteilhaft möglich sein.
Weiterhin kann sich eine solche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs mit einer relativ geringen maximalen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors dahingehend positiv auswirken, dass in vorteilhafter Weise angepasste Hubverläufe für Gaswechselventile, die dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeordnet sind, realisiert werden können, weil bei einer relativ geringen maximalen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors auch die maximal auftretenden Beschleunigungen für die Gaswechselventile relativ gering sind. Besonders bevorzugt kann diesbezüglich vorgesehen sein, dass ein Ventiltrieb des Verbrennungsmotors, der für eine Betätigung mindestens eines dem Brennraum zugeordneten Einlassventils eingerichtet ist, derart ausgestaltet ist, dass das Einlassventil (während eines Einlasstakts im Betrieb des Verbrennungsmotors) mit einer Öffnungsdauer (bezogen auf einen Ventilhub von 1 mm sowohl in der Öffnung- als auch der Schließbewegung), die kürzer als 150° und insbesondere 145° ist, und/oder mit einem Öffnungshub (d.h. einem maximalen Öffnungsweg), der zwischen 8 mm und 10 mm und insbesondere 9 mm beträgt, betätigt wird beziehungsweise betätigbar ist. Durch eine solche relativ kurze Öffnungsdauer für das Einlassventil und insbesondere für sämtliche Einblasventile, die dem Brennraum zugeordnet sind, kann insbesondere ein relativ frühes Schließen des (jeweiligen) Einlassventils noch deutlich innerhalb des Einlasstakts realisiert werden (sogenannte Miller-Betriebsart) was insbesondere bei einem Teillastbetrieb aufgrund einer Liefergradreduzierung zu einer Entdrosselung und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads führen kann. Auch ist damit in vorteilhafter Weise, insbesondere während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, ein Restgasrückhalt und damit eine innere Abgasrückführung realisierbar.
Bei der Realisierung einer Miller-Betriebsart bei einer konventionellen Brennkraftmaschine ist eine Erzeugung einer definierten Ladungsbewegung (Tumble) üblicherweise von großer Bedeutung, um eine möglichst gute Durchmischung und damit Homogenisierung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum zu erreichen, wodurch dieses sicher verbrannt werden kann. Ein relativ stark zerklüfteter beziehungsweise unebener Kolbenboden, wie er Folge eines relativ großen Verdichtungsverhältnisses sein kann, kann die Ausbildung einer solchen definierten Ladungsbewegung erschweren oder negativ beeinflussen. Die bei einem erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug vorgesehene Vorkammerzündung kann einen solchen Nachteil durch eine verbesserte Flammenausbreitung und damit ein besseren Druchbrennverhalten kompensieren.
Weiterhin kann sich ein relativ frühes Schließen des oder der Einlassventile reduzierend hinsichtlich der in dem Brennraum auftretenden Temperaturen zum Ende des Kompressionshubs und damit auch hinsichtlich des Risikos des Auftretens von Klopfen auswirken, was wiederum zu einer besonders vorteilhaften Wechselwirkung mit der ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis von mindestens 14:1 führt. Durch einen relativ großen Öffnungshub für das (jeweilige) Einlassventil von mindestens 8 mm und insbesondere 9 mm kann dagegen vermieden werden, dass sich ein Öffnen des (jeweiligen) Einlassventils mit einer relativ kurzen Öffnungsdauer reduzierend hinsichtlich der über das Einlassventil in den Brennraum einbringbaren Frischgasmenge auswirkt.
Eine Auslegung des Verbrennungsmotors mit einer relativ geringen maximalen Betriebsdrehzahl kann sich verringernd hinsichtlich der Höhe der Nennleistung des Verbrennungsmotors auswirken, da Verbrennungsmotoren ihre Nennleistung üblicherweise in der Nähe der maximalen Betriebsdrehzahl abgeben. Insbesondere bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs mit einer relativ geringen maximalen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors kann es daher sinnvoll und vorteilhaft sein, dass der Verbrennungsmotor aufgeladen ist und folglich in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine mindestens ein Frischgasverdichter integriert ist, mittels dessen das dem Brennraum zuzuführende Frischgas verdichtet werden kann. Dieser Frischgasverdichter kann insbesondere Bestandteil eines Abgasturboladers sein, der weiterhin mindestens eine in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasturbine aufweist, wobei ein Turbinenlaufrad der Abgasturbine mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters antriebsverbunden ist. Die durch die Aufladung erzielbare, deutliche Erhöhung des von dem Verbrennungsmotor erzeugbaren Drehmoments bewirkt folglich die Erzeugung einer vorgesehenen Nennleistung des Verbrennungsmotors bereits bei einer relativ kleinen Betriebsdrehzahl.
Bei der vorzugsweise vorgesehenen Aufladung der Brennkraftmaschine kann in Verbindung mit der ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung mit einer Abgasrückführleitung vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung von Frischgas in dem Frischgasstrang) des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet. Bei der bevorzugt vorgesehenen Aufladung mittels mindestens eines Abgasturboladers kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung zudem stromab (bezüglich der Strömungsrichtung von Abgas in dem Abgasstrang) der Abgasturbine dieses Abgasturboladers aus dem Abgasstrang abgeht. Eine Abgasrückführung würde demnach in einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs als sogenannte Niederdruck-Abgasrückführung durchgeführt werden. Im Vergleich zu einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung, bei der das Abgas stromab des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang eingeleitet (und stromauf einer gegebenenfalls vorhandenen Abgasturbine aus dem Abgasstrang abgezweigt) wird, kann sich eine solche Niederdruck-Abgasrückführung unter anderem vorteilhaft hinsichtlich der Realisierbarkeit eine Abgasrückführung im gesamten Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine auswirken.
Bei einer Realisierung einer Niederdruck-Abgasrückführung im gesamten Betriebskennfeld der aufgeladen Brennkraftmaschine kann es sinnvoll sein, einen relativ großen Frischgasverdichter und insbesondere einen relativ großen Abgasturbolader einzusetzen, weil infolge des rückgeführten Abgases eine relativ große Menge an Frischgas verdichtet werden muss. Üblicherweise weist ein relativ großer Frischgasverdichter und insbesondere Abgasturbolader selbst dann, wenn dieser, wie dies auch bei einem erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs vorzugsweise vorgesehen ist, mit einer variablen Geometrie, insbesondere einer variablen Turbinengeometrie (VTG), ausgestattet ist, ein relativ schlechtes dynamisches Verhalten infolge einer relativ großen Massenträgheit auf. Dies kann sich negativ hinsichtlich einer möglichst schnellen Erhöhung der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Antriebsleistung nach einem Lastsprung auswirken. Ein solcher Nachteil eines relativ großen Frischgasverdichters und insbesondere Abgasturboladers kann jedoch durch die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs als Hybridfahrzeugs und damit durch die mögliche Unterstützung des Verbrennungsmotors durch den elektrischen Traktionsmotors kompensiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in schematischer Darstellung:

1: ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug;
2: eine Vorkammerzündvorrichtung des Hybridfahrzeugs; und
3: den für Einlassventile eines Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs vorgesehenen Hubverlauf.

Die 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug 1. Dieses umfasst einen vollhybriden Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine, die einen (4-Takt-)Verbrennungsmotor 2 aufweist, der in dem vorliegenden Ausgestaltungsbeispiel vier in Reihe angeordnete Zylinder 3 umfasst, in denen jeweils ein Kolben 4 beweglich geführt ist. Die Zylinder 3 und die darin geführten Kolben 4 begrenzen jeweils mit einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) einen Brennraum 5. In den Brennräumen 5 des Verbrennungsmotors 2 werden im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 zeitlich versetzt Verbrennungsprozesse durchgeführt, wodurch die einzelnen Kolben 4 innerhalb der dazugehörigen Zylinder 3 bewegt werden. Diese Bewegungen werden auf eine Abtriebswelle (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 2, die in Form einer Kurbelwelle ausgebildet ist, übertragen und die Kurbelwelle dadurch rotierend angetrieben. Diese Rotation der Kurbelwelle bewirkt gleichzeitig die zyklischen Richtungswechsel der Bewegungen der Kolben 4 innerhalb der Zylinder 3.
Für die Durchführung der Verbrennungsprozesse wird den Brennräumen 5 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 6 zugeführt. Der Kraftstoff wird dazu mittels jeweils eines Kraftstoffinjektors 7 direkt in die einzelnen Brennräume 5 eingebracht. Zur Verbrennung mit dem Kraftstoff ist Frischgas vorgesehen, das zu einem Großteil aus Umgebungsluft besteht ein, die aus der Umgebung angesaugt und über einen Frischgasstrang 8 dem Verbrennungsmotor 2 beziehungsweise den Brennräumen 5 zugeführt wird. In den Frischgasstrang 8 ist ein Luftfilter 9 zur Reinigung der Umgebungsluft, ein Frischgasverdichter 10 zur Verdichtung des Frischgases, der Bestandteil eines Abgasturboladers ist, sowie eine Drosselklappe 39 integriert. Eine Steuerung und Dosierung der in die Brennräume 5 einzubringenden Frischgasmengen erfolgt mittels jeweils zwei Einlassventilen 11, die den Brennräumen 5 zugeordnet sind und die in bekannter Weise mittels eines Nockenwellen umfassenden Ventiltriebs 12 betätigt, d.h. zu definierten Ventilsteuerzeiten geöffnet werden. Eine Zündung der in den Brennräumen 5 enthaltenen Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen wird zu den jeweils vorgesehenen Zündzeitpunkten mittels jeweils einer Vorkammerzündvorrichtung, die im dargestellten Ausgestaltungsbeispiels als Vorkammerzündkerze 13 ausgebildet ist, realisiert. Eine solche Vorkammerzündkerze 13 umfasst gemäß der 2 einen Anschlussabschnitt 14, der zur Verbindung mit einem elektrischen Leiter (nicht dargestellt) vorgesehen ist, über den an der jeweiligen Vorkammerzündkerze 13 zum Zündzeitpunkt eine elektrische Hochspannung (Zündspannung) angelegt werden kann. Weiterhin umfasst eine solche Vorkammerzündkerze 13 einen Verbindungsabschnitt 15 mit einem Außengewinde, mit dem diese in ein entsprechendes Innengewinde des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors 2 einschraubbar ist. Mit einem Zündkerzenkopf 16 ragt eine solche Vorkammerzündkerze 13 in den jeweiligen Brennraum 5 des Verbrennungsmotors 2, wobei die Vorkammerzündkerze 13 im Bereich des Zündkerzenkopfs 16 ein Gehäuse 17 mit einer Mehrzahl von ringförmig angeordneten Verbindungskanälen 18 aufweist. Dieses Gehäuse 17 umgibt einen Freiraum (Vorkammer), innerhalb dessen zwei Elektroden (nicht sichtbar) in einem relativ kleinen Abstand zueinander angeordnet sind. Wird an diesen Elektroden eine Zündspannung angelegt, springt zwischen den Elektroden ein Zündfunke über, der eine Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge, die in der Vorkammer enthalten ist, entzündet. Die dabei entstehende Flamme tritt gezielt über die Verbindungskanäle 18 aus der Vorkammer in den zugeordneten Brennraum 5 über und entzündet dort die im Vergleich zu der in der Vorkammer enthaltenen Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge deutlich größere Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge.
Die als Vorkammerzündkerzen 13 ausgebildeten Vorkammerzündvorrichtungen des Verbrennungsmotors 2 sind passiv ausgebildet. Demnach wird den Vorkammern dieser Vorkammerzündkerzen 13 sowohl Kraftstoff als auch Frischgas ausschließlich aus den Brennräumen 5 und über die Verbindungskanäle zugeführt. Dies erfolgt in einem jeweiligen Verdichtungshub der Kolben 4 infolge eines entsprechenden Überdrucks, der aus einer entsprechende Bewegung der jeweiligen Kolben 4 in Richtung des oberen Totpunkts und demnach einer Verkleinerung des jeweiligen Brennraums 5 resultiert, erzeugt wird.
Abgas, das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen 5 (und in den Vorkammern der Vorkammerzündkerzen 13) erzeugt wurde, wird, gesteuert mittels Auslassventilen 37, über einen Abgasstrang 19 der Brennkraftmaschine abgeführt. Das Abgas durchströmt dabei zumindest eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, beispielsweise in Form eines Dreiwegekatalysators, sowie eine Abgasturbine 21 des Abgasturboladers. Ein Turbinenlaufrad des Abgasturboladers ist mittels einer Welle 22 mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters 10 antriebsverbunden.
Stromab (bezüglich der Strömungsrichtung von Abgas in dem Abgasstrang 19) der Abgasturbine 21 geht aus dem Abgasstrang 19 eine Abgasrückführleitung 23 ab. Diese Abgasrückführleitung 23 mündet stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung von Frischgas in dem Frischgasstrang 8) des Frischgasverdichters 10 in den Frischgasstrang 8. In die Abgasrückführleitung 23 ist ein Abgasrückführventil 38 integriert, um bedarfsgerecht den Mengenstrom an Abgas, der über die Abgasrückführleitung 23 strömen kann, einstellen zu können.
Der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs 1 umfasst weiterhin eine erste Elektromaschine 24, die über ein Getriebe 25 mit einer ersten Antriebswelle 26 des Antriebsstrangs antriebsverbunden ist. Diese erste Antriebswelle 26 ist zudem direkt beziehungsweise drehfest mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 2 antriebsverbunden. Weiterhin ist eine zweite Elektromaschine 27 vorgesehen, deren Abtriebswelle ebenfalls über ein Getriebe 25 mit einer zweiten Antriebswelle 28 des Antriebsstrangs antriebsverbunden ist, wobei diese zweite Antriebswelle 28 über weitere Getriebe 25 mit Achswellen 29 von angetriebenen Rädern 30 des Hybridfahrzeugs antriebsverbunden ist. Die erste Antriebswelle 26 und die zweite Antriebswelle 28 des Antriebsstrangs sind mittels einer schaltbaren Trennkupplung 31 bedarfsweise verbind- bzw. koppelbar.
Sowohl die erste Elektromaschine 24 als auch die zweite Elektromaschine 27 können im Betrieb des Hybridfahrzeugs 1 als elektrische Traktionsmotoren dienen, wobei lediglich die zweite Elektromaschine 27 derart dimensioniert ist, dass mittels dieser ein alleiniger Antrieb des Hybridfahrzeugs 1 möglich ist.
In der 1 sind diesbezüglich die Energieflüsse in den verschiedenen Betriebsarten, in denen das Hybridfahrzeug 1 betreibbar ist, dargestellt.
In einer seriellen Betriebsart (gestrichelte Energiefluss-Pfeile) ist die Trennkupplung 1 geöffnet. Der in Betrieb genommene Verbrennungsmotor 2 treibt die erste Elektromaschine 24 an, die dabei als Generator arbeitet und somit elektrische Leistung abgibt, die in der zweiten Elektromaschine 27 zur Erzeugung der Fahrantriebsleistung für das Hybridfahrzeug in mechanische Leistung gewandelt wird. Überschüssige elektrische Energie, die von der ersten Elektromaschine 24 gegebenenfalls zeitweise erzeugt wird, kann dabei in einer Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) 32 zwischengespeichert werden. Dazu wird der von der ersten Elektromaschine 24 erzeugte Wechselstrom mittels eines Wechselrichters 33 in Gleichstrom gewandelt und über einen Spannungswandler 34 in die Hochvoltbatterie 32 geleitet.
In einer elektrischen Betriebsart (gepunktete Energiefluss-Pfeile) des Hybridfahrzeugs 1 wird die Fahrantriebsleistung wiederum ausschließlich von der zweiten Elektromaschine 27 erzeugt. Im Unterschied zu der seriellen Betriebsart ist dabei der Verbrennungsmotor 2 jedoch nicht in Betrieb. Die für den Betrieb der zweiten Elektromaschine 27 erforderliche elektrische Leistung wird dabei von der Hochvoltbatterie 32 zur Verfügung gestellt.
Und schließlich kann auch ein Betrieb des Hybridfahrzeugs 1 in einer parallelen Betriebsart vorgesehen sein, bei der der Verbrennungsmotor 2 in Betrieb genommen ist und in der über die geschlossene Trennkupplung 31 von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugte Antriebsleistung auf die angetriebenen Räder 30 des Hybridfahrzeugs 1 übertragen wird. In dieser parallelen Betriebsart kann zumindest zeitweise auch ein Teil der Fahrantriebsleistung von der zweiten Elektromaschine 27 bereitgestellt werden. Ebenso kann mittels der ersten Elektromaschine 24 elektrische Leistung erzeugt werden, die der zweiten Elektromaschine 27 und/oder der Hochvoltbatterie 32 zugeführt wird.
An die Hochvoltbatterie 32 ist über einen weiteren Spannungswandler 34 eine Niedervoltbatterie 35 angeschlossen, die der Versorgung anderer elektrischer Verbraucher des Hybridfahrzeugs 1 dient. Zu diesen Komponenten gehört auch eine Steuerungsvorrichtung 36 des Hybridfahrzeugs, mittels der auch die Brennkraftmaschine ansteuerbar ist.
Die Brennkraftmaschine des Hybridfahrzeugs 1 weist mehrere besondere Ausgestaltungsmerkmale auf, die in vorteilhafter Weise miteinander sowie mit der vollhybriden Ausgestaltung des Antriebsstrangs des Hybridfahrzeugs zusammenwirken, um einen möglichst vorteilhaften Betrieb des Hybridfahrzeugs 1 zu ermöglichen. Diese Merkmale sind, neben der bereits erwähnten Vorkammerzündung, ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis für die Brennräume 5 des Verbrennungsmotors 2 von 15:1, eine spezifische Implementierung einer Niederdruck-Abgasrückführung mittels der Abgasrückführleitung 23, wobei im gesamten Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors 2 beziehungsweise in sämtlichen Betriebspunkten, in denen der Verbrennungsmotor 2 betreibbar ist, eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Weiterhin umfassen diese Merkmale eine Beschränkung der maximalen Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors 2 auf 4500 1/min, eine Auslegung des Verbrennungsmotors für einen Betrieb mit Kraftstoff, der eine Oktanzahl (ROZ) von mindesten 98 aufweist, sowie eine spezifische Anpassung der Kontur der (Einlass-)Nocken, mit denen die Einlassventile 11 des Verbrennungsmotors 2 betätigt werden.
In der 3 ist ein sich aus dieser Anpassung der Kontur der Einlassnocken ergebender Hubverlauf der Einlassventile 11 dargestellt. Konkret ist für die Einlassventile 11 jeweils eine Öffnungsdauer t₁ (bezogen auf einen Ventilhub von einem Millimeter) von lediglich 145° vorgesehen, wodurch die im oberen Totpunkt des in dem jeweiligen Zylinder 3 geführten Kolbens 4 öffnenden Einlassventile 11 deutlich vor dem unteren Totpunkt schließen. Durch dieses relativ frühes Schließen der Einlassventile 11 kann in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 2 eine Entdrosselung realisiert werden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Zudem wird dadurch die Erzielung relativ geringer Brennraumtemperaturen unterstützt, was der gegenteiligen Wirkung, die das relativ hohe Verdichtungsverhältnis aufweist, entgegenwirkt und somit eine erhöhte Gefahr des Auftretens von Klopfen, die, ohne Kompensation, eine Folge des relativ hohen Verdichtungsverhältnisses wäre, zumindest teilweise kompensiert.
Um trotz der relativ kurzen Öffnungsdauer der Einlassventile 11 eine ausreichende Menge an Frischgas in die Brennräume 5 einbringen zu können, werden die Einlassventile 11 mit einem relativ großen Ventilhub h₁ von konkret neun Millimetern geöffnet. Dieser relativ große Ventilhub in Verbindung mit der relativ kurzen Öffnungsdauer führt zu relativ steilen Flanken der Hubverläufe der Einlassventile 11, was mit entsprechend großen Beschleunigungen der Einlassventile 11, insbesondere beim Aufsetzen auf den Ventilsitzen, einhergeht. Eine dadurch bedingte zu große Beschleunigung der Einlassventile 11 wird jedoch dadurch vermieden, dass die maximale Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors 2 auf 4500 1/min begrenzt ist.
Bezugszeichenliste

1: Hybridfahrzeug
2: Verbrennungsmotor
3: Zylinder
4: Kolben
5: Brennraum
6: Kraftstofftank
7: Kraftstoffinjektor
8: Frischgasstrang
9: Luftfilter
10: Frischgasverdichter
11: Einlassventil
12: Ventiltrieb
13: Vorkammerzündkerze
14: Anschlussabschnitt der Vorkammerzündkerze
15: Verbindungsabschnitt der Vorkammerzündkerze
16: Zündkerzenkopf der Vorkammerzündkerze
17: Gehäuse des Zündkerzenkopfs
18: Verbindungskanal des Gehäuses
19: Abgasstrang
20: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
21: Abgasturbine
22: Welle
23: Abgasrückführleitung
24: erste Elektromaschine
25: Getriebe
26: erste Antriebswelle
27: zweite Elektromaschine
28: zweite Antriebswelle
29: Achswelle
30: Rad
31: Trennkupplung
32: Hochvoltbatterie
33: Wechselrichter
34: Spannungswandler
35: Niedervoltbatterie
36: Steuerungsvorrichtung
37: Auslassventil
38: Abgasrückführventil
39: Drosselklappe
t₁: Öffnungsdauer der Einlassventile
h₁: Ventilhub der Einlassventile

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3051095 A1 [0002]
DE 112012006249 B4 [0004]
DE 102017221734 A1 [0005]
DE 102017222593 A1 [0006]

Claims

Hybridfahrzeug (1) mit einem vollhybriden Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor (2), der Teil einer Brennkraftmaschine ist und der mindestens einen Brennraum (5) aufweist, und einen elektrischen Traktionsmotor (24, 27) umfasst, gekennzeichnet durch eine dem Brennraum (5) zugeordnete Vorkammerzündvorrichtung (13).
Hybridfahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammerzündvorrichtung (13) passiv ausgebildet ist.
Hybridfahrzeug (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis für den Brennraum (5) des Verbrennungsmotors (2) von mindestens 14 : 1 vorgesehen ist.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine seriell-parallele Ausgestaltung des Antriebsstrangs.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abgasrückführleitung (23), die einen Abgasstrang (19) mit einem Frischgasstrang (8) der Brennkraftmaschine abgasführend verbindet.
Hybridfahrzeug (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (23) stromab einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) aus dem Abgasstrang (19) abgeht.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (36) zur Steuerung eines Betriebs der Brennkraftmaschine, wobei in der Steuerungsvorrichtung (26) ein Betriebskennfeld gespeichert ist, anhand dessen ein Betrieb des Verbrennungsmotors 2 gesteuert wird, wobei ein Rückführen von Abgas über die Abgasrückführleitung (23) im gesamten Betriebskennfeld vorgesehen ist.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) für einen Betrieb mit einer maximalen Betriebsdrehzahl von ≤ 5000 1/min oder von ≤ 4500 1/min ausgelegt ist.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine aufgeladen ausgestaltet ist.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung eines Ventiltriebs (12) des Verbrennungsmotors (2), der für eine Betätigung mindestens eines dem Brennraum (5) zugeordneten Einlassventils (11) eingerichtet ist, derart, dass das Einlassventil (11) - mit einer Öffnungsdauer (t₁), die kürzer als 150° und insbesondere 145° beträgt und/oder - mit einem Öffnungshub (h₁), der zwischen 8 mm und 10 mm und insbesondere 9 mm beträgt, betätigt wird.
Hybridfahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) für einen Betrieb mit Kraftstoff, der eine erforschte Oktanzahl (ROZ) von mindestens 98 aufweist, ausgelegt ist.