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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren,
die nach dem Viertakt-Prinzip arbeiten und die in einem Teilmotorbetrieb
betreibbar sind.
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Stand der Technik
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Heutige
Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem Viertakt-Prinzip mit den Takten
des Zuführens
eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, der Kompression des zugeführten Gemisches,
des Zündens
und der Verbrennung sowie des Ausstoßes der Verbrennungsabgase. Üblicherweise
wird von Verbrennungsmotoren nur einen Teil des maximal möglichen Antriebsmoments
abgerufen. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze verfolgt,
durch Entdrosselung die Spül-/Drosselverluste
beim Verbrennungsmotor zu verringern und damit den Wirkungsgrad
zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Eine
technische Realisierungsmöglichkeit zur
Entdrosselung ist die Abschaltung einzelner Zylinder bzw. mehrerer
Zylindern einer Zylinderbank in einem Teillastbereich, wobei die
verbleibenden Zylinder dann zur Beibehaltung eines gleichbleibenden Motormoments
mit einer erhöhten
Luftzufuhr (durch eine weiter geöffnete
Drosselklappe) betrieben werden. Ein solcher Motorbetrieb wird Teilmotorbetrieb bzw.
bei Abschaltung der Hälfte
der Zylinder Halbmotorbetrieb genannt.
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Im
Teilmotorbetrieb erfolgt die Abschaltung einzelner Zylinder bei
diesem Verfahren durch Abkopplung der Ventile von der Nockenwelle,
so dass die betroffenen Zylinder wie eine Gasfeder wirken und sich
damit abgesehen von Reibungsverlusten momentenneutral verhalten.
Eine einfache Einspritzausblendung als Zylinderabschaltung wird in der
Praxis bislang nicht realisiert, da in diesem Fall Luft aus dem
Saugrohr in den Abgasabschnitt gelangt, wodurch die Erfassung des
Lambda-Werts verfälscht
und die Lambda-Regelung in ungünstiger Weise
beeinträchtigt
wird.
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Weiterhin
kann im erstgenannten Fall vorgesehen sein, dass die abgeschalteten
Zylinder jeweils nach der letzten Verbrennung bei geschlossenen Auslassventilen
abgeschaltet werden, so dass der Überdruck der letzten Verbrennung
im Brennraum verbleibt. Durch diesen Überdruck im Brennraum kann
ein Ansaugen von Öldämpfen aus
der Ölwanne über die
Kolbenringe verhindert werden. Dadurch kann eine Abgasverschlechterung
beim Wiedereinschalten vermieden werden.
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Dies
hat jedoch den Nachteil, dass der nach der letzten Verbrennung verbliebene Überdruck
in den abgeschalteten Zylindern das Ansaugen von Öldämpfen zwar
verhindert, aber eine erhöhte
Lagerreibung erzeugt, welche den Wirkungsgradgewinn durch die Entdrosselung
vermindert. Weiterhin zeigt sich in der Praxis, dass sich der nach
der letzten Verbrennung verbliebene Überdruck in den abgeschalteten
Zylindern relativ schnell durch Undichtigkeiten abbaut. Wegen der
dadurch bestehenden Gefahr des Ansaugens von Öldämpfen mit einem erhöhten Risiko
der Abgasverschlechterung beim Wiedereinschalten ist der Teilmotorbetrieb
zeitlich sehr eingeschränkt,
so dass der Wirkungsgradgewinn damit ebenfalls begrenzt ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile
bei einem Teilmotorbetrieb zu vermeiden, insbesondere eine erhöhte Lagerreibung
und das Ansaugen von Öldämpfen zu vermeiden.
Weiterhin ist es wünschenswert,
dass keine Frischluft von dem Saugrohr in den Abgasabschnitt gelangt,
wodurch die Lambda-Regelung beeinträchtigt werden würde.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch den Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, das Verfahren
zum Betreiben des Verbrennungsmotors sowie ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor vorgesehen. Der
Verbrennungsmotor umfasst:
- – mehrere Zylinder mit jeweils
einem darin beweglichen Kolben zum Antreiben einer Kurbelwelle, wobei
die Kolben mit der Kurbelwelle so gekoppelt sind, dass deren Bewegung
in den Zylindern versetzt erfolgt;
- – eine
Einlasseinrichtung für
jeden der Zylinder zum gesteuerten Zuführen von Luft in die jeweiligen
Zylinder, insbesondere ein oder mehrere Einlassventile;
- – eine
Auslasseinrichtung für
jeden der Zylinder zum gesteuerten Abführen von Verbrennungsabgas
aus den Zylindern in einen Abgasabschnitt, insbesondere ein oder
mehrere Auslassventile;
- – eine Überleitungseinrichtung
zum gesteuerten Überleiten
von Verbrennungsabgas von einem ersten der Zylinder in mindestens
einen zweiten der Zylinder.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei in einem Teilmotorbetrieb,
bei dem der erste Zylinder gemäß einem Viertaktbetrieb
betrieben wird und bei dem mindestens einer der zweiten Zylinder,
insbesondere durch Unterbinden einer Kraftstoffzufuhr und/oder Luftzufuhr,
nicht aktiv betrieben wird, folgende Schritte ausgeführt werden:
- – Durchführen einer
Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches in dem ersten Zylinder,
wodurch der Kolben des ersten Zylinders eine Expansionsbewegung
ausführt
und über
die Kurbelwelle ein Antriebsmoment bereitstellt;
- – Ausstoßen von
Verbrennungsabgas durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten
Zylinder über
die Überleitungseinrichtung,
wobei die Überleitungseinrichtung
so angesteuert wird, dass das Überleiten
des Verbrennungsabgases von dem ersten Zylinder in den mindestens
einen zweiten Zylinder zugelassen wird;
- – Ausstoßen des
Verbrennungsabgases in dem mindestens einen zweiten Zylinder durch
eine Kompressionsbewegung in dem mindestens einen zweiten Zylinder über die
Auslasseinrichtung.
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Eine
Idee der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor vorzusehen,
bei dem die Verbrennungsabgase je nach Ansteuerung sowohl in einen
Abgastrakt ausgesto ßen
als auch in einen oder mehrere abgeschaltete Zylinder geleitet werden
können.
Dazu sieht der Verbrennungsmotor neben den herkömmlichen Einlass- und Auslasseinrichtungen Überleitungsventile
vor, mit denen Verbrennungsabgase von einem aktiven Zylinder in
einen abgeschalteten Zylinder während
einer Expansionsphase des einen oder der mehreren abgeschalteten
Zylinder geleitet werden können.
Das Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors
sieht vor, einen oder mehrere nicht aktive Zylinder mit dem Verbrennungsabgas
eines aktiven, d. h. betriebenen Zylinders zu befüllen, so
dass beim Ausstoßtakt
des aktiven Zylinders das Abgas zunächst nicht in den Abgastrakt
ausgelassen, sondern in den einen oder die mehreren abgeschalteten
Zylinder geleitet wird. Daraus ergibt sich eine Gasexpansion, welche
ein Drehmoment der Kurbelwelle erzeugen kann und damit den Gesamtwirkungsgrad
des Motors erhöht.
Zudem wird gewährleistet,
dass permanent ein Überdruck auch
in den abgeschalteten Zylindern besteht, so dass das Ansaugen von Öldämpfen verhindert
wird.
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Für den Verbrennungsmotor
kann vorgesehen sein, dass die Überleitungseinrichtung
eine von dem Abgasabschnitt separate Verbindungsleitung zwischen
den Zylindern umfasst, die über
ein jeweiliges Überleitungsventil
mit den Zylindern verbunden ist, so dass durch Ansteuern des Überleitungsventils des
ersten Zylinders und des mindestens einen zweiten Zylinders Verbrennungsabgas
von dem ersten Zylinder in den mindestens einen zweiten Zylinder führbar ist.
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Weiterhin
kann die Überleitungseinrichtung mindestens
eine Umschalteinrichtung in dem Abgasabschnitt umfassen, die in
einem Schaltzustand das Abführen
von Verbrennungsabgas unterbindet und das Verbrennungsabgas des
ersten Zylinders zu dem mindestens einen zweiten Zylinder führt und
in einem weiteren Schaltzustand das Abführen des Verbrennungsabgases
zulässt.
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Alternativ
kann der erste Zylinder und der mindestens eine zweite Zylinder
so mit der Kurbelwelle gekoppelt sein, dass, während der Kolben des ersten
Zylinders eine Kompressionsbewegung ausführt, der Kolben des mindestens
einen zweiten Zylinders eine Expansionsbewegung ausführt.
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Für das Verfahren
können
bei dem Schritt des Ausstoßens
von Verbrennungsabgas durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten
Zylinder über die Überleitungseinrichtung
in dem Teilmotorbetrieb die Einlasseinrichtungen des ersten Zylinders
und des mindestens einen zweiten Zylinders so angesteuert werden,
dass keine Luft zugeführt
wird, und die Auslasseinrichtungen des ersten Zylinders und des
mindestens einen zweiten Zylinders so angesteuert werden, dass kein
Verbrennungsabgas in den Abgasabschnitt abgeführt wird.
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Weiterhin
können
in einer ersten Übergangsbetriebsart
von dem Teilmotorbetrieb zu einem Vollmotorbetrieb, bei dem alle
Zylinder des Verbrennungsmotors gemäß dem Viertaktbetrieb betrieben werden,
bei dem Schritt des Ausstoßens
von Verbrennungsabgas durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten
Zylinder über
die Überleitungseinrichtung
die Auslasseinrichtungen des ersten Zylinders und des mindestens
einen zweiten Zylinders so angesteuert werden, dass ein Teil des
Verbrennungsabgases in den Abgasabschnitt abgeführt wird und ein weiterer Teil
des Verbrennungsabgases über die Überleitungseinrichtung
in den mindestens einen zweiten Zylinder geleitet wird.
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Insbesondere
kann in der Übergangsbetriebsart
von dem Teilmotorbetrieb zu einem Vollmotorbetrieb während des
Schritts des Ausstoßens
von Verbrennungsabgas durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten
Zylinder über
die Überleitungseinrichtung
das Verbrennungsabgas nur in mindestens einen von mindestens zwei
zweiten Zylindern geleitet werden und die Einlasseinrichtung eines
weiteren der zweiten Zylinder so angesteuert werden, dass Luft zugeführt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem
umfasst:
- – den
obigen Verbrennungsmotor;
- – eine
Vorrichtung, die ausgebildet ist, um in einem Teilmotorbetrieb,
bei dem der erste Zylinder gemäß einem
Viertaktbetrieb betrieben wird und bei dem mindestens einer der
zweiten Zylinder, insbesondere durch Unterbinden einer Kraftstoffzufuhr
und/oder einer Luftzufuhr, nicht aktiv betrieben wird, folgende
Schritte auszuführen:
- – Ansteuern
der Einlasseinrichtung des ersten Zylinders, so dass Gas eingelassen
und in einer Kompressionsbewegung verdichtet wird, wobei nach dem
Verdichten eine Verbrennung in dem ersten Zylinder stattfindet,
wodurch der Kolben des ersten Zylinders eine Expansionsbewegung ausführt und über die
Kurbelwelle ein Antriebsmoment bereitstellt;
- – Ansteuern
der Überleitungseinrichtung,
so dass das Überleiten
des Verbrennungsabgases von dem ersten Zylinder in den mindestens
einen zweiten Zylinder zugelassen wird, wobei Verbrennungsabgas
durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten Zylinder über die Überleitungseinrichtung
in den mindestens einen zweiten Zylinder ausgestoßen wird;
- – Ansteuern
der Auslasseinrichtung des mindestens einen zweiten Zylinders, so
dass das Verbrennungsabgas in dem mindestens einen zweiten Zylinder
durch eine Kompressionsbewegung ausgestoßen wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode
enthält,
der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird,
die folgenden Schritte mit dem obigen Verbrennungsmotor ausführt:
- – Ansteuern
der Einlasseinrichtung des ersten Zylinders, so dass Gas eingelassen
und in einer Kompressionsbewegung verdichtet wird, wobei nach dem
Verdichten eine Verbrennung in dem ersten Zylinder stattfindet,
wodurch der Kolben des ersten Zylinders eine Expansionsbewegung ausführt und über die
Kurbelwelle ein Antriebsmoment bereitstellt;
- – Ansteuern
der Überleitungseinrichtung,
so dass das Überleiten
des Verbrennungsabgases von dem ersten Zylinder in den mindestens
einen zweiten Zylinder zugelassen wird, wobei Verbrennungsabgas
durch eine Kompressionsbewegung in dem ersten Zylinder über die Überleitungseinrichtung
in den mindestens einen zweiten Zylinder ausgestoßen wird;
- – Ansteuern
der Auslasseinrichtung des mindestens einen zweiten Zylinders, so
dass das Verbrennungsabgas in dem mindestens einen zweiten Zylinder
durch eine Kompressionsbewegung ausgestoßen wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Überleitungsventilen;
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2 den
Verfahrensablauf zum Betreiben des Verbrennungsmotors der 1 in
einem Teilmotorbetrieb;
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3 den
Verfahrensablauf bei einem Wechsel der Betriebsart des Verbrennungsmotors von
einem Teilmotorbetrieb zu einem Vollmotorbetrieb;
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4 den
Verfahrensablauf bei einem Wechsel der Betriebsart von einem Vollmotorbetrieb zu
einem Teilmotorbetrieb.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
ein Verbrennungsmotor 1 mit vier Zylindern 2 dargestellt.
Jedem Zylinder 2 wird über ein
oder mehrere Einlassventile 3 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
zugeführt.
Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird über ein Saugrohr 4 bereitgestellt,
wobei am Einlass des Saugrohrs 4 eine Drosselklappe 5 angeordnet
ist, um die den Zylindern 2 bereitzustellende Luftmenge
einzustellen. Stromabwärts
der Drosselklappe 5 ist eine Einspritzdüse 6 vorgesehen, um
Kraftstoff in das Saugrohr 4 einzuspritzen, wodurch das
Kraftstoff-Luft-Gemisch
zum Einlass in die entsprechenden Zylinder 2 bereitgestellt
wird. Jeder Zylinder 2 weist mindestens ein Auslassventil 7 auf, um
Verbrennungsabgase in einen Abgasabschnitt 8 durch eine
Kompressionsbewegung eines in dem Zylinder 2 angeordneten
Kolbens 13 durch eine Kompressionsbewegung eines in dem
Zylinder 2 angeordneten Kolbens 13 auszustoßen.
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Die
Ansteuerung der Drosselklappe 5, der Einspritzdüse 6 sowie
der Einlassventile 3 und Auslassventile 7 sowie
das Festlegen der Zündzeitpunkte
wird durch ein Motorsteuergerät 10 gesteuert.
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Jeder
Zylinder 2 weist weiterhin eine Zündkerze 9 auf, durch
die ein Zündfunken
zum Zünden des
eingelassenen Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt werden kann.
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Beim
Betrieb des Verbrennungsmotors 1 durchläuft jeder Zylinder 2 des
Verbrennungsmotors vier Takte, wobei beim gezeigten Verbrennungsmotor 1 jeder
der Zylinder 2 bezüglich
eines anderen der Zylinder 2 um einen Takt versetzt arbeitet.
Die vier Takte umfassen
- – das Einlassen des Luft-Kraftstoff-Gemisches aus
dem Saugrohr 4 bei einer Expansionsbewegung eines Kolbens
(nicht gezeigt) in dem Zylinder 2
- – ein
Verdichten des eingelassenen Luft-Kraftstoff-Gemisches durch eine
Kompressionsbewegung eines Kolbens 13;
- – ein
Zünden
des Luft-Kraftstoff-Gemisches und eine Expansion, die durch die
Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder 2 hervorgerufen
wird, und
- – ein
Ausstoßen
des Verbrennungsabgases in einer nachfolgenden Kompressionsbewegung.
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Jeder
Zylinder 2 weist weiterhin ein Überleitungsventil 11 auf,
das ebenfalls von dem Motorsteuergerät 10 angesteuert wird.
Das Überleitungsventil 11 dient
dazu, Abgas aus einem Zylinder 2 auszulassen und einem
oder mehreren der weiteren Zylinder 2 zuzuführen. Dazu
sind die Überleitungsventile 11 jedes
Zylinders 2 mit einer Abgasverbindungsleitung 12 verbunden,
mit der eine Abgasüberleitung
von einem Zylinder 2 in einen oder mehrere weitere Zylinder 2 entsprechend
der Öffnung
der jeweiligen Überleitungsventile 11 realisiert
werden kann.
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In
einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform können auch
Umschaltventile im Abgasabschnitt 8 vorgesehen sein, die
gemeinsam mit Auslassventilen 7 der jeweiligen Zylinder 2 geschaltet werden,
um eine Verbindung zwischen den einzelnen Zylindern 2 und
eine Trennung von dem übrigen
Abgasabschnitt 8 zu erreichen. Dadurch kann eine für die Überleitungsventile 11 vorzusehende
zusätzliche Bohrung
in den Zylinderköpfen
vermieden werden, jedoch wären
weitere Umschaltventile in dem Abgasabschnitt 8 erforderlich.
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Alternativ
ist es auch denkbar, jeweils zwei der Zylinder 2 mit einer
Verbindungsleitung zu verbinden, in der nur ein Überleitungsventil angeordnet
ist. Dabei sollte die Verbindungsleitung mit einem möglichst
geringen Volumen ausgelegt werden, da der Weg von dem Auslass des
Zylinders 2 zu dem Überleitungsventil
das Verdichtungsverhältnis
negativ beeinträchtigt.
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Bei
einem herkömmlichen
Verbrennungsmotor 1 werden die Verbrennungsabgase durch Öffnen des
entsprechenden Auslassventils 7 in den Abgasabschnitt 8 ausgestoßen. Bei
einem Teilmotorbetrieb, bei dem nur einem Teil der zur Verfügung stehenden Zylinder 2 ein
Luft-Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung zugeführt wird, besteht die Gefahr,
dass die nicht aktiven, d. h. die nicht befeuerten Zylinder 2 Öldämpfe aus
dem Kurbelwellenbereich ansaugen, wodurch bei einer Wiederaufnahme
der Verbrennung in diesen Zylindern 2 eine deutliche Abgasverschlechterung
und im Extremfall eine Brennraumverkokung auftreten kann. Bei einem
Beibehalten des mit der letzten Verbrennung entstandenen Überdrucks
in den nun abgeschalteten Zylindern 2 kann zwar ein Ansaugen
von Öldämpfen zunächst vermieden
werden, dieser Abgasüberdruck
baut sich jedoch aufgrund von Undichtigkeiten sehr schnell ab, so
dass die Gefahr des Ansaugens von Öldämpfen nach einer bestimmten
Zeitdauer nach dem Abschalten der betreffenden Zylinder 2 erneut
besteht.
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Für den oben
beschriebenen Verbrennungsmotor 1 ist nun ein Verfahren
zum Betreiben bei einer Teillast vorgesehen, bei dem einzelne Zylinder 2 ausgeblendet
werden können,
ohne dass die Gefahr des Ansaugens von Öldämpfen erhöht ist und wobei der Wirkungsgrad
erhöht
werden kann.
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In 2 sind
vier aufeinander folgende Motorzustände des Verbrennungsmotors 1 mit
den entsprechenden Zylinderkolbenstellungen bei vier aufeinander
folgenden jeweils nach einer halben Umdrehung der Kurbelwelle (180°) dargestellt.
Die Zylinder 2 mit den jeweiligen Kolbenstellungen sind
im Querschnitt dargestellt, während
die zu den Zylindern 2 gehörenden Ventile und deren Offen-
bzw. Geschlossen-Stellung als Draufsicht auf den Zylinderkopf dargestellt
ist. Offene Ventile sind durch einen nicht ausgefüllten Kreis
und geschlossene Ventile durch einen Kreis mit einem Kreuz dargestellt.
Weiterhin sind die Ströme
des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch einen gestrichelten Pfeil und
die Ströme
von Abgas durch einen durchgezogenen Pfeil dargestellt. Die Zylinder 2 sind
jeweils als Zylinder Z1 bis Z4 durchnummeriert.
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In 2 sind
die beiden mittleren Zylinder Z2, Z3 ausgeschaltet, d. h. es findet
kein Einlass eines Luft-Kraftstoff-Gemisches statt. Das benötigte Drehmoment
wird lediglich durch die beiden äußeren Zylinder
Z1 und Z4 bereitgestellt.
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In
dem Motorzustand, der mit I bezeichnet ist, befindet sich
der Zylinder Z4 am Ende der Verdichtungsphase, bei der ein zuvor
eingelassenes Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet worden ist. Nach der
Verdichtung wird das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, was
allgemein durch einen Blitz-Pfeil dargestellt ist. In diesem Zustand
sind die Ventile 3, 7, 11 des Zylinders
Z4 vollständig
geschlossen.
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Der
Zylinder Z1 befindet sich in der Kompressionsphase und das Überleitungsventil 11 des Zylinders
Z1 ist geöffnet,
so dass durch die Kompressionsbewegung das darin be findliche Verbrennungsabgas
ausgestoßen
wird. Das Verbrennungsabgas strömt
durch das geöffnete Überleitungsventil 11 und die
Abgasverbindungsleitung 12 zu den Zylindern Z2 und Z3,
deren Überleitungsventile 11 ebenfalls
geöffnet
sind. Die Kolben in den Zylindern Z2 und Z3 befinden sich in einer
Expansionsbewegung. Je nach Druck des von dem Zylinder Z1 bereitgestellten
Abgases saugen durch die Expansionsbewegung die Zylinder Z2 und
Z3 das Verbrennungsabgas ein. Wenn der Druck des Verbrennungsabgases
des Zylinders Z1 ausreichend hoch ist, kann dieser Druck die Expansionsbewegung
der Kolben in den Zylindern Z2 und Z3 unterstützen und ein zusätzliches Moment über die
Kurbelwelle erzeugen.
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In
dem Motorzustand II bewegen sich die Kolben in den Zylindern
Z1 und Z4 nach unten, d. h. es findet eine Expansionsbewegung statt,
während sich
die Kolben der Zylinder Z2 und Z3 nach oben bewegen, d. h. es findet
eine Kompressionsbewegung statt. Durch die Expansionsbewegung des
Zylinders Z1 wird über
das geöffnete
Einlassventil 3 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt und
die Zylinder Z2 und Z3 bewirken durch die Kompressionsbewegung ein
Ausstoßen
der zuvor eingelassenen Verbrennungsabgase über die Auslassventile 7.
Der Zylinder Z4 befindet sich nach der Zündung im Arbeitstakt und erzeugt
ein Drehmoment.
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In
dem Motorzustand III wird das in dem Motorzustand II angesaugte
Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet
(bei geschlossenen Ventilen) und nach der Verdichtung findet eine
Zündung
statt. Von dem Zylinder Z4, der ebenfalls eine Kompressionsbewegung ausführt, wird über das
geöffnete Überleitungsventil 11 Verbrennungsabgas
in die Zylinder Z2 und Z3 geleitet. Dazu sind die Überleitungsventile 11 der
Zylinder Z2 und Z3 geöffnet.
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In
dem Motorzustand IV saugt der Zylinder Z4 aufgrund der
Expansionsbewegung des Kolbens über
das geöffnete
Einlassventil 3 Luft-Kraftstoff-Gemisch ein und die Zylinder
Z2 und Z3 drücken
die zuvor von dem Zylinder Z4 übernommenen
bzw. übergeleiteten
Verbrennungsabgase über
die Auslassventile 7 in den Abgasabschnitt 8.
Der Zylinder Z1 befindet sich nach der Zündung im Arbeitstakt und erzeugt
ein entsprechendes Drehmoment. Der nächste Arbeitstakt entspricht
dem Motorzustand I.
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Zur
Durchführung
des beschriebenen Betriebsverfahrens ist die Anzahl der Zylinder
im Wesentlichen beliebig. Es ist jedoch vorteilhaft, dass die Takte
des Zylinders, von dem Abgas über
das Überleitungsventil
in dem einen oder die mehreren weiteren Zylinder übergeleitet
werden soll, eine um etwa 180° versetzte
Bewegung ausführen.
D. h. wenn sich der Zylinder, aus dem Abgas übergeleitet werden soll, an
dem oberen Totpunkt befindet, sollten sich der eine oder die mehreren
weiteren Zylinder an dem unteren Totpunkt befinden und umgekehrt.
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Soll
das Verfahren auf Verbrennungsmotoren 1 angewendet werden,
bei denen Verbrennungsabgas von einem Zylinder 2 in einen
oder mehrere abgeschaltete Zylinder 2 geleitet wird, deren
Bewegung nicht um 180° des
Kurbelwellenwinkels versetzt ist, so ist der Zeitraum, während dessen
die Überleitung
des Verbrennungsabgases durchgeführt
werden darf, eingeschränkt.
Grundsätzlich
soll das Verbrennungsabgas beim Ausstoßen aus einem Zylinder 2 nur
für den
Zeitraum in die abgeschalteten Zylinder 2 übergeleitet
werden, während
dessen sich diese in einer Expansionsphase befinden.
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Die
Anzahl der nicht aktiven Zylinder 2, in die das Verbrennungsabgas
geleitet wird, ist im Wesentlichen beliebig. Es ist jedoch vorteilhaft,
wenn das Abgas aus dem aktiven Zylinder 2 in mehrere nicht aktive
Zylinder 2 geleitet wird.
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Das Überströmen von
Abgas von einem aktiven auf zwei abgeschaltete Zylinder 2 ist
also besonders vorteilhaft anwendbar, wenn die Kurbelwelle 180°-Kröpfungen
aufweist. Dies ist naturgemäß beim herkömmlichen
4-Zylinder-Motor der Fall, aber auch beim 8- und 12-Zylinder-Motor
lassen sich Zylinderkombinationen finden, welche den gezeigten Ablauf ermöglichen.
Wenn ausgenutzt werden soll, dass das expandierende Abgas ein Drehmoment
bei den abgeschalteten Zylindern 2 erzeugt, ist es sinnvoll,
das Volumen der Verbindungsleitung 12 so gering wie möglich zu
halten, da längere
Gaswege ein größeres Leervolumen
bedeuten, in welches sich das Verbrennungsabgas der aktiven Zylinder 2 verteilt.
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Die
Steuerung der Ventile kann mechanisch über eine Nockenwelle erfolgen,
wobei das Motorsteuergerät 10 ein
Aus- und Einkoppeln der jeweiligen Ventile vornehmen kann. Alternativ
können
die einzelnen Ventile, d. h. das Einlassventil 3, das Auslassventil 7 und
das Überleitungsventil 11 jedes
Zylinders 2 auch elektronisch, pneumatisch oder hydraulisch
mithilfe des Motorsteuergeräts 10 angesteuert werden.
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Ein
wichtiger Aspekt bei Verbrennungsmotoren 1 mit mehr als
einer motorischen Betriebsart, ist der Wechsel zwischen diesen Betriebsarten.
Aus Komfortgründen
sollte es hierbei keinen Momentensprung geben, d. h. die Umschaltung
zwischen den Betriebsarten sollte momentenneutral erfolgen. Dies wird
in bekannter Weise dadurch erreicht, dass Drosselklappe und Zündwinkel
während
der Umschaltphase so variiert werden, dass eine Momentenreserve
beim Umschalten vom Vollmotorbetrieb zum Teilmotorbetrieb aufgebaut
wird, um beim tatsächlichen Abschalten
eines oder mehrerer der Zylinder 2 ein zusätzliches
Drehmoment von den aktiven Zylindern 2 bereitzustellen.
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In 3 ist
eine Umschaltung von dem Teilmotorbetrieb zum Vollmotorbetrieb dargestellt.
Die Motorzustände Ia und IIa stellen Übergangsbetriebszustände dar,
um von dem Teilmotorbetrieb, bei dem Abgas in einen weiteren Zylinder 2 übergeleitet
wird, zu einem herkömmlichen
Viertaktbetrieb des Verbrennungsmotors 1 aller Zylinder 2 zu
gelangen.
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In
dem Zustand Ia befindet sich der Zylinder Z4 am Ende der
Verdichtungsphase, so dass eine Zündung (dargestellt durch den
Blitz-Pfeil) erfolgen kann. Der Zylinder Z1 kann über das
Auslassventil 7 einen Teil des Verbrennungsabgases in üblicher
Weise in den Abgasabschnitt 8 ausstoßen. Zusätzlich ist auch das Überleitungsventil 11 des
Zylinders Z1 geöffnet,
so dass über
die Verbindungsleitung 12 ein Teil des Verbrennungsabgases
in einen der inaktiven Zylinder Z2, Z3 (im gezeigten Beispiel der
Zylinder Z2) geleitet werden kann, so dass dieser das Verbrennungsabgas
von Zylinder Z1 ungedrosselt ansaugen kann. Dem Zylinder Z3 wird
im Gegensatz zu dem Zustand I der 2 kein Verbrennungsabgas zugeführt, da
sich dieser bereits im Ansaugtakt bei geöffnetem Einlassventil 3 zum
Ansaugen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches befindet. Der Zustand Ia würde bei
einem Umschalten von einem Teilmotorbetrieb zum Vollmotorbetrieb
auf den Zustand IV der 2 folgen.
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Als
nächster
Motorzustand IIa wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch
den Zylinder Z1 angesaugt und der Zylinder Z2 stößt das zuvor von dem Zylinder
Z1 erhaltene Verbrennungsabgas in den Abgasabschnitt 8 aus.
Das zuvor in Zylinder Z3 angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch wird
in diesem Zustand gezündet
und der Zylinder Z4 befindet sich nach der Zündung im Arbeitstakt und erzeugt
ein Drehmoment. Bereits in diesem Zustand IIa arbeiten alle
Zylinder Z1 bis Z4 des Verbrennungsmotors 1 in konventio neller
Weise eines 4-Zylinder-Otto-Motors, wobei die Zylinder Z2 und Z3
erst in den nachfolgenden Schritten ein Drehmoment erzeugen.
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In 4 sind
zwei Übergangszustände von einem
Vollmotorbetrieb zu einem Teilmotorbetrieb dargestellt. Die Zustände Ib und IIb folgen
nach dem Motorzustand in einem Vollmotorbetrieb, wie er in 3 als
Motorzustände III und IV dargestellt
ist. In dem Zustand Ib erfolgt statt des konventionellen
Ansaugtaktes für
den Zylinder Z3 das entdrosselte Ansaugen von Abgas aus Zylinder
Z1 über
ein geöffnetes Überleitungsventil 11 des
Zylinders Z1. Bei Zylinder Z1 sind in diesem Zustand sowohl das Überleitungsventil 11 als
auch das Auslassventil 7 geöffnet, da sich der Zylinder 2 noch
im Arbeitstakt befindet und kein Abgas aufnehmen kann. Der Zylinder
Z4 befindet sich nach dem Einlass von einem Luft-Kraftstoff-Gemisch
am Ende der Kompressionsphase, so dass eine Zündung erfolgen kann.
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In
dem Motorzustand IIb werden Verbrennungsabgase aus den
Zylindern Z2 und Z3 in den Abgasabschnitt 8 ausgelassen.
Das Verbrennungsabgas in dem Zylinder Z2 resultiert aus der zuvor stattgefundenen
Verbrennung, während
das Verbrennungsabgas des Zylinders Z3 durch eine Überleitung
des Verbrennungsabgases aus dem Zylinder Z1 resultiert. In diesem
Motorzustand saugt der Zylinder Z1 wieder das Luft-Kraftstoff-Gemisch an und Zylinder
Z4 befindet sich nach der Zündung
im Arbeitstakt und erzeugt ein Drehmoment. Dies entspricht bereits
dem in 2 gezeigten Motorzustand II, so dass
der Übergang
zum Teilmotorbetrieb vollzogen ist. Der weitere Ablauf erfolgt dann
gemäß den Zuständen III und IV der
Abbildung in 2.