-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine dazugehörige Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 3.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zur besseren Ausnutzung des Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine bei Teillastbetrieb ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine abgeschaltet und bei Volllastbetrieb wieder zugeschaltet werden. Durch die Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb werden gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch sowie der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine verringert.
-
Aus der
DE 26 48 411 A1 ist eine aufgeladene Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, bei der beim Starten und im Teillastbetrieb zumindest ein Zylinder als Motorzylinder betrieben wird, der von einem als Verdichter betriebenen Zylinder aufgeladen wird. Der Kolben des Verdichterzylinders eilt dem Kolben des Motorzylinders so weit voraus, dass der Motorzylinder von dem Verdichterzylinder unmittelbar über eine Verbindungsleitung aufgeladen werden kann.
-
Aus der
DE 27 19 668 C2 ist eine mehrzylindrige durch einen Turbolader aufgeladene Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, bei der beim Anlassen und im Teillastbetrieb einige mittels mechanischer Ventilbetätigung gesteuerte Zylinder bei abgeschalteter Brennstoffversorgung als Kompressoren zur Druckluftversorgung der betriebenen Zylinder genutzt werden. Der Abgasturbolader ist dabei unabhängig vom Betriebszustand der Zylinder dauernd im Betrieb.
-
Nachteil der im Teillastbetrieb arbeitenden Zylinder als Verdichter ist, dass die damit erzielbare Aufladung des Motorzylinders begrenzt ist.
-
Aus der
DE 10 2008 044 076 A1 ist eine im Teillastbetrieb betreibbare Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Teillastbetrieb die Verbrennungsabgase aus den als Motor arbeitenden Zylindern einem oder mehreren abgeschalteten Zylindern zugeleitet werden. Durch die Gasexpansion der Verbrennungsabgase in den abgeschalteten Zylindern wird ein zusätzliches auf die Kurbelwelle wirkendes Drehmoment erzeugt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Betrieb einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung zu schaffen, mit dem/der der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine insbesondere im Teillastbetrieb verbessert und die Reibungsverluste reduziert werden.
-
Diese Aufgabe wird entsprechend dem Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entsprechend der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass im Teillastbetrieb einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei der die abgeschalteten Zylinder als Verdichter betrieben werden und die verdichtete Frischluft den als Motor arbeitenden Zylindern über die Einlassventile zugeführt wird, die Verbrennungsabgase aus den als Motor arbeitenden Zylindern einem oder mehreren abgeschalteten und als Verdichter betriebenen Zylindern zugeführt und dort unter Erzeugung eines auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmomentes expandiert werden.
-
Gemäß der Vorrichtung zum Betrieb einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, bei der die abgeschalteten Zylinder über eine Teil-Saugrohrleitung mit den als Motor betriebenen Zylindern verbindbar sind, sind erfindungsgemäß den Zylindern der Brennkraftmaschine jeweils eine Teil-Abgasleitung zugeordnet, in denen jeweils ein durch ein Motorsteuergerät ansteuerbares Steuerventil angeordnet ist. Dabei mündet die jeweilige Teil-Abgasleitung der als Motor betriebenen Zylinder in eine jeweilige Teil-Abgasleitung der im Teillastbetrieb als Verdichter betriebenen Zylinder ein. Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine sind die Steuerventile derart geschaltet, dass die Verbrennungsabgase aus den als Motor betriebenen Zylindern den als Verdichter arbeitenden Zylindern zur Expansion zugeführt werden.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass während des Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine, bei der die Kraftstoffversorgung für ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet ist, die abgeschalteten Zylinder als Kompressions- und Expansionszylinder arbeiten. Dabei werden in der Kompressionsphase die als Motor arbeitenden Arbeitszylinder mit verdichteter Luft versorgt und in der Expansionsphase wird der Restenergiegehalt des Abgases der Arbeitszylinder in den abgeschalteten Zylindern genutzt, um weitere Antriebsenergie auf die Kurbelwelle zu bringen. Beide Maßnahmen steigern den inneren Wirkungsgrad des Motors deutlich. Neben der besseren Ausnutzung der Energie der abgeschalteten Zylinder und der Restenergie der Abgase aus den als Motor betriebenen Zylindern werden gleichzeitig die Reibungsverluste der Brennkraftmaschine reduziert.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
-
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der dazugehörigen Zeichnung ist schematisch ein Schaltbild zum Betreiben einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung dar gestellt.
-
In der 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 15 mit vier Zylindern 1; 2; 3; 4 dargestellt, die durch Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zu einem oder mehreren Zylindern im Teillastbetrieb betrieben wird. Die Zylinder 1; 2; 3; 4 weisen entsprechende nicht dargestellte Einlassventile zur Zuführung der Frischluft und nicht dargestellte Auslassventile zum Auslass der Verbrennungsgase aus den Zylindern 1; 2; 3; 4 auf. Dabei können je Zylinder ein oder mehrere Ein- und Auslassventile angeordnet sein. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel werden die beiden mittleren Zylinder 2 und 3 ständig als Motor betrieben, während im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 die Kraftstoffzufuhr für die Zylinder 1 und 4 unterbrochen wird. Im Volllastbetrieb arbeiten alle vier Zylinder 1; 2; 3; 4 als Motor. Die nachfolgend für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine beschriebene erfindungsgemäße Lösung lässt sich analog für jede Brennkraftmaschine mit mehr als zwei Zylindern einsetzen. Dabei ist es auch nicht unbedingt erforderlich, dass die Anzahl der ständig betrieben Zylindern der Anzahl der abschaltbaren Zylinder entspricht. Die Brennkraftmaschine 15 kann dabei als Saugmotor oder mit einer Aufladung durch einen Abgasturbolader oder durch einen mechanischen Lader zur Steigerung der Motorleistung betrieben werden.
-
Der erste Zylinder 1 ist mit einem Saugrohr 16 zur Zuführung der Frischluft verbunden, wobei in dem Saugrohr 16 ein erstes Steuerventil 5 zur Freigabe und zum Verschließen des durchströmten Querschnittes des Saugrohrs 16 angeordnet ist. Der vierte Zylinder 4 ist mit einem Saugrohr 16' verbunden, in dem ein zweites Steuerventil 6 angeordnet ist. Das Saugrohr 16 und das Saugrohr 16' sind miteinander verbunden und werden von einem gemeinsamen Saugrohr gespeist. Der zweite Zylinder 2 ist über eine erste Teil-Saugrohrleitung 18 mit dem Saugrohr 16' verbunden. Die erste Teil-Saugrohrleitung 18 mündet dabei im Bereich zwischen dem vierten Zylinder 4 und dem zweiten Steuerventil 6 in das Saugrohr 16'. In der ersten Teil-Saugrohrleitung 18 ist nach dem zweiten Zylinder 2 ein erster Ladeluftkühler 9 und ein viertes Steuerventil 8 angeordnet. Der dritte Zylinder 3 ist über eine zweite Teil-Saugrohrleitung 19 mit dem Saugrohr 16 verbunden. Die zweite Teil-Saugrohrleitung 19 mündet dabei im Bereich zwischen dem ersten Zylinder 1 und dem ersten Steuerventil 5 in das Saugrohr 16. In der zweiten Teil-Saugrohrleitung 19 ist nach dem dritten Zylinder 3 ein zweiter Ladeluftkühler 10 und ein drittes Steuerventil 7 angeordnet.
-
Dem ersten Zylinder 1 ist eine vierte Teil-Abgasleitung 23 zugeordnet, in der ein siebtes Steuerventil 13 angeordnet ist. Dem vierten Zylinder 4 ist eine dritte Teil-Abgasleitung 22 zugeordnet, in der ein achtes Steuerventil 14 angeordnet ist. Die beiden Teil-Abgasleitungen 22 und 23 münden ineinander und bilden eine Abgasleitung 17. Dem zweiten Zylinder 2 ist eine zweite Teil-Abgasleitung 21 zugeordnet, die im Bereich zwischen dem ersten Zylinder 1 und dem siebten Steuerventil 13 in die vierte Teil-Abgasleitung 23 mündet. In der zweiten Teil-Abgasleitung 21 ist vor der Einmündung der Teil-Abgasleitung 21 in die Teil-Abgasleitung 23 ein fünftes Steuerventil 11 angeordnet. Dem dritten Zylinder 3 ist eine erste Teil-Abgasleitung 20 zugeordnet, die im Bereich zwischen dem vierten Zylinder 4 und dem achten Steuerventil 14 in die dritte Teil-Abgasleitung 22 mündet. In der ersten Teil-Abgasleitung 20 ist vor der Einmündung der Teil-Abgasleitung 20 in die Teil-Abgasleitung 22 ein sechstes Steuerventil 12 angeordnet.
-
Die Steuerventile 5; 6; 7; 8; 11; 12; 13 und 14 sind mit einem nichtdargestellten Motorsteuergerät verbunden, von dem sie entsprechend zur Öffnung und Schließung angesteuert werden.
-
Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 werden alle Zylinder, gemäß dem Ausführungsbeispiel die Zylinder 1; 2; 3 und 4, als Motor betrieben, wobei den Zylindern 1 bis 4 Frischluft und Kraftstoff zur Durchführung des Verbrennungsprozesses zugeführt werden. Dabei sind alle Steuerventile 5; 6; 7; 8; 11; 12; 13 und 14 geöffnet, so dass dem ersten Zylinder 1 über das Saugrohr 16 und dem offenen ersten Steuerventil 5, dem zweiten Zylinder 2 über das Saugrohr 16', dem offenen zweiten Steuerventil 6 und der ersten Teil-Saugrohrleitung 18 mit dem offenen vierten Steuerventil 8, dem dritten Zylinder 3 über das Saugrohr 16, dem offenen ersten Steuerventil 5 und der zweiten Teil-Saugrohrleitung 19 mit dem offenen dritten Steuerventil 7 und dem vierten Zylinder 4 über das Saugrohr 16' und dem offenen zweiten Steuerventil 6 die Frischluft zugeführt wird.
-
Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 werden die Verbrennungsgase aus dem ersten Zylinder 1 über die vierte Teil-Abgasleitung 23 und dem geöffneten siebten Steuerventil 13, aus dem zweiten Zylinder 2 über die zweite Teil-Abgasleitung 21, dem geöffneten fünften Steuerventil 11 und der vierten Teil-Abgasleitung 23 mit dem geöffneten siebten Steuerventil 13, aus dem dritten Zylinder 3 über die erste Teil-Abgasleitung 20, dem geöffneten sechsten Steuerventil 12 und der dritten Teil-Abgasleitung 22 mit dem geöffneten achten Steuerventil 14 und aus dem vierten Zylinder 4 über die dritte Teil-Abgasleitung 22 mit dem geöffneten achten Steuerventil 14 zu der Abgasleitung 17 geführt.
-
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Schaltstellungen der Ein- und Auslassventile und der Steuerventile
5;
6;
7;
8;
11;
12;
13 und
14 der einzelnen Zylinder
1;
2;
3 und
4 der Brennkraftmaschine
15 im Volllastbetrieb dargestellt, wobei die Brennkraftmaschine
15 als Viertaktmotor betrieben wird. Tabelle 1
| | | 1. Takt | 2. Takt | 3. Takt | 4. Takt |
| Zylinder 1 | Takt | Ansaugen | Kompression | Arbeiten | Ausschieben |
| | Einlassventile | auf | zu | zu | zu |
| | Auslassventile | zu | zu | zu | auf |
| Zylinder 2 | Takt | Kompression | Arbeiten | Ausschieben | Ansaugen |
| | Einlassventile | zu | zu | zu | auf |
| | Auslassventile | zu | zu | auf | zu |
| Zylinder 3 | Takt | Ausschieben | Ansaugen | Kompression | Arbeiten |
| | Einlassventile | zu | auf | zu | zu |
| | Auslassventile | auf | zu | zu | zu |
| Zylinder 4 | Takt | Arbeiten | Ausschieben | Ansaugen | Kompression |
| | Einlassventile | zu | zu | auf | zu |
| | Auslassventile | | auf | zu | zu |
| Steuerventile | 5 bis 8 und 11 bis 14 | auf | auf | auf | auf |
-
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Lösung im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 beschrieben. Gemäß dem Ausführungsbeispiel werden dabei die Zylinder 2 und 3 als Motor betrieben, während für den ersten Zylinder 1 und den vierten Zylinder 4 eine Zylinderabschaltung durch eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern 1 und 4 erfolgt. Bei einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 wird in den nicht am Motorbetrieb beteiligten Zylindern 1 und 4 die zugeführte Frischluft verdichtet und danach den als Motor betriebenen Zylindern 2 und 3 als aufgeladene Verbrennungsluft zugeführt. Erfindungsgemäß werden im Teillastbetrieb die Verbrennungsabgase aus den als Motor arbeitenden Zylindern 2 und 3 den als Verdichter arbeitenden Zylindern 1 und 4 zugeführt, in denen eine Entspannung der Verbrennungsabgase unter Erzeugung eines zusätzlich auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmomentes erfolgt.
-
Die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine 15 im Teillastbetrieb wird nachfolgend beschrieben. Dabei werden die Zylinder 2 und 3 als Motor und die Zylinder 1 und 4 als Verdichter für die den Zylindern 2 und 3 zugeführte Frischluft betrieben.
-
Während des ersten Taktes von Zylinder 1 (Ansaugens der Frischluft) ist das erste Steuerventil 5 offen und das dritte Steuerventil 7 geschlossen, so dass über das Saugrohr 16 die Luft zu dem Zylinder 1 transportiert wird. Über das offene Einlassventil des Zylinders 1 wird die Frischluft ohne Zugabe von Brennstoff durch den Kolben des Zylinders 1 angesaugt. Während des Ansaugtaktes ist das Auslassventil des ersten Zylinders 1 geschlossen.
-
Im zweiten Takt des Zylinders 1 erfolgt die Kompression der zugeführten Luftmenge im Zylinder 1 bei einem offenen Einlassventil und einem geschlossenen Auslassventil. Zu Beginn des zweiten Taktes des Zylinders 1 wird über das Motorsteuergerät das erste Steuerventil 5 geschlossen und das dritte Steuerventil 7 geöffnet. Dadurch wird die in dem ersten Zylinder 1 verdichtete Frischluft über das geöffnete dritte Steuerventil 7 und die zweite Teil-Saugrohrleitung 19 dem im Ansaugtakt befindlichen dritten Zylinder 3 zugeführt. Durch den in der zweiten Teil-Saugrohrleitung 19 angeordneten Ladeluftkühler 10 wird die im ersten Zylinder 1 kompressierte und erhitzte Luft abgekühlt. Während des Ansaugtaktes ist das Einlassventil des dritten Zylinders 3 geöffnet und das Auslassventil geschlossen. Am Ende des Taktes wird das dritte Steuerventil 7 geschlossen, so dass nach Schließen des Einlassventils des dritten Zylinders 3 der aufgebaute Ladedruck bis dahin erhalten bleibt. Die so im dritten Zylinder 3 enthaltene vorkomprimierte Ladeluft wird im Zylinder 3 im nächsten Takt herkömmlich bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen verdichtet.
-
Im folgenden Arbeitstakt wird in den dritten Zylinder 3 der Kraftstoff eingebracht, mit der Frischluft gemischt und verbrannt, wobei in dem Arbeitstakt durch den Kolben des dritten Zylinders 3 eine Kraft auf die Kurbelwelle eingebracht wird. Während des Arbeitstaktes des dritten Zylinders 3 sind die Ein- und Auslassventile des dritten Zylinders geschlossen.
-
Danach erfolgt ein Ausschieben der Verbrennungsabgase aus dem dritten Zylinder 3 bei offenem Auslassventil und geschlossenem Einlassventil. Dabei ist das sechste Steuerventil 12 in einer offenen Schaltstellung und das achte Steuerventil 14 ist geschlossen, so dass die Verbrennungsabgase aus dem dritten Zylinder 3 über die erste Teil-Abgasleitung 20 und die dritte Teil-Abgasleitung 22 dem vierten Zylinder 4 über das offene Auslassventil zugeführt werden. Das Einlassventil des vierten Zylinders 4 ist dabei geschlossen. In dem vierten Zylinder 4 erfolgt eine Expansion der zugeführten Verbrennungsabgase aus dem Zylinder 3. Durch die Expansion der Verbrennungsgase im vierten Zylinder 4 wird durch den Kolben des vierten Zylinders 4 ebenfalls eine Kraft auf die Kurbelwelle eingebracht.
-
Danach werden die im vierten Zylinder 4 expandierten Verbrennungsabgase bei offenem Auslassventil und geschlossenem Einlassventil aus dem vierten Zylinder 4 ausgeschoben. Das sechste Steuerventil 12 ist dabei geschlossen und das achte Steuerventil 14 geöffnet, so dass die expandierten Verbrennungsabgase über die dritte Teil-Abgasleitung 22 der Abgasleitung 17 des Abgasstranges zugeführt werden.
-
Danach erfolgt analog zu dem vorstehend beschriebenen Prozess ein Ansaugen der Frischluft durch den vierten Zylinder 4. Danach wird die verdichtete Frischluft dem zweiten Zylinder 2 als Ladeluft zugeführt und die Verbrennungsabgase des zweiten Zylinders 2 werden zur Expansion dem ersten Zylinder 1 zugeführt.
-
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind zusammenfassend die Schaltstellungen der Ein- und Auslassventile und der Steuerventile
5;
6;
7;
8;
11;
12;
13 und
14 der einzelnen Zylinder
1;
2;
3 und
4 der Brennkraftmaschine
15 im Teillastbetrieb dargestellt. Tabelle 2
| | | 1. Takt | 2. Takt | 3. Takt | 4. Takt |
| Zylinder 1 | Takt | Ansaugen | Kompression | Expansion | Ausschieben |
| | Einlassventile | auf | auf | zu | zu |
| | Auslassventile | zu | zu | auf | auf |
| Zylinder 2 | Takt | Kompression | Arbeiten | Ausschieben | Ansaugen |
| | Einlassventile | zu | zu | zu | auf |
| | Auslassventile | zu | zu | auf | zu |
| Zylinder 3 | Takt | Ausschieben | Ansaugen | Kompression | Arbeiten |
| | Einlassventile | zu | auf | zu | zu |
| | Auslassventile | auf | zu | zu | zu |
| Zylinder 4 | Takt | Expansion | Ausschieben | Ansaugen | Kompression |
| | Einlassventile | zu | zu | auf | auf |
| | Auslassventile | auf | auf | zu | zu |
| Steuerventile | 5 | auf | zu | zu | zu |
| | 6 | zu | zu | auf | zu |
| | 7 | zu | auf | zu | zu |
| | 8 | zu | zu | zu | auf |
| | 11 | zu | zu | auf | zu |
| | 12 | auf | zu | zu | zu |
| | 13 | zu | zu | zu | auf |
| | 14 | zu | auf | zu | zu |
-
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein optimaler Betrieb der Brennkraftmaschine 15 auch im Teillastbetrieb gegeben.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- erster Zylinder
- 2
- zweiter Zylinder
- 3
- dritter Zylinder
- 4
- vierter Zylinder
- 5
- erstes Steuerventil
- 6
- zweites Steuerventil
- 7
- drittes Steuerventil
- 8
- viertes Steuerventil
- 9
- erster Ladeluftkühler
- 10
- zweiter Ladeluftkühler
- 11
- fünftes Steuerventil
- 12
- sechstes Steuerventil
- 13
- siebtes Steuerventil
- 14
- achtes Steuerventil
- 15
- Brennkraftmaschine
- 16
- Saugrohr
- 16'
- Saugrohr
- 17
- Abgasleitung
- 18
- erste Teil-Saugrohrleitung
- 19
- zweite Teil-Saugrohrleitung
- 20
- erste Teil-Abgasleitung
- 21
- zweite Teil-Abgasleitung
- 22
- dritte Teil-Abgasleitung
- 23
- vierte Teil-Abgasleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 2648411 A1 [0003]
- DE 2719668 C2 [0004]
- DE 102008044076 A1 [0006]
