DE102013213294A1 - Combustion engine with cylinder deactivation and method for cylinder deactivation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, die in eine erste und eine zweite Zylindergruppe gruppiert sind, wobei die Zylinder der zweiten Zylindergruppe in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors abschaltbar sind, und mit einer ersten (5, 6) und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8), welche parallel angeordnet sind. Gemäß der Erfindung gibt es eine gemeinsame Abgasleitung (2) für die Abgase beider Zylindergruppen, die sich in einen ersten Leitungszweig (3) zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) und einen zweiten Leitungszweig (4) zu der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung verzweigt, und außerdem ist eine Einrichtung (10) zum Schließen des zweiten Leitungszweigs (4) vorgesehen.The invention relates to an internal combustion engine with a plurality of cylinders, which are grouped into a first and a second cylinder group, wherein the cylinders of the second cylinder group are switched off in a partial load operation of the internal combustion engine, and with a first (5, 6) and a second exhaust aftertreatment device (7, 8), which are arranged in parallel. According to the invention there is a common exhaust pipe (2) for the exhaust gases of both cylinder groups, which branches into a first line branch (3) to the first exhaust aftertreatment device (5, 6) and a second line branch (4) to the second exhaust aftertreatment device, and also a device (10) for closing the second line branch (4) is provided.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung sowie ein Verfahren zur Zylinderabschaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, die in eine erste und eine zweite Zylindergruppe gruppiert sind, wobei die Zylinder der zweiten Zylindergruppe in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors abschaltbar sind, und mit einer ersten und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche parallel angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem derartigen Verbrennungsmotor, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to an internal combustion engine with cylinder deactivation and a method for cylinder deactivation. In particular, the invention relates to an internal combustion engine having a plurality of cylinders grouped into a first and a second cylinder group, wherein the cylinders of the second cylinder group are switched off in a partial load operation of the internal combustion engine, and with a first and a second exhaust aftertreatment device, which are arranged in parallel, and a method for cylinder deactivation in such an internal combustion engine, according to the preambles of the independent claims.
Durch eine Zylinderabschaltung wird eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren ermöglicht. Dazu wird bei geringer Vortriebsanforderung die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe unterbrochen, die aus einem oder mehreren Zylindern bestehen kann. Die Luftzufuhr kann z. B. durch Deaktivieren der Ventile der abgeschalteten Zylinder unterbrochen werden, um Gaswechselverluste zu vermeiden, doch gibt es hierfür auch andere Lösungen. A cylinder deactivation enables a reduction in the fuel consumption of multi-cylinder internal combustion engines. For this purpose, the fuel supply to a cylinder group is interrupted at low propulsion request, which may consist of one or more cylinders. The air supply can z. B. by deactivating the valves of the deactivated cylinders are interrupted to avoid gas exchange losses, but there are other solutions for this purpose.
Bei Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung gibt es für die abschaltbaren Zylinder und die im Zylinderabschaltbetrieb noch gefeuerten Zylinder in der Regel je einen eigenen Abgasstrang mit Abgasnachbehandlungseinrichtung. Ein derartiger Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z.B. aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung noch mehr zu senken. The invention is based on the object to further reduce fuel consumption and pollutant emissions of multi-cylinder internal combustion engines with cylinder deactivation.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung und ein Verfahren zur Zylinderabschaltung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. This object is achieved by a cylinder deactivation internal combustion engine and a cylinder deactivation method according to the independent claims.
Bei der Erfindung führt eine gemeinsame Abgasleitung für die Abgase beider Zylindergruppen vom Verbrennungsmotor zu den beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen und verzweigt sich dort in einen ersten und einen zweiten Leitungszweig zu der ersten bzw. der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, und der zweite Leitungszweig kann während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, in dem die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind, oder unter anderen Bedingungen geschlossen werden. In the invention, a common exhaust pipe for the exhaust gases of both cylinder groups from the internal combustion engine to the two exhaust aftertreatment devices and branches there into a first and a second line branch to the first and the second exhaust aftertreatment device, and the second line branch during a partial load operation of the internal combustion engine, in the cylinders of the second cylinder group are switched off, or be closed under other conditions.
Dies ermöglicht es, die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen optimal an die Betriebsarten mit bzw. ohne Zylinderabschaltung anzupassen und unter allen Betriebsbedingungen ein möglichst schnelles Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators der Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. deren Aufrechterhaltung sicherzustellen. This makes it possible to optimally adapt the two exhaust aftertreatment devices to the operating modes with or without cylinder deactivation and to ensure as fast as possible the light-off temperature of the catalyst of the exhaust gas aftertreatment device or its maintenance under all operating conditions.
Bei den bekannten Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung ist dies nicht möglich, weil die beiden parallelen Abgasnachbehandlungseinrichtungen praktisch identisch sein müssen, wenn die beiden Zylindergruppen dieselbe Zahl von Zylindern enthalten, um Volllast-Bedingungen gerecht zu werden. In the known internal combustion engines with cylinder deactivation, this is not possible because the two parallel exhaust aftertreatment devices must be virtually identical when the two cylinder groups contain the same number of cylinders to meet full load conditions.
Hingegen ist es bei der Erfindung möglich, die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen unterschiedlich auszulegen, wobei die während der Zylinderabschaltung aktive erste Abgasnachbehandlungseinrichtung optimal an die in dieser Betriebsart vorherrschende Abgasmenge und Abgaszusammensetzung angepasst werden kann und die zuschaltbare zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung so ausgelegt werden kann, dass sie in Kombination mit der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung den im Normalbetrieb vorherrschenden Bedingungen optimal gerecht wird. Auf diese Weise können der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß gesenkt werden. By contrast, it is possible with the invention to design the two exhaust aftertreatment devices differently, wherein the active during the cylinder deactivation first exhaust aftertreatment device can be optimally adapted to the prevailing in this mode exhaust gas quantity and exhaust gas composition and the switchable second exhaust aftertreatment device can be designed so that they in combination with the first exhaust aftertreatment device optimally meets the conditions prevailing in normal operation. In this way, the fuel consumption and pollutant emissions can be reduced.
Insbesondere kann die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung ein größeres Abgasreinigungsvermögen pro Zylinder als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung haben, wobei das Abgasreinigungsvermögen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung durch deren Volumen, Strömungsquerschnitte bzw. katalytisch oder filternd wirksame Oberflächen bestimmt wird. Im Normalbetrieb, in dem alle Zylinder gefeuert sind, wird pro Zylinder nämlich wesentlich mehr Katalysatormaterial als im Zylinderabschaltbetrieb benötigt, weil eine Zylinderabschaltung tendenziell während niedrigerer Motorlasten stattfindet. In particular, the second exhaust gas aftertreatment device can have a greater exhaust gas purification capacity per cylinder than the first exhaust gas aftertreatment device, wherein the exhaust gas purification capability of an exhaust gas aftertreatment device is determined by its volume, flow cross sections or catalytically or filtering effective surfaces. In normal operation, in which all cylinders are fired, much more catalyst material per cylinder is required than in Zylinderabschaltbetrieb, because a cylinder shutdown tends to take place during lower engine loads.
Während eines Übergangs vom Normalbetrieb zum Zylinderabschaltbetrieb bei gleichbleibender Last des Verbrennungsmotors erhöht sich die Abgastemperatur, weil die gefeuerten Zylinder mehr Drehmoment erzeugen müssen, um die Motorlast zu halten, und dementsprechend mehr Kraftstoff erhalten müssen. Jedoch wird der Massenstrom beinahe halbiert. In der Summe resultiert dies in einem geringeren Energiefluss durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung und insbesondere durch den üblicherweise darin enthaltenen Oxidationskatalysator. Wenn dieser wie im Stand der Technik dafür ausgelegt ist, mit der halben Vollgas-Abgasmenge fertig zu werden, besteht die Möglichkeit, dass im Zylinderabschaltbetrieb die Arbeitstemperatur oder Anspringtemperatur des Katalysators unterschritten wird bzw. nicht oder nur langsam erreicht wird, besonders bei kaltem Verbrennungsmotor. During a transition from normal operation to cylinder deactivation operation while maintaining the load on the internal combustion engine, the exhaust gas temperature increases because the fired cylinders must generate more torque to maintain engine load, and accordingly more fuel must be received. However, the mass flow is almost halved. In total, this results in a lower energy flow through the exhaust aftertreatment device and in particular by the usually contained therein oxidation catalyst. If this is designed as in the prior art, to cope with the half full throttle exhaust gas, there is a possibility that in Zylinderabschaltbetrieb the working temperature or light-off temperature of the catalyst is exceeded or not or only slowly achieved, especially in cold combustion engine.
Ein Katalysator mit geringerem Abgasreinigungsvermögen hat in der Regel auch eine geringere Wärmekapazität und kann daher schneller auf seine Anspringtemperatur aufgeheizt werden bzw. mit weniger Energie auf dieser Temperatur gehalten werden. Daher kann man den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß oft noch mehr senken, wenn man unterschiedlich dimensionierte parallele Katalysatoren verwendet. As a rule, a catalyst with a lower exhaust gas purification capacity also has a lower heat capacity and can therefore be heated up to its light-off temperature more quickly or kept at this temperature with less energy. Therefore, you can often reduce fuel consumption and pollutant emissions even more, if you use different sized parallel catalysts.
Parallel geschaltete, teils auch unterschiedlich ausgeführte Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die jeweils für unterschiedliche Bedingungen, insbesondere unterschiedliche Abgastemperaturen ausgelegt sind und die in Anpassung an die geraden herrschenden Bedingungen abgesperrt, zugeschaltet oder umgeschaltet werden können, sind im Stand der Technik zwar an sich bekannt, z. B. aus der
In Verbindung mit einer Zylinderabschaltung und deren spezieller Problematik, wie oben erläutert, bietet eine Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung jedoch zusätzliche Möglichkeiten, Kraftstoffeinsparung und Schadstoffsenkung zu erzielen, und zwar sowohl bei kaltem als auch bei warmem Verbrennungsmotor. However, in conjunction with a cylinder deactivation and its particular problem as explained above, a dual exhaust aftertreatment device provides additional opportunities to achieve fuel economy and pollution reduction, both in cold and warm combustion engines.
Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung Materialeinsparungen sowie eine Verminderung des Strömungswiderstands des Abgasleitungssystems von Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung und damit weitere Verbrauchssenkungen. In addition, the invention allows material savings and a reduction of the flow resistance of the exhaust pipe system of internal combustion engines with cylinder deactivation and thus further consumption reductions.
In einer Ausführungsform, in der beide Zylindergruppen dieselbe Zahl von Zylindern besitzen, hat die zweite Abgasreinigungseinrichtung ein mehr als doppelt so großes Gesamt-Abgasreinigungsvermögen als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung, und in manchen derartigen Motorkonfigurationen kann ein Verhältnis der Gesamt-Abgasreinigungsvermögen der beiden Abgasreinigungseinrichtung von ungefähr 30:70 besonders günstig sein. In an embodiment where both cylinder groups have the same number of cylinders, the second exhaust purification device has more than twice the total exhaust purification capability than the first exhaust after treatment device, and in some such engine configurations a ratio of the total exhaust purification capabilities of the two exhaust purification devices may be about 30 : 70 be particularly cheap.
Die Einrichtung zum Schließen des zweiten Leitungszweigs könnte so ausgebildet sein, dass sie auch für den ersten Leitungszweig wirksam sein kann, indem sie wahlweise den ersten oder den zweiten Leitungszweig verschließt, wobei auch Zwischenstellungen möglich sein könnten, oder beide Leitungszweige ganz öffnet. The means for closing the second leg could be adapted to operate also on the first leg by selectively closing the first or second leg, intermediate positions also being possible, or opening both legs completely.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung zum Schließen des zweiten Leitungszweigs jedoch einfach eine hinter der Verzweigung in dem zweiten Leitungszweig angeordnete Klappe, welche den zweiten Leitungszweig ganz oder teilweise schließen kann, und noch mehr bevorzugt ist sie eine Absperrklappe, welche den zweiten Leitungszweig entweder ganz öffnet oder ganz verschließt. However, in a preferred embodiment, the means for closing the second leg is simply a flap located behind the branch in the second leg, which may close all or part of the second leg, and even more preferably is a butterfly, which either completely orbits the second leg opens or closes completely.
Jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter enthalten, und wenn der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist, besteht jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorzugsweise aus einem Dieseloxidationskatalysator und einem Dieselpartikelfilter. Für einen Dieselmotor ist es besonders wichtig, den Katalysator möglichst früh auf seine Anspringtemperatur zu bringen, damit Kohlenmonoxid möglichst früh konvertiert werden kann. Dies ist mit der kleiner ausgelegten zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung auch für Dieselmotoren möglich, welche tendenziell weniger Abgaswärme als Benzinmotoren erzeugen. Sobald mehr Abgasreinigungsvermögen erforderlich ist, kann dieses durch Dazuschalten der größer ausgelegten Abgasnachbehandlungseinrichtung schnell auf den Maximalwert vergrößert werden. Each of the two exhaust after-treatment devices may include an oxidation catalyst and / or a particulate filter, and when the internal combustion engine is a diesel engine, each of the two exhaust after-treatment devices preferably consists of a diesel oxidation catalyst and a diesel particulate filter. For a diesel engine, it is particularly important to bring the catalyst as early as possible to its light-off temperature, so that carbon monoxide can be converted as early as possible. This is possible with the smaller designed second exhaust aftertreatment device also for diesel engines, which tend to produce less exhaust heat than gasoline engines. As soon as more exhaust gas purification capacity is required, this can be rapidly increased to the maximum value by switching on the larger exhaust gas aftertreatment device.
Auslassseitig können die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen miteinander verbunden sein und in einen gemeinsamen Schalldämpfer münden. Die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen bilden dann eine gemeinsame Baugruppe, in der sie miteinander Wärmekontakt haben können, derart, dass die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, in dem die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind, von der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung auf Temperatur gebracht bzw. gehalten wird. Ein guter Wärmekontakt kann z. B. mittels einer Rohr-in-Rohr-Anordnung erzielt werden. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit zwei thermisch getrennten Abgasnachbehandlungseinrichtungen realisierbar. On the outlet side, the two exhaust aftertreatment devices can be connected to each other and open into a common muffler. The two exhaust aftertreatment devices then form a common assembly in which they may have thermal contact with each other, such that the second exhaust aftertreatment device is brought or maintained by the first exhaust aftertreatment device during a partial load operation of the internal combustion engine in which the cylinders of the second cylinder group are switched off , A good thermal contact can z. B. can be achieved by means of a tube-in-tube arrangement. In principle, however, the invention can also be implemented with two thermally separated exhaust aftertreatment devices.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einer ersten und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors einige der Zylinder abgeschaltet werden und das Abgas der gefeuerten Zylinder durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen gelassen wird, wie aus der
Wenn der Abgasstrom auf eine derartige Weise geteilt wird, strömt vorzugsweise mehr Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung als durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung. When the exhaust stream is split in such a manner, more exhaust gas preferably flows through the second exhaust aftertreatment device than through the first exhaust aftertreatment device.
Vorzugsweise wird in einem Zylinderabschaltbetrieb, aber auch in einem Normalbetrieb, wenn alle Zylinder bei effektiven Mitteldrücken (BMEP; Break Mean Effektive Pressure) im Zylinder bis zu ungefähr 3 bar bei Diesel und 6 bar bei Ottomotorischen Anwendungen gefeuert werden, verhindert, dass Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung strömt. Bei höheren Drücken, wenn alle Zylinder befeuert werden, werden beide Abgasnachbehandlungseinrichtungen von Abgas durchströmt. Bei höheren Motorlasten, die effektiven Mitteldrücken im Zylinder von mehr als 3 bar (Diesel) bzw. 6 bar (Otto) entsprechen, läuft der Verbrennungsmotor mit allen Zylindern verbrauchsgünstig, während bei niedrigeren Motorlasten Verdünnungseffekte auftreten, weshalb die Verbrennung durch zusätzliches Einbringen von Kraftstoff stabilisiert werden muss. Preferably, in a cylinder deactivation operation, but also in a normal operation, when all cylinders are fired at break-up effective pressure (BMEP) in the cylinder up to about 3 bar for diesel and 6 bar for gasoline engine applications, exhaust gas is prevented from flowing through the cylinder second exhaust aftertreatment device flows. At higher pressures, when all cylinders are fired, exhaust gas aftertreatments are passed through both exhaust aftertreatment devices. At higher engine loads, which correspond to effective mean pressures in the cylinder of more than 3 bar (diesel) or 6 bar (Otto), the combustion engine runs with all cylinders fuel efficient, while at lower engine loads dilution effects occur, so the combustion stabilized by additional introduction of fuel must become.
Die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind auch für das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil. The refinements of the internal combustion engine according to the invention specified in the dependent claims are also advantageous for the method according to the invention.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen: The following is a description of embodiments with reference to the drawings. Show:
Die Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung
In dem zweiten Leitungszweig
Wie in
Alternativ können der Dieseloxidationskatalysator
In einem Zylinderabschaltbetrieb, oder wenn bei dem auf allen Zylindern laufenden Verbrennungsmotor effektive Mitteldrücke im Zylinder bis zu ungefähr 3 bar(Diesel) 6 bar (Otto) gemessen werden, wird die Klappe
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