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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen erzeugen im Betrieb Abgase, die neben Kohlendioxid und Wasserdampf giftige Schadstoffe wie Stickoxide enthalten können. Allgemein werden möglichst effiziente Brennkraftmaschinen angestrebt, um den Ausstoß an Abgasen zu reduzieren. Um den Kraftstoffverbrauch zu verringern, ist es bekannt, einen Teil der Zylinder einer Brennkraftmaschine abzuschalten, wenn nur eine geringe Leistung der Brennkraftmaschine nachgefragt wird. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Lasten besonders gering ist, bei gleicher Last die Brennkraftmaschine bei Betrieb nur eines Teils der Zylinder aber relativ gesehen mit höherer Last betrieben wird.
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Als ursächlich hierfür wird, insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, ein Drosselklappeneffekt angesehen, demzufolge die Brennkraftmaschine die benötigte Verbrennungsluft bei wegen der größeren nachgefragten Leistung weiter geöffneter Drosselklappe gegen einen geringeren Strömungswiderstand ansaugt. Bei den heutzutage üblichen turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen sind die technischen Zusammenhänge komplexer, für das Verständnis der Erfindung jedoch nicht notwendig, weshalb auf weitergehende Erklärungen verzichtet werden soll.
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Die Abschaltung von Zylindern geschieht üblicherweise, indem die Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern abgeschnitten wird, was bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung einfach durch Unterlassen der Einspritzung erfolgt. Außerdem bleiben die Einlass- und Auslassventile des abgeschalteten Zylinders während der gesamten Umdrehung der Kurbelwelle geschlossen, was beispielsweise durch ein Verstellen der Nockenwelle realisiert werden kann. Bei nicht selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird üblicherweise noch die Erzeugung von Zündfunken unterbunden.
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Aus
DE 195 01 386 A1 und
DE 10 2010 036 727 A1 sind Betriebsverfahren für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen das Ventiltiming über eine Nockenwellenverstellung in Abhängigkeit von einem Ladedruck und einer Motorlast der Brennkraftmaschine verändert wird.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Die Erfindung führt daher ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, die wenigstens einen Bereitschaftszylinder und eine Mehrzahl von Betriebszylindern umfassen, ein. Die Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit von einer Leistungsnachfrage in einem Hochlastbetriebsmodus oder einem Niederlastbetriebsmodus betrieben. In dem Hochlastbetriebsmodus werden der wenigstens eine Bereitschaftszylinder und die Mehrzahl von Betriebszylindern mit Kraftstoff versorgt, in dem Niederlastbetriebsmodus werden hingegen die Mehrzahl von Betriebszylindern mit Kraftstoff versorgt, während die Kraftstoffversorgung des wenigstens einen Bereitschaftszylinders unterbrochen wird. Ein Einlasskrümmer der Brennkraftmaschine wird dabei mit einem Ladedruck beaufschlagt, der infolge von Ventilöffnungen und Ventilschließungen von Einlassventilen der Zylinder zwischen einem Mindestladedruck und einem Höchstladedruck schwankt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in dem Hochlastbetriebsmodus ein erstes Ventilbetätigungstiming für einen ausgewählten Betriebszylinder der Mehrzahl von Betriebszylindern und in dem Niederlastbetriebsmodus ein von dem ersten Ventilbetätigungstiming verschiedenes zweites Ventilbetätigungstiming für den ausgewählten Betriebszylinder verwendet wird. Dabei gibt das zweite Ventilbetätigungstiming einen Ventilbetätigungszeitpunkt des ausgewählten Betriebszylinders im Niederlastbetriebsmodus so vor, dass der Ladedruck zu einem Ventilbetätigungszeitpunkt des ausgewählten Betriebszylinders gleich dem Ladedruck zu einem Ventilbetätigungszeitpunkt eines weiteren Betriebszylinders der Mehrzahl von Betriebszylindern ist. Selbstredend können auch die Ventilbetätigungstimings und Ventilbetätigungszeitpunkte mehrerer oder aller Betriebszylinder beim Wechsel zwischen dem Niederlastbetriebsmodus und dem Hochlastbetriebsmodus verändert werden.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass es in dem Einlasskrümmer einer Brennkraftmaschine aufgrund der Ventilöffnungen und -schließungen zu lokalen Änderungen des Ladedrucks kommt, die sich über den Einlasskrümmer ausgleichen müssen. Aufgrund der regelmäßigen Ventilbetätigungen wird die Zuluft in dem Einlasskrümmer fortlaufend angeregt, so dass es zu Druckschwankungen räumlicher und zeitlicher Natur kommt. Dadurch kann es geschehen, dass der Ladedruck an einem Einlassventil eines bestimmten Zylinders zu dessen Ventilbetätigungszeitpunkt von dem Ladedruck abweicht, der zum Ventilbetätigungszeitpunkt eines anderen Zylinders an dessen Einlassventil herrscht. Die ungleichen Ladedrücke führen dazu, dass die einzelnen Zylinder mit unterschiedlichen Luftmassen beladen werden, was den Gleichlauf der Brennkraftmaschine stört und aufgrund der mit den Luftmassen unkontrolliert variierenden Lambdawerte zu verschlechterten Verbrennungsergebnissen führt, mithin den Schadstoffausstoß steigert. Beispielsweise kann ein ungewollter Luftüberschuss in einem Zylinder zu einer erhöhten Erzeugung von Stickoxiden führen. Aus diesen Gründen wird die Geometrie des Einlasskrümmers von Brennkraftmaschinen unter Verwendung aufwendiger strömungstechnischer Simulationen und Messungen optimiert, um für jeden Zylinder ein möglichst gleichartiges Verhalten zu erreichen.
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Problematisch dabei ist jedoch, dass bei einer Abschaltung von Zylindern in dem Niederlastbetriebsmodus das Schwingungsverhalten der Ladeluft verändert wird, da aufgrund der normalerweise wegfallenden Ventilbetätigung der abgeschalteten Zylinder die Ladeluft in dem Einlasskrümmer nur noch seltener zum Schwingen angeregt wird. Außerdem strömt die Ladeluft nicht mehr gleichermaßen durch alle Abzweige des Einlasskrümmers. Dadurch kann es in dem Niederlastbetriebsmodus zu ungleichen Ladedrücken der noch aktiven Zylinder kommen.
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Es stellt sich hierbei jedoch das Problem, dass das Strömungs- und Schwingungsverhalten des Einlasskrümmers nicht für beide Betriebsmodi gleichermaßen durch eine Anpassung der Geometrie des Einlasskrümmers optimiert werden kann. Die Erfindung sieht daher vor, das Ventilbetätigungstiming der weiterhin aktiven Zylinder im Niederlastbetriebsmodus gegenüber demjenigen des Hochlastbetriebsmodus so zu verändern, dass die aktiven Zylinder auch im Niederlastbetriebsmodus mit gleichen Ladedrücken beladen werden, so dass jeder aktive Zylinder auch die gleiche Ladeluftmenge erhält. Dadurch werden auch gleiche Lambdawerte für die verschiedenen aktiven Zylinder erreicht. Das für eine jeweilige Brennkraftmaschine geeignete veränderte Ventilbetätigungstiming muss für jede Brennkraftmaschine mit ihren jeweiligen Gegebenheiten bezüglich Anzahl der Zylinder, Zylindervolumen, Einlasskrümmergeometrie, Ladedruck usw. eigens bestimmt werden. Prinzipiell ist es dabei möglich, neben dem Zeitpunkt der Öffnung eines Ventils auch den Zeitpunkt des Schließens des Ventils zu verändern, wodurch gegebenenfalls die Zeitspanne, in der das Ventil geöffnet ist, verändert werden kann. Die Abstimmung wird sich dabei hauptsächlich der Einlassventile der Zylinder bedienen, allerdings kann auch das Ventilbetätigungstiming der Auslassventile der Zylinder verändert werden. Insbesondere kann das veränderte Ventilbetätigungstiming für jeden Zylinder individuell festgelegt werden.
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Die Erfindung ermöglicht damit einen effizienteren Betrieb der Brennkraftmaschine im Niederlastbetriebsmodus bei geringerem Ausstoß von Schadstoffen wie Stickoxiden.
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Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann in dem Niederlastbetriebsmodus auch ein Ventilbetätigungstiming des wenigstens einen Bereitschaftszylinders gegenüber demjenigen im Hochlastbetriebsmodus verändert werden. Das heißt, dass auch die Ventile der abgeschalteten Zylinder in die Optimierung des Strömungsverhaltens einbezogen werden können. Dabei kann es vorgesehen sein, bei einem Wechsel zwischen dem Niederlastbetriebsmodus und dem Hochlastbetriebsmodus auch ein Auslassventiltiming des Auslassventils des wenigstens einen Bereitschaftszylinders zu verändern.
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Diese Ausführungsformen der Erfindung sehen also vor, auch im Niederlastbetriebsmodus, indem der wenigstens eine Bereitschaftszylinder hinsichtlich der Leistungsbereitstellung deaktiviert, also von der Kraftstoffzufuhr ausgeschlossen, ist, wenigstens eines der Ventile des wenigstens einen Bereitschaftszylinders weiterhin zu betätigen, dabei jedoch ein gegenüber dem Hochlastbetriebsmodus verändertes Ventilbetätigungstiming zu verwenden. Diese Betätigungen der Ventile des wenigstens einen Bereitschaftszylinders haben das Ziel, das Strömungs- und Schwingungsverhalten der Ladeluft derart zu beeinflussen, dass zu den jeweiligen Ventilbetätigungszeitpunkten der aktiven Zylinder gleiche Ladedrücke herrschen. Da die abgeschalteten Zylinder jedoch nicht tatsächlich betrieben werden, verändern sich auch die Druck- und Temperaturverhältnisse innerhalb eines abgeschalteten Zylinders, so dass hierbei vorgesehen ist, das Ventilbetätigungstiming der abgeschalteten Zylinder gegenüber demjenigen im Hochlastbetriebsmodus zu verändern.
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Das erste und zweite Ventilbetätigungstiming wird bevorzugt durch eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine vorgegeben. Es ist jedoch auch vorstellbar, eine elektromechanische Ventilbetätigungseinrichtung zu verwenden.
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Bevorzugt besitzt eine Differenz zwischen dem Ladedruck zu den Ventilbetätigungszeitpunkten des ersten und des zweiten Betriebszylinders einerseits und dem Mindestladedruck andererseits einen größeren Betrag als eine Differenz zwischen dem Ladedruck zu den Ventilbetätigungszeitpunkten des ersten und des zweiten Betriebszylinders einerseits und dem Höchstladedruck andererseits. Das heißt, der Ladedruck zu den Ventilbetätigungszeitpunkten soll näher an dem Höchstladedruck als am Mindestladedruck und allgemein möglichst nah an dem Höchstladedruck liegen. Besonders bevorzugt ist der Ladedruck zu den Ventilbetätigungszeitpunkten des ersten und des zweiten Betriebszylinders gleich dem Höchstladedruck. Durch den höheren Ladedruck wird eine bessere Ladung der Betriebszylinder erreicht. Für den Fall, dass für einen Betriebszustand doch ein geringerer Ladedruck gewünscht ist, kann der Ladedruck allgemein abgesenkt werden, beispielsweise bei Verwendung eines Kompressors mit variabler Geometrie durch Verstellen der Geometrie.
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Die Brennkraftmaschine kann ein Vierzylindermotor sein, bei dem der erste und der vierte Zylinder des Vierzylindermotors als Bereitschaftszylinder und der zweite und der dritte Zylinder des Vierzylindermotors als Betriebszylinder betrieben werden.
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Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, von denen jeder eine Kraftstoffzuführeinrichtung aufweist, wobei die Kraftstoffzuführeinrichtung wenigstens eines Zylinders ausgebildet ist, eine Kraftstoffzufuhr zu dem wenigstens einen Zylinder auf ein Steuersignal hin zu unterbrechen. Die Brennkraftmaschine besitzt ferner eine Ventilbetätigungseinrichtung, die ausgebildet ist, ein Ventilbetätigungstiming wenigstens eines weiteren Zylinders variabel vorzugeben. Erfindungsgemäß ist außerdem eine mit der Kraftstoffzuführeinrichtung und der Ventilbetätigungseinrichtung verbundene Steuereinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 verfügt über einen Motorblock 3, in dem mehrere, im gezeigten Ausführungsbeispiel vier, Zylinder 6 angeordnet sind. Die Zylinder 6 werden durch einen Einlasskrümmer 4 mit Verbrennungsluft und durch jeden Zylinder 6 zugeordnete Kraftstoffzuführeinrichtungen 9 mit Kraftstoff versorgt. Das bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehende Abgas wird von einem Abgaskrümmer 5 aufgenommen und abgeleitet. Das Abgas kann dabei eine Abgasturbine 12 passieren, die über eine Welle 13 mit einem Kompressor 11 verbunden ist, der angetrieben durch den Abgasstrom in der Abgasturbine 12, die Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine 2 verdichtet und so den gewünschten Ladedruck für die Zylinder 6 bereitstellt. Die Abgasturbine 12, der Kompressor 11 und die Welle 13 bilden einen Turbolader 10. Es ist jedoch auch möglich, einen elektrisch betriebenen oder direkt von der Brennkraftmaschine 2 angetriebenen Kompressor 11 zu verwenden.
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Die verdichtete Verbrennungsluft gelangt in den Einlasskrümmer 4, von dem sie auf die verschiedenen Zylinder 6 verteilt wird. Die Verbrennungsluft wird durch jeweilige Einlassventile 7 zu einem geeigneten Zeitpunkt in den jeweiligen Zylinder 6 eingelassen. Dort vermischt sie sich mit dem durch die Kraftstoffzuführeinrichtung 9 eingespritzten Kraftstoff. Nach der Zündung des Kraftstoffgemischs, entweder durch Selbstentzündung oder durch einen Zündfunken ausgelöst, wird das Abgas durch jeweilige Auslassventile 8 aus den Zylindern 6 in den Abgaskrümmer 5 gelassen. Die Einlassventile 7 und die Auslassventile 8 werden üblicherweise durch Nockenwellen (nicht dargestellt), die mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine gekoppelt sind, betätigt. Alternativ können jedoch auch elektromechanische Ventilbetätigungseinrichtungen vorgesehen sein. Bei Verwendung von Nockenwellen kann das Ventilbetätigungstiming durch eine Verstellung der Nockenwelle, beispielsweise durch eine Verstellung der Nockenwelle in axialer Richtung, verändert werden.
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Bei der beispielhaft gezeigten Brennkraftmaschine handelt es sich um einen Vierzylinderreihenmotor. In einem Niederlastbetriebsmodus kann vorgesehen sein, nur die beiden innenliegenden Zylinder 6 zu betreiben, während in einem Hochlastbetriebsmodus alle Zylinder 6 betrieben werden. Für andere Motorkonfigurationen mit abweichenden Zylinderzahlen können andere Einteilungen in Betriebs- und Bereitschaftszylinder getroffen werden. Wird ein Zylinder 6 im Niederlastbetriebsmodus deaktiviert, wird die Kraftstoffzufuhr zu diesem Zylinder 6 unterbrochen, was vorzugsweise durch Deaktivieren der zugehörigen Kraftstoffzuführeinrichtung 9 geschieht. Falls vorhanden, wird außerdem eine zugehörige Zündeinrichtung deaktiviert. Aufgrund der Zylinderabschaltung verändern sich, wie beschrieben, die Strömungs- und Schwingungsverhältnisse der verdichteten Zuluft im Einlasskrümmer 4. Die Erfindung sieht daher vor, im Niederlastbetriebsmodus die Einlassventile 7 und gegebenenfalls die Auslassventile 8 mit einem gegenüber dem Hochlastbetriebsmodus, in dem alle Zylinder 6 aktiv sind, veränderten Ventilbetätigungstiming zu betätigen, um die durch die Ventilbetätigungen der Zylinder 6 bewirkten Druckschwankungen so zu beeinflussen, dass zu den verschiedenen Ventilbetätigungszeitpunkten der aktiven Zylinder 6 gleiche Ladedrücke herrschen. Dabei kann neben dem Ventilbetätigungstiming der Betriebszylinder oder eines der Betriebszylinder auch das Ventilbetätigungstiming eines Bereitschaftszylinders verändert werden. Dabei werden also die Ventile 7, 8 der Bereitschaftszylinder im Niederlastbetriebsmodus für eine gezielte Beeinflussung der Druckschwankungen im Einlasskrümmer 4 genutzt, um eine gleichmäßige Ladung der Betriebszylinder zu gewährleisten.
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Die Erfindung bietet durch Anpassung des Ventilbetätigungstimings der Betriebszylinder beim Wechseln zwischen dem Niederlastbetriebsmodus und dem Hochlastbetriebsmodus die Vorteile eines gleichmäßigeren Laufverhaltens und verbesserter Schadstoffemissionen bei verringertem Kraftstoffverbrauch. Obwohl die Erfindung im Detail durch Ausführungsbeispiele von bevorzugten Ausführungsformen näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus den gezeigten Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.
