DE102014208719A1

DE102014208719A1 - Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung und Abgasrückführung und Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014208719A1
Application number: DE102014208719.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastiaan Lambertus van den Heuvel; Richard Fritsche
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), der an einer Montage-Stirnseite (12) mit einem Zylinderblock verbindbar ist, bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (5a´, 5b´) aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (5a, 5b) via Ansaugsystem (6) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (7a, 7b) via Abgasabführsystem (8) anschließt, – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist und – mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist wobei – die Ansaugleitungen (5a, 5b) der Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Zylindergruppe jeweils zu einer Gesamtansaugleitung (5A, 5B) zusammenführen, – der Einlasskrümmer (6B) der zweiten Gruppe als zweiter Einlasskrümmer (6B) mit mindestens einem Absperrelement (9) ausgestattet ist, mit dem – bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine – die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, und – eine Rückführleitung der Abgasrückführung vom Abgasabführsystem des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) abzweigt und stromabwärts des Absperrelementes (9) in den zweiten Einlasskrümmer (6B) einmündet, wobei ein zweites Absperrelement in der Rückführleitung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren zur Zylinderabschaltung.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei einer fremdgezündeten Brennkraftmachine. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens zwei Zylinder, d. h. Brennräume. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmachine entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert. Variable Ventiltriebe sind aber sehr kostenintensiv und daher für den Serieneisatz häufig ungeeignet.
Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch diese sogenannte Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf und tolerieren höhere Abgasrückführraten.
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last – wie vorstehend beschrieben – mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbauchs bzw. Wirkungsgrades.
Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.
Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder tolerieren zudem aufgrund der größeren zugeführten Kraftstoffmasse, d. h. aufgrund des fetteren Gemisches, höhere Abgasrückführraten. Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf, wie im Folgenden kurz und beispielhaft am Dieselmotor erläutert wird.
Wird bei einem direkteinspritzenden Dieselmotor zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt.
In der Praxis ist es nicht zielführend, den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten dadurch abzuhelfen, dass schaltbare Ventiltriebe vorgesehen werden, da schaltbare Ventiltriebe wie variable Ventiltriebe sehr kostenintensiv sind und sich für den Serieneinsatz nicht eignen.
Darüber hinaus würden schaltbare Ventiltriebe bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern auszulegen ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine infolge des fehlenden Massenstroms durch die abgeschalteten Zylinder. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem das Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt, und den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern nur wenig Frischluft bzw. Ladeluft zugeführt wird bzw. zugeführt werden kann. Der geringe Ladeluftstrom kann auch dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Lastbereiches, in welchem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Die verminderte Ladeluftmenge, die den während der Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, mindert die Effektivität bzw. Güte der Verbrennung und wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen aus.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte auch dadurch erhöht werden, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet wird, die eine Anpassung des wirksamen Turbinenquerschnittes an den momentanen Abgasmassenstrom gestattet. Dann würde sich aber gleichzeitig der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine erhöhen, was wiederum zu höheren Ladungswechselverlusten bei den noch in Betrieb befindlichen Zylindern führt.
Auch wenn die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht zwingend eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist, ist im Rahmen des Ladungswechsels nicht von Frischluft bzw. Verbrennungsluft, sondern von Ladeluft die Rede, wobei diese Ladeluft gegebenenfalls auch rückgeführtes Abgas enthalten kann.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich einer Teilabschaltung optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und

– die Ansaugleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Einlasskrümmers jeweils zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen,
– der Einlasskrümmer der zweiten Gruppe als zweiter Einlasskrümmer mit mindestens einem Absperrelement ausgestattet ist, mit dem – bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine – die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, und
– eine Rückführleitung der Abgasrückführung vom Abgasabführsystem des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders abzweigt und stromabwärts des Absperrelementes in den zweiten Einlasskrümmer einmündet, wobei ein zweites Absperrelement in der Rückführleitung vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind beide Zylindergruppen jeweils mit einem eigenständigen Einlasskrümmer ausgestattet, d. h. die Ansaugsysteme der beiden Zylindergruppen sind stromaufwärts der Einlassöffnungen zumindest abschnittsweise voneinander getrennt, wodurch die Ladeluftzufuhr zu dem mindestens einen auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylinder einerseits und dem mindestens einen bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder andererseits unabhängig voneinander durchgeführt und gesteuert werden kann.
Dies eröffnet die Möglichkeit, die Ladeluftzufuhr zu den abgeschalteten Zylindern, d. h. die diesen Zylindern bei Teilabschaltung zugeführte Ladeluftmenge zu vermindern oder vollständig zu unterbinden, ohne dass die schaltbaren Zylinder mit schaltbaren Ventiltrieben, die hohe Kosten verursachen, ausgestattet werden müssten. Hierzu wird der Einlasskrümmer der zweiten Gruppe, d. h. der zweite Einlasskrümmer, mit mindestens einem Absperrelement ausgestattet, mit dem – bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine – die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, wobei der Grenzfall, dass dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder keine Ladeluft mehr zugeführt wird, mit umfasst ist. Durch Betätigen dieses Absperrelements kann nämlich die Ladeluftmenge, die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung zugeführt wird, eingestellt, dosiert oder vollständig unterbunden werden.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, da der dazugehörige – nicht schaltbare – Ventiltrieb dieser Zylinder weiter betätigt wird, d. h. arbeitet, und nicht zusammen mit den Zylindern abgeschaltet wird. Die Ladeluftzufuhr kann aber, wie vorstehend beschrieben, mittels Absperrelement vermindert bzw. unterbunden werden.
Erfindungsgemäß wird weniger bzw. keine Ladeluft zugeführt, um die Ladungswechselverluste der abgeschalteten Zylinder zu reduzieren.
Der verminderte bzw. vollständig fehlende Ladeluftstrom durch den mindestens einen abgeschalteten Zylinder führt – im Vergleich zu einem unveränderten Ladeluftstrom bei vollständig geöffnetem zweiten Einlasskrümmer – zu einem verminderten Wärmeübergang infolge Konvektion, so dass die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung nicht bzw. weniger stark auskühlen. Vorteile hat dies insbesondere hinsichtlich der Schadstoffemissionen, insbesondere hinsichtlich der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, da die abgeschalteten Zylinder unmittelbar nach Beendigung der Teilabschaltung wieder ihre Betriebstemperatur erreichen bzw. aufweisen.
Ein Vermindern des Ladeluftstroms mittels Absperrelement kann gegenüber einem vollständigen Unterbinden des Ladeluftstroms, wie im Stand der Technik mittels schaltbaren Ventiltrieben realisiert, Vorteile haben. Bei einer Verminderung der Ladeluftzufuhr ist der Massenstrom durch die Brennkraftmaschine höher, als wenn die Zufuhr von Ladeluft vollständig unterbunden wird. Bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen führt der höhere Massenstrom zu einem höheren Turbinendruckverhältnis und damit zu einem höheren Ladedruck, so dass den bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern eine größere Ladeluftmenge zur Verfügung gestellt werden kann. Dies erweitert auch die Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich den Lastbereich, in dem die Teilabschaltung einsetzbar ist, und verbessert die Güte der Verbrennung und damit das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine.
In einen abgeschalteten Zylinder kann via Rückführleitung auch Abgas eingeleitet werden, um die Ladungswechselverluste des abgeschalteten Zylinders zu reduzieren. Die Rückführleitung dient als Kurzschlussleitung und bewirkt einen Druckausgleich zwischen der Einlassseite und der Auslassseite eines abgeschalteten Zylinders. Dies trägt maßgeblich zur Reduzierung der Ladungswechselverluste bei. Die abgeschalteten Zylinder pumpen das rückgeführte Abgas in der Art eines Kompressors von der Einlassseite auf die Auslassseite. Die Rückführleitung zweigt vom Abgasabführsystem des lastabhängig schaltbaren Zylinders ab und mündet stromabwärts des Absperrelementes in den zweiten Einlasskrümmer ein.
Dadurch, dass heißes Abgas während der Teilabschaltung durch die abgeschalteten Zylinder geleitet wird, können diese Zylinder nicht auskühlen. Vorteile hat dies insbesondere hinsichtlich der Schadstoffemissionen, insbesondere hinsichtlich der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, da die abgeschalteten Zylinder unmittelbar nach Beendigung der Teilabschaltung wieder ihre Betriebstemperatur erreichen bzw. aufweisen. eine, wobei ein zweites Absperrelement in der Rückführleitung vorgesehen ist.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Teilabschaltung optimiert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens zwei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Schalten realisiert werden kann. Erforderlich ist hierzu lediglich, dass jede Zylindergruppe über einen eigenständigen Einlasskrümmer verfügt. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen. Insofern ist eine Brennkraftmaschine mit drei Zylindern, die in zwei Gruppen konfiguriert sind, auch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb, d. h. bei niedrigen Lasten, wobei eine niedrige Last T_low vorzugsweise eine Last ist, die weniger als 65% bzw. 50%, vorzugsweise weniger als 30% der maximalen Last T_max,n bei der momentan vorliegenden Drehzahl n beträgt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement in der Gesamtansaugleitung des zweiten Einlasskrümmers angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform genügt ein einzelnes Absperrelement, um die Ladeluftzufuhr zu den abgeschalteten Zylindern zu vermindern bzw. zu unterbinden.
Grundsätzlich kann auch in jeder Ansaugleitung eines abschaltbaren Zylinders ein Absperrelement vorgesehen werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Absperrelemente aber zunimmt, insbesondere wenn die Zylinder mehr als eine Einlassöffnung aufweisen und/oder die zweite Gruppe mehr als einen abschaltbaren Zylinder umfasst.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement ein Ventil ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement stufenlos verstellbar ist. Die Ausgestaltung des Absperrelements als stufenlos verstellbares Absperrelement gestattet die genaue Dosierung der in die abgeschalteten Zylinder eingeleiteten Ladeluftmenge. Die Bemessung der Ladeluftmenge kann betriebspunktspezifisch erfolgen, insbesondere im Hinblick auf möglichst geringe Ladungswechselverluste bzw. einen erforderlichen Ladedruck. Die Steuerung des Absperrelements kann die Last T, die Drehzahl n, bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur, die Öltemperatur und/oder dergleichen berücksichtigen.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen das mindestens eine Absperrelement mindestens zweistufig schaltbar ist, d. h. gegebenenfalls mehrstufig schaltbar ist.
Das Absperrelement kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die mindestens zwei Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart umgehen zu können.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere Lader – Abgasturbolader und/oder mechanische Lader – parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine könnte beispielsweise ein erster Verdichter in der ersten Gesamtansaugleitung und ein zweiter Verdichter in der zweiten Gesamtansaugleitung vorgesehen werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten integrierten Einlasskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu der ersten Gesamtansaugleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten integrierten Einlasskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu der zweiten Gesamtansaugleitung zusammenführen.
Es kann aus mehreren Gründen vorteilhaft sein, die Einlasskrümmer weitestgehend in den mindestens einen Zylinderkopf zu integrieren, d. h. die Aufteilung der Gesamtansaugleitungen in mehrere Ansaugleitungen möglichst umfänglich im Zylinderkopf vorzunehmen.
Zum einen führt dieses Konzept zu einer kompakteren Bauweise der Brennkraftmaschine und gestattet ein dichteres Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum. Zum anderen ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung und der Montage und eine Gewichtsreduzierung der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einer vollständigen Integration der Einlasskrümmer in den Zylinderkopf. Einlassseitig treten dann nur noch die Gesamtansaugleitungen aus dem Zylinderkopf aus und nicht eine Vielzahl einzelner Ansaugleitungen.
Bei mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird angestrebt, den Verdichter möglichst nahe am Einlass, d. h. an den Einlassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise ein schnelles Ansprechverhalten zu gewährleisten, insbesondere ein schnelles Ansprechen der abgeschalteten Zylinder nach Beendigung der Teilabschaltung. Das Volumen des Leitungssystems zwischen den Einlassöffnungen der Zylinder und dem Verdichter sollte hierzu möglichst klein sein, weshalb die Integration der Krümmer vorteilhaft ist.
Die Integration des zweiten Einlasskrümmers, d. h. des Einlasskrümmers der zweiten Zylindergruppe ist noch aus anderen Gründen besonders vorteilhaft. Diese Ausführungsform gestattet nämlich die Anordnung eines in der zweiten Gesamtansaugleitung vorgesehenen Absperrelementes möglichst nahe am Einlass, d. h. an den Einlassöffnungen der Zylinder, wodurch das Volumen des Leitungssystems zwischen dem Absperrelement und den Einlassöffnungen der Zylinder minimiert wird und ein schnelles Ansprechverhalten gewährleistet werden kann, insbesondere ein schnelles Ansprechen der abgeschalteten Zylinder nach Beendigung der Teilabschaltung, d. h. bei Öffnen des Absperrelementes.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die eine Gesamtansaugleitung auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtansaugleitung angeordnet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform liegen die beiden Einlasskrümmer zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander, denn die eine Gesamtansaugleitung ist auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtansaugleitung angeordnet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Gesamtansaugleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes einen Versatz ∆ aufweisen.
Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtansaugleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt trotz kompakter Bauweise genügend Bauraum zwischen den Gesamtansaugleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtansaugleitungen entlang der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert auch die Anordnung von Kühlmittelkanälen zwischen den beiden Gesamtansaugleitungen, falls eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die beiden Gesamtansaugleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes keinen Versatz aufweisen.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zwei außenliegenden Zylinder und die zwei innenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
Bei Brennkraftmaschinen mit drei in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zwei außenliegenden Zylinder und der innenliegende Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet.
Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen, ist ein geeignetes Mittel die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte und gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der Abgasrückführung ein Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet ist.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Abgasturbolader und Abgasrückführung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet. Bei dieser sogenannten Hochdruck-AGR braucht das Abgas vor Rückführung keiner Abgasnachbehandlung unterzogen werden, da eine Verschmutzung des Verdichters nicht zu befürchten ist. Es kann sich aber ein Konflikt ergeben, denn das rückgeführte Abgas steht nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom ab, wodurch der Ladedruck ebenfalls abnimmt. Eine Lösung bietet die sogenannte Niederdruck-AGR, bei der Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet wird, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu verfügt die Niederdruck-AGR über eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird.
Aus den vorstehend genannten Gründen können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, an die sich Ansaugleitungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließen.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Füllen der Brennräume mit Frischgemisch bzw. Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlassöffnungen rechtzeitig freizugeben und zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Brennräume zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist es zielführend, die Zylinder mit zwei oder mehreren Einlassöffnungen auszustatten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.
Die Kraftstoffzufuhr lässt sich zum Zwecke der Teilabschaltung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen schneller und zuverlässiger deaktivieren als bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, bei denen Kraftstoffreste im Saugrohr zu ungewollten Verbrennungen im abgeschalteten Zylinder führen können.
Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Aufgeladene Brennkraftmaschinen sind thermisch besonders hoch belastet.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Der mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbare Zylinderblock kann ebenfalls mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet sein. Mit einer Flüssigkeitskühlung können größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb es vorteilhaft ist, thermisch hoch belastete Brennkraftmaschinen mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten.
Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem der mindestens eine schaltbare Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird, wobei im Rahmen der Teilabschaltung die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder zugeführte Ladeluftmenge durch Betätigen des Absperrelements vermindert wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten T_down und T_up können gleich groß, aber auch verschieden groß sein. Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die Zylinder der ersten Zylindergruppe ständig in Betrieb befindliche Zylinder. Es erfolgt ein Schalten der zweiten Zylindergruppe, d. h. ein Zuschalten bzw. Abschalten dieser zweiten Gruppe.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_down unterschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ niedriger ist als diese vorgegebene Last T_down.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Abschalten der Zylinder der zweiten Gruppe, d. h. die Teilabschaltung, soll ein zu häufiges Zu- und Abschalten verhindern, insbesondere eine Teilabschaltung, wenn die Last nur kurzzeitig die vorgegebene Last T_down unterschreitet und dann wieder steigt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Last T_down schwankt, ohne dass das Unterschreiten eine Teilabschaltung rechtfertigen bzw. erfordern würde.
Aus diesen Gründen sind ebenfalls Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_up überschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ höher ist als diese vorgegebene Last T_up.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung deaktiviert wird. Es ergeben sich Vorteile in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen, was die Zielsetzung, die mit der Teilabschaltung verfolgt wird, nämlich den Kraftstoffverbrauch zu mindern und den Wirkungsgrad zu verbessern, unterstützt. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen kann es sogar erforderlich werden, die Kraftstoffversorgung zu deaktivieren, um sicher eine Zündung des im Zylinder befindlichen Gemisches zu verhindern.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen

– bei Abschaltung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders zunächst die Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders deaktiviert wird bevor das mindestens eine Absperrelement betätigt wird, und
– bei Zuschaltung des mindestens einen abgeschalteten Zylinders zunächst das mindestens eine Absperrelement betätigt wird bevor die Kraftstoffversorgung des mindestens einen abgeschalteten Zylinders aktiviert wird.

Diese Vorgehensweise gewährleistet ein stabiles transientes Betriebsverhalten des Turboladers einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bzw. der Brennkraftmaschine selbst und trägt dem Umstand Rechnung, dass sich die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine unmittelbar, d. h. mit wenig Zeitverzug, deaktivieren und wieder aktivieren lässt, wohingegen der Turbolader im Rahmen der Teilabschaltung, d. h. bei Abschalten der schaltbaren Zylinder und beim erneuten Zuschalten der abgeschalteten Zylinder, nur mit einem gewissen Zeitverzug anspricht, d. h. verzögert auf Änderungen reagiert.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der mindestens eine in Betrieb befindliche Zylinder mittels Selbstzündung gezündet wird.
Die vorstehende Verfahrensvariante bezieht sich auf Verfahren, bei denen die Verbrennung mittels Selbstzündung eingeleitet wird, und damit auch auf Arbeitsverfahren, wie sie üblicherweise bei Dieselmotoren eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündvorrichtung ausgestattet wird, wobei die Zündvorrichtung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung vorzugsweise deaktiviert wird.
Die vorstehende Verfahrensvariante betrifft die Anwendung des Verfahrens bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, beispielsweise einem direkteinspritzenden Ottomotor, dessen Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung jeweils mit einer Zündvorrichtung ausgestattet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die vorgebbare Last T_down und/oder T_up von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten unabhängig von der Drehzahl n geschaltet wird. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Bereich im Kennfeld definiert, in dem teilabgeschaltet wird.
Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder eine vorgebbare Mindestmenge an Ladeluft zugeführt wird und nicht weniger. Insofern wird ein vorgesehenes Absperrelement während der bzw. bei Teilabschaltung nicht vollständig verschlossen.
Vorteilhaft sind jedoch auch Verfahrensvarianten, bei denen im Rahmen der Teilabschaltung die Zufuhr von Ladeluft zu dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder durch Verschließen des Absperrelements unterbunden wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a, 1b und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1a schematisch, teilweise geschnitten und in Projektion den Zylinderkopf einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Draufsicht,
1b den in 1a dargestellten Zylinderkopf in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten und in Projektion, und
2 in einer perspektivischen Darstellung die Sandkerne der in einen Zylinderkopf integrierten Ansaugleitungen und Abgasleitungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1a zeigt schematisch, teilweise geschnitten und in Projektion den Zylinderkopf 10 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Draufsicht.
Bei dem in 1a dargestellten Zylinderkopf 10 handelt es sich um den Zylinderkopf 10 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10, d. h. in Reihe, angeordnet sind. Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 weist zwei Einlassöffnungen 5a´, 5b´ auf, wobei sich an jede Einlassöffnungen 5a´, 5b´ eine Ansaugleitung 5a, 5b zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem 6 anschließt.
Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind in zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4 konfiguriert, wobei die außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, welche die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinder 1, 4 umfasst, wohingegen die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder 2, 3 als schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind. Die schaltbaren Zylinder 2, 3 sind lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3, die bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet werden.
Die Ansaugleitungen 5a der außenliegenden Zylinder 1, 4 der ersten Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines ersten integrierten Einlasskrümmers 6A innerhalb des Zylinderkopfes 10 zu einer ersten Gesamtansaugleitung 5A zusammen. Die Ansaugleitungen 5b der innenliegenden Zylinder 2, 3 der zweiten Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines zweiten integrierten Einlasskrümmers 6B innerhalb des Zylinderkopfes 10 zu einer zweiten Gesamtansaugleitung 5B zusammen. Vorliegend weisen die beiden Gesamtansaugleitungen 6A, 6B entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 einen Versatz ∆ auf.
Der zweite Einlasskrümmer 6B, d. h. der Einlasskrümmer 6B der zweiten schaltbaren Zylindergruppe, ist mit einem Absperrelement 9 ausgestattet. Als Absperrelement 9 dient eine verschwenkbare Klappe 11, die in der zweiten Gesamtansaugleitung 5B angeordnet ist, wobei die Verschwenkbewegung mit einem Doppelpfeil kenntlich gemacht ist. Im Rahmen einer Teilabschaltung wird die den zwei abgeschalteten Zylindern 2, 3 zugeführte Ladeluftmenge durch Verschwenken der Klappe 11 vermindert bzw. vollständig unterbunden. Die Klappe 11 ist in der Schließstellung dargestellt.
Die Rückführleitung der Abgasrückführung, die vom Abgasabführsystem der zwei lastabhängig schaltbaren Zylinder 2, 3 abzweigt und stromabwärts der Klappe 11 in den zweiten Einlasskrümmer 6B einmündet, ist nicht dargestellt.
1b zeigt den in 1a dargestellten Zylinderkopf 10 in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten und in Projektion. Die zweite Gesamtansaugleitung 5B ist auf der Seite der ersten Gesamtansaugleitung 5A angeordnet, welche von der Montage-Stirnseite 12 abgewandt ist, d. h. oberhalb der ersten Gesamtansaugleitung 5A. Der Zylinderkopf 10 ist an der Montage-Stirnseite 12 mit einem Zylinderblock verbindbar (nicht dargestellt). Infolgedessen ist die erste Gesamtansaugleitung 5A zwischen der zweiten Gesamtansaugleitung 5B und der Montage-Stirnseite 12 angeordnet. Demgemäß liegen die beiden Einlasskrümmer 6A, 6B zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Sandkerne der in einen Zylinderkopf integrierten Ansaugleitungen 5a, 5b, 5A, 5B und Abgasleitungen 7a, 7b gemäß einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. 2 zeigt daher prinzipiell auch das System der im Zylinderkopf integrierten Ansaugleitungen 5a, 5b, 5A, 5B und Abgasleitungen 7a, 7b, weshalb auch die Bezugszeichen für die Ansaugleitungen 5a, 5b, 5A, 5B und Abgasleitungen 7a, 7b eingetragen sind.
Bei dem in 2 dargestellten Ansaugsystem 6 bzw. Abgasabführsystem 8 handelt es sich um die Ansaugleitungen 5a, 5b, 5A, 5B und Abgasleitungen 7a, 7b eines Zylinderkopfes eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet sind. Jeder der vier Zylinder 1, 2, 3, 4 ist mit zwei Auslassöffnungen ausgestattet, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung 7a, 7b zum Abführen der Verbrennungsgase anschließt. Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 weisen zudem jeweils zwei Einlassöffnungen auf, an die sich Ansaugleitungen 5a, 5b zum Zuführen von Ladeluft anschließen.
Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind in zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4 zusammengefasst, wobei die außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, welche die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinder 1, 4 umfasst. Die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 bilden eine zweite Gruppe, deren Zylinder 2, 3 lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 sind.
Die Ansaugleitungen 5a, 5b der Zylinder 1, 2, 3, 4 führen jeweils unter Ausbildung eines integrierten Einlasskrümmers 6A, 6B innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung 5A, 5B zusammen. Die beiden Gesamtansaugleitungen 5A, 5B weisen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes vorliegend keinen Versatz ∆ auf.
In der zweiten Gesamtansaugleitung 5B des zweiten Einlasskrümmers 6B der schaltbaren Zylinder 2, 3 ist als Absperrelement 9 eine verschwenkbare Klappe 11 angeordnet (Doppelpfeil kennzeichnet die Verschwenkbewegung). Durch Verschwenken der Klappe 11 kann die den zwei abgeschalteten Zylindern 2, 3 zugeführte Ladeluftmenge vermindert oder vollständig unterbunden werden. Die Klappe 11 ist in der Schließstellung dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
5a: Ansaugleitung eines Zylinders der ersten Gruppe
5a´: Einlassöffnung eines Zylinders der ersten Gruppe
5b: Ansaugleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders
5b´: Einlassöffnung eines Zylinders der zweiten Gruppe
5A: Gesamtansaugleitung der ersten Gruppe
5B: Gesamtansaugleitung der zweiten Gruppe
6: Ansaugsystem
6A: erster Einlasskrümmer, Einlasskrümmer der ersten Gruppe
6B: zweiter Einlasskrümmer, Einlasskrümmer der zweiten Gruppe
7a: Abgasleitung eines Zylinders der ersten Gruppe
7b: Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders
8: Abgasabführsystem
9: Absperrelement
10: Zylinderkopf
10a: Längsachse des Zylinderkopfes
11: Klappe
12: Montage-Stirnseite
n: Drehzahl der Brennkraftmaschine
T: Last
T_down: vorgebbare Last für das Unterschreiten einer Last
T_low: Last im unteren Teillastbereich
T_max,n: maximale Last bei einer vorliegenden Drehzahl n
T_up: vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last
Δ: horizontaler Versatz der beiden Gesamtansaugleitungen
Δt₁: vorgebbare Zeitspanne
Δt₂: vorgebbare Zeitspanne

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), der an einer Montage-Stirnseite (12) mit einem Zylinderblock verbindbar ist, bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (5a´, 5b´) aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (5a, 5b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (6) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (7a, 7b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (8) anschließt, – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ansaugleitungen (5a, 5b) der Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Einlasskrümmers (6A, 6B) jeweils zu einer Gesamtansaugleitung (5A, 5B) zusammenführen, – der Einlasskrümmer (6B) der zweiten Gruppe als zweiter Einlasskrümmer (6B) mit mindestens einem Absperrelement (9) ausgestattet ist, mit dem – bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine – die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, und – eine Rückführleitung der Abgasrückführung vom Abgasabführsystem des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) abzweigt und stromabwärts des Absperrelementes (9) in den zweiten Einlasskrümmer (6B) einmündet, wobei ein zweites Absperrelement in der Rückführleitung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (9) in der Gesamtansaugleitung (5B) des zweiten Einlasskrümmers (6B) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (9) ein Ventil ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (9) eine verschwenkbare Klappe (11) ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (9) stufenlos verstellbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (9) mindestens zweistufig schaltbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (8) angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5a) der Zylinder (1, 4) der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten integrierten Einlasskrümmers (6A) innerhalb des Zylinderkopfes (10) zu der ersten Gesamtansaugleitung (5A) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5b) der Zylinder (2, 3) der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten integrierten Einlasskrümmers (6B) innerhalb des Zylinderkopfes (10) zu der zweiten Gesamtansaugleitung (5B) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gesamtansaugleitung (5A, 5B) auf der der Montage-Stirnseite (12) abgewandten Seite der anderen Gesamtansaugleitung (6A, 6B) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gesamtansaugleitungen (5A, 5B) entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) einen Versatz ∆ aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) und die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils eine Gruppe bilden.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Einlassöffnungen (5a´, 5b´) aufweist, an die sich Ansaugleitungen (5a, 5b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (6) anschließen,
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf (10) mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird, wobei im Rahmen der Teilabschaltung die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) zugeführte Ladeluftmenge durch Betätigen des Absperrelements (9) vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Teilabschaltung die Zufuhr von Ladeluft zu dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) durch Verschließen des Absperrelements (9) unterbunden wird.