DE102015200048A1

DE102015200048A1 - Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015200048A1
Application number: DE102015200048.6A
Authority: DE
Inventors: Guohui Chen; Werner Willems; Jürgen Karl Stief; Paul Nigel Turner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2035-01-07
Also published as: CN105756786A; DE102015200048B4; CN105756786B; US10087859B2; US20160195031A1

Abstract

Brennkraftmaschine (10) mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (7a, 7b) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (5a, 5b) anschließt, – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie 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 (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – in der mindestens einen Ansaugleitung (5b) des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) ein einlassseitiges Drosselelement (9) vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung (5b) veränderbar ist, wodurch die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, wobei jede Auslassöffnung eines lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub Δh ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie 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 lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– in der mindestens einen Ansaugleitung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders ein einlassseitiges Drosselelement vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung veränderbar ist, wodurch die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
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 eine 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.
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.
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 häufig nicht zielführend, den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten dadurch abzuhelfen, dass einlassseitig und auslassseitig schaltbare Ventiltriebe vorgesehen werden, da schaltbare Ventiltriebe kostenintensiv sind und sich für den Serieneinsatz in der Regel nicht eignen.
Darüber hinaus können 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 häufig auch das Turbinendruckverhältnis. Dies hätte 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. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist auch dann von Ladeluft die Rede, wenn die Brennkraftmaschine nicht aufgeladen ist, sondern es sich um einen Saugmotor handelt.
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. Eine verminderte Ladeluftmenge, die den während der Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, mindert die Effektivität bzw. die 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.
Um der vorstehend beschriebenen Problematik hinsichtlich der geringen Ladeluftmenge, welche den bei Teilabschaltung noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, zu begegnen, wird gemäß dem Stand der Technik in der mindestens einen Ansaugleitung jedes lastabhängig schaltbaren Zylinders ein Drosselelement vorgesehen, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung veränderbar ist, wodurch die dem abgeschalteten Zylinder bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Ladeluftzufuhr zu den abgeschalteten Zylindern, d. h. die zugeführte Ladeluftmenge bei Teilabschaltung vermindern und steuern, gegebenenfalls sogar unterbinden, ohne dass die schaltbaren Zylinder mit schaltbaren Ventiltrieben, die hohe Kosten verursachen, ausgestattet werden müssten.
Durch Betätigen des in der Ansaugleitung eines abgeschalteten Zylinders vorgesehenen Drosselelements wird der Strömungsquerschnitt der Ansaugleitung verändert, insbesondere verkleinert, wodurch die Ladeluftmenge, die dem abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung zugeführt wird, eingestellt, dosiert und gesteuert werden kann.
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 Drosselelement vermindert werden. Es wird weniger bzw. keine Ladeluft zugeführt, um die Ladungswechselverluste der abgeschalteten Zylinder zu reduzieren.
Der verminderte Ladeluftstrom durch den mindestens einen abgeschalteten Zylinder führt – im Vergleich zu einem unveränderten Ladeluftstrom bei vollständig geöffneter Ansaugleitung – 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.
Die Verminderung des Ladeluftstroms mittels Drosselelement hat gegenüber Brennkraftmaschinen, bei denen die Ladeluftzufuhr mittels schaltbarer Ventiltriebe vollständig unterbunden wird, weitere Vorteile, die im Wesentlichen daraus resultieren, dass der Massenstrom durch die Brennkraftmaschine bei Verminderung der Ladeluftzufuhr höher ist, als wenn die Zufuhr von Ladeluft vollständig unterbunden wird.
Es ergeben sich Vorteile bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Der höhere Massenstrom führt 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.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Teilabschaltung weiter 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 zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie 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 lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– in der mindestens einen Ansaugleitung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders ein einlassseitiges Drosselelement vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung veränderbar ist, wodurch die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– jede Auslassöffnung eines lastabhängig schaltbaren Zylinders mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub Δh ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt freigibt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist zusätzlich zu dem mindestens einen einlassseitigen Drosselelement, welches im Ansaugsystem des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders vorgesehen ist, jede Auslassöffnung eines lastabhängig schaltbaren Zylinders mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet.
Während ein einlassseitiges Drosselelement die Ladeluftzufuhr zu einem abgeschalteten Zylinder steuert, d. h. die bei Teilabschaltung zugeführte Ladeluftmenge vermindert, gegebenenfalls sogar unterbindet, dient ein mittels zumindest teilweise variablen Ventiltrieb betätigtes Auslassventil dazu, ein ungewolltes Rückströmen von Abgas in einen abgeschalteten Zylinder der zweiten Gruppe zu verhindern bzw. zu verringern. Darüber hinaus können die Ladungswechselverluste eines abgeschalteten Zylinders durch geeignetes Ansteuern des Auslassventils reduziert werden. Das Öffnen eines Auslassventils ist vorzugsweise dann zu vermeiden, wenn im zugehörigen abgeschalteten Zylinder Unterdruck herrscht bzw. ein niedrigerer Druck vorliegt als im Abgasabführsystem.
Ein Auslassventil soll das Abführen des Abgases aus einem bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine abgeschalteten Zylinder der zweiten Gruppe steuern. Streng genommen wird aber während der Teilabschaltung kein heißes Abgas abgeführt, sondern Ladeluft bzw. Frischluft. Aber zumindest während des ersten Arbeitsspiels der Teilabschaltung wird das Abgas des vorhergehenden und damit das heiße Abgas des letzten befeuerten Arbeitsspiels via Abgasabführsystem abgeführt. Während der folgenden Arbeitsspiele der Teilabschaltung wird dann Ladeluft bzw. Frischluft abgeführt. Nichtsdestotrotz ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Abführen heißen Abgases die Rede.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Teilabschaltung weiter 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. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine optimiert den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb, d. h. bei niedrigen Lasten, wobei eine niedrige Last T_low vorzugsweise eine Last ist, die weniger als 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 einlassseitige Drosselelement ein Ventil ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine einlassseitige Drosselelement eine verschwenkbare Klappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine einlassseitige Drosselelement stufenlos verstellbar ist.
Die Ausgestaltung des Drosselelements als stufenlos verstellbares Drosselelement 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 Drosselelements 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 Drosselelement zweistufig oder mehrstufig schaltbar ist.
Das Drosselelement kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei 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 Verbrennungsluft vor Eintritt in die 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. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen 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 im Abgasabführsystem 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.
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.
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 wird das Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingespeist, weshalb das Abgas vor Rückführung keiner Abgasnachbehandlung unterzogen, insbesondere keinem Partikelfilter zugeführt werden muss, da eine Verschmutzung des Verdichters nicht zu befürchten ist.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR 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. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Ladeluftstrom.
Eine Lösung hierfür bietet die sogenannte Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zur Hochdruck-AGR wird bei der Niederdruck-AGR Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu verfügt die Niederdruck-AGR über eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird.
Da im Rahmen der Niederdruck-AGR häufig Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, muss dieses zuvor einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen werden. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind zu vermeiden.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugleitungen jedes Zylinders der zweiten Gruppe zu einer Teilansaugleitung zusammenführen und jede Teilansaugleitung mit einem einlassseitigen Drosselelement ausgestattet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform genügt ein einzelnes Drosselelement, um die Ladeluftzufuhr zu einem abgeschalteten Zylinder zu vermindern bzw. zu unterbinden, und zwar auch dann, wenn der schaltbare Zylinder mehr als eine Einlassöffnung aufweist, d. h. mindestens zwei Einlassöffnungen und damit mindestens zwei Ansaugleitungen hat.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die zweite Zylindergruppe mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugleitungen der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen und dieser Einlasskrümmer mit mindestens einem einlassseitigen Drosselelement ausgestattet ist. Vorzugsweise ist dabei ein einlassseitiges Drosselelement in der Gesamtansaugleitung des Einlasskrümmers angeordnet.
Gemäß dieser Ausführungsform genügt ein einzelnes Drosselelement, um die Ladeluftzufuhr zu der abgeschalteten Zylindergruppe zu vermindern bzw. zu unterbinden.
Grundsätzlich kann auch in jeder Ansaugleitung eines abschaltbaren Zylinders ein Drosselelement vorgesehen werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Drosselelemente aber zunimmt, insbesondere wenn die Zylinder mehr als eine Einlassöffnung aufweisen und/oder die zweite Gruppe mehr als einen abschaltbaren Zylinder umfasst.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede Ansaugleitung jedes Zylinders der zweiten Gruppe mit einem einlassseitigen Drosselelement ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbares Ventil ist. Ein im Ventilhub Δh verstellbares Hubventil weist bei zugeschalteten Zylindern grundsätzlich den normalen Hub auf. Darüber hinaus gestattet ein solches Hubventil mindestens eine weitere Betätigung mit verringertem Hub. D. h. ein im vorstehenden Sinne verstellbares Hubventil ist ein Hubventil, das mindestens zwei unterschiedliche Ventilhübe Δh₁, Δh₂ zulässt. Ein schaltbares Ventil, das im abgeschalteten Zustand keinen Hub aufweist, ist somit ebenfalls ein im Ventilhub Δh verstellbares Ventil. Vorteilhaft können aber Ausführungsformen sein, bei denen das in Rede stehende Auslassventil kein abschaltbares Ventil ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer Δt verstellbares Ventil ist. Ein im vorstehenden Sinne verstellbares Hubventil ermöglicht zumindest zwei unterschiedliche Öffnungsdauern Δt₁, Δt₂. Bei zugeschalteter Zylindergruppe wird grundsätzlich eine normale Öffnungsdauer realisiert, d. h. eine Öffnungsdauer wie beispielsweise die Öffnungsdauer der Auslassöffnungen der anderen ersten Zylindergruppe. Zudem ist mindestens eine weitere Betätigung mit verkürzter Öffnungsdauer möglich. Ein abgeschaltetes Ventil, das nicht betätigt und damit nicht geöffnet wird, verfügt über eine Öffnungsdauer, die Null ist. Vorteilhaft können aber Ausführungsformen sein, bei denen das in Rede stehende Auslassventil kein abschaltbares Ventil ist.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh und die Öffnungsdauer Δt verstellbares Ventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein stufig verstellbares Ventil ist. Wie bereits erwähnt kann ein stufig, insbesondere zweistufig verstellbares Hubventil ausreichend sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein zweistufig verstellbares Ventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb zugehörige Auslassventil ein stufenlos verstellbares Ventil ist. Ein stufenlos verstellbares Auslassventil gestattet eine flexiblere Steuerung des Abgasstroms bzw. Ladeluftstroms aus einem abgeschalteten Zylinder.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einlassseitige Drosselelement möglichst nahe an dem zugehörigen Zylinder angeordnet ist. Je kleiner das Leitungsvolumen zwischen einem Drosselelement und der dazugehörigen Einlassöffnung ist desto vorteilhafter ist dies für den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere für das Zuschalten und Abschalten der Zylinder der zweiten Gruppe.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes einlassseitige Drosselelement in dem bzw. an dem mindestens einen Zylinderkopf angeordnet ist.
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.
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 die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung zugeführte Ladeluftmenge durch Betätigen des mindestens einen einlassseitigen Drosselelements 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 einlassseitige Drosselelement betätigt wird, und
– bei Zuschaltung des mindestens einen abgeschalteten Zylinders zunächst das mindestens eine einlassseitige Drosselelement 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.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Hybrid-Brennverfahren mit Selbstzündung zum Betreiben eines Ottomotors einzusetzen, beispielsweise das sogenannte HCCI-Verfahren, welches auch als Raumzündverfahren oder als CAI-Verfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren basiert auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes. Dabei wird der Kraftstoff – wie bei einem Dieselmotor – unter Luftüberschuss, also überstöchiometrisch, verbrannt. Der mager betriebene Ottomotor weist aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen auf und ebenfalls infolge des mageren Gemisches keine Rußemissionen. Darüber hinaus führt das HCCI-Verfahren zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Der Kraftstoff kann dabei sowohl direkt in die Zylinder als auch in das Ansaugrohr eingebracht werden.
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 in der Ansaugleitung eines schaltbaren Zylinders angeordnetes Ventil während der bzw. bei Teilabschaltung nicht vollständig verschlossen. Wird eine Klappe als Drosselelement verwendet, ist es unschädlich, dass diese Klappe in der Schließstellung einen Leckagestrom aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder zugeführte Ladeluftmenge von der Last T, der Drehzahl n, der Kühlmitteltemperatur, der Öltemperatur, der Motortemperatur und/oder dergleichen mitbestimmt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer selbstzündenden Brennkraftmaschine und gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer selbstzündenden Brennkraftmaschine 10.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10 mit Direkteinspritzung, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe, angeordnet und jeweils mit einem Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff ausgestattet sind, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge der Einstellung des Luftverhältnisses λ dient (nicht dargestellt).
Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 verfügt über eine Ansaugleitung 5a, 5b zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem 6 und eine Abgasleitung 7a, 7b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 8.
Die Brennkraftmaschine 10 ist zum Zwecke der Aufladung mit einem Abgasturbolader 12 ausgestattet, wobei in einer Gesamtabgasleitung 18 des Abgasabführsystems 8 die Turbine 12a und in einer Gesamtansaugleitung 16 des Ansaugsystems 6 der Verdichter 12b angeordnet ist. Die der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Frischluft wird im Verdichter 12b komprimiert, wozu die Enthalpie des Abgasstroms in der Turbine 12a genutzt wird. Zur Nachbehandlung des Abgases ist in der Gesamtabgasleitung 18 stromabwärts der Turbine 12a ein als Abgasnachbehandlungssystem 13 dienender Partikelfilter 14 vorgesehen.
Die Brennkraftmaschine 10 ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 15 ausgestattet und zwar mit einer Hochdruck-AGR. Hierzu zweigt eine Rückführleitung 17 stromaufwärts der Turbine 12a aus dem Abgasabführsystem 8 ab und mündet stromabwärts des Verdichters 12b in das Ansaugsystem 6. In der Rückführleitung 17 der Abgasrückführung 15 ist ein Ventil 19 zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet.
Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine 10 in Betrieb sind, und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden.
In den Ansaugleitungen 5b der beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 sind einlassseitige Drosselelemente 9 vorgesehen, mit denen die den abgeschalteten Zylindern 2, 3 zugeführte Ladeluftmenge eingestellt wird, indem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung 5b verändert wird.
Die Zylinder 2, 3 der zweiten Gruppe sind vorliegend als zuschaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet, die im Teillastbetrieb bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet werden und zwar durch Verkleinern des Strömungsquerschnitts ihrer Ansaugleitungen 5b mittels Drosselelement 9 und Deaktivieren der Kraftstoffeinspritzung. Dadurch erhöht sich die Lastanforderung an die weiter in Betrieb befindlichen Zylinder 1, 4 der ersten Gruppe, die dann bei höheren Lasten mit geringerem spezifischem Kraftstoffverbrauch betrieben werden. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist die Folge.
Jede Auslassöffnung eines lastabhängig schaltbaren Zylinders 2, 3 ist mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb 11 ausgestattet, welcher der Betätigung eines zugehörigen Auslassventils dient. Ein oszillierendes Auslassventil bildet zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub Δh aus und gibt die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt frei.
Jedes einem Zylinder 2, 3 der zweiten Gruppe zugehörige Auslassventil ist ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh und/oder die Öffnungsdauer Δt verstellbares Ventil, mit dem das Abführen des Abgases bzw. der Ladeluft aus dem zugehörigen abgeschalteten Zylinder 2, 3 steuerbar ist.
Die Auslassventile sollen das auslassseitige Einströmen von Abgas bzw. von Ladeluft in die abgeschalteten Zylinder 2, 3 der zweiten Gruppe verhindern. Darüber hinaus können die Ladungswechselverluste der abgeschalteten Zylinder 2, 3 durch geeignetes Ansteuern der Auslassventile reduziert werden.
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
5b: Ansaugleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders
6: Ansaugsystem
7a: Abgasleitung eines Zylinders der ersten Gruppe
7b: Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders
8: Abgasabführsystem
9: einlassseitiges Drosselelement
10: Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
11: zumindest teilweise variabler Ventiltrieb eines Auslassventils eines schaltbaren Zylinders
12: Abgasturbolader
12a: Turbine
12b: Verdichter
13: Abgasnachbehandlungssystem
14: Partikelfilter
15: Abgasrückführung
16: Gesamtansaugleitung
17: Rückführleitung
18: Gesamtabgasleitung
19: AGR-Ventil
Δh: Ventilhub zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung
n: Drehzahl der Brennkraftmaschine
Δt: Öffnungsdauer eines Auslassventils
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
Δt1: vorgebbare Zeitspanne
Δt2: vorgebbare Zeitspanne

Claims

Brennkraftmaschine (10) mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – 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, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (5a, 5b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (6) anschließt, – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie 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 (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – in der mindestens einen Ansaugleitung (5b) des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) ein einlassseitiges Drosselelement (9) vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung (5b) veränderbar ist, wodurch die dem (10) mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluftmenge einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jede Auslassöffnung eines lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub Δh ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt freigibt.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine einlassseitige Drosselelement (9) ein Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine einlassseitige Drosselelement (9) eine verschwenkbare Klappe ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine einlassseitige Drosselelement (9) stufenlos verstellbar ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (8) angeordnete Turbine (12a) und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter (12b) umfasst.
Brennkraftmaschine (10) 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 (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abgasrückführung (15) vorgesehen ist, die eine Rückführleitung (17) umfasst, welche vom Abgasabführsystem (8) abzweigt und in das Ansaugsystem (6) einmündet.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 7 mit mindestens einem Abgasturbolader (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (17) der Abgasrückführung (15) stromaufwärts der Turbine (12a) des mindestens einen Abgasturboladers (12) vom Abgasabführsystem (8) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (12b) des mindestens einen Abgasturboladers (12) in das Ansaugsystem (6) einmündet.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5b) jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe zu einer Teilansaugleitung zusammenführen und jede Teilansaugleitung mit einem einlassseitigen Drosselelement (9) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die zweite Zylindergruppe mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5b) der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen und dieser Einlasskrümmer mit mindestens einem einlassseitigen Drosselelement (9) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein einlassseitiges Drosselelement (9) in der Gesamtansaugleitung des Einlasskrümmers angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ansaugleitung (5b) jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe mit einem einlassseitigen Drosselelement (9) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer Δt verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub Δh und die Öffnungsdauer Δt verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein stufig verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein zweistufig verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) zugehörige Auslassventil ein stufenlos verstellbares Ventil ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einlassseitige Drosselelement (9) möglichst nahe an dem zugehörigen Zylinder (2, 3) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) 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 (10) 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 die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) während der Teilabschaltung zugeführte Ladeluftmenge durch Betätigen des mindestens einen einlassseitigen Drosselelements (9) vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass – bei Abschaltung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) zunächst eine Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders (2, 3) deaktiviert wird bevor das mindestens eine einlassseitige Drosselelement (9) betätigt wird, und – bei Zuschaltung des mindestens einen abgeschalteten Zylinders (2, 3) zunächst das mindestens eine einlassseitige Drosselelement (9) betätigt wird bevor die Kraftstoffversorgung des mindestens einen abgeschalteten Zylinders (2, 3) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) eine vorgebbare Mindestmenge an Ladeluft zugeführt wird.