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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf,
- - vier entlang einer Längsachse des mindestens einen Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei ein außenliegender Zylinder den ersten Zylinder bildet, an den sich entlang der Längsachse der Reihe nach der zweite Zylinder, der dritte Zylinder und der vierte Zylinder anschließen, und
- - einer zu einem Kurbeltrieb gehörenden und im Betrieb der Brennkraftmaschine in Drehrichtung umlaufenden Kurbelwelle, die für jeden Zylinder eine dem Zylinder zugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang einer Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, bei der
- - die vier Zylinder in zwei Gruppen konfiguriert sind, wobei die ersten drei Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, und der vierte Zylinder eine zweite Gruppe bildet und als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
- - die Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders in Umfangsrichtung um 120° gegeneinander verdreht und gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Umfangsrichtung jeweils um 120° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der
DE 10 2014 103 679 A1 beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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.
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Die
DE 10 2012 214 967 B3 hat eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung zum Gegenstand, wobei die vier in Reihe angeordneten Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die vier Zylinder zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern bilden. Jede Gruppe umfasst einen außenliegenden Zylinder und den benachbarten innenliegenden Zylinder.
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Die Kurbelwellenkröpfungen der Zylinder jeder Gruppe sind in Umfangsrichtung nicht gegeneinander verdreht. Die Kurbelwellenkröpfungen der Zylinder der ersten Gruppe sind gegenüber den Kurbelwellenkröpfungen der Zylinder der zweiten Gruppe in Umfangsrichtung um 180° gegeneinander verdreht.
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Die
DE 10 2013 203 560 A1 hat den Massenausgleich bei einer Brennkraftmaschine zum Gegenstand, wobei ein Ausgleich durch Anordnung von als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichten auf der Kurbelwelle für einen Ausgleich der Massenkräfte sorgt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, miteinander verbunden werden.
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Moderne Brennkraftmaschinen werden nahezu ausschließlich nach einem vier Takte umfassenden Arbeitsverfahren betrieben. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens vier Zylinder und das Füllen über die Einlassöffnungen. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Der mindestens eine Zylinderkopf dient in der Regel zur Aufnahme der Ventiltriebe.
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Es ist die Aufgabe der Ventiltriebe die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu verschließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Brennräume bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher werden die Zylinder auch häufig mit mehreren Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen ausgestattet.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der vier Kolben bzw. der vier Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders der Brennkraftmaschine wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
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Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum im Bereich einer zugehörigen Kurbelwellenkröpfung an der Kurbelwelle drehbar gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang.
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Der Drehkraftverlauf an einer Kurbelkröpfung einer Viertaktbrennkraftmaschine ist periodisch, wobei sich die Periode über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt. Üblicherweise wird der Drehkraftverlauf mittels Fourier-Analyse in seine harmonischen Anteile zerlegt, um Aussagen über die Erregung von Drehschwingungen treffen zu können. Dabei setzt sich der tatsächliche Drehkraftverlauf aus einer konstanten Drehkraft und einer Vielzahl von sich harmonisch verändernden Drehkräften zusammen, die unterschiedliche Drehkraftamplituden und Frequenzen bzw. Schwingzahlen aufweisen. Das Verhältnis der Schwingzahl ni jeder Harmonischen zur Drehzahl n der Kurbelwelle bzw. des Motors, wird als die Ordnung i der Harmonischen bezeichnet. Die Drehschwingungen der Kurbelwelle führen dabei zu mehr oder weniger großen Drehzahlschwankungen.
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Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt auf andere Bauteile übertragen, beispielsweise die Nockenwelle, die selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt.
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Die Drehschwingungen der Kurbelwelle führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine, wobei auch Vibrationen auftreten können, die den Fahrkomfort nachteilig beeinflussen, beispielsweise Vibrationen des Lenkrades im Fahrgastinnenraum.
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Die zunehmende Geräuschemission ist ein immer ernster zu nehmendes Umweltproblem, das sie sich nicht nur grundsätzlich auf die Lebensqualität, sondern insbesondere auch auf die Gesundheit der dem zunehmenden Lärm ausgesetzten Menschen nachteilig auswirkt, weshalb eine Vielzahl von Vorschriften erlassen worden sind, in denen die einzuhaltenden Geräuschgrenzwerte festgelegt wurden. Die wichtigsten Vorschriften sind dabei das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) und die Richtlinien der Europäischen Kommission.
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Aber nicht nur die Geräuschminderung steht bei der konstruktiven Auslegung der Brennkraftmaschine im Fokus der Konstrukteure. Zunehmend wird versucht, das von der Brennkraftmaschine verursachte Geräusch im Rahmen eines Geräuschdesigns bzw. Sounddesigns gezielt zu beeinflussen und zu modellieren. Motiviert werden diese Entwicklungsarbeiten durch die Erkenntnis, dass die Kaufentscheidung eines potentiellen Kunden beim Erwerb eines Fahrzeuges nicht unwesentlich vom Geräusch der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs mit beeinflusst wird. So bevorzugt der Fahrer eines Sportwagens ein Fahrzeug bzw. einen Motor, dessen Geräusch den sportlichen Charakter des Fahrzeuges unterstreicht.
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Beim Sounddesign ist daher auch der Drehkraftverlauf von Interesse bzw. die mittels Fourier-Analyse ermittelten harmonischen Anteile der Drehkraft, die Drehkraftamplituden und Frequenzen sowie die Ordnung i der Harmonischen, die letztendlich ursächlich verantwortlich sind für die emittierten Geräusche.
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Ein weiteres grundsätzliches Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
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Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe, weshalb sich gerade im Teillastbetrieb Nachteile ergeben, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last bzw. zunehmender Drosselung steigen.
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Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung eines Ottomotors entwickelt.
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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.
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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 des Ventils 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.
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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 solche 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 zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
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Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
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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.
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Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung von Hause aus einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, kann der Wirkungsgrad auch bei Dieselmotoren mittels Teilabschaltung im Teillastbetreib verbessert, d. h. erhöht werden.
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Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-LuftGemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
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Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf.
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Wird zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls die dazugehörigen Ventiltriebe dieser Zylinder nicht deaktiviert werden bzw. nicht deaktiviert werden können. 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.
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Um den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten abzuhelfen, kann es zielführend sein, einlassseitig und/oder auslassseitig abschaltbare bzw. verstellbare Ventiltriebe vorzusehen, mit denen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung geschlossen gehalten werden und somit nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen bzw. veränderte Steuerzeiten möglich sind. Abgeschaltete deaktivierte Ventiltriebe verhindern auch, dass die abgeschalteten Zylinder durch hindurch geführte kühlere Luft auskühlen.
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Aus dem Stand der Technik sind Vier-Zylinder-Reihenmotoren bekannt mit vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei die beiden außenliegenden Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder einer ersten Gruppe sind und die beiden innenliegenden Zylinder lastabhängig schaltbare Zylinder einer zweiten Gruppe. Die Zündung in den Zylindern erfolgt im Abstand von 180 °KW bzw. bei Teilabschaltung im Abstand von 360 °KW.
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Ein anderes Konzept aus dem Stand der Technik betrifft einen Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem die ersten drei Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, und der vierte Zylinder eine zweite Gruppe bildet und als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, wobei ein außenliegender Zylinder den ersten Zylinder bildet und die übrigen sich entlang der Längsachse anschließenden Zylinder der Reihe nach durchnummeriert sind. Bei Reihenmotoren werden die Zylinder grundsätzlich der Reihe nach durchgezählt. Die Nummerierung der Zylinder einer Brennkraftmaschine ist in der DIN 73021 geregelt.
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Die Kurbelwellenkröpfungen der ersten drei Zylinder sind dabei entsprechend der Kurbelwelle eines Drei-Zylinder-Reihenmotors angeordnet, d. h. in Umfangsrichtung paarweise um 120° gegeneinander verdreht. D. h. mit anderen Worten, die Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders sind in Umfangsrichtung um 120° gegeneinander verdreht und gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Umfangsrichtung jeweils um 120° - aber gegensinnig - verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet.
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Diese Anordnung der ersten drei Kurbelwellenkröpfungen hat bei Teilabschaltung Vorteile hinsichtlich des Massenausgleichs. Bei einem derartigen Drei-Zylinder-Reihenmotor sind nämlich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung vollständig ausgleichen, wenn die Zündung in den zugehörigen drei Zylindern im Abstand von 240 °KW initiiert wird.
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Die durch die rotierenden Massenkräfte 1. Ordnung beim Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle und zwei um 180° versetzt, d. h. verdreht, angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte kompensieren.
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Die Kurbelwellenkröpfung des vierten Zylinders ist dabei gemäß dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der MTZ 6/2014 beschrieben, gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders nicht verdreht. Die Zündung im zugeschalteten vierten Zylinder wird gleichzeitig, d. h. synchron, mit der Zündung im ersten Zylinder initiiert. Somit ergibt sich - entsprechend der Anordnung der Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders im Einzelfall - eine Zündfolge 1 und 4 - 2 - 3 mit einem Zündabstand von 240 °KW bzw. eine Zündfolge 1 und 4 - 3 - 2 mit einem Zündabstand von 240 °KW.
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Die vorgeschlagene Kröpfung der Kurbelwelle im Zusammenwirken mit der gewählten Zündfolge führt bei zugeschaltetem vierten Zylinder zu einem ungünstigen Drehkraftverlauf, der gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Harmonischen niederer halber Ordnung und einer vergleichsweise hohen Amplitude einer dominierenden Harmonischen 1 Ordnung. Beides ist hinsichtlich des Sounddesigns als ungünstig zu bewerten. Zudem wird ein Betrieb der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten aufgrund einer starken Geräuschemission bzw. eines Brummens erschwert. Ein Massenausgleich ist aufwendig.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden und die bei zugeschaltetem vierten Zylinder einen günstigeren Drehkraftverlauf aufweist bzw. hinsichtlich der Geräuschemission verbessert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf,
- - vier entlang einer Längsachse des mindestens einen Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei ein außenliegender Zylinder den ersten Zylinder bildet, an den sich entlang der Längsachse der Reihe nach der zweite Zylinder, der dritte Zylinder und der vierte Zylinder anschließen, und
- - einer zu einem Kurbeltrieb gehörenden und im Betrieb der Brennkraftmaschine in Drehrichtung umlaufenden Kurbelwelle, die für jeden Zylinder eine dem Zylinder zugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang einer Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, bei der
- - die vier Zylinder in zwei Gruppen konfiguriert sind, wobei die ersten drei Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, und der vierte Zylinder eine zweite Gruppe bildet und als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
- - die Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders in Umfangsrichtung um 120° gegeneinander verdreht und gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Umfangsrichtung jeweils um 120° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet sind,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - die Kurbelwellenkröpfung des vierten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Umfangsrichtung um 180° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Die Kurbelwelle der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Kurbelwellenkröpfung auf, die bei zugeschaltetem vierten Zylinder einen günstigeren Drehkraftverlauf bedingt bzw. zu einem verbesserten Geräuschverhalten führt.
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Der Drehkraftverlauf ist zwar auch durch eine Vielzahl von Harmonischen halber Ordnung gekennzeichnet. Es handelt sich aber um Harmonische höherer halber Ordnungen und nicht um Harmonische niederer halber Ordnungen. Zudem wird die Drehkraft dominiert von einer Harmonischen 3. Ordnung und nicht - wie im Stand der Technik - von einer Harmonischen 1 Ordnung. Beides ist hinsichtlich des Sounddesigns als günstig zu bewerten. Ein Betrieb der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten ist ohne starke Geräuschemission möglich. Ein Massenausgleich ist weniger aufwendig.
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Im Gegensatz zu der Kröpfung einer herkömmlichen Kurbelwelle, bei der die Kurbelwellenkröpfungen des ersten und vierten Zylinders nicht gegeneinander verdreht sind, d. h. im Kurbelstern der Kurbelwelle deckungsgleich aufeinander liegen, verfügt die erfindungsgemäße Kurbelwelle über eine Kurbelwellenkröpfung des vierten Zylinders, die gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Umfangsrichtung um 180° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Die Zündung im zugeschalteten vierten Zylinder wird auch nicht gleichzeitig mit der Zündung im ersten Zylinder initiiert. Vielmehr erfolgt die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders gemäß einer erfindungsgemäßen Zündfolge zwischen zwei anderen Zylindern der Brennkraftmaschine.
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Entsprechend der Anordnung der Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders im Einzelfall kommt beispielsweise die Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 bzw. 1 - 3 - 4 - 2 zur Anwendung, wobei die Zündung der ersten drei Zylinder jeweils in einem Zündabstand von 240 °KW initiiert wird.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine Brennkraftmaschine, die bei zugeschaltetem vierten Zylinder ein verbessertes Geräuschverhalten und einen günstigeren Drehkraftverlauf aufweist und mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können, weshalb die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe löst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Die beiden folgenden Ausführungsformen tragen dem Umstand Rechnung, dass bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor die Kurbelwellenkröpfungen des zweiten und dritten Zylinders ihre Anordnung auf der Kurbelwelle tauschen können, d. h. im Kurbelstern sowohl der zweite Zylinder als auch der dritte Zylinder dem ersten Zylinder im Uhrzeigersinn folgen kann. Dies hat prinzipbedingt auch Auswirkungen auf die Zündfolge, die dann entweder 1 - 2 - 3 oder 1 - 3 - 2 lautet.
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Vorteilhaft können insofern Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen
- - die Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 120° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist, und
- - die Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 240° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Im Kurbelstern folgt vorliegend der zweite Zylinder im Uhrzeigersinn dem ersten Zylinder, weshalb der dritte Zylinder vor dem zweiten Zylinder zündet und beispielsweise die Zündfolge 1 - 3 - 4 - 2 zur Anwendung kommt, wobei die Zündung der ersten drei Zylinder jeweils in einem Zündabstand von 240 °KW initiiert wird.
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Der vierte Zylinder könnte auch zwischen dem zweiten Zylinder und dem ersten Zylinder bzw. zwischen dem ersten Zylinder und dem dritten Zylinder zünden. Die Zündfolge ändert sich dann entsprechend.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen
- - die Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 240° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist, und
- - die Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 120° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Im Kurbelstern folgt vorliegend der dritte Zylinder im Uhrzeigersinn dem ersten Zylinder, weshalb der zweite Zylinder vor dem dritten Zylinder zündet und beispielsweise die Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 zur Anwendung kommt, wobei die Zündung der ersten drei Zylinder jeweils in einem Zündabstand von 240 °KW initiiert wird.
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Der vierte Zylinder könnte auch zwischen dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder bzw. zwischen dem dritten Zylinder und dem ersten Zylinder zünden. Die Zündfolge ändert sich dann entsprechend.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Massenausgleich vorgesehen ist.
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Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte ist man bei der Auslegung der Brennkraftmaschine grundsätzlich bemüht, einen möglichst weitgehenden, d. h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff Massenausgleich sämtliche Maßnahmen zusammengefasst, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern betrifft ein Verfahren zum Massenausgleich auch Maßnahmen zum Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
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In diesem Zusammenhang sind die Kröpfung der Kurbelwelle, die Anzahl und die Anordnung der Zylinder und die Zündfolge von Bedeutung. Für einen vollständigen Massenausgleich müssen aber regelmäßig weitere Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichseinheit, d. h. einer Ausgleichswelle oder mehreren Ausgleichswellen.
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Ausgangspunkt sämtlicher Maßnahmen ist die Überlegung, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d. h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens und der Kolbenringe, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
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Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung, deren zwei Kraftvektoren gegensinnig und jeweils mit Motordrehzahl umlaufen, und einer Massenkraft 2. Ordnung, deren zwei Kraftvektoren gegensinnig und jeweils mit zweifacher Motordrehzahl umlaufen, zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
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Die rotierenden Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen, zu denen auch die Kurbelwelle gehören kann und üblicherweise auch gehört. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um.
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Zudem ergeben sich selbst bei einem vollständigen Ausgleich der rotierenden Massenkräfte Massenmomente, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall wiederum durch eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Massenausgleich mindestens zwei Ausgleichswellen umfasst.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen keine Ausgleichwelle betreffend die teilabgeschaltete Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
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Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen erhöht nicht nur den Raumbedarf und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch, weshalb bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor regelmäßig auf einen Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente verzichtet wird. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit, insbesondere der Wellen und der als Unwucht dienenden Gegengewichte, verursacht, welche das Gesamtgewicht der Antriebseinheit spürbar erhöhen. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei. Die erhöhte Reibleistung würde die Kraftstoffersparnis infolge Teilabschaltung zumindest teilweise zunichtemachen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, und
- - die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Es ist vorteilhaft, den Abgaskrümmer weitestgehend in den mindestens einen Zylinderkopf zu integrieren, d. h. die Zusammenführung der Abgasleitungen möglichst umfänglich bereits im Zylinderkopf vorzunehmen, da dies zu einer kompakteren Bauweise führt, ein dichtes Packaging gestattet und sich Kostenvorteile und Gewichtsvorteile ergeben. Zudem können sich Vorteile hinsichtlich des Ansprechverhaltens eines im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasturboladers bzw. eines Abgasnachbehandlungssystems sowie hinsichtlich des für den Krümmer zu verwendenden Werkstoffs ergeben, der aus weniger temperaturbeständigem Werkstoff gefertigt werden kann, falls der Zylinderkopf flüssigkeitsgekühlt ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, und
- - die Abgasleitungen der ersten drei Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Infolge der im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge können sich die Zylinder während des Ladungswechsels gegenseitig beeinflussen, insbesondere in nachteiliger Weise behindern. Eine verschlechterte Drehmomentcharakteristik bzw. ein gemindertes Leistungsangebot können die Folge sein.
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Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.
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Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
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Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch die Abgasleitungen der anderen Zylinder entlang und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen und geöffneten Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar unter anderem infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Kurze Abgasleitungen begünstigen die beschriebenen Effekte. Im Einzelfall gelangt Abgas in einen Zylinder, das aus einem anderen Zylinder stammt.
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Da der vierte Zylinder erfindungsgemäß zwischen zwei Zylindern, die einen Zündabstand von 240 °KW aufweisen, zündet, ist die Gefahr einer gegenseitigen Einflussnahme vergleichsweise groß. Insofern kann es vorteilhaft sein, den vierten Zylinder abgasseitig von den übrigen drei Zylindern zu separieren. Realisiert werden kann dies dadurch, dass die Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen über eine längere bzw. ausreichend lange Wegstrecke voneinander getrennt gehalten werden.
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So wie die Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen auslassseitig voneinander getrennt gehalten werden, können in analoger Weise einlassseitig die Ansaugsysteme der Zylindergruppen voneinander separiert werden. Hintergrund dieser Maßnahme kann wiederum der geringe thermodynamische Versatz der Zylinder sein.
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Zum Betreiben der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine wäre es vorteilhaft, die mindestens eine Einlassöffnung und/oder die mindestens eine Auslassöffnung des vierten Zylinders deaktivieren zu können, weshalb der vierte Zylinder vorzugsweise mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb auszustatten ist, der auch bei in Betreib befindlichem vierten Zylinder geänderte Steuerzeiten zulassen könnte.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist.
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Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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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 verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine Turbine und einen Verdichter umfasst.
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Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern, bereitet Schwierigkeiten. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein mechanischer Lader vorgesehen ist.
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Der Vorteil eines mechanischen Laders, d. h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch einen zusätzlich vorgesehenen mechanischen Lader verbessert werden.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Brennkraftmaschine ein Saugmotor ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zylinder mit einer Direkteinspritzung ausgestattet sind. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Auf die bereits gemachten Ausführungen wird Bezug genommen.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem der schaltbare vierte Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird, in der Art, dass dieser schaltbare Zylinder bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last Tdown abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last Tup zugeschaltet wird, wobei die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders zwischen der Zündung von zwei anderen Zylindern initiiert wird.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten Tdown und Tup 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 des vierten Zylinders.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die vorgebbare Last Tdown und/oder Tup 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.
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Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders zwischen der Zündung des zweiten Zylinders und der Zündung des dritten Zylinders initiiert wird bzw. zwischen der Zündung des dritten Zylinders und der Zündung des zweiten Zylinders.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders zwischen der Zündung des ersten Zylinders und der Zündung des zweiten Zylinders initiiert wird.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders zwischen der Zündung des dritten Zylinders und der Zündung des ersten Zylinders initiiert wird.
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Vorteilhaft sind des Weiteren Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders 360 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders initiiert wird.
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Vorteilhaft können grundsätzlich Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders 120 °KW vor oder nach der Zündung des zweiten bzw. dritten Zylinders initiiert wird.
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Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der die Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 240° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Zündung des zweiten Zylinders zumindest bei zugeschaltetem vierten Zylinder 240 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders initiiert wird.
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Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der die Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders gegenüber der Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders in Drehrichtung um 120° verdreht auf der Kurbelwelle angeordnet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Zündung des dritten Zylinders zumindest bei zugeschaltetem vierten Zylinder 480 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders initiiert wird.
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An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass der zweite Zylinder und der dritte Zylinder ihre Position, d. h. ihre Anordnung auf der Kurbelwelle tauschen können, weshalb das zuvor für den zweiten Zylinder Gesagte auch für den dritten Zylinder gelten kann und umgekehrt (siehe auch Figurenbeschreibung).
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kraftstoffversorgung des schaltbaren vierten 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.
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Die Initiierung, d. h. Einleitung der Verbrennung kann sowohl durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels Zündkerze, als auch durch Selbstzündung bzw. Kompressionszündung erfolgen. Insofern lässt sich das Verfahren bei Ottomotoren, aber auch bei Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen anwenden.
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Vorteilhaft sind daher Verfahrensvarianten, bei denen die Verbrennung in den Zylindern mittels Fremdzündung initiiert wird.
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Vorteilhaft sind daher auch Verfahrensvarianten, bei denen die Verbrennung in den Zylindern mittels Selbstzündung initiiert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a die Kurbelwelle einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung, und
- 1b den Kurbelstern der in 1a dargestellten Kurbelwelle.
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1a zeigt die Kurbelwelle 5 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung. Die Kurbelwelle 5 wird in den Lagern 6 im Kurbelgehäuse aufgenommen und gelagert. Es handelt sich um die Kurbelwelle 5 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, der vier entlang der Längsachse 5a der Kurbelwelle 5 in Reihe angeordnete Zylinder 1, 2, 3, 4 umfasst. Die Kurbelwellenkröpfungen 11, 12, 13, 14 der vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind um die Längsachse 5a verdreht zueinander angeordnet.
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Dabei sind die Kurbelwellenkröpfungen 11, 12, 13 der ersten drei Zylinder 1, 2, 3 entsprechend der Kurbelwelle eines Drei-Zylinder-Reihenmotors angeordnet, d. h. in Umfangsrichtung paarweise um 120° gegeneinander verdreht, so dass die Kurbelwellenkröpfungen 12, 13 des zweiten und dritten Zylinders 2, 3 in Umfangsrichtung um 120° gegeneinander verdreht sind und gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 11 des ersten Zylinders 1 in Umfangsrichtung jeweils um 120°; aber gegensinnig.
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Bei der in 1a dargestellten Ausführungsform ist die Kurbelwellenkröpfung 12 des zweiten Zylinders 2 gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 11 des ersten Zylinders 1 in Drehrichtung (Pfeil) um 120° verdreht auf der Kurbelwelle 5 angeordnet und die Kurbelwellenkröpfung 13 des dritten Zylinders 3 ist gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 11 des ersten Zylinders 1 in Drehrichtung (Pfeil) um 240° verdreht auf der Kurbelwelle 5 angeordnet.
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Die Kurbelwellenkröpfung 14 des vierten Zylinders 4 ist gegenüber der Kurbelwellenkröpfung 11 des ersten Zylinders 1 in Umfangsrichtung um 180° verdreht auf der Kurbelwelle 5 angeordnet.
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Die Kröpfungsfolge der Kurbelwelle 5 kann auch 1b entnommen werden, die den Kurbelstern der in 1a dargestellten Kurbelwelle 5 zeigt. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Vorliegend kommt die Zündfolge 1 - 3 - 4 - 2 zur Anwendung, wobei die Zündung der ersten drei Zylinder 1, 2, 3 jeweils in einem Zündabstand von 240 °KW initiiert wird.
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Die Zündung des dritten Zylinders 3 erfolgt somit 240 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders 1 und die Zündung des zweiten Zylinders 2 480 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders 1. Die Zündung des zugeschalteten vierten Zylinders 4 erfolgt 360 °KW nach der Zündung des ersten Zylinders 1 und damit zwischen dem dritten Zylinder 3 und dem zweiten Zylinder 2.
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Der vierte Zylinder 4 könnte auch zwischen dem zweiten Zylinder 2 und dem ersten Zylinder 1 bzw. zwischen dem ersten Zylinder 1 und dem dritten Zylinder 3 zünden. Die Zündfolge würde sich dann entsprechend ändern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Zylinder, außenliegender Zylinder
- 2
- zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder
- 3
- dritter Zylinder, innenliegender Zylinder
- 4
- vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
- 5
- Kurbelwelle
- 5a
- Längsachse der Kurbelwelle
- 6
- Kurbelwellenlager, Lager
- 11
- Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders
- 12
- Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders
- 13
- Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders
- 14
- Kurbelwellenkröpfung des vierten Zylinders
- °KW
- Grad Kurbelwinkel
