DE102015214616A1

DE102015214616A1 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015214616A1
Application number: DE102015214616.2A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Bartsch; Rob Stalman
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-08-01
Also published as: CN106401758A; CN106401758B; US20170030279A1; US10167793B2; DE102015214616B4

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit mindestens drei 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 ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, – mindestens drei 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 – mindestens eine Abgasrückführung (15) vorgesehen ist, wobei – mindestens eine Auslassöffnung mindestens eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (20) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich einer Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t1,ex freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens drei 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 ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– mindestens drei 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
– mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen 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, 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.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine mittels Abgasturbolaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine. Der Vorteil eines 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.
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 drei 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.
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 zudem 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 Kraftstoffverbrauchs 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.
Um den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten abzuhelfen, kann es zielführend sein, einlassseitig und auslassseitig schaltbare Ventiltriebe vorzusehen, mit denen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung geschlossen gehalten werden und somit nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen.
Schaltbare Ventiltriebe können aber bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen wie der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern ausgelegt 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 in der Regel auch das Turbinendruckverhältnis. Ein abnehmendes Turbinendruckverhältnis hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt, und den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern nur wenig Ladeluft zugeführt wird bzw. weniger Ladeluft als beabsichtigt. Der geringe Ladeluftstrom kann auch dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
Den bei Teilabschaltung durch die Zylinder der Brennkraftmaschine geführten Gesamtmassenstrom wieder dadurch zu erhöhen, dass die abgeschalteten Zylinder doch weiter am Ladungswechsel teilnehmen, ist nicht zielführend, da die durch die abgeschalteten Zylinder geführte kühlere Ladeluft die Enthalpie des der Turbine zur Verfügung gestellten Abgasstromes erheblich mindert. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Abgasenthalpie der heißen Abgase maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird. Die Abgasmasse ist folglich nicht der einzig relevante Aspekt bei der Betrachtung der in Rede stehenden Problematik.
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 Abgasstrom 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.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene 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 aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens drei 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 ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– mindestens drei 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
– mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist,

– mindestens eine Auslassöffnung mindestens eines Zylinders der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich einer Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mindestens eine Auslassöffnung eines auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinders mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet, dessen Auslassventil zumindest hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist.
Dies ermöglicht es, beim Betreiben der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine das mindestens eine verstellbare Auslassventil der ersten Zylindergruppe früher zu öffnen. Mit dieser Maßnahme kann die Temperatur des der Turbine zugeführten Abgases erhöht werden, so dass am Turbineneintritt des mindestens einen Abgasturboladers Abgas einer höheren Enthalpie bereitgestellt wird.
Eine höhere Abgasenthalpie sorgt für ein höheres Turbinendruckverhältnis und damit für ein höheres Ladedruckverhältnis, weshalb den bei Teilabschaltung weiter in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zugeführt werden kann bzw. zugeführt wird und zwar selbst dann, wenn die abgeschalteten Zylinder nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen und der Massenstrom durch die Brennkraftmaschine stark reduziert ist. Ein Pumpen des Verdichters lässt sich verhindern. Der Lastbereich, in welchem die Teilabschaltung effektiv eingesetzt werden kann, wird erweitert. Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine während der Teilabschaltung ist deutlich verbessert.
Falls das mindestens eine verstellbare Auslassventil während der Teilabschaltung bei noch laufender Verbrennung geöffnet wird, wird im Rahmen des Ladungswechsels der ersten Gruppe noch brennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch in das Abgasabführsystem ausgeschoben und die im Kraftstoff gebundene Energie bzw. Wärme im Abgasabführsystem freigesetzt und damit turbinennah. Der erfindungsgemäß beabsichtigte und erzielte Effekt, nämlich die Abgasenthalpie zu erhöhen, fällt dann besonders deutlich aus.
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 ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, 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.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei 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 aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Auslassöffnung jedes Zylinders der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform hat jeder Zylinder der ersten Gruppe mindestens ein Auslassventil, das hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, obwohl der erfindungsgemäß beabsichtigte Effekt, die Abgasenthalpie zu erhöhen, bereits erzielt werden kann, wenn nur ein Zylinder der ersten Gruppe ein derartiges Auslassventil hat bzw. nicht sämtliche Zylinder der ersten Gruppe ein derartiges Auslassventil haben. Nichtsdestotrotz ist der beabsichtigte Effekt umso stärker je mehr Zylinder der ersten Gruppe ein derartiges Auslassventil haben.
Vorteilhaft sind auch deshalb Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Auslassöffnung jedes Zylinders der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich einer Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform hat jede Auslassöffnung jedes Zylinders der ersten Gruppe ein Auslassventil, das hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der ersten Gruppe ein im Hinblick auf das Öffnen verstellbares Auslassventil ist.
Ein im Hinblick auf das Öffnen verstellbares Auslassventil ist zumindest hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar, gegebenenfalls aber auch hinsichtlich der Öffnungsdauer und/oder der Geschwindigkeit, mit dem das Auslassventil geöffnet wird.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der ersten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex verstellbares Auslassventil ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex zweistufig verstellbares Auslassventil ist.
Zwei unterschiedliche Öffnungsdauern eines Auslassventils lassen sich beispielsweise mittels zweier unterschiedlicher Nocken verwirklichen, zwischen denen gewechselt wird, wenn die Teilabschaltung eingeleitet und beendet wird. Die unterschiedlichen Nockenprofile können sowohl die Steuerzeit des Öffnens als auch die Steuerzeit des Schließens ändern, aber auch unter Beibehaltung der Steuerzeit des Schließens lediglich die Steuerzeit des Öffnens variieren.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex mehrstufig verstellbares Auslassventil ist.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex stufenlos verstellbares Auslassventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Auslassöffnung jedes Zylinders der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_2,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,ex freigibt.
Ein mittels zumindest teilweise variablen Ventiltriebs betätigtes Auslassventil kann dazu dienen, 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 kann 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. 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 – wenn überhaupt – Ladeluft abgeführt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein schaltbares Auslassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,ex freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,ex ausbildet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_2,ex und/oder den Ventilhub ∆h_2,ex verstellbares Auslassventil ist.
Ein im Ventilhub ∆h_2,ex verstellbares Auslassventil 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 Auslassventil ist ein Auslassventil, das mindestens zwei unterschiedliche Ventilhübe ∆h_2,ex zulässt. Ein schaltbares Auslassventil, das im abgeschalteten Zustand keinen Hub aufweist, ist somit ebenfalls ein im Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil. Vorteilhaft können insbesondere Ausführungsformen sein, bei denen das in Rede stehende Auslassventil kein abschaltbares Ventil ist.
Ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_2,ex verstellbares Auslassventil ermöglicht zumindest zwei unterschiedliche Öffnungsdauern. 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 Auslassventil, das nicht betätigt und damit nicht geöffnet wird, verfügt über eine Öffnungsdauer, die Null ist. Vorteilhaft können insbesondere Ausführungsformen sein, bei denen das in Rede stehende Auslassventil kein abschaltbares Ventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein stufig, insbesondere zweistufig verstellbares Auslassventil ist bzw. ein stufenlos verstellbares Auslassventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der mindestens einen Abgasleitung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders ein auslassseitiges Drosselelement vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Abgasleitung veränderbar ist und mit dem das Abführen aus dem bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine mindestens einen abgeschalteten Zylinder der zweiten Gruppe steuerbar ist.
Vorliegend ist mindestens ein auslassseitiges Drosselelement im Abgasabführsystem des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders angeordnet. Während ein einlassseitiges Drosselelement die Ladeluftzufuhr zu einem abgeschalteten Zylinder steuert, d. h. die bei Teilabschaltung zugeführte Ladeluftmenge vermindert, gegebenenfalls sogar unterbindet, dient ein auslassseitiges Drosselelement 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 auslassseitigen Drosselelements reduziert werden. Das Öffnen eines auslassseitigen Drosselelements ist vorzugsweise dann zu vermeiden, wenn im zugehörigen abgeschalteten Zylinder Unterdruck herrscht bzw. ein niedrigerer Druck vorliegt als im Abgasabführsystem zwischen dem Zylinder und dem auslassseitigem Drosselelement. Das Vorsehen mindestens eines auslassseitigen Drosselelements hat gegenüber teilweise variablen bzw. schaltbaren Ventiltrieben Kostenvorteile.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Einlassöffnung jedes Zylinders der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem Einlassventil, welches die zugehörige Einlassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Einlassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_2,in ausbildet und die dazugehörige Einlassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,in freigibt.
Es gilt das im Zusammenhang mit einem verstellbaren Auslassventil Gesagte in analoger Weise. Insofern wird Bezug genommen auf die entsprechenden Ausführungen, insbesondere hinsichtlich der Verstellbarkeit der Auslassventile der zweiten Zylindergruppe.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Einlassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein schaltbares Einlassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,in freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,in ausbildet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Einlassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_2,in und/oder den Ventilhub ∆h_2,in verstellbares Einlassventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen 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.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wird 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 einlassseitig mit schaltbaren Ventiltrieben 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.
Die abgeschalteten Zylinder können weiter am Ladungswechsel teilnehmen, wenn die Ventiltriebe dieser Zylinder weiter betätigt werden, d. h. arbeiten, und nicht zusammen mit den Zylindern abgeschaltet werden. 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, den Vorteil, dass der Massenstrom durch die Brennkraftmaschine bei Verminderung der Ladeluftzufuhr höher ist, als wenn die Zufuhr von Ladeluft vollständig unterbunden wird.
Bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen führt der höhere Massenstrom zu einem höheren Turbinendruckverhältnis und damit zu einem höheren Ladedruck, so dass den bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern eine größere Ladeluftmenge zur Verfügung gestellt werden kann. Dies erweitert auch die Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich den Lastbereich, in dem die Teilabschaltung einsetzbar ist, und verbessert die Güte der Verbrennung und damit das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine einlassseitige Drosselelement ein Ventil oder eine verschwenkbare Klappe ist, die vorzugsweise zweistufig bzw. stufenlos verstellbar ist. 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.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die zwei außenliegenden Zylinder und die zwei innenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen.
Regelmäßig bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Häufig wird ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere Abgasturbolader parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann 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.
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.
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 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen 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 jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der ersten Gruppe während der Teilabschaltung früher geöffnet 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.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Verfahrensvarianten, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der ersten Gruppe während der Teilabschaltung bei noch laufender Verbrennung geöffnet wird. Dann wird im Rahmen des Ladungswechsels der ersten Gruppe noch brennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch in das Abgasabführsystem ausgeschoben und die im Kraftstoff gebundene Energie bzw. Wärme im Abgasabführsystem freigesetzt und damit turbinennah.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Verfahrensvarianten, bei denen 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.
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 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 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 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 höher ist als diese vorgegebene Last T_up.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen jede Auslassöffnung jedes Zylinders der zweiten Gruppe und jede Einlassöffnung jedes Zylinders der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung geschlossen gehalten wird. Hierzu sind die Zylinder der zweiten Gruppe einlassseitig und auslassseitig mit zumindest zweistufig schaltbaren Ventiltrieben auszustatten bzw. ausgestattet.
Vorteilhaft können auch Verfahrensvarianten sein, bei denen dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder eine vorgebbare Mindestmenge an Ladeluft zugeführt wird und nicht weniger.
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.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zwecks Teilabschaltung zunächst eine Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders 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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer aufgeladenen Brennkraftmaschine und gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der 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 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden.
Jede Einlassöffnung jedes Zylinders 2, 3 der zweiten Gruppe ist mit einem teilweise variablen Ventiltrieb 9 ausgestattet, dessen Einlassventil ein schaltbares Einlassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,in freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,in ausbildet.
Jede Auslassöffnung jedes Zylinders 2, 3 der zweiten Gruppe ist mit einem teilweise variablen Ventiltrieb 11 ausgestattet, dessen Auslassventil ein schaltbares Auslassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,ex freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,ex ausbildet.
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. Vorliegend erfolgt das Abschalten durch Deaktivieren der Kraftstoffeinspritzung und Abschalten der einlassseitigen und auslassseitigen Ventile. 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 jedes auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine 10 in Betrieb befindlichen Zylinders 1, 4 ist mit einem teilweise variablen Ventiltrieb 20 ausgestattet, dessen Auslassventil hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist.
Beim Betreiben der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine 10 werden die verstellbaren Auslassventile der ersten Zylindergruppe früher geöffnet, wodurch die Temperatur des der Turbine 12a zugeführten Abgases erhöht wird. Eine höhere Abgasenthalpie gewährleistet einen höheren Ladedruck, so dass den bei Teilabschaltung weiter in Betrieb befindlichen Zylindern 1, 4 mehr Ladeluft zugeführt werden kann.
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: zumindest teilweise variabler Ventiltrieb eines Einlassventils eines schaltbaren Zylinders
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
20: zumindest teilweise variabler Ventiltrieb eines Auslassventils eines auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylinders der ersten Gruppe
∆h: Ventilhub zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung
∆h_1,ex: Ventilhub eines Auslassventils eines auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylinders der ersten Gruppe
∆h_2,ex: Ventilhub eines Auslassventils eines schaltbaren Zylinders der zweiten Gruppe
∆h_2,in: Ventilhub eines Einlassventils eines schaltbaren Zylinders der zweiten Gruppe
∆t: Öffnungsdauer eines Ventils
∆t_1,ex: Öffnungsdauer eines Auslassventils eines auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylinders der ersten Gruppe
∆t_2,ex: Öffnungsdauer eines Auslassventils eines schaltbaren Zylinders der zweiten Gruppe
∆t_2,in: Öffnungsdauer eines Einlassventils eines schaltbaren Zylinders der zweiten Gruppe

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit mindestens drei 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 ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (8) angeordnete Turbine (12a) und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter (12b) umfasst, – mindestens drei 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 – mindestens eine Abgasrückführung (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Auslassöffnung mindestens eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (20) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich einer Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung jedes Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (20) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslassöffnung jedes Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (20) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt und zumindest hinsichtlich der Steuerzeit des Öffnens verstellbar ist, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_1,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_1,ex freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (20) eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe ein im Hinblick auf das Öffnen verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (20) eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex zweistufig verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex mehrstufig verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_1,ex stufenlos verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslassöffnung jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (11) ausgestattet ist mit einem Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_2,ex ausbildet und die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,ex freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (11) eines Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe ein schaltbares Auslassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,ex freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,ex ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (11) eines Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_2,ex und/oder den Ventilhub ∆h_2,ex verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Abgasleitung (7b) des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) ein auslassseitiges Drosselelement vorgesehen ist, mit dem die Größe des Strömungsquerschnitts der Abgasleitung (7b) veränderbar ist und mit dem das Abführen aus dem bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe steuerbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einlassöffnung jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb (9) ausgestattet ist mit einem Einlassventil, welches die zugehörige Einlassöffnung freigibt oder versperrt, wobei ein oszillierendes Einlassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einen Ventilhub ∆h_2,in ausbildet und die dazugehörige Einlassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,in freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einlassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (9) eines Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe ein schaltbares Einlassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Einlassventil die dazugehörige Einlassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_2,in freigibt und dabei einen Ventilhub ∆h_2,in ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einlassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (11) eines Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t_2,in und/oder den Ventilhub ∆h_2,in verstellbares Einlassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Ansaugleitung (5b) des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) ein einlassseitiges Drosselelement 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.
Aufgeladene 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.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (20) eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe während der Teilabschaltung früher geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs (20) eines Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe während der Teilabschaltung bei noch laufender Verbrennung geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslassöffnung jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe und jede Einlassöffnung jedes Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder (2, 3) eine vorgebbare Mindestmenge an Ladeluft zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Teilabschaltung zunächst eine Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders (2, 3) deaktiviert wird.