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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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In Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit gewandelt. Hierzu wird in Brennräumen, den Zylindern des Verbrennungsmotors, ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Es sind Verbrennungsmotoren mit unterschiedlichen Anzahlen an Zylindern bekannt. Dabei werden sowohl Verbrennungsmotoren mit einer geraden Anzahl von Zylindern als auch Verbrennungsmotoren mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern eingesetzt.
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Ein als Zylinderabschaltung bezeichnetes Verfahren sieht vor, insbesondere in Fahrsituationen mit niedrigem Leistungsbedarf, die Kraftstoffzufuhr zu einzelnen Zylindern zu unterbrechen bzw. keinen Kraftstoff in diese einzuspritzen. Dabei werden typischerweise die Ventile der abgeschalteten Zylinder geschlossen gehalten, um Gaswechselverluste zu vermeiden. Je nach System kann entweder eine komplette Zylinderbank oder es können auch einzelne Zylinder abgeschaltet werden.
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Die Zylinderabschaltung wird bei modernen Motoren bereits eingesetzt, wobei dieses vornehmlich bei Verbrennungsmotoren mit mindestens acht Zylindern verwendet wird, da bei diesen eine gewisse Mindest-Laufruhe gewährleistet werden kann. Daneben ist es bekannt, bei Verbrennungsmotoren mit Turboladern diese mit einem Elektromotor zu unterstützen.
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Mit der Zylinderabschaltung soll eine Kraftstoffeinsparung und eine damit verbundene Reduzierung der Gesamtemissionen erreicht werden. Zu beachten ist, dass die Zylinderabschaltung bislang ausschließlich bei Verbrennungsmotoren mit einer geraden Anzahl an Zylindern, also vornehmlich bei Verbrennungsmotoren mit acht, zehn oder zwölf Zylindern, eingesetzt wird. Bislang ist es nur möglich, eine genau definierte Anzahl an Zylindern auszublenden. Ebenso ist fest definiert, welcher Zylinder bzw. welche Zylinder ausgeblendet werden kann bzw. können.
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Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die Betriebstemperatur im Motor zu halten. So schließen bspw. Turbomotoren die Ein- und Auslässe der Brennkammern, um Ladungswechselverluste und Auskühlung der Abgasanlage zu vermeiden. Zu beachten hierbei ist, dass manche Zehn-Zylindermotoren keine Möglichkeit haben, Brennkammern bzw. Zylinder zu verschließen. Die erforderliche Zündreihenfolge bedingt, dass beim Zehn-Zylinder-V-Motor die komplette Zylinderbank deaktiviert werden muss, was wiederum zur Folge hat, dass die Bänke wechselseitig betrieben werden müssen, um die Temperatur in den Abgasanlagen zu halten. Fällt die Temperatur ab, reduziert sich die Katalysator-Wirkung.
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Es bleibt festzuhalten, dass alle technischen Umsetzungen aktuell zwei Betriebspunkte vorhalten, nämlich einen Halbmotorbetrieb und einen Vollmotorbetrieb. Dadurch ergeben sich jedoch erhebliche Momentenunterschiede zwischen den Betriebsmodi, was nachteilig ist. Zu beachten ist, dass die Übergänge der Betriebsmodi nur in Niedriglast-Betriebspunkten und stationären Betriebspunkten stattfinden und daher vom Fahrer leicht wahrgenommen werden können. Es wird zwar ein großer Aufwand unternommen, bspw. mit Hardware-Komponenten und Software-Algorithmen, die Wechsel nicht spürbar zu gestalten. Dennoch verursacht jeder Umschaltvorgang in den Halbmotorbetrieb einen kurzen Mehrverbrauch, der dann, dies wird zumindest angestrebt, durch ein Halten in dem Betriebspunkt ggf. wieder ausgeglichen werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren der Zylinderabschaltung bei einem Verbrennungsmotor mit ungerader Anzahl an Zylindern führt zu einer CO2-Reduktion und einer Einsparung des Kraftstoffverbrauchs.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht weiterhin die Entdrosselung des Motors, wodurch die Blindleistung reduziert wird, wie dies auch bei Umsetzungen von Halbmotorbetrieben zum Einsatz kommt, wobei gleichzeitig die Ausgangsleistung konstant gehalten und die Lambda-1-Verbrennung erhalten wird. Dabei ist keine feste Ausblendzeit erforderlich, ein vollflexibles Brennmuster kann erreicht werden.
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Weiterhin ist zu beachten, dass ein Einbank-Abgassystem keine Maßnahmen zum Erhalt der Katalysator-Wärme erfordert, daher ist ein Dauerbetrieb möglich. Daneben kann ein Einsatz einer Aufladung in Kombination mit der Zylinderabschaltung, bspw. für ein Vorspannen des Motors (Launch Control Feature), erfolgen.
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Eine zusätzliche Erweiterung des Verfahrens sieht den Einsatz eines Elektromotors vor, wodurch Strömungsabrisse durch die ausbleibende Verbrennung kompensiert werden können.
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Es wurde erkannt, dass beim Einstellen eines niedrigen Betriebspunktes, d. h. bei geringer Last und niedriger Drehzahl, mit der Drosselklappe es zu erheblichen Druckgefällen an der Drosselklappe kommt, welche sich letztlich negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirken. Des Weiteren sind im Niedriglastbereich verschiedene Komponenten, wie bspw. die Hochdruckeinspritzventile, im Bereich ihrer unteren Betriebsgrenze. Durch die Reduzierung der an der Momentbereitstellung beteiligter Zylinder kann nunmehr der Betriebspunkt der einzelnen Zylinder angehoben werden und damit die Komponenten in ihren eigentlichen Betriebsbereich zurückgeführt werden.
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Bislang ist es nicht bekannt, einen Verbrennungsmotor mit ungerader Zylinderanzahl mit einer Zylinderdeaktivierung bzw. -abschaltung im Dauerbetrieb zu betreiben, um Emission zu reduzieren. Dabei ist das beschriebene Verfahren insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit fünf Zylindern vorteilhaft. Hierbei wird eine Ausblendung von Zylindern vorgenommen, dabei allerdings keine zwei Motorbetriebsarten vorgegeben, sondern variabel auf den aktuell benötigten Momentwunsch eingegangen. Es ist dafür kein weiterer Einsatz von Hardware erforderlich.
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Die vorstehend erwähnten Maßnahmen zum Erhalt der Temperaturen und der Betriebsbereiche von Katalysator und Verbrennungsmotor sind beim Fünf-Zylindermotor mit der Umsetzung des Verfahrens nicht erforderlich, da es durch die wechselnden Zylinder bei der Ausblendung nicht zu einem Auskühlen der einzelnen Brennkammern kommt. Das gesamte Abgas wird über einen Turbolader in den Hauptkatalysator gegeben. Damit ist sichergestellt, dass der Katalysator immer von heißem Abgas durchströmt wird.
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Der Einsatz eines Turboladers wird insbesondere dann relevant, wenn durch die Aufladung des Verbrennungsmotors in Kombination mit der Zylinderabschaltung der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors in einen effizienteren Bereich verschoben werden kann. Wenn bspw. eine leichte Ladedruckerhöhung es ermöglicht, einen weiteren Zylinder auszublenden, kann Kraftstoff eingespart werden.
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Zu beachten ist, dass große Turbolader bei kleinen Abgas-Massenströmen Probleme damit haben, den Ladedruck aufzubauen. Bei zusätzlichem Einsatz eines Elektromotors, was auch als E-Turbolader bezeichnet wird, ist zu beachten, dass E-Turbolader gezielt angesteuert und geregelt werden können, was die Beherrschbarkeit, insbesondere für diesen Anwendungsfall, erleichtert.
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Der Unterschied und die Möglichkeiten zu den bisherigen Umsetzungen bestehen darin, dass fünf Zylinder gerade ausreichend sind, um eine sinnvolle Reduzierung durchführen zu können. Daneben verfügt der Verbrennungsmotor über ausreichend viele Zylinder, um nicht auf nur zwei Betriebspunkte festgelegt zu werden. Daher ist durch die im Fünf-Zylindermotor technisch bedingte Geräusch- und Motorlaufsituation eine kontinuierliche Reduzierung der an der Verbrennung teilnehmenden Zylinder möglich. Dies wird hiermit erstmalig umgesetzt.
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Die Ermittlung und Koordination des Momentbedarfs kann durch Erweiterung der bereits eingesetzten Algorithmen auf einfache Weise erreicht werden. Es kann bei dem Verfahren zudem vorgesehen sein, dass Schritt für Schritt bzw. schrittweise die Reduzierung der Zylinder vorgenommen wird, um möglichst wenig Momentenreserve aufbauen zu müssen, um damit für den Fahrer nicht spürbare Übergänge zu ermöglichen, ohne gleichzeitig einen Mehrverbrauch herbeizuführen.
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Mögliche Ausführungen werden anhand unterschiedlicher Reduzierstufen nachfolgend erläutert:
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Es wird davon ausgegangen, dass das Motorausgangsmoment so niedrig ist, dass mit weniger als fünf Zylindern die Motorgesamtleistung erbracht werden kann. Ein Koordinator, der eine Komponente der vorgestellten Anordnung sein kann bzw. diese verkörpert, gibt die Reduzierstufe 1 vor und beginnt damit, das verfügbare Moment zu reduzieren, um die maximale Entdrosselung zu erreichen:
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Reduzierstufe 1
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Es wird eine Reduzierung um einen Zylinder vorgenommen, es folgt eine Ausblendung nach einem festen Ausblendmuster (10000). Dabei steht "1" für einen abgeschalteten Zylinder, "0" steht für einen aktiven Zylinder. Im Betrieb mit vier Zylindern sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich.
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Erhöht sich der Momentbedarf wieder, erfolgt ein sofortiger Rücksprung auf den Vollmotorbetrieb. Reduziert sich der Momentbedarf weiter, erfolgt eine Ausblendung eines weiteren Zylinders.
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Reduzierstufe 2
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Es wird eine Reduzierung um zwei Zylinder vorgenommen, es erfolgt eine Vorgabe des Ausblendmusters für jeden vierten Zylinder. Die Besonderheit besteht darin, dass die ausgeblendeten Zylinder durchrotieren und es keine fest ausgeblendeten Zylinder gibt. Dadurch verschiebt sich fortwährend das Ausblendmuster der ausgeblendeten Zylinder. Es sind dadurch vier vorgegebene Ausblendmuster bzw. Sequenzen zu programmieren, die fest aufeinander folgen:
- 1. 10001
- 2. 00010
- 3. 00100
- 4. 01000
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Erhöht sich der Momentbedarf und ermöglicht gleichzeitig die Verwendung von Reduzierstufe 1, kann an der Stelle 1. direkt in die Reduzierstufe 1 übergegangen werden. Sollte aufgrund der Momentanforderung die Reduzierstufe 1 im zeitlich verträglichen Rahmen nicht mehr erreicht werden können oder die Momentenanforderung oberhalb der Möglichkeiten der Reduzierstufe 1 liegen, ist der Umstieg auf den Vollmotor direkt möglich.
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Reduziert sich der Momentenbedarf weiter, kann an Stelle bzw. Muster 1. oder 3. auch in die Reduzierstufe 3 übergegangen werden:
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Reduzierstufe 3
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Es wird eine Reduzierung um drei Zylinder vorgenommen. Es erfolgt eine Vorgabe des Ausblendmusters für jeden dritten Zylinder. Auch hier wechseln die ausgeblendeten Zylinder durch. Hierfür müssen drei Ausblendmuster fest vorgegeben werden:
- 1. 10010
- 2. 01001
- 3. 00100
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Erhöht sich der Momentbedarf und ermöglicht gleichzeitig die Verwendung von Reduzierstufe 2, kann an der Stelle 1. oder 3. direkt in die Reduzierstufe 2 übergegangen werden. Sollte aufgrund der Momentanforderung die Reduzierstufe 2 im zeitlich verträglichen Rahmen nicht mehr erreicht werden können oder die Momentanforderung oberhalb der Möglichkeiten der Reduzierstufe 2 liegen, ist der Umstieg auf die Reduzierstufe 1 an der Stelle 1. oder auf den Vollmotor direkt möglich.
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Eine weitere Reduzierung ist für einen Dauerbetrieb ggf. nicht zweckmäßig, da die Laufruhe des Motors erheblich beeinträchtig wird.
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Der Einsatz der Zylinderabschaltung an einen Fünf-Zylinder-Reihenmotor setzt auf der Basis der bestehenden Verfahren für geradzahlige Zylinder auf. Es wurde erkannt, dass hierbei Maßnahmen zum Erhalt der Brennraumtemperatur und der Temperatur in der Abgasanlage erforderlich sein können. Es werden bspw. kontinuierlich wechselnde Ausblendmuster vorgeschlagen, die ein Auskühlen der Zylinderbrennräume verhindert. Das heißt, dass das Ausblendmuster geändert, bspw. kontinuierlich geändert, wird. Diese Änderung des Ausblendmusters kann in Abhängigkeit von der Anzahl der abgeschalteten Zylinder erfolgen. Die Möglichkeiten an einem ungeradzahligen Motor sind daher stufenweise Ausblendung und nicht spürbare Übergänge der verschiedenen Reduzierstufen.
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Auf die bekannten Verfahren zur Momentengleichstellung, d. h. eine Momentenreserve durch Luftüberschuss und Zündwinkelrückzug, vor und nach der Deaktivierung eines weiteren Zylinders kann verzichtet werden. Das Auskühlen der Abgasanlage wird dadurch verhindert, dass alle Zylinder in einen Hauptkatalysator münden, der weiterhin mit den noch aktiven Zylindern erhitzt wird.
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Es ist zu berücksichtigen, dass das Wirkprinzip mit fest definierten Ausblendmustern mit definierten Übergängen in andere Reduzierstufen auch auf andere Motoren übertragen werden kann. Auch ein Durchrotieren der ausgeblendeten Zylinder ist ein Vorgehen, das bei anderen Motoren umgesetzt werden kann. Motorspezifisch ist jedoch zu entwickeln, wie geeignet harmonisch die Winkel der Verbrennung gegeneinander sind. Von Vorteil ist, wenn die Zylinder auf einer Zylinderbank liegen und damit der Zündabstand immer äquidistant ist. Darüber hinaus hat ein Fünf-Zylindermotor bereits eine besondere Laufunruhe und es wurden bereits mechanische Maßnahmen ergriffen, um die Laufruhe zu erhöhen, was das Ausblenden von Zylindern im Stationärbetrieb erleichtert.
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Die vorgestellte Anordnung dient zur Durchführung des Verfahrens und ist bspw. in einem Steuergerät vorgesehen oder als solches ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor.
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2 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des beschriebenen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, in stark vereinfachter schematischer Form. Der Verbrennungsmotor umfasst fünf Zylinder, nämlich einen ersten Zylinder 12, einen zweiten Zylinder 14, einen dritten Zylinder 16, einen vierten Zylinder 18 und einen fünften Zylinder 20. Somit umfasst der Verbrennungsmotor eine ungerade Anzahl an Zylindern.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Anordnung 30 zur Ansteuerung der Zylinder 12 bis 20. Diese ist bspw. als Steuergerät, z. B. als Motorsteuergerät, ausgebildet und umfasst einen Koordinator, wie dieser vorstehend genannt wurde. Diese Anordnung 30 ist dazu eingerichtet, einzelne oder auch mehrere der Zylinder 12 bis 20 im Betrieb abzuschalten. Dabei kann variiert werden, welche der Zylinder 12 bis 20 abgeschaltet werden.
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2 zeigt einen möglichen Ablauf des Verfahrens in einem Flussdiagramm. Dieses Verfahren betrifft einen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit fünf Zylindern.
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In einem ersten Schritt 50 wird der Verbrennungsmotor im Vollmotorbetrieb betrieben, d. h. alle Zylinder sind aktiv, eine Zylinderabschaltung wurde bislang nicht vorgenommen. In einem zweiten Schritt 52 wird eine reduzierte Momentenanforderung erkannt, es erfolgt in einem nächsten Schritt 54 eine Abschaltung eines der Zylinder. Dies erfolgt typischerweise entsprechend einem festen Ausblendmuster, was bedeutet, dass während der Phase der Zylinderabschaltung immer der gleiche Zylinder abgeschaltet ist, d. h. es liegt ein festes Ausblendmuster vor. Gegebenenfalls kann auch hier ein sich änderndes Ausblendmuster verwendet werden.
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Auf Grundlage der Überprüfung in Schritt 52 kann auch in Schritt 54 eine Reduzierung um zwei oder drei Zylinder vorgenommen werden. Bei einer Reduzierung um zwei oder drei Zylinder wird ein typischerweise sich änderndes Ausblendmuster verwendet. Dabei erfolgt die Änderung in Abhängigkeit der Anzahl der abgeschalteten Zylinder. Zwischen den unterschiedlichen Stufen der Reduzierung kann gewechselt werden, dies erfolgt typischerweise in Abhängigkeit der Betriebssituation des Verbrennungsmotors, bspw. in Abhängigkeit der Momentenanforderung.
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Wird in einem 56 Schritt festgestellt, dass die Momentenanforderung einen Vollmotorbetrieb erfordert, so wird in einem Schritt 58 die Reduzierung beendet. Alle Zylinder sind dann wieder aktiv.
