DE102016110208A1

DE102016110208A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung

Info

Publication number: DE102016110208A1
Application number: DE102016110208.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Gottschalk; Rene Fink; Matthias Schultalbers
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: DE102016110208B4

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung möglichst effizient, laufruhig sowie emissionsgünstig zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Belüftung eines abgeschalteten Zylinders entweder einlass- oder auslassseitig jeweils zu einem spezifischen Zeitpunkt mit jeweils einer spezifischen Häufigkeit und Intensität erfolgt. Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für eine Verringerung der Anregung der Brennkraftmaschine eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder durch Öffnen des Auslasses oder des Einlasses derart durchzuführen, dass keine Belüftung der abgeschalteten Zylinder direkt in Zündfolge hintereinander erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
Zum Beispiel gemäß der EP1523616B1 ist es Stand der Technik, eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylinderpaaren mit einer Zylinderabschaltung zu betreiben. Die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine sind variabel ansteuerbar. Ein Zylinderpaar kann beim Betrieb der Brennkraftmaschine nicht befeuert, d. h. abgeschaltet werden. Für eine Verbesserung des Drehmomentverlaufs der Brennkraftmaschine ist es vorgesehen, die Gaswechselventile der nicht befeuerten Zylinder so anzusteuern, dass die abgeschalteten Zylinder eine vorgegebene Ladungsmenge aufnehmen. Die Ladung kann Abgas oder Frischluft sein. Im weiteren Verlauf bleiben die Gaswechselventile der nicht befeuerten Zylinder geschlossen. Dadurch, dass die jeweils aufgenommene Ladungsmenge in den nicht befeuerten Zylindern wie eine Speicherfeder wirkt, wird der Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst.
Bedingt durch die endliche Dichtheit von Kolbenringen und Gaswechselventilen geht jedoch die jeweils aufgenommene Ladungsmenge wieder verloren, so dass der Druck in den nicht befeuerten Zylindern sinkt. Um die vorgegebene optimale Ladungsmenge einzustellen bzw. aufrecht zu erhalten, ist es gemäß der EP1523616B1 vorgesehen, im Bereich des Durchlaufes des jeweils abgeschalteten Zylinders durch den unteren Totpunkt, das jeweils zugehörige Gaswechselventil kurzzeitig zu öffnen.
Gemäß der EP1523616B1 kann das Nachladen der Zylinderfüllung bzw. das Belüften des jeweils abgeschalteten Zylinders entweder jedes Arbeitsspiel oder mit einer geringeren Häufigkeit erfolgen, beispielsweise nur jedes n-te Arbeitsspiel.
Gemäß der DE3316446A1 ist es weiterhin Stand der Technik, ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil zur Belüftung eines abgeschalteten Zylinders für eine Zeitdauer von 60 bis 120 Grad Kurbelwinkel in der Nähe eines unteren Totpunktes anzuheben, so dass ein stabiler und ruhiger Lauf der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung möglichst effizient, laufruhig sowie emissionsgünstig zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass bei dem Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern zumindest ein Zylinder abgeschaltet wird und eine Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Auslasses dann erfolgt, wenn der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder den Bereich eines unteren Totpunktes durchläuft, wobei dieser untere Totpunkt dem unteren Totpunkt entspricht, der dem oberen Totpunkt unmittelbar folgt, bei dem eine Zündung erfolgen würde, wenn dieser Zylinder nicht abgeschaltet wäre. Eine solche Belüftung des zumindest einen abgeschalteten Zylinders erfolgt erfindungsgemäß entweder jedes Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel) oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel (also alle 7200 Grad Kurbelwinkel), so dass ein minimaler Zylinderinnendruck von 0,2 bar im abgeschalteten Zylinder nicht unterschritten wird und somit sichergestellt ist, dass kein Schmieröl in diesen Zylinder gelangt und dass der (Mitteldruck-)Verlust, der sich dadurch ergibt, dass der zumindest eine Zylinder abgeschaltet ist, so gering wie möglich ist. Realisierbar ist somit jede Belüftung in einem Bereich/Intervall von einer Belüftung pro Arbeitsspiel und einer Belüftung alle zehn Arbeitsspiele. Weiterhin erfolgt die Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Auslasses nicht nur mit einer variablen Häufigkeit, wie sie durch das oben genannte Intervall festgelegt ist, sondern weiterhin bzw. zusätzlich mit einer bestimmten Intensität. Die Intensität entspricht dabei einem reduzierten Zeitquerschnitt der Ventilöffnung, d. h. dem Integral der Hubkurve des Auslassventils über dem Kurbelwinkel, d. h. dem Integral des Verlaufes des Hubes des Auslassventils über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer dieses Ventils, wobei dieser Zeitquerschnitt deshalb als reduziert bezeichnet wird, weil der Ventilspaltringquerschnitt weggelassen bzw. nicht berücksichtigt wird, sondern nur der Ventilhubverlauf betrachtet wird. Erfindungsgemäß beträgt die Intensität mindestens 100 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 200 mm·Grad Kurbelwinkel. Dadurch, dass eine Belüftung durch das Öffnen eines Auslasses erfolgt, wird die im Zylinder zu Beginn der Abschaltung des Zylinders enthaltende Ladung, die Frischluft oder Abgas bzw. ein Gemisch daraus sein kann, im weiteren Verlauf der einzelnen Belüftungen durch Abgas ersetzt bzw. ergänzt, wobei das Abgas durch die nicht abgeschalteten Zylinder der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.
Erfindungsgemäß kann die Belüftung des abgeschalteten Zylinders nicht nur durch Öffnen des Auslasses, sondern alternativ durch Öffnen des Einlasses erfolgen und zwar dann, wenn der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder den Bereich eines unteren Totpunktes durchläuft, wobei dieser untere Totpunkt dem unteren Totpunkt entspricht, dem der obere Totpunkt unmittelbar folgt, bei dem eine Zündung erfolgen würde, wenn dieser Zylinder nicht abgeschaltet wäre. Eine solche Belüftung des zumindest einen abgeschalteten Zylinders erfolgt erfindungsgemäß ebenfalls entweder jedes Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel) oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel (also alle 7200 Grad Kurbelwinkel), so dass ein minimaler Zylinderinnendruck von 0,2 bar im abgeschalteten Zylinder nicht unterschritten wird und somit sichergestellt ist, dass kein Schmieröl in diesen Zylinder gelangt und dass der (Mitteldruck-)Verlust, der sich dadurch ergibt, dass der zumindest eine Zylinder abgeschaltet ist, so gering wie möglich ist. Realisierbar ist somit jede Belüftung in einem Bereich/Intervall von einer Belüftung pro Arbeitsspiel und einer Belüftung alle zehn Arbeitsspiele. Weiterhin erfolgt die Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Einlasses ebenfalls nicht nur mit einer variablen Häufigkeit, wie sie durch das zuvor genannte Intervall festgelegt ist, sondern weiterhin bzw. zusätzlich mit einer bestimmten Intensität. Die Intensität entspricht dabei ebenfalls einem reduzierten Zeitquerschnitt der Ventilöffnung, d. h. dem Integral der Hubkurve des Einlassventils über dem Kurbelwinkel, d. h. dem Integral des Verlaufes des Hubes des Einlassventils über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer dieses Ventils, wobei dieser Zeitquerschnitt deshalb als reduziert bezeichnet wird, weil der Ventilringspaltquerschnitt weggelassen bzw. nicht berücksichtigt wird, sondern nur der Ventilhubverlauf betrachtet wird. Erfindungsgemäß beträgt die Intensität mindestens 400 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 650 mm·Grad Kurbelwinkel. Dadurch, dass eine Belüftung durch das Öffnen eines Einlasses erfolgt, wird die im Zylinder zu Beginn der Abschaltung des Zylinders enthaltende Ladung, die Frischluft oder Abgas bzw. ein Gemisch daraus sein kann, im weiteren Verlauf der einzelnen Belüftungen durch Frischluft ersetzt bzw. ergänzt, wobei die Frischluft bzw. das Frischgas seitens des Luftpfades bzw. der Ansauganlage der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.
Vorteilhaft ergibt sich zusammengefasst durch die beiden Ausführungen gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich

1.) der Belüftung durch das Öffnen des Auslasses, wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Expansionstakt und dem Ausschiebetakt liegt, und zwar mit einer Häufigkeit in einem Intervall zwischen je einer Belüftung pro Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel) und je einer Belüftung pro alle 10 Arbeitsspiele (alle 7200 Grad Kurbelwinkel) bei einer Intensität von mindestens 100 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 200 mm·Grad Kurbelwinkel oder
2.) der Belüftung durch das Öffnen des Einlasses, wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Ansaugtakt und dem Verdichtungstakt liegt, und zwar mit einer Häufigkeit in einem Intervall zwischen je einer Belüftung pro Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel) und je einer Belüftung pro alle 10 Arbeitsspiele (alle 7200 Grad Kurbelwinkel) bei einer Intensität von mindestens 400 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 650 mm·Grad Kurbelwinkel,

EP1523616B1

Andererseits wird die oben genannte Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass bei dem Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern zumindest zwei Zylinder (insbesondere ein Zylinderpaar von wenigstens zwei Zylinderpaaren) abgeschaltet werden und eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder durch Öffnen des Auslasses oder des Einlasses derart erfolgt, dass keine Belüftung der abgeschalteten Zylinder direkt in Zündfolge hintereinander vorgenommen wird, sondern ein Versetzen der Belüftung der abgeschalteten Zylinder erfolgt, so dass die Belüftung der einzelnen Zylinder nicht mehr in Zündfolge unmittelbar hintereinander erfolgt, wobei der Unterschied des Druckniveaus durch die Verdichtung unterschiedlich großer Ladungsmengen in den abgeschalteten Zylindern kleiner ist und somit eine Anregung der Brennkraftmaschine verringert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beim Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine ausgeführt. Die Brennkraftmaschine umfasst Einlassventile und Auslassventile. Die Brennkraftmaschine kann nach dem Dieselprinzip oder dem Ottobetrieb arbeiten, also mit oder ohne Fremdzündung. Denkbar ist auch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine, die über eine Fremdzündung verfügt, jedoch in bestimmten Betriebsbereichen nicht von der Fremdzündung Gebrauch gemacht wird, sondern eine Selbst- bzw. Kompressionszündung erfolgt (CAI). Gleichzeitig denkbar ist die Anwendung bei Viertakt-Brennkraftmaschinen, die standardmäßig gemäß dem Dieselprinzip mit einer Einspritzung nahe dem Totpunkt arbeiten, bei dem Zündung/Verbrennung erfolgt (ZOT), in Teilbereichen aber davon abweichen und von dem Prinzip der homogenen Selbstzündung (HCCI) Gebrauch machen.
Die Brennkraftmaschine kann mit Zylinderabschaltung betrieben werden. Die Brennkraftmaschine verfügt folglich über mehrere Zylinder, in denen in bekannter Weise Kolben angeordnet sind bzw. bewegt werden, es handelt sich also um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Zylindern.
Die Brennkraftmaschine wird nach dem Viertaktprinzip betrieben, d. h. einer Abfolge von Arbeitsspielen, wobei ein Arbeitsspiel zwei Umdrehungen der Kurbelwelle umfasst. Innerhalb eines Arbeitsspiels folgen bekanntermaßen vier einzelne Takte hintereinander, nämlich der Ansaugtakt, der Verdichtungstakt, der Expansionstakt und der Ausschiebetakt.
Die Brennkraftmaschine weist variabel ansteuerbare Gaswechselventile auf. D. h. jeder Zylinder umfasst eines oder mehrere Einlassventile und eines oder mehrere Auslassventile. Diese Gaswechselventile sind insbesondere derart variabel steuer-/regelbar, dass der Öffnungszeitpunkt, der Schließzeitpunkt, die Öffnungsdauer, der Ventilhub des Einlassventils und/oder des Auslassventils und/oder die Phasenlage des Einlasses gegenüber dem Auslass frei einstellbar ist. Es kann sich zum Beispiel um einen so genannten vollvariablen elektromagnetischen Ventiltrieb handeln (einlass- und auslassseitig) oder um eine vollvariable, elektrohydraulische Ventilsteuerung.
Eine Zylinderabschaltung wird wie bekannt beispielsweise dadurch realisiert, dass die Ventilsteuerung des abzuschaltenden Zylinders deaktiviert wird, d. h. es erfolgt kein Öffnen und kein Schließen weder des Einlasses noch des Auslasses (Einlass = zumindest ein Einlassventil, Auslass = zumindest ein Auslassventil). Weiterhin wird die Kraftstoffzufuhr zu dem abzuschaltenden Zylinder unterbrochen und gegebenenfalls auch die Fremdzündung unterbunden.
Bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine vier Zylinder, die in Reihe angeordnet sind. Der Zündabstand beträgt 180 Grad Kurbelwinkel und die Zündfolge ist 1-3-4-2, könnte aber alternativ auch 1-2-4-3 sein, was im weiteren Verlauf aber nicht betrachtet wird. Insbesondere werden zwei der vier Zylinder für einen Betrieb mit Zylinderabschaltung deaktiviert. Deaktiviert werden zum Beispiel der zweite und der dritte Zylinder, wobei der erste und der zweite Zylinder befeuert werden oder umgekehrt. D. h. es wird ein Zylinderpaar von wenigstens zwei Zylinderpaaren abgeschaltet.
Somit ergibt sich folgendes, in 1 stark vereinfacht gezeigtes, Verhalten. Zylinder 1 wird weiter befeuert. Im Bereich um 360 Grad Kurbelwinkel und im Bereich um 1080 Grad Kurbelwinkel erfolgt in Zylinder 1 eine Zündung bzw. eine Verbrennung. Zylinder 4 wird ebenfalls weiterhin befeuert. Im Bereich um 0 Grad Kurbelwinkel, im Bereich um 720 Grad Kurbelwinkel und im Bereich um 1440 Grad Kurbelwinkel erfolgt in Zylinder 4 eine Zündung bzw. eine Verbrennung. Zylinder 2 und Zylinder 3 sind hingegen abgeschaltet. D. h. in diesen beiden Zylindern zu Beginn der Abschaltung des jeweiligen Zylinders enthaltende Ladung, die Frischluft oder Abgas bzw. ein Gemisch mit einer bestimmten (variablen) Masse daraus sein kann, wird in einer Abfolge verdichtet und expandiert bzw. wirkt als Speicherfeder, so wie in der EP1523616B1 zutreffend beschrieben ist. Entsprechend der Konstruktion einer Reihenvierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine erfolgt in Zylinder 2 und in Zylinder 3, da beide abgeschaltet sind, alle 360 Grad Kurbelwinkel eine Verdichtung der im jeweiligen Zylinder eingeschlossenen Ladungsmenge. Wie in 1 zu erkennen ist, verringert sich der maximal erreichte Druck in den Zylindern 2 und 3 über der Zeit bzw. dem Kurbelwinkel, so dass die Brennkraftmaschine entsprechend immer ungleichförmiger läuft, d. h. die Laufunruhe nimmt zu. Daher erfolgt eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder durch Öffnen des Auslasses oder des Einlasses, so dass der Druck in den abgeschalteten Zylindern nicht zu stark abfällt bzw. die Ladungsmenge insbesondere auf ein möglichst konstantes Maß ergänzt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Belüftung der abgeschalteten Zylinder 2 und 3 gemäß einer Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung durch ein Öffnen des Auslasses dann, wenn der Kolben in den abgeschalteten Zylindern den Bereich eines unteren Totpunktes durchläuft. Dieser untere Totpunkt entspricht erfindungsgemäß dem unteren Totpunkt, der dem oberen Totpunkt unmittelbar folgt, bei dem eine Zündung erfolgen würde, wenn dieser Zylinder (Zylinder 2, Zylinder 3) nicht abgeschaltet wäre. In 2 sind die jeweiligen Bereiche der Belüftung durch den Auslass jeweils mittels eines waagerechten Doppelpfeils angedeutet. Eine Belüftung erfolgt beispielhaft einmal pro Arbeitsspiel. Wie in 2 gezeigt, kann diese Belüftung derart erfolgen, dass die Öffnung des Auslasses bzw. des oder der Auslassventile in Bezug auf diesen unteren Totpunkt symmetrisch verläuft. Anders gesagt, erfolgt die Belüftung im Bereich bzw. um den unteren Totpunkt zu Beginn des bei Nichtabschaltung dieser Zylinder erfolgenden Ladungswechsels (UTL), also zu Beginn des Ausschiebetaktes, eben 180 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, bei dem eine Zündung/Verbrennung erfolgen würde (ZOT). Noch anders gesagt - wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Expansionstakt und dem Ausschiebetakt liegt, dann erfolgt erfindungsgemäß eine Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch ein Öffnen des Auslasses. Die Belüftung gemäß dieser Ausführung erfolgt entweder jedes Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel), so wie in 2 gezeigt oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel (also alle 7200 Grad Kurbelwinkel). Realisierbar ist somit jede Belüftung in einem Bereich/Intervall von einer Belüftung pro Arbeitsspiel und einer Belüftung alle zehn Arbeitsspiele, also beispielsweise auch eine Belüftung alle 2, 3, 4, 5 usw. Arbeitsspiele. Erfindungsgemäß erfolgt die Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Auslasses nicht nur mit einer Häufigkeit, wie sie durch das oben genannte Intervall festgelegt ist, sondern weiterhin bzw. zusätzlich mit einer bestimmten Intensität. Die Intensität entspricht dabei einem reduzierten Zeitquerschnitt der Ventilöffnung, d. h. dem Integral der Hubkurve des (zumindest einen) Auslassventils über dem Drehwinkel, d. h. dem Integral des Verlaufes des Hubes des Auslassventils (oder der Vielzahl von Auslassventilen je Zylinder) über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer dieses Ventils (oder dieser Ventile), wobei dieser Zeitquerschnitt deshalb als reduziert bezeichnet wird, weil der Ventilspaltquerschnitt weggelassen bzw. nicht berücksichtigt wird, sondern nur der (jeweilige) Ventilhubverlauf betrachtet wird. Erfindungsgemäß beträgt die Intensität mindestens 100 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 200 mm·Grad Kurbelwinkel. Dadurch, dass eine Belüftung durch das Öffnen eines Auslasses erfolgt, wird die im Zylinder zu Beginn der Abschaltung des Zylinders enthaltende Ladung, die Frischluft oder Abgas bzw. ein Gemisch daraus sein kann, im weiteren Verlauf der einzelnen Belüftungen durch Abgas ersetzt bzw. ergänzt, wobei das Abgas durch die nicht abgeschalteten Zylinder der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Versuche an einer Viertakt-Otto-Brennkraftmaschine mit vier Zylindern, bei der die Zylinder 2 und 3 abgeschaltet wurden, haben ergeben, dass wenn diese Brennkraftmaschine in einem für einen Betrieb mit einer Zylinderabschaltung repräsentativen Betriebspunkt, der durch eine Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 2000 Umdrehungen pro Minute und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar bei einer Belüftung mittels des Auslasses mit den vorgenannten Parametern jeweils ein minimaler Zylinderinnendruck von 0,2 bar im abgeschalteten Zylinder nicht unterschritten wird und somit sichergestellt ist, dass kein Schmieröl in diesen Zylinder gelangt und dass der (Mitteldruck-)Verlust, der sich dadurch ergibt, dass der zumindest eine Zylinder abgeschaltet ist, so gering wie möglich ist, d. h. durch die jeweilige Belüftung (durch Auslass) mit der genannten Häufigkeit und Intensität zu dem definierten Zeitpunkt (dem jeweiligen spezifischen unteren Totpunkt) ist der (indizierte) Arbeitsaufwand für die Einhaltung bzw. Überschreitung des kleinsten zulässigen Zylinderdruckes minimal. Ferner ergeben sich bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung gemäß dieser Ausführung keine Auffälligkeiten hinsichtlich der Laufruhe der Brennkraftmaschine, also weder eine Verkleinerung noch eine unzulässige Vergrößerung der Laufunruhe.
Erfindungsgemäß erfolgt die Belüftung der abgeschalteten Zylinder 2 und 3 gemäß einer weiteren Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung durch Öffnen des Einlasses dann, wenn der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder den Bereich eines unteren Totpunktes durchläuft. Dieser untere Totpunkt entspricht erfindungsgemäß dem unteren Totpunkt, dem der obere Totpunkt unmittelbar folgt, bei dem eine Zündung erfolgen würde, wenn dieser Zylinder (Zylinder 2, Zylinder 3) nicht abgeschaltet wäre. In 3 sind die jeweiligen Bereiche der Belüftung durch den Einlass jeweils mittels eines waagerechten Doppelpfeils angedeutet. Eine Belüftung erfolgt beispielhaft einmal pro Arbeitsspiel. Wie in 3 gezeigt, kann diese Belüftung derart erfolgen, dass die Öffnung des Einlasses bzw. des oder der Einlassventile in Bezug auf diesen unteren Totpunkt symmetrisch verläuft. Anders gesagt, erfolgt die Belüftung im Bereich bzw. um den unteren Totpunkt zu Beginn des bei Nichtabschaltung dieser Zylinder erfolgenden Hochdruckprozesses (UTH), also zu Beginn des Verdichtungstaktes, eben 180 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt, bei dem eine Zündung/Verbrennung erfolgen würde (ZOT). Noch anders gesagt – wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Ansaugtakt und dem Verdichtungstakt liegt, dann erfolgt erfindungsgemäß eine Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch ein Öffnen des Einlasses. Die Belüftung gemäß dieser Ausführung erfolgt entweder jedes Arbeitsspiel (alle 720 Grad Kurbelwinkel), so wie in 3 gezeigt oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel (also alle 7200 Grad Kurbelwinkel). Realisierbar ist somit jede Belüftung in einem Bereich/Intervall von einer Belüftung pro Arbeitsspiel und einer Belüftung alle zehn Arbeitsspiele, also beispielsweise auch eine Belüftung alle 2, 3, 4, 5 usw. Arbeitsspiele. Erfindungsgemäß erfolgt die Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Einlasses nicht nur mit einer Häufigkeit, wie sie durch das zuvor genannte Intervall festgelegt ist, sondern weiterhin bzw. zusätzlich mit einer bestimmten Intensität. Die Intensität entspricht dabei einem reduzierten Zeitquerschnitt der Ventilöffnung, d. h. dem Integral der Hubkurve des (zumindest einen) Einlassventils über dem Drehwinkel, d. h. dem Integral des Verlaufes des Hubes des Einlassventils (oder der Vielzahl von Einlassventile je Zylinder) über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer dieses Ventils (oder dieser Ventile), wobei dieser Zeitquerschnitt deshalb als reduziert bezeichnet wird, weil der Ventilspaltquerschnitt weggelassen bzw. nicht berücksichtigt wird, sondern nur der (jeweilige) Ventilhubverlauf betrachtet wird. Erfindungsgemäß beträgt die Intensität mindestens 100 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 200 mm·Grad Kurbelwinkel. Dadurch, dass eine Belüftung durch das Öffnen eines Einlasses erfolgt, wird die im Zylinder zu Beginn der Abschaltung des Zylinders enthaltende Ladung, die Frischluft oder Abgas bzw. ein Gemisch daraus sein kann, im weiteren Verlauf der einzelnen Belüftungen durch Abgas ersetzt bzw. ergänzt, wobei das Abgas durch die nicht abgeschalteten Zylinder der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Versuche an einer Viertakt-Otto-Brennkraftmaschine mit vier Zylindern, bei der die Zylinder 2 und 3 abgeschaltet wurden, haben ergeben, dass wenn diese Brennkraftmaschine in einem für einen Betrieb mit einer Zylinderabschaltung repräsentativen Betriebspunkt, der durch eine Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 2000 Umdrehungen pro Minute und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar bei einer Belüftung mittels des Einlasses mit den vorgenannten Parametern jeweils ein minimaler Zylinderinnendruck von 0,2 bar im abgeschalteten Zylinder nicht unterschritten wird und somit sichergestellt ist, dass kein Schmieröl in diesen Zylinder gelangt und dass der (Mitteldruck-)Verlust, der sich dadurch ergibt, dass der zumindest eine Zylinder abgeschaltet ist, so gering wie möglich ist, d. h. durch die jeweilige Belüftung (durch Einlass) mit der genannten Häufigkeit und Intensität zu dem definierten Zeitpunkt (dem jeweiligen spezifischen unteren Totpunkt) ist der (indizierte) Arbeitsaufwand für die Einhaltung bzw. Überschreitung des kleinsten zulässigen Zylinderdruckes minimal. Ferner ergeben sich bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung gemäß dieser Ausführung keine Auffälligkeiten hinsichtlich der Laufruhe der Brennkraftmaschine, also weder eine Verkleinerung noch eine unzulässige Vergrößerung der Laufunruhe.
Hinsichtlich dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sei zunächst auf 4 verwiesen. Auch hier ist wieder stark vereinfacht das Verhalten einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit vier in Reihe zueinander angeordneten Zylindern beim Betrieb mit einer Zylinderabschaltung gezeigt, wobei eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder erfolgt. Zylinder 1 und Zylinder 4 werden befeuert, Zylinder 2 und 3 sind abgeschaltet.
Gemäß 4 erfolgt die Belüftung der abgeschalteten Zylinder 2 und 3 entsprechend der weiteren Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung durch Öffnen des Einlasses dann, wenn der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder den Bereich eines unteren Totpunktes durchläuft. Dieser untere Totpunkt entspricht erfindungsgemäß dem unteren Totpunkt, dem der obere Totpunkt unmittelbar folgt, bei dem eine Zündung erfolgen würde, wenn dieser Zylinder (Zylinder 2, Zylinder 3) nicht abgeschaltet wäre.
In 4 sind die jeweiligen Bereiche der Belüftung durch den Einlass jeweils mittels eines waagerechten Doppelpfeils angedeutet. Eine Belüftung erfolgt gemäß 4 nur jedes zweite Arbeitsspiel. Wie in 4 gezeigt, kann diese Belüftung derart erfolgen, dass die Öffnung des Einlasses bzw. des oder der Einlassventile in Bezug auf diesen unteren Totpunkt symmetrisch verläuft. Diese Belüftung erfolgt natürlich bevorzugt auch mit der gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung genannten Intensität.
Wie in 4 zu erkennen ist, steigt der Druck in den abgeschalteten Zylindern 2 und 3 nach jeder Belüftung auf einen maximalen Wert an, wobei sich dieser Spitzendruck über der Zeit bzw. dem Kurbelwinkel ausgehend davon verringert, infolge des Massedefekts im jeweiligen Zylinder.
Beispielsweise wird Zylinder 3 im Bereich um 360 Grad Kurbelwinkel belüftet, d. h. die in Zylinder 3 enthaltene Ladung wird ergänzt, so dass bei der unmittelbar darauffolgenden Verdichtung im Bereich um 540 Grad Kurbelwinkel ein relativ hoher Druck im Zylinder 3 erreicht wird, der jedoch u. a. durch Blow-By bei der darauffolgenden Verdichtung im Bereich um 900 Grad Kurbelwinkel schon geringer bzw. im noch weiteren Verlauf, also im Bereich um 1260 Grad Kurbelwinkel noch weiter abgesunken ist. Im Bereich um 1620 Grad Kurbelwinkel erreicht der Druck infolge einer Verdichtung in Zylinder 3 nur noch einen sehr geringen Wert. Im Bereich um 1800 Grad Kurbelwinkel erfolgt jedoch eine erneute Belüftung und der beschriebene Ablauf beginnt von neuem.
Dieser am Beispiel des Zylinders 3 beschriebene Ablauf erfolgt auch bei Zylinder 2, jedoch um 360 Grad Kurbelwinkel versetzt, da bedingt durch den Aufbau einer Viertakt-Brennkraftmaschine die Zylinder 2 und 3 einen Zündabstand bzw. Versatz von 360 Grad Kurbelwinkel aufweisen. D. h. sämtliche Takte des Zylinders 2 erfolgen 360 Grad Kurbelwinkel später als die des Zylinders 3.
Gemäß 4 wird deutlich, dass dann, wenn eine Belüftung von Zylinder 3 erfolgt, beispielsweise im Bereich um 360 Grad Kurbelwinkel und infolgedessen bei der unmittelbar darauffolgenden Verdichtung im Bereich um 540 Grad Kurbelwinkel ein relativ hoher Druck im Zylinder 3 erreicht wird, der Druck infolge einer Verdichtung in Zylinder 2 im Bereich um 540 Grad Kurbelwinkel nur noch einen sehr geringen Wert erreicht, da eine Belüftung fast zwei Arbeitsspiele zurückliegt bzw. eine erneute Belüftung gerade bevorsteht. Infolge dieser stark ungleichen Druckniveaus durch die Verdichtung unterschiedlich großer Ladungsmengen in Zylinder 2 und Zylinder 3 im Bereich um 540 Grad Kurbelwinkel bzw. im Bereich um 1980 Grad Kurbelwinkel (siehe 4), ergibt sich insbesondere durch den Abstand von Zylinder 2 und Zylinder 3 jeweils zu den Lagern der Kurbelwelle eine Anregung des Triebwerkes, d. h. ein Kippen der Brennkraftmaschine um ihre Querachse. Jedenfalls wirkt sich diese Anregung nachteilig auf die Laufruhe der Brennkraftmaschine aus.
Daher erfolgt erfindungsgemäß zwar eine wiederkehrende Belüftung der beiden abgeschalteten Zylinder 2 und 3 alle n Zyklen (beispielsweise gemäß 4 alle zwei Arbeitsspiele), aber es erfolgt keine Belüftung der beiden abgeschalteten Zylinder 2 und 3 direkt in Zündfolge hintereinander (also nicht mehr mit einem Abstand von 360 Grad Kurbelwinkel zueinander).
Vielmehr erfolgt also erfindungsgemäß ein Versetzen der Belüftung der beiden abgeschalteten Zylinder 2 und 3, so dass die Belüftung der einzelnen Zylinder nicht mehr in Zündfolge unmittelbar hintereinander erfolgt, wobei der Unterschied des Druckniveaus durch die Verdichtung unterschiedlich großer Ladungsmengen in Zylinder 2 und Zylinder 3 kleiner ist und somit eine Anregung des Triebwerkes, d. h. ein Kippen der Brennkraftmaschine um ihre Querachse, so wie oben beschrieben, verringert wird.
Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß keine Belüftung der beiden abgeschalteten Zylinder 2 und 3 direkt/unmittelbar in Zündfolge hintereinander. D. h. es erfolgt erfindungsgemäß eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder 2 und 3 nicht nur mit der sich durch die Zündfolge bzw. den Zündabstand der abgeschalteten Zylinder ergebenden (zeitlichen) Versetzung, sondern mit einer zusätzlichen Versetzung bzw. einem zusätzlichen Versatz. Beispielsweise wird die Abfolge der Belüftungen eines abgeschalteten Zylinders gegenüber der Abfolge der Belüftungen eines weiteren abgeschalteten Zylinders um die Hälfte versetzt, also um n/2 Arbeitsspiele (zusätzlicher Versatz = 360 Grad Kurbelwinkel + n/2·720 Grad Kurbelwinkel), wobei n der Häufigkeit der Belüftung entspricht, siehe Beschreibung zu den Ausführungen gemäß dem ersten Aspekt. D. h. es erfolgt eine (gewollte, bewusste, absichtliche) zeitliche/systematische Versetzung (bzw. Schaffung einer Asynchronität) der Belüftungen/Belüftungsvorgänge der abgeschalteten Zylinder 2 und 3. Noch anders gesagt – die Belüftungsfrequenz (bzw. Häufigkeit der Belüftung, siehe auch Beschreibung zum ersten Aspekt) der abgeschalteten Zylinder ist gleich bzw. stimmt überein und beträgt wie in 4 gezeigt eine Belüftung pro zwei Arbeitsspiele, jedoch erfolgt ein Versetzen der Belüftungsvorgänge zusätzlich zu der schon durch die Konstruktion der Brennkraftmaschine gegebenen Versetzung (Zündversatz, Zündfolge).
Gemäß 5 sind beispielsweise gegenüber 4 die Abfolgen/Sequenzen der Belüftungen der beiden abgeschalteten Zylinder 2 und 3 (um die Hälfte) zueinander versetzt, so dass die Belüftung des Zylinders 2 nicht mehr in Zündfolge (1-3-4-2) direkt nach Zylinder 3 belüftet wird, sondern um einen Abstand (zeitlich) versetzt gegenüber Zylinder 3, nämlich gemäß 5 um ein Arbeitsspiel, d. h. um 720 Grad Kurbelwinkel, d. h. allgemeiner gesagt um die Hälfte des Abstandes zwischen zwei Belüftungen (hier zwei Arbeitsspiele) versetzt gegenüber Zylinder 3.
Mathematisch formuliert erfolgt gemäß 4 alle n Arbeitsspiele eine Belüftung eines ersten abgeschalteten Zylinders (Zylinder 2), wobei n gleich 2 ist, es erfolgt also alle 1440 Grad Kurbelwinkel eine Belüftung des ersten Zylinders (Zylinder 2). Gemäß 4 erfolgt ebenfalls alle n Arbeitsspiele eine Belüftung eines zweiten abgeschalteten Zylinders (Zylinder 3), wobei n ebenfalls 2 ist, es erfolgt also alle 1440 Grad Kurbelwinkel eine Belüftung des zweiten Zylinders (Zylinder 3). Das ist auch gemäß 5 so, mit dem Unterschied, dass die Abfolge der Belüftung des ersten Zylinders (Zylinder 2) gegenüber der Abfolge der Belüftung des zweiten Zylinders (Zylinder 3) versetzt ist. D. h. die Belüftungsvorgänge der abgeschalteten Zylinder erfolgen erfindungsgemäß asynchron, also mit einer absichtlichen zeitlichen Versetzung.
Wie in 5 zu erkennen ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Asynchronität der Belüftungsvorgänge zweier abgeschalteter Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Zylindern eine Verkleinerung des Unterschiedes des Druckniveaus infolge einer Verdichtung, da die Ladungsmengen in den abgeschalteten Zylindern (Zylinder 2 und Zylinder 3) nicht so unterschiedlich sind, wie in 4 gezeigt, so dass sich eine geringere Schwingungsanregung des Triebwerks ergibt. Genauer – erfindungsgemäß wird, wie in 5 gezeigt, Zylinder 3 im Bereich um 360 Grad Kurbelwinkel belüftet, d. h. die in Zylinder 3 enthaltene Ladung wird ergänzt, so dass bei der unmittelbar darauffolgenden Verdichtung im Bereich um 540 Grad Kurbelwinkel ein relativ hoher Druck im Zylinder 3 erreicht wird. Dieser am Beispiel des Zylinders 3 beschriebene Ablauf erfolgt gemäß 5 auch bei Zylinder 2, jedoch um 720 Grad Kurbelwinkel versetzt gegenüber Zylinder 3, d. h. erfindungsgemäß um 360 Grad Kurbelwinkel zusätzlich zu dem durch den Zündabstand der Brennkraftmaschine gegenüber Zylinder 3, der eben auch 360 Grad Kurbelwinkel beträgt, versetzt. Auf diese Weise kann nicht nur der Druckunterschied in den beiden abgeschalteten Zylindern und somit die Schwingungsanregung der Brennkraftmaschine verringert werden, vielmehr kann ein Optimum gefunden werden, zwischen der Häufigkeit der Belüftungen der einzelnen abgeschalteten Zylinder und dem Versatz der Belüftungsvorgänge dieser Zylinder zueinander, so dass einerseits möglichst wenig belüftet wird (also nur selten eine Betätigung der Gaswechselventile erfolgen muss zur Belüftung), was Energie spart und andererseits die Schwingungsanregung der Brennkraftmaschine möglichst gering ist. Erfindungsgemäß wird also eine Möglichkeit bereitgestellt, mehrere für einen effizienten und laufruhigen Betrieb einer Brennkraftmaschine relevante Einflussgrößen zu optimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1523616 B1 [0002, 0003, 0004, 0009, 0018]
DE 3316446 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung, wobei die Brennkraftmaschine eine Viertakt-Brennkraftmaschine ist und zumindest ein Gaswechselventil für einen Auslass aufweist, wobei zumindest ein Zylinder von mehreren Zylindern abgeschaltet wird und eine Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Auslasses dann erfolgt, wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Expansionstakt und dem Ausschiebetakt liegt, wobei die Belüftung entweder jedes Arbeitsspiel oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel erfolgt sowie jede einzelne Belüftung zusätzlich mit einer bestimmten Intensität erfolgt, wobei die Intensität dem Integral des Verlaufes des Hubes des zumindest einen Auslassventils über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer des Ventils entspricht, wobei der Ventilspaltringquerschnitt nicht berücksichtigt wird, sondern nur der Ventilhubverlauf betrachtet wird, wobei die Intensität mindestens 100 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 200 mm·Grad Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung, wobei die Brennkraftmaschine eine Viertakt-Brennkraftmaschine ist und zumindest ein Gaswechselventil für einen Einlass aufweist, wobei zumindest ein Zylinder von mehreren Zylindern abgeschaltet wird und eine Belüftung des abgeschalteten Zylinders durch Öffnen des Einlasses dann erfolgt, wenn sich der Kolben in dem abgeschalteten Zylinder im Bereich um den Totpunkt befindet, welcher, wenn der Zylinder nicht abgeschaltet ist, zwischen dem Ansaugtakt und dem Verdichtungstakt liegt, wobei die Belüftung entweder jedes Arbeitsspiel oder mindestens jedes zehnte Arbeitsspiel erfolgt sowie jede einzelne Belüftung zusätzlich mit einer bestimmten Intensität erfolgt, wobei die Intensität dem Integral des Verlaufes des Hubes des zumindest einen Einlassventils über der aktuell anliegenden Öffnungsdauer des Ventils entspricht, wobei der Ventilspaltringquerschnitt nicht berücksichtigt wird, sondern nur der Ventilhubverlauf betrachtet wird, wobei die Intensität mindestens 400 mm·Grad Kurbelwinkel und maximal 650 mm·Grad Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung, wobei die Brennkraftmaschine eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern ist und zumindest zwei Zylinder abgeschaltet werden, wobei eine Belüftung der abgeschalteten Zylinder durch Öffnen des Auslasses oder des Einlasses derart erfolgt, dass keine Belüftung der abgeschalteten Zylinder direkt in Zündfolge hintereinander vorgenommen wird, sondern ein Versetzen der Belüftung der abgeschalteten Zylinder erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Versetzen der Belüftung der abgeschalteten Zylinder um n/2 Arbeitsspiele erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Belüftung der abgeschalteten Zylinder gemäß den Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Brennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip oder dem Ottobetrieb arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei die Belüftung derart erfolgt, dass die Öffnung des Einlasses oder des Auslasses symmetrisch um den einen unteren Totpunkt vorgenommen wird.