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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit einer Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Zylinderbank sowie ein Verfahren zum effektiven Betrieb der zweiten Zylinderbank bei Abschalten der ersten Zylinderbank.
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Die Einsparung von Kraftstoff ist einer der Ansätze zur Erhöhung der Effizienz von Brennkraftmaschinen. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, einzelne Zylinder von Brennkraftmaschinen, besonders im Schubbetrieb oder Teillastbetrieb, abzuschalten (
DE 10 2005 027 475 A1 ,
WO2008/068228 ). Durch die Abschaltung einzelner oder mehrerer Zylinder oder ganzer Zylinderbänke werden die aktiv bleibenden Zylinder besser ausgelastet.
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Beim Abschalten einer ganzen Zylinderbank müssen beim Betrieb der aktiv bleibenden Zylinderbank die Zündreihenfolge der Zylinder, die Verdichtung von Ladeluft durch Turbolader und die Kühlung der Zylinderbänke berücksichtigt werden.
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Turbolader dienen der Aufladung der Zylinder von Brennkraftmaschinen mit einer unter Überdruck stehenden Verbrennungsluft. Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die ähnlich aufgebaut sein können und auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der Massenstrom des Abgases versetzt ein im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnetes Turbinenrad in Rotation. Über eine gemeinsame Welle wird das Drehmoment des Turbinenrades auf das Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen. Der Verdichter komprimiert Verbrennungsluft. Wird ein Turbolader für zwei Zylinderbänke verwendet, steht beim Abschalten einer Zylinderbank nur noch die Hälfte des Abgas-Massenstroms für den Betrieb der Turbine des Turboladers zur Verfügung. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringert. Auch bei der Verwendung von sequentiellen Zwillingsturboladern treten diese Probleme auf, da auch in Betrieb mit nur einem Turbolader bei Abschaltung des anderen Turboladers im unteren Drehzahlbereich zu wenig Abgas für einen effizienten Betrieb zur Verfügung steht (
DE 10 2004 035 323 A1 ,
DE19511232A1 ).
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Weiterhin besteht in Systemen mit einem Kühlmittelkreislauf für zwei Zylinderbänke beim Abschalten einer Zylinderbank das Problem, dass heißes Kühlmittel aus der aktiven Zylinderbank mit relativ kaltem Kühlmittel aus der abgeschalteten Zylinderbank vermischt wird. Dies verringert den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ebenfalls.
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Weiterhin ist die Zündreihenfolge beim Abschalten einer Zylinderbank von Bedeutung, weil sie sich auf das Timing der Bereitstellung von Abgasimpulsen für die Turbine eines Turboladers auswirkt. Dabei wird zwischen einer gleichmäßigen und einer ungleichmäßigen Zündreihenfolge unterschieden. Als gleichmäßig wird eine Zündreihenfolge bezeichnet, in der die in Systemen mit zwei Zylinderbänken die Zylinder beider Zylinderbänke abwechselnd gezündet werden. In einer achtzylindrigen V-Brennkraftmaschine wäre das beispielsweise eine Reihenfolge 1-6-3-5-4-7-2-8 oder 1-8-3-6-4-5-2-7, d. h. immer alternierend Bank 1 und Bank 2. In einer ungleichmäßigen Zündreihenfolge werden mindestens zwei Zylinder derselben Bank hintereinander gezündet, z. B. 1-5-4-8-6-3-7-2, d. h. Bank 1, Bank 2, Bank 1, Bank 2, Bank 2, Bank 1, Bank 2, Bank 1.
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Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen effizienten Betrieb einer Brennkraftmaschine gestattet, ohne dabei die Nachteile des Stands der Technik aufzuweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Nebenansprüchen, den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System umfassend eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Zylinderbank, bei dem der ersten bzw. zweiten Zylinderbank mindestens ein erster bzw. zweiter Turbolader, mindestens ein erster bzw. zweiter Kühlmittelkreislauf und mindestens ein erster bzw. zweiter Ölkreislauf für Kolbenkühldüsen zugeordnet ist, wobei die besagten Turbolader, Kühlmittelkreisläufe und Ölkreisläufe jeweils unabhängig voneinander steuerbar sind, und bei dem die Brennkraftmaschine ausgebildet ist, die Zylinder in einer gleichmäßigen Zündreihenfolge zu zünden.
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Das erfindungsgemäße System ist vorteilhaft, weil mit ihm gegenüber herkömmlichen Systemen eine Reduktion von Energieverlusten und eine effizientere Arbeit der im Betrieb verbleibenden Zylinderbank möglich sind. Damit bewirkt das System einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Auf der Basis der jeder Zylinderbank zugeordneten separaten Turbolader kann bei Abschaltung einer Zylinderbank vorteilhaft ohne Verluste an Ladeluft die Brennkraftmaschine mit der anderen Zylinderbank weiterbetrieben werden. Weiterhin können bei einer gleichmäßigen Zündreihenfolge der Zylinder der Turbine eines Turboladers zeitlich gleichmäßige Abgasimpulse bereitgestellt werden. Durch die separaten Kühlmittelkreisläufe und Ölkreisläufe kann vermieden werden, dass sich während einer Zylinderbankabschaltung unterschiedlich temperierte Medien vermischen, wodurch sich die Kühlung energieungünstiger gestalten würde. Durch die Trennung der Kreisläufe können die einzelnen Zylinderbänke ohne unnötige Energieverluste separat betrieben werden, d. h. eine achtzylindrige Brennkraftmaschine kann bei Abschaltung einer Zylinderbank als vierzylindrige weiterbetrieben werden, ohne dass Energie für die Aufladung bzw. Kühlung der abgeschalteten Zylinderbank aufgewendet werden muss.
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Die Begriffe Kühlmittel und Kühlmittelkreislauf beziehen sich auf Wasser bzw. eine Wasserkühlung, wobei das Wasser Zusätze aufweisen kann. Das Öl im Ölkreislauf dient u.a. auch der Kolbenkühlung, ist aber auch noch zur Versorgung anderer Einrichtungen vorgesehen. Darum ist der Begriff des Ölkreislaufs von dem des Kühlmittelkreislaufs zu unterscheiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems weist die Brennkraftmaschine acht Zylinder auf. Vorzugsweise sind die Zylinderbänke V-förmig zueinander angeordnet. Die Brennkraftmaschine kann selbstgezündet oder fremdgezündet sein.
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Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine ausgebildet, in einem ersten Betriebszustand alle Zylinder beider Zylinderbänke im aktiven Zustand zu betreiben, und in einem zweiten Betriebszustand die Zylinder der ersten oder zweiten Zylinderbank der Brennkraftmaschine abzuschalten und nur mit einer Zylinderbank zu arbeiten. Eine Acht-Zylinder-Brennkraftmaschine kann dadurch einfach in eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine umgewandelt und die Zylinder der aktiv bleibenden Zylinderbank effizienter arbeiten.
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Diese können vorteilhafterweise so gesteuert werden, dass nur die Kolben der aktiven Zylinderbank mittels Ölkreislauf ölgekühlt werden; in der abgeschalteten Zylinderbank ist keine Kolbenkühlung notwendig, da keine Wärme von den Kolben abgeführt werden muss.
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Die Trennung der Kreisläufe ist vorteilhaft, weil dadurch die einzelnen Zylinderbänke ohne unnötige Energieverluste separat betrieben werden, d. h. eine achtzylindrige Brennkraftmaschine bei Abschaltung einer Zylinderbank als vierzylindrige weiterbetrieben werden, ohne dass Energie für die Aufladung bzw. Kühlung der abgeschalteten Zylinderbank aufgewendet werden muss.
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Vorzugsweise weist in dem System jeder Kühlmittelkreislauf und jeder Ölkreislauf eine eigene Kühlmittelpumpe auf. Dadurch kann jeder Kühlmittelkreislauf bei einer Abschaltung der entsprechenden Zylinderbank durch Abschaltung seiner Kühlmittelpumpe energiesparend abschaltet werden.
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Weiterhin ist es ebenfalls bevorzugt, wenn in dem System die beiden Kühlmittelkreisläufe und Ölkreisläufe über eine jeweils zwischen den beiden Kreisläufen angeordnete, optional zu öffnende Absperrvorrichtung jeweils in einen Kreislauf zusammenführbar sind. Dadurch können auf energiesparende Weise beide Zylinderbänke von jeweils einem Kreislauf versorgt werden, wenn beide Zylinderbänke aktiv sind.
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Dabei ist vorzugsweise eine Kühlmittelpumpe für beide Kühlmittelkreisläufe vorgesehen. Dabei kann die Versorgung einer abgeschalteten Zylinderbank mit Kühlmittel durch Ventile im Kühlmittelkreislauf unterbrochen werden, so dass ein Teil der Kreisläufe durch Schließen des Ventils unterbrochen werden kann. Analog kann eine Kühlmittelpumpe für beide Ölkreisläufe vorgesehen sein, wobei die Versorgung einer abgeschalteten Zylinderbank ebenfalls durch Ventile unterbrochen werden kann.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Zylinderbank mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Turbolader, wobei in einem ersten Betriebszustand alle Zylinder beider Zylinderbänke aktiviert sind und in einem zweiten Betriebszustand die Zylinder der ersten Zylinderbank sowie der erste Turbolader, der erste Kühlmittelkreislauf und der erste Ölkreislauf abgeschaltet sind, während die Zylinder der zweiten Zylinderbank aktiv bleiben, von dem zweiten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Ölkreislauf angeströmt werden sowie und von dem zweiten Turbolader aufgeladen werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen dabei denen des erfindungsgemäßen Systems.
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Vorzugsweise werden bei dem Verfahren die Zylinder in einer gleichmäßigen Zündreihenfolge gezündet. Das ist vorteilhaft, weil bei einer gleichmäßigen Zündreihenfolge der Turbine eines Turboladers zeitlich gleichmäßige Abgasimpulse bereitgestellt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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2 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße System 1 weist in der Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 eine Brennkraftmaschine 2 auf, die eine erste Zylinderbank 3a und eine zweite Zylinderbank 3b umfasst. Die Zylinderbänke weisen jeweils vier Zylinder 4 auf. Es ist aber auch möglich, dass die Zylinderbänke jeweils einen, zwei, drei, fünf oder sechs Zylinder aufweisen. Die Zylinderbänke 3a, 3b sind dabei V-förmig zueinander angeordnet. Der ersten Zylinderbank 3a ist ein erster Turbolader 5a und der zweiten Zylinderbank 3b ein zweiter Turbolader 5b zugeordnet. Die Turbolader weisen jeweils eine Turbine 6 und einen Verdichter 7 auf. Turbine 6 und Verdichter 7 sind über eine Turbolader-Welle 12 miteinander verbunden.
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Die Zylinderbänke 3a, 3b sind mit einem Kühlmittelkreislauf 8a bzw. 8b verbunden. Jeder Kühlmittelkreislauf 8a, 8b werden von einer eigenen Kühlmittelpumpe 9 angetrieben. Alternativ können die Kühlmittelkreisläufe 8a, 8b von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe 9 angetrieben werden, wobei der Kühlmittelkreislauf 8a bei Abschalten der Zylinderbank 3a durch Verschluss von Ventilen von der Kühlmittelversorgung getrennt und damit ebenfalls abgeschaltet werden kann. Jede Zylinderbank 3a, 3b ist weiterhin mit einem ersten 10a bzw. zweiten Ölkreislauf 10b verbunden, die besonders für die Kühlung der Kolbenkühldüsen vorgesehen sind. Die Turbolader 5a, 5b, die Kühlmittelkreisläufe 8a, 8b und die Ölkreisläufe 10a, 10b sind mit einer Steuereinrichtung verbunden (nicht gezeigt), und von dieser unabhängig voneinander steuerbar.
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Jeder Turbolader 5a, 5b ist jeweils über eine Ladeluftleitung 11 vom Verdichter und eine Abgasleitung 13 zur Turbine mit der entsprechenden Zylinderbank verbunden. In den Ladeluftleitungen 11 ist jeweils ein Ladeluftkühler 14 angeordnet. Zwischen den Ladeluftleitungen 11 und den Zylinderbänken 3a, 3b ist jeweils ein Ladeluftsammelbehälter 15 angeordnet.
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Zwischen den Zylinderbänken 3a, 3b und den Abgasleitungen 13 ist jeweils ein Abgassammelbehälter 16 angeordnet. In die Verdichter 7 wird über eine Zuluftleitung 17 Luft für die Verbrennung geleitet. In die Turbinen 6 geleitetes Abgas wird über den Abgastrakt 18 abgeleitet.
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In einem Verfahren zum Betrieb der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine 2 gemäß 2 befindet sich die Brennkraftmaschine 2 in einem ersten Betriebszustand, in dem alle Zylinder 4 beider Zylinderbänke 3a, 3b aktiviert sind. Bei Unterschreiten einer bestimmten Last der Brennkraftmaschine 2, d. h. bei einem bestimmten Schwellenwert, sendet die Steuereinrichtung in einem ersten Schritt S1 ein Signal zur Zylinderabschaltung an die Zylinder der ersten Zylinderbank 3a. Die Brennkraftmaschine 2 gelangt in einen zweiten Betriebszustand, indem in einem zweiten Schritt S2 die erste Zylinderbank 3a durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr und/oder Abschalten der Einlassventile ihrer Zylinder 4 abgeschaltet wird. Dabei werden in einem dritten Schritt S3 auch der erste Turbolader 5a, der erste Kühlmittelkreislauf 8a und der erste Ölkreislauf 10a abgeschaltet. Die Zylinder der zweiten Zylinderbank 3b werden dabei von dem zweiten Turbolader 5b aufgeladen, und vom zweiten Kühlmittelkreislauf 8b sowie dem zweiten Ölkreislauf 10b versorgt.
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Wird eine bestimmte Last der Brennkraftmaschine 2, d. h. ein bestimmter Schwellenwert, wieder erreicht, sendet die Steuereinrichtung in einem vierten Schritt S4 ein Signal zur Zylinderaktivierung an die Zylinder der ersten Zylinderbank 3a. In einem fünften Schritt S5 wird die Kraftstoffzufuhr wieder zugeschaltet und werden die Ventile der Zylinder 8 der ersten Zylinderbank 3a wieder geöffnet. Damit wird die zweite Zylinderbank 3a wieder aktiviert. In einem sechsten Schritt S6 werden der erste Turbolader 5a, der erste Kühlmittelkreislauf 8a und der erste Ölkreislauf 10a wieder zugeschaltet. Damit gelangt die Brennkraftmaschine 2 wieder in den ersten Betriebszustand.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3a
- erste Zylinderbank
- 3b
- zweite Zylinderbank
- 4
- Zylinder
- 5a
- erster Turbolader
- 5b
- zweiter Turbolader
- 6
- Turbine
- 7
- Verdichter
- 8a
- erster Kühlmittelkreislauf
- 8b
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- 9
- Kühlmittelpumpe
- 10a
- erster Ölkreislauf für Kolbenkühldüsen
- 10b
- zweiter Ölkreislauf für Kolbenkühldüsen
- 11
- Ladeluftkühler
- 12
- Turbolader-Welle
- 13
- Ladeluftleitung
- 14
- Abgasleitung zur Turbine
- 15
- Ladeluftsammelbehälter
- 16
- Abgassammelbehälter
- 17
- Zuluftleitung
- 18
- Abgastrakt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005027475 A1 [0002]
- WO 2008/068228 [0002]
- DE 102004035323 A1 [0004]
- DE 19511232 A1 [0004]
