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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit mindestens zwei Zylindergruppen, von denen eine erste Zylindergruppe während des Fahrbetriebs bei Aufrechterhaltung eines aktiven Gaswechsels abgeschaltet wird, während eine zweite Zylindergruppe zur Erzeugung eines Drehmoments weiterhin befeuert wird, und einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgastrakt, in dem zumindest eine katalytische Abgaskomponente angeordnet ist, wobei das durch die abgeschaltete erste Zylindergruppe strömende, unverbrannte Gas stromauf der katalytischen Abgaskomponente in eine Zweigleitung durch eine geschlossene Sperrvorrichtung abgezweigt wird, um zu verhindern, dass das unverbrannte Gas durch die katalytische Abgaskomponente strömt.
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Derartige Verfahren bzw. Systeme kommen heutzutage zum Einsatz, um den Verbrauch und somit CO2-Emissionen von Kraftfahrzeugen zu verringern. Bei der Zylinderabschaltung mit aktivem Gaswechsel wird durch die abgeschaltete Zylindergruppe bei unterbundener Kraftstoffzufuhr weiterhin Frischluft gepumpt, die stromab der Zylindergruppe als unverbranntes Gas in den Abgastrakt gelangt. Dort durchströmt sie in der Regel die Abgasnachbehandlungseinrichtung mit darin angeordneten Abgaskomponenten, insbesondere zumindest einen, eine katalytische Abgaskomponente bildenden, Katalysator, bevor sie dem Abgasaustritt zugeführt wird. Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Motorbänken und diesen getrennt zugeordneten Abgasleitungen und Abgaskomponenten im Abgastrakt werden dann in der Regel die Abgaskomponenten der abgeschalteten Zylindergruppe bzw. Motorbank ausschließlich von unverbranntem Gas durchströmt. Bei einer gemeinsamen Abgasleitung für alle Zylinder werden die gemeinsamen Abgaskomponenten während der Abschaltung (d. h. im Teilmotorbetrieb) mit einem Gemisch aus Abgas und unverbranntem Gas beaufschlagt.
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Das durch die fehlende Verbrennung verhältnismäßig kalte, sauerstoffreiche Gas kann die Betriebsfähigkeit vorhandener katalytischer Abgaskomponenten beeinträchtigen, indem es die Katalysatoren auf Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur abkühlt und ggf. für die Abgasnachbehandlung notwendige, eingelagerte Kohlenwasserstoffe oxidiert. Um die Betriebsfähigkeit vor Wieder-Zuschalten der Zylindergruppe zu gewährleisten, werden bei herkömmlichen Systemen beispielsweise zusätzliche Kohlenwasserstoffe in den Katalysator zu dessen Temperaturerhöhung eingebracht. Eine weitere Maßnahme besteht darin, die abgeschalteten und befeuerten Zylindergruppen häufig – vor Auskühlen der Katalysatoren – zu wechseln, was zu erhöhten Ladungswechselverlusten führt. Die Maßnahmen können folglich den Kraftstoffverbrauch erhöhen.
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Zur Vermeidung derartiger Maßnahmen ist es bekannt, das unverbrannte Gas vor Eintritt in einen Katalysator abzuzweigen, um zu verhindern, dass es den Katalysator durchströmt. So ist in der
DE 44 21 258 A1 eine Brennkraftmaschine angegeben, bei der die aus der abgeschalteten Zylindergruppe ausgestoßenen Gase nicht direkt in einen Abgaskatalysator eingeleitet werden, um zu verhindern, dass dessen Temperatur auf eine Temperatur unterhalb seiner Betriebstemperatur abgekühlt wird. Stattdessen werden die Gase über eine Zweigleitung entweder in die Zylinder-Brennräume der weiterhin befeuerten Zylindergruppe eingeleitet oder, alternativ, in die Zylinder-Brennräume der abgeschalteten Zylindergruppe zurückgeführt.
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Weiterhin offenbart die
DE 10 2012 009 059 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem in einer Zylinderabschaltungsbetriebsart ein Fluid, beispielsweise Abgas oder Luft, das von dieser abgeschalteten Zylindergruppe ausgestoßen wird, zu einem Ansaugbereich der Zylindergruppe zurückgeleitet wird. Durch diese Maßnahme wird ein Luftstrom durch einen Katalysator der Abgasnachbehandlungsanlage verhindert und er behält auch während der Zylinderabschaltung seine Betriebstemperatur bei.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. ein System bereitzustellen, mit dem sich die Zylinderabschaltung weiter optimieren lässt.
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Die Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für das System durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass ein Zeitpunkt zum Schalten der Sperrvorrichtung, d. h. Schließen bei Abschalten der ersten Zylindergruppe und/oder Öffnen bei Zuschalten der ersten Zylindergruppe (also jeweils beim Umschalten vor bzw. nach der Zylinderabschaltphase), in Abhängigkeit eines Kurbelwellenwinkels des ersten ab- bzw. zuzuschaltenden Zylinders bestimmt wird.
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Bei dem System ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zum Schalten der Sperrvorrichtung, d. h. Schließen bei Abschalten der ersten Zylindergruppe und/oder Öffnen bei Zuschalten der ersten Zylindergruppe, zu einem Zeitpunkt ausgebildet ist, der in Abhängigkeit eines Kurbelwellenwinkels des ersten ab- bzw. zuzuschaltenden Zylinders bestimmt ist.
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Die abgeschaltete und die weiterhin befeuerte Zylindergruppe, bezeichnet mit „erste” und „zweite” Zylindergruppe, können in verschiedenen Abschaltphasen alternieren. Die Sperrvorrichtung kann z. B. eine oder mehrere Klappen oder dergleichen Vorrichtungen zum Unterbinden einer Gasströmung aufweisen, wobei vorzugsweise zumindest ein Teil der Sperrvorrichtung, z. B. eine Klappe, im Bereich der Zweigleitung angebracht ist, um diese zu verschließen (bei Normalbetrieb) oder, vorzugsweise bei gleichzeitigem Verschließen der Abgasleitung, freizugeben (im Teilmotorbetrieb). Der „erste Zylinder” bezieht sich auf die Reihenfolge, in der das Ab- bzw. Zuschalten (im Anschluss an die Abschaltphase) der Zylinder beim Umschalten erfolgt. Bei einem Mehrzylindermotor sind die Zylinder mit einem Versatz synchronisiert, bei einem Vierzylindermotor z. B. mit einem Versatz von rund 180°KW, sodass bei Ab- bzw. Zuschalten der Kraftstoffzufuhr die Zylinder um diesen Versatz nacheinander deaktiviert bzw. aktiviert werden. Möglich ist auch die Verwendung einer mit dem Kurbelwellenwinkel des ersten Zylinders in Zusammenhang stehenden Größe.
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Durch eine derartige Schaltung der Sperrvorrichtung kann diese zu präzise festgelegten Zeitpunkten gesteuert werden, sodass die Vorteile der Zylinderabschaltung optimal genutzt werden können. Beispielsweise lässt sich die Sperrvorrichtung bei Abschaltung zu einem frühen Zeitpunkt schließen, sodass ein ungewolltes Durchströmen des Katalysators durch unverbranntes Gas und die damit verbundenen Nachteile vermieden wird. Gleichzeitig lässt sich durch den präzise bestimmten Schaltzeitpunkt sicherstellen, dass die noch vor der Abschaltung entstandenen verbrannten Abgase vollständig durch den Katalysator geleitet werden und die Sperrvorrichtung erst schließt, wenn sicher unverbranntes Gas stromauf der Zweigleitung vorhanden ist. So kann z. B. bei einem Vorbeileiten am Katalysator, wobei das unverbrannte Gas anschließend in die Umgebung abgegeben wird, sichergestellt werden, dass dies ausschließlich mit sicher unverbranntem Gas geschieht. Bei Zuschalten der Zylindergruppe nach der Abschaltphase wiederum kann präzise zu dem Zeitpunkt geöffnet werden, zu dem sich gerade noch unverbranntes Gas im Abgastrakt befindet. So lässt sich auf der einen Seite verhindern, dass verbranntes Abgas an dem Katalysator vorbeigeleitet wird, andererseits wird der Katalysator nicht unnötig lange von unverbranntem Gas durchströmt. Auf diese Weise erlaubt das Verfahren eine optimierte Steuerung und/oder Regelung der Zylinderabschaltung.
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Das Verfahren ist sowohl für Verbrennungsmotoren mit mehreren Motorbänken und diesen getrennt zugeordneten Abgasleitungen im Abgastrakt anwendbar, als auch bei Motoren mit einer Bank oder mehreren Bänken, deren Abgase zusammengeführt und zumindest teilweise in einer gemeinsamen Abgasleitung nachbehandelt und dem Abgasaustritt zugeführt werden. Bei Systemen mit einer gemeinsamen Abgasleitung der Zylindergruppe ist die Zweigleitung stromauf der Zusammenführung der Gase vorzusehen, sodass lediglich das aus der abgeschalteten Zylindergruppe ausströmende, unverbrannte Gas aus der Abgasleitung abgezweigt wird. Bei getrennten Abgasleitungen wird durch Abzweigung des unverbrannten Gases die Durchströmung der Komponenten praktisch unterbunden, bei einer gemeinsamen Leitung erfolgt weiterhin die Durchströmung mit Abgas.
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In einer vorteilhaften Variante ist es vorgesehen, dass der Zeitpunkt zum Schalten in Abhängigkeit eines bestimmten Kurbelwellenwinkels zwischen (etwa) 540°KW und 720°KW ausgehend von der ersten ausbleibenden Einspritzung nach Abschalten bzw. ersten erfolgten Einspritzung nach Zuschalten bestimmt wird. Dieser Bereich des Kurbelwellenwinkels entspricht bei einem Viertaktmotor der Phase des Gasausstoßes aus dem Zylinderraum, wobei die genannten Kurbelwellenwinkel absolute Winkelmarken darstellen und sich in der Praxis durch einen (geometrischen) Grundversatz für jeden Zylinder in gewissem Rahmen unterscheiden können. Während dieser Phase wird nach Abschalten der Zylindergruppe erstmals unverbranntes Gas ausgestoßen und gelangt in den Abgastrakt. Bei Wieder-Zuschalten der Zylindergruppe wird erstmalig wieder verbranntes Abgas aus der zuvor abgeschalteten Zylindergruppe ausgestoßen. Vorzugsweise wird als Kurbelwellenwinkel derjenige Winkel verwendet, zu dem das Auslassventil mindestens um einen für den Ladungswechsel (Gasausstoß) relevanten Hub geöffnet ist. Ab diesem Hub bewegt sich das Gas in den Abgastrakt in Richtung Katalysator. Dieser Hub kann ein Bruchteil des maximalen Ventilhubs sein, beispielsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, z. B. 0,5 mm, bei einem maximalen Ventilhub von 1 mm, oder auch, ein anderer Hub, je nach Geometrie. Dieser bestimmte Kurbelwellenwinkel wird vorzugsweise als eine Art Ausgangszeitpunkt für die Bestimmung des Zeitpunkts zum Schalten herangezogen.
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Vorzugsweise wird der Zeitpunkt zum Schalten unter Berücksichtigung einer Gaslaufzeit bis zu der Zweigleitung bestimmt. Beispielsweise kann bei Verwendung des bestimmten Kurbelwellenwinkels als Ausgangszeitunkt auf diesen die Gaslaufzeit bis zur Zweigleitung aufaddiert werden, sodass der Zeitpunkt erhalten wird, an dem das – unverbrannte oder, nach Zuschalten erstmalig wieder verbrannte – Gas die Zweigleitung erreicht. Die Gaslaufzeit kann auf Basis des Massenstroms und der Geometrie der Abgasleitung berechnet werden. Das Erreichen des Gases an der Zweigleitung kann – insbesondere beim Vorbeiführen des Gases an Abgaskomponenten ohne Gasrückführung – den frühesten Zeitpunkt bilden, ab dem die Sperrvorrichtung geschlossen werden kann, bei dem sichergestellt ist, dass kein unbehandeltes Abgas an den Abgaskomponenten vorbeigeleitet wird. Beim Zuschalten der Zylindergruppe sollte die Sperrvorrichtung nicht später als zu diesem Zeitpunkt geöffnet werden, um zu verhindern, dass – nun wieder verbranntes – Abgas an den Abgaskomponenten vorbeigeleitet wird.
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Beim Abschalten der Zylindergruppe kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt zum Schließen der Sperrvorrichtung unter Berücksichtigung einer Spülzeit bestimmt wird. Beispielsweise kann auf den oben beschriebenen Zeitpunkt des Erreichens der Zweigleitung eine weitere, definierte, Spülzeit aufaddiert und auf diese Weise der Zeitpunkt zum Schließen bestimmt werden. Die Spülzeit, auch „Entprellzeit” genannt, kann beispielsweise so gewählt werden, dass gerade eine oder mehrere Abgaskomponenten, insbesondere Katalysatoren, mit unverbranntem Gas beaufschlagt werden und dann die Sperrvorrichtung geschlossen wird. Bei Abgaskomponenten, die ausschließlich der abgeschalteten Zylindergruppe zugeordnet sind, d. h. nicht weiter mit Abgas durchströmt werden, schließen dann die betreffenden Komponenten während der Zylinderabschaltung unverbranntes Gas ein. Denkbar wären auch andere, kürzere oder längere definierte Spülzeiten, durch die gezielt verfahrenstechnische Vorteile erreichbar sind, beispielsweise für die Wiederaufnahme der Verbrennung, also der Zuschaltung der Zylindergruppe.
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Die Präzision der Steuerung und/oder Regelung lässt sich weiter optimieren, wenn bei der Steuerung der Sperrvorrichtung eine Vorsteuerzeit der Sperrvorrichtung, insbesondere umfassend eine elektrische Verzögerungszeit eines Aktors und/oder eine mechanische Verzögerungszeit der Sperrvorrichtung, berücksichtigt wird. So kann der Zeitpunkt der Ansteuerung von dem Zeitpunkt des Schaltens, also des tatsächlichen mechanischen Schaltens der Sperrvorrichtung, um eine Vorsteuerzeit abweichen.
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Eine höhere Zuverlässigkeit des Verfahrens ist dadurch erreichbar, dass mittels einer Steuereinrichtung überwacht wird, dass ab Abschalten des ersten Zylinders kein Kraftstoff in die abgeschalteten Zylinder eingespritzt wird. Diese Überwachung kann während Teilmotorbetrieb (d. h. Phase der Zylinderabschaltung) zusätzlich aktiv werden.
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Weiterhin lässt sich ein zuverlässiges Verfahren dadurch erhalten, dass in der Zweigleitung das Vorhandensein zumindest von Abgas und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem unverbrannten Gas durch ein Überwachungselement, insbesondere eine Lambdasonde und/oder ein HC-Sensor, überwacht wird. Dabei stellt beispielsweise eine Lambda-Sprungsonde einen kostengünstigen verwendbaren Sensor dar. Auf diese Weise lässt sich überwachen, dass keine Abgase und/oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe an Abgaskomponenten vorbeigeleitet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Variante kann vorgesehen sein, dass von den in der Brennkraftmaschine vorgesehenen Zylindergruppen stets dieselbe Zylindergruppe abgeschaltet wird, also die Abschaltung nicht alternierend vorgenommen wird. In herkömmlichen Verfahren ist in der Regel ein häufiges Alternieren der abgeschalteten Zylindergruppe vorgesehen, um ein zu starkes Auskühlen der Abgaskomponenten zu verhindern. Auf dieses kann durch das Abzweigen der unverbrannten Gase verzichtet werden und es kann stets dieselbe Zylindergruppe auch für längere Perioden abgeschaltet werden. Wenn nun stets dieselbe Zylindergruppe abgeschaltet wird, braucht eine Zweigleitung nur bei dieser Zylindergruppe vorgesehen sein. Durch eine derartige Reduktion der Komponenten lässt sich ein einfacheres und kostengünstigeres System erhalten.
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Besonders vorteilhaft ist das Verfahren anwendbar, wenn das unverbrannte Gas über die Zweigleitung an die Umgebung abgegeben wird, wobei es stromab der katalytischen Abgaskomponente der Abgasleitung und darüber dem Abgasaustritt zugeführt oder aus der Zweigleitung an die Umgebung abgegeben wird. Ein wiederholtes Im-Kreis-Führen des Gases entfällt hierbei, was unterschiedliche Vorteile bietet. Beispielsweise kann die Länge der Zweigleitung kürzer gehalten werden, was aufgrund eines geringeren Gegendrucks Ladungswechselverluste verringert und damit die Effizienz erhöht. Bei dieser Variante ist eine präzise Steuerung besonders vorteilhaft, weil einerseits verhindert werden kann, dass unbehandeltes Abgas durch zu frühes Schließen bzw. zu spätes Öffnen der Schaltvorrichtung an die Umgebung abgegeben wird. Andererseits kann der Zeitpunkt zum Schalten gezielt derart früh bzw. spät gewählt werden, dass katalytische Komponenten maximal für eine definierte kurze Zeitspanne mit unverbranntem Gas beaufschlagt werden, wodurch das Verfahren der Zylinderabschaltung optimiert anwendbar ist.
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Bei dieser Verfahrensvariante ist es vorteilhaft, wenn bei Abschalten der ersten Zylindergruppe eine mit dem Saugrohr in gasleitender Verbindung stehende Tank- und/oder Kurbelwellengehäuseentlüftung deaktiviert wird. Durch die Entlüftung können unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Saugrohr und so in die den Zylindern zugeführte Frischluft gelangen, die – bei befeuerten Zylindern – verbrannt werden. Bei abgeschalteten Zylindern könnten diese Bestandteile unverbrannt in die Umgebung gelangen. Wird die Entlüftung während der Zylinderabschaltung deaktiviert, lässt sich das daraus entstehende Risiko der Abgabe unverbrannter Kohlenwasserstoffe an die Umgebung ausschließen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem ihr zugeordneten Abgastrakt mit zwei Abgasbänken als Beispiel zur Anwendung des beschriebenen Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Konfiguration einer Brennkraftmaschine mit einem ihr zugeordneten Abgastrakt mit einer gemeinsamen Abgasleitung zur Anwendung des beschriebenen Verfahrens und
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3 ein Diagramm mit einem Arbeitszyklus eines Zylinders bezüglich des Kurbelwellenwinkels und unter Angabe von Berechnungsmarken einer Steuereinrichtung.
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem ihr zugeordneten Abgastrakt 2. In dem Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 1 zwei Motorbänke auf, wobei der ersten Motorbank, mit einer ersten Zylindergruppe 7, eine erste Abgasbank 2.1 und der zweiten Motorbank, mit einer zweiten Zylindergruppe 9, eine zweite Abgasbank 2.2 zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 befindet sich im Teilmotorbetrieb mit abgeschalteten Zylindern 11 der ersten Zylindergruppe 7, während Zylinder 13 der zweiten Zylindergruppe 9 weiterhin befeuert werden. Weitere, in 1 nicht dargestellte Komponenten können vorhanden sein.
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Während des Betriebs wird Frischluft durch ein mit einer Drosselklappe 5 versehenes Saugrohr 3 angesaugt und auf die beiden Motorbänke aufgeteilt. Die als unverbranntes Gas 17 durch die erste, abgeschaltete Zylindergruppe 7 strömende Frischluft gelangt weiter in eine Abgasleitung 15 der ersten Abgasbank 2.1. In der Abgasleitung 15 können, wie in dem Ausführungsbeispiel, mehrere Überwachungselemente 19, beispielsweise Lambdasonden, Kohlenwasserstoffsensoren, NOx-Sensoren oder dergleichen angeordnet sein, insbesondere auch in einer Zweigleitung 23 der Abgasleitung 15. Das unverbrannte Gas 17 wird über eine erste Klappe 21.1 einer Sperrvorrichtung 21 stromauf einer katalytischen Abgaskomponente 25 in die Zweigleitung 23 aus der Abgasleitung 15 abgezweigt. Zu diesem Zweck ist die erste Klappe 21.1 an der Stelle der Zweigleitung 23 in der Abgasleitung 15 stromauf der katalytischen Abgaskomponente 25 platziert. Die Sperrvorrichtung 21 befindet sich in einer geschlossenen Stellung, in der die erste Klappe 21.1 die Abgasleitung 15 zu der katalytischen Abgaskomponente 25 hin verschließt und gleichzeitig den Weg durch die Zweigleitung 23 freigibt. Auf diese Weise wird das unverbrannte Gas 17 durch die Zweigleitung 23 an der katalytischen Abgaskomponente 25 vorbeigeleitet, wobei stromab der katalytischen Abgaskomponente 25 die Zweigleitung 23 und die Abgasleitung 15 wieder zusammengeführt werden. An der Stelle der Zusammenführung wird eine Rückströmung des unverbrannten Gases hin zu der katalytischen Abgaskomponente 25 durch eine zweite Klappe 21.2 der Sperrvorrichtung 21 unterbunden, die in geschlossenem Zustand der Sperrvorrichtung 21 den Strom durch die Zweigleitung 23 des unverbrannten Gases 17 freigibt und die Abgasleitung 15 stromab der katalytischen Abgaskomponente 25 versperrt. Die zweite Klappe 21.2 kann dabei stromlos, z. B. durch einen Federmechanismus oder dergleichen, alleine durch die Gasströmung schaltbar sein. Durch einen Abgasaustritt 27 wird das unverbrannte Gas 17 an die Umgebung abgegeben.
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Aus den befeuerten Zylindern 13 strömt verbranntes Gas, also Abgas 18, durch die eine Abgasleitung 15' der zweiten Abgasbank 2.2, die eine Zweigleitung 23' aufweist. In der zweiten Abgasbank 2.2 befindet sich eine Sperrvorrichtung 21', in geöffnetem Zustand. Dabei verschließt eine erste Klappe 21.1' der Sperrvorrichtung 21' den Zugang zu der Zweigleitung 23', sodass das Abgas 18 weiter durch die Abgasleitung 15' durch eine katalytische Abgaskomponente 25' geleitet wird. Stromab der katalytischen Abgaskomponente 25' verhindert eine zweite Klappe 21.2' ein Rückströmen des Abgases 18 in die Zweigleitung 23'. Stromab der katalytischen Abgaskomponente 25' werden die Abgasleitung 15' und die Zweigleitung 23' zusammengeführt und das Abgas 18 über einen Austritt 27' an die Umgebung abgegeben.
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Die abgeschaltete Zylindergruppe 7 kann alternieren, sodass während einer anderen Phase der Zylinderabschaltung der Brennkraftmaschine 1 jeweils eine andere Motorbank abgeschaltet bzw. befeuert wird.
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2 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Konfiguration der Brennkraftmaschine 1 mit einem ihr zugeordneten Abgastrakt 2, bei der das beschriebene Verfahren vorteilhaft angewandt werden kann. Hierbei weist die Brennkraftmaschine 1 eine einzige Motorbank auf, deren Zylinder 7, 11 bei Zylinderabschaltung zu der ersten Zylindergruppe 7 mit abgeschalteten Zylindern 11 und zu der zweiten Zylindergruppe 9 mit befeuerten Zylindern 13 zusammengefasst werden. Der Brennkraftmaschine 1 ist der Abgastrakt 2 mit der gemeinsamen Abgasleitung 15 und gemeinsamen Abgaskomponenten, insbesondere die katalytische Abgaskomponente 25 zugeordnet. Weitere, hier nicht dargestellte Komponenten können vorhanden sein. Möglich wären auch mehrere, insbesondere zwei Motorbänke, die die gemeinsame Abgasleitung 15 aufweisen.
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Bei dem hier dargestellten Teilmotorbetrieb mit abgeschalteter Zylindergruppe 11 wird das unverbrannte Gas 17 bei geschlossener Sperrvorrichtung 21 durch die Zweigleitung 23 an der katalytischen Abgaskomponente 25 vorbeigeleitet, stromab der katalytischen Abgaskomponente 25 der gemeinsamen Abgasleitung 15 wieder zugeführt und, gemeinsam mit dem verbrannten Abgas, an die Umgebung durch den Abgasaustritt 27 abgegeben. Dabei zweigt die Zweigleitung 23 im Bereich des Krümmers ab, stromauf der Stelle, an der die Gase in die gemeinsame Abgasleitung 15 zusammenführbar sind. In dem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Zweigleitung 23 vorgesehen, sodass bei Zylinderabschaltung stets dieselben Zylinder, die der Zylindergruppe 7, abgeschaltet werden, deren Gase durch die Zweigleitung 23 führbar sind.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen, die auch andere Konfigurationen aufweisen können, wird durch das Vorbeileiten der unverbrannten Gase 17 im Teilmotorbetrieb verhindert, dass diese während der Zylinderabschaltung Abgaskomponenten im Abgastrakt 2, insbesondere die katalytische Abgaskomponente 25, durchströmen. Dies verhindert, dass insbesondere die katalytische Abgaskomponente 25 durch unverbranntes und damit sauerstoffreiches und verhältnismäßig kaltes Gas in ihrer Betriebsfähigkeit beeinträchtigt wird, beispielsweise durch Absinken ihrer Temperatur auf unterhalb der Betriebstemperatur.
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Um die Vorzüge des Verfahrens bzw. des Systems mit der Zweigleitung 23 optimal nutzen zu können, wird bei Übergang des Betriebs in bzw. aus dem Teilmotorbetrieb, d. h. bei Abschaltung und später wieder Zuschaltung der ersten Zylindergruppe 7, ein präziser Zeitpunkt zum Schalten der Sperrvorrichtung 21 ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass der Zeitpunkt zum Schalten vorteilhaft in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels des ersten ab- bzw. zuzuschaltenden Zylinders bestimmt werden kann.
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Im Übergang zum Teilmotorbetrieb und darauffolgender Zuschaltung der Zylindergruppe 7 wird die Kraftstoffzufuhr unterbunden bzw. wieder-zugeschaltet. Bei einem Mehrzylindermotor sind die Zylinder 11, 13 mit einem Versatz synchronisiert, bei einem Vierzylindermotor beispielsweise mit einem Versatz von 180°KW, sodass die Ab- bzw. Zuschaltung des Kraftstoffes die Zylinder 11 nacheinander betrifft.
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Die Ermittlung des Zeitpunkts zum Schalten wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert. 3 zeigt ein Diagramm 30 mit einer oberen x-Achse 31, auf der ein Kurbelwellenwinkel (°KW) eines Viertaktmotor-Arbeitszyklus aufgetragen ist, und einer unteren x-Achse 33 mit Berechnungsmarken einer Steuereinrichtung 00-04 (bezüglich eines Vierzylindermotors). Weiterhin sind die Öffnungsphasen eines Einlassventils 41 und eines Auslassventils 43 während des Arbeitszyklus markiert. Ferner sind obere und untere Totpunkte 35 und 37 des den Zyklus durchlaufenden Zylinders 11 angegeben. Die nachfolgend angegebenen Kurbelwellenwinkel können sich in der Praxis durch einen (geometrischen) Grundversatz für jeden Zylinder in gewissem Rahmen unterscheiden.
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Ein gewöhnlicher Arbeitszyklus bei befeuertem Zylinder umfasst das Ansaugen von Frischluft sowie Kraftstoffeinspritzung zwischen 0°KW und 180°KW (Ansaugtakt), Verdichten zwischen 180°KW und 360°KW mit anschließender Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches, Expandieren (und dabei Drehmomenterzeugung) zwischen 360°KW und 540°KW und anschließendes Ausstoßen des verbrannten Abgases (Gaswechsel) zwischen 540°KW und 720°KW. Bei einem Mehrzylindermotor werden die Zylinder zumindest teilweise versetzt zueinander betrieben, wobei der Zündversatz der Zylinder der Synchronisierung der Zylinder entspricht.
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Das Diagramm 30 wird nun beispielhaft bezogen auf den ersten Arbeitszyklus nach Abschalten der Kraftstoffeinspritzung des ersten der Zylinder 11 einer Zündfolge der ersten Zylindergruppe 7 beschrieben. Das Abschalten der weiteren Zylinder 11 wird in Zündfolge fortgesetzt. Das Signal zum Abschalten der Einspritzung durch eine Steuereinrichtung (z. B. der Motorsteuerung) erfolgt z. B. jeweils bei 0°KW, oder auch kurz früher oder später, jedoch derart, dass der vorangehende Arbeitszyklus vollständig inklusive Kraftstoffeinspritzung beendet werden konnte und bevor in dem neuen Arbeitszyklus erneut Kraftstoff eingespritzt worden wäre.
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Zum Zeitpunkt des Abschaltens befindet sich noch Abgas 18 aus dem vorhergehenden Arbeitszyklus in der Abgasleitung 15. Würde nun die Sperrvorrichtung 21 gleichzeitig mit dem Abschalten der Einspritzung geschlossen, würde dieses Abgas 18 in die Zweigleitung 23 geleitet und ohne Nachbehandlung in die Umgebung gelangen und/oder im Kreis geführt werden. Mit dem beschriebenen Verfahren wird nun ein optimaler Zeitpunkt zum Schalten der Sperrvorrichtung 21 bestimmt.
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Um sicherzustellen, dass kein unbehandeltes Abgas 18 in die Umgebung gelangt, wird die Sperrvorrichtung 21 vorteilhafterweise erst mit einem zeitlichen Versatz zum Abschalten der Kraftstoffeinspritzung geschaltet. Dieser Zeitpunkt zum Schalten liegt jedoch in dem optimierten Verfahren möglichst früh nach der Unterbindung der Einspritzung, um zu verhindern, dass für längere Zeit unverbranntes Gas durch die katalytische Abgaskomponente 25 strömt und diese in ihrer Betriebsfähigkeit beeinträchtigt.
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Der Zeitpunkt zum Schalten wird in dem bereitgestellten Verfahren unter Verwendung des Kurbelwellenwinkels 31 ermittelt. Bei Zylinderabschaltung ist dieser Zeitpunkt frühestens gegeben, wenn nach der ersten ausbleibenden Kraftstoffeinspritzung an der Zweigleitung 23 sicher unverbranntes Gas 17 vorhanden ist. Dieser wird ermittelt ausgehend von der ersten ausbleibenden Einspritzung (zum Ansaugtakt) vorzugsweise bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel zwischen 540°KW und 720°KW, bei dem der Gaswechsel stattfindet, das Auslassventil des ersten Zylinders 11 nach dem Abschalten geöffnet wird und das angesaugte, jedoch unverbrannte Gas aus dem Zylinder 11 in den Abgastrakt 2 strömt, d. h. ein Gaswechsel stattfindet. Der Gaswechsel erfolgt, wenn das Ventil einen relevanten Hub aufweist, beispielsweise ab 0,5 mm Hub bei einem Maximalhub von 1 mm, oder bei entsprechenden anderen Geometrien ggf. anderen Werten. Der bestimmte Kurbelwellenwinkel 31 entspricht dem Kurbelwellenwinkel 31 bzw. dem Zeitpunkt, an dem dieser relevante Hub erreicht wird und der Gaswechsel stattfindet. Basierend darauf wird nun z. B. eine Gaslaufzeit des unverbrannten Gases bis hin zu der Zweigleitung 23 aufaddiert. So ergibt sich der Zeitpunkt, zu dem erstmals unverbranntes Gas an der Zweigleitung 23 vorliegt, der zugleich auch den frühesten Zeitpunkt zum Schließen der Sperrvorrichtung 21 bildet. Bei der Steuerung und/oder Regelung sollte bei der Ansteuerung des Aktors vorteilhaft eine Vorsteuerzeit berücksichtigt werden, die insbesondere eine elektrische Verzögerungszeit des Aktors und/oder eine mechanische Verzögerungszeit der Klappe berücksichtigt, sodass die Präzision der Steuerung weiter erhöht werden kann.
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Beim Schließen, insbesondere bei der Variante mit zwei getrennten Abgasbänken 2.1 und 2.2, ist es weiterhin vorteilhaft möglich, eine definierte weitere Zeitverzögerung in Form einer Spülzeit vorzusehen, während der über eine definierte Zeitspanne, beispielsweise mehrere Millisekunden oder Sekunden, unverbranntes Gas durch die katalytische Abgaskomponente 25 strömt. Dadurch lassen sich unterschiedliche vorteilhaft Effekte erzielen, wie beispielsweise zumindest teilweise das Einschließen von unverbranntem Gas in der katalytischen Abgaskomponente 25, definierte Spülvorgänge oder dergleichen.
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Bei Wieder-Zuschalten („Aktivieren”) der Zylinder 11 nach Abschalten kann der Zeitpunkt zum Schalten, hier Öffnen, der Sperrvorrichtung 21 analog zu dem oben angegebenen Vorgehen ermittelt werden. Hier stellt allerdings der Zeitpunkt des Erreichens des Abgases 18 an der Zweigleitung 23 den spätesten, nicht den frühesten Zeitpunkt zum Schalten dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4421258 A1 [0004]
- DE 102012009059 A1 [0005]
