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Die Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit zwei Gruppen an Zylindern, wobei eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe jeweils mindestens einen Zylinder umfassen und alle Zylinder der ersten Gruppe zu- und abschaltbar sowie alle Zylinder der zweiten Gruppe nicht zu- und abschaltbar sind.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors der eingangs genannten Art.
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Hubkolben-Verbrennungsmotoren sind an sich bekannt und stellen zum Beispiel im Bereich der Kraftfahrzeuge eine standardmäßige Antriebstechnologie dar.
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Um einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem vorteilhaften Kraftstoffverbrauch, einer gewünschten Leistungscharakteristik und/oder einem umweltschonenden Emissionsverhalten betreiben zu können, ist es bekannt, den Zündzeitpunkt, die Einspritzdauer, den Einspritzzeitpunkt, die Saugrohrlänge, die Steuerzeiten und/oder den Ventilhub des Verbrennungsmotors während dessen Betrieb dynamisch einzustellen und zu regeln.
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Darüber hinaus ist es bekannt, in einem Teillastbetrieb einzelne Zylinder abzuschalten. Unter der Abschaltung von Zylindern wird dabei verstanden, dass in diese kein Kraftstoff eingespritzt wird. Die abgeschalteten Zylinder können wieder zugeschaltet werden, wenn eine entsprechende Leistung vom Motor gefordert wird. Dann wird die Kraftstoffeinspritzung für diese Zylinder wieder aufgenommen.
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Zusätzlich oder anstatt der vorgenannten Maßnahmen können die Zylinder eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit variablen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden. Das Verdichtungsverhältnis ist dabei das Verhältnis der Zylindervolumina, die entstehen, wenn der Kolben im oberen Totpunkt ist und wenn der Kolben sich im unteren Totpunkt befindet.
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Die
DE 10 2012 221 743 A1 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, bei dem das Verdichtungsverhältnis für einzelne Zylinder variabel gewählt werden kann. Die Zylinder können also mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden. Diese Funktionalität ist mit der Möglichkeit einer Zylinderabschaltung kombiniert.
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Die
DE 691 32 728 T2 zeigt ein System zur Steuerung von Verbrennungsmotoren, bei dem der Motor auf einer „pro Zylinder“-Basis gesteuert wird, d. h. jeder Zylinder kann individuell gesteuert werden. Dabei können zum Beispiel über die Ein- und Auslassventile unterschiedliche Verdichtungen gewählt werden. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Zylinder abzuschalten.
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Alle vorgenannten Verfahren und Systeme zur Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs, der Leistungscharakteristik und/oder des Emissionsverhaltens eines Hubkolben-Verbrennungsmotors sind mit einem gewissen technischen Aufwand verbunden. Dies ist typischerweise mit einer Steigerung der technischen Komplexität des Verbrennungsmotors verbunden, die sich zum Beispiel in einem steigendem Aufwand für die Entwicklung, Produktion, Montage, Wartung und/oder Reparatur solcher Motoren niederschlägt. Ebenso steigen durch die Anwendung dieser Verfahren die Kosten für einen solchen Verbrennungsmotor.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, Hubkolben-Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Dabei soll insbesondere ein Hubkolben-Verbrennungsmotor geschaffen werden, der ein vorteilhaftes Verbrauchs-, Leistungs- und Emissionsverhalten aufweist, und gleichzeitig technisch einfach aufgebaut und zu geringen Kosten herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Hubkolben-Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem nur die Zylinder der zweiten Gruppe ein System zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses umfassen. Die Zylinder der ersten Gruppe umfassen also kein solches System und sind dadurch verhältnismäßig einfach und kostengünstig aufgebaut. Das gilt auch für den Hubkolben-Verbrennungsmotor als Ganzes, für den im Vergleich zu einem konventionellen Verbrennungsmotor nur ein Bruchteil der Systeme zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erforderlich ist. Darüber hinaus wird der Bauraumbedarf des Verbrennungsmotors reduziert. Zum Beispiel können bei einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor zwei Zylinder zur ersten Gruppe gehören und zwei Zylinder zur zweiten. Dann sind im Vergleich zu einem konventionellen Verbrennungsmotor nur die Hälfte der Systeme zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses nötig. Bei einem Sechszylinder-Verbrennungsmotor können zwei, drei oder vier Zylinder zur ersten Gruppe gehören und die übrigen Zylinder zur zweiten.
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Bevorzugt weisen die Zylinder der ersten Gruppe ein festes Verdichtungsverhältnis auf. Das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe ist also unveränderbar. Dadurch sind die Zylinder einfach und kostengünstig aufgebaut. Falls mehrere Zylinder der ersten Gruppe zugeordnet sind, können sich deren Verdichtungsverhältnisse unterscheiden. Beispielsweise können der ersten Gruppe zwei Zylinder zugeordnet sein, wobei einer davon ein verhältnismäßig hohes, festes Verdichtungsverhältnis aufweist und der andere über ein verhältnismäßig geringes, festes Verdichtungsverhältnis verfügt. Alternativ können die Verdichtungsverhältnisse der Zylinder der ersten Gruppe auch gleich groß gewählt werden. In allen Varianten können Systeme zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses entfallen.
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In einer Ausführungsform umfassen die Zylinder der ersten Gruppe ein System zur Unterbindung des Gaswechsels, wobei der Gaswechsel vorzugsweise im abgeschalteten Zustand unterbunden wird. Diese Zylinder, genauer die zugehörigen Kolben werden dann von den übrigen Zylindern, die zur zweiten Gruppe gehören, mitgeschleppt. Ein Unterbinden des Gaswechsels bewirkt eine reduzierte Schleppleistung und kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass die Ein- und Auslassventile der abgeschalteten Zylinder geschlossen gehalten werden. Es steigt dadurch die Effizienz des Verbrennungsmotors.
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Das System zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses kann je Zylinder ein Pleuel umfassen, bei dem der Abstand zwischen einem kurbelwellenseitigen und einem kolbenbolzenseitigen Lagerauge veränderbar ist. Solche Pleuel sind an sich bekannt und bewährt. Sie stellen eine einfache Möglichkeit dar, das variable Einstellen des Verdichtungsverhältnisses für die Zylinder der zweiten Gruppe zu ermöglichen. Die Zylinder der ersten Gruppe werden mit konventionellen, starren Pleuel ausgestattet. Der Hubkolben-Verbrennungsmotor ist somit einfach und kostengünstig aufgebaut, ohne auf eine Verstellbarkeit verzichten zu müssen.
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In einer Gestaltungsalternative umfassen die Zylinder der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe ein System zur variablen Einstellung des Zündzeitpunkts, der Einspritzdauer, des Einspritzzeitpunkts, der Saugrohrlänge, der Ventilhübe und/oder der Steuerzeiten. Damit kann ein Hubkolben-Verbrennungsmotor realisiert werden, der einen geringen Kraftstoffverbrauch und ein umweltschonendes Emissionsverhalten aufweist und trotzdem über eine ansprechende Leistungscharakteristik verfügt. Bevorzugt werden die genannten Systeme nur für die Zylinder einer der beiden Gruppen eingesetzt, sodass sich bei einer Betrachtung des Verbrennungsmotors als Ganzes eine Kostenersparnis gegenüber einem konventionell ausgestatteten Verbrennungsmotor ergibt.
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Weiter wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors der eingangs genannten Art gelöst, mit den folgenden Schritten:
- a) Gleichhalten des Verdichtungsverhältnisses der Zylinder der ersten Gruppe und
- b) variables Einstellen des Verdichtungsverhältnisses der Zylinder der zweiten Gruppe.
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Das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe ist also stets gleich, wohingegen das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit der Fahrsituation, die z. B. durch die Umgebungsbedingungen oder die Leistungsanforderungen beschrieben werden kann, variabel eingestellt wird. Der Verbrennungsmotor kann also insgesamt variabel betrieben werden, ist im Aufbau jedoch verhältnismäßig einfach und dadurch kostengünstig.
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In einem Teillastbetrieb können die Zylinder der ersten Gruppe abgeschaltet und die Zylinder der zweiten Gruppe betrieben werden. Der Motor wird also nur mit einer Teilmenge der vorhandenen Zylinder betrieben. Diese können zum Beispiel mit einem hohen Verdichtungsverhältnis betrieben werden. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigt dadurch. Über das System zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses kann der Verbrennungsmotor so betrieben werden, dass er sowohl den Anforderungen an die Leistungsabgabe als auch den Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen genügt. Der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen sinken dabei im Vergleich zu einem konventionellen Verbrennungsmotor.
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Bevorzugt schleppen die Zylinder der zweiten Gruppe die Zylinder der ersten Gruppe mit. Es wird also lediglich die Kraftstoffzufuhr zu den abgeschalteten Zylindern unterbrochen. Eine aufwändige, mechanische Entkopplung findet nicht statt.
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In einer Ausführungsform wird bei einer steigenden Teillast das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der zweiten Gruppe abgesenkt. Es kann so bei einem weiterhin hohen Wirkungsgrad eine vergrößerte Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors erreicht werden. Die Zylinder der ersten Gruppe bleiben abgeschaltet.
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Alternativ können die Zylinder der ersten Gruppe und die Zylinder der zweiten Gruppe betrieben werden, wobei die Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, das vom Verdichtungsverhältnis der Zylinder der zweiten Gruppe verschieden ist. Es werden also alle Zylinder des Verbrennungsmotors betrieben, d. h. in alle Zylinder wird Kraftstoff eingespritzt und sie geben eine Leistung ab. Dieser Betriebsmodus wird gewählt, wenn der Betrieb mit nur den Zylindern der zweiten Gruppe keine ausreichende Motorleistung bereitstellen kann. Der Verbrennungsmotor kann also flexibel an erhöhte Leistungsbedarfe angepasst werden und stets effizient betrieben werden.
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Dabei kann das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der zweiten Gruppe größer als das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe sein. Das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe ist weiterhin fest.
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Auch kann in einem Teillastbetrieb das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der zweiten Gruppe kleiner sein als das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe. Auch hier ist das Verdichtungsverhältnis der Zylinder der ersten Gruppe weiterhin fest.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Hubkolben-Verbrennungsmotor, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann und
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2 schematisch ein Pleuel, das zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem erfindungsgemäßen Hubkolben-Verbrennungsmotor und in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines solchen Motors verwendet werden kann.
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Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor 10 umfasst in der dargestellten Ausführungsform vier Zylinder 12a bis 12d. Dabei bilden die Zylinder 12a und 12d eine erste Gruppe 14 und die Zylinder 12b und 12c eine zweite Gruppe 16.
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Die Zylinder 12a und 12d der ersten Gruppe 14 sind jeweils mit einem Abschaltsystem 17a, 17d ausgestattet und sind daher zu- und abschaltbar. Das Abschaltsystem 17a, 17d ist durch ein Schlüsselsymbol dargestellt.
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Das Abschaltsystem 17a, 17d kann zusätzlich ein System zur Unterbindung eines Gaswechsels umfassen, das nicht dargestellt ist. Dadurch kann der Gaswechsel im abgeschalteten Zustand der Zylinder 12a und 12d unterbunden werden.
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Die Zylinder 12a und 12d der ersten Gruppe 14 weisen ein festes, d. h. unveränderliches, Verdichtungsverhältnis auf.
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Die Zylinder 12b und 12c der zweiten Gruppe 16 sind jeweils mit einem System 18b, 18c zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ausgestattet, das in 1 nur symbolisch dargestellt ist.
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Die Zylinder 12b und 12c der zweiten Gruppe 16 können nicht zu- und abgeschaltet werden. Sie werden also stets betrieben, wenn der Hubkolben-Verbrennungsmotor 10 in Betrieb ist.
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In 2 ist beispielhaft ein Pleuel 19 dargestellt, das als Bestandteil des Systems 18b, 18c zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in den Zylindern 12b und 12c der zweiten Gruppe 16 verwendet werden kann.
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Das Pleuel 19 umfasst hierfür ein kurbelwellenseitiges Lagerauge 20 und einen kolbenbolzenseitiges Lagerauge 22. Über einen nicht näher dargestellten Mechanismus 24 kann der Abstand zwischen dem kurbelwellenseitigen Lagerauge 20 und dem kolbenbolzenseitigen Lagerauge 22 verändert werden. Dadurch ändert sich das Verdichtungsverhältnis desjenigen Zylinders 12b, 12c, der mit einem solchen Pleuel 19 ausgestattet ist.
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Die Zylinder 12a, 12d der ersten Gruppe 14 und die Zylinder 12b, 12c der zweiten Gruppe 16 können darüber hinaus Systeme zur variablen Einstellung des Zündzeitpunkts, der Einspritzdauer, des Einspritzzeitpunkts, der Saugrohrlänge, der Ventilhübe und/oder der Steuerzeiten umfassen. Solche Systeme sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und daher nicht weiter dargestellt.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben des Hubkolben-Verbrennungsmotors 10 erläutert.
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In einer Ausgangssituation wird der Hubkolben-Verbrennungsmotor 10 in einem Teillastbetrieb mit einer sehr geringen Last betrieben.
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Dabei sind die Zylinder 12a, 12d der ersten Gruppe 14 abgeschaltet. Das bedeutet, dass in die Zylinder 12a, 12d kein Kraftstoff eingespritzt wird.
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Die Zylinder 12b, 12c der zweiten Gruppe 16 werden durch eine Kraftstoffeinspritzung betrieben. Dabei schleppen die Zylinder 12b, 12c die Zylinder 12a, 12d mit.
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Der Gaswechsel in den Zylindern 12a, 12d ist unterbunden, um die Schleppleistung, die die Zylinder 12b, 12c aufbringen müssen, gering zu halten.
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Das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12a und 12d wird dabei gleich gehalten.
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Das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12b, 12c wird variabel eingestellt. So kann der Hubkolben-Verbrennungsmotor 10 auf eine Änderung der Leistungsanforderung reagieren.
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Steigt ausgehend von der Ausgangssituation die Teillast etwas an, ohne jedoch die Volllast zu erreichen, wird das Verdichtungsverhältnis in den Zylindern 12b, 12c abgesenkt. Die Zylinder 12a, 12d bleiben weiterhin ausgeschaltet.
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Bei einem weiteren Anstieg der Teillast wird ein Betriebszustand erreicht, in dem die von den Zylindern 12b, 12c generierbare Leistung trotz eines angepassten Verdichtungsverhältnisses nicht mehr ausreicht. Dann werden die Zylinder 12a und 12d der ersten Gruppe 14 zugeschaltet.
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Es sind dann alle vier Zylinder 12a bis 12d in Betrieb, d. h. es wird in alle vier Zylinder 12a bis 12d Kraftstoff eingespritzt. Die Unterbindung des Gaswechsels bei den Zylindern 12a und 12d wird zuvor aufgehoben.
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Wird der Hubkolben-Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einer Teillast betrieben, so kann das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12b und 12c derart angepasst werden, dass die Leistungsabgabe des Hubkolben-Verbrennungsmotors 10 den Leistungsanforderungen entspricht.
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Es kann dabei das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12b und 12c größer oder kleiner als das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12a und 12d gewählt werden. In diesem Betriebsmodus kann die Last bis hin zum Volllastbetrieb gesteigert werden.
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Die Erfindung wurde anhand eines Hubkolben-Verbrennungsmotors 10 mit vier Zylindern erläutert. Selbstverständlich sind die vorstehenden Ausführungen auch für Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit mehr oder weniger Zylindern gültig. Insbesondere sind Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit zwei, drei, fünf, sechs, acht, zehn und zwölf Zylindern durch die vorstehenden Erläuterungen abgedeckt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221743 A1 [0007]
- DE 69132728 T2 [0008]
