DE102016218726B3

DE102016218726B3 - Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbarenBrennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102016218726B3
Application number: DE102016218726.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Grosch; Rainer Lach; Hans Günther Quix; Franz Weber
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der – die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) eine Gruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) eine weitere Gruppe bildet, – entweder die eine Gruppe oder die weitere Gruppe eine auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe mit bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder (1, 2, 3, 4) bildet, und – die Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet sind, die voneinander getrennt sind, wobei die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe bei Teilabschaltung deaktiviert wird. Es soll ein Verfahren aufgezeigt werden, welches hinsichtlich des Betriebsmodus der Teilabschaltung weiter verbessert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem – im Rahmen einer Warmlaufphase der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) befeuert wird, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) abgeschaltet werden, und – bei einer aufgeheizten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) abgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem mit einem Zylinderblock verbundenen Zylinderkopf umfassend mindestens drei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist,
– die mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese Zylinder mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder eine Gruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder eine weitere Gruppe bildet,
– entweder die eine Gruppe oder die weitere Gruppe eine auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren und bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder bildet, und
– die Zylinder der mindestens zwei Gruppen zwecks Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet sind, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel der ersten Gruppe und der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe voneinander trennbar oder voneinander getrennt sind, so dass die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung deaktivierbar ist,

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art sind aus der JP 2013-087 758 A bekannt, wobei die dort beschriebene Brennkraftmaschine nicht aufgeladen ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2015 214 616 A1 hat eine abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung zum Gegenstand, bei der jede Einlassöffnung und/oder jede Auslassöffnung eines Zylinders der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist. Im Rahmen der Teilabschaltung können dann die Einlassventile und/oder Auslassventile deaktiviert, d.h. ebenfalls abgeschaltet werden.
Die DE 60 2005 001 933 T2 offenbart ein Kühlsystem für einen Hybridantrieb, der eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor umfasst. Es wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, die über zwei Zylinderbänke mit jeweils drei Zylindern verfügt, wobei die Zylinderbänke separat voneinander betrieben werden können. Die Brennkraftmaschine und der Elektroantrieb verfügen über einen gemeinsamen Kühlkreislauf, wobei stromabwärts des Elektroantriebs jede Zylinderbank separat unter Verwendung einer bankzugehörigen Pumpe mit Kühlmittel versorgt wird.
Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2015 100 531 U1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und Teilabschaltung, bei der der Zylinderblock und der Zylinderkopf getrennt voneinander mit Kühlmittel versorgt werden können. Der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes verfügt über mindestens zwei Teilbereiche, die voneinander sowie vom Kühlmittelmantel des Zylinderblocks fluidisch trennbar sind, wobei jeder Teilbereich mindestens einem Zylinder zugeordnet ist. Dieses Konzept ermöglicht es, die Kühlung der abgeschalteten Zylinder im Rahmen einer Teilabschaltung der Brennkraftmaschine zu deaktivieren. Die abgeschalteten Zylinder werden dann nicht gekühlt und kühlen weniger schnell aus.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2013 208 697 A1 hat eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und Teilabschaltung zum Gegenstand, bei der abwechselnd unterschiedliche Zylinder im Rahmen der Teilabschaltung abgeschaltet werden. Dadurch kann die Mechanik der Brennkraftmaschine geschont werden.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2013 016 961 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei der der Kühlmittelmantel durch Abführen des Kühlmittels entleert werden kann. Der entleerte Kühlmittelmantel wird nach einem Start der Brennkraftmaschine zeitversetzt mit Kühlmittel gefüllt, wodurch beispielsweise die Warmlaufphase verkürzt bzw. die Aufheizung der Brennkraftmaschine beschleunigt werden kann.
Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2016 102 656 U1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei die Abgasrückführung mit einem Kühler ausgestattet ist, der in das Abgasabführsystem hineinragt. Der Kühler verfügt über zwei Kühlmittelmäntel die in unterschiedliche Kühlmittelkreisläufe eingebunden sind. Der Kühlmittelmantel, der zwischen dem anderen Kühlmittelmantel und dem Abgas führenden Abgasabführsystem angeordnet ist, kann entleert werden und entleert als Wärmebarriere dienen.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder miteinander verbunden werden.
Moderne Brennkraftmaschinen werden nahezu ausschließlich gemäß einem vier Takte umfassenden Arbeitsverfahren betrieben. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens drei Zylinder und das Füllen mit Luft über die Einlassöffnungen. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Der mindestens eine Zylinderkopf dient in der Regel zur Aufnahme der Ventiltriebe.
Es ist die Aufgabe eines Ventiltriebs die zugehörige Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung des Zylinders rechtzeitig freizugeben bzw. zu verschließen, wobei eine schnelle Freigabe eines möglichst großen Strömungsquerschnittes angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher werden die Zylinder auch häufig mit mehreren Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen ausgestattet.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird axial beweglich geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr bzw. der Zylinderbohrung und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu, weshalb Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden. Dies ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen und mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging immer mehr Komponenten in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren, d. h. der Brennkraftmaschinen, wächst. Zunehmend häufig wird der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind.
Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird mit Kühlmittel versorgt, das den Zylinderkopf nach durchströmt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist aber das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre bzw. Zylinderbohrungen. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
Nicht immer ist es sinnvoll, der Brennkraftmaschine möglichst viel Wärme zu entziehen. Insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart kann es zielführend sein, der Brennkraftmaschine möglichst wenig Wärme zu entziehen, um eine Aufheizung der Brennkraftmaschine zu forcieren bzw. zu unterstützen. Vorteilhaft ist dies insbesondere hinsichtlich der Reibleistung und der Schadstoffemissionen.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine mittels Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine, d. h. eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Brennkraftmaschinen werden daher zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens drei Zylinder, d. h. Brennräume. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmachine entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert.
Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung, d. h. eine teilabschaltbare Brennkraftmaschine.
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung originär einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last – wie vorstehend beschrieben – mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades.
Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.
Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf.
Wird zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt.
Um den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten abzuhelfen, kann es zielführend sein, einlassseitig und auslassseitig schaltbare bzw. verstellbare Ventiltriebe vorzusehen, mit denen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung geschlossen gehalten werden und somit nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen. Dadurch wird auch verhindert, dass die durch die abgeschalteten Zylinder geführte kühlere Ladeluft die Enthalpie des Abgasstromes mindert und die abgeschalteten Zylinder schnell auskühlen.
Schaltbare Ventiltriebe können aber bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit regelmäßig auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern ausgelegt ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich zunächst der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem in der Regel auch das Turbinendruckverhältnis. Ein abnehmendes Turbinendruckverhältnis hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt.
Tatsächlich müsste der Ladedruck aber gesteigert, d. h. erhöht werden, um den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zu zuführen, denn bei Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht sich die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, weshalb diesen Zylindern mehr Ladeluft und mehr Kraftstoff zu zuführen ist. Die am Verdichter zur Verfügung stehende Antriebsleistung zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks hängt ab von der Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, und der Abgasmasse bzw. dem Abgasstrom.
Bei Ottomotoren lässt sich der Ladedruck in dem für die Teilabschaltung relevanten Lastbereich in einfacher Weise durch Öffnen der Drosselklappe erhöhen. Diese Möglichkeit entfällt beim Dieselmotor. Der geringe Ladeluftstrom kann dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Drehzahlbereichs und des Lastbereiches, in welchen die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Bei kleinen Ladeluftmengen kann der Ladedruck aufgrund einer nicht ausreichenden Verdichterleistung bzw. Turbinenleistung nicht bedarfsgerecht gesteigert werden.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, welches hinsichtlich des Betriebsmodus der Teilabschaltung und des Wärmehaushalts weiter verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem mit einem Zylinderblock verbundenen Zylinderkopf umfassend mindestens drei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist,
– die mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese Zylinder mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder eine Gruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder eine weitere Gruppe bildet,
– entweder die eine Gruppe oder die weitere Gruppe eine auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren und bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder bildet, und
– die Zylinder der mindestens zwei Gruppen zwecks Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet sind, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel der ersten Gruppe und der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe voneinander trennbar oder voneinander getrennt sind, so dass die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung deaktivierbar ist.

– ausgehend von einer nach einem Kaltstart oder im Rahmen einer Warmlaufphase teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert wird, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder abgeschaltet werden, und
– ausgehend von einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder abgeschaltet wird, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine lässt sich die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung abschalten, d. h. deaktivieren. Diese Vorgehensweise bzw. Maßnahme hat gleich mehrere vorteilhafte Effekte.
Die abschaltbaren bzw. abgeschalteten Zylinder werden während der Teilabschaltung nicht gekühlt, so dass die abgeschalteten Zylinder weniger schnell auskühlen und nach einem erneuten Zuschalten schneller wieder ihre Betriebstemperatur erreichen. Vorteile ergeben sich insbesondere bei den Schadstoffemissionen, der Reibleistung und der Qualität der Verbrennung im Allgemeinen und zwar unabhängig davon, ob die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung weiter am Ladungswechsel teilnehmen oder nicht.
Nehmen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung weiter am Ladungswechsel teil, wird die durch die abgeschalteten Zylinder geführte Frischluft – wie die Zylinder selbst – weniger stark gekühlt bzw. nicht gekühlt, wodurch die Temperatur bzw. die Enthalpie des aus den abgeschalteten Zylindern ins Abgasabführsystem abgeführten Gasstromes weniger stark reduziert wird. Dies hat Vorteile hinsichtlich einer im Abgasabführsystem vorzunehmenden Abgasnachbehandlung, die ein bestimmtes Temperaturniveau erfordert, bzw. einer im Abgasabführsystem angeordneten Turbine, welche eine möglichst hohe Enthalpie bevorzugt.
Insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart bietet sich eine Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung der zweiten Zylindergruppe an, falls die Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet sind. Im Einzelfall kann es sinnvoll sein, die Flüssigkeitskühlung der zweiten Zylindergruppe auch dann zu deaktivieren, falls die Zylinder der zweiten Gruppe nicht abgeschaltet, d. h. zugeschaltet sind, um der Brennkraftmaschine beispielsweise in der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme zu entziehen und die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu forcieren.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von einer nach einem Kaltstart oder im Rahmen einer Warmlaufphase teilabgeschalteten Brennkraftmaschine zunächst der mindestens eine innenliegende Zylinder als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder abgeschaltet werden. Danach wird bei der auf Betriebstemperatur aufgeheizten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder abgeschaltet, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert werden. Die Flüssigkeitskühlung der abgeschalteten Zylinder wird deaktiviert.
Mit der Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung der zweiten Zylindergruppe entfällt das Erfordernis, Kühlmittel durch den mindestens einen Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe fördern zu müssen. D. h. die Energie, die für das Fördern des Kühlmittels erforderlich wäre, muss nicht aufgebracht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht wird. Die Antriebsleistung der zugehörigen Pumpe entfällt als Reibleistungsanteil in der Energiebilanz der Brennkraftmaschine. Teilen sich die Flüssigkeitskühlung der ersten Gruppe und die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe eine gemeinsame Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, verringert sich die Antriebsleistung dieser Pumpe bei Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung der zweiten Zylindergruppe.
Auf den Wärmehaushalt und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß noch auf andere Weise Einfluss genommen, insbesondere zusätzlich zur Teilabschaltung. So wird der mindestens eine Zylinder, welcher die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, gewechselt.
Gemäß einem ersten Betriebsmodus der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine können die beiden außenliegenden Zylinder die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bilden, wohingegen gemäß einem zweiten Betriebsmodus der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet.
D. h. die Zuordnung der Zylinder zu der ersten bzw. zweiten Gruppe wird geändert, d.h. gewechselt. Die beiden außenliegenden Zylinder der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine können sowohl die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe als auch die lastabhängig schaltbaren Zylinder der zweiten Gruppe bilden. Hierzu müssen die zwei Gruppen jeweils lastabhängig schaltbare Zylinder umfassen bzw. die Zylinder der zwei Gruppen ausnahmslos lastabhängig schaltbar sein.
Dann kann nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder befeuert werden, wohingegen die außenliegenden Zylinder im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet sind. Die Wärmeverluste sind spürbar geringer und der Aufheizvorgang der Brennkraftmaschine wird beschleunigt bzw. verkürzt.
Nach erfolgter Aufheizung der Brennkraftmaschine wird dann im Rahmen einer Teilabschaltung gewechselt, wobei erfindungsgemäß nun die außenliegenden Zylinder befeuert werden und der mindestens eine innenliegende Zylinder abgeschaltet ist, d. h. den mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinder der zweiten Gruppe bildet, welcher während der Teilabschaltung besonders langsam bzw. wenig auskühlt. Zudem können die beiden außenliegenden Zylinder regelmäßig effektiver, d. h. umfangreicher gekühlt werden, da mehrere innenliegende Zylinder sich die vorgesehenen Kühlmittelmäntel mit benachbarten innenliegenden Zylindern teilen müssen, wodurch die Wärmeabfuhr erschwert bzw. reduziert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt, welches hinsichtlich des Betriebsmodus der Teilabschaltung und des Wärmehaushalts weiter verbessert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren löst somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe deaktiviert wird, indem eine Zirkulation von Kühlmittel durch den mindestens einen Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe unterbunden wird. Dazu müsste eine zugehörige Pumpe deaktiviert werden oder ein zu diesem Zweck vorgesehenes Absperrelement verstellt werden.
Vorteilhaft sind ebenfalls Verfahrensvarianten, bei denen die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe deaktiviert wird, indem der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe zumindest teilweise entleert wird, wozu Kühlmittel abgeführt wird. Im Gegensatz zu der vorherigen Verfahrensvariante wird vorliegend nicht nur der Wärmeübergang durch Konvektion, sondern auch der Wärmeübergang durch Wärmeleitung erschwert bzw. unterbunden.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend beschriebenen Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine mit mindestens einem mit einem Zylinderblock verbundenen Zylinderkopf umfassend mindestens drei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder, bei der

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich des Verfahrens und der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit vier Zylindern, die in zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Schalten realisiert werden kann. Die Zylindergruppen können wieder mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln bzw. Flüssigkeitskühlungen ausgestattet sein, wobei die Flüssigkeitskühlungen unabhängig voneinander betrieben bzw. geschaltet werden. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Aufladung bereits genannten Vorteile und gemachten Ausführungen.
Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.
Der Vorteil eines mittels Hilfsantrieb antreibbaren Verdichters, d. h. Laders, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern, bereitet nämlich regelmäßig Schwierigkeiten. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die mindestens drei Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.
Um einem Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen entgegen wirken zu können, sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.
Zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik kann neben dem mindestens einen Abgasturbolader auch ein weiterer mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader vorgesehen werden.
Ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als solcher kann sich auch als vorteilhaft erweisen, um bei Teilabschaltung den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Luft zu zuführen, denn bei Abschalten der zweiten Zylindergruppe erhöht sich die Belastung der noch in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe, weshalb diesen Zylindern mehr Luft und mehr Kraftstoff zu zuführen ist. Um dem erhöhten Luftbedarf Rechnung zu tragen, sind dann entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.
Insbesondere bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die abgeschalteten Zylinder nicht mehr am Ladungswechsel teilnehmen, erweist es sich als schwierig, den erforderlichen Ladedruck bereitzustellen. Ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader kann dann zumindest zu Beginn der Teilabschaltung unterstützend eingesetzt werden, um den erforderlichen Ladedruck aufzubauen und den noch in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zu zuführen. Der sich daraufhin erhöhende Abgasstrom an der Turbine des Abgasturboladers reicht dann zeitversetzt wieder aus, die am Verdichter des Abgasturboladers benötigte Antriebsleistung zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks bereitzustellen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen jede Einlassöffnung eines Zylinders der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb, vorzugsweise einem abschaltbaren Ventiltrieb, ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen jede Auslassöffnung eines Zylinders der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb, vorzugsweise einem abschaltbaren Ventiltrieb, ausgestattet ist.
Damit die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen, ist es zielführend, die Einlassventile und/oder die Auslassventile der abgeschalteten Zylinder abzuschalten, so dass die ventilzugehörigen Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen nicht geöffnet werden und geschlossen bleiben.
Darüber hinaus lassen sich die variablen Ventiltriebe noch in anderem Zusammenhang sinnvoll nutzen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel zumindest auch in dem mindestens einen Zylinderkopf angeordnet und integriert sind.
Der Zylinderkopf ist ein thermisch hoch belastetes Bauteil. Verfügt der Zylinderkopf über einen integrierten Abgaskrümmer ist dieser thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist. Es werden erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine sein, bei denen die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel zumindest auch im Zylinderblock angeordnet und integriert sind.
Verfügt die Brennkraftmaschine sowohl über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, besteht die Möglichkeit, einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel via Zylinderblock mit Kühlmittel zu versorgen bzw. einen im Zylinderblock integrierten Kühlmittelmantel via Zylinderkopf mit Kühlmittel zu versorgen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angehören.
Dann müssen viele zur Ausbildung eines Kreislaufs erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für die Flüssigkeitskühlung der ersten Gruppe als auch für die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt.
So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen der gemeinsame Kühlmittelkreislauf eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel umfasst, da die Pumpe kostenintensiv ist und einen entsprechend großen Bauraum beansprucht.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen der gemeinsame Kühlmittelkreislauf mindestens ein Absperrelement zur Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe aufweist. Das mindestens eine Absperrelement wird benötigt, um den mindestens einen Kühlmittelmantel der ersten Gruppe und den mindestens einen Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe voneinander trennen zu können und auf diese Weise die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung deaktivieren zu können.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine sein, bei denen die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel unterschiedlichen gruppenzugehörigen Kühlmittelkreisläufen angehören.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine, bei denen die unterschiedlichen gruppenzugehörigen Kühlmittelkreisläufe jeweils eine Pumpe zur Förderung von Kühlmittel umfassen.
Die beiden folgenden Ausführungsformen betreffen unterschiedliche Betriebsmodi der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine, d. h. Betriebsmodi der Brennkraftmaschine während der Teilabschaltung, wobei entweder die beiden außenliegenden Zylinder abgeschaltet sind oder der mindestens eine innenliegende Zylinder abgeschaltet ist.
Vorteilhaft sind nämlich Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine, bei denen die beiden außenliegenden Zylinder die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder die zweite Gruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren Zylinder bildet.
Der mindestens eine innenliegende Zylinder kühlt dann während der Teilabschaltung besonders langsam bzw. wenig aus. Die beiden außenliegenden Zylinder können regelmäßig effektiver, d. h. umfangreicher gekühlt werden, da mehrere innenliegende Zylinder sich die vorgesehenen Kühlmittelmäntel mit benachbarten innenliegenden Zylindern teilen müssen, wodurch die Wärmeabfuhr erschwert bzw. reduziert wird.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine innenliegende Zylinder die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet und die beiden außenliegenden Zylinder die zweite Gruppe lastabhängig schaltbarer Zylinder bilden.
Ein innenliegender in Betrieb befindlicher Zylinder heizt sich nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine besonders schnell auf, wodurch der Aufheizvorgang der Brennkraftmaschine begünstigt bzw. beschleunigt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.
Die Kraftstoffzufuhr lässt sich zum Zwecke der Teilabschaltung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen schneller und zuverlässiger deaktivieren als bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, bei denen Kraftstoffreste im Saugrohr zu ungewollten Verbrennungen im abgeschalteten Zylinder führen können.
Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine und gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch und fragmentarisch eine erste Ausführungsform der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus.
1 zeigt schematisch und fragmentarisch eine erste Ausführungsform der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 5, d. h. in Reihe angeordnet sind.
Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine Gruppe bilden und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine weitere Gruppe bilden.
Sowohl die eine Gruppe als auch die weitere Gruppe können bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine eine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bilden, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe lastabhängig schaltbarer und bei Teilabschaltung abgeschalteter Zylinder 2, 3 bildet.
In dem in 1 dargestellten ersten Betriebsmodus der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine bilden die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 die erste Zylindergruppe, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb sind, und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 bilden die zweite Zylindergruppe, deren Zylinder 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen der Teilabschaltung abgeschaltet sind.
Die Zylinder 1, 2, 3, 4 jeder Gruppe sind zwecks Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 7, 7a, 7b mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet, die sich sowohl im Zylinderkopf 5 als auch im Zylinderblock 6 erstrecken. Die im Zylinderkopf 5 angeordneten bzw. integrierten Kühlmittelmäntel werden via Zylinderblock 6 mit Kühlmittel versorgt.
Die Kühlmittelmäntel der beiden Gruppen gehören einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf 8 an, der eine gemeinsame Pumpe 8a zur Förderung von Kühlmittel umfasst, sind aber zwecks Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung 7b der zweiten Gruppe voneinander trennbar.
Zwei einlassseitig stromabwärts der Pumpe 8a vorgesehene Absperrelemente 8b, 8c dienen dazu, die Flüssigkeitskühlung 7b der zweiten Gruppe von der Flüssigkeitskühlung 7a der ersten Gruppe in beiden Betriebsmodi trennen zu können, so dass die Flüssigkeitskühlung 7b der zweiten Gruppe, insbesondere während der Teilabschaltung, deaktivierbar ist.
Um die Flüssigkeitskühlung 7b der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung im ersten Betriebsmodus zu deaktivieren, wird das Absperrelement 8c geschlossen, so dass die Zirkulation von Kühlmittel in der Flüssigkeitskühlung 7b bzw. durch den Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe unterbunden wird.
Mit dem anderen Absperrelement 8b kann im ersten Betriebsmodus die Flüssigkeitskühlung 7a der ersten Gruppe deaktiviert werden und die Zirkulation von Kühlmittel in der Flüssigkeitskühlung 7a bzw. durch den Kühlmittelmantel der ersten Gruppe unterbunden werden. Unter Verwendung dieses weiteren Absperrelementes 8b kann – auch während der Teilabschaltung – eine No-flow-Strategie realisiert werden.
Die in 1 dargestellte teilabgeschaltete Brennkraftmaschine kann vom ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus überführt werden, gemäß dem die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bilden und die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 die zweite Gruppe lastabhängig schaltbarer und bei Teilabschaltung abgeschalteter Zylinder 1, 4 bilden. Dies bietet sich insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine an, denn ein innenliegender in Betrieb befindlicher Zylinder 2, 3 heizt sich nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine – insbesondere bei deaktivierter Flüssigkeitskühlung 7a – besonders schnell auf, wodurch der Aufheizvorgang der Brennkraftmaschine begünstigt bzw. beschleunigt wird.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder, Zylinder der ersten Gruppe
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, abschaltbarer Zylinder der zweiten Gruppe
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, abschaltbarer Zylinder der zweiten Gruppe
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder, Zylinder der ersten Gruppe
5: Zylinderkopf
6: Zylinderblock
7: Flüssigkeitskühlung
7a: die Flüssigkeitskühlung der ersten Gruppe
7b: die Flüssigkeitskühlung der zweiten Gruppe
8: Kühlmittelkreislauf
8a: Pumpe
8b: Absperrelement
8c: Absperrelement

Claims

Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten teilabschaltbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem mit einem Zylinderblock (6) verbundenen Zylinderkopf (5) umfassend mindestens drei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes (5) in Reihe angeordnete Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, – die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) eine Gruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) eine weitere Gruppe bildet, – entweder die eine Gruppe oder die weitere Gruppe eine auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren und bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder (1, 2, 3, 4) bildet, und – die Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen zwecks Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung (7a, 7b) mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet sind, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel der ersten Gruppe und der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe voneinander trennbar oder voneinander getrennt sind, so dass die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung deaktivierbar ist, bei dem während der Teilabschaltung die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe deaktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einer nach einem Kaltstart oder im Rahmen einer Warmlaufphase teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert wird, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) abgeschaltet werden, und – ausgehend von einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten teilabgeschalteten Brennkraftmaschine der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) abgeschaltet wird, wohingegen die beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) als auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe befeuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe deaktiviert wird, indem eine Zirkulation von Kühlmittel durch den mindestens einen Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe unterbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe deaktiviert wird, indem der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe zumindest teilweise entleert wird, wozu Kühlmittel abgeführt wird.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem mit einem Zylinderblock (6) verbundenen Zylinderkopf (5) umfassend mindestens drei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes (5) in Reihe angeordnete Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, – die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) eine Gruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) eine weitere Gruppe bildet, – entweder die eine Gruppe oder die weitere Gruppe eine auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet, wobei die jeweils andere Gruppe eine zweite Zylindergruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren und bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder (1, 2, 3, 4) bildet, und – die Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen zwecks Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung (7a, 7b) mit gruppenzugehörigen Kühlmittelmänteln ausgestattet sind, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel der ersten Gruppe und der mindestens eine Kühlmittelmantel der zweiten Gruppe voneinander trennbar oder voneinander getrennt sind, so dass die Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe während der Teilabschaltung deaktivierbar ist.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einlassöffnung eines Zylinders (1, 2, 3, 4) der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslassöffnung eines Zylinders (1, 2, 3, 4) der zweiten Gruppe mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel zumindest auch in dem mindestens einen Zylinderkopf (5) angeordnet und integriert sind.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel zumindest auch im Zylinderblock (6) angeordnet und integriert sind.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf (8) angehören.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kühlmittelkreislauf (8) eine gemeinsame Pumpe (8a) zur Förderung von Kühlmittel umfasst.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kühlmittelkreislauf (8) mindestens ein Absperrelement (8b, 8c) zur Deaktivierung der Flüssigkeitskühlung (7b) der zweiten Gruppe aufweist.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gruppenzugehörigen Kühlmittelmäntel unterschiedlichen gruppenzugehörigen Kühlmittelkreisläufen angehören.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen gruppenzugehörigen Kühlmittelkreisläufe jeweils eine Pumpe zur Förderung von Kühlmittel umfassen.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bilden und der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) die zweite Gruppe mit mindestens einem lastabhängig schaltbaren Zylinder (2, 3) bildet.
Flüssigkeitsgekühlte teilabschaltbare Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine innenliegende Zylinder (2, 3) die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche erste Zylindergruppe bildet und die beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) die zweite Gruppe lastabhängig schaltbarer Zylinder (1, 4) bilden.