DE102018200298B4 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der
- jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
- mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Gruppe als lastabhängig zuschaltbarer Zylinder (1, 2, 3, 4) ausgebildet ist, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet ist, und
- sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 < ε1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe mit einer Direkteinspritzung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in einen zylinderzugehörigen Brennraum ausgestattet ist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe mit einer Saugrohreinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff in ein zylinderzugehöriges Ansaugsystem ausgestattet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
    • - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
    • - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
    • - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder jeder Gruppe als lastabhängig zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet ist, und
    • - sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 < ε1.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 23 37 509 A1 beschreibt eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder zwei Auslassöffnungen und zwei Einlassöffnungen aufweist. Die Zylinder bilden zwei Zylindergruppen, wobei die Zylindergruppen sich durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse auszeichnen. Die Zylinder einer ersten Gruppe weisen ein Verdichtungsverhältnis ε1 auf, wohingegen die Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 mit ε2 < ε1 aufweisen. Die Zylinder der zweiten Gruppe sind mit einer Saugrohreinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff in ein zylinderzugehöriges Ansaugsystem ausgestattet.
  • Jeweils ein Zylinder der ersten Gruppe ist mit einem Zylinder der zweiten Gruppe via einem Überströmkanal verbunden bzw. verbindbar. Ein zentral angeordnetes Überströmventil verschließt den Überströmkanal oder gibt diesen frei. Der Zylinder der ersten Gruppe steht via Überströmkanal kontinuierlich mit einem Luftspeicher in Verbindung, wobei der bei geschlossenem Überströmventil von dem Zylinder, dem Luftspeicher und dem diese verbindenen Abschnitt des Überströmkanals gebildete Verdichtungsraum so ausgelegt ist, dass im Zylinder der ersten Gruppe ein höheres Verdichtungsverhältnis ε1 realisiert wird als in dem zugehörigen Zylinder der zweiten Gruppe mit ε2 < ε1.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 34 33 619 A1 beschreibt ein ähnliches Konzept wie die DE 23 37 509 A1 , nämlich einen Verbrennungsmotor mit einem ersten und einem zweiten Doppelzylinder, wobei die beiden einen Doppelzylinder bildenden Zylinder via einer Kammer miteinander verbunden sind.
  • Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
  • Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d.h. bei einer fremdgezündeten Brennkraftmachine. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors.
  • Der Ottomotor arbeitet - sofern keine Direkteinspritzung vorliegt - mit einem homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugsystem Kraftstoff eingebracht wird. 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 den Ansaugtrakt 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 zwei 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 diese Art der Laststeuerung, d.h. die Quantitätsregelung, gerade im Teillastbereich 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 Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens angesehen, mit dem der Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar reduziert werden kann. In bestimmten Betriebsbereichen kommt dann eine Qualitätsregelung zum Einsatz.
  • Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d.h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
  • Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisierbar ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt.
  • 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. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zulässt. Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt 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. Variable Ventiltriebe sind aber sehr kostenintensiv und daher für den Serieneisatz häufig ungeeignet.
  • 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, d.h. bei Teillast, zudem häufig 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 eine verbesserte Gemischbildung auf und tolerieren höhere Abgasrückführraten.
  • 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.
  • Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf.
  • Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse 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 verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
  • Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich 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 den mindestens einen 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 eine Verdichtung durch Kühlung.
  • Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
  • Der Vorteil eines mechanischen Laders, d.h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
  • Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
  • Zu berücksichtigen im Zusammenhang mit fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist auch, dass der Wirkungsgrad η des Ottomotors mit dem Kompressionsverhältnis ε zumindest näherungsweise korreliert. D.h. der Wirkungsgrad η steigt mit dem Kompressionsverhältnis ε, ist bei einem größeren Kompressionsverhältnis in der Regel höher und bei einem kleineren Kompressionsverhältnis in der Regel niedriger.
  • Folglich wären die Zylinder einer Brennkraftmaschine im Hinblick auf den Wirkungsgrad vorzugsweise mit einem möglichst großen Kompressionsverhältnis auszustatten. Das Kompressionsverhältnis kann aber nicht beliebig erhöht werden, da mit steigendem Kompressionsverhältnis auch die Klopfneigung, d.h. die Tendenz zur Selbstentzündung von Gemischteilen, zunimmt. Moderne Ottomotoren haben daher in der Regel ein Kompressionsverhältnis von höchstens 8 bis 12, wobei ein Kompressionsverhältnis von etwa 15 den besten Wirkungsgrad verspricht. Dadurch wird zwar der Wirkungsgrad begrenzt, aber auch die erforderliche Sicherheit gegen Klopfen, insbesondere bei hohen Lasten, gewährleistet.
  • Nach dem Stand der Technik wird der Klopfneigung auch dadurch entgegengewirkt, dass die Zündung bei Bedarf nach spät verschoben wird, beispielsweise bei höheren Lasten, wodurch sich der Verbrennungsschwerpunkt nach spät verlagert und der Verbrennungsdruck sowie die Verbrennungstemperatur abnehmen. Dies wirkt sich aber nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.
  • Zu höheren Lasten hin, bei denen der Betrieb der Brennkraftmaschine zunehmend dadurch limitiert wird, dass ein Klopfen unter allen Umständen sicher zu begrenzen ist, kann der Klopfneigung auch dadurch begegnet werden, dass der Einlass eines Zylinders später geschlossen wird. Durch eine Verlängerung der einlassseitigen Öffnungsdauer bzw. durch ein spätes Schließen mindestens eines Einlassventils kann das effektive Kompressionsverhältnis εeff abgesenkt werden, wobei ein Teil der Zylinderfrischladung bzw. der Verbrennungsluft bei noch geöffnetem Einlass im Rahmen des Kompressionstaktes wieder in das Ansaugsystem ausgeschoben wird. Ein hohes geometrisches Kompressionsverhältnis εgeo , welches grundsätzlich als vorteilhaft anzusehen ist und bei niedrigeren Lasten maßgeblich zur Wirkungsgradverbesserung beiträgt, kann auf diese Weise bei höheren Lasten virtuell verkleinert bzw. durch ein niedrigeres effektives Kompressionsverhältnis εeff ersetzt und damit entschärft werden.
  • Einem Klopfen kann auch dadurch entgegengewirkt werden, dass unter Verwendung einer Abgasrückführung (AGR) mit zunehmender Last - gegebenenfalls ebenfalls zunehmend - Abgas zurückgeführt wird.
  • Durch die Beimischung von Abgasen zur Zylinderfrischladung bzw. die Erhöhung des Abgasbestandteils an der Zylinderfrischladung lässt sich der Zündverzug vergrößern und die Brenngeschwindigkeit verringern. Dadurch lassen sich niedrige Verbrennungstemperaturen realisieren und zwar sowohl mittels externer Abgasrückführung, d.h. Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, als auch mittels interner Abgasrückführung, d.h. Zurückbehalten von Abgasen im Zylinder während des Ladungswechsels. Mit zunehmender Abgasrückführrate können auch die Stickoxidemissionen einer Brennkraftmaschine deutlich gesenkt werden.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
  • Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
    • - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
    • - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
    • - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder jeder Gruppe als lastabhängig zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet ist, und
    • - sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 < ε1,

    und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • - der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe mit einer Direkteinspritzung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in einen zylinderzugehörigen Brennraum ausgestattet ist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe mit einer Saugrohreinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff in ein zylinderzugehöriges Ansaugsystem ausgestattet ist.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Zylinderabschaltung bzw. Teilabschaltung, bei der Zylinder in Abhängigkeit der momentanen Last abgeschaltet werden können, so dass sich die Lastanforderung an den mindestens einen verbliebenen Zylinder erhöht und ein Öffnen der Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diesen Zylinder erforderlich wird.
  • Die Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind gruppiert, wobei sämtliche Zylinder der mindestens zwei Gruppen lastabhängig zuschaltbare Zylinder sind, die bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet werden bzw. abgeschaltet werden können.
  • Folglich können sämtliche Zylinder momentan in Betrieb befindliche Zylinder sein, d.h. befeuert werden, oder aber nur die Zylinder einer Gruppe sind in Betrieb und werden befeuert. Es ergeben sind mehrere verschiedene Betriebsmodi für die Brennkraftmaschine.
  • Gemäß einem ersten Betriebsmodus wird nur die zweite Zylindergruppe zugeschaltet und befeuert, während der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe abgeschaltet ist und nicht befeuert wird. Bei Überführung der Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus wird der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet und der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe zugeschaltet. Der dritte Betriebsmodus zeichnet sich dadurch aus, dass beide Zylindergruppen zugeschaltet sind und befeuert werden.
  • Die Teilabschaltung, die spürbar zur Entdrosselung der Brennkraftmaschine beiträgt, wird erfindungsgemäß durch ein konstruktives Merkmal ergänzt, nämlich dadurch, dass die Zylindergruppen unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi aufweisen.
  • Vorliegend haben die Zylinder der ersten Gruppe ein höheres Verdichtungsverhältnis ε1 , so dass diese Zylinder einen grundsätzlich höheren Wirkungsgrad η aufweisen, insbesondere einen höheren Wirkungsgrad, als wenn diese Zylinder das niedrigere Verdichtungsverhältnis ε2 der Zylinder der zweiten Gruppe hätten. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Wirkungsgrad η mit dem Verdichtungsverhältnis εi mehr oder weniger korreliert, d.h. der Wirkungsgrad η bei einem größeren Verdichtungsverhältnis εi in der Regel höher ist und bei einem kleineren Verdichtungsverhältnis εi in der Regel niedriger ist. Zu sehr hohen Verdichtungsverhältnissen hin kann sich dieser grundsätzliche Zusammenhang aber auflösen, da dann unter anderem der Blow-by stark zunimmt, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt.
  • Die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse εi sind das Resultat der Auslegung der Zylindergruppen auf unterschiedliche Betriebs- bzw. Lastbereiche. Während die Zylinder der zweiten Gruppe auf den Teillastbetrieb bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ausgelegt sind, erfolgt die Auslegung der Zylinder der ersten Gruppe auf den Teillastbetrieb bei mittleren Lasten bzw. mittleren Drehzahlen.
  • Bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen wird die Brennkraftmaschine dann gemäß dem ersten Betriebsmodus betrieben, bei dem nur die zweite Zylindergruppe befeuert wird.
  • Mit zunehmender Last wird die Brennkraftmaschine dann in den zweiten Betriebsmodus überführt, d.h. die zweite Zylindergruppe wird abgeschaltet und die erste Zylindergruppe wird zugeschaltet, so dass bei mittleren Lasten bzw. mittleren Drehzahlen nur der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe zugeschaltet ist und befeuert wird.
  • Bei weiter zunehmender Last wird die Brennkraftmaschine in den dritten Betriebsmodus überführt. Dann werden beide Zylindergruppen befeuert, um bei höheren, hohen und höchsten Lasten die momentane Lastanforderung befriedigen zu können. Um dabei einem Klopfen der ersten Zylindergruppe entgegen zu wirken, sind im Einzelfall geeignete Maßnahmen zu ergreifen, beispielsweise die Erhöhung des Abgasanteils an der Zylinderfrischladung der ersten Zylindergruppe.
  • Die Zylindergruppen verfügen nicht nur über unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi, sondern auch über unterschiedliche Kraftstoffeinspritzkonzepte. Während der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist, verfügt der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe über eine Saugrohreinspritzung.
  • Damit korrespondiert das Kraftstoffeinspritzkonzept in vorteilhafter Weise mit dem jeweiligen Verdichtungsverhältnis.
  • Da durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung steht, sind direkteinspritzende Brennkraftmaschinen empfindlicher bzw. störanfälliger bei der Gemischbildung als Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, weshalb eine Saugrohreinspritzung bei kleineren Kraftstoffmengen Vorteile bietet; auch hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs.
  • Zudem verbrennt ein Konzept mit Saugrohreinspritzung das Kraftstoff-Luft-Gemisch wesentlich partikel ärmer. D.h. die Rohemissionen an Partikeln bzw. Ruß sind deutlich geringer. Insofern könnte ein im Abgasabführsystem vorgesehener Partikelfilter gegebenenfalls umgangen werden, wenn bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen entsprechend dem ersten Betriebsmodus nur die zweite Zylindergruppe der Brennkraftmaschine befeuert wird. Dadurch würde der Partikelfilter weniger beladen und der Abgasgegendruck würde gesenkt und zwar sowohl beim Umgehen als auch beim Durchströmen des Filters. Der geringere Abgasgegendruck ist vorteilhaft hinsichtlich des Ladungswechsels und trägt weiter dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu senken bzw. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
  • Vorteilhaft können aus den genannten Gründen auch Ausführungsformen sein, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe zusätzlich mit einer Saugrohreinspritzung ausgestattet ist.
  • Aus dem zuvor Gesagten ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht nur einen höheren Wirkungsgrad η bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen, sondern vielmehr auch im Bereich mittleren Lasten bzw. mittleren Drehzahlen aufweist, insbesondere auch deshalb, weil die bei mittleren Lasten in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe mit ihrem höheren Verdichtungsverhältnis ε1 zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine beitragen. Die aufgrund des höheren Verdichtungsverhältnisses ε1 erhöhte Klopfneigung der ersten Zylindergruppe erweist sich bei mittleren Lasten als problematisch. Gegebenenfalls muss der erhöhten Klopfneigung aber bei höheren Lasten durch geeignete Maßnahmen Rechnung getragen werden.
  • Die Zylindergruppen können sich auch in anderen Betriebsparametern oder Konstruktionsmerkmalen, beispielsweise der Kühlung, dem Brennverfahren, den Einlasskanälen, den Auslasskanälen, den Einspritzdüsen und/oder den Zündvorrichtungen voneinander unterscheiden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens zwei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi aufweisen und im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Zylinder zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Zwei Zylindergruppen haben gegenüber Ausführungsformen mit mehreren Zylindergruppen den Vorteil, dass die Steuerung bzw. Regelung der Teilabschaltung weniger komplex ist. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die Realisierung eines Massen- und Momentausgleichs, der vorzugsweise ebenfalls in Teilen zuschaltbar ist, infolge der unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse εi erschwert wird und der Aufwand hierfür mit der Zunahme der Anzahl an Zylindergruppen deutlich steigt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 +1.5 < ε1 bzw. mit ε2 +2 < ε1.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 +2.5 < ε1.
  • Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 +3 < ε1 bzw. mit ε2 +3.5 < ε1.
  • Während die vorstehenden Ausführungsformen auf den relativen Unterschied der zwei Zylindergruppen im Verdichtungsverhältnis abstellen, haben die folgenden Ausführungsformen das absolute Verdichtungsverhältnis der beiden Gruppen zum Gegenstand.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit 8 < ε2 < 12.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit 9 < ε2 < 11.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit 9.5 < ε2 < 10.5.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist mit 11.5 < ε1 < 14.5.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist mit 12.5 < ε1 < 14.5.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist mit 13 < ε1 < 14.5.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Überströmkanal vorgesehen ist, via das Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders der zweiten Gruppe einem in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe zuführbar ist.
  • Vorliegend lässt sich Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders der zweiten Gruppe via Überströmkanal einem in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe zuführen. Das zugeführte Abgas kann dazu dienen die Klopfneigung der ersten Zylindergruppe bei höheren Lasten zu senken.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders der zweiten Gruppe als abgaslieferndem Zylinder während des Ladungswechsels unter Verwendung des Überströmkanals entnehmbar und einem in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe als abgasempfangenden Zylinder zuführbar ist.
  • Der Zylinder, der Abgas liefert, wird auch als abgasliefernder Zylinder bezeichnet, wohingegen der Zylinder, der das Abgas empfängt, auch als abgasempfangender Zylinder bezeichnet wird. Jeder in Betrieb befindliche Zylinder der zweiten Gruppe kann als abgasliefernder Zylinder dienen und jedem oder einem Zylinder der ersten Gruppe Abgas liefern.
  • Einem Zylinder der ersten Gruppe wird vorzugsweise beim Ladungswechsel Abgas zugeführt. Zu berücksichtigen ist dabei, dass mit dem Freigeben des Überströmkanals die Abgase aus dem in Betrieb befindlichen Zylinder der zweiten Zylindergruppe aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen dem in Betrieb befindlichen abgasliefernden Zylinder und dem Überströmkanal bzw. dem abgasempfangenden Zylinder mit hoher Geschwindigkeit durch den Überströmkanal in den abgasempfangenden Zylinder strömen. Dieser druckgetriebene Überleitungsvorgang unterstützt die Abgaszuführung.
  • Vorteilhaft ist es, den Überströmkanal möglichst kleinvolumig bzw. kurz auszuführen. Bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor ist es vorteilhaft, dass ein außenliegender Zylinder den benachbarten innenliegenden Zylinder mit Abgas versorgt.
  • Das Überleiten des Abgases via Überströmkanal wird vorteilhafterweise dadurch unterstützt, dass der abgasempfangende Zylinder der ersten Gruppe ein in einer Zündfolge folgender Zylinder ist und der abgasliefernde Zylinder der zweiten Gruppe ein in der Zündfolge vorangehender Zylinder ist.
  • Ein solcher Versatz der Arbeitsprozesse bietet Vorteile für die Überleitung von Abgas von einem Zylinder in den anderen Zylinder. Bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor, dessen Zylinder mit der Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 betrieben werden, bietet sich beispielsweise der vierte Zylinder an, für den in der Zündfolge folgenden dritten Zylinder Abgas zu liefern. Während der vierte Zylinder im Rahmen eines Ausschiebetaktes das Überleiten des Abgases durch eine aufwärtsgerichtete Hubbewegung des Kolbens unterstützt, saugt der dritte Zylinder gleichzeitig das Abgas durch eine abwärtsgerichtete Hubbewegung des Kolbens im Rahmen eines Ansaugtaktes an.
  • Der abgasliefernde Zylinder pumpt das übergeleitete Abgas infolge der Hubbewegung des Kolbens während des Ausschiebetaktes in der Art einer Kolbenarbeitsmaschine in den abgasempfangenden Zylinder.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Überströmkanal vom Ansaugsystem zumindest mit ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft sind fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei denen die zwei innenliegenden Zylinder und die zwei außenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung der Fremdzündung mit einer Zündkerze ausgestattet ist. Die Zündkerze ist eine Zündvorrichtung zur sicheren Einleitung eines Zündfunkens, welche auch über die notwendige Standfestigkeit verfügt und zudem kostengünstig ist. Nichtsdestotrotz können auch andere Zündvorrichtungen zur Einleitung der Fremdzündung eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen eine regelbare Drosselklappe zur Laststeuerung vorgesehen ist. Ein Vorteil der regelbaren Drosselklappe ist es, dass beim Aktivieren bzw. Deaktivieren der Teilabschaltung, d.h. eines Zylinders, das Drehmoment des Motors nicht abfällt bzw. ansteigt und der Fahrer das Gaspedal nicht nachführen muss, um die Last zu halten, was bei nicht regelbarer Drosselklappe der Fall wäre.
  • Vorzugsweise ist die regelbare Drosselklappe eine elektronisch geregelte Drosselklappe und eine Motorsteuerung übernimmt die Regelung dieser Drosselklappe. Diese Ausführungsform ist auch im Hinblick auf die Kosten zu bevorzugen. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die Drosselklappe in einem Closed-Loop-Verfahren regelbar ist.
  • Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird mit einem Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass gemäß einem ersten Betriebsmodus nur der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet ist und befeuert wird, wobei der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe abgeschaltet ist und nicht befeuert wird.
  • Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend vom ersten Betriebsmodus bei zunehmender Last und Überschreiten einer ersten vorgebbaren Last Tup,1 der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet und der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe zugeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen bei weiter zunehmender Last und Überschreiten einer zweiten vorgebbaren Last Tup,2 mit Tup,2 > Tup,1 der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe wieder zugeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in einen dritten Betriebsmodus überführt wird.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen im dritten Betriebsmodus Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders der zweiten Gruppe während des Ladungswechsels einem in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Gruppe zugeführt wird, um die Klopfneigung der ersten Zylindergruppe zu senken.
  • Vorteilhaft sind dabei ebenfalls Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend vom dritten Betriebsmodus bei abnehmender Last und Unterschreiten einer dritten vorgebbaren Last Tdown,2 der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus überführt wird.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend vom zweiten Betriebsmodus bei weiter abnehmender Last und Unterschreiten einer vierten vorgebbaren Last Tdown,1 der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe wieder zugeschaltet und der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe abgeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in den ersten Betriebsmodus überführt wird.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die vorgebbare Last Tup,1 und/oder Tup,2 und/oder Tdown,1 und/oder Tdown,2 von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist.
  • Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten bzw. Überschreiten unabhängig von der Drehzahl eine Zylinderabschaltung erfolgt. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Teillastbereich im Kennfeld definiert, in dem eine Teilabschaltung bzw. Umschaltung vorgenommen wird.
  • Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Zylinderabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kraftstoffversorgung eines abgeschalteten Zylinders und/oder die Fremdzündung eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert wird.
  • Grundsätzlich könnte die Kraftstoffversorgung eines abgeschalteten Zylinders aufrechterhalten werden und die Abschaltung eines Zylinders allein durch Deaktivierung der Fremdzündung vorgenommen werden. Dies wäre aber überaus nachteilig in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen und würde der Zielsetzung, die mit der Teilabschaltung verfolgt wird, nämlich den Kraftstoffverbrauch zu mindern und den Wirkungsgrad zu verbessern, zuwiderlaufen.
  • Die angesaugte Ladeluft kann dabei nach wie vor den abgeschalteten Zylinder durchströmen, wobei aufgrund des fehlenden Kraftstoffeintrages kein brennfähiges bzw. zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitsteht und folglich - auch bei Einleitung des Zündfunkens - keine Zündung bzw. keine Verbrennung in diesem Zylinder stattfindet.
  • Der abgeschaltete Zylinder trägt während der Teilabschaltung grundsätzlich nicht zur Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine bei. Wird die Ladeluftzufuhr nicht abgesperrt, sondern aufrechterhalten, nimmt die dem abgeschalteten Zylinder zugeführte Luft an den vier Arbeitstakten - Ansaugen, Komprimieren, Expandieren und Ausschieben - weiterhin teil, so dass der abgeschaltete Zylinder nicht nur keine Leistung abgibt, sondern vielmehr Arbeit für den Ladungswechsel in diesem Zylinder investiert werden muss, was den Wirkungsgrad verschlechtert, d.h. thermodynamisch nachteilig ist. Daher können Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, bei denen die Luftzufuhr zu einem abgeschalteten Zylinder unterbunden wird.
  • Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten Tdown,1 und Tup,1 sowie Tdown,2 und Tup,2 können gleich groß, aber auch verschieden groß sein.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß der 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • 1 schematisch die Zylinder einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt schematisch die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 eines fremdgezündeten Vierzylinder-Reihenmotors.
  • Die vier in Reihe angeordneten Zylinder 1, 2, 3, 4 bilden zwei Zylindergruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die erste Gruppe die innenliegenden Zylinder 2, 3 und die zweite Gruppe die außenliegenden Zylinder 1, 4 umfasst. Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 verfügt über einen Kolben 1a, 2a, 3a, 4a und ist als lastabhängig zuschaltbarer Zylinder 1, 2, 3, 4 ausgebildet, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last Tdown,1 bzw. Tdown,2 abgeschaltet ist bzw. abgeschaltet wird.
  • Die beiden Zylindergruppen zeichnen sich durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aus, wobei die Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweisen und die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweisen mit ε2 < ε1 .
  • Die beiden Zylindergruppen haben zusätzlich unterschiedliche Einspritzkonzepte. Die Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe sind mit einer Direkteinspritzung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in einen zylinderzugehörigen Brennraum ausgestattet, während Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe mit einer Saugrohreinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff in das zylinderzugehörige Ansaugsystem ausgestattet sind (nicht dargestellt).
  • Gemäß einem ersten Betriebsmodus werden im Teillastbetrieb bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen nur die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe befeuert, während die Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe abgeschaltet sind und nicht befeuert werden. Bei zunehmender Last und Überschreiten einer vorgegebenen Last Tup,1 werden die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe abgeschaltet und die Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe zugeschaltet, wodurch die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird. Bei weiter zunehmender Last und Überschreiten einer vorgegebenen Last Tup,2 > Tup,1 werden die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe wieder zugeschaltet. Die Brennkraftmaschine wird dann in einem dritten Betriebsmodus betrieben, der sich dadurch auszeichnet, dass alle vier Zylinder 1, 2, 3, 4 zugeschaltet sind und befeuert werden.
  • Um im dritten Betriebsmodus, bei hohen und höchsten Lasten, ein Klopfen der innenliegenden Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe zu vermeiden und dem hohen Verdichtungsverhältnis ε1 der ersten Zylindergruppe Rechnung zu tragen, kann es sinnvoll und erforderlich sein bzw. werden, den Abgasanteil an der Zylinderfrischladung der ersten Zylindergruppe zu erhöhen, um den Zündverzug zu vergrößern und die Brenngeschwindigkeit zu verringern, wodurch die Verbrennungstemperaturen und die Klopfneigung vermindert werden.
  • Hierzu dienen zwei Überströmkanäle 5a, 5b, mit denen Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders 1, 4 der zweiten Gruppe einem in Betrieb befindlichen Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe zugeführt werden kann.
  • Vorliegend bildet jeweils ein außenliegender Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe und der benachbarte innenliegende Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe ein Zylinderpaar, wobei der außenliegende Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe als abgasliefernder Zylinder 1, 4 während des Ladungswechsels unter Verwendung des Überströmkanals 5a, 5b dem benachbarten innenliegenden Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe als abgasempfangenden Zylinder 2, 3 Abgas liefert bzw. zuführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erster Zylinder
    1a
    Kolben des ersten Zylinders
    2
    zweiter Zylinder
    2a
    Kolben des zweiten Zylinders
    3
    dritter Zylinder
    3a
    Kolben des dritten Zylinders
    4
    vierter Zylinder
    4a
    Kolben des vierten Zylinders
    5a
    Überstromkanal
    5b
    Überstromkanal
    εi
    Verdichtungsverhältnis eines Zylinders bzw. einer Gruppe von Zylindern
    ε1
    Verdichtungsverhältnis einer ersten Gruppe von Zylindern
    ε2
    Verdichtungsverhältnis einer zweiten Gruppe von Zylindern
    λ
    Luftverhältnis
    η
    Wirkungsgrad
    AGR
    Abgasrückführung
    n
    Drehzahl der Brennkraftmaschine
    T
    Last
    Tdown,1
    vierte vorgebbare Last für das Unterschreiten einer Last
    Tdown,2
    dritte vorgebbare Last für das Unterschreiten einer Last
    Tup,1
    erste vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last
    Tup,2
    zweite vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last

Claims (21)

  1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der - jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, - jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt, - mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Gruppe als lastabhängig zuschaltbarer Zylinder (1, 2, 3, 4) ausgebildet ist, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet ist, und - sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse εi auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 < ε1, dadurch gekennzeichnet, dass - der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe mit einer Direkteinspritzung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in einen zylinderzugehörigen Brennraum ausgestattet ist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe mit einer Saugrohreinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff in ein zylinderzugehöriges Ansaugsystem ausgestattet ist.
  2. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden.
  3. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 +1.5 < ε1.
  4. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist und der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit ε2 +2.5 < ε1.
  5. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε2 aufweist mit 9 < ε2 < 11.
  6. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist mit 11.5 < ε1 < 14.5.
  7. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε1 aufweist mit 12.5 < ε1 < 14.5.
  8. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (5a, 5b) vorgesehen ist, via dem Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders (1, 4) der zweiten Gruppe einem in Betrieb befindlichen Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe zuführbar ist.
  9. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders (1, 4) der zweiten Gruppe als abgaslieferndem Zylinder (1, 4) während des Ladungswechsels unter Verwendung des Überströmkanals (5a, 5b) entnehmbar und einem in Betrieb befindlichen Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe als abgasempfangenden Zylinder (2, 3) zuführbar ist.
  10. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abgasempfangende Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe ein in einer Zündfolge folgender Zylinder (2, 3) ist und der abgasliefernde Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe ein in der Zündfolge vorangehender Zylinder (1, 4) ist.
  11. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Überströmkanal (5a, 5b) vom Ansaugsystem zumindest mit ausgebildet ist.
  12. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) und die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) jeweils eine Gruppe bilden.
  13. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündkerze ausgestattet ist.
  14. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß einem ersten Betriebsmodus nur der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe zugeschaltet ist und befeuert wird, wobei der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe abgeschaltet ist und nicht befeuert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom ersten Betriebsmodus bei zunehmender Last und Überschreiten einer ersten vorgebbaren Last Tup,1 der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe abgeschaltet und der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe zugeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei weiter zunehmender Last und Überschreiten einer zweiten vorgebbaren Last Tup,2 mit Tup,2 > Tup,1 der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe wieder zugeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in einen dritten Betriebsmodus überführt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Betriebsmodus Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders (1, 4) der zweiten Gruppe während des Ladungswechsels einem in Betrieb befindlichen Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe zugeführt wird, um die Klopfneigung der ersten Zylindergruppe zu senken.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom dritten Betriebsmodus bei abnehmender Last und Unterschreiten einer dritten vorgebbaren Last Tdown,2 der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe abgeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus überführt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom zweiten Betriebsmodus bei weiter abnehmender Last und Unterschreiten einer vierten vorgebbaren Last Tdown,1 der mindestens eine Zylinder (1, 4) der zweiten Gruppe wieder zugeschaltet und der mindestens eine Zylinder (2, 3) der ersten Gruppe abgeschaltet wird, wodurch die Brennkraftmaschine in den ersten Betriebsmodus überführt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Last Tup,1 und/oder Tup,2 und/oder Tdown,1 und/oder Tdown,2 von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgung eines abgeschalteten Zylinders (1, 2, 3, 4) und/oder die Fremdzündung eines abgeschalteten Zylinders (1, 2, 3, 4) deaktiviert wird.
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