DE19500761C2 - Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen und katalytischer Abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrische Kolbenbrenn­ kraftmaschine, die mindestens zwei Zylindergruppen mit einem Katalysator aufweist, nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Eine derartige Kolbenbrennkraftmaschine ist aus der DE 26 27 286 A1 bekannt, die einen Verbrennungsmotor mit zwei zu Zylinderbänken zusammengefaßten Zylindergruppen mit jeweils vier Zylindern zeigt. Die Auslaßkanäle der Zylinder einer Zylinderbank münden jeweils in einen Abgasstrang, in dem je ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet ist. Eine der Zylinderbänke ist im Teillastbetrieb durch Sperren der Kraftstoffzufuhr abschaltbar und fördert infolge der von der Kurbelwelle erzwungenen Kolbenbewegung nach Art einer Pumpe unverbrannte Umgebungsluft durch die Brennräume der Zylinder der abgeschalteten Zylinderbank. Die Umge­ bungsluft ist in ihrem weiteren Verlauf dem im Abgasstrang angeordneten Katalysator zugeführt, in dem eine katalyti­ sche Oxidationsreaktion zur Reinigung des ebenfalls Zuge­ leiteten Abgasstromes der befeuerten Zylinderbank stattfin­ det.

Bei dieser Anordnung tritt das Problem auf, daß die Tempe­ ratur des Oxidationskatalysators aufgrund der kühlen, von der unbefeuerten Zylinderbank zugeführten Umgebungsluft unter die Betriebstemperatur des Katalysators fallen kann, so daß eine katalytische Reinigung nicht oder nur unzurei­ chend einsetzen kann. Nach einem Kaltstart der Brennkraft­ maschine und anschließendem Betrieb im Teillastbereich bzw. während länger andauerndem Betrieb im Teillastbereich, der in ohnehin stark abgasbelasteten Städten häufig vorkommt, besteht die Gefahr, daß der Katalysator die Betriebs­ temperatur überhaupt nicht erreicht und die Abgase ohne ka­ talytische Reinigung in die Umgebung geleitet werden.

Aus der DE 30 36 508 A1 ist ebenfalls eine Brennkraftma­ schine mit teilweise abschaltbaren Zylindern bekannt. Die Auslaßkanäle der dauerbetriebenen und der abschaltbaren Zy­ linder münden jeweils in einen Abgasstrang, wobei nur im Abgasstrang der dauerbetriebenen Zylinder ein Katalysator angeordnet ist. Der Abgasstrang der abschaltbaren Zylinder ist im Teillastbetrieb dem gemeinsamen Einlaßkanal von be­ feuerten und unbefeuerten Zylindern zugeführt und mündet im Vollastbetrieb in dem Abgasstrang der dauerbetriebenen Zy­ linder. Im Teillastbetrieb ist zwar aufgrund der Rückfüh­ rung des durch die nicht befeuerten Zylinder geleiteten Luftstromes ein Entweichen unverbrannter Kraftstoff- bzw. Rußpartikel ins Freie verhindert; da bei Inbetriebnahme der abgeschalteten Zylinder der Abgasstrom in den Abgasstrang der dauerbetriebenen Zylinder geleitet wird, ist aber nur eine Reinigung der beiden Abgasströme über einen gemeinsamen Katalysator möglich, der zur Bewältigung der erforderlichen Reinigungsleistung groß dimensioniert sein muß und teuer in der Herstellung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrzylin­ drische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylin­ dergruppen mit jeweils einem Katalysator zu schaffen, bei der der Katalysator einer im Teillastbetrieb abgeschalteten Zylindergruppe auf Betriebstemperatur gehalten ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenbrennkraftmaschine nach Gattungsbegriff mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Im Abgasstrang jeder Zylindergruppe bzw. jeder Zylinderbank ist ein Katalysator angeordnet, wobei auch im Teillastbe­ trieb der Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank mit dem Abgas der befeuerten Zylinderbank beaufschlagt und da­ durch auf Betriebstemperatur gehalten wird, unabhängig da­ von, über welchen Zeitraum die Brennkraftmaschine im Teil­ lastbetrieb gefahren wird. Dadurch wird auch ein schnelle­ res Einsetzen der katalytischen Reinigung des Katalysators der nicht betriebenen Zylinderbank nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine erreicht, da der Katalysator bereits vor Erreichen der Lastgrenze und Befeuerung der abgeschalteten Zylinderbank vom Abgas der zuerst gezündeten Zylinderbank vorgewärmt wird. Zudem wird hierdurch die Lambda-Sonde zur Messung des Luftverhältnisses vorgewärmt, so daß eine bessere Gemischregelung erzielt ist und weniger Leistung für die Sondenheizung aufgebracht werden muß. Beim Wieder­ zuschalten der nicht befeuerten Zylinderbank ist im Abgas in kürzerer Zeit ein angestrebtes Luftverhältnis erreicht, da die Luftmenge im Abgassystem durch die Zufuhr von Abgas der anderen Zylinderbank verringert ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, daß die Zylinderbänke wechselweise abschaltbar sind und die Ab­ gasstränge einer oder mehrerer befeuerter Zylinderbänke über je eine Rückführleitung mit den Einlaßkanälen einer oder mehrerer abschaltbarer Zylinderbänke verbunden sind. Der Abgasstrang jeder Zylinderbank ist daher mit dem oder den Einlaßkanälen der übrigen Zylinderbänke verbunden, wo­ bei durch das zyklische Umschalten von Feuerung auf Nicht­ feuerung jeder Zylinderbank eine gleichmäßige Erwärmung auf bzw. ein Halten der Betriebstemperatur von jedem Katalysa­ tor erreicht ist.

Die Rückführleitung, über die ein Teil des Abgasstromes der befeuerten Zylinderbank vom Abgasstrang abgeführt ist, ist zweckmäßig stromab des Katalysators vom Abgasstrang abge­ zweigt. Zumindest ein Teil des Abgases wird daher nach Durchlaufen des Katalysators im Abgasstrang der befeuerten Zylinderbank ein zweites Mal im Katalysator der abgeschal­ teten Zylinderbank gereinigt, so daß insgesamt eine bessere Abgasqualität erzielt wird.

Es kann zweckmäßig sein, die Rückführleitung über eine steuerbare Umschalteinrichtung bei Feuerung aller Zylinder­ bänke abzusperren, um zu verhindern, daß der Verbrennungs­ vorgang in den Brennräumen der Zylinder durch die Zufuhr von Abgas beeinträchtigt wird. Zum Erkennen des Schaltzu­ standes der Umschalteinrichtung ist vorteilhaft eine Steuervorrichtung vorgesehen, die beim Übergang zwischen Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein die Umschalteinrich­ tung steuerndes Signal erzeugt. Vorzugsweise ist die Um­ schalteinrichtung ein im Bereich der Abzweigung der Rück­ führleitung vom Abgasstrang angeordnetes Umschaltventil, das die Rückführleitung je nach Lastzustand öffnet oder sperrt. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung be­ steht die Umschalteinrichtung aus einem zentral angeordne­ ten Verteiler, in den die Rückführleitungen aller Abgas­ stränge münden und der über Zufuhrleitungen, die mit den Einlaßkanälen der Zylinderbänke verbunden sind, das Abgas den abgeschalteten Zylinderbänken zuführt.

Die Abgasführung durch den Katalysator der unbefeuerten Zy­ linderbank eignet sich vorteilhaft bei einer Brennkraftma­ schine mit insgesamt zwei Zylinderbänken mit jeweils vier Zylindern, deren Auslaßleitungen in einen Abgasstrang mün­ den.

Weitere Merkmale der Erfindung sowie vorteilhafte Ausge­ staltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbei­ spiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken und katalytischer Abgasreinigung mit jeweils einer vom Abgasstrang abzweigenden Rückführleitung,

Fig. 2 eine Brennkraftmaschine mit vier Zylinderbänken und einem Verteiler, der den rückgeführten Abgasstrom auf die abgeschalteten Zylinderbänke verteilt.

Die Kolbenbrennkraftmaschine 1 der Fig. 1 weist zwei zu Zy­ linderbänken zusammengefaßte Zylindergruppen 2, 3 auf, in denen jeweils vier Zylinder 2a bis 2d bzw. 3a bis 3d ange­ ordnet sind. Den Zylinderbänken 2 und 3 sind Einlaßkanäle 4 bzw. 5 zugeordnet, in die Verbrennungsluft in Richtung der Pfeile 36 angesaugt wird. Von den Einlaßkanälen 4, 5 zwei­ gen Einlaßleitungen 35a bis 35d bzw. 36a bis 36d zu den je­ weiligen Zylindern ab, durch die die Verbrennungsluft den Zylindern zugeführt ist. Über regelbare Einspritzdüsen 31a bis 31d bzw. 32a bis 32d ist den Zylindern Kraftstoff zuge­ führt, der mit der Verbrennungsluft ein brennfähiges Kraft­ stoff/Luftgemisch ergibt. Die Abgase der Zylinder aus der Zylinderbank 2 sind über Auslaßleitungen 17a bis 17d einem ersten Abgasstrang 6 zugeführt und sind in einem Katalysa­ tor 8 einer katalytischen Reinigung unterzogen. Im weiteren Verlauf des Abgasstranges 6 werden die gereinigten Abgase in Richtung des Pfeiles 37 den weiteren Komponenten des Ab­ gasstranges wie beispielsweise Schalldämpfer zugeführt und anschließend in die Umgebung geleitet. In gleicher Weise werden die Abgase der Zylinder der Zylinderbank 3 über Auslaßleitungen 18a bis 18d einem zweiten Abgasstrang 7 zugeführt, in dem ein Katalysator 9 angeordnet ist. Die Abgase des zweiten Abgasstranges 7 werden wie die Abgase des ersten Abgasstranges 6 in Richtung des Pfeiles 37 den weiteren, nicht dargestellten Komponenten des Abgasstranges zugeführt.

Um einen im Verbrauch sparsamen und abgasarmen Motor zu schaffen, ist eine der Zylinderbänke 2, 3 im Teillastbe­ trieb wie zum Beispiel im Stadtverkehr abschaltbar; die Brennkraftmaschine 1 ist in diesem Fall nur von einer be­ feuerten Zylinderbank angetrieben. Um zu verhindern, daß im Teillastbetrieb die Temperatur des Katalysators im Abgas­ strang der abgeschalteten Zylinderbank unter die Betriebs­ temperatur fällt, ist vorgesehen, daß der Abgasstrang der befeuerten Zylinderbank über eine Rückführleitung mit dem Einlaßkanal der abgeschalteten Zylinderbank verbunden ist. Es kann hierfür ausreichend sein, daß die erste Zylinder­ bank 2 im Teillastbetrieb permanent befeuert ist und die zweite Zylinderbank 3 im Teillastbetrieb abgeschaltet ist. Vom Abgasstrang 6 der Zylinderbank 2 zweigt eine Rückführ­ leitung 10 ab, durch die zumindest ein Teil des Abgases der befeuerten Zylinderbank 2 in den Einlaßkanal 5 der abge­ schalteten Zylinderbank 3 geführt ist. Da die Kolben der Zylinder 3a bis 3d durch die Bewegung der Kurbelwelle mit­ bewegt werden, fördern die Zylinder der Zylinderbank 3 das zugeführte Abgas nach Art einer Pumpe über die Auslaßlei­ tungen 18a bis 18d in den Abgasstrang 7 und durch den Kata­ lysator 9, der von den heißen Abgasen auf Betriebstempera­ tur gehalten wird. Nach einem Kaltstart der Brennkraftma­ schine wird daher der Katalysator 9 vorgewärmt, auch wenn die Zylinder der Zylinderbank 3 noch nicht befeuert sind. Bei Erreichen des Vollastbetriebes hat der Katalysator 9 bereits seine Betriebstemperatur, so daß bei einem Ein­ setzen der Befeuerung der Zylinderbank 3 die entstehenden Abgase ohne Zeitverlust gereinigt werden. Andererseits fällt die Temperatur des Katalysators 9 auch bei längerem Teillastbetrieb nicht unter die Betriebstemperatur; der Ka­ talysator 9 ist dauerhaft betriebsbereit gehalten.

Durch Beaufschlagen der Brennräume der abgeschalteten Zy­ linder mit heißem Abgas läuft bei Wiederzuschalten dieser Zylinder der Verbrennungsvorgang gleichmäßig ab, da die Brennräume bereits eine hohe Temperatur aufweisen; die Ab­ gasqualität ist dadurch verbessert.

Ein weiterer Vorteil der Abgasrückführung in die unbe­ feuerte Zylinderbank liegt darin, daß eine - in Fig. 1 nicht dargestellte - Lambda-Sonde im Abgasstrang 7 zur Mes­ sung des Luftverhältnisses im Abgas ebenfalls auf Betriebs­ temperatur gehalten wird, so daß bei Abweichungen vom Soll-Luftverhältnis, beispielsweise vom stöchiometrischen Luft­ verhältnis, eine schnellere Regelung des Kraft­ stoff/Luftverhältnisses erreicht wird; zudem kann die für die Sondenheizung erforderliche Leistung so gering wie mög­ lich gehalten werden.

Beim Wiederzuschalten der Zylinderbank 3 bei Erreichen der Vollast wird das angestrebte Luftverhältnis schneller er­ reicht, da die in den Einlaßkanal 5 permanent angesaugte Verbrennungsluft kontinuierlich mit dem Abgas der befeuer­ ten Zylinderbank vermischt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, daß beide Zylinderbänke 2, 3 im Teillastbetrieb wechselweise abschaltbar sind und die Abgasstränge jeder Zylinderbank über je eine Rückführleitung mit dem Einlaßkanal der ande­ ren Zylinderbank verbunden sind. Zusätzlich zu der vom Ab­ gasstrang 6 der ersten Zylinderbank 2 abzweigenden Rück­ führleitung 10 ist daher eine zweite Rückführleitung 11 vorgesehen, die vom Abgasstrang 7 der zweiten Zylinderbank 3 zum Einlaßkanal 4 der Zylinderbank 2 führt. Im Teillast­ betrieb sind die Zylinderbänke 2, 3 wechselweise zyklisch befeuert, wobei die Abgase der jeweils befeuerten Zylinder­ bank dem Einlaßkanal der jeweils abgeschalteten Zylinder­ bank zugeführt sind. Beide Katalysatoren 8, 9 werden da­ durch auf der gleichen Betriebstemperatur gehalten.

Zweckmäßig ist die Rückführleitung jedes Abgasstranges stromab des Katalysators abgezweigt, so daß der rückge­ führte Teil des Abgases zweimal katalytisch gereinigt wird und eine insgesamt bessere Reinigungsleistung erzielt ist.

Die Rückführleitungen 10, 11 sind vorzugsweise bei Feuerung aller Zylinderbänke über eine steuerbare Umschalteinrich­ tung 12 bzw. 13 vom Abgasstrang 6 bzw. 7 absperrbar. Im Vollastbetrieb sind beide Zylinderbänke 2, 3 befeuert und das gesamte Abgassystem jeder Zylinderbank ist auf etwa gleichbleibender Temperatur gehalten. Durch Sperren der Rückführleitungen 10, 11 über die Umschalteinrichtungen 12 bzw. 13 ist der gesamte Abgasstrom in Richtung der Pfeile 37 aus jedem Abgasstrang 6 bzw. 7 den weiteren Abgasstrang-Komponenten zugeführt.

Wie in Fig. 1 strichliert eingezeichnet, können die Rück­ führleitungen 10, 11 auch stromauf der Katalysatoren 8 bzw. 9 von den Abgassträngen 6 bzw. 7 abzweigen; in diesem Fall ist es zweckmäßig, daß im Teillastbetrieb die Umschaltein­ richtung den jeweiligen Abgasstrang sperrt und der gesamte Abgasstrom durch die Rückführleitungen 10 bzw. 11 geleitet ist, um zu verhindern, daß ein Teil des Abgases ohne kata­ lytische Reinigung ins Freie entweicht. Auch bei einer Ab­ zweigung der Rückführleitungen stromab der Katalysatoren kann die vollständige Umleitung des Abgases durch die Rück­ führleitungen in die abgeschaltete Zylinderbank zweckmäßig sein, um eine zweimalige katalytische Reinigung des gesam­ ten Abgasstromes zu erreichen.

Die Umschalteinrichtungen 12, 13 sind vorteilhaft von einer Steuervorrichtung 14 gesteuert, die beim beidseitigen Wech­ seln zwischen Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein Signal erzeugt, durch das die Umschalteinrichtungen 12 und 13 die Rückführleitungen 10 bzw. 11 freigeben bzw. absperren. Die Steuervorrichtung 14 erhält hierfür über eine Leitung 38 Informationen über den Betriebszustand der Brennkraft­ maschine 1, um je nach Feuerung einer der Zylinderbänke 2 oder 3 die Umschalteinrichtung 12 bzw. 13 auf Durchlaß der Rückführleitung 10 bzw. 11 zu schalten.

Die Umschalteinrichtungen 12 und 13 können als ein Um­ schaltventil 15 bzw. 16 ausgebildet sein, das im Bereich der Abzweigung in der Rückführleitung 10 bzw. 11 angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 1 besteht aus vier Zylinderbänken 2, 3, 20, 21 mit jeweils zwei Zylindern. Jede Zylinderbank weist einen eigenen Ein­ laßkanal 4, 5, 22, 23 und einen eigenen Abgasstrang 6, 7, 24, 25 auf, in dem jeweils ein Katalysator 8, 9, 26, 27 an­ geordnet ist. Stromab der Katalysatoren sind Rückführ­ leitungen 10, 11, 28, 29 von den jeweiligen Abgassträngen abgezweigt, die in eine als Verteiler 19 ausgebildete Um­ schalteinrichtung 12 münden. Der Verteiler 19 ist über Zu­ fuhrleitungen 30a bis 30d mit den Einlaßkanälen jeder Zy­ linderbank verbunden. Über eine Steuervorrichtung 14, die über eine Leitung 38 Informationen über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 erhält, ist der Schaltzustand des Verteilers 19 bestimmt. Der Verteiler 19 schaltet diejeni­ gen Zufuhrleitungen 30a bis 30d auf Durchlaß, die zu den momentan abgeschalteten Zylinderbänken 2, 3, 20 bzw. 21 führen. Durch die Anordnung eines zentralen Verteilers ent­ fallen weitere Umschalteinrichtungen in den jeweiligen Zu­ fuhrleitungen.

Die vier Zylinderbänke der Brennkraftmaschine können zyklisch abwechselnd betrieben werden oder je nach Teil­ lastbereich in verschiedener Kombination zusammengeschaltet werden. Es kann vorteilhaft sein, in niedrigen Teillastbe­ reichen nur eine Zylinderbank zu betreiben und mit steigen­ der Last die anderen Zylinderbänke nach und nach zuzuschal­ ten, wobei der Verteiler 19 die Abgase aus den befeuerten Zylinderbänken in die Einlaßkanäle der abgeschalteten Zy­ linderbänke leitet.

Die Abgasrückführung in die Einlaßkanäle der abgeschalteten Zylinderbänke kann sowohl bei Otto-Motoren als auch bei Diesel-Motoren Anwendung finden. Es ist außerdem aus­ reichend, wenn pro Zylinderbank nur ein Zylinder vorgesehen ist. Bei Reihenmotoren können die in einer Reihe hinterein­ ander angeordneten Zylinder einer Zylinderbank in zwei Zy­ lindergruppen aufgeteilt sein, wobei eine Zylindergruppe im Teillastbereich abschaltbar ist.

Claims (9)

1. Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit min­ destens zwei Zylindergruppen (2, 3), die jeweils einen Einlaßkanal (4, 5) zur Zufuhr von Verbrennungsluft und einen Abgasstrang (6, 7) mit einem Katalysator (8, 9) aufweisen, wobei eine Zylindergruppe (3, 2) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) abschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrang (6, 7) der befeuerten Zylindergruppe (2, 3) über eine Rückführ­ leitung (10, 11) mit dem Einlaßkanal (5, 4) der abge­ schalteten Zylindergruppe (3, 2) verbunden ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergruppen (2, 3) wechselweise abschaltbar sind und der Abgasstrange (6, 7) jeder Zylindergruppe (2, 3) über je eine Rückführ­ leitung (10, 11) mit den Einlaßkanälen (5, 4) der an­ deren Zylindergruppen (3, 2) verbunden ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10, 11) stromauf des Katalysators (8, 9) vom Abgasstrang (6, 7) abzweigt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10, 11) stromab des Katalysators (8, 9) vom Abgasstrang (6, 7) abzweigt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10, 11) über eine steuerbare Umschalteinrichtung (12, 13) bei Feuerung aller Zylindergruppen (2, 3) absperrbar ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Schaltzustand der Umschalteinrichtung (12, 13) bestimmende Steuervorrich­ tung (14) vorgesehen ist, die beim Übergang zwischen Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein die Umschaltein­ richtung (12, 13) steuerndes Signal erzeugt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (12, 13) ein im Bereich der Abzweigung der Rückführ­ leitung (10, 11) vom Abgasstrang (6, 7) angeordnetes Umschaltventil (15, 16) ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (12) ein Verteiler (19) ist, in den die Rückführ­ leitungen (10, 11, 28, 29) aller Abgasstränge (6, 7, 24, 25) münden und daß über vom Verteiler (19) abzwei­ gende Zufuhrleitungen (30a bis 30d), welche mit den Einlaßkanälen (4, 5, 22, 23) der Zylindergruppen (2, 3, 20, 21) verbunden sind, das Abgas den abgeschalteten Zylindergruppen zuführbar ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zylindergruppen (2, 3) mit jeweils vier Zylindern (2a bis 2d, 3a bis 3d) vor­ gesehen sind und die Auslaßleitungen (17a bis 17d, 18a bis 18d) der Zylinder (2a bis 2d, 3a bis 3d) einer Zy­ lindergruppe (2, 3) in einen Abgasstrang (7, 8) münden.