DE19721756C1 - Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkol­ benbrennkraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswech­ selventilen mit den Merkmalen nach dem Obergriff von Anspruch 1.

Umweltfaktoren, Schadstoffemissionen und knapper werdende Res­ sourcen an fossilen Brennstoffen verlangen von neuen Antriebs­ konzepten, Kraftstoff einzusparen, indem der Wirkungsgrad der Brennverfahren von Hubkolbenbrennkraftmaschinen verbessert und ein unnötiger Energieverlust vermieden wird. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, den Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, in der Regel eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, intermittierend zu betreiben, und zwar indem man sie im Schubbetrieb vom An­ triebsstrang trennt und stillsetzt. Da die Hubkolbenbrennkraft­ maschine nicht nur das Fahrzeug antreibt, sondern auch zahlrei­ che Nebenaggregate versorgt, z. B. ein Kühl- und Schmiersystem, eine Heizung, eine elektrische Versorgung sowie Servoeinrich­ tungen für eine Lenkung und Bremsen, beeinflußt der intermit­ tierende Betrieb diese Funktionen ungünstig. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, die solche Einflüsse kompensieren. Solche Maßnahmen sind unter ökonomischen und ökologischen Ge­ sichtspunkten häufig aufwendig, so daß sich erst nach langer Betriebszeit ein rechnerischer Nutzen ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebszeit bzw. die Fahrstrecke einer Hubkolbenbrennkraftmaschine für Fahrzeuge zu verkürzen, die notwendig ist unter ökonomischen und/oder ökologischen Gesichtspunkten einen Nutzen zu erreichen. Sie wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs erfindungsgemäß gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventi­ len aus. Durch die DE 4 236 009 A1 ist ein Verfahren zum Steu­ ern solcher Hubkolbenbrennkraftmaschinen bekannt, mit dem die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Schubbetrieb so eingestellt wer­ den kann, daß sie verbrauchsoptimal, d. h. mit möglichst gerin­ gem Bremsmoment läuft, solange das Fahrzeug nicht gebremst wird. Sobald gebremst wird, wird der Luftdurchsatz der Hubkol­ benbrennkraftmaschine auf ein maximales Bremsmoment einge­ stellt.

Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, daß die Bremsverluste der Hubkolbenbrennkraftmaschine im Schubbetrieb, die insbeson­ dere bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Quantitätsregelung, bei sogenannten Ottomotoren, hoch sein können, stark verringert ist, ohne daß die Antriebsverbindung zu den Hilfsaggregaten un­ terbrochen wird. Somit ist die Versorgung der von der Hubkol­ benbrennkraftmaschine angetriebenen Aggregate auch im Schubbe­ trieb gewährleistet.

Ferner werden Reibungsverluste vermieden, die üblicherweise auftreten, wenn Gaswechselventile mittels einer Nockenwelle me­ chanisch angetrieben werden. Außerdem lassen sich durch die ma­ gnetische Betätigung die Gaswechselventile sehr exakt und nahe­ zu verzögerungsfrei ansteuern, so daß einzelne Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine bedarfsgerecht auch sequentiell zu- und abgeschaltet werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt ferner, daß in einem Betriebszustand der Hubkolbenbrennkraftmaschine, in dem keine Antriebsleistung für den Fahrbetrieb bereit gestellt wer­ den muß und die Bremsleistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine stark reduziert ist, der von einer Wasserpumpe erzeugte Kühl­ mittelstrom entsprechend reduziert wird. Hierfür ist eine elek­ tromotorisch angetriebene Wasserpumpe vorgesehen, deren Dreh­ zahl entsprechend der Anzahl der abgeschalteten Zylinder redu­ ziert wird.

Eine Kühlanlage für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und elektromotorisch angetriebenen, drehzahlgesteuerten Kühl­ mittelpumpen sind an sich durch die EP 0 499 071 A1 bekannt. Die Drehzahl wird dabei in Abhängigkeit von Kühlmitteltempera­ turen und Temperaturen von Bauteilen geregelt. Da Wärmeübergän­ ge träge verlaufen, spricht die Regelung stark verzögert an. Im Gegensatz dazu regelt das erfindungsgemäße Verfahren die Dreh­ zahl mit der Entlastung und Belastung der Hubkolbenbrennkraft­ maschine, d. h. bereits bevor die Wärme auf die Bauteile bzw. das Kühlmittel übergegangen ist. Sie erfolgt somit praktisch verzögerungsfrei.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht nur die An­ triebsleistung der Kühlwasserpumpe im Schubbetrieb und damit die Verlustleistung reduziert, sondern durch den reduzierten Kühlmittelstrom kühlt die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Schub­ betrieb auch weniger ab, so daß sie nach Beendigung des Schub­ betriebs sehr schnell wieder die optimale Betriebstemperatur erreicht und damit einen besseren durchschnittlichen Wirkungs­ grad aufweist.

Da im Schubbetrieb die Temperaturen der Hubkolbenbrennkraftma­ schine für die Kühlung nicht kritisch sind, ist es zweckmäßig, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, in diesem Betriebszu­ stand die Drehzahl der Wasserpumpe primär nach den Bedürfnissen und kritischen Temperaturen der sonst gekühlten bzw. beheizten Aggregate, z. B. der Bremsen, eines Retarders, einer Fahrgast­ heizung, einer Klimaanlage, einer Bremsenergierückgewinnungs­ einrichtung usw.. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Durchfluß durch die Hubkolbenbrennkraftmaschine gänzlich zu unterbinden, indem die Wasserpumpe im Schubbetrieb abgestellt wird und für die Kühlung und Heizung der Aggregate kleinere, ebenfalls elektrisch betriebene Zusatzpumpen vorgesehen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem für Hubkolben­ brennkraftmaschinen gedacht, die mit Quantiätsregelung arbei­ ten, bei denen im normalen Betrieb die Bremsleistung besonders hoch ist. Aber auch für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Quali­ tätsregelung, sogenannte Dieselmotoren, wird es mit Vorteil an­ gewendet. Hierbei werden jedoch selten alle Zylinder gleichzei­ tig abgeschaltet. Häufiger wird nur ein Teil der Zylinder abge­ schaltet, während der andere Teil mit einem höheren Wirkungs­ grad bei einem höheren Mitteldruck arbeitet. Bei derartigen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die eine Vorkammer aufweisen, ist es bekannt (z. B. US 5 454 356), daß Verbindungskanäle zwischen der Vorkammer und einem Hauptbrennraum von einem elektromagne­ tisch betätigten Ventil gesteuert werden, um die Überladungs­ verluste zwischen der Vorkammer und dem Hauptbrennraum zu redu­ zieren. Bei solchen Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, das Ventil zu schließen, wenn alle Gaswechselventile des zugehöhrigen Zylin­ ders im Schubbetrieb geschlossen sind. Dadurch werden Pumpver­ luste zwischen der Vorkammer und dem Hauptbrennraum im Schubbe­ trieb verhindert.

Wenn das Fahrzeug abgebremst werden muß, ist es zweckmäßig, die Bremsenergie durch elektrische Einrichtungen zurückzugewinnen, die zugeschaltet werden, sobald Zylinder abgeschaltet werden und ein Bremssignal vorliegt. Durch solche Einrichtungen können elektrische Speicher und Wärmespeicher wieder aufgeladen wer­ den.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeich­ nung. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fach­ mann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrach­ ten und zu sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Die Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 mit sechs Zylinder 2-7 be­ sitzt nicht näher dargestellte elektromagnetisch betätigte Gas­ wechselventile, die von einer Steuereinrichtung 10 über eine Signalleitung 15 frei ansteuerbar sind. Die Steuereinrichtung 10 ist über eine weitere Signalleitung 14 mit einer Fahrzu­ standsbestimmungseinrichtung 9 verbunden, die über Sensorlei­ tungen 11, 12, 13 den Fahrzustand, z. B. aus der Stellung eines Fahrpedals, eines Bremspedals oder eines Gefällesensors erfaßt. In Abhängigkeit des Fahrzustands wird eine Anzahl der Zylinder 2-7 abgeschaltet, indem die Gaswechselventile geschlossen wer­ den und die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird.

Eine Wasserpumpe 19, die von einem Elektromotor 18 angetrieben wird, dient zur Kühlung der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 und zur Kühlung und Heizung weiterer Aggregate 8. Zu diesen können ein Retarder, ein Getriebekühler, eine Fahrgastheizung, Klima­ anlage oder eine Einrichtung zur Rückgewinnung der Bremsenergie usw. gehören. Eine Kühlmittelleitung 24 verbindet die Pumpe 19 sowohl mit der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 als auch mit den übrigen Aggregaten 8.

Werden nun einige oder alle Zylinder 2-7 abgeschaltet, wird die Drehzahl der Wasserpumpe 19 reduziert, indem der Elektromotor 18 über eine Signalleitung 17 von der Steuereinrichtung 10 ent­ sprechend angesteuert wird. Dadurch wird zum einen die Lei­ stungsaufnahme der Wasserpumpe 19 reduziert und zum anderen er­ reicht man, daß die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 in der Schub­ phase nicht schnell auskühlt.

Über eine weitere Signalleitung 16 können weitere Elektromoto­ ren 20, 22 mit entsprechenden Zusatzpumpen 21, 23 für Heiz- oder Kühlmittel angesteuert werden. Sie fördern über Flüssig­ keitsleitungen 25, 26 Kühlmittel bzw. Heizmittel zu den übrigen Aggregaten 8. Sind alle Zylinder 2-7 abgeschaltet und bedarf somit die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 keiner Kühlung mehr, kann der Elektromotor 18 mit der Wasserpumpe 19 abgeschaltet werden und die Kühlmittel- bzw. die Heizmittelversorgung der zusätzlichen Aggregate 8 wird ausschließlich von den Zusatzpum­ pen 21, 23 übernommen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen, die im Schubbetrieb mindestens an einem Zylinder (2-7) alle oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl geschlossen sind, um ein verringer­ tes Bremsmoment einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe (19) hat, deren Drehzahl entsprechend der Anzahl der abgeschalteten Zylinder (2-7) reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zylinder (2-7) im Schubbetrieb abgeschaltet werden und die Was­ serpumpe (19) abhängig von kritischen Aggregattemperaturen ge­ regelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserpumpe (19) im Schubbetrieb abgestellt wird und für die Kühlung oder Heizung der Aggregate (8) kleinere, elektrisch be­ triebene Zusatzpumpen (21, 23) vorgesehen sind.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) eine Vorkammer mit einem Ventil aufweist, das einen Kanal zwischen der Vorkammer und einem Hauptbrennraum beherrscht und das schließt, wenn alle Gaswechselventile des zugehörigen Zylinders (2-7) im Schubbetrieb geschlossen sind.

5. Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Einrichtun­ gen vorgesehen sind, um Bremsenergie zurückzugewinnen, wobei die Einrichtungen zugeschaltet werden, sobald Zylinder (2-7) abgeschaltet werden und ein Bremssignal vorliegt.