DE19951093A1 - Betriebsverfahren für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, deren Zylinder für Zweitakt- und Viertakt-Betrieb ausgelegt sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in vorgebbaren Mischbetriebszuständen der Brennkraftmaschine gleichzeitig ein erster Teil der Zylinder im Viertakt-Betrieb und der restliche, zweite Teil der Zylinder im Zweitakt-Betrieb betrieben. DOLLAR A Verwendung z. B. zum Betrieb von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzy­ lindrigen Brennkraftmaschine, deren Zylinder für Zweitakt- und Viertakt-Betrieb ausgelegt sind.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US 5 517 951 bekannt. Darin ist eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine beschrieben, die so­ wohl für Zweitakt- als auch für Viertakt-Betrieb geeignet ist. Zum Betrieb der Zylinder im Viertakt-Betrieb als einer ersten Betriebsart wird dem jeweiligen Brennraum bei geschlossenem Aus­ laßventil über ein zugehöriges Einlaßventil Luft-Kraftstoff- Gemisch vom Ansaugtrakt zugeführt. Bei geschlossenen Ein- und Auslaßventilen wird dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch dann im Ver­ dichtungstakt verdichtet und in einem darauffolgenden Arbeits­ takt gezündet. Die bei der Verbrennung anfallenden Verbrennungs­ abgase werden schließlich bei geschlossenem Einlaßventil und ge­ öffnetem Auslaßventil im Ausstoßtakt in das Abgassystem abge­ führt. Um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern, ist als zweite Betriebsart vorgesehen, gleichzeitig alle Zylinder im Zweitakt-Betrieb zu betreiben. Einem im Zweitakt-Betrieb betrie­ benen Zylinder wird, wenn der Hub des Kolbens maximal ist, bei geöffneten Ein- und Auslaßventilen vorverdichtetes Luft-Kraft­ stoff-Gemisch zugeführt, das diesen spült und die sich im Brenn­ raum befindlichen Verbrennungsabgase zum Auslaßventil verdrängt. Bei geschlossenen Ein- und Auslaßventilen wird das in den Brenn­ räumen befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und schließlich zum Arbeitstakt gezündet.

Weiter ist aus der EP 0 396 325 A1 ein Verfahren zum Betrieb ei­ ner Brennkraftmaschine bekannt, bei dem vorgesehen ist, im Falle geringer Motordrehzahl den Zylinder im Zweitakt-Betrieb und für große Drehzahl den Zylinder im Viertakt-Betrieb zu fahren. Um auch bei niedrigen Drehzahlen, in denen Zweitakt-Betrieb erfol­ gen soll, dem Brennraum des Zylinders verdichtete Ladeluft zu­ führen zu können, enthält die Brennkraftmaschine einen Tubolader mit elektrischem Antrieb, der im Viertakt-Betrieb durch den Ab­ gasstrom angetrieben werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brenn­ kraftmaschine bereitzustellen, mit dem flexibel auf den Lei­ stungsbedarf reagiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, bei dem in vorgebbaren Mischbetriebszuständen der Brennkraftma­ schine gleichzeitig und bleibend ein erster Teil der Zylinder im Viertakt-Betrieb und der restliche, zweite Teil der Zylinder im Zweitakt-Betrieb betrieben wird. Auf diese Weise kann durch Va­ riation der Anzahl der Zylinder, die im Zweitakt-Betrieb betrie­ ben werden, die Leistung der Brennkraftmaschine fein dosiert ge­ steigert werden. Ein teilweiser Betrieb der Brennkraftmaschine im Zweitakt-Betrieb ermöglicht ferner bei niedrigen Drehzahlen einen ruhigeren Motorlauf gegenüber einem Viertakt-Betrieb aller Zylinder. In einer Startbetriebsphase kann außerdem ein schnel­ leres Aufheizen der Brennkraftmaschine erzielt werden. Bei­ spielsweise kann dies bei einem von der Motortemperatur abhängi­ gen Heizungssystem für den Innenraum eines Kraftfahrzeuges von Vorteil sein. Ein Betrieb von Zylindern im Zweitakt-Betrieb führt insbesondere in unteren Drehzahlbereichen der Brennkraft­ maschine zu einer Erhöhung des erzeugten Drehmomentes. Bei einer kennfeldabhängigen Steuerung der Verbrennungsvorgänge in den Zy­ lindern ist es darüber hinaus möglich, alle Zylinder am Arbeits­ punkt des besten spezifischen Verbrauchs zu betreiben und somit Kraftstoff einzusparen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 werden die Zylin­ der der Brennkraftmaschine in den Mischbetriebszuständen zyk­ lisch und/oder alternierend und/oder stochastisch abwechselnd im Zweitakt- und Viertakt-Betrieb betrieben. Auf diese Weise wird durch den von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel abwechselnden Betrieb von Zylindern im Zweitakt- und Viertakt-Betrieb ein weitestge­ hend gleichmäßiges Erwärmen der Brennkraftmaschine gewährlei­ stet, so daß keine übermäßig großen Betriebstemperaturgradienten im Motorgehäuse auftreten, die mechanische Spannungen erzeugen und im Zusammenhang damit den Motor schädigen könnten.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 wird zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader in den Mischbetriebszuständen der Abgasstrom des oder der im Vier­ takt-Betrieb betriebenen Zylinder dem Abgasturbolader zugeführt und der Abgasstrom des oder der im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylinder am Abgasturbolader vorbeigeleitet. Auf diese Weise kann der Abgasgegendruck für die im Zweitakt-Betrieb gefahrenen Zy­ linder abgesenkt werden, um so günstigere Voraussetzungen für einen Gaswechsel zu schaffen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader der Abgasstrom des oder der im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylinder dem Abgasturbolader zugeführt und wenigstens in bestimmten La­ derantriebsbedarf-Betriebszuständen das Abgasauslaßöffnen des oder der im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylinder in Richtung früh verstellt. Auf diese Weise kann auch aus den im Zweitakt- Betrieb betriebenen Zylindern Abgas unter Druck für den Antrieb des Abgasturboladers bereitgestellt werden.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 wird zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader die vom Abgasturbolader verdichtete Ansaugluft nur dem oder den im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylindern zugeführt, während der oder die im Viertakt-Betrieb betriebenen Zylinder im Saugbetrieb betrieben werden. Auf diese Weise können im Zweitakt-Betrieb be­ triebene Zylinder beim Gaswechsel besonders wirkungsvoll gespült werden, so daß ein weitestgehend vollständiger Austausch der Verbrennungsgasatmosphäre in den betreffenden Zylindern erzielt wird.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 wird selbsttätig zwischen reinem Zweitakt- oder Viertaktbetrieb einerseits und dem Mischbetrieb andererseits in Abhängigkeit vom Saug-/Lade­ druck der Brennkraftmaschine umgeschaltet. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß bei einem zu geringen Saug-/Ladedruck der Brennkraftmaschine, bei dem im Zweitakt-Betrieb gefahrene Zylin­ der nur unzulänglich gespült werden können, die Brennkraftma­ schine zumindest bis zu einem ausreichenden Anstieg des Saug- /Ladedrucks im Viertakt-Betrieb betrieben wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 in Blockschaltbildarstellung eine mehrzylindrige Brenn­ kraftmaschine mit Zylindern, die sowohl für Viertakt- als auch für Zweitaktbetrieb ausgelegt sind, und

Fig. 2 ein Funktionsblockdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der mehrzylindrigen Brennkraftma­ schine.

Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte mehrzylindrige Brenn­ kraftmaschine 1 eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens. Sie weist in einem Motorblock vier Zylinder 2 bis 5 auf, die sowohl im Zweitakt- als auch im Viertakt-Betrieb betrieben werden können. Jeder Zylinder hat ein Einlaßventil 6 bis 9 und ein Auslaßventil 10 bis 13. Diese Gaswechselventile sind frei ansteuerbar und gestatten eine betriebspunktabhängige Variation ihrer Steuerzeiten. Die Ein- und Auslaßventile 6 bis 9 und 10 bis 13 öffnen bzw. verschließen einen Durchgang von den Brennräumen 14 bis 18 der Zylinder zu einem Ansaugtrakt 19 bzw. einem Abgastrakt 20. In dem Ansaugtrakt 19 befindet sich bei je­ dem Zylinder jeweils eine Einspritzvorrichtung 21 bis 24, die eine zylinderselektive Gemischaufbereitung gestattet. Weiter sind zur Gemischzündung in den Brennräumen 14 bis 18 der Zylin­ der 2 bis 5 Zündkerzen 25 bis 28 vorgesehen. Außerdem weist die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader 29 und nicht weiter dargestellte Ventilmittel im Ansaugtrakt 19 und Abgastrakt 20 auf, die dazu dienen, den Abgasturbolader 29 mit Abgas aus einem Zylinder oder einer beliebigen Kombination der Zylinder 2 bis 5 anzutreiben und einem Zylinder oder einer beliebigen Kombination der Zylinder 2 bis 5 von diesem verdichtete Ansaugluft zuzufüh­ ren.

Die Steuerzeiten der Ein- und Auslaßventile 6 bis 9 und 10 bis 13 werden von einer in der Brennkraftmaschine 1 vorgesehenen Mo­ torsteuereinheit 30 kennfeldabhängig oder aufgrund von geeigne­ ten Steuergrößen vorgegeben. Diese Motorsteuereinheit 30 legt auch die Zündzeitpunkte der Zündkerzen 25 bis 28 fest und steu­ ert die Ventilmittel im Ansaugtrakt 19 und Abgastrakt 20, um den Abgasturbolader 29 mit Abgas aus ausgewählten Zylindern anzu­ treiben und wiederum ausgewählten Zylindern verdichtete Ladeluft zuzuführen. Die freie Ansteuerbarkeit der Gaswechselventile er­ möglicht, daß die Brennkraftmaschine in geeigneten Betriebspunk­ ten ganz oder teilweise auf Zweitaktbetrieb umgestellt werden kann. Die Umstellung erfolgt entsprechend einem in der Motor­ steuereinheit 30 abgelegten Programmcode. Die zylinderselektive Gemischaufbereitung im Bereich des Ansaugtraktes 19 ermöglicht eine zumindest innerhalb gewisser Grenzen frei wählbare Brenn­ stoffdosierung, so daß für Zweitaktbetrieb bei entsprechender Ansteuerung der Einspritzvorrichtungen 21 bis 24 eines betref­ fenden Zylinders bei jeder Umdrehung eine Verbrennung stattfin­ den kann.

Die Fig. 2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm 40, das zur Erläute­ rung des Betriebs der Brennkraftmaschine aus Fig. 1 dient. In einem Normalbetriebszustand 41 werden alle Zylinder der Brenn­ kraftmaschine 1 im Viertaktbetrieb gefahren. Um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern oder aber, um diese in einer Startbetriebsphase schnell auf Arbeitstemperatur zu bringen, wird von der Motorsteuer- und Regeleinheit 30 ein Teil der Zy­ linder von Viertaktbetrieb auf Zweitaktbetrieb umgestellt. Für die Ein- und Auslaßventile der Zylinder 3 und 5 aus Fig. 1 gibt die Motorsteuereinheit 30 beispielsweise in einem Verfahrens­ schritt 42 einen Zweitaktbetrieb vor, wogegen die Zylinder 2 und 4 weiterhin im Viertaktbetrieb betrieben werden. In einem Ver­ fahrensschritt 43 ist dann vorgesehen, umgehend die Kraftstoff­ zufuhr und die Zündung der Zylinder 3 und 5 von Vier- auf Zwei­ taktbetrieb umzustellen. Anstatt lediglich die Zylinder 3 und 5 im Zweitaktbetrieb zu fahren, ist es natürlich auch möglich, al­ le Zylinder oder eine beliebige Kombination der Zylinder im Zweitaktbetrieb zu betreiben und die übrigen Zylinder im Vier­ taktbetrieb zu fahren. Der Wechsel der Zylinder von Viertakt­ auf Zweitaktbetrieb kann dabei zyklisch erfolgen, d. h. es werden reihum stets beispielsweise zwei Zylinder in der Brennkraftma­ schine mit zwei und die übrigen mit vier Takten betrieben. Die mit zwei Takten betriebenen Zylinder werden also fortlaufend ab­ gewechselt. Ebenso kann ständig zwischen zwei Zylindern von Zwei- und Viertaktbetrieb und umgekehrt gewechselt werden, d. h. die Zylinder werden dann alternierend im Zweitakt- und Viertakt- Betrieb betrieben. Es sei bemerkt, daß auch ein stochastisches, also zufälliges Abwechseln von Zylindern zwischen Zweitakt- und Viertakt-Betrieb möglich ist.

Um die im Zweitakt-Betrieb gefahrenen Zylinder bei möglichst ge­ ringem Abgasgegendruck zu betreiben, werden die den Zylindern 2 bis 5 zugeordneten Ventilmittel im Abgastrakt so angesteuert, daß Abgas aus im Zweitakt-Betrieb gefahrenen Zylindern am Turbo­ lader vorbeigeleitet wird, d. h. der Turbolader wird lediglich mit Abgas aus Zylindern angetrieben, die im Viertakt-Betrieb be­ trieben werden.

Für eine weitere Erhöhung der Motorleistung ist in einem Verfah­ rensschritt 44 vorgesehen, den Turbolader 29 aus Fig. 1 auch mit Abgas aus im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylindern anzutreiben.

Dazu bewirkt die Motorsteuereinheit 30 ein vorverlagertes Öffnen der im Zweitaktbetrieb gefahrenen Zylinder noch während des Ar­ beitstaktes, um auf diese Weise Abgas unter Druck in das Abgas­ system einspeisen zu können.

Ist keine erhöhte Motorleistung mehr erforderlich, bzw. hat die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur nach einer Startbe­ triebsphase erreicht, so bewirkt die Motorsteuereinheit 30 aus Fig. 1 in einem Verfahrensschritt 45 durch Vorgabe der geeigne­ ten Zünd- und Ventilsteuerzeiten wieder eine Arbeitsweise aller Zylinder im Viertakt-Betrieb.

Es sei bemerkt, daß es für den Gaswechsel von im Zweitaktbetrieb gefahrenen Zylindern vorteilhaft sein kann, allein diese mit aufgeladener Ansaugluft zu speisen und den im Viertakt-Betrieb gefahrenen Zylindern keine verdichtete Ladeluft zuzuführen. Auf diese Weise kann für die im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylin­ der Ansaugluft mit besonders hohem Druck bereitgestellt werden.

Die Steuerung des Gaswechsels in den Zylindern kann ferner auch in Abhängigkeit vom dort herrschenden Saug-/Ladedruck erfolgen. Dieser Saug-/Ladedruck wird gegebenenfalls zylinderselektiv der Motorsteuereinheit zugeführt, die diese Größe auswertet, um da­ von abhängig zwischen reinem Zweitakt- oder Viertaktbetrieb der Zylinder einerseits und dem Mischbetrieb andererseits selbsttä­ tig umzuschalten.

Günstig kann auch der Einsatz eines Abgasturboladers mit zusätz­ lichem Fremdantrieb sein, beispielsweise mit einem Elektromotor­ antrieb oder einem Zusatzantrieb durch Kraftübertragung vom Ver­ brennungsmotor, so daß auch dann, wenn lediglich wenig Abgas­ energie zur Verfügung steht, die im Zweitaktbetrieb gefahrenen Zylinder mit Ladeluft unter Druck beaufschlagt werden können, um einen guten Gaswechsel zu erzielen. Vorteilhafterweise erfolgt der Wechsel von Zylindern von Viertakt- auf Zweitaktbetrieb mo­ torkennfeldabhängig, so daß sowohl die im Zweitaktbetrieb gefah­ renen Zylinder als auch die im Viertaktbetrieb gefahrenen Zylin­ der jeweils in einem Punkt besten spezifischen Verbrauchs arbei­ ten können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftma­ schine, deren Zylinder für Zweitakt- und Viertakt-Betrieb ausge­ legt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgebbaren Mischbetriebszuständen der Brennkraftmaschine (1) gleichzeitig ein erster Teil der Zylinder (2, 4) im Viertakt- Betrieb und der restliche, zweite Teil der Zylinder (3, 5) im Zweitakt-Betrieb betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (2 bis 5) der Brennkraftmaschine (1) in den Misch­ betriebszuständen zyklisch und/oder alternierend und/oder sto­ chastisch abwechselnd im Zweitakt- und Viertakt-Betrieb betrie­ ben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Betrieb einer mehrzy­ lindrigen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß in den Mischbetriebszuständen der Abgasstrom des oder der im Viertakt-Betrieb betriebenen Zylinder (2, 4) dem Abgasturbolader (29) zugeführt wird und der Abgasstrom des oder der im Zweitakt- Betrieb betriebenen Zylinder (3, 5) am Abgasturbolader (29) vor­ beigeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Betrieb einer mehrzy­ lindrigen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom des oder der im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zy­ linder (3, 5) dem Abgasturbolader (29) zugeführt wird und wenig­ stens in bestimmten Ladeantriebsbedarf-Betriebszuständen das Ab­ gasauslaßöffnen des oder der im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zy­ linder (3, 5) in Richtung früh verstellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgasturbolader (29) verdichtete Ansaugluft nur dem oder den im Zweitakt-Betrieb betriebenen Zylindern (3, 5) zugeführt wird und der oder die im Viertakt-Betrieb betriebenen Zylinder (2, 4) im Saugbetrieb betrieben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen reinem Zweitakt- oder Viertaktbetrieb einerseits und dem Mischbetrieb andererseits in Abhängigkeit vom Saug-/Lade­ druck an den Zylindern (2 bis 5) der Brennkraftmaschine (1) um­ geschaltet wird.