DE202014104433U1

DE202014104433U1 - Teilabgeschaltete Brennkraftmaschine

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Publication number: DE202014104433U1
Application number: DE202014104433.7U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2024-09-18
Also published as: DE102014218655A1; DE102014218656A1; DE102014218655B4

Abstract

Brennkraftmaschine (7) mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) einen Kolben umfasst, der im Betrieb der Brennkraftmaschine (7) zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) oszilliert, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung (1a, 2a, 3a, 4a) aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (1b, 2b, 3b, 4b) 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 diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (7) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – mindestens ein Ventile umfassender Ventiltrieb zum Steuern eines vier Takte umfassenden Ladungswechsels vorgesehen ist, wobei jedes Ventil entlang einer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung unter Vollführung eines maximalen Ventilhubs bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe mit einem bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe via Überströmkanal (5a, 5b) verbindbar ist, wobei in diesem Überströmkanal (5a, 5b) mindestens ein Absperrelement vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern, bei der

– jeder Zylinder einen Kolben umfasst, der im Betrieb der Brennkraftmaschine zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) oszilliert,
– 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 diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– mindestens ein Ventile umfassender Ventiltrieb zum Steuern eines vier Takte umfassenden Ladungswechsels vorgesehen ist, wobei jedes Ventil entlang einer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung unter Vollführung eines maximalen Ventilhubs bewegbar ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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 fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens 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 die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmachine entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse 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 solche 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 im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last – wie vorstehend beschrieben – mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades.
Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf, wie im Folgenden kurz erläutert wird.
Wird bei einer Brennkraftmaschine zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei durch die abgeschalteten Zylinder generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt als möglich wäre.
In der Praxis ist es häufig nicht zielführend, den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten dadurch abzuhelfen, dass schaltbare Ventiltriebe vorgesehen werden, da schaltbare Ventiltriebe wie variable Ventiltriebe kostenintensiv sind und sich für den Serieneinsatz nicht immer eignen. Den Ventiltrieb der schaltbaren Zylinder bei Teilabschaltung vollständig zu deaktivieren, d. h. die Ein- und Auslassventile in der Schließstellung zu belassen, hätte den Nachteil, dass sich in den abgeschalteten Zylindern nach einigen Arbeitsspielen infolge des Blow-by ein Unterdruck einstellt, der Öl in den Brennraum fördert, welches beim erneuten Zuschalten der abgeschalteten Zylinder verbrannt oder unverbrannt in das Abgasabführsystem gelangt und die Schadstoffemissionen signifikant erhöht.
Darüber hinaus würden schaltbare Ventiltriebe bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern auszulegen ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine infolge des fehlenden Massenstroms durch die abgeschalteten Zylinder. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem das Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt, und den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern nur wenig Frischluft bzw. Ladeluft zugeführt wird bzw. zugeführt werden kann. Der geringe Ladeluftstrom kann auch dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Lastbereiches, in welchem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Die verminderte Ladeluftmenge, die den während der Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, mindert die Effektivität bzw. Güte der Verbrennung und wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen aus.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte auch dadurch erhöht werden, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet wird, die eine Anpassung des wirksamen Turbinenquerschnittes an den momentanen Abgasmassenstrom gestattet. Dann würde sich aber gleichzeitig der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine erhöhen, was wiederum zu höheren Ladungswechselverlusten bei den noch in Betrieb befindlichen Zylindern führt.
Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, bei denen im Abgasabführsystem eines lastabhängig schaltbaren Zylinders ein Absperrelement vorgesehen ist, welches bei Teilabschaltung das Abgasabführsystem des abgeschalteten Zylinders zum Abführen der Abgase versperrt, wobei gegebenenfalls das zylinderzugehörige Abgas mittels Rückführleitung, welche vom Abgasabführsystem stromaufwärts des Absperrelementes abzweigt und in das Ansaugsystem des schaltbaren Zylinders mündet, zurückgeführt werden kann bzw. wird.
Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls Konzepte bekannt, bei denen im Ansaugsystem eines lastabhängig schaltbaren Zylinders ein Absperrelement vorgesehen ist, welches bei Teilabschaltung das Ansaugsystem des abgeschalteten Zylinders zum Zuführen von Ladeluft versperrt. Auch dabei kann eine Rückführleitung vorgesehen werden, mit der Abgas aus dem Abgasabführsystem entnommen und auf die Ansaugseite in das Ansaugsystem des abgeschalteten Zylinders stromabwärts des Absperrelementes zurückgeführt wird.
Wie schaltbare Ventiltriebe sind auch die beiden letztgenannten Konzepte mit zusätzlichen Kosten verbunden. Zudem sind erhebliche Modifikationen des Abgasabführsystems und/oder des Ansaugsystems erforderlich. Darüber hinaus werden die im Zusammenhang mit schaltbaren Ventiltriebe erörterten Probleme nicht bzw. nur teilweise gelöst.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche im Hinblick auf die Teilabschaltung verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern, bei der

– jeder Zylinder einen Kolben umfasst, der im Betrieb der Brennkraftmaschine zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) oszilliert,
– 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 diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– mindestens ein Ventile umfassender Ventiltrieb zum Steuern eines vier Takte umfassenden Ladungswechsels vorgesehen ist, wobei jedes Ventil entlang einer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung unter Vollführung eines maximalen Ventilhubs bewegbar ist,

– jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder der ersten Gruppe mit einem bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder der zweiten Gruppe via Überströmkanal verbindbar ist, wobei in diesem Überströmkanal mindestens ein Absperrelement vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders bei Teilabschaltung via Überströmkanal einem abgeschalteten Zylinder zugeführt.
Der Abgas liefernde in Betrieb befindliche Zylinder wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als abgasliefernder Zylinder bezeichnet, wohingegen der Zylinder, der das Abgas empfängt, auch als abgasempfangender Zylinder bezeichnet wird. Jeder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder der ersten Gruppe kann als abgasliefernder Zylinder dienen und jeder bei Teilabschaltung abgeschaltete Zylinder der zweiten Gruppe als abgasempfangender Zylinder fungieren.
Die schaltbaren Zylinder müssen vorliegend nicht zwingend mit abschaltbaren Ventiltrieben ausgestattet werden. Vielmehr können die abgeschalteten Zylinder erfindungsgemäß weiter am Ladungswechsel teilnehmen, falls beispielsweise der Überströmkanal von der Auslassseite eines abgasliefernden Zylinders auf die Einlassseite eines abgeschalteten Zylinders führt. Der dazugehörige Ventiltrieb des abgeschalteten Zylinders kann weiter betätigt werden und muss nicht zusammen mit den Zylindern abgeschaltet werden.
Einem abgeschalteten Zylinder wird beim Ladungswechsel überwiegend Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders und weniger bzw. keine Ladeluft via Ansaugsystem zugeführt, wodurch die Ladungswechselverluste des abgeschalteten Zylinders reduziert werden.
Zu berücksichtigen ist dabei auch, dass mit Freigeben eines Überströmkanals die Abgase aus einem in Betrieb befindlichen Zylinder der Brennkraftmaschine 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 abgeschalteten abgasempfangenden Zylinders mit hoher Geschwindigkeit durch den Überströmkanal in den abgeschalteten abgasempfangenden Zylinders strömen. Dieser druckgetriebene Überleitungsvorgang wird durch eine Druckspitze begleitet, die auch im abgeschalteten Zylinder für einen Überdruck bzw. Druckanstieg sorgen kann, das Zuführen von Ladeluft verhindert bzw. erschwert und im Einzelfall dazu führt, dass selbst im abgeschalteten Zylinder ein Drehmoment generiert wird. Letzteres unterstützt die mit der Teilabschaltung verbundene Zielsetzung, nämlich den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Vorteilhaft ist es auch deshalb, den Überströmkanal möglichst kleinvolumig bzw. kurz auszuführen.
Das Überleiten des Abgases via Überströmkanal wird erfindungsgemäß dadurch unterstützt, dass als abgasempfangender abgeschalteter Zylinder ein in der Zündfolge vorangehender Zylinder verwendet wird und als abgasliefernder in Betrieb befindlicher Zylinder ein in der Zündfolge folgender Zylinder.
Zwei in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder haben den geringsten Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse und bieten sich daher für die Überleitung von Abgas von einem Zylinder in den anderen Zylinder an, d. h. von dem in der Zündfolge folgenden Zylinder in den in der Zündfolge vorangehenden Zylinder. Bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor, dessen Zylinder mit der Zündfolge 1-3-4-2 betrieben werden, bietet sich beispielsweise der vierte Zylinder an, für den in der Zündfolge vorangehenden 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.
Die abgeschalteten Zylinder pumpen das übergeleitete Abgas infolge der Hubbewegung des Kolbens während des Ausschiebetaktes in der Art einer Kolbenarbeitsmaschine in das Abgasabführsystem, wo es im Weiteren in einer gegebenenfalls vorgesehenen Turbine zur Energiegewinnung genutzt werden kann.
Dadurch, dass heißes Abgas während der Teilabschaltung durch die abgeschalteten Zylinder geleitet wird, können diese Zylinder nicht auskühlen. Vorteile hat dies hinsichtlich der Schadstoffemissionen, insbesondere hinsichtlich der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, da die abgeschalteten Zylinder unmittelbar nach Beendigung der Teilabschaltung wieder ihre Betriebstemperatur erreichen bzw. aufweisen.
Das Einleiten heißen Abgases in die abgeschalteten Zylinder erhöht zwar nicht unmittelbar den Massenstrom durch die Brennkraftmaschine, aber für aufgeladene Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolaufladung ergeben sich mittelbar Vorteile. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Konzepten, bei denen den abgeschalteten Zylindern lediglich Ladeluft während der Teilabschaltung zugeführt wird, wird mit dem erfindungsgemäßen Einleiten von heißem Abgas in die abgeschalteten Zylinder eine höhere Abgastemperatur bzw. ein höherer Abgasdruck in dem im Abgasabführsystem befindlichen Abgas generiert. Beides resultiert in einer höheren Abgasenthalpie, welche maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird. Die höhere Abgasenthalpie, d. h. die größere Abgasenergie, die an der Turbine eines Abgasturboladers bereitsteht, führt zu einer Erhöhung des Ladedrucks und damit der Ladeluftmenge, weshalb den in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zugeführt werden kann. Dies erweitert den Anwendungsbereich der Teilabschaltung, nämlich den Lastbereich, in dem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann, und verbessert die Güte der Verbrennung und damit das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine. Zudem erreichen im Abgasabführsystem angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme aufgrund der heißeren Abgase schneller ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur.
Auch gegenüber Konzepten, bei denen den abgeschalteten Zylindern via Rückführleitung während der Teilabschaltung Abgas zugeführt wird, ergeben sich Vorteile, da das erfindungsgemäß übergeleitete Abgas heißer ist als das mittels externer Abgasrückführung rückgeführte Abgas. Dieser Umstand ist von Bedeutung und vorteilhaft, da die Temperatur maßgeblich die Abgasenthalpie mitbestimmt.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, welche im Hinblick auf die Teilabschaltung verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden gemäß den Unteransprüchen beschrieben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder und ein abgeschalteter Zylinder zu einer Ladungswechselgruppe zusammengefasst sind, wobei Abgas aus dem in Betrieb befindlichen Zylinder in den abgeschalteten Zylinder eingeleitet wird.
Vorliegend wird das Abgas genau eines Zylinders in genau einen anderen Zylinder übergeleitet, d. h. es wird eine konkrete Zuordnung zweier Zylinder vorgenommen. Jeweils zwei Zylinder bilden eine sogenannte Ladungswechselgruppe. Gegenüber Konzepten, bei denen ein abgasliefernder Zylinder mehr als einen abgasempfangenden Zylinder, beispielsweise zwei oder drei andere Zylinder, mit Abgas versorgt, ergeben sich Vorteile.
Empfängt lediglich ein Zylinder das Abgas, lässt sich der – vorzugsweise druckgetriebene – Überleitungsvorgang in vorteilhafter Weise dazu nutzen, im abgeschalteten Zylinder einen Überdruck bzw. Druckanstieg zu generieren. Auf diese Weise kann dem Zuführen bzw. dem Ansaugen von Ladeluft effektiv entgegen gewirkt und im abgeschalteten Zylinder eine Kraft auf den Kolben ausgeübt werden, um ein Drehmoment zu erzeugen.
Das im abgasliefernden Zylinder befindliche, unter Druck stehende und ein konkretes Zylindervolumen ausfüllende Abgas wird übergeleitet in ein vergleichbar großes Volumen, nämlich den Brennraum des abgasempfangenden Zylinders. Die Abgasenergie lässt sich so besser nutzen, als wenn das Abgas in mehrere Zylinder und damit unter Druckabbau in ein weitaus größeres Volumen übergeleitet wird, nämlich in ein mehrere Brennräume umfassendes Volumen.
Die gleichen Überlegungen führen dazu, dass ein möglichst kleinvolumig bzw. kurz ausgeführter Überströmkanal besonders vorteilhaft ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeweils zwei benachbarte Zylinder zu einer Ladungswechselgruppe zusammengefasst sind. Dann lässt sich der Überströmkanal nämlich besonders kurz ausführen und damit kleinvolumig.
Bei teilabgeschalteten Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der zwei Zylinder einer Ladungswechselgruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Abgasabführsystem der mindestens zwei Zylinder den Überströmkanal bildet.
Vorliegend wird das Abgasabführsystem – zumindest – mitbenutzt, d. h. zumindest Teile des Überströmkanals werden durch das ohnehin bestehende Abgasabführsystem ausgebildet. Gegebenenfalls wird der gesamte Überströmkanal vom Abgasabführsystem ausgebildet, d. h. Teile des Abgasabführsystems werden als Überströmkanal verwendet bzw. zweckentfremdet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit vier entlang einer Längsachse eines Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, die dadurch gekennzeichnet sind, dass

– jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist,
– jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder und ein abschaltbarer Zylinder eine Ladungswechselgruppe bilden, wobei jede Ladungswechselgruppe einen außenliegenden Zylinder und den benachbarten innenliegenden Zylinder umfasst,
– die Auslassöffnungen der zwei Zylinder einer Ladungswechselgruppe sich gegenüberliegen, wobei die Abgasleitungen der Zylinder einer Ladungswechselgruppe unter Ausbildung eines im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen, so dass das Abgasabführsystem der zwei Zylinder einer Ladungswechselgruppe als Überströmkanal dient.

Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Zylinder mit Frischgemisch bzw. Luft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste gering zu halten und eine möglichst gute Füllung bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Deshalb ist es auch vorteilhaft, jeden Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Die Zusammenführung der Abgasleitungen einer Ladungswechselgruppe innerhalb des Zylinderkopfes gestattet eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine, ein dichtes Packaging der Antriebseinheit und eine Reduzierung der Bauteile.
Die Integration des Abgaskrümmers einer Ladungswechselgruppe in den Zylinderkopf hat auch den Vorteil, dass an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden kann, in der Art, dass der Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbaren und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden muss.
Zu berücksichtigen ist auch, dass bei einer Abgasturboaufladung grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslass der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Man ist daher bei abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschinen bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann., beispielsweise mittels Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf.
Wie bereits erläutert wurde, ist es vorteilhaft, den Überströmkanal einer Ladungswechselgruppe möglichst kleinvolumig bzw. kurz auszuführen. Auch diesbezüglich ist die Integration des Abgaskrümmers einer Ladungswechselgruppe in den Zylinderkopf zielführend, wenn wie vorliegend das Abgasabführsystem der zwei Zylinder einer Ladungswechselgruppe als Überströmkanal verwendet wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Auslassöffnungen jedes Zylinders jeweils entlang einer virtuellen Geraden angeordnet sind, welche mit der Längsachse des Zylinderkopfes einen Winkel α bildet, mit 70° ≤ α ≤ 110°.
Diese Ausführungsform spezifiziert das Gegenüberliegen der Auslassöffnungen der zwei Zylinder einer Ladungswechselgruppe. Zu berücksichtigen ist dabei, dass das Gegenüberliegen der Auslassöffnungen insbesondere einer kleinvolumigen und möglichst kurzen Ausgestaltung des Überströmkanals dient.
Vorteilhaft sind dabei ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen

– eine virtuelle Gerade, welche eine Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen Zylinders einer Ladungswechselgruppe mit einer Auslassöffnung des abschaltbaren Zylinders dieser Ladungswechselgruppe verbindet, durch den integrierten Abgaskrümmer dieser Ladungswechselgruppe hindurch verläuft.

Wird das Abgasabführsystem bzw. der Abgaskrümmer einer Ladungswechselgruppe wie vorstehend beschrieben ausgeführt, kann ein direktes, d. h. geradliniges Überleiten von Abgas erfolgen. Dies reduziert die Wegstrecke, die Zeit für das Überleiten und den in Kauf zu nehmenden Druckverlust.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement ein Auslassventil eines Zylinders ist. Wird ein Auslassventil eines Zylinders als Absperrelement verwendet, entfällt die Notwendigkeit, ein zusätzliches Element und eine Betätigungseinrichtung hierfür vorzusehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Zündung des mindestens einen in Betrieb befindlichen Zylinders mittels Selbstzündung initiiert wird.
Die vorstehende Variante bezieht sich auf Brennkraftmaschinen, bei denen die Verbrennung mittels Selbstzündung eingeleitet wird, und damit auch auf Dieselmotoren.
Es besteht auch die Möglichkeit, ein Hybrid-Brennverfahren mit Selbstzündung zum Betreiben eines Ottomotors einzusetzen, beispielweise das sogenannte HCCI-Verfahren, welches auch als Raumzündverfahren oder als CAI-Verfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren basiert auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes. Dabei wird der Kraftstoff – wie bei einem Dieselmotor – unter Luftüberschuss, also überstöchiometrisch, verbrannt. Der mager betriebene Ottomotor weist aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen auf und ebenfalls infolge des mageren Gemisches keine Rußemissionen. Darüber hinaus führt das HCCI-Verfahren zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Der Kraftstoff kann dabei sowohl direkt in die Zylinder als auch in das Ansaugrohr eingebracht werden.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Zündung des mindestens einen in Betrieb befindlichen Zylinders mittels Fremdzündung initiiert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündkerze ausgestattet ist, die als Zündvorrichtung dient, wobei die Zündvorrichtung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung vorzugsweise deaktiviert ist.
Die vorstehende Variante betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, beispielsweise einen direkteinspritzenden Ottomotor, dessen Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung jeweils mit einer Zündvorrichtung ausgestattet sind.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen, bei denen die Fremdzündung der abschaltbaren Zylinder bei Teilabschaltung deaktiviert ist.
Vorteilhaft sind grundsätzlich und insbesondere bei Selbstzündverfahren Ausführungsformen, bei denen die Kraftstoffversorgung der abschaltbaren Zylinder bei Teilabschaltung deaktiviert ist.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen in Betrieb befindlichen Zylinders bei Teilabschaltung während des Ladungswechsels mit unveränderten Steuerzeiten betrieben wird.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des mindestens einen in Betrieb befindlichen Zylinders bei Teilabschaltung während des Ladungswechsels mit unveränderten Steuerzeiten betrieben wird.
Diese Variante stellt sicher, dass die bei Teilabschaltung weiter in Betrieb befindlichen Zylinder der ersten Zylindergruppe nicht mit variablen Ventiltrieben ausgestattet werden müssen, die kostenintensiv und daher für den Serieneinsatz ungeeignet sind.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders bei Teilabschaltung geschlossen gehalten wird. Hierzu müssen die lastabhängig schaltbaren Zylinder der zweiten Zylindergruppe zumindest einlassseitig mit abschaltbaren Ventiltrieben ausgestattet werden.
Die vorstehende Variante erfordert, dass der Überströmkanal von der Auslassseite eines abgasliefernden Zylinders zu der Auslassseite eines abgeschalteten Zylinders führt, d. h. die Überleitung von Abgas erfolgt vorliegend auslassseitig. Einem abgeschalteten Zylinder wird beim Ladungswechsel ausschließlich Abgas eines in Betrieb befindlichen Zylinders und keine Ladeluft via Ansaugsystem zugeführt.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen mindestens eine Auslassöffnung jedes lastabhängig schaltbaren Zylinders bei Teilabschaltung mit veränderten Steuerzeiten betrieben wird.
Hierzu müssen die lastabhängig schaltbaren Zylinder der zweiten Zylindergruppe zumindest auslassseitig mit variablen Ventiltrieben ausgestattet werden, mit denen sich die Steuerzeiten der mindestens einen Auslassöffnung des abgasempfangenden Zylinders verändern lassen, d. h. ein Verschieben der Öffnungszeit bzw. Schließzeit dieser Auslassöffnung nach früh oder spät vorgenommen werden kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe geöffnet wird, wenn die mindestens eine Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen Zylinders dieser Ladungswechselgruppe geöffnet wird.
Häufig lässt sich eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren abgasempfangenden Zylinders aber nicht gemäß der vorstehenden Verfahrensvariante, d. h. gleichzeitig mit einer Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen abgasliefernden Zylinders öffnen, da die Gefahr besteht, dass der Kolben des abgasempfangenden Zylinders nahe des oberen Totpunktes mit dem zugehörigen Auslassventil in Berührung kommt, d. h. kollidiert.
Vorteilhaft sind daher auch Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe später geöffnet wird als die mindestens eine Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen Zylinders dieser Ladungswechselgruppe.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe geschlossen wird, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) befindet. Dann lässt sich mit der Schließzeit der Auslassöffnung die Abgasmenge einstellen, welche im abgasempfangenden Zylinder eingeschlossen wird, d. h. verbleibt, um im Folgenden komprimiert zu werden und sich in der anschließenden Expansionsphase im Zylinder wieder zu entspannen.
Vorliegend wird nicht angestrebt, möglichst viel Abgas in den abgasempfangenden Zylinder einzuleiten und in diesem einzuschließen. Vielmehr kann ein Teil des in den abgasempfangenden Zylinder eingeleiteten Abgases mittels Kolben wieder ausgeschoben werden. Die im Zylinder verbleibende Abgasmenge sollte derart bemessen sein, dass ein Vakuum bzw. Unterdruck im abgasempfangenden Zylinder bis zum nächsten Öffnen vermieden bzw. vermindert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe 30 bis 80 °KW vor dem oberen Totpunkt (OT) geschlossen wird, vorzugsweise 30 bis 60 °KW vor dem oberen Totpunkt (OT) bzw. 40 bis 50 °KW vor dem oberen Totpunkt (OT).
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Arbeitsverfahren, bei denen das zu der mindestens einen Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders gehörende Auslassventil unter Aufrechterhaltung eines verkleinerten Ventilhubs für einen vorgebbaren Kurbelwinkelbereich offen gehalten wird, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) befindet.
Vorteilhaft sind Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe nochmals geöffnet wird, bevor die mindestens eine Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen Zylinders dieser Ladungswechselgruppe wieder geöffnet wird.
Die in den abgasempfangenden Zylinder übergeleitete und in diesem Zylinder verbliebene Abgasmenge sollte mittels Kolben wieder ausgeschoben und via Abgasabführsystem abgeführt werden, um im nächsten Arbeitsspiel erneut heißes Abgas in den abgeschalteten Zylinder einleiten bzw. überleiten zu können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe nochmals geöffnet wird, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) befindet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe 30 bis 80 °KW nach dem unteren Totpunkt (UT) geöffnet wird, vorzugsweise 30 bis 60 °KW nach dem unteren Totpunkt (UT) bzw. 40 bis 50 °KW nach dem unteren Totpunkt (UT).
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe nochmals geöffnet wird, wobei das zugehörige Auslassventil einen verkleinerten Ventilhub vollführt.
Vorteilhaft sind dabei Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe wieder geschlossen wird, bevor die mindestens eine Auslassöffnung des in Betrieb befindlichen Zylinders dieser Ladungswechselgruppe geöffnet wird.
Vorteilhaft sind dabei auch Arbeitsverfahren, bei denen die mindestens eine Auslassöffnung des lastabhängig schaltbaren Zylinders einer Ladungswechselgruppe wieder geschlossen wird, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) befindet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den Zylinderkopf einer ersten Ausführungsform der teilabschaltbaren Brennkraftmaschine im Schnitt,
2a die Ventilerhebungskurven eines abgasliefernden in Betrieb befindlichen ersten Zylinders und eines abgasempfangenden abschaltbaren zweiten Zylinders im Normalbetrieb, und
2b die Ventilerhebungskurven eines abgasliefernden in Betrieb befindlichen ersten Zylinders und eines abgasempfangenden abgeschalteten zweiten Zylinders bei Teilabschaltung.
1 zeigt schematisch die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 eines fremdgezündeten Vierzylinder-Reihenmotors 7 in einem Schnitt durch den Zylinderkopf 8. Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind in Reihe, d. h. entlang der Längsachse 8a des Zylinderkopfes 8 angeordnet.
Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 weist zwei Auslassöffnungen 1a, 2a, 3a, 4a und zwei Einlassöffnungen 1b, 2b, 3b, 4b auf, wobei sich an jede Auslassöffnung 1a, 2a, 3a, 4a eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase und an jede Einlassöffnung 1b, 2b, 3b, 4b eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft anschließt.
Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind darüber hinaus konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine 7 in Betrieb sind, und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden.
Die innenliegenden schaltbaren Zylinder 2, 3 werden im Teillastbetrieb bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet und zwar durch Deaktivieren der Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung (nicht dargestellt). Dadurch erhöht sich die Lastanforderung an die weiter in Betrieb befindlichen außenliegenden Zylinder 1, 4, die dann bei höherer Last mit geringerem spezifischem Kraftstoffverbrauch arbeiten. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist die Folge.
Um die Ladungswechselverluste bei Teilabschaltung zu mindern, wird Abgas aus den in Betrieb befindlichen Zylindern 1, 4 während des Ladungswechsels in die abgeschalteten Zylinder 2, 3 übergeleitet. Der Überleitungsvorgang kann in einem abgeschalteten Zylinder 2, 3 für einen Überdruck bzw. Druckanstieg sorgen, wodurch auch im abgeschalteten Zylinder 2, 3 ein Drehmoment generiert wird. Dadurch, dass heißes Abgas in die abgeschalteten Zylinder 2, 3 geleitet wird, kühlen diese Zylinder 2, 3 bei Teilabschaltung nicht aus, was Vorteile hat.
Jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder 1, 4 und ein abgeschalteter Zylinder 2, 3 werden zu einer Ladungswechselgruppe zusammengefasst, wobei vorliegend jeweils zwei benachbarte Zylinder 1, 2, 3, 4, d. h. ein außenliegender Zylinder 1, 4 und der benachbarte innenliegende Zylinder 2, 3 eine Ladungswechselgruppe bilden. Während der Teilabschaltung wird Abgas aus dem in Betrieb befindlichen außenliegenden Zylinder 1, 4 in den abgeschalteten benachbarten Zylinder 2, 3 eingeleitet. Hierzu sind die Zylinder 1, 2, 3, 4 einer Ladungswechselgruppe jeweils via Überströmkanal 5a, 5b verbindbar, wobei mindestens ein Auslassventil als Absperrelement dient und den Überströmkanal 5a, 5b versperrt oder freigibt.
Die Auslassöffnungen 1a, 2a, 3a, 4a der Zylinder 1, 2, 3, 4 einer Ladungswechselgruppe liegen sich gegenüber, wobei die Auslassöffnungen 1a, 2a, 3a, 4a jedes Zylinders 1, 2, 3, 4 auf einer virtuellen Geraden angeordnet sind, die mit der Längsachse 8a des Zylinderkopfes 8 nahezu einen rechten Winkel α bildet.
Die Abgasleitungen der Zylinder 1, 2, 3, 4 einer Ladungswechselgruppe führen unter Ausbildung eines im Zylinderkopf 8 integrierten Abgaskrümmers 6a, 6b zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammen, wobei jeweils das Abgasabführsystem bzw. der Krümmer 6a, 6b der zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 einer Ladungswechselgruppe als Überströmkanal 5a, 5b dient.
Damit die beiden abgasempfangenden abgeschalteten Zylinder 2, 3 in der Zündfolge vorangehende Zylinder 2, 3 sind und die beiden abgasliefernden in Betrieb befindlichen Zylinder 1, 4 in der Zündfolge folgende Zylinder 1, 4, werden die Zylinder 1, 2, 3, 4 des Vier-Zylinder-Reihenmotors 7 mit der Zündfolge 1-3-4-2 betrieben. Dann liefert der vierte Zylinder 4 Abgas für den in der Zündfolge vorangehenden dritten Zylinder 3 und der erste Zylinder 1 Abgas für den in der Zündfolge vorangehenden zweiten Zylinder 2.
2a zeigt die Ventilerhebungskurven A₁, A₂, E₁, E₂ eines abgasliefernden in Betrieb befindlichen ersten Zylinders 1 und eines abgasempfangenden abschaltbaren zweiten Zylinders 2 im Normalbetrieb.
2b zeigt die Ventilerhebungskurven A₁, A₂, E₁ eines abgasliefernden in Betrieb befindlichen ersten Zylinders 1 und eines abgasempfangenden abgeschalteten zweiten Zylinders 2 bei Teilabschaltung.
Bei der in 2b gezeigten Verfahrensvariante werden die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen des in Betrieb befindlichen ersten Zylinders 1 bei Teilabschaltung während des Ladungswechsels mit unveränderten Steuerzeiten betrieben. Die Ventilerhebungskurven A₁ und E₁ des ersten Zylinders 1 bleiben somit unverändert.
Die Einlassöffnungen des abgeschalteten zweiten Zylinders 2 werden bei Teilabschaltung geschlossen gehalten, weshalb die Ventilerhebungskurve E₁ entfällt. Hingegen werden die Auslassöffnungen des abgeschalteten zweiten Zylinders 2 bei Teilabschaltung mit veränderten Steuerzeiten betrieben.
Die Auslassöffnungen des abgeschalteten zweiten Zylinders 2 werden vorliegend geöffnet, kurz nachdem die Auslassöffnungen des in Betrieb befindlichen ersten Zylinders 1 geöffnet wurden. Der Versatz bzw. Verzug stellt sicher, dass der Kolben des abgasempfangenden zweiten Zylinders 2 nicht nahe des oberen Totpunktes (OT₂) mit den zugehörigen Auslassventilen kollidiert. Der erste Zylinder 1 liefert im Rahmen eines Ausschiebetaktes Abgas für den zweiten Zylinder 2. Unterstützt wird das Überleiten von Abgas durch eine aufwärtsgerichtete Hubbewegung des Kolbens des ersten Zylinders 1 sowie eine abwärtsgerichtete Hubbewegung des Kolbens des zweiten Zylinders 2 im Rahmen eines Ansaugtaktes.
Geschlossen werden die Auslassöffnungen des abgeschalteten zweiten Zylinders 2, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT₂) zum oberen Totpunkt (OT₂) befindet. Über die Schließzeit der Auslassöffnungen wird die im zweiten Zylinder 2 verbleibende Abgasmenge eingestellt, die derart bemessen wird, dass kein allzu großer Unterdruck im abgeschalteten Zylinder 2 bis zum nächsten Öffnen entsteht. Vorliegend werden die Auslassöffnungen des zweiten Zylinders 2 etwa 35°KW vor dem oberen Totpunkt (OT₂) geschlossen, wobei die zugehörigen Auslassventile unter Aufrechterhaltung eines verkleinerten Ventilhubs für einen vorgebbaren Kurbelwinkelbereich offen gehalten werden, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT₂) zum oberen Totpunkt (OT₂) befindet.
Die Auslassöffnungen des abgeschalteten zweiten Zylinders 2 werden nochmals geöffnet, wenn der zylinderzugehörige Kolben sich erneut auf dem Weg vom unteren Totpunkt (UT₂) zum oberen Totpunkt (OT₂) befindet und bevor die Auslassöffnungen des abgasliefernden ersten Zylinders 1 wieder geöffnet werden. Das zugehörige Auslassventil vollführt dabei einen verkleinerten Ventilhub. Die in den abgasempfangenden Zylinder 2 übergeleitete Abgasmenge wird ausgeschoben und via Abgasabführsystem abgeführt, um im nachfolgenden Arbeitsspiel erneut heißes Abgas einleiten bzw. überleiten zu können.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
1a: Auslassöffnung des ersten Zylinders
1b: Einlassöffnung des ersten Zylinders
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
2a: Auslassöffnung des zweiten Zylinders
2b: Einlassöffnung des zweiten Zylinders
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
3a: Auslassöffnung des dritten Zylinders
3b: Einlassöffnung des dritten Zylinders
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
4a: Auslassöffnung des vierten Zylinders
4b: Einlassöffnung des vierten Zylinders
5a: Überströmkanal der ersten Ladungswechselgruppe
5b: Überströmkanal der zweiten Ladungswechselgruppe
6a: integrierter Abgaskrümmer der ersten Ladungswechselgruppe
6b: integrierter Abgaskrümmer der zweiten Ladungswechselgruppe
7: Brennkraftmaschine, Vierzylinder-Reihenmotor
8: Zylinderkopf
8a: Längsachse des Zylinderkopfes
°KW: Grad Kurbelwinkel
A₁: Ventilerhebungskurve vom Auslass des ersten Zylinders
A₂: Ventilerhebungskurve vom Auslass des zweiten Zylinders
E₁: Ventilerhebungskurve vom Einlass des ersten Zylinders
E₂: Ventilerhebungskurve vom Einlass des zweiten Zylinders
UT: unterer Totpunkt
OT: oberer Totpunkt
UT₁: unterer Totpunkt des ersten Zylinders
OT₁: oberer Totpunkt des ersten Zylinders
UT₂: unterer Totpunkt des zweiten Zylinders
OT₂: oberer Totpunkt des zweiten Zylinders

Claims

Brennkraftmaschine (7) mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) einen Kolben umfasst, der im Betrieb der Brennkraftmaschine (7) zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) oszilliert, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung (1a, 2a, 3a, 4a) aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (1b, 2b, 3b, 4b) 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 diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (7) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – mindestens ein Ventile umfassender Ventiltrieb zum Steuern eines vier Takte umfassenden Ladungswechsels vorgesehen ist, wobei jedes Ventil entlang einer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung unter Vollführung eines maximalen Ventilhubs bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe mit einem bei Teilabschaltung abgeschalteten Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe via Überströmkanal (5a, 5b) verbindbar ist, wobei in diesem Überströmkanal (5a, 5b) mindestens ein Absperrelement vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (7) nach Anspruch 1 mit vier entlang einer Längsachse (8a) eines Zylinderkopfes (8) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Auslassöffnungen (1a, 2a, 3a, 4a) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1, 2, 3, 4) aufweist, – jeweils ein in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) und ein abschaltbarer Zylinder (2, 3) eine Ladungswechselgruppe bilden, wobei jede Ladungswechselgruppe einen außenliegenden Zylinder (1, 4) und den benachbarten innenliegenden Zylinder (2, 3) umfasst, – die Auslassöffnungen (1a, 2a, 3a, 4a) der zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) einer Ladungswechselgruppe sich gegenüberliegen, wobei die Abgasleitungen der Zylinder (1, 2, 3, 4) einer Ladungswechselgruppe unter Ausbildung eines im Zylinderkopf (8) integrierten Abgaskrümmers (6a, 6b) zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen, so dass das Abgasabführsystem der zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) einer Ladungswechselgruppe als Überströmkanal (5a, 5b) dient.
Brennkraftmaschine (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens zwei Auslassöffnungen (1a, 2a, 3a, 4a) jedes Zylinders (1, 2, 3, 4) jeweils entlang einer virtuellen Geraden angeordnet sind, welche mit der Längsachse (8a) des Zylinderkopfes (8) einen Winkel α bildet, mit 70° ≤ α ≤ 110°.
Brennkraftmaschine (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – eine virtuelle Gerade, welche eine Auslassöffnung (1a, 4a) des in Betrieb befindlichen Zylinders (1, 4) einer Ladungswechselgruppe mit einer Auslassöffnung (2a, 3a) des abschaltbaren Zylinders (2, 3) dieser Ladungswechselgruppe verbindet, durch den integrierten Abgaskrümmer dieser Ladungswechselgruppe hindurch verläuft.
Brennkraftmaschine (7) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement ein Auslassventil eines Zylinders (1, 2, 3, 4) ist.