DE3010787C2 - Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich

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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung gemäß DE-OS 29 OO 953.
Bekanntlich ergibt sich bei Brennkraftmaschinen mit zunehmender Belastung eine bessere Verbrennung und damit eine bessere Ausnutzung des Brennstoffs. In Anbetracht dieses Umstandes wurden Brennkraftmaschinen für Automobile, die häufigen Laständerungen unterworfen sind, geschaffen, die im Teillastbereich mit Zylinderabschaltung arbeiten. Derartige Motoren weisen aktive Zylinder auf, die sich stets im Betrieb befinden, und inaktive Zylinder, die außer Betrieb gesetzt werden, wenn die Motorlast unter einem bestimmten Wert liegt Bei Niedriglastbetrieb wird der Zufluß von Brennstoff und Luft zu den inaktiven Zylindern abgestellt, so daß der Motor nur mit den aktiven Zylindern arbeitet und damit deren Belastung entsprechend erhöht wird, was zu einer wirtschaftlicheren Brennstoffausnu!7.ung führt
Da bei einem solchen Motor im Teillastbetrieb die inaktiven Zylinder gegen den Ansaugrohrunterdruck ansaugen müssen, treten Pumpverluste an den inaktiven Zylindern auf, weshalb man dazu übergegangen ist, die inaktiven Zylinder mit Abgas zu spülen, wodurch sie nicht nur auf Betriebstemperatur gehalten werden, sondern auch ein Anstieg der Reibleistung und des Verschleißes verhindert wird. Ein derartiger Motor ist aus der Zeitschrift »mot« Nr. 2/1979, Seiten 36—38 bekannt.
Ein gleichartiger Motor, der zusätzlich mit einem Fühler für die Konzentration von Sauerstoff in den Abgasen versehen ist, um das Verhältnis Luft/Brennstoff auf dem stöchiometrischen Wert zu halten, und der ferner stromab von diesem Fühler einen katalytischen Dreiwegekonverter zur Reduzierung des Ausstoßes von im Abgas enthaltenen luftverschmutzenden Bestandteilen enthält, ist aus der DE-OS 29 00 953 bekannt. Hierbei ist der Abgasfühler bei Teilzylinderbetrieb bei niedriger Motorlast auch den von den inaktiven Zylindern umgewälzten Gasen ausgesetzt, was zu einer Verminderung der Temperatur des Abgasfühlers und damit zu einer Beeinträchtigung seines Arbeitsverhaltens führt, und ferner liefert der Abgasfühler eine das Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht genau kennzeichnende Information, was eine ungenaue Steuerung des Verhältnisses Luft/Brennstoff zur Folge hat. Da ein katalytischer Konverter bei stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis ein maximales Arbeitsverhalten zeigt, wird durch eine vom Abgasfühler abgegebene, dem tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht entsprechende Information die Leistung des katalytischen Konverters herabgesetzt, d. h„ der Ausstoß von luftverschmutzenden Bestandteilen im Abgas wird erhöht.
Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine der angegebenen Gattung sicherzustellen, daß der Abgasfühler und auch der katalytische Konverter warmgehalten werden, so daß sie in optimaler Weise arbeiten, um den zugeführten Brennstoff in hohem Maße auszunutzen und den Ausstoß an im Abgas enthaltenen Schadstoffen auf ein Minimum herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Durch die Anordnung des Abgasfühlers in einem Durchbruch der die beiden Abgas-Teilkanäle voneinander trennenden Wand ist er auch bei Teilzylinderbetrieb den heißen, in dem den aktiven Zylindern zugeordneten
Abgas-Teilkanal stromenden Gasen ausgesetzt, und durch das gegenüber dem Hubvolumen der inaktiven Zylinder größere Volumen des diesen zugeordneten Abgas-Teilkanals in dem stromauf von dem Anschluß des Abgasrückführkanals liegenden Bereich wird verhindert, daß von den inaktiven Zylinde.-n umgewälzte Gase zum Abgasfühler gelangen.
Die Patentansprüche 2 bis 5 haben vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des Patentanspruchs 1 zum Inhalt, worauf im Verlauf der folgenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsforrr.en eingegangen werden wird. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich gemäß einer ersten Ausführungsform;
F i g. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer solchen Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig.3 eine weitere schematische Schnittdarstellung >o einer solchen Brennkraftmaschine gemäß tiner dritten Ausführungsform.
Obgleich in den F i g. 1 bis 3 jeweils ein Sechs-Zylinder-Motor dargestellt ist, be; dem jeweils drei Zylinder (Nr. t —3) immer in Betrieb, d. h. aktiv, und drei Zylinder (Nr. 4—6) nur bei Vollastbetrieb aktiv, bei Teillastbetrieb jedoch abgeschaltet d. h. inaktiv, sind, ist der Erfindungsgegenstand auch bei Motoren mit anderen Zylinderzahlen anwendbar.
Bei dem in F i g. 1 gezeigten Motor wird Frischluft über einen Luftansaugkanal 22 und einen Ansaugkrümmer 24, welcher durch eine Trennwand 30 in voneinander getrennte Ansaug-Teilkanäle 26 unci 28 unterteilt ist, zugeführt. Der erste Ansaug-Teilkanal 26 führt die Luft den aktiven Zylindern Nr. 1—3 und der )■> zweite Ansaug-Teilkanal 28 den inaktiven Zylindern 4—6 zu. Der Luftansaugkanal 22 ist mit einer Drosselklappe 32 versehen. Im zweiten Ansaug-Teilkanal 28 ist stromab von der Drosselklappe 32 bzw. von der Anströmkame der Trennwand 30 ein Ventil 34 vorgesehen, das in seiner Schließstellung einen Lufteintritt in den zweiten Teilkanal 28 verhindert. Das Öffnen und Schließen des Ventils 34 erfolgt durch ein erstes druckbetätigtes Verstellglied 36, worauf noch näher eingegangen werden wird.
Der Motor hat ferner einen Abgaskanal 38, der durch eine Trennwand 44 in einen ersten und zweiten Abgas-Teilkanal 40 bzw. 42 unterteilt und mit einer Abgasleitung verbunden ist, in der ein katalytischer Dreiwegekonverter 48 enthalten ist. Der katalytische Konverter 48 bewirkt eine Oxidation von HC und CO und eine Reduktion des NOx-Gehaltes, wodurch der Ausstoß von luftverunreinigenden Bestandteilen aus der Abgasleitung herabgesetzt wird. Der katalytische Konverter 48 zeigt ein maximales Arbeitsverhalten bei stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis. Ein Abgasriickführkanal 50, im folgenden AR-Kanal genannt, mündet mit seinem einen Ende in den zweiten Abgas-Teilkanal 42, während das andere Ende des AR-Kanals in den zweiten Ansaug-Teilkanal 28 mündet, bo Der AR-Kanal 50 enthält ein Abgasrückführ-Regelventil (AR-Ventil) 52, das im geöffneten Zustand eine Rückführung von Abgasen in den zweiten Ansaug-Teilkanal 28 zuläßt. Das öffnen und Schließen des AR-Ventils 52 erfolgt über ein zweites druckbetätigtes ιί Verstellglied 54, auf das ebenfalls noch näher eingegangen werden wird.
In der Trennwand 44 ist eine Durchbrechung 46 an einer stromab von der Mündung des AR-Kanals 50 gelegenen Stelle ausgebildet und in dieser Durchbrechung ist ein Abgasfühler 56, z. B. ein Sauerstoffühler, aufgenommen. Während des Betriebs mit sechs Zylindern ist der Abgasfühler 56 den von sämtlichen Zylindern Nr, 1—6 abgegebenen Abgasen ausgesetzt, um den mittleren Sauerstoffgehalt der an ihm vorbeiströmenden Abgase zu bestimmen und das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu ermitteln, bei dem der Motor gerade betrieben wird. Der Abgasfühler 56 liefert ein Rückkopplungssignal an eine nicht gezeigte Steuereinrichtung, das für das Luft/Brennstoff-Verhältnis kennzeichnend ist, so daß sichergestellt wird, daß der dem Motor zugeführte Brennstoff zum Aufrechterhalten eines optimalen Luft/Brennstoff-Verhältnisses, d. h. dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft/Brennstoff, eingeregelt ist
Der Abgasfühler 56 sollte stets oberhalb einer bestimmten Temperatur verbleiben, um sein Arbeitsverhalten auf einem optimalen Niveau zu halten. Um zu verhindern, daß die Abgase von den inaktiven Zylindern Nr. 4—6 direkt zum Abgasfühler 56 gelangen, ist der zweite Abgas-Teilkanal 42 so ausgelegt, daß sein Rauminhalt stromauf von der Mündung des AR-Kanals 50 größer als das Hubvolumen der inaktiven Zylinder Nr. 4—6 ist, und ferner wird der Abgasfühler 56 an einer Stelle stromab von der Mündung des AE-Kanals 50 angeordnet, wobei sein Abstand zu dieser Mündung vorzugsweise 25 mm oder mehr betragen soll, um jegliche Beeinflussung durch rückgeführte Abgase weitestgehend auszuschalten.
Das erste druckbetätigte Ventil-Verstellglied 36 für das im zweiten Ansaug-Teilkanal 28 befindliche Ventil 34 enthält eine flexible Membran 36a, die zwischen zwei Gehäuseteilen befestigt ist und mit diesen zusammen je eine Kammer 36b und 36c bildet. An der Membran 36a ist mittig eine Stange befestigt, die sich durch eine Öffnung in der Kammer 36czum Ventil 34 hin erstreckt. In der Kammer 36b ist eine Feder abgestützt, die die Membran 36a nach unten drückt. Die Kammer 36a steht mit einer Öffnung 58a eines Dreiwege-Magnetventils 58 in Verbindung. Das Magnetventil 58 hat eine mit der Atmosphäre verbundene öffnung b und eine mit einem Unterdruckbehälter 60, der auf einem bestimmten Unterdruck gehalten wird, verbundene öffnung c. Das zweite druckbetätigte Ventil-Verstellglied 54, das dem AR-Ventil 52 zugeordnet ist, hat einen im wesentlichen gleichartigen Aufbau wie das erste Ventil-Verstellglied 36, mit einer Kammer 54a, einer Kammer 546 und einer Feder 54c in der Kammer 54b. Die Kammer 54b des zweiten Veniil-Verstellglieds 54 steht mit der Öffnung (62)a eines zweiten Dreiwege-Magnetventils 62 in Verbindung, das eine mit der Atmosphäre verbundene öffnung (62)b und eine mit dem Unterdruckbehälter 60 verbundene öffnung (62)c hat.
Wenn die Motorlast unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, stellen das erste und zweite Magnetventil 58, 62 eine Verbindung zwischen ihren Unterdrucköffnungen 58c und 62c und ihren öffnungen (58)a, (62)a her, um den Unterdruck von dem Behälter 60 den Kammern 36b und 54b zuzuführen, so daß das Ventil 34 im Ansaug-Teilkanal 28 geschlossen und das AR-Ventil 52 geöffnet werden. Bei hohen Motorlasten stellen das erste und zweite Magnetventil 58, 62 eine Verbindung zwLchen ihren zur Atmosphäre hin gerichteten Öffnungen (58)b, (62)b und ihren öffnungen (58)a, (62)a her, so daß Atmosphärendruck in den Kammern 36b und 546 anliegt, wodurch das Ventil 34 geöffnet und das
AR-Ventil 52 geschlossen werden. Der Betrieb des ersten und zweiten Dreiwege-Magnetventils 58,62 kann durch die auf die Motorlasten ansprechende Steuereinrichtung des Motors gesteuert werden, um die Brennstoffzufuhr zu den inaktiven Zylindern abzustel- ■"> len, wenn die Motorlast einen bestimmten Wert unterschreitet.
Die Arbeitsweise des im Teilzylinderbetrieb arbeitenden Motors ist folgende: Wenn die Motorlast über einem bestimmten Wert liegt, dann sprechen das erste ι» und zweite Magnetventil 58, 60 auf die Steuerung des Motors an und schaffen eine Verbindung zwischen ihren zur Atmosphäre gerichteten Öffnungen 586, 626 und ihren Öffnungen 58a und 62a, so daß in den Kammern 366 und 546 des ersten bzw. zweiten Ventil-Verstell- r> glieds 36, 54 Atmosphärendruck herrscht. Somit öffnet das Ventil 34, so daß Frischluft zur zweiten Zylindergruppe Nr. 4—6 gelangen kann, während gleichzeitig das AR-Ventil 42 geschlossen wird, um die Abgasrückführung zu unterbrechen; der Motor ist mit allen 2u Zylindern im Betrieb.
In diesem Betriebszustand ist der Abgasfühler 56 den Abgasen, die von den beiden Zylindergruppen Nr. 1—3 und Nr. 4—6 stammen, ausgesetzt, wobei die heißen Abgase aus Verbrennungsvorgängen herrühren, die im wesentlichen gleichzeitig stattfinden, und die Abgase erreichen den Abgasfühler 56 kurz nach ihrer Entstehung, womit der Fühler 56 auf einer für ein maximales Betriebsverhalten günstigen hohen Temperatur gehalten wird, so daß das Luft/Brennstoff-Verhält- Jo nis, bei dem der Motor augenblicklich läuft, auch auf dem stöchiometrischen Wert gehalten werden kann. Dies ist eine günstige Voraussetzung für ein maximales Arbeitsverhalten des katalytischen Dreiwegekonverters 48, so daß der Ausstoß an Schadstoffen durch die Abgasleitung minimal ist.
Wenn die Motorlast unter den bestimmten Wert absinkt, sprechen das erste und das zweite Magnetventil 58, 60 auf das die Brennstoffzufuhr zu der Gruppe der Zylinder Nr. 4—6 unterbrechende Steuersystem des ^o Motors an, so daß die Öffnungen 58a, 62a der Ventile mit ihren Unterdrucköffnungen 58c; 62c verbunden werden, was dazu führt, daß in den Kammern 366 und 546^Jes ersten bzw. zweiten Ventil-Verstellglieds 36 bzw. 54 Unterdruck herrscht Infolgedessen schließt das Ventil 34 im Ansaug-Teilkanal 28 und verhindert einen Zufluß von Frischluft zu den nun inaktiven Zylindern Nr. 4—6, während gleichzeitig das AR-Ventil 52 öffnet, um eine große Menge Abgas zu den inaktiven Zylindern Nr. 4—6 zurückzuführen; der Motor arbeitet nun im so Teilzylinderbetrieb allein mit den Zylindern Nr. 1 —3.
In diesem Betriebszustand steigen die Lasten an den aktiven Zylindern Nr. 1 —3 aufgrund der Aussetzung des Betriebs der Zylinder Nr. 4—6 relativ an, wobei jedoch die Pumpverluste in den inaktiven Zylindern Nr. 4—6 5S durch die Umwälzung einer großen Abgasmenge verringert werden, was zu einer verbesserten Brennstoffausnutzung führt.
Da die Mündung des AR-Kanals 50 an einer Stelle stromauf vom Abgasfühler 56 liegt und der zweite <>0 Abgas-Teilkanal 42 so gestaltet ist, daß sein Rauminhalt stromauf von der Mündung des AR-Kanals 50 größer als das Hubvolumen der inaktiven Zylinder Nr. 4—6 ist, strömt der größte Teil der abgekühlten, von den inaktiven Zylindern Nr. 4—6 bei jedem Kolbenausstoß- b5 hub abgegebenen Abgase in den AR-Kanal (vgl. die ausgezogenen Pfeile in F i g. 2) und nicht am Abgasfühler 56 vorbei, der daher nur den heißen Abgasen ausgesetzt ist, die von den aktiven Zylindern Nr. I—3 stammen (vgl. gestrichelte Pfeile in Fig. 2), so daß der Fühler 56 auf einem für sein maximales Arbeitsverhalten günstigen hohen Temperaturniveau verbleibt und das Luft/Brennstoff-Verhältnis, bei dem der Motor läuft, auf dem stöchiometrischen Wert gehalten werden kann. Dies ist maßgebend für ein maximales Arbeitsverhalten des katalytischen Dreiwegekonverters 48, um den Ausstoß von Schadstoffen durch die Abgasleitung zu minimieren.
Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Der Hauptunterschied zwischen der ersten und zweiten Ausführungsform liegt darin, daß an einer Stelle stromauf vom Abgasfühler 56 und stromab von der Mündung des AR-Kanals 50 ein Ventil 70 vorgesehen ist, das durch ein drittes druckbetätigtes Ventil-Verstellglied 72 gesteuert wird, welches einen im wesentlichen gleichartigen Aufbau wie das erste druckbetätigte Ventil-Verstellglied 36 hat. Die Kammer 726 des dritten Verstellglieds 72 steht mit einer Öffnung (74)6 und eine mit dem Unterdruckbehälter 60 verbundene Öffnung (74)c hat.
Das dritte Magnetventil 74 spricht ebenfalls auf die Steuereinrichtung des Motors an und stellt eine Verbindung zwischen seiner Öffnung 746 und seiner Öffnung 74a her, wenn die Motorlast über einem bestimmten Wert liegt, um in der Kammer 726 des dritten Ventil-Verstellglieds 72 Atmosphärendruck zur Wirkung zu bringen und damit das Ventil 70 zu öffnen. Bei niedriger Last verbindet das dritte Magnetventil 74 seine Unterdrucköffnung (74)c mit seiner Öffnung (74)a, so daß in der Kammer 726 des dritten Ventil-Verstellglieds 72 Unterdruck anliegt und das Ventil 70 geschlossen wird.
Während des Teilzylinderbetriebs schließt das Ventil 70 den zweiten Abgas-Teilkanal 42, was gewährleistet, daß die gesamte, von den inaktiven Zylindern Nr. 4—6 umgewälzte Abgasmenge in den AR-Kanal 50 strömt, womit der Abgasfühler 56 nur den heißen Abgasen ausgesetzt ist, die von den aktiven Zylindern Nr. 1—3 abgegeben werden, so daß wieder die für ein maximales Betriebsverhalten von Abgasfühler und katalytischem Dreiwegekonverter maßgebenden Bedingungen gewährleistet sind.
Die F i g. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform, wobei noch ein Zweigkanal 80 vorgesehen ist, der mit seinem einen Ende in den zweiten Abgas-Teilkanal 42 an einer Stelle mündet, die dem Abgasfühler 56 gegenüberliegt, während das andere Ende des Zweigkanals 80 im AR-Kanal 50 mündet Der Zweigkanal 80 enthält eine Drosselblende 82. Während des Teilzylinderbetriebs, wobei das Ventil 70 geschlossen ist, wird über den Zweigkanal 80 eine Verbindung zwischen dem zweiten Abgas-Teilkanal 42 und der Abgasleitung geschaffen, was sich als wirksam erwiesen hat um die Möglichkeit des Entstehens eines übermäßigen Druckunterschieds zwischen den aktiven und inaktiven Zylindern auszuschließen. Falls die von den inaktiven Zylindern ausgestoßenen Abgase durch den Zweigkanal 80 strömen, ergeben sich keine Schwierigkeiten, da sie nicht über den Abgasfühler 56 fließen können.
Ausführungsgemäß ist der Abgasfühler an einer Stelle stromab von der Mündung des AR-Kanals angeordnet und der zweite Abgas-Teilkanal ist so ausgelegt, daß sein Rauminhalt stromauf von der Mündung des AR-Kanals größer als das Hubvolumen der inaktiven Zylinder ist Hierdurch wird der Abgasfühler während des Teilzylinderbetriebs auf hoher Temperatur gehal-
ten, so daß sein Arbeitsverhallen stets optimal ist, um eine genaue Rückkopplungssteuerung für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis zu schaffen und damit die Arbeitsbedingungen für den katalytischen Konverter so zu gestalten, daß der Ausstoß an luftverunreinigenden Stoffen durch die Abgasleitung minimal ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich, mit einer Mehrzahl von in eine erste sowie zweite Gruppe unterteilten Zylindern, mit einem eine Drosselklappe enthaltenden Ansaugkanal, der stromab von der Drosselklappe in einec ersten sowie zweiten Teilkanal unterteilt ist, von denen der erste Teilkanal mit der ersten Zylindergruppe und der zweite Teilkanal, der ein diesen öffnendes bzw. schließendes Ventil aufweist, mit der zweiten Zylindergruppe in Verbindung ist, mit einem Abgaskanal, dessen stromauf gelegener Teil durch eine Trennwand in einen ersten, mit der ersten Zyündergruppe verbundenen und einen zweiten, mit der zweiten Zylindergruppe verbundenen Teilkanal unterteilt ist und der stromab von den Teilhanälen in einen katalytischen Dreiwegekonverter mündet sowie stromauf von dem Konverter einen die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfassenden Fühler aufweist, welcher stromab von einem Abgasrückführkanal, dessen eines Ende in den zweiten Abgas-Teilkanal und dessen anderes Ende in den zweiten Ansaug-Teilkanal mündet und der mit einem Abgasrückführ-Regelventil versehen ist, angeordnet ist, und mit einer auf die Motorlast ansprechenden, bei einer unter einem vorbestimmten Wert liegenden Last die Brennstoffzufuhr zur zweiten Zylindergruppe unterbrechenden, das Ventil im zweiten Ansaug-Teilkanal schließenden und das Abgasrückführ-Regelventil öffnenden Motor-Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasfühler (56) in einem in der Trennwand (44) ausgebildeten Durchbruch (46) angeordnet ist und daß der zweite Abgas-Teilkanal ^ (42) stromauf von dem in diesen mündenden Ende des Abgasrückführkanals (50) ein gegenüber dem Hubvolumen der zweiten Zylindergruppe größeres Volumen hat.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasfühler (56) in einem Abstand von mehr als 25 mm von dem in den Abgas-Teilkanal (42) mündenden Ende des Abgasrückführkanals (50) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Abgas-Teilkanal (42) zwischen der Mündung des Abgasrückführkanals (50) und dem Abgasfühler (56) ein auf die Motor-Steuereinrichtung ansprechendes, bei einer unter dem vorbestimmten Wert liegenden Motorlast den zweiten Abgas-Teilkanal schließendes Ventil (70) vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Zweigkanal (80), der mit seinem einen Ende in den Abgasrückführkanal (50) und mit seinem anderen Ende an einer dem Abgasfühler (56) gegenüberliegenden Stelle in den zweiten Abgas-Teilkanal (42) einmündet.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zweigkanal (80) eine Drosselblende (82) angeordnet ist.
DE3010787A 1979-03-26 1980-03-20 Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung im Teillastbereich Expired DE3010787C2 (de)

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