BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Verbrennungs-Otto motor für Kraftfahrzeuge der sogenannten modularen Bauart,
durch die er in der Lage ist, mit einer entsprechend der ab zugebenden Leistung veränderlichen Anzahl arbeitender Zylin
der zu laufen.
Unter den von den Verbrennungsmotorenherstellern getroffenen
Massnahmen, um insbesondere bei niedrigem Leistungsbedarf
weniger zu verbrauchen, hat sich die Steuerung der Anzahl arbeitender Zylinder in Abhängigkeit von der abzugeben
den Leistung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ist es möglich, in Zusammenhang mit der gewünschten Leistung eine veränderliche Anzahl arbeitender Zylinder zu benutzen,
so gelingt es, den Motor besser auszunutzen, weil sich dabei die Zylinder besser füllen lassen, die Pumpe weniger
arbeitet und daher die Nutzarbeit je Takt grosser ist; das Ergebnis ist eine Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauches.
Die Ersparnis hängt zwar von dem zum Entaktivieren der Zylinder angewandten System ab, ist jedenfalls
schon im Fall-bedeutend, wo sich das Entaktivieren auf
das einfache Absperren der Kraftstoffzufuhr zu den nicht arbeitenden
Zylindern beschränkt.
Es ist auch bekannt, dass man zur Verminderung des Kraftstoffverbrauches
dazu neigt, Motoren mit immer höheren Verdichtungsverhältnissen auszuführen; die Klopfgefahr, besonders
bei höheren Lasten, setzt jedoch gewisse Grenzen den Erhöhungsmöglichkeiten der Verdichtungsverhältnisse.
Anderseits ist es bei Wagen der mittleren und hohen Klasse
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wünschenswert, über temperamentvolle Motoren zu verfugen,
insbesondere wenn hohe Leistungs- oder Drehmomentwerte verlangt werden.
Man hat deshalb eine Lösung gesucht, die bedeutende Kraftstoffersparnis
ermöglicht, wenn ein bescheidener Motorleistungsaufwand verlangt wird, aber gleichzeitig ausgezeichnete
Leistungen sicherstellt, wenn ein hoher Motorleistungs aufwand verlangt wird.
Diese Aufgabe wurde mit einem Motor der modularen Bauart gelöst, bei dem eine erste Gruppe von arbeitenden Zylindern,
die einen Anteil der höchsten Motorleistung abgeben sollen, ein höheres geometrisches Verdichtungsverhältnis von mehr
als 12,5:1 aufweist, während eine zweite Gruppe von arbeiten den Zylindern, die den ergänzenden Anteil der höchsten Motor
leistung abgeben sollen, ein niedrigeres geometrisches Verdichtungsverhältnis als die erste Zylindergruppe hat, und
zwar höchstens 9,5:1; ausserdem ist der Motor aufgeladen, so dass die tatsächliche Verdichtung das beste Verhältnis
zwischen Leistungen und Klopfgrenze gewährleistet.
Insbesondere werden die Zylinder der ersten, durch ein hohes Verdichtungsverhältnis gekennzeichnetem Gruppe dazu gesteuert,
von Leerlauf bis Vollgas, bei den Bedingungen, bei denen vom Motor ein massiger Leistungsaufwand verlangt wird,
und bis zu einer vorgewählten Gren^kurve entsprechenden Leistungswerten
allein zu arbeiten; bei diesen Bedingungen, die denjenigen des Stadtverkehrs entsprechen können, erzielt
man ein Höchstmass an Kraftstoffersparnis und es gelingt,
sich mit richtig gewählten Zündverstellungen innerhalb ziemlich guter Klopfgrenzen zu halten.
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Bei den Bedingungen, bei denen dagegen ein höhererJLeistungs
aufwand als derjenige der oben erwähnten Grenzkurve bis zu den der höchsten Leistungskurve des Motors entsprechenden
der Werten verlangt wird, werden auch die Zylinder zweiten Grug
pe, die aufgeladen ist, zur Arbeit von Leerlauf bis Vollgas gesteuert; unter diesen Bedingungen ist der Motor in der La
ge, hinsichtlich Geschwindigkeit, Auftourenkommen und Beschleunigung
äusserst gute Leistungen zu liefern.
Bei einer bevorzugten Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe
ist der Motor dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer ersten Zylindergruppe mit einem hohen geometrischen Verdichtungsverhältnis
von mehr als 12,5:1 und aus einer zweiten Zylindergruppe mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis
von höchstens 9,5:1 besteht, dass die erste Zylindergruppe mit einem ersten Gemischzufuhrsystem mit entsprechen
den, ersten Drosselmitteln verbunden ist, dass die zweite Zylindergruppe mit einem zweiten Gemischzufuhrsystem mit
entsprechenden, zweiten Drosselmitteln verbunden ist, wobei
das Zufuhrsystem der zweiten Zylindergruppe auch Aufladungs mittel und Kraftstoff zufuhrabsperrmittel auf v/eist, dass die
ersten und zweiten Drosselmittel jeweils durch erste und zweite Kraftschalter betätigt werden, wobei Mittel zur Steue
rung der Betätigung mit den ersten und zweiten Kraftschaltern sowie mit den Aufladungs- und den Absperrmitteln in Wirkverbindung
stehen, um die ersten Drosselmittel zum Dosieren der Kraftstoffzufuhr zur ersten Zylindergruppe zu steuern
und um die Absperrmittel zum Absperren der Kraftstoffzufuhr
zur zweiten Zylindergruppe zu steuern, und zwar nach vorbestimmten Werten von vorgewählten Motorparametern und für ei
nen Motorleistungsaufwand, der unterhalb der einer vorgewählten Grenzkurve entsprechenden Werte liegt; um die Ab-
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sperrmittel zur Wiederzufuhr von Kraftstoff zur zweiten Zylindergruppe
zu steuern, um die Aufladungsmittel· zur Steige rung des Ladedruckes der Kraftstoff zufuhr zur zweiten Zylin
dergruppe bis zu einem vorbestimmten Wert zu steuern und um die ersten und zweiten Drosselmittel zum Dosieren der Kraft
stoffzufuhr zur entsprechenden Zylindergruppe zu steuern, und zwar nach weiteren, vorbestimmten Werten der vorgewählten
Motorparameter und für einen Motorleistungsaufwand, der
höher als die Grenzkurve liegt und bis zu den Werten der höchsten Motorleistungskurve gelangt.
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
an Hand der beiliegenden Figuren 1, 2 und 3 näher beschrieben, die zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
als nicht beschränkendes Beispiel darstellen.
In Fig. 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Verbrennungsmotor schematisch dargestellt, der in diesem Fall
sechs Zylinder in 60 -V-Anordnung aufweist; mit 11, 12, 13 sind die drei Zylinder der rechten Reihe 14 bezeichnet, die
ein geometrisches Verdichtungsverhältnis mit hohem Wert, zum Beispiel zwischen 13:1 und 15:1, haben? mit 15, 16, 17
sind die drei Zylinder der linken Reihe 18 bezeichnet; das geometrische Verdichtungsverhältnis letzterer drei Zylinder
liegt zwischen 8:1 und 9:1.
Mit 19, 20, 21 sind die Einlassventile der Zylinder 11, 12, 13 und mit 22, 23, 24 die entsprechenden vom Krümmer 25
stammenden Einlasskanäle bezeichnet; mit 26 ist die Drossel der vom Krümmer 2 5 angesaugten Luft und mit 27 der entsprechende
Filter bezeichnet.
In diesem Fall handelt es sich einen Motor mit Benzineinspritzung und die Einlasskanäl·e sind daher je mit Einspritz
ventilen 28, 29, 30 versehen, die über die Leitungen 31, 32 und 33 von der Exnspritzleistungsstufe betätigt werden, die
durch den Block 34 schematisch dargestellt ist, der mit der allgemein mit 35 bezeichneten Motorsteueranlage der Art eines
Mikrocomputers in Wirkverbindung steht.
Mit 36, 37, 38 sind die Einlassventile der Zylinder 15, 16,
17 und mit 39, 40, 41 die entsprechenden vom Krümmer 42 stammenden Einlasskanäle bezeichnet.
Vor dem Krümmer 42 ist ein mit 101 bezeichneter Schleuderla
der angeordnet, der die Aufgabe erfüllt, den Ladedruck der von den Zylindern 15, 16, 17 angesaugten Luft zu steigern;
mit 111 ist ein Motorluftkühler bezeichnet.
Mit 43 ist die Drossel der vom Krümmer 42 angesaugten Luft und mit 44 der entsprechende Filter bezeichnet.
Mit 45, 46, 47 sind die Einspritzventile bezeichn-et, die
das Benzin zu den Zylindern 15, 16, 17 fördern; diese werden
ebenfalls über Leitungen 48, 49, 50 von der mit der Steueranlage 35 in Wirkverbindung stehenden Leistungsstufe
34 betätigt.
Die Drosseln 26 und 43 stehen mit den entsprechenden Kraftschaltern
51, 52 in Wirkverbindung, die hydraulisch, pneuma tisch, elektrisch oder gemischt angetrieben werden können,
bekannt und daher durch die Blöcke 51, 52 nur schematisch dargestellt sind; auch die Kraftschalter 51, 52 werden durch
die Steueranlage 35 gesteuert, wie weiter unten beschrieben.
Mit 53,54, 55, 56, 57, 58 sind die Zündkerzen der sechs Motorzylinder
bezeichnet; die Zündkerzen sind durch Leitungen 59', 60, 61, 62, 63, 64 mit dem Block 65 verbunden, der die
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Zündleiatungsstufe sowie den Hochspannungsverteiler für die
Zündkerzen umfasst und mit der Steueranlage 35 in Wirkverbindung steht.
Die Auslassventile der Zylinder 11, 12, 13 sind mit 66, 67, 68 und die Auslasskanäle mit 69, 70, 71 bezeichnet, die in
den Krümmer 72 auslaufen, der mit der Radialturbine 102 ver sehen ist, deren Welle 103 den Schleuderlader mitnimmt, der
mit dem Bypassventil 104 der Turbine 102 und mit dem Schall dämpfer 73 versehen ist.
Die Auslassventile der Zylinder 15, 16, 17 sind mit 74, 75,
76 und die Auslasskanäle mit 77, 78, 79 bezeichnet, die in
den Krümmer 80 auslaufen, der mit dem Schalldämpfer 81 versehen ist.
Die Steueranlage 35 ist ein Mikrocomputer, der aus einer zen tralen Mikroprozessoreinheit (CPU) 82, einer Ein- und Ausgabeeinheit
83, einem Lese-Schreib-Speicher (RAM) 84, einem Festspeicher (ROM) 85 und einer Zeitgebereinheit 86 besteht.
Mit 87 ist die S amme Is ehe ine (Bus) für die Datenadr-essen
und zur Steuerung bezeichnet.
Die in den Mikrocomputer 35 eingegebenen Signale entsprechen folgenden Motorparametern, die durch geeignete Fühler
(nicht dargestellt, weil an sich bekannt) übertragen werden: Motordrehzahl und Steuerzeitwinkel zu einem vorgewählten Anhaltswert,
durch den Pfeil 90 dargestellt; Winkel der Drossel 26, durch den Pfeil 91 dargestellt; Winkel der Drossel
43, durch den Pfeil 92 dargestellt; Temperatur der vom Motor angesaugten Luft, durch den Pfeil 9 3 dargestellt; Motorkühlwassertemperatur,
durch den Pfeil 94 dargestellt; even-
tuelle Verbrennungsstörungen wegen Klopfwirkung, durch den
Pfeil 95 dargestellt; Überdruck im Krümmer 42, durch den Pfeil 104 dargestellt.
In den Mikrocomputer werden weitere, ebenfalls von geeigneten Aufnahmegeräten gelieferte Signale eingegeben, und zwar
das Signal, das der Lage des Gaspedals entspricht, ein Kenn wert des vom Motor verlangten Leistungsaufwandes und durch
den Pfeil 9 6 dargestellt ist, sowie das Signal, das ein Kennwert des im Krümmer 42 herrschenden Druckes und durch
den Pfeil 112 dargestellt ist.
Mit 88 sind allgemein die Analog-Digital-Umsetzer der "im Mi
krocomputer eingegebenen Signale und mit 89 die Linie der Signaleingabe in den Mikrocomputer bezeichnet.
Im Festspeicher (ROM) 85 sind die Verarbeitungsprogramme der zentralen Mikroprozessoreinheit (CPU) 82 und die Daten des
Motorvergasungsplanes enthalten, d.h. die bei jedem Takt der arbeitenden Zylinder in Abhängigkeit von den vorgewählten
Motorparametern (Motordrehzahl, Winkel der Kraftstoffzu
fuhrdrosseln, Temperatur der angesaugten Luft, Temperatur des Motorkühlmittels) einzuspritzenden Benzinmengen; der
Speicher 85 enthält auch die Daten des Motorbetriebsplanes in Abhängigkeit von den von vorgewählten Motorparametern an
genommen Werten und aufgrund des verlangten Leistungsaufwan
des: für einen bescheidenen Leistungsaufwand bis zu einer vorgewählten Grenzkurve entsprechenden Werte sollen nur die
drei Zylinder 11, 12, 13 arbeiten, so dass beim Öffnen nur die Einspritzventile 28, 29, 30 betätigt werden; für einen
höheren Leistungsaufwand als derjenige der Grenzkurve sollen
alle sechs Einspritzventile 28-30 und 45-47 betätigt werden.
In diesem Zusammenhang ist in Fig. 2 ein Kurvenbild der vom Motor in Abhängigkeit von der Motordrehzahl η abgegenen Lei
stung N dargestellt; die Grenzkurve ist mit A und die Höchst
leistungskurve mit B bezeichnet.
Der Speicher 85 enthält auch das dem für den Überdruck im
Krümmer 42 zugelassenen Grenzwert entsprechende Datum.
Der Speicher 85 enthält ebenfalls die Daten des Zündverstel lungsplanes zum o.T. in Abhängigkeit von vorgewählten Motor
Parametern (Motordrehzahl, Drosselwinkel,Motorkühlmitteltem peratur, Signal einer eventuellen Klopfwirkung) und ausserdem
die Daten des Betätigungsplanes der Drosseln 26 und 43, d.h. der Winkelstellungen, die sie in Abhängigkeit von dem
durch die Gaspedallage dargestellten, verlangten Leistungsaufwand des Motors annehmen sollen, sowie in Abhängigkeit
von den augenblicklichen Motorbetriebsbedingungen: für einen bescheidenen Leistungsaufwand bis zur Grenzkurve A von
Fig. 2 arbeiten nur die Zylinder 11-13 und nur die Drossel 26 wird dazu gesteuert, von Leerlauf bis zu Vollgas zu wirken;
wird in diesem Fall die Drossel 43 offen gehalten, so lädt der Lader 101 die vom Krümmer 42 zugeführte Luft auf,
wobei die Abgase der arbeitenden Zylinder 11-13 durch die
Turbine 102 fHessen; die zu den arbeitenden Zylindern 15-17
gelangende Druckluft verhindert Lecköl aus den Kolbenrin gen und trägt dazu bei, die Abkühlung sowie den Leistungsverlust der Zylinder wegen ihrer Mitnahme zu beschränken.
Für einen höheren Leistungsaufwand als derjenige der Grenzkurve A und bis zur Höchsleistungskurve B von Fig. 2 arbeiten
alle Zylinder 11-13 und 15-17 und die Drossel 26 wird dazu gesteuert, zusammen mit der Drossel 43 zu wirken.
In diesem Fall werden die Zylinder 15-17 durch den Lader 101 aufgeladen und der Aufladungsgrad hängt von der durch
die Turbine fliessenden Abgasmenge ab; überschreitet der Überdruck im Krümmer 42 einen vorbestimmten Grenzwert, so
steuert der Mikrocomputer über den Kraftschalter 105 das By
passventil 104 dazu, einen Teil des Abgases gemäss dem durch den Pfeil 113 dargestellten Steuersignal abzulenken.
Für einen Leistungsaufwand daher, der zwar höher als derjenige der Grenzkurve A, aber niedriger als die Höchstleistungskurve
ist, liefern die beiden Zylinderreihen 14 und 18 je einen Leistungsanteil der gewünschten Gesamtleistung
und die beiden Anteile werden durch Steuern des gleichzeiti gen öffnens der beiden Drosseln 2 6 und 43 zwischen den beiden
Zylinderreihen so eingeteilt, dass der Motor vollständig, aber mit dem kleinstmöglichen Verbrauch läuft; es ist
zum Beispiel möglich, die Drossel 43 ganz zu öffnen, während die Drossel 26 von der kleinsten bis zur grössten Öffnung
geregelt wird.
Die über die Ausgabelinie 110 aus dem Mikrocomputer austretenden
Signale bestehen aus der durch den Pfeil 97 dargestellten und zum Kraftschalter 51 gelangenden Steuerung zum
Positionieren der Drossel 26; aus der durch den Pfeil 98 dargestellten und zum Kraftschalter 52 gelangenden Steuerung
zum Positionieren der Drossel 43; aus der durch den Pfeil 99 dargestellten und zur Leistungsstufe 34 gelangenden
Steuerung zum Öffnen der Einspritzventile; aus der durch den Pfeil 100 dargestellten und zur Leistungsstufe 65 gelangenden
Steuerung zum Zünden der Kerzen; und schliesslich aus der Steuerung des Bypassventils 104 (Pfeil 113).
Die Signale zur Steuerung zum Positionieren der Drosseln 26 und 4 3 werden durch den Mikrocomputer 35 aufgrund der äugen
blicklichen Betriebsbedingungen des Motors und der Lage des Gaspedals nach den vorgeschriebenen, im Speicher 35 gespeicherten
Werten, verarbeitet.
Der Mikrocomputer berechnet die Öffnungszeit der Einspritzventile in Abhängigkeit von den je Takt einzuspritzenden,
im Speicher 85 gespeicherten Benzinmengen aufgrund der gemessenen Motorparameter und steuert über die Zeitgeber der
Einheit 86 das Öffnen der Einspritzventile, die betätigt wer den sollen: drei, 28-30, oder sechs, 28-30 und 45-47, nach
der Zündfolge der Zylinder, zum Beispiel wie es in der deutschen Patentanmeldung P 3034069.3 der Anmelderin beschrieben
ist.
Der Mikrocomputer berechnet die Zündzeit der Kerzen in Abhängigkeit
von den im Speicher 85 gespeicherten Verstellwin kein aufgrund der gemessenen Motorparameter und steuert die
Zündung der Kerzen nach der Zündfolge der Zylinder, zum Bei spiel wie es in der deutschen Patentanmeldung P 3034097.7
der Anmelderin beschrieben ist.
In Fig. 3 ist eine Variante des Motors laut Fig. 1 dargestellt und alle gemeinsamen Teile sind mit den gleichen Num
mern bezeichnet.
In diesem Fall ist vor dem Zufuhrkrümmer 42 ein Verdrängungs lader 106 angeordnet, der über die Welle 107 und das Getriebe
108 vom Motor 10 mechanisch angetrieben wird.
Im Getriebe 108 ist eine Magnetkupplung 114 vorgesehen, die
durch den Mikrocomputer 35 über das vom Pfeil 109' dargestell-
te Signal und über den Kraftschalter 115 dazu gesteuert
wird, den Lader nur bei bestimmten Betriebsbedingungen, zum Beispiel für vorbestimmte Werte der Motordrehzahl und/
oder für vorbestimmte Gaspedallagen, mit dem Motor zu verbinden.
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