DE3601700A1

DE3601700A1 - Mehrzylindrige brennkraftmaschine mit kraftstoffeinspritzung, insbesondere turbomotor

Info

Publication number: DE3601700A1
Application number: DE19863601700
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Haberkern; Gerhard Dipl Phys Lotterbach; Jan Faas Van Woudenberg; Udo Dipl Phys Zucker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-01-22
Filing date: 1986-01-22
Publication date: 1987-07-23
Also published as: IT1201140B; FR2593234A1; FR2593234B1; JPS62189352A; US4742681A; IT8719071A0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer mehrzylindrigen Brenn kraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere von einem Turbomotor, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei solchen mit einem Turbolader ausgerüsteten Brennkraft- oder Verbrennungskraftmaschinen wird die Energie des Ab gases genutzt, um die Turbine anzutreiben, die wiederum den mit ihr verbundenen Verdichter oder Kompressor an treibt, wodurch der Ladedruck der den Zylindern zugeführ ten Verbrennungsluft erhöht wird und dadurch die Brenn kraftmaschine ein erhöhtes Drehmoment erzeugt.

Bei geringen Massendurchsätzen in den Zylindern, wie dies beim Schiebe- oder Schubbetrieb der als Motor eines Kraftfahrzeuges ausgebildeten Brennkraftmaschine oder bei tiefer Teillast der Fall ist, ist jedoch der von dem Turbolader erzeugte Luftmassenstrom gering. Um den Luftmassenstrom zu erhöhen wird bei einem bekannten Turbomotor der eingangs genannten Art im Schiebebetrieb und bei Teillast, also bei nicht vollständig geöffneter Drosselklappe, unter Umgehung der Zylinder im Abgas kanal ein Zusatzabgasvolumen erzeugt, das die Turbine des Turboladers beaufschlagt und in schnellere Umdre hungen versetzt, als dies allein die aus den Zylindern austretenden Abgasmengen tun. Dadurch wird der Turbo lader auch im Schiebebetrieb und bei Teillast auf Dreh zahl gehalten und ein ausreichender Luftmassenstrom er zielt. Das bei Turbomotoren auftretende sog."Turboloch" wird vermieden und insgesamt das Ansprechverhalten des Turbomotors verbessert.

Zur Erzeugung des Zusatzabgasvolumens wird bei geschlos sener und teilweise geöffneter Drosselklappe dem Abgas kanal durch das Regelventil unter Umgehung der Zylinder unter Druck im Ansaugkanal stehende Verbrennungsluft zu geführt. Die erforderliche Kraftstoffmenge wird durch die Zylinder, deren Zündung ausgeschaltet ist, hindurch in den Abgaskanal geleitet. Das Gemisch aus Verbren nungsluft und nicht verbranntem Kraftstoff entzündet sich im Abgaskanal, wodurch das die Turbine antreibende Zusatzabgasvolumen entsteht. Da hierbei nur geringe Kraft stoffmengen benötigt werden, braucht die Kraftstoffein spritzung in die Zylinder nicht bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle zu erfolgen, sondern kann nur alle m Umdrehungen durchgeführt werden, wobei m eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß nicht durch Abschaltung der gesamten Zylinderzün dung die Brennkraftmaschine "vergewaltigt" wird, sondern zur Reduktion der mechanischen Arbeit nur eine Zylinder abschaltung erfolgt. Damit wird der Übergang zum Schie bebetrieb gemildert und der Rundlauf der Brennkraftma schine im Schiebebetrieb verbessert. Der extrem späte Zündwinkel oder Zündzeitpunkt bewirkt dabei eine Ver schlechterung des Wirkungsgrades der momentan arbeiten den Zylinder derart, daß kaum mechanische Arbeit ent steht und die ganze Verbrennungsenergie zu einer be trächtlichen Temperaturerhöhung der Abgase führt. Die heißen Abgase verbrennen rückstandslos das über die nicht gezündeten Zylinder und das Regelventil dem Abgas kanal zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch, wodurch die Effizienz des Systems bezüglich der Zusatzabgaserzeugung verbessert wird. Die entsprechend dem Zusatzabgasbedarf benötigte Kraftstoffmenge wird in beliebiger Verteilung in die einzelnen nicht gezündeten Zylinder eingespritzt und gelangt unverbrannt in den Abgaskanal. Das Regelven til wird geöffnet, sobald ein von Betriebskenngrößen ab geleiteter Vorgabewert, wie Druck oder Luftmassendurchsatz im Ansaugkanal, Drehzahl von Brennkraftmaschine oder Mo tor, unterschritten wird und beaufschlagt den Abgaskanal mit Ansaugluft, die unter einem solchen Druck steht, wie er im Ansaugkanal in Strömungsrichtung gesehen vor der Drosselklappe herrscht. Der Vorgabewert ist so einge stellt, daß der beschriebene Zustand im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine (Drosselklappe geschlossen) und/ oder im tiefen Teillastbetrieb (Drossel extrem wenig ge öffnet) eintritt. Der Vorgabewert kann auch durch eine logische Verknüpfung dieser Betriebskenngrößen gebildet werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahme läuft der Teil der arbeitenden, also gezündeten Zylinder in der Gesamtzahl der vorhandenen Zylinder um. Jeweils mindestens ein zuvor gezündeter Zylinder wird im fol genden, d.h. bei der nächsten Zündroutine, nicht ge zündet und ein zuvor nicht gezündeter Zylinder wird im folgenden gezündet. Damit wird vermieden, daß un gleiche Brennraumtemperaturen in den Zylindern ent stehen, und in Verbindung mit der Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 4 verhindert, daß einzelne Saugrohrstutzen zu den Zylindern austrocknen, was ein Wiedereinsetzen der Gemischzündung problematisch werden läßt. Weiterhin wird sichergestellt, daß kein Kraftstoff ins Öl gelangt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 4. Durch die Anordnung des Re gelventils ausschließlich auf der Frischluftseite vor den Zylindern der Brennkraftmaschine ist der Bauaufwand für das Regelventil wesentlich geringer, da es nicht ent sprechend den höheren Belastungsanforderungen ausgelegt werden muß, als wenn es gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 3 ausgangsseitig mit den heißen Abgasen in dem Abgaskanal beaufschlagt ist. Außerdem werden die gezündeten Zylinder wesentlich stärker mit Luft gefüllt, als dies beim Schiebebetrieb sonst möglich ist, was wiederum die angestrebte Verschlechterung des Wirkungsgrades unterstützt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils eine schematische Darstellung eines Turbomotors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 nur schematisch skizzierte Turbomotor als Beispiel einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung weist einen Motorblock 10 mit vier Zylindern auf, die am Motorblock angedeutet und mit 11-14 bezeichnet sind. Die Zylinder 11-14 sind mit einer Zündanlage 15 verbunden, die entsprechend der Stel lung der Kurbelwelle in jeder Umdrehung der Kurbelwelle die Zylinder 11-14 aufeinanderfolgend zündet. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 führt den einzelnen Zylindern 11-14 eine zugemessene Kraftstoffmenge zu, die über nicht dargestellte Einspritzventile in die Zylinder 11-14 eingespritzt wird. Zu dem Motorblock 10 führt ein Ansaugkanal 17, der in zu den einzelnen Zylindern 11-14 führenden Ansaugstutzen 171-174 mündet. Von den Zylindern führen Abgasstutzen 181-184 ab, die zu einem Abgaskanal 18 zusammengefaßt sind. Ein Turbolader 20 besteht in bekannter Weise aus einem Kompressor oder Verdichter 21 und einer mit dem Verdichter 21 über eine Kupplungswelle 23 starr verbundenen Turbine 22. Wie üblich ist der Verdichter 21 im Ansaugkanal 17 und die Turbine 22 im Abgaskanal 18 angeordnet. Der Turbine 22 ist im Abgas kanal 18 ein Ladedruckregelventil 19 vorgeschaltet, mit welchem die der Turbine 22 im Vollastbetrieb zugeführte Abgasmenge geregelt werden kann. Der von der Turbine 22 abführende Abschnitt des Abgaskanals 18 mündet in einem Auspuffrohr 24.

In dem Ansaugkanal 17 ist vor den Ansaugstutzen 171- 174 eine steuerbare Drosselklappe 25 angeordnet, die den im Ansaugkanal 17 herrschenden Ansaugdruck p ₂₁ auf einen Saugrohrdruck p ₂₂ reduziert. Je nach Belastung des Motors gibt die Drosselklappe 25 einen mehr oder weniger großen Querschnitt des Ansaugkanals 17 für den Durchtritt der Ansaugluft frei, so daß der Saugrohrdruck p ₂₂ entsprechend unterschiedliche Werte annimmt. Die Drosselklappe 25 ist durch einen Bypaß 26 überbrückt, der einerseits in dem Abschnitt des Abgaskanals 18 mün det, der von der Drosselklappe 25 und dem Verdichter 21 begrenzt wird, und andererseits in dem Abschnitt des Ab gaskanals 18 mündet, der von der Drosselklappe 25 und den einzelnen Ansaugstutzen 171-174 begrenzt ist. In dem Bypaß 26 ist ein pneumatisch oder elektrisch gesteu ertes Regelventil 27 angeordnet. Das Regelventil 27 ist derart ausgebildet, daß es normalerweise geschlossen ist und dann öffnet, wenn der Druck p ₂₂, der im Ansaugkanal 17 in Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe 25, also in dem Abschnitt des Ansaugkanals 17 zwischen Drosselklap pe 25 und Ansaugstutzen 121-124, herrscht, kleiner ist als ein Vorgabewert. Der Vorgabewert ist dabei so einge stellt, daß er im Schubbetrieb und bei tiefer Teillast, also wenn die Drosselklappe 25 vollständig oder nahezu vollständig geschlossen ist, von dem Druck p ₂₂ unterschritten wird. Eine mit dem Regelventil 27, der Steuerklappe 25, der Zündanlage 15 und der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 verbundene Steuereinheit 28 beeinflußt die Zündung der einzelnen Zylinder 11-14 und die Kraftstoffeinspritzung in nachstehend beschriebener Weise:

Ist bei vollständig oder nahezu vollständig geschlosse ner Drosselklappe 25 (Schiebe- oder tiefer Teillastbe trieb) der Druck p ₂₂ vor den Ansaugstutzen 171-174 kleiner als der Vorgabewert, so öffnet das Regelventil 27. Damit gelangt Ansaugluft mit dem Druck p ₂₁ über die Ansaugstutzen 171-174 zu den Zylindern 11-14. Durch die Steuereinheit 28 wird während jeder Zündroutine ein Teil der Zylinder 11-14, z.B. die Zylinder 11-13 nicht und der verbleibende Teil der Zylinder 11-14, z.B. der Zylinder 14, zu einem extrem späten Zündzeit punkt gezündet. In den gezündeten Zylinder 14 wird von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 eine bestimmte Kraftstoffmenge eingespritzt. Diese verbrennt zusammen mit der Ansaugluft in dem Zylinder 14 infolge des spä ten Zündzeitpunktes mit einem solch schlechten Wirkungs grad, daß wenig mechanische Arbeit anfällt und extrem heiße Abgase entstehen. In den verbleibenden Teil der nicht gezündeten Zylinder 11-14, hier die Zylinder 11-13, wird eine insgesamt vorgegebene Kraftstoffmenge eingespritzt, wobei die Einspritzraten in die einzelnen Zylinder 11-13 unterschiedlich sein können. Die in den Zylindern 11-13 nicht verbrannte Luft und nicht ver brannte Kraftstoffmenge gelangt in den Abgaskanal 18 und wird hier von den heißen Abgasen aus dem arbeitenden Zylinder 14 entzündet. Es entsteht ein Zusatzabgasvo lumen, das die Turbine 22 beaufschlagt und diese auch im Schiebebetrieb des Motors auf eine für einen ausreichen den Ladedruck genügend große Drehzahl hält. Das Zusatz abgasvolumen läßt sich durch die Bemessung der in die nicht gezündeten Zylinder, hier die Zylinder 11-13, eingespritzten Kraftstoffmenge sehr genau dosieren.

Um ungleiche Brennraumtemperaturen und ein Austrocknen der Ansaugstutzen 171-174 zu vermeiden, wird bei je der n-ten Zündroutine der Teil der gezündeten und der Teil der nicht gezündeten Zylinder aus der Gesamtheit der Zylinder 11-14 verschieden zusammengesetzt. n kann dabei eine beliebige ganze Zahl, z.B. 1 sein. Dies bedeutet, daß während der einen Zündroutine, also während der einen Umdrehung der Kurbelwelle, der Zylinder 14 gezündet und die Zylinder 11-13 nicht gezündet werden, in der nachfolgenden Zündroutine der Zylinder 11 gezündet und die Zylinder 12-14 nicht gezündet werden und sofort. Der arbeitende Zylinder läuft also quasi um. Selbstverständlich können auch bei jeder Zündroutine zwei Zylinder gezündet und zwei Zylin der nicht gezündet werden.

Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Turbomotor unter scheidet sich nur geringfügig von dem in Fig. 1 skizzierten und vor stehend beschriebenen Turbomotor, so daß gleiche Bautei le mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Bypaß 26′ nicht nur die Drosselklappe 25 überbrückt, sondern die Reihen schaltung von Drosselklappe 25 und Motorblock 10, also in dem Abgaskanal 18, und zwar in dem vom Motorblock 10 und Ladedruckregelventil 19 begrenzten Abschnitt des Abgaskanals, mündet. Durch diese Anordnung wird bei geöff netem Regelventil 27 die Ansaugluft mit dem Druck p ₂₁ unter Umgehung des Motorblocks direkt in den Abgaskanal 18 geleitet. Die zugehörige Benzinmenge wird durch die nicht gezündeten Zylinder hindurch in den Abgaskanal 18 geführt. Wie in Fig. 1 wird in dem nunmehr als Nachbren ner dienenden Abgaskanal 18 durch Verbrennung des sich hier bildenden Kraftstoff-Luft-Gemisches ein Zusatzab gasvolumen zum Antrieb des Verdichters 22 erzeugt. Die Zündung der einzelnen Zylinder 11-14 und die Kraftstoff einspritzung in die einzelnen Zylinder 11-14 erfolgt in gleicher Weise wie zu Fig. 1 beschrieben.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann das Regelven til nicht nur in Abhängigkeit von dem Druck im Ansaug kanal geöffnet werden, sondern auch in Abhängigkeit von anderen Betriebskenngrößen, wie Luftmassendurchsatz im Ansaugkanal oder Drehzahl des Turbomotors oder des Turbo laders. Auch ist es möglich, den Vorgabewert, bei wel chem das Regelventil öffnet durch eine logische Verknüp fung aller oder eines Teils dieser Betriebskenngrößen Druck und Luftmassendurchsatz im Ansaugkanal und Drehzahl von Turbomotor und Turbolader zu gewinnen.

Die Erfindung kann in gleicher Weise auf eine Brennkraft maschine oder einen Turbomotor angewendet werden, die oder der mehrere Turbolader aufweist, wobei jeweils ein Turbolader eine Gruppe von mehreren Zylindern versorgt.

Claims

1. Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit Kraftstoff einspritzung, insbesondere Turbomotor, mit einem zu den Zylindern führenden Luftansaugkanal mit Drosselklappe, mit einem von den Zylindern abfüh renden Abgaskanal, mit einem Turbolader, der einen im Ansaugkanal angeordneten Verdichter und eine diesen antreibenden, im Abgaskanal angeordnete Tur bine aufweist, und mit einem eingangsseitig mit dem von Verdichter und Drosselklappe begrenzten Ansaug kanalabschnitt in Verbindung stehenden Regelventil, das unterhalb eines von Betriebskenngrößen, wie Druck oder Luftmassendurchsatz im Ansaugkanal oder Drehzal von Brennkraftmaschine oder Turbolader, abgeleiteten Vorgabewerts öffnet und Verbrennungsluft zur Erzeu gung eines Zusatzabgasvolumens zu dem als Nach brenner dienenden Abgaskanal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß mit Öffnen des Regelventils (27) ein Teil der Zylinder (11-14) nicht und der verbleibende Teil der Zylinder (11-14) bei entsprechender Bemessung der Kraftstoffeinspritzmenge mit einem extrem späten Zündzeitpunkt gezündet wer den und daß in die nicht gezündeten Zylinder (11-14) insgesamt eine das Zusatzabgasvolumen bestimmende Kraftstoffmenge eingespritzt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder n-ten Zündroutine der Teil der gezündeten und der Teil der nicht gezündeten Zylinder (11-14) aus der Ge samtheit der Zylinder (11-14) verschieden zusammen gesetzt wird, wobei n eine beliebige ganze Zahl ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Regelventil (27) ausgangsseitig mit dem sich an die Zylinder (11-14) anschließenden Abschnitt des Abgas kanals (18) in Verbindung steht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Regelventil (27) in einem die Drosselklappe (25) überbrückenden Bypaß (26) angeordnet ist.