AT502872A2 - Verfahren zum absenken der reibleistung im teillastbetrieb bei einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Absenken der Reibleistung im Teillastbetrieb bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindergruppen, wobei die Einlass- und Auslassteuerzeiten voneinander unabhängig verändert werden können und die Abgasstränge mit den zugehörigen Abgasnachbehandlungseinrichtungen zylindergruppenweise getrennt geführt sind.
Überström-, Drossel- und Reibverluste werden für die Motorbremswirkung einer Brennkraftmaschine im Schubbetrieb ausgenutzt. Es gibt aber Betriebszustände, bei denen eine geringere Motorbremswirkung oder eine Absenkung der Reibleistung im Teillastbetrieb gewünscht ist.

   Weiters kann es wünschenswert sein, einzelne Zylinder im Teillastbetrieb abzuschalten, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen abzusenken.
Aus der EP 0 915 234 A2 ist ein Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Verringerung der Pumpverluste und zur Verringerung des Treibstoffverbrauches von Brennkraftmaschinen im Schubbetrieb bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass in einem vordefinierten Motorbetriebsbereich die Auslassnockenwelle und die Einlassnockenwelle nach spät verstellt werden. Die Verdrehung der Einlassnockenwelle ergibt sich dabei als Summe der Verdrehbewegungen zu Folge eines ersten und eines zweiten Phasenschiebers.
Die EP 1 013 899 A2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen und jeweils zwei Nockenwellen, welche durch einen Koppeltrieb miteinander verbunden sind.

   Die beiden Nockenwellen einer Zylindergruppe besitzen jeweils einen eigenen Phasenschieber, so dass die Auslassnockenwelle durch einen ersten Phasenschieber und die Einlassnockenwelle durch einen zweiten Phasenschieber so verdrehbar sind, dass sich die Phasenverstellung der Einlassnockenwelle als Summe der Stellbewegungen der beiden Phasenschieber ergibt.
Aus der DE 31 32 907 AI ist es bekannt, die Abschaltung einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine durch Unterdrückung der Einspritzungen in zyklischer Reihenfolge durchzuführen.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise eine deutliche Verringerung des Kraftstoffverbrauches und der Emissionen zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch realisiert, dass im Teillastbetrieb die Zylinder zumindest einer ersten Zylindergruppe, vorzugsweise einer ersten Zylinderreihe,

   durch Abschalten der Einspritzung deaktiviert und reibleistungsminimal betrieben werden und dass die Zylinder zumindest einer zweiten Zylindergruppe, Vorzugs weise einer zweiten Zylinderreihe, wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden.
Teillastbetrieb die Zylinder zumindest einer ersten Zylindergruppe durch Abschalten der Einspritzung deaktiviert und reibleistungsminimal betrieben werden und dass die Zylinder zumindest einer zweiten Zylindergruppe wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden.
Vorzugsweise wird nach einer definierten Betriebszeit die Deaktivierung und der motorische Betrieb zwischen erster und zweiter Zylindergruppe gewechselt,

   wobei die Zylinder der ersten Zylindergruppe wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden und die Zylinder der zweiten Zylindergruppe durch Abschalten der Einspritzung deaktiviert und reibleistungsoptimal betrieben werden.
Um zu vermeiden, dass die Katalysatoren der abgeschalteten Zylindergruppe zu stark abkühlen, ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Zylindergruppe abwechselnd deaktiviert, bzw. wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden.

   Somit wird zwischen den beiden Zylindergruppen gewechselt, wobei alternierend die erste Zylindergruppe und die zweite Zylindergruppe abwechselnd abgeschaltet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der reibleistungsminimale bzw. wirkungsgradoptimale Betrieb durch Verstellen der Einlass- und/oder Auslassteuerzeiten erfolgt, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn zum Absenken der Reibleistung zumindest eine Auslassnockenwelle und zumindest eine Einlassnockenwelle einer Zylindergruppe nach spät verstellt werden, wobei vorzugsweise die Verstellung der Einlassnockenwelle grösser ist, als die Verstellung der Auslassnockenwelle. Das Umschalten erfolgt momentenneutral. Zuerst wird dabei die abgeschaltete Zylindergruppe auf wirkungsgradoptimale Steuerzeit gebracht. Danach wird die Kraftstoffeinspritzung von der einen auf die andere Zylindergruppe umgeschaltet.

   Schliesslich wird die jetzt neu abgeschaltete Zylindergruppe auf reibungsleistungsoptimale Steuerzeit gebracht.
Die Verstellbereiche für die Auslassnockenwelle betragen dabei etwa 40[deg.] bis 60[deg.], für die Einlassnockenwelle etwa 40[deg.] bis 120[deg.].
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Auslassöffnen spätestens bei 210[deg.] Kurbelwinkel, vorzugsweise spätestens bei 200[deg.] Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt. Der Einlassschluss sollte mindestens erst bei 610[deg.], vorzugsweise mindestens erst bei 630[deg.] Kurbelwinkel erfolgen. Der Einlassschluss von herkömmlichen Brennkraftmaschinen liegt im Vergleich dazu zwischen 540[deg.] und 610[deg.] Kurbelwinkel. Alle Steuerzeiten beziehen sich auf 1 mm Ventilhub.

   Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich der Verstellbereich der Einlassnockenwelle durch Addition der Verstellbereiche eines ersten und eines zweiten Phasenschiebers ergibt. Dabei kann ein Koppeltrieb vorgesehen sein, durch welchen sich die Verstellwege und die Verstellgeschwindigkeiten der beiden Phasenschieber addieren.
Auch nach der Phasenverstellung der Nockenwellen sollte eine minimale Ventilüberschneidung bestehen.

   Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass im Überschneidungsbereich der Hub der sich überschneidenden Ventile mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm beträgt.
Dadurch ist es möglich, im Teillastbetrieb mit Spätstellung beider Phasenschieber die Verdichtung abzusenken, die Füllung zu minimieren und dadurch die Reibleistung abzusenken.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gasstrom der abgeschalteten Zylindergruppe am Katalysator dieser Zylindergruppe vorbeigeleitet wird. Durch diese Massnahme kann ein Auskühlen der Katalysatoren der deaktivierten Zylindergruppe vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann weiters vorgesehen sein, dass die zugeführte Luftmasse jeder Zylindergruppe individuell durch zumindest ein separates Drosselorgan geregelt wird, wobei der Luftmassenstrom der abgeschalteten Zylindergruppe reduziert wird.

   Dadurch, dass jeder Zylindergruppe ein Drosselorgan zugeordnet ist, kann die Luftmasse für jede Zylindergruppe individuell geregelt werden und dadurch der durch die abgeschalteten Katalysatoren strömende Luftmassenstrom reduziert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in einer ersten Ausführung, Fig. 2 eine Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführung und Fig. 3 eine Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführung, Fig. 4 Ventilhubkurven für maximalen Wirkungsgrad, Fig. 5 Ventilhubkurven für minimale Verluste, Fig. 6 ein Betriebsparameter-Zeitdiagramm für das erf[iota]ndungsgemässe Verfahren, Fig. 7 schematisch eine mögliche Nockenwellenanordnung zur Durchführung des Verfahrens, Fig.

   8 eine Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführung und Fig. 9 eine Brennkraftmaschine in einer fünften Ausführung.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch eine Brennkraftmaschine 10 mit zwei beispielsweise V-förmig angeordnete Zylinderreihen, wobei jede Zylinderreihe eine Zylindergruppe 11, 12, bildet. Die Brennkraftmaschine weist ein Einlasssystem 13 und ein Auslasssystem 14 auf. Jeder Zylindergruppe 11, 12 ist ein Abgasstrang 15, 16 zugeordnet, wobei in jedem Abgasstrang 15, 16 Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20, beispielsweise Katalysatoren, angeordnet sind.
Die Fig. 8 und 9 zeigen Brennkraftmaschinen 10, welche als Reihenmotor ausgeführt sind.

   Die Zylinder Z der einzigen Zylinderbank sind in Zylindergruppenil, 12 unterteilt, wobei jeder Zylindergruppe 11, 12 ein eigener Abgasstrang zugeordnet ist. Beispielsweise sind bei einem 4 Zylinder-Reihenmotor die Zylinder 1 und 4 einerseits und die Zylinder 2 und 3 andererseits jeweils mit eigenen Abgasnachbehandlungseinrichtung 17, 18; 19, 20 ausgestattet.
Durch Aussetzen der Einspritzung können die Zylinder Z reihenweise abgeschaltet werden. Dabei ist vorgesehen, dass jeweils eine Zylindergruppe deaktiviert und die andere Zylindergruppe mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird. Die Steuerzeiten der deaktivierten Zylindergruppe werden dabei so eingestellt, dass minimale Reibungsverluste auftreten.

   Vorraussetzung dafür ist, dass die Steuerzeiten der beiden Zylindergruppen 11, 12 unabhängig voneinander verstellt werden können.
Um ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 zu vermeiden, wird die Aktivierung und Deaktivierung der Zylinder Z zyklisch zwischen den Zylindergruppen 11, 12 gewechselt, wobei auch die Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile Zylindergruppenweise zwischen wirkungsgradoptimaler und reibleistungsminimaler Einstellung verändert wird.
Um das Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 zu vermeiden, bzw. zu vermindern, ist bei den in Fig. 2 und Fig. 9 dargestellten Ausführungsvarianten weiters für jeden Abgasstrang 15, 16 eine Umgehungsleitung 21, 22 für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 vorgesehen, wobei in jeder Umgehungsleitung 21, 22 ein Schaltorgan 23, 24 angeordnet ist.

   Die jeweils aus der abgeschalteten Zylindergruppe 11; 12 kommenden relativ kühlen Gase (nur Luft, keine Abgaskomponenten) werden an den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 vorbeigeleitet.
Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten weist das Einlasssystem 13 für beide Zylindergruppen 11, 12 einen gemeinsamen Einlasssammler 25, sowie eine gemeinsame Drosselklappe 26 auf. Zum Unterschied dazu ist bei den in Fig. 3 und 9 dargestellten Einlasssystemen 13 pro Zylindergruppe 11, 12 jeweils ein separater Einlasssammler 25a, 25b vorgesehen, wobei jedem Einlasssammler 25a, 25b eine eigene Drosselklappe 26a, 26b zugeordnet ist.

   Dadurch ist es möglich, die Ansaugluft der jeweils abgeschalteten Zylindergruppe 11, 12 zu reduzieren, so dass den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 der jeweils deaktivierten Zylindergruppe 11; 12 eine geringere kühle Gasmenge zugeführt und somit ein zu rasches Abkühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 17, 18; 19, 20 verhindert wird.
Die Steuerzeitverstellung zwischen wirkungsgradoptimalem Betrieb und reibleistungsminimalem Betrieb erfolgt durch Phasenverschiebung der Einlass- und Auslasssteuerzeit. Fig. 4 zeigt die Hubkurven E, A der Einlass- und Auslassventile für wirkungsgradoptimalen Betrieb, Fig. 5 demgegenüber die Hubkurven E, A der Einlass- und Auslassventile für verlustminimalen Betrieb, jeweils über dem Kurbelwinkel [alpha] aufgetragen.
Fig. 7 zeigt eine Ventilbetätigungseinrichtung 1 zur Durchführung der Steuerzeitverstellung.

   Die Ventilbetätigungseinrichtung 1 weist eine Auslassnockenwelle 2 und eine Einlassnockenwelle 3 auf. Die Auslassnockenwelle 2 wird über ein Zugmittel 7 durch eine nicht weiter dargestellte Kurbelwelle angetrieben. Über Auslassnocken 2a werden nicht weiter dargestellte Auslassventile und über Einlassnocken 3a nicht weiter dargestellte Einlassventile betätigt. Die beiden Nockenwellen 2, 3 sind über einen Koppeltrieb 4, beispielsweise ein Stirnradgetriebe oder ein Zugmittelgetriebe, miteinander verbunden. Die Auslassnockenwelle 2 kann über einen ersten Phasensteller 5 verdreht werden. Im Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Koppeltrieb 4 und der Einlassnockenwelle 3 ein zweiter Phasensteller 6 angeordnet, über welchen die Eilnassnockenwelle 3 relativ zur Auslassnockenwelle 2 verdreht werden kann.

   Es ist aber auch möglich, den zweiten Phasensteller 6 zwischen der Auslassnockenwelle 2 und dem Koppeltrieb 4 anzuordnen, wie in der Fig. 6 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Die Verstellung der Einlassnockenwelle 3 setzt sich aus der Summe der Verdrehbewegungen zu Folge des ersten Phasenstellers 5 und des zweiten Phasenstellers 6 zusammen, wobei sich nicht nur die Verstellwege, sondern auch die Verstellgeschwindigkeiten der beiden Phasenschieber 5, 6 für die Einlassnockenwelle 3 addieren. Dadurch beträgt der Verstellbereich der Auslassventile zwischen 40[deg.] bis 60[deg.] und der Verstellbereich der Einlassventile zwischen 40[deg.] und 120[deg.]. Der Einlassschluss liegt bevorzugt nach 610[deg.] Kurbelwinkel [alpha] nach dem oberen Totpunkt der Zündung. Der Beginn des Auslassöffnens, bezogen auf 1 mm Hub, liegt maximal bei 210[deg.] Kurbelwinkel.

   Auch nach der Verstellung sollte eine minimale Überschneidung der Einlass- und Auslassventile vorliegen. Durch Spätverstellen der Auslasssteuerzeiten und der Einlasssteuerzeiten in dem angegebenen Ausmass kann für die abgeschaltete Zylindergruppe 11, 12 im Teillastbetrieb die Verdichtung abgesenkt, die Füllung minimiert und dadurch die Reibleistung vermindert werden.

   Durch den dargestellten Koppeltrieb 4 und die beschriebene Anordnung der Phasensteller 5, 6 wird erreicht, dass bei Verstellung der Steuerzeiten von wirkungsgradoptimalen in den reibleistungsminimalen Betrieb die Verstellung der Einlassnockenwelle grösser ist als die Verstellung der Auslassnockenwelle, wie aus den Fig. 4 und 5 erkennbar ist.
In Fig. 6 sind die Verstellwinkel ssn,5, ssu,6; ss[iota]2/5, ss[iota]2/6für die Phasenschieber 5, 6 der ersten Zylindergruppe 11 und der zweiten Zylindergruppe 12, sowie die Einspritzmengen in, i[iota]2für die Zylinder Z der ersten Zylindergruppe 11 und für die Zylinder Z der zweiten Zylindergruppe 12 über der Zeit t dargestellt.

   Aus dem Diagramm ist eine Umschaltsequenz zwischen den beiden Zylindergruppen 11, 12 ersichtlich, wobei bis zum Zeitpunkt Ti die erste Zylindergruppe 11 bei reibungsarmer Steuerzeiteinstellung deaktiviert ist und nur die zweite Zylindergruppe 12 motorisch betrieben wird. Die Einspritzmenge der zweiten Zylindergruppe 12 entspricht dabei dem doppelten Mittelwert aus beiden Zylindergruppen für den jeweiligen Lastpunkt, plus einer Zusatzmenge zur Überwindung der Reibleistung der abgeschalteten Zylindergruppe 11. Die Umschaltung zwischen den Zylindergruppen 11, 12 erfolgt momentenneutral, wobei zum Zeitpunkt Ti die abgeschaltete Zylindergruppe 11 zuerst durch Verstellen der Phasensteller auf wirkungsgradoptimale Steuerzeiten gebracht werden, wie dies durch die Kurven ssn,5ssn,6in Fig. 6 angedeutet ist.

   Danach wird zum Zeitpunkt T» die Einspritzung von der zweiten Zylindergruppe 12 auf die erste Zylindergruppe 11 umgeschaltet und schliesslich die neu abgeschaltete Zylindergruppe 12 auf reibleistungsminimale Steuerzeit gebracht, wie durch die Verstellwinkel ss[iota]2,5ss[iota]2/6ersichtlich ist. Zum Zeitpunkt T2ist der Umschaltvorgang beendet. Mit den Pfeilen fminsind die Einstellungen der Phasenschieber 5, 6 für reibungsminimalen Betrieb, mit [eta]maxsind die Einstellungen der Phasenschieber 5, 6 für wirkungsgradoptimalen Betrieb bezeichnet.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen mit vier Gaswechselventilen pro Zylinder realisieren.

Claims (14)

PATE NTANSPRÜCH E

1. Verfahren zum Absenken der Reibleistung im Teillastbetrieb bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindergruppen, wobei die Einlassund Auslassteuerzeiten voneinander unabhängig verändert werden können und die Abgasstränge (15; 16) mit den zugehörigen Abgasnachbehandlungseinrichtungen (17, 18; 19, 20) zylindergruppenweise getrennt geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb die Zylinder (Z) zumindest einer ersten Zylindergruppe (11), vorzugsweise einer ersten Zylinderreihe, durch Abschalten der Einspritzung deaktiviert und reibleistungsminimal betrieben werden und dass die Zylinder (Z) zumindest einer zweiten Zylindergruppe (12), vorzugsweise einer zweiten Zylinderreihe, wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer definierten Betriebszeit die Deaktivierung und der motorische Betrieb zwischen erster und zweiter Zylindergruppe (11; 12) gewechselt wird, wobei die Zylinder (Z) der ersten Zylindergruppe (11) wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden und die Zylinder (Z) der zweiten Zylindergruppe (12) durch Abschalten der Einspritzung deaktiviert und reibleistungsoptimal betrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Zylindergruppe (11; 12) abwechselnd deaktiviert, bzw. wirkungsgradoptimal motorisch betrieben werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der reibleistungsminimale bzw. wirkungsgradoptimale Betrieb durch Verstellen der Einlass- und/oder Auslassteuerzeiten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Absenken der Reibleistung zumindest eine Auslassnockenwelle (2) und zumindest eine Einlassnockenwelle (3) einer Zylindergruppe (11; 12) nach spät verstellt werden, wobei vorzugsweise die Verstellung der Einlassnockenwelle (3) grösser ist, als die Verstellung der Auslassnockenwelle (2).

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassnockenwelle (2) um 40[deg.] bis 60[deg.] nach spät verdreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassnockenwelle (3) um 40[deg.] bis 100[deg.] verstellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassöffnen spätestens bei 210[deg.] Kurbelwinkel ([alpha]), vorzugsweise bei spätestens bei 200[deg.] Kurbelwinkel ([alpha]) nach dem oberen Totpunkt der Verbrennung - bezogen auf 1 mm Ventilhub - erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassschluss später als 610[deg.] Kurbelwinkel ([alpha]), vorzugsweise später als 630[deg.] Kurbelwinkel ([alpha]) nach dem oberen Totpunkt der Verbrennung - bezogen auf 1 mm Ventilhub - erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschneidung zwischen Auslass- und Einlasshub (A, E) grösser als 0[deg.] Kurbelwinkel ([alpha]) ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Überschneidungsbereich der Hub der sich überschneidenden Ventile mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeder Zylindergruppe zumindest ein Katalysator zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom der abgeschalteten Zylindergruppe (11; 12) an zumindest einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (17, 18; 19, 20) dieser Zylindergruppe vorbeigeleitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Luftmasse jeder Zylindergruppe (11; 12) individuell durch zumindest ein separates Drosselorgan (26a, 26b) geregelt wird, wobei der Luftmassenstrom der abgeschalteten Zylindergruppe (11; 12) reduziert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen erster und zweiter Zylindergruppe (11, 12) momentenneutral erfolgt, wobei der Phasensteller der abgeschalteten Zylindergruppe (11, 12) auf wirkungsgradoptimale Steuerzeiten gestellt wird, dann die Einspritzung von der bisher aktiven auf die bisher abgeschaltete Zylindergruppe (11, 12) umgeschaltet wird und schliesslich der Phasensteller der nun abgeschalteten Zylindergruppe (11, 12) auf reibungsminimale Steuerzeit gestellt wird.