DE10025665C2 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brenn­ kraftmaschine wahlweise als Vollmotor oder mit Zylinderabschal­ tung.

Brennkraftmaschinen, die wahlweise als Vollmotor oder mit Zy­ linderabschaltung zu betreiben sind, sind vielfältig bekannt. Die Anwendung der Zylinderabschaltung erfolgt insbesondere bei großvolumigen Brennkraftmaschinen mit Zylinderzahlen ≧ 6 zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades. Durch die Zylinderab­ schaltung wird ein Teil der Zylinder, nämlich die Gruppe der abschaltbaren Zylinder von der Arbeitsverrichtung ausgeschlos­ sen, so dass die Gruppe der nichtabschaltbaren, auch bei Zylin­ derabschaltung befeuerten, restlichen Zylinder - bei Aufrecht­ erhaltung der Motorgesamtlast - bei höherer spezifischer Last mit entsprechend günstigerem spezifischem Verbrauch betrieben wird. Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber, dass sich, über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine, ungleichmäßige Be­ triebszeiten mit Befeuerung für die Gruppe der abschaltbaren Zylinder einerseits und die Gruppe der nichtabschaltbaren, auch bei Zylinderabschaltung befeuerten Zylinder ergibt, mit ent­ sprechend ungleichmäßigem Verschleiss der am Ladungswechsel und an der Arbeitsverrichtung beteiligten Bauteile. Die Gruppe der abgeschalteten Zylinder kühlt in den Arbeitsperioden, in denen sie abgeschaltet sind, auch ab, so dass sich eine höhere Rei­ bung, eine Neigung zu Ablagerungen und, je nach Gestaltung des Abgasstranges, Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung eines gleichmäßig hohen, für die Abgasentgiftung über Katalysatoren erforderlichen Temperaturniveaus für die Abgase, insbesondere beim Umschalten auf den vollmotorischen Betrieb ergeben.

Insbesondere den letztgenannten Schwierigkeiten versucht man bei Brennkraftmaschinen, deren Zylinder in eine Gruppe ab­ schaltbarer und eine Gruppe nichtabschaltbarer Zylinder aufge­ teilt sind, wie dies beispielsweise die DE 44 21 257 A1 zeigt, dadurch zu begegnen, dass man auch für die abschaltbare Zylin­ dergruppe bei Zylinderabschaltung den Gaswechsel aufrechterhält und nur die Kraftstoffzufuhr unterbindet, und dass man die Ab­ gasanlage insgesamt dahingehend ausbildet, dass der über die abgeschaltete Zylindergruppe laufende Gasanteil durch die Abga­ se der bei Zylinderabschaltung befeuerten Zylindergruppe er­ wärmt wird.

Des Weiteren ist aus der US 4 305 249 ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art zum Betreiben einer mit Zylinderabschaltung arbeitenden Brennkraftmaschine bekannt, deren Zylinder in zwei Gruppen aufgeteilt sind, deren eine ständig befeuert ist und deren andere in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ab­ schaltbar ist. Beide Zylindergruppen sind über gesonderte Ab­ gaswege mit einem gemeinsamen Abgasstrang verbunden, in dem hintereinander geschaltet zwei Katalysatoren vorgesehen sind. Stromauf des ersten Katalysators mündet der von der ständig be­ feuerten Zylindergruppe ausgehende Abgasweg, während die ab­ schaltbare, zweite Zylindergruppe über ihren Abgasweg stromab des ersten und stromauf des zweiten Katalysators in den Abgas­ strang einläuft, so dass über die Abgase der ständig befeuerten ersten Zylindergruppe beide Katalysatoren durchströmt werden, während die bei durch Abschalten der Kraftstoffversorgung le­ diglich als Luftpumpe arbeitende zweite Zylindergruppe durch die Luftzufuhr zu verbesserten Oxidationsbedingungen für den in Durchströmungsrichtung stromab liegenden Katalysator sorgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wahlweise als Vollmotor oder mit Zylinderabschaltung dahingehend zu gestalten, dass un­ gleichmäßige Belastungen und ein ungleichmäßiger Verschleiss der einzelnen Zylindergruppen ebenso wie größere, aus der Zy­ linderabschaltung resultierende Schwankungen der Abgastempera­ turen vermieden werden.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, wobei das erfindungsgemäße Verfahren darauf basiert, dass die einzel­ nen Zylindergruppen der auf Gruppen aufgeteilten Zylinder der Brennkraftmaschine wahlweise abschaltbar sind und bei für die Zylinderabschaltung gegebenen Bedingungen wechselweise abge­ schaltet werden.

Die wechselnde Abschaltbarkeit der Zylindergruppen führt, wenn keine Präferenzen gesetzt sind, zu im wesentlichen gleichen Be­ triebszeiten für die Zylindergruppen, da beim Betrieb als Voll­ motor die Zylinder aller, insbesondere beider Zylindergruppen ohnehin arbeiten, und sie bietet darüber hinaus auch die Mög­ lichkeit, die Betriebszeiten für die abschaltbaren Zylinder­ gruppen derart zu wählen, dass die Schwankungen in den Abgas­ temperaturen auch unter Berücksichtigung der Zylinderabschal­ tung insgesamt in einem Bereich bleiben, der für die Funktions­ fähigkeit der Abgasentgiftungseinrichtungen, so insbesondere von Katalysatoren erforderlich ist, wobei erfindungsgemäß dies dadurch erleichtert wird, dass für die jeweils abgeschaltete Zylindergruppe die Gaswechselelemente stillgesetzt sind, so dass der Gaswechsel für die abgeschaltete Zylindergruppe unter­ brochen ist und auch die entsprechenden Betätigungsvorrichtun­ gen für die Gaswechselelemente entlastet sind. Mit dem Still­ setzen der Gaswechselelemente werden bei einer solchen Lösung zudem Pumpverluste vermieden, die den Wirkungsgrad der Brenn­ kraftmaschine beeinträchtigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt die Möglichkeiten, be­ darfsabhängig, d. h. in Abhängigkeit von der erforderlichen Lei­ stungsabgabe jederzeit auf den vollmotorischen Betrieb umzu­ schalten, unberührt. Dementsprechend können sich auch im Rahmen der dadurch bedingten Gegebenheiten Unterschiede in den Ar­ beitszeiten der unter Zylinderabschaltung jeweils befeuerten Zylindergruppen ergeben. Bei Fortbestand der Betriebsvorausset­ zungen für die Zylinderabschaltung wird durch die Erfindung aber die Dauer der Arbeitsperiode der jeweils arbeitenden Zy­ lindergruppe begrenzt, sei es zeitabhängig, sei es in Abhängig­ keit von Arbeitsparametern der Brennkraftmaschine einschliess­ lich zugehöriger Abgasanlage, sei es durch die Kombination von Zeitkomponenten und Arbeitsparametern. So ist es im Rahmen der Erfindung möglich, eine vorgegebene Maximalzeit für die Ar­ beitsperiode einer unter Zylinderabschaltung befeuerten Zylin­ dergruppe, überlagert durch motorische und/oder anderweitige Arbeitsparameter, zu beeinflussen, insbesondere zu verkürzen.

Die unter Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung erfolgende Umschaltung von der einen auf die andere Zylindergruppe kann im Rahmen der Erfindung unmittelbar erfolgen, eine besonders zweckmäßige Lösung besteht aber darin, eine Arbeitsperiode zwischenzuschalten, in der die Brennkraft­ maschine als Vollmotor betrieben wird, was sich im Hinblick auf die Erzielung möglichst gleichmäßiger Ausgangsbedingungen für alle Zylinder für den jeweiligen Abschaltbetrieb beim Wechsel zwischen den Zylindergruppen als zweckmäßig erweist. Zudem lässt sich dadurch auch der Umschaltkomfort verbessern.

Die vollmotorische, im Wechsel von der Befeuerung der einen Zy­ lindergruppe auf die Befeuerung der anderen Zylindergruppe als Zwischenphase vorgesehene Arbeitsperiode kann sehr kurz gehal­ ten werden, insbesondere deutlich kürzer als die Dauer der als Regelarbeitsperiode vorgegebenen Maximaldauer für eine Zylin­ dergruppe bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zylinderabschaltung.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich insbesondere in Verbindung mit Brennkraftmaschinen als zweckmäßig, die Zylin­ derzahlen von ≧ 6 Zylindern aufweisen, wobei sich wiederum großvolumige Brennkraftmaschinen für die Anwendung des Verfah­ rens insbesondere eignen.

So erweist es sich beispielsweise als zweckmäßig, die Erfindung auf einen 8-Zylinder-Motor, insbesondere einen 8-Zylinder-Motor in V-Bauform anzuwenden, bei dem jeder Zylinder von der Ar­ beitsverrichtung ausgeschlossen werden kann, so dass sich zwei Zylindergruppen bilden lassen, deren Zylinder jeweils, sowohl im vollmotorischen Betrieb als auch bei Zylinderabschaltung, in der Zündfolge gleichen Zündabstand zueinander aufweisen, wobei aber für den Arbeitsbetrieb mit Zylinderabschaltung der Zündab­ stand dem doppelten des Zündabstandes bei vollmotorischem Be­ trieb entspricht. So ergeben sich beispielsweise für einen 8- Zylinder-Motor mit der Zündfolge 1-5-4-2-6-3-7-8 Gruppen von Zylindern, nämlich für die eine Gruppe Zylinder (1 + 4 + 6 + 7) und für die andere Gruppe Zylinder (2 + 3 + 8 + 5), jeweils in der Zünd­ folge aufgezählt, die bei Zylinderabschaltung abwechselnd akti­ viert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere in Ver­ bindung mit Brennkraftmaschinen, die individuell angesteuerte Gaswechselsteuerelemente aufweisen, praktisch ohne Zusatzauf­ wand realisieren, wobei als Gaswechselsteuerelemente beispiels­ weise und bevorzugt Ventile mit elektromagnetischer Ansteuerung Verwendung finden können. Bei einer derartigen Ventilansteue­ rung ist es jederzeit möglich, die Ventile der abzuschaltenden Zylinder durch Ansteuerung für die Dauer des Abschaltbetriebes geschlossen zu halten, so dass ein Gaswechsel unterbleibt, die damit verbundenen, durch die Gaswechselarbeit bedingten Verlu­ ste vermieden und auch für die Gaswechselsteuerelemente ver­ kürzte Betriebszeiten mit entsprechend verringertem Verschleiß erreicht werden. Bei Verlassen des Abschaltbetriebes kann die Ansteuerung der Ventile wiederum entsprechend den regulären, applizierten Steuerzeiten erfolgen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachfolgend anhand einer bildlichen Schemadarstellung mit wei­ teren Einzelheiten erläutert.

In der gezeigten Schemadarstellung wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Betriebsschemas für eine Brennkraftma­ schine in Form eines 8-Zylinder-V-Motors erläutert, dessen 8 Zylinder jeweils als Kreise angedeutet sind, und zwar im befeu­ erten Zustand mit geschwärzter und im unbefeuerten Zustand mit ungeschwärzter Kreisfläche.

Wird der Motor als Vollmotor betrieben, wobei der vollmotori­ sche Betriebszustand jeweils mit 1 angedeutet ist, so sind des­ sen 8 Zylinder befeuert, wobei im Ausführungsbeispiel für die Zylinder bei gleichem Zündabstand die Zündfolge 1-5-4-2-6-3-7-8 gegeben ist.

Für den Betrieb mit Zylinderabschaltung werden die Zylinder in zwei Gruppen aufgeteilt, mit denen der Motor bei entsprechend geringerer Leistungsanforderung jeweils betrieben werden kann, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zylindergruppe, be­ zogen auf die vorgenannte Zündfolge, in der Reihenfolge ihrer Zündfolge die Zylinder 2, 3, 8 und 5 und die andere Gruppe die Zylinder 1, 4, 6 und 7 umfasst. Als Motor mit Zylinderabschal­ tung betrieben ist der Betriebszustand des Motores in der Sche­ madarstellung bei in der Reihenfolge ihrer Zündfolge befeuerten Zylindern 2, 3, 8 und 5 jeweils mit 2 und bei in der Reihenfol­ ge ihrer Zündfolge befeuerten Zylindern 1, 4, 6 und 7 jeweils mit 3 bezeichnet.

Entsprechend der höhenversetzten Darstellung für den jeweils als Vollmotor betriebenen, d. h. auf allen Zylindern befeuerten Motor 1 und für den mit Zylinderabschaltung betriebenen, teil­ befeuerten Motor 2 bzw. 3 sind über dem Zeitstrahl die jeweili­ gen Arbeitsperioden höhenversetzt abgetragen, in der unteren Ebene für den Vollmotor, in der oberen Ebene für den mit Zylin­ derabschaltung betriebenen Motor.

Die Darstellung geht zunächst von hoher Leistungsanforderung und vollmotorischem Motorbetrieb (Motordarstellung 1) aus. Da­ nach folgt eine Phase geringerer Leistungsanforderung, symboli­ siert durch die Motordarstellung 2. Auf diese Arbeitsperiode mit geringerer Leistungsanforderung folgt wieder eine Periode höherer Leistungsanforderung. Der vollmotorische Betrieb ist wiederum durch die Motordarstellung 1 symbolisiert.

Nunmehr folgt eine längere Zeitspanne 4, die drei Arbeitsperi­ oden 5, 6 und 7 umfasst.

Über die Zeitspanne 4 hinweg sind insgesamt Betriebsvorausset­ zungen gegeben, die einen Betrieb des Motores mit Zylinderab­ schaltung ermöglichen würden.

Gemäß der Erfindung wird diese in mehrere Arbeitsperioden, im Ausführungsbeispiel in drei Arbeitsperioden unterteilt, nämlich eine Arbeitsperiode 5, in der, wie durch die Motordarstellung 3 veranschaulicht, der Motor unter Befeuerung der Zylindergruppe mit den Zylindern 1, 4, 6 und 7 - aufgezählt in Zündfolge - be­ trieben wird. An die Arbeitsperiode 5 schließt eine kurze Ar­ beitsperiode 6 an, in der der Motor als Vollmotor (Motordarstellung 1) arbeitet. Danach folgt wiederum eine Ar­ beitsperiode 7, in der mit Zylinderabschaltung gearbeitet wird, wobei nunmehr, in der Reihenfolge der Zündfolge aufgezählt, die Zylinder 2, 3, 8 und 5 befeuert sind. Der Motor ist in diesem Betriebszustand wieder durch die Motordarstellung 2 symboli­ siert.

Der für die Zeitspanne 4 geschilderte Betriebsablauf veran­ schaulicht zweierlei. Einmal wird der Betrieb des Motors unter Zylinderabschaltung unter abwechselnder Nutzung der beiden Zy­ lindergruppen im Maximum auf vorgegebene Arbeitsperioden be­ schränkt, nämlich Arbeitsperioden 5, 7, die ungeachtet fortbe­ stehender Betriebsvoraussetzungen für die Zylinderabschaltung die Arbeit der jeweiligen Zylindergruppe (Motordarstellungen 2 und 3) auf eine gewisse Zeitdauer, nämlich auf eine Periode be­ schränken, wobei die Dauer dieser Periode rein zeitlich festge­ legt sein kann oder auch durch zusätzliche Parameter gegebenen­ falls auch variiert werden kann. Danach erfolgt eine Umschal­ tung auf die jeweils andere Zylindergruppe. Diese Umschaltung kann direkt erfolgen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Um­ schaltung unter Zwischenschaltung einer Arbeitsperiode 6, die verhältnismäßig kurz ist und in der ungeachtet der gegebenen Betriebsvoraussetzungen für die Zylinderabschaltung der Motor als Vollmotor (Motordarstellung 1) betrieben wird.

Auch die Arbeitsperiode 7 entspricht in ihrer Länge der maxima­ len Betriebszeit einer Zylindergruppe, es erfolgt anschließend eine Umschaltung auf vollmotorischen Betrieb (Motordarstellung 1) und danach eine kürzere Phase, in der aufgrund der noch be­ stehenden Betriebsvoraussetzungen für die Zylinderabschaltung der Motor wieder mit Zylinderabschaltung (Motordarstellung 3) betrieben wird, und zwar wiederum nach Wechsel auf eine andere Zylindergruppe.

Entsprechende Abläufe veranschaulicht auch die zweite Reihe der Schemadarstellung, weswegen hier auf eine detaillierte Schilde­ rung verzichtet wird und wiederum die Motordarstellungen 1 bis 3 den Ablauf versinnbildlichen.

In der Schemadarstellung ist ungeachtet der jeweiligen Dauer des Betriebes unter Zylinderabschaltung mit jeder Unterbrechung ein Umschalten von der einen auf die andere Zylindergruppe ver­ bunden. Im Rahmen der Erfindung ist dies nicht zwingend, soweit die Umschaltung nicht durch die gesetzten Grenzwerte für die Arbeitsperioden der Zylindergruppen bedingt ist, sondern nur zweckmäßig. Denn es wird so sowohl unter mechanischen wie auch unter thermischen Gesichtspunkten eine maximale Vergleichmäßi­ gung der Belastungen erreicht.

Insgesamt führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer bevor­ zugten Betriebsweise, bei der mit jedem Wechsel zwischen voll­ motorischem Betrieb und Betrieb unter Zylinderabschaltung auch die befeuerte Zylindergruppe wechselt, ungeachtet der jeweili­ gen Arbeitsdauer, die für den vollbefeuerten Motor unbegrenzt ist und die für den Betrieb unter Zylinderabschaltung für die jeweils befeuerte Zylindergruppe beschränkt ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wahlweise als Vollmotor oder mit Zylinderabschaltung, bei dem die für den Betrieb als Vollmotor in der Zündfolge aufeinander folgenden Zylinder für den Betrieb mit Zylinderabschaltung in zwei Grup­ pen aufgeteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zylindergruppen abschaltbar sind und dass bei für den Betrieb mit Zylinderabschaltung abwechselnder Befeuerung der Zylindergruppen die in der Zündfolge aufeinander folgenden, einer Gruppe zugehörigen Zylinder jeweils mit zum Zündabstand beim Betrieb eines Vollmotors verdoppeltem Zündabstand betrie­ ben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündabstand für in der Zündfolge aufeinanderfolgende Zylinder jeder Zylindergruppe für die jeweilige Betriebsart gleich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung für die jeweils arbeitende Zylindergruppe die Dauer einer Arbeitsperiode begrenzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung die Dauer einer Arbeitsperiode für die je­ weils arbeitende Zylindergruppe auf eine Maximalzeit begrenzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung die Dauer einer Arbeitsperiode für die je­ weils arbeitende Zylindergruppe in Abhängigkeit von Arbeitspa­ rametern, insbesondere Motorparametern begrenzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung der Arbeitswechsel von der einen Zylinder­ gruppe auf die andere Zylindergruppe unmittelbar erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Fortbestand der Betriebsvoraussetzungen für die Zy­ linderabschaltung der Arbeitswechsel von der einen Zylinder­ gruppe auf die andere Zylindergruppe unter Zwischenschaltung einer Arbeitsperiode erfolgt, in der die Brennkraftmaschine als Vollmotor betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Wechsel von der einen Zylindergruppe auf die an­ deren Zylindergruppe als jeweils arbeitende Zylindergruppe zwi­ schengeschaltete Arbeitsperiode als Vollmotor kürzer als die maximale Dauer einer Arbeitsperiode einer Zylindergruppe ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit elektromagnetischer Ventil­ steuerung betrieben wird.