DE102013213294A1

DE102013213294A1 - Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung und Verfahren zur Zylinderabschaltung

Info

Publication number: DE102013213294A1
Application number: DE102013213294.8A
Authority: DE
Inventors: Guohui Chen; Helmut Ruhland; Werner Willems; Carsten Weber
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, die in eine erste und eine zweite Zylindergruppe gruppiert sind, wobei die Zylinder der zweiten Zylindergruppe in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors abschaltbar sind, und mit einer ersten (5, 6) und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8), welche parallel angeordnet sind. Gemäß der Erfindung gibt es eine gemeinsame Abgasleitung (2) für die Abgase beider Zylindergruppen, die sich in einen ersten Leitungszweig (3) zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) und einen zweiten Leitungszweig (4) zu der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung verzweigt, und außerdem ist eine Einrichtung (10) zum Schließen des zweiten Leitungszweigs (4) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung sowie ein Verfahren zur Zylinderabschaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, die in eine erste und eine zweite Zylindergruppe gruppiert sind, wobei die Zylinder der zweiten Zylindergruppe in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors abschaltbar sind, und mit einer ersten und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche parallel angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem derartigen Verbrennungsmotor, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Durch eine Zylinderabschaltung wird eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren ermöglicht. Dazu wird bei geringer Vortriebsanforderung die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe unterbrochen, die aus einem oder mehreren Zylindern bestehen kann. Die Luftzufuhr kann z. B. durch Deaktivieren der Ventile der abgeschalteten Zylinder unterbrochen werden, um Gaswechselverluste zu vermeiden, doch gibt es hierfür auch andere Lösungen.
Bei Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung gibt es für die abschaltbaren Zylinder und die im Zylinderabschaltbetrieb noch gefeuerten Zylinder in der Regel je einen eigenen Abgasstrang mit Abgasnachbehandlungseinrichtung. Ein derartiger Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z.B. aus der DE 103 22 509 B4 bekannt. Eine erste Abgasleitung verbindet die Auslässe der ersten Zylindergruppe mit der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung, und eine zweite, von der ersten Abgasleitung getrennte Abgasleitung verbindet die Auslässe der ersten Zylindergruppe mit der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgaswege hinter den beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen können entweder getrennt bleiben oder sich wieder vereinigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung noch mehr zu senken.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung und ein Verfahren zur Zylinderabschaltung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Bei der Erfindung führt eine gemeinsame Abgasleitung für die Abgase beider Zylindergruppen vom Verbrennungsmotor zu den beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen und verzweigt sich dort in einen ersten und einen zweiten Leitungszweig zu der ersten bzw. der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, und der zweite Leitungszweig kann während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, in dem die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind, oder unter anderen Bedingungen geschlossen werden.
Dies ermöglicht es, die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen optimal an die Betriebsarten mit bzw. ohne Zylinderabschaltung anzupassen und unter allen Betriebsbedingungen ein möglichst schnelles Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators der Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. deren Aufrechterhaltung sicherzustellen.
Bei den bekannten Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung ist dies nicht möglich, weil die beiden parallelen Abgasnachbehandlungseinrichtungen praktisch identisch sein müssen, wenn die beiden Zylindergruppen dieselbe Zahl von Zylindern enthalten, um Volllast-Bedingungen gerecht zu werden.
Hingegen ist es bei der Erfindung möglich, die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen unterschiedlich auszulegen, wobei die während der Zylinderabschaltung aktive erste Abgasnachbehandlungseinrichtung optimal an die in dieser Betriebsart vorherrschende Abgasmenge und Abgaszusammensetzung angepasst werden kann und die zuschaltbare zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung so ausgelegt werden kann, dass sie in Kombination mit der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung den im Normalbetrieb vorherrschenden Bedingungen optimal gerecht wird. Auf diese Weise können der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß gesenkt werden.
Insbesondere kann die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung ein größeres Abgasreinigungsvermögen pro Zylinder als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung haben, wobei das Abgasreinigungsvermögen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung durch deren Volumen, Strömungsquerschnitte bzw. katalytisch oder filternd wirksame Oberflächen bestimmt wird. Im Normalbetrieb, in dem alle Zylinder gefeuert sind, wird pro Zylinder nämlich wesentlich mehr Katalysatormaterial als im Zylinderabschaltbetrieb benötigt, weil eine Zylinderabschaltung tendenziell während niedrigerer Motorlasten stattfindet.
Während eines Übergangs vom Normalbetrieb zum Zylinderabschaltbetrieb bei gleichbleibender Last des Verbrennungsmotors erhöht sich die Abgastemperatur, weil die gefeuerten Zylinder mehr Drehmoment erzeugen müssen, um die Motorlast zu halten, und dementsprechend mehr Kraftstoff erhalten müssen. Jedoch wird der Massenstrom beinahe halbiert. In der Summe resultiert dies in einem geringeren Energiefluss durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung und insbesondere durch den üblicherweise darin enthaltenen Oxidationskatalysator. Wenn dieser wie im Stand der Technik dafür ausgelegt ist, mit der halben Vollgas-Abgasmenge fertig zu werden, besteht die Möglichkeit, dass im Zylinderabschaltbetrieb die Arbeitstemperatur oder Anspringtemperatur des Katalysators unterschritten wird bzw. nicht oder nur langsam erreicht wird, besonders bei kaltem Verbrennungsmotor.
Ein Katalysator mit geringerem Abgasreinigungsvermögen hat in der Regel auch eine geringere Wärmekapazität und kann daher schneller auf seine Anspringtemperatur aufgeheizt werden bzw. mit weniger Energie auf dieser Temperatur gehalten werden. Daher kann man den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß oft noch mehr senken, wenn man unterschiedlich dimensionierte parallele Katalysatoren verwendet.
Parallel geschaltete, teils auch unterschiedlich ausgeführte Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die jeweils für unterschiedliche Bedingungen, insbesondere unterschiedliche Abgastemperaturen ausgelegt sind und die in Anpassung an die geraden herrschenden Bedingungen abgesperrt, zugeschaltet oder umgeschaltet werden können, sind im Stand der Technik zwar an sich bekannt, z. B. aus der EP 2 385 231 A2 , der US 5 365 733 A , der DE 100 11 612 A1 und der US 2010 0199 643 A1 , aber nicht im Zusammenhang mit einer Zylinderabschaltung.
In Verbindung mit einer Zylinderabschaltung und deren spezieller Problematik, wie oben erläutert, bietet eine Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung jedoch zusätzliche Möglichkeiten, Kraftstoffeinsparung und Schadstoffsenkung zu erzielen, und zwar sowohl bei kaltem als auch bei warmem Verbrennungsmotor.
Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung Materialeinsparungen sowie eine Verminderung des Strömungswiderstands des Abgasleitungssystems von Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung und damit weitere Verbrauchssenkungen.
In einer Ausführungsform, in der beide Zylindergruppen dieselbe Zahl von Zylindern besitzen, hat die zweite Abgasreinigungseinrichtung ein mehr als doppelt so großes Gesamt-Abgasreinigungsvermögen als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung, und in manchen derartigen Motorkonfigurationen kann ein Verhältnis der Gesamt-Abgasreinigungsvermögen der beiden Abgasreinigungseinrichtung von ungefähr 30:70 besonders günstig sein.
Die Einrichtung zum Schließen des zweiten Leitungszweigs könnte so ausgebildet sein, dass sie auch für den ersten Leitungszweig wirksam sein kann, indem sie wahlweise den ersten oder den zweiten Leitungszweig verschließt, wobei auch Zwischenstellungen möglich sein könnten, oder beide Leitungszweige ganz öffnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung zum Schließen des zweiten Leitungszweigs jedoch einfach eine hinter der Verzweigung in dem zweiten Leitungszweig angeordnete Klappe, welche den zweiten Leitungszweig ganz oder teilweise schließen kann, und noch mehr bevorzugt ist sie eine Absperrklappe, welche den zweiten Leitungszweig entweder ganz öffnet oder ganz verschließt.
Jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter enthalten, und wenn der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist, besteht jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorzugsweise aus einem Dieseloxidationskatalysator und einem Dieselpartikelfilter. Für einen Dieselmotor ist es besonders wichtig, den Katalysator möglichst früh auf seine Anspringtemperatur zu bringen, damit Kohlenmonoxid möglichst früh konvertiert werden kann. Dies ist mit der kleiner ausgelegten zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung auch für Dieselmotoren möglich, welche tendenziell weniger Abgaswärme als Benzinmotoren erzeugen. Sobald mehr Abgasreinigungsvermögen erforderlich ist, kann dieses durch Dazuschalten der größer ausgelegten Abgasnachbehandlungseinrichtung schnell auf den Maximalwert vergrößert werden.
Auslassseitig können die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen miteinander verbunden sein und in einen gemeinsamen Schalldämpfer münden. Die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen bilden dann eine gemeinsame Baugruppe, in der sie miteinander Wärmekontakt haben können, derart, dass die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, in dem die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind, von der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung auf Temperatur gebracht bzw. gehalten wird. Ein guter Wärmekontakt kann z. B. mittels einer Rohr-in-Rohr-Anordnung erzielt werden. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit zwei thermisch getrennten Abgasnachbehandlungseinrichtungen realisierbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einer ersten und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors einige der Zylinder abgeschaltet werden und das Abgas der gefeuerten Zylinder durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen gelassen wird, wie aus der DE 10 359 693 B4 bekannt, wird, wenn alle Zylinder gefeuert werden, alles Abgas zunächst gemeinsam zu den beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen strömen gelassen und wird der Abgasstrom dann in zwei Teile geteilt, von denen ein Teil durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen gelassen wird und der andere Teil durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen gelassen wird.
Wenn der Abgasstrom auf eine derartige Weise geteilt wird, strömt vorzugsweise mehr Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung als durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Vorzugsweise wird in einem Zylinderabschaltbetrieb, aber auch in einem Normalbetrieb, wenn alle Zylinder bei effektiven Mitteldrücken (BMEP; Break Mean Effektive Pressure) im Zylinder bis zu ungefähr 3 bar bei Diesel und 6 bar bei Ottomotorischen Anwendungen gefeuert werden, verhindert, dass Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung strömt. Bei höheren Drücken, wenn alle Zylinder befeuert werden, werden beide Abgasnachbehandlungseinrichtungen von Abgas durchströmt. Bei höheren Motorlasten, die effektiven Mitteldrücken im Zylinder von mehr als 3 bar (Diesel) bzw. 6 bar (Otto) entsprechen, läuft der Verbrennungsmotor mit allen Zylindern verbrauchsgünstig, während bei niedrigeren Motorlasten Verdünnungseffekte auftreten, weshalb die Verbrennung durch zusätzliches Einbringen von Kraftstoff stabilisiert werden muss.
Die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind auch für das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
1 eine Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung für einen Vierzylinder-Dieselmotor, bei dem zwei Zylinder abschaltbar sind; und
2a eine schematische Skizze zur Veranschaulichung eines Größenverhältnisses der Katalysatoren von 50:50; und
2b eine schematische Skizze zur Veranschaulichung eines Größenverhältnisses der Katalysatoren von 30:70.
Die Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ist an eine gemeinsame Abgasleitung 2 angeschlossen, welche die Abgase aller Zylinder des nicht gezeigten Verbrennungsmotors zu der Doppel-Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 leitet. Hier verzweigt sich die gemeinsame Abgasleitung 2 in einen ersten Leitungszweig 3 und einen zweiten Leitungszweig 4. Der erste Leitungszweig 3 mündet in eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung, die aus einem Dieseloxidationskatalysator 5 und einem Dieselpartikelfilter 6 besteht, und der zweite Leitungszweig 4 mündet in eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung, die aus einem Dieseloxidationskatalysator 7 und einem Dieselpartikelfilter 8 besteht. Die erste und die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 5, 6 bzw. 7, 8 sind parallel angeordnet und münden in ein gemeinsames Abgasrohr 9, das zu einem nicht gezeigten Schalldämpfer führt.
In dem zweiten Leitungszweig 4 ist eine Absperrklappe 10 angeordnet, die sich in 1 in einer offenen Stellung befindet, aber mittels eines nicht gezeigten, z. B. elektromagnetischen Aktuators in die gestrichelt eingezeichnete Stellung gedreht werden kann, in der sie den zweiten Leitungszweig 4 im Wesentlichen verschließt, so dass die Abgase nur den Dieseloxidationskatalysator 5 und den Dieselpartikelfilter 6 durchströmen können.
Wie in 2a veranschaulicht, können die Dieseloxidationskatalysatoren 5 und 7 gleich groß sein, in dem Sinne, dass sie gleiche Volumina, Strömungsquerschnitte bzw. katalytisch wirksame Oberflächen haben. Entsprechendes gilt für die Dieselpartikelfilter 6, 8 und die Strömungsquerschnitte der Leitungszweige 4, 3.
Alternativ können der Dieseloxidationskatalysator 7 und der Dieselpartikelfilter 8 jeweils größer als der Dieseloxidationskatalysator 5 und der Dieselpartikelfilter 6 sein, wie in 1 und 2b veranschaulicht. Das heißt, sie haben größere Volumina, Strömungsquerschnitte bzw. katalytisch oder filternd wirksame Oberflächen.
In einem Zylinderabschaltbetrieb, oder wenn bei dem auf allen Zylindern laufenden Verbrennungsmotor effektive Mitteldrücke im Zylinder bis zu ungefähr 3 bar(Diesel) 6 bar (Otto) gemessen werden, wird die Klappe 4 in die geschlossene Stellung gebracht. Bei höheren Drehzahlen oder Lasten ist die Klappe 4 auch im Zylinderabschaltbetrieb offen. Alternativ oder zusätzlich kann die Klappe 4 auch in Abhängigkeit von der aktuell gemessenen Abgastemperatur geöffnet und geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10322509 B4 [0003]
EP 2385231 A2 [0013]
US 5365733 A [0013]
DE 10011612 A1 [0013]
US 20100199643 A1 [0013]
DE 10359693 B4 [0021]

Claims

Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, die in eine erste und eine zweite Zylindergruppe gruppiert sind, wobei die Zylinder der zweiten Zylindergruppe in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors abschaltbar sind, und mit einer ersten (5, 6) und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8), welche parallel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Abgasleitung (2) für die Abgase beider Zylindergruppen vorhanden ist, die sich in einen ersten Leitungszweig (3) zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) und einen zweiten Leitungszweig (4) zu der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung verzweigt, und dass eine Einrichtung (10) zum Schließen des zweiten Leitungszweigs (4) vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8) ein größeres Abgasreinigungsvermögen pro Zylinder als die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) hat und insbesondere ein mehr als doppelt so großes Gesamt-Abgasreinigungsvermögen hat, wenn die beiden Zylindergruppen dieselbe Zahl von Zylindern enthalten.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Schließen des zweiten Leitungszweigs eine hinter der Verzweigung in dem zweiten Leitungszweig angeordnete Klappe ist und insbesondere eine Absperrklappe ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen (5, 6; 7, 8) einen Oxidationskatalysator (5; 7) und/oder einen Partikelfilter (6; 8) enthält.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist, wobei jede der beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen (5, 6; 7, 8) aus einem Dieseloxidationskatalysator (5; 7) und einem Dieselpartikelfilter (6; 8) besteht.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen (5, 6; 7, 8) auslassseitig miteinander verbunden sind und insbesondere in ein gemeinsames Abgasrohr (9) münden.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen eine Baugruppe (1) bilden, in der sie miteinander Wärmekontakt haben, derart, dass die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (7) während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors, in dem die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind, von der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) auf Temperatur gebracht bzw. gehalten wird.
Verfahren zur Zylinderabschaltung bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einer ersten und einer zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6; 7, 8), wobei während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors einige der Zylinder abgeschaltet werden und das Abgas der gefeuerten Zylinder durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) strömen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn alle Zylinder gefeuert werden, alles Abgas zunächst gemeinsam zu den beiden Abgasnachbehandlungseinrichtungen (5, 6; 7, 8) strömen gelassen wird und der Abgasstrom dann in zwei Teile geteilt wird, von denen ein Teil durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) strömen gelassen wird und der andere Teil durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8) strömen gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Abgasstrom geteilt wird, mehr Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8) als durch die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (5, 6) strömen gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylinderabschaltbetrieb, oder bei effektiven Mitteldrücken im Zylinder bis zu ungefähr 3 bar(Diesel) bzw. 6 bar (Otto), verhindert wird, dass Abgas durch die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung (7, 8) strömt.