DE19500761C2 - Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen und katalytischer Abgasreinigung - Google Patents
Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen und katalytischer AbgasreinigungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrische Kolbenbrenn
kraftmaschine, die mindestens zwei Zylindergruppen mit
einem Katalysator aufweist, nach dem Oberbegriff des An
spruches 1.
Eine derartige Kolbenbrennkraftmaschine ist aus der
DE 26 27 286 A1 bekannt, die einen Verbrennungsmotor mit
zwei zu Zylinderbänken zusammengefaßten Zylindergruppen mit
jeweils vier Zylindern zeigt. Die Auslaßkanäle der Zylinder
einer Zylinderbank münden jeweils in einen Abgasstrang, in
dem je ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet ist.
Eine der Zylinderbänke ist im Teillastbetrieb durch Sperren
der Kraftstoffzufuhr abschaltbar und fördert infolge der
von der Kurbelwelle erzwungenen Kolbenbewegung nach Art
einer Pumpe unverbrannte Umgebungsluft durch die Brennräume
der Zylinder der abgeschalteten Zylinderbank. Die Umge
bungsluft ist in ihrem weiteren Verlauf dem im Abgasstrang
angeordneten Katalysator zugeführt, in dem eine katalyti
sche Oxidationsreaktion zur Reinigung des ebenfalls Zuge
leiteten Abgasstromes der befeuerten Zylinderbank stattfin
det.
Bei dieser Anordnung tritt das Problem auf, daß die Tempe
ratur des Oxidationskatalysators aufgrund der kühlen, von
der unbefeuerten Zylinderbank zugeführten Umgebungsluft
unter die Betriebstemperatur des Katalysators fallen kann,
so daß eine katalytische Reinigung nicht oder nur unzurei
chend einsetzen kann. Nach einem Kaltstart der Brennkraft
maschine und anschließendem Betrieb im Teillastbereich bzw.
während länger andauerndem Betrieb im Teillastbereich, der
in ohnehin stark abgasbelasteten Städten häufig vorkommt,
besteht die Gefahr, daß der Katalysator die Betriebs
temperatur überhaupt nicht erreicht und die Abgase ohne ka
talytische Reinigung in die Umgebung geleitet werden.
Aus der DE 30 36 508 A1 ist ebenfalls eine Brennkraftma
schine mit teilweise abschaltbaren Zylindern bekannt. Die
Auslaßkanäle der dauerbetriebenen und der abschaltbaren Zy
linder münden jeweils in einen Abgasstrang, wobei nur im
Abgasstrang der dauerbetriebenen Zylinder ein Katalysator
angeordnet ist. Der Abgasstrang der abschaltbaren Zylinder
ist im Teillastbetrieb dem gemeinsamen Einlaßkanal von be
feuerten und unbefeuerten Zylindern zugeführt und mündet im
Vollastbetrieb in dem Abgasstrang der dauerbetriebenen Zy
linder. Im Teillastbetrieb ist zwar aufgrund der Rückfüh
rung des durch die nicht befeuerten Zylinder geleiteten
Luftstromes ein Entweichen unverbrannter Kraftstoff- bzw.
Rußpartikel ins Freie verhindert; da bei Inbetriebnahme der
abgeschalteten Zylinder der Abgasstrom in den Abgasstrang
der dauerbetriebenen Zylinder geleitet wird, ist aber nur
eine Reinigung der beiden Abgasströme über einen
gemeinsamen Katalysator möglich, der zur Bewältigung der
erforderlichen Reinigungsleistung groß dimensioniert sein
muß und teuer in der Herstellung ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrzylin
drische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylin
dergruppen mit jeweils einem Katalysator zu schaffen, bei
der der Katalysator einer im Teillastbetrieb abgeschalteten
Zylindergruppe auf Betriebstemperatur gehalten ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenbrennkraftmaschine nach
Gattungsbegriff mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Im Abgasstrang jeder Zylindergruppe bzw. jeder Zylinderbank
ist ein Katalysator angeordnet, wobei auch im Teillastbe
trieb der Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank mit
dem Abgas der befeuerten Zylinderbank beaufschlagt und da
durch auf Betriebstemperatur gehalten wird, unabhängig da
von, über welchen Zeitraum die Brennkraftmaschine im Teil
lastbetrieb gefahren wird. Dadurch wird auch ein schnelle
res Einsetzen der katalytischen Reinigung des Katalysators
der nicht betriebenen Zylinderbank nach einem Kaltstart der
Brennkraftmaschine erreicht, da der Katalysator bereits vor
Erreichen der Lastgrenze und Befeuerung der abgeschalteten
Zylinderbank vom Abgas der zuerst gezündeten Zylinderbank
vorgewärmt wird. Zudem wird hierdurch die Lambda-Sonde zur
Messung des Luftverhältnisses vorgewärmt, so daß eine
bessere Gemischregelung erzielt ist und weniger Leistung
für die Sondenheizung aufgebracht werden muß. Beim Wieder
zuschalten der nicht befeuerten Zylinderbank ist im Abgas
in kürzerer Zeit ein angestrebtes Luftverhältnis erreicht,
da die Luftmenge im Abgassystem durch die Zufuhr von Abgas
der anderen Zylinderbank verringert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, daß
die Zylinderbänke wechselweise abschaltbar sind und die Ab
gasstränge einer oder mehrerer befeuerter Zylinderbänke
über je eine Rückführleitung mit den Einlaßkanälen einer
oder mehrerer abschaltbarer Zylinderbänke verbunden sind.
Der Abgasstrang jeder Zylinderbank ist daher mit dem oder
den Einlaßkanälen der übrigen Zylinderbänke verbunden, wo
bei durch das zyklische Umschalten von Feuerung auf Nicht
feuerung jeder Zylinderbank eine gleichmäßige Erwärmung auf
bzw. ein Halten der Betriebstemperatur von jedem Katalysa
tor erreicht ist.
Die Rückführleitung, über die ein Teil des Abgasstromes der
befeuerten Zylinderbank vom Abgasstrang abgeführt ist, ist
zweckmäßig stromab des Katalysators vom Abgasstrang abge
zweigt. Zumindest ein Teil des Abgases wird daher nach
Durchlaufen des Katalysators im Abgasstrang der befeuerten
Zylinderbank ein zweites Mal im Katalysator der abgeschal
teten Zylinderbank gereinigt, so daß insgesamt eine bessere
Abgasqualität erzielt wird.
Es kann zweckmäßig sein, die Rückführleitung über eine
steuerbare Umschalteinrichtung bei Feuerung aller Zylinder
bänke abzusperren, um zu verhindern, daß der Verbrennungs
vorgang in den Brennräumen der Zylinder durch die Zufuhr
von Abgas beeinträchtigt wird. Zum Erkennen des Schaltzu
standes der Umschalteinrichtung ist vorteilhaft eine
Steuervorrichtung vorgesehen, die beim Übergang zwischen
Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein die Umschalteinrich
tung steuerndes Signal erzeugt. Vorzugsweise ist die Um
schalteinrichtung ein im Bereich der Abzweigung der Rück
führleitung vom Abgasstrang angeordnetes Umschaltventil,
das die Rückführleitung je nach Lastzustand öffnet oder
sperrt. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung be
steht die Umschalteinrichtung aus einem zentral angeordne
ten Verteiler, in den die Rückführleitungen aller Abgas
stränge münden und der über Zufuhrleitungen, die mit den
Einlaßkanälen der Zylinderbänke verbunden sind, das Abgas
den abgeschalteten Zylinderbänken zuführt.
Die Abgasführung durch den Katalysator der unbefeuerten Zy
linderbank eignet sich vorteilhaft bei einer Brennkraftma
schine mit insgesamt zwei Zylinderbänken mit jeweils vier
Zylindern, deren Auslaßleitungen in einen Abgasstrang mün
den.
Weitere Merkmale der Erfindung sowie vorteilhafte Ausge
staltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbei
spiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken und
katalytischer Abgasreinigung mit jeweils einer vom
Abgasstrang abzweigenden Rückführleitung,
Fig. 2 eine Brennkraftmaschine mit vier Zylinderbänken und
einem Verteiler, der den rückgeführten Abgasstrom
auf die abgeschalteten Zylinderbänke verteilt.
Die Kolbenbrennkraftmaschine 1 der Fig. 1 weist zwei zu Zy
linderbänken zusammengefaßte Zylindergruppen 2, 3 auf, in
denen jeweils vier Zylinder 2a bis 2d bzw. 3a bis 3d ange
ordnet sind. Den Zylinderbänken 2 und 3 sind Einlaßkanäle 4
bzw. 5 zugeordnet, in die Verbrennungsluft in Richtung der
Pfeile 36 angesaugt wird. Von den Einlaßkanälen 4, 5 zwei
gen Einlaßleitungen 35a bis 35d bzw. 36a bis 36d zu den je
weiligen Zylindern ab, durch die die Verbrennungsluft den
Zylindern zugeführt ist. Über regelbare Einspritzdüsen 31a
bis 31d bzw. 32a bis 32d ist den Zylindern Kraftstoff zuge
führt, der mit der Verbrennungsluft ein brennfähiges Kraft
stoff/Luftgemisch ergibt. Die Abgase der Zylinder aus der
Zylinderbank 2 sind über Auslaßleitungen 17a bis 17d einem
ersten Abgasstrang 6 zugeführt und sind in einem Katalysa
tor 8 einer katalytischen Reinigung unterzogen. Im weiteren
Verlauf des Abgasstranges 6 werden die gereinigten Abgase
in Richtung des Pfeiles 37 den weiteren Komponenten des Ab
gasstranges wie beispielsweise Schalldämpfer zugeführt und
anschließend in die Umgebung geleitet. In gleicher Weise
werden die Abgase der Zylinder der Zylinderbank 3 über
Auslaßleitungen 18a bis 18d einem zweiten Abgasstrang 7
zugeführt, in dem ein Katalysator 9 angeordnet ist. Die
Abgase des zweiten Abgasstranges 7 werden wie die Abgase
des ersten Abgasstranges 6 in Richtung des Pfeiles 37 den
weiteren, nicht dargestellten Komponenten des Abgasstranges
zugeführt.
Um einen im Verbrauch sparsamen und abgasarmen Motor zu
schaffen, ist eine der Zylinderbänke 2, 3 im Teillastbe
trieb wie zum Beispiel im Stadtverkehr abschaltbar; die
Brennkraftmaschine 1 ist in diesem Fall nur von einer be
feuerten Zylinderbank angetrieben. Um zu verhindern, daß im
Teillastbetrieb die Temperatur des Katalysators im Abgas
strang der abgeschalteten Zylinderbank unter die Betriebs
temperatur fällt, ist vorgesehen, daß der Abgasstrang der
befeuerten Zylinderbank über eine Rückführleitung mit dem
Einlaßkanal der abgeschalteten Zylinderbank verbunden ist.
Es kann hierfür ausreichend sein, daß die erste Zylinder
bank 2 im Teillastbetrieb permanent befeuert ist und die
zweite Zylinderbank 3 im Teillastbetrieb abgeschaltet ist.
Vom Abgasstrang 6 der Zylinderbank 2 zweigt eine Rückführ
leitung 10 ab, durch die zumindest ein Teil des Abgases der
befeuerten Zylinderbank 2 in den Einlaßkanal 5 der abge
schalteten Zylinderbank 3 geführt ist. Da die Kolben der
Zylinder 3a bis 3d durch die Bewegung der Kurbelwelle mit
bewegt werden, fördern die Zylinder der Zylinderbank 3 das
zugeführte Abgas nach Art einer Pumpe über die Auslaßlei
tungen 18a bis 18d in den Abgasstrang 7 und durch den Kata
lysator 9, der von den heißen Abgasen auf Betriebstempera
tur gehalten wird. Nach einem Kaltstart der Brennkraftma
schine wird daher der Katalysator 9 vorgewärmt, auch wenn
die Zylinder der Zylinderbank 3 noch nicht befeuert sind.
Bei Erreichen des Vollastbetriebes hat der Katalysator 9
bereits seine Betriebstemperatur, so daß bei einem Ein
setzen der Befeuerung der Zylinderbank 3 die entstehenden
Abgase ohne Zeitverlust gereinigt werden. Andererseits
fällt die Temperatur des Katalysators 9 auch bei längerem
Teillastbetrieb nicht unter die Betriebstemperatur; der Ka
talysator 9 ist dauerhaft betriebsbereit gehalten.
Durch Beaufschlagen der Brennräume der abgeschalteten Zy
linder mit heißem Abgas läuft bei Wiederzuschalten dieser
Zylinder der Verbrennungsvorgang gleichmäßig ab, da die
Brennräume bereits eine hohe Temperatur aufweisen; die Ab
gasqualität ist dadurch verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Abgasrückführung in die unbe
feuerte Zylinderbank liegt darin, daß eine - in Fig. 1
nicht dargestellte - Lambda-Sonde im Abgasstrang 7 zur Mes
sung des Luftverhältnisses im Abgas ebenfalls auf Betriebs
temperatur gehalten wird, so daß bei Abweichungen vom
Soll-Luftverhältnis, beispielsweise vom stöchiometrischen Luft
verhältnis, eine schnellere Regelung des Kraft
stoff/Luftverhältnisses erreicht wird; zudem kann die für
die Sondenheizung erforderliche Leistung so gering wie mög
lich gehalten werden.
Beim Wiederzuschalten der Zylinderbank 3 bei Erreichen der
Vollast wird das angestrebte Luftverhältnis schneller er
reicht, da die in den Einlaßkanal 5 permanent angesaugte
Verbrennungsluft kontinuierlich mit dem Abgas der befeuer
ten Zylinderbank vermischt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, daß
beide Zylinderbänke 2, 3 im Teillastbetrieb wechselweise
abschaltbar sind und die Abgasstränge jeder Zylinderbank
über je eine Rückführleitung mit dem Einlaßkanal der ande
ren Zylinderbank verbunden sind. Zusätzlich zu der vom Ab
gasstrang 6 der ersten Zylinderbank 2 abzweigenden Rück
führleitung 10 ist daher eine zweite Rückführleitung 11
vorgesehen, die vom Abgasstrang 7 der zweiten Zylinderbank
3 zum Einlaßkanal 4 der Zylinderbank 2 führt. Im Teillast
betrieb sind die Zylinderbänke 2, 3 wechselweise zyklisch
befeuert, wobei die Abgase der jeweils befeuerten Zylinder
bank dem Einlaßkanal der jeweils abgeschalteten Zylinder
bank zugeführt sind. Beide Katalysatoren 8, 9 werden da
durch auf der gleichen Betriebstemperatur gehalten.
Zweckmäßig ist die Rückführleitung jedes Abgasstranges
stromab des Katalysators abgezweigt, so daß der rückge
führte Teil des Abgases zweimal katalytisch gereinigt wird
und eine insgesamt bessere Reinigungsleistung erzielt ist.
Die Rückführleitungen 10, 11 sind vorzugsweise bei Feuerung
aller Zylinderbänke über eine steuerbare Umschalteinrich
tung 12 bzw. 13 vom Abgasstrang 6 bzw. 7 absperrbar. Im
Vollastbetrieb sind beide Zylinderbänke 2, 3 befeuert und
das gesamte Abgassystem jeder Zylinderbank ist auf etwa
gleichbleibender Temperatur gehalten. Durch Sperren der
Rückführleitungen 10, 11 über die Umschalteinrichtungen 12
bzw. 13 ist der gesamte Abgasstrom in Richtung der Pfeile
37 aus jedem Abgasstrang 6 bzw. 7 den weiteren Abgasstrang-Komponenten
zugeführt.
Wie in Fig. 1 strichliert eingezeichnet, können die Rück
führleitungen 10, 11 auch stromauf der Katalysatoren 8 bzw.
9 von den Abgassträngen 6 bzw. 7 abzweigen; in diesem Fall
ist es zweckmäßig, daß im Teillastbetrieb die Umschaltein
richtung den jeweiligen Abgasstrang sperrt und der gesamte
Abgasstrom durch die Rückführleitungen 10 bzw. 11 geleitet
ist, um zu verhindern, daß ein Teil des Abgases ohne kata
lytische Reinigung ins Freie entweicht. Auch bei einer Ab
zweigung der Rückführleitungen stromab der Katalysatoren
kann die vollständige Umleitung des Abgases durch die Rück
führleitungen in die abgeschaltete Zylinderbank zweckmäßig
sein, um eine zweimalige katalytische Reinigung des gesam
ten Abgasstromes zu erreichen.
Die Umschalteinrichtungen 12, 13 sind vorteilhaft von einer
Steuervorrichtung 14 gesteuert, die beim beidseitigen Wech
seln zwischen Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein Signal
erzeugt, durch das die Umschalteinrichtungen 12 und 13 die
Rückführleitungen 10 bzw. 11 freigeben bzw. absperren. Die
Steuervorrichtung 14 erhält hierfür über eine Leitung 38
Informationen über den Betriebszustand der Brennkraft
maschine 1, um je nach Feuerung einer der Zylinderbänke 2
oder 3 die Umschalteinrichtung 12 bzw. 13 auf Durchlaß der
Rückführleitung 10 bzw. 11 zu schalten.
Die Umschalteinrichtungen 12 und 13 können als ein Um
schaltventil 15 bzw. 16 ausgebildet sein, das im Bereich
der Abzweigung in der Rückführleitung 10 bzw. 11 angeordnet
ist.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 1
besteht aus vier Zylinderbänken 2, 3, 20, 21 mit jeweils
zwei Zylindern. Jede Zylinderbank weist einen eigenen Ein
laßkanal 4, 5, 22, 23 und einen eigenen Abgasstrang 6, 7,
24, 25 auf, in dem jeweils ein Katalysator 8, 9, 26, 27 an
geordnet ist. Stromab der Katalysatoren sind Rückführ
leitungen 10, 11, 28, 29 von den jeweiligen Abgassträngen
abgezweigt, die in eine als Verteiler 19 ausgebildete Um
schalteinrichtung 12 münden. Der Verteiler 19 ist über Zu
fuhrleitungen 30a bis 30d mit den Einlaßkanälen jeder Zy
linderbank verbunden. Über eine Steuervorrichtung 14, die
über eine Leitung 38 Informationen über den Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 1 erhält, ist der Schaltzustand des
Verteilers 19 bestimmt. Der Verteiler 19 schaltet diejeni
gen Zufuhrleitungen 30a bis 30d auf Durchlaß, die zu den
momentan abgeschalteten Zylinderbänken 2, 3, 20 bzw. 21
führen. Durch die Anordnung eines zentralen Verteilers ent
fallen weitere Umschalteinrichtungen in den jeweiligen Zu
fuhrleitungen.
Die vier Zylinderbänke der Brennkraftmaschine können
zyklisch abwechselnd betrieben werden oder je nach Teil
lastbereich in verschiedener Kombination zusammengeschaltet
werden. Es kann vorteilhaft sein, in niedrigen Teillastbe
reichen nur eine Zylinderbank zu betreiben und mit steigen
der Last die anderen Zylinderbänke nach und nach zuzuschal
ten, wobei der Verteiler 19 die Abgase aus den befeuerten
Zylinderbänken in die Einlaßkanäle der abgeschalteten Zy
linderbänke leitet.
Die Abgasrückführung in die Einlaßkanäle der abgeschalteten
Zylinderbänke kann sowohl bei Otto-Motoren als auch bei
Diesel-Motoren Anwendung finden. Es ist außerdem aus
reichend, wenn pro Zylinderbank nur ein Zylinder vorgesehen
ist. Bei Reihenmotoren können die in einer Reihe hinterein
ander angeordneten Zylinder einer Zylinderbank in zwei Zy
lindergruppen aufgeteilt sein, wobei eine Zylindergruppe im
Teillastbereich abschaltbar ist.
Claims (9)
1. Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit min
destens zwei Zylindergruppen (2, 3), die jeweils einen
Einlaßkanal (4, 5) zur Zufuhr von Verbrennungsluft und
einen Abgasstrang (6, 7) mit einem Katalysator (8, 9)
aufweisen, wobei eine Zylindergruppe (3, 2) im
Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) abschaltbar
ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrang (6, 7) der
befeuerten Zylindergruppe (2, 3) über eine Rückführ
leitung (10, 11) mit dem Einlaßkanal (5, 4) der abge
schalteten Zylindergruppe (3, 2) verbunden ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergruppen (2, 3)
wechselweise abschaltbar sind und der Abgasstrange (6,
7) jeder Zylindergruppe (2, 3) über je eine Rückführ
leitung (10, 11) mit den Einlaßkanälen (5, 4) der an
deren Zylindergruppen (3, 2) verbunden ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10,
11) stromauf des Katalysators (8, 9) vom Abgasstrang
(6, 7) abzweigt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10,
11) stromab des Katalysators (8, 9) vom Abgasstrang (6,
7) abzweigt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (10,
11) über eine steuerbare Umschalteinrichtung (12, 13)
bei Feuerung aller Zylindergruppen (2, 3) absperrbar
ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine den Schaltzustand der
Umschalteinrichtung (12, 13) bestimmende Steuervorrich
tung (14) vorgesehen ist, die beim Übergang zwischen
Teillastbetrieb und Vollastbetrieb ein die Umschaltein
richtung (12, 13) steuerndes Signal erzeugt.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung
(12, 13) ein im Bereich der Abzweigung der Rückführ
leitung (10, 11) vom Abgasstrang (6, 7) angeordnetes
Umschaltventil (15, 16) ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung
(12) ein Verteiler (19) ist, in den die Rückführ
leitungen (10, 11, 28, 29) aller Abgasstränge (6, 7,
24, 25) münden und daß über vom Verteiler (19) abzwei
gende Zufuhrleitungen (30a bis 30d), welche mit den
Einlaßkanälen (4, 5, 22, 23) der Zylindergruppen (2, 3,
20, 21) verbunden sind, das Abgas den abgeschalteten
Zylindergruppen zuführbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zylindergruppen (2, 3)
mit jeweils vier Zylindern (2a bis 2d, 3a bis 3d) vor
gesehen sind und die Auslaßleitungen (17a bis 17d, 18a
bis 18d) der Zylinder (2a bis 2d, 3a bis 3d) einer Zy
lindergruppe (2, 3) in einen Abgasstrang (7, 8) münden.
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