DE3904832A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit min­ destens zwei Zylindern sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine.

Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen im Teil­ lastbereich Zylinder abgeschaltet werden, wobei zur Kompensation die anderen Zylinder mit höherer Last be­ trieben werden. Damit wird der Gesamtbetrieb der Brenn­ kraftmaschine optimiert, da der Wirkungsgrad eines Zy­ linders nahe Vollast besser ist als unter Teillast.

Der oder die dabei stillgelegten Zylinder liefern in den gemeinsamen Abgaskanal der Brennkraftmaschine keine Ab­ gase, sondern reine Luft. Diese Luft mischt sich mit dem Abgas der betriebenen Zylinder, so daß eine im Abgaska­ nal angebrachte Lambda-Sonde, die den Sauerstoffgehalt im Abgas zur Einstellung eines stöchiometrischen Gleich­ gewichtes des zugeführten Brennstoff-/Luft-Gemisches mißt, einen Sauerstoffüberschuß im Abgas registriert. Das wirkliche Luft-/Kraftstoff-Verhältnis der gefeuerten Zylinder wird nicht gemessen.

Weiterhin ergeben sich beim Wiedereinsetzen der abge­ schalteten Zylinder unerwünschte Abgasemissionen, da die ersten Verbrennungen unvollständig sind aufgrund einer zu niedrigen Brennraumtemperatur.

Schließlich führt das Zuschalten und auch das Abschalten von Zylindern zu relativ großen Drehmomentänderungen, die vom Fahrer als unkomfortabel registriert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, bei dem die einzelnen Zylinder möglichst nahe Vollast betrieben werden, ohne daß die oben aufgezeigten Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch.

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ge­ mäß Hauptanspruch ist im Anspruch 4 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist jeder Zylindergruppe eine Gemisch­ durchsatzsteuereinheit zugeordnet. Diese Gemischdurch­ satzsteuereinheiten sind getrennt ansteuerbar, und mit zunehmender Lastanforderung werden sie nacheinander geöffnet, so daß die Zylindergruppen der Reihe nach nahe Vollast gebracht werden. Die zu dem jeweiligen Betriebs­ punkt gehörenden nicht benötigten Zylinder bleiben bei geschlossener Einheit nahe "Leerlauf", werden also nicht völlig abgeschaltet, sondern lediglich ohne Last betrie­ ben. Üblicherweise besteht, vor allem bei Motoren mit geringerer Zylinderanzahl, jede der Zylindergruppen aus einem einzigen Zylinder.

Damit tritt keine Verfälschung des Abgases mehr ein, außerdem werden die Drehmomentsprünge oder eine Drehmo­ mentenumkehr vermieden. Weiterhin kühlen die Brennräume nicht so stark aus, daß die Abgasemissionen beim Wieder­ einschalten nachteilig beeinflußt werden.

In den Unteransprüchen werden bevorzugte Ausführungsfor­ men beschrieben. Unteranspruch 2 beschreibt eine Anlage, in der zur Regelung des Brennstoff-/Luft-Gemischdurch­ satzes Drosselklappen verwendet werden. Eine Alternative wäre eine Regelung des zugeführten Brennstoff-/Luft-Ge­ misches mit Hilfe veränderbarer Ventilöffnungszeiten.

Um ein Regelverhalten zu erzielen, ist hinter der Dros­ selklappe für jeden Zylinder ein Lastsensor vorgesehen, der seine Informationen an eine elektronische Steuerein­ heit abgibt und somit einem zentralen Rechner mitteilt, unter welcher Last der Zylinder betrieben wird. Dement­ sprechend werden Zündzeitpunkt, Einspritzmenge und Dros­ selklappenstellung für den jeweiligen Zylinder festge­ legt. In diesem Fall wird also durch die Gaspedalstel­ lung ein Soll-Betriebswert angegeben und dem Rechner mitgeteilt, und der Rechner ermittelt dazu die notwendi­ gen Drosselklappenstellungen sowie die übrigen Betriebs­ parameter.

Eine Alternative ist, daß - mechanisch oder elektrisch - die Drosselklappen der einzelnen Zylinder durch die Gas­ pedalstellung nacheinander geöffnet werden, und durch einen Sensor, der die Drosselklappenstellung abfragt, Zündzeitpunkt und Einspritzmenge festgelegt werden.

Bevorzugterweise werden im Regelkreis auch die Signale der Lambda-Sonde zur Einstellung des stöchiometrischen Gleichgewichtes berücksichtigt. Eine ggf. vorgesehene Klopfregelung ist ebenfalls mit einzubeziehen, ggf. auch der Ladedruck eines Turboladers.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der erfin­ dungsgemäßen Anlage; und

Fig. 2 zwei Diagramme zur Erläuterung der Be­ triebsweise der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock 10 dargestellt. Mit der Kurbelwelle ist eine Schwungscheibe 12 verbunden, an deren Zahnkranz über einen Sensor 14 die Drehzahlinformation sowie die Information des oberen Totpunktes der einzelnen Zylinder abgegriffen werden kann.

Als Beispiel ist eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine gewählt, das Ansaugrohr ist mit 16 bezeichnet, und teilt sich dann in Zuführungen zu den vier Zylindern auf. In jedem der vier Saugrohrzweige ist jeweils eine Drossel­ klappe, versehen mit dem Bezugszeichen 18, 20, 22 und 24 vorgesehen. Hinter der Drosselklappe ist jedem der Zwei­ ge ein Lastsensor 26, 28, 30 und 32 zugeordnet, und außerdem ist für jeden Zylinder ein individuelles Ben­ zineinspritzventil 34, 36, 38 und 40 vorgesehen.

Alternativ sind auch Gemischaufbereitungen mit Hilfe von Vergasern möglich.

In bekannter Weise hat jeder der Zylinder eine Zündkerze 42, 44, 46 und 48, die Abgasleitung 50 aus den Zylindern wird zusammengeführt, dem Abgasstrom ist eine Lambda­ Sonde 52 ausgesetzt.

Mit 54 ist ein Rechner dargestellt, der die Motorsteue­ rung übernimmt, und diesem Rechner ist zugeordnet eine Regelungseinheit 58, die die Stellung der Drosselklappen einstellt.

Dem Rechner 54 wird als Information über eine Leitung 56 das Signal der Lambda-Sonde zugeführt, der Drosselklap­ pen-Stelleinheit 58 wird über eine Leitung 60 das Dreh­ zahlinformationssignal vom Drehzahlaufnehmer 14 zuge­ führt, und über weitere Eingänge 62, 64, 66 und 68 die über die Lastsensoren 26, 28, 30 und 32 gewonnenen Last­ informationen der einzelnen Zylinder.

Weiterhin braucht die Drosselklappen-Stelleinheit 58 das Signal eines Gaspedals 98, dessen Stellung über einen Eingang 70 zugeführt wird. Über eine Leitung 96 steht der Motorrechner 54 und die Drosselklappen-Stelleinheit 58 in Verbindung miteinander. Sie können über die Ein­ und Ausgänge 72 und 74 der Motorregeleinheit 54 Informa­ tionen über Einspritzung und Zündung und über den Ein­ gang 94 der Drosselklappen-Stelleinheit 58 Informationen über Drosselklappenstellung, Fahrpedal und ähnliches austauschen.

Die Motorsteuereinheit 54 ist in ihrem einen Bereich für die Einspritzung zuständig und liefert über Ausgänge 76, 78, 80 und 82 die Ansteuersignale für die Einspritzven­ tile 34, 36, 38 und 40. Ein anderer Bereich ist für die Zündung verantwortlich und liefert über einen Ausgang 84 Signale zum Zündverteiler, über den dann die einzelnen Zündkerzen 42, 44, 46 und 48 angesteuert werden.

Die Drosselklappen-Stelleinheit 58 besitzt Ausgänge 86, 88, 90 und 92, mit denen die Stellung der Drosselklappen 18, 20, 22 und 24 individuell eingestellt wird.

Die Informationsverarbeitung und Steuerung zum Betrieb der Brennkraftmaschine geschieht in der dargestellten Anordnung wie folgt:

Mit Hilfe der Stellung des Fahrpedals 98 erhält die elektronische Drosselklappen-Stelleinheit 58 einen Soll-Wert für die Geschwindigkeit vorgegeben, es wird die Lastanforderung an den Motor definiert.

In Fig. 2a ist ein Beispiel dafür dargestellt, dort ist die Last gegen die Drehzahl aufgetragen, und ein bei­ spielsweise aktueller Betriebspunkt dargestellt. Die Linie a bezeichnet den Bereich der absoluten Vollast, die Linie b bezeichnet den Bereich der Vollast, der er­ reicht werden kann bei einer bestimmten Drehzahl, ohne daß eine zusätzliche Vollastanfettung stattfinden muß. Um einen möglichst günstigen Wirkungsgrad der Brenn­ kraftmaschine zu erreichen, ist es wünschenswert, diesen Bereich in der Nähe B auszunützen, und dies geschieht durch die erfindungsgemäße Anordnung wie folgt:

Fig. 2b zeigt, daß dem aktuellen Betriebspunkt, wie er in der Fig. 2a dargestellt ist, und der durch die Stel­ lung des Fahrpedals 98 vorgegeben ist, eine Betriebswei­ se der Zylinder wie folgt entspricht: Zwei der Zylinder, bezeichnet mit II, werden im Bereich der vollen Last, ohne Vollastanfettung, betrieben, ein Zylinder, bezeich­ net mit II, wird in einem Punkt mit geringer Last be­ trieben, und ein Zylinder, bezeichnet mit III wird zum Betrieb der Brennkraftmaschine kein Drehmoment, er ist im Nullastbereich. Die Summe dieser Belastungen ergibt den aktuellen Betriebspunkt, wie er in Fig. 2a darge­ stellt ist. Diese Einstellung wird erreicht durch die Lastinformationen 62, 64, 66 und 68, die über die Last­ sensoren 26, 28, 30 und 32 der elektronischen Drossel­ klappen-Stelleinheit 58 zugeführt werden, die wiederum über die Ausgänge 86, 88, 90 und 92 die Drosselklappen 18, 20, 22 und 24 einstellt. Es werden also beispiels­ weise die Drosselklappen 18 und 20 im vorgewählten Bei­ spiel voll geöffnet, der Lastsensor 26 und 28 gibt die Information der voll geöffneten Drosselklappe über die Eingänge 62 und 64 an die Drosselklappen-Stelleinheit 58.

Der dritte Zylinder sucht den Betriebspunkt II in Fig. 2a auf, dieser Betriebspunkt läßt sich mit Hilfe der Information des Lastsensors 30, die über den Eingang 66 der Drosselklappen-Stelleinheit 58 zugeführt wird, auf­ suchen.

Dementsprechend öffnet der Ausgang 90 die Drosselklappe 22 so weit, bis der Lastsensor signalisiert, daß der Be­ reich II erreicht ist.

Der Drosselklappen-Stellausgang 92, der auf die Dros­ selklappe 24 arbeitet, hält diese Drosselklappe 24 in Nullaststellung.

Somit sind zwei Zylinder unter voller Belastung akti­ viert, ein Zylinder teilweise, während der vierte Zylin­ der ohne Last betrieben wird. Die Brennkraftmaschine wird insgesamt mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben als der Wirkungsgrad, der dem aktuellen Betriebspunkt nach Fig. 2 a zugeordnet ist, wenn alle Zylinder in gleicher Weise angesteuert werden.

Die Motorsteuereinheit 54 erhält über die Busleitung 96 die Information, daß der erste und zweite Zylinder unter voller Leistung betrieben werden, somit sind die zugehö­ rigen Signale für die Einspritzventile 76 und 78 auf Vollastbedingungen eingestellt, ebenso das Zündsignal 84, das den Zündkerzen 42 und 44 zugeführt wird.

Das Einspritzventil 38 wird über die Leitung 80 unter Teillastbedingungen geöffnet und geschlossen, gleicher­ maßen wird das Zündsignal zur Zündkerze 46 eingestellt.

Die Drosselklappe 24 bleibt geschlossen, dementsprechend werden das Einspritzventil 50 und die Zündkerze 48 durch die Motorsteuereinheit 54 angesteuert.

Die Lambda-Sonde 52 sorgt dafür, daß durch die Einsprit­ zung jeweils ein Wert von λ=1 im stöchiometrischen Gleichgewicht des Brennstoff-/Luft-Gemisches beibehalten wird, der Zündzeitpunkt, der hier nur in Abhängigkeit von der Lastinformation und der Drehzahlinformation va­ riabel eingestellt ist, kann zusätzlich noch durch eine zylinderselektive Klopfregelung beeinflußt werden.

Wird nun die Lastanforderung durch Niederdrücken des Fahrpedals 58 erhöht, wird im Lastdiagramm nach Fig. 2b erst der Betriebspunkt II des dritten Zylinders in Rich­ tung auf Vollast bewegt, während der Betriebspunkt III des letzten Zylinders auf dem Bereich der Nullast fest­ gehalten wird. Erst wenn der Punkt II mit dem Punkt I zusammenfällt, und die Lastanforderung dennoch weiter­ steigt, wird auch der Punkt III in Richtung auf Vollast bewegt.

Durch diese kontinuierliche Regelung der einzelnen Zy­ linder werden Drehmomentensprünge vermieden, da kein Zy­ linder abgeschaltet wird, ist das System auch für den Einsatz von lambdageregelten Systemen tauglich.

Um möglichst lange einen Betrieb von λ=1 zu fahren, wird der Bereich der Vollastanfettung für die Betriebs­ punkte erst bei sehr hoher Lastanforderung aufgesucht.

Es dürfte selbstverständlich sein, daß zur Vermeidung von großen Drehmomentunterschieden an der Kurbelwelle die Verhältnisse am Kurbeltrieb, insbesondere der Mas­ senausgleich, berücksichtigt werden. Auch ist es mög­ lich, die jeweils mit Nullast betriebenen Zylinder zu variieren, um eine gleichmäßige Erwärmung des Motor­ blocks beizubehalten.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit

• - mindestens zwei Zylindergruppen und einer im Abgas­ kanal angeordneten Lambda-Sonde,
• - Gemischdurchsatzsteuereinheiten, von denen jeder Zylindergruppe mindestens eine zugeordnet ist und die für jede Zylindergruppe getrennt ansteuerbar sind,
• - Kraftstoffeinspritzungen, von denen jeder Zylin­ dergruppe mindestens eine zugeordnet ist und die für jede Zylindergruppe getrennt ansteuerbar sind,
• - Zündeinrichtungen, von denen jeder Zylindergruppe mindestens eine zugeordnet ist und die für jede Zylindergruppe getrennt ansteuerbar sind,
• - Sensoren zur Bestimmung der betriebsspezifisch ge­ eigneten Festlegung von Kraftstoffmenge und/oder Zündzeitpunkt, wobei jeder Zylindergruppe minde­ stens ein derartiger Sensor zugeordnet ist,
• - einer elektronischen Steuereinheit, deren Eingänge zur Informationsverarbeitung zumindest Signal der Sensoren, der Gaspedalstellung, der Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie der Lambda-Sonde erhalten, und deren Ausgänge Impulse zur Festlegung des Zünd­ zeitpunktes, der Einspritzmenge sowie zur Ansteue­ rung der Gemischdurchsatzsteuereinheiten liefern.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Gemischdurchsatzbegrenzungseinheit jedem Zylinder eine getrennt ansteuerbare Drossel­ klappe zugeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder ein Lastsensor zu­ geordnet ist.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ständig alle Zy­ linder betrieben werden, wobei mit steigender Lastan­ forderung die einzelnen unterschiedlichen Gemisch­ durchsetzungsbegrenzungseinheiten nacheinander geöff­ net werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Vorgabe des fahrerbetätigten Gaspedals ein Geschwindigkeitssollwert ermittelt wird, aus der Lastinformation der Betriebspunkt im Motorkennfeld ermittelt wird, und anschließend festgelegt wird, wieviele der Zylinder mit hoher Last betrieben werden müssen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder unter Berücksichtigung der Sensor­ signale individuell im Zündzeitpunkt und in der Ein­ spritzmenge geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Einstellung von Einspritzmenge und Zünd­ zeitpunkt die Signale der Lambda-Sonde und/oder die Signale einer Klopfregelung mit berücksichtigt wer­ den.