Selbstzündende Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei

• sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁, und
• sowohl der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.

[0003] Die WO 03/067059 A1 beschreibt eine selbstzündende Brennkraftmaschine der eingangs genannte Art.

[0004] Die US 6,640,543 B1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der nur eine Zylindergruppe lastabhängig schaltbar ausgebildet ist, wobei im Teillastbereich nur Zylinder mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis in Betrieb sind.

[0005] Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es neben der Verminderung des Kraftstoffverbrauchs ein grundsätzliches Ziel, die Schadstoffemissionen zu reduzieren.

[0006] Bei der Reduzierung der Schadstoffemissionen können zwei grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweisen unterschieden werden. Zum einen können die Rohemissionen der Brennkraftmaschine durch innermotorische Maßnahmen gesenkt werden, so dass das aus den Zylindern abgeführte Abgas von Hause aus, d. h. originär, weniger Schadstoffe enthält. Zum anderen können die aus den Zylindern in das Abgasabführsystem abgeführten Verbrennungsgase nachbehandelt werden, so dass das in die Umgebung entlassene Abgas geringere Schadstoffkonzentrationen aufweist.

[0007] Zu den innermotorischen Maßnahmen gehört beispielsweise auch die Rückführung von Abgasen mittels externer und/oder interner Abgasrückführung. Da die Bildung von Stickoxiden nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse bzw. -verfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln. Dabei ist die Abgasrückführung zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.

[0008] Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielweise der Steuerzeiten, dem Einspritzbeginn, der Einspritzdauer, dem Zündzeitpunkt, der Kraftstoffmenge bzw. dem Luftverhältnis λ sowie durch vorteilhafte konstruktive Auslegung der Kühlung, des Brennraums und/oder der Einlaßkanäle lassen sich die Rohemissionen der Brennkraftmaschine ebenfalls senken.

[0009] Da innermotorische Maßnahmen nicht ausreichen, um die Schadstoffkonzentrationen auf die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte abzusenken, werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.

[0010] Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) werden Oxidationskatalysatoren eingesetzt. Um eine ausreichende Konvertierung zu realisieren, ist eine Mindesttemperatur erforderlich.

[0011] Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, wie beispielsweise selbstzündende Brennkraftmaschinen, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.

[0012] Infolgedessen müssen Abgasnachbehandlungssysteme zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen werden, beispielsweise Speicherkatalysatoren, bei denen die Stickoxide zunächst im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, werden, um dann während einer Regenerationsphase reduziert zu werden. Als Reduktionsmittel können Kraftstoff, d. h. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, oder Harnstoff eingesetzt werden. Die Temperatur des Speicherkatalysators während der Regenerationsphase sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen. Aufgrund des im Abgas enthaltenen Schwefels muß der Speicherkatalysator zur Entschwefelung regelmäßig auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700 °C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden. Derart hohe Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen und tragen zur thermischen Alterung des Katalysators bei.

[0013] Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen - etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung - werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muß auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

[0014] Im Gegensatz zu den innermotorischen Maßnahmen zur Senkung der Schadstoffemissionen ist die Abgasnachbehandlung mit hohen Kosten für die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme verbunden. Insbesondere die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte für Stickoxidemissionen könnten zukünftig eine On-Board-Diagnose (OBD) erforderlich machen, um die Konvertierung zu überwachen. Es sind immer komplexere, effizientere und damit kostenintensivere Abgasnachbehandlungssysteme erforderlich, um die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte einzuhalten.

[0015] Zudem schränken die verschiedenen Abgasnachbehandlungssysteme den Betrieb der Brennkraftmaschine nachteilig ein, wenn beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters bzw. zur Regeneration oder Entschwefelung eines Speicherkatalysators hohe Temperaturen generiert werden müssen oder ein Oxidationskatalysator nach einem Kaltstart möglichst schnell auf Betriebstemperatur erwärmt werden soll.

[0016] Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Rohemissionen, insbesondere an Stickoxiden, optimiert ist.

[0017] Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.

[0018] Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei

• sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁, und
• sowohl der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und

die dadurch gekennzeichnet ist, dass

• bei Teilabschaltung im unteren Teillastbereich der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe der mindestens eine in Betrieb befindliche Zylinder ist.

[0019] Zur Reduzierung der Rohemissionen erfolgt erfindungsgemäß eine Zylinderabschaltung, d. h. eine Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.

[0020] Die sogenannte Teilabschaltung ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, d. h. einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, kann im Teillastbetrieb durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird dabei zu höheren Lasten hin verschoben. Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.

[0021] Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe bei Teilabschaltung im unteren Teillastbereich der mindestens eine in Betrieb befindliche Zylinder, wobei eine niedrige Last T_low, d. h. eine Last im unteren Teillastbereich, eine Last ist, die weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% der maximalen Last T_max,n bei der momentan vorliegenden Drehzahl n beträgt. Um die Teilabschaltung im Hinblick auf die Rohemissionen zu optimieren, wird der mindestens eine während der Teilabschaltung in Betrieb befindliche Zylinder der ersten Gruppe mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis ε₁ ausgestattet, d. h. mit einem Verdichtungsverhältnis ε₁, das kleiner ist als das Verdichtungsverhältnis ε₂ des mindestens einen Zylinders der zweiten Gruppe. Es gilt: ε₁ < ε₂.

[0022] Zwar nimmt der Wirkungsgrad η der ersten Zylindergruppe mit dem kleineren Verdichtungsverhältnis ab, da der Wirkungsgrad η mehr oder weniger mit dem Verdichtungsverhältnis ε_i korreliert. Zu berücksichtigen ist aber, dass das niedrige Verdichtungsverhältnis ε₁ zu einem niedrigeren Temperatur- und Druckniveau führt, so dass der Bildung von Stickoxiden entgegen gewirkt wird.

[0023] Während hinsichtlich der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, d. h. hinsichtlich des Wirkungsgrads, in der Regel ein höheres Verdichtungsverhältnis ε₁ zielführend und zu wählen wäre, wird erfindungsgemäß und unüblich der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe, d. h. der mindestens eine während der Teilabschaltung in Betrieb befindliche Zylinder, mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε₁ ausgestattet. Insofern muß zur Reduzierung der Rohemissionen gegebenenfalls ein Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf genommen werden.

[0024] Der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ist mit einem höheren Verdichtungsverhältnis ε₂ ausgestattet und kann auf höhere Lasten bzw. einen höheren Wirkungsgrad ausgelegt werden. Die Zylinder der zweiten Zylindergruppe sind schaltbar ausgebildet, so dass diese Zylinder zu höheren Lasten hin zugeschaltet werden können oder - da die Zylinder der ersten Gruppe ebenfalls schaltbar ausgebildet sind - auf die Zylinder der zweiten Gruppe umgeschaltet werden kann.

[0025] Die Brennkraftmaschine kann mit dem mindestens einen Zylinder der zweiten Gruppe sicher gestartet werden, falls das niedrige Verdichtungsverhältnis ε₁ der ersten Gruppe nicht ausreichend hoch ist. Zu berücksichtigen ist dabei, dass eine selbstzündende Brennkraftmaschine zur Einleitung der Selbstzündung ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis, d. h. ein Mindest-Verdichtungsverhältnis, benötigt, insbesondere beim Start, d. h. beim erstmaligen Einleiten der Verbrennung bei gegebenenfalls noch kalter Brennkraftmaschine. Es können beispielsweise Verdichtungsverhältnisse ε_i ≈ 18 erforderlich werden, um eine sichere Selbstentzündung bei einem Kaltstart zu gewährleisten, falls keine anderen Maßnahmen ergriffen werden, die ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis tolerabel erscheinen lassen. Unter rein thermodynamischen Aspekten ist ein Verdichtungsverhältnis ε_i ≈ 16 zu bevorzugen, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu optimieren.

[0026] Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass auch Verfahrensvarianten möglich sind, bei denen die Brennkraftmaschine mit der zweiten Zylindergruppe gestartet wird, unmittelbar nach dem Start auf die erste Zylindergruppe umgeschaltet wird, um die Rohemissionen an Stickoxiden im unteren Teillastbereich zu reduzieren, und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet wird bzw. auf diesen Zylinder umgeschaltet wird. Die verschiedenen Verfahrensvarianten resultieren aus den unterschiedlichen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine. Da mehr als eine Zylindergruppe schaltbar ausgebildet ist, wird nicht nur ein Zuschalten ermöglichst, sondern vielmehr ein Umschalten, d. h. auch einen Wechsel zwischen den Zylindergruppen.

[0027] Die mindestens zwei Zylindergruppen können sich auch in anderen Betriebsparametern oder Konstruktionsmerkmalen, beispielsweise der Kühlung, dem Brennverfahren, dem Luftverhältnis λ, den Einlaßkanälen, den Auslaßkanälen und/oder den Einspritzdüsen voneinander unterscheiden.

[0028] Erfindungsgemäß ist sowohl der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet.

[0029] Vorliegend sind beide Zylindergruppen als schaltbare Gruppen ausgebildet. Dies gestattet nicht nur ein Zuschalten, sondern vielmehr ein Umschalten zwischen den mindestens zwei Zylindergruppen und auch eine Kombination von Umschalten und Zuschalten. Im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Verfahrensvarianten werden die unterschiedlichen Vorgehensweisen erörtert.

[0030] Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Rohemissionen optimiert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.

[0031] Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens zwei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i aufweisen und im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. einzeln und unabhängig voneinander abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Umschalten realisiert werden kann. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.

[0032] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.

[0033] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet ist und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet ist.

[0034] Der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ist vorliegend ein ständig in Betrieb befindlicher Zylinder. Gegebenenfalls wird die Brennkraftmaschine mit dem mindestens einen Zylinder der zweiten Gruppe gestartet, der dann bei niedrigen Lasten abgeschaltet und zu höheren Lasten erneut aktiviert, d. h. zugeschaltet wird.

[0035] Im Teillastbetrieb wird der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet, wodurch der mindestens eine verbliebene Zylinder der ersten Gruppe mit seinem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε₁ einen emissionsoptimierten Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet bzw. ermöglicht. Die Vorteile sind die bereits oben Genannten.

[0036] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Zylinder zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden.

[0037] Zwei Zylindergruppen haben gegenüber Ausführungsformen mit mehreren Zylindergruppen den Vorteil, dass die Steuerung bzw. Regelung der Teilabschaltung weniger komplex ist. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die Realisierung eines Massen- und Momentausgleichs, der vorzugsweise ebenfalls in Teilen zuschaltbar ist, infolge der unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse ε_i erschwert wird und der Aufwand hierfür mit der Zunahme der Anzahl an Zylindergruppen deutlich steigt.

[0038] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁ +1.

[0039] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁ +2.

[0040] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁ +3.

[0041] Während die drei vorstehenden Ausführungsformen auf den relativen Unterschied der zwei Zylindergruppen im Verdichtungsverhältnis ε_i abstellen, haben die folgenden Ausführungsformen das absolute Verdichtungsverhältnis der beiden Gruppen zum Gegenstand.

[0042] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit 15 < ε₂ < 20, vorzugsweise mit 16 < ε₂ < 19.

[0043] Der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe weist ein hohes Verdichtungsverhältnis ε₂ auf, welches hinsichtlich des Wirkungsgrades η der Brennkraftmaschine Vorteile bietet, eine hohe Lastanforderung befriedigen kann und eine sichere Selbstentzündung auch bei einem Kaltstart gewährleistet.

[0044] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist mit 12 < ε₁ < 16, vorzugsweise mit 13 < ε₁ < 16 bzw. mit 13 < ε₁ < 15.

[0045] Der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe weist ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis ε₁ auf, um die Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich bezüglich der Stickoxid-Rohemissionen zu optimieren.

[0046] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen

• sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Zylindervolumen V_i auszeichnen, wobei
• der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit V₂ > V₁.

[0047] Die Ausstattung der beiden Zylindergruppen mit unterschiedlichen Zylindervolumen V_i dient wiederum der Optimierung der Teilabschaltung. Hierzu wird abermals ein konstruktives Merkmal der Brennkraftmaschine bzw. der Zylinder, nämlich das Zylindervolumen V_i herangezogen und zwar zusätzlich zu den obligatorisch verschiedenen Verdichtungsverhältnissen ε_i.

[0048] Die Zylinder der ersten Gruppe haben ein kleineres, vorzugsweise ein deutlich kleineres, Zylindervolumen V₁, so dass - gleichgroße Anzahl an Zylindern je Gruppe vorausgesetzt - der überwiegende Anteil des Gesamtvolumens der Brennkraftmaschine von Zylindern der zweiten Gruppe gestellt wird.

[0049] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit 1 • V₁ < V₂ < 2 • V₁.

[0050] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit 1.3 • V₁ < V₂ < 2 • V₁.

[0051] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit 1.3 • V₁ < V₂ < 1.75 • V₁.

[0052] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.

[0053] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.

[0054] Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.

[0055] Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird mit einem Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einem Betrieb des mindestens einen Zylinders der ersten Gruppe bei niedrigen Lasten

• auf den mindestens einen Zylinder der zweiten Gruppe bei Überschreiten einer ersten vorgebbaren Last T_up,1 umgeschaltet wird.

[0056] Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von niedrigen Lasten zunächst der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe befeuert, d. h. betrieben, um die angeforderte Leistung bereitzustellen, während der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet ist. Mit zunehmender Last erfolgt dann ein Umschalten zwischen den mindestens zwei Zylindergruppen, wobei der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe abgeschaltet und der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet wird, sobald eine Last T_up,1 überschritten wird.

[0057] Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.

[0058] Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_down unterschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ niedriger ist als diese vorgegebene Last T_down.

[0059] Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Abschalten der Zylinder der zweiten Gruppe, d. h. die Teilabschaltung, soll ein zu häufiges Zu- und Abschalten verhindern, insbesondere eine Teilabschaltung, wenn die Last nur kurzzeitig die vorgegebene Last T_down unterschreitet und dann wieder steigt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Last T_down schwankt, ohne dass das Unterschreiten eine Teilabschaltung rechtfertigen bzw. erfordern würde.

[0060] Aus diesen Gründen sind ebenfalls Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_up überschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ höher ist als diese vorgegebene Last T_up.

[0061] Vorteilhaft können Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen ausgehend von einem Betrieb des mindestens einen Zylinders der zweiten Gruppe bei weiter zunehmender Last der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe bei Überschreiten einer zweiten vorgebbaren Last T_up,2 erneut zugeschaltet wird. Dadurch kann die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden.

[0062] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die vorgebbare Last T_down, T_up, T_up,1 und/oder T_up,2 von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten unabhängig von der Drehzahl n geschaltet wird. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Bereich im Kennfeld definiert, in dem teilabgeschaltet wird.

[0063] Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.

[0064] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe beim Starten der Brennkraftmaschine zugeschaltet wird. Es wird Bezug genommen auf die in diesem Zusammenhang bereits gemachten Ausführungen.

[0065] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Kraftstoffversorgung eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert wird. Es ergeben sich Vorteile in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen, was die Zielsetzung, die mit der Teilabschaltung verfolgt wird, nämlich die Stickoxidemissionen zu reduzieren, unterstützt.

[0066] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß der Figur 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1

schematisch die Zylinder einer ersten Ausführungsform der selbstzündenden Brennkraftmaschine.

[0067] Figur 1 zeigt schematisch die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 eines selbstzündenden Vierzylinder-Reihenmotors.

[0068] Die vier in Reihe angeordneten Zylinder 1, 2, 3, 4 bilden zwei Zylindergruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die erste Gruppe die innenliegenden Zylinder 2, 3 und die zweite Gruppe die außenliegenden Zylinder 1, 4 umfaßt. Bei der gezeigten Momentaufnahme befinden sich die Kolben 1a, 2a des ersten und des zweiten Zylinders 1, 2 im unteren Totpunkt und die Kolben 3a, 4a des dritten und des vierten Zylinders 3, 4 im oberen Totpunkt.

[0069] Die beiden Zylindergruppen zeichnen sich durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aus, wobei die Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen und die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweisen mit ε₂ > ε₁.

[0070] Die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe sind zuschaltbare Zylinder 1, 4, die im Teillastbetrieb bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last abgeschaltet werden. Dadurch erhöht sich die Lastanforderung an die weiter in Betrieb befindlichen Zylinder 2, 3 der ersten Gruppe. Zudem werden hierdurch die Rohemissionen an Stickoxiden infolge des kleineren Verdichtungsverhältnisses ε₁ der ersten Gruppe im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine reduziert.

Bezugszeichen

[0071] 

1

erster Zylinder

1a

Kolben des ersten Zylinders

2

zweiter Zylinder

2a

Kolben des zweiten Zylinders

3

dritter Zylinder

3a

Kolben des dritten Zylinders

4

vierter Zylinder

4a

Kolben des vierten Zylinders

ε_i

Verdichtungsverhältnis eines Zylinders bzw. einer Gruppe von Zylindern

ε₁

Verdichtungsverhältnis einer ersten Gruppe von Zylindern

ε₂

Verdichtungsverhältnis einer zweiten Gruppe von Zylindern

λ

Luftverhältnis

η

Wirkungsgrad

n

Drehzahl der Brennkraftmaschine

T

Last

T_down

vorgebbare Last für das Unterschreiten einer Last

T_low

Last im unteren Teillastbereich

T_max,n

maximale Last bei einer vorliegenden Drehzahl n

T_up

vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last

T_up,1

erste vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last

T_up,2

zweite vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last

V_i

Zylindervolumen

V₁

Zylindervolumen einer ersten Gruppe von Zylindern

V₂

Zylindervolumen einer zweiten Gruppe von Zylindern

Ansprüche

1. Selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei

- sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁, und

- sowohl der mindestens eine Zylinder (1,4) der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- bei Teilabschaltung im unteren Teillastbereich der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe der mindestens eine in Betrieb befindliche Zylinder ist.

2. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2,3) der zweiten Gruppe bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet ist und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet ist.

3. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden.

4. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder (2,3) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁ + 1.

5. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ > ε₁ + 2.

6. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit 15 < ε₂ < 20.

7. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweist mit 12 < ε₁ < 16.

8. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- sich die mindestens zwei Gruppen durch unterschiedliche Zylindervolumen V_i auszeichnen, wobei

- der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit V₂ > V₁.

9. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.

10. Verfahren zum Betreiben einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb des mindestens einen Zylinders (1, 4) der ersten Gruppe bei niedrigen Lasten auf den mindestens einen Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe bei Überschreiten einer ersten vorgebbaren Last T_up,1 umgeschaltet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb des mindestens einen Zylinders (2, 3) der zweiten Gruppe bei weiter zunehmender Last der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe bei Überschreiten einer zweiten vorgebbaren Last T_up,2 zugeschaltet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Last T_up,1 und/oder T_up,2 von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe beim Starten der Brennkraftmaschine zugeschaltet wird.

Claims

1. Auto-ignition internal combustion engine having at least two cylinders (1, 2, 3, 4), 8in which at least two cylinders (1, 2, 3, 4) are configured so as to form at least two groups with in each case at least one cylinder (1, 2, 3, 4), wherein

- the at least two groups are characterized by different compression ratios ε_i, the at least one cylinder (1, 4) of a first group having a compression ratio ε₁ and the at least one cylinder (2, 3) of a second group having a compression ratio ε₂, where ε₂ > ε₁, and,

- both the at least one cylinder (1, 4) of the first group and also the at least one cylinder (2, 3) of the second group are formed as cylinders that can be switched in a load-dependent manner,

characterized in that,

- in the event of a partial deactivation in the lower part-load range, the at least one cylinder (1, 4) of the first group being the at least one cylinder in operation.

2. Auto-ignition internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that the at least one cylinder (2, 3) of the second group is deactivated if a predefinable load T_down is undershot and is activated if a predefinable load T_up is exceeded.

3. Auto-ignition internal combustion engine according to Claim 1 or 2, characterized in that the at least two cylinders (1, 2, 3, 4) form two groups with in each case at least one cylinder (1, 2, 3, 4).

4. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cylinder (1, 4) of the first group has a compression ratio ε₁ and the at least one cylinder (2, 3) of the second group has a compression ratio ε₂, where ε₂ > ε₁ + 1.

5. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cylinder (1, 4) of the first group has a compression ratio ε₁ and the at least one cylinder (2, 3) of the second group has a compression ratio ε₂, where ε₂ > ε₁ + 2.

6. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cylinder (2, 3) of the second group has a compression ratio ε₂, where 15 < ε₂ < 20.

7. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cylinder (1, 4) of the first group has a compression ratio ε₁, where 12 < ε₁ < 16.

8. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that

- the at least two groups are characterized by different cylinder volumes V_i,

- the at least one cylinder (1, 4) of the first group having a cylinder volume V₁ and the at least one cylinder (2, 3) of the second group having a cylinder volume V₂, where V₂ > V₁.

9. Auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that each cylinder (1, 2, 3, 4) is equipped with a direct-injection means for the introduction of fuel.

10. Method for operating an auto-ignition internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that, proceeding from operation of the at least one cylinder (1, 4) of the first group at low loads, a switch is made to the at least one cylinder (2, 3) of the second group if a first predefinable load T_up,1 is exceeded.

11. Method according to Claim 10, characterized in that, proceeding from operation of the at least one cylinder (2, 3) of the second group under progressively increasing load, the at least one cylinder (1, 4) of the first group is activated if a second predefinable load T_up,2 is exceeded.

12. Method according to Claim 10 or 11, characterized in that the predefinable load T_up,1 and/or T_up,2 is dependent on the rotational speed n of the internal combustion engine.

13. Method according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the at least one cylinder (2, 3) of the second group is activated upon starting of the internal combustion engine.

Revendications

1. Moteur à combustion interne à allumage automatique comprenant au moins deux cylindres (1, 2, 3, 4), dans lequel au moins deux cylindres (1, 2, 3, 4) sont configurés de manière à former au moins deux groupes avec au moins à chaque fois un cylindre (1, 2, 3, 4),

- les au moins deux groupes se caractérisant par des rapports de compression différents ε₁, l'au moins un cylindre (1, 4) d'un premier groupe présentant un rapport de compression ε₁ et l'au moins un cylindre (2, 3) d'un deuxième groupe présentant un rapport de compression ε₂, avec ε₂ > ε₁, et

- à la fois l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe et l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe étant réalisés sous forme de cylindre commutable en fonction de la charge,

caractérisé en ce que

- en cas de coupure partielle dans la plage de charge partielle, l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe est l'au moins un cylindre en fonctionnement.

2. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe est coupé en cas de passage en dessous d'une charge prédéfinissable T_down et est mis en fonctionnement en cas de dépassement d'une charge prédéfinissable T_up.

3. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les au moins deux cylindres (1, 2, 3, 4) forment deux groupes avec à chaque fois au moins un cylindre (1, 2, 3, 4).

4. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe présente un rapport de compression ε₁ et l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe présente un rapport de compression ε₂, avec ε₂ > ε₁ + 1.

5. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe présente un rapport de compression ε₁ et l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe présente un rapport de compression ε₂, avec ε₂ > ε₁ + 2.

6. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe présente un rapport de compression ε₂, avec 15 < ε₂ < 20.

7. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe présente un rapport de compression ε₁, avec 12 < ε₁ < 16.

8. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que

- les au moins deux groupes se caractérisent par des cylindrées différentes V_i,

- l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe présentant une cylindrée V₁ et l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième présentant une cylindrée V₂ avec V₂ > V₁.

9. Moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cylindre (1, 2, 3, 4) est prévu pour l'introduction de carburant par injection directe.

10. Procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne à allumage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à partir d'un fonctionnement de l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe à faibles charges, on commute à l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe lors d'un dépassement d'une première charge prédéfinissable T_up,1.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'à partir d'un fonctionnement de l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe, pour une charge continuant d'augmenter, l'au moins un cylindre (1, 4) du premier groupe est mis en circuit lors d'un dépassement d'une deuxième charge prédéfinissable T_up,2.

12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la charge prédéfinissable T_up,1 et/ou T_up,2 dépend du régime n du moteur à combustion interne.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'au moins un cylindre (2, 3) du deuxième groupe est mis en circuit lors du démarrage du moteur à combustion interne.

Zeichnung