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

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine 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 der mindestens eine Zylinder (2, 3) mindestens einer Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Es soll eine selbstzündende Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihrer Rohemissionen, insbesondere an Stickoxiden, optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine selbstzündende Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- 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
- bei Teilabschaltung im unteren Teillastbereich der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe der mindestens eine in Betrieb befindliche Zylinder ist.

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 der mindestens eine Zylinder mindestens einer Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.

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

[0003] Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es neben der Verminderung des Kraftstoffverbrauchs ein grundsätzliches Ziel, die Schadstoffemissionen zu reduzieren.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) werden Oxidationskatalysatoren eingesetzt. Um eine ausreichende Konvertierung zu realisieren, ist eine Mindesttemperatur erforderlich.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum emissionsoptimierten Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.

[0016] 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 der mindestens eine Zylinder mindestens einer Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass

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

[0017] Zur Reduzierung der Rohemissionen erfolgt erfindungsgemäß eine Zylinderabschaltung, d. h. eine Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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. Zumindest die Zylinder der zweiten Zylindergruppe sind schaltbar ausgebildet, so dass diese Zylinder zu höheren Lasten hin zugeschaltet werden können oder - falls die Zylinder der ersten Gruppe ebenfalls schaltbar ausgebildet sind - auf die Zylinder der zweiten Gruppe umgeschaltet werden kann.

[0023] 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.

[0024] 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, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, ob nur eine der mindestens zwei Zylindergruppen oder mehr als eine Zylindergruppe schaltbar ausgebildet ist. Letzteres ermöglichst nicht nur ein Zuschalten, sondern vielmehr ein Umschalten, d. h. auch einen Wechsel zwischen den Zylindergruppen.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.

[0029] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, der bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet ist und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet ist.

[0030] 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.

[0031] 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.

[0032] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen sowohl der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.

[0033] Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind vorliegend 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.

[0034] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Zylinder zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] 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.

[0040] 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.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] 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.

[0044] 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.

[0045] 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.

[0046] 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.

[0047] 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.

[0048] 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.

[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 1.3 • V₁ < V₂ < 1.75 • V₁.

[0050] Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.

[0051] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.

[0052] Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.

[0053] 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 der mindestens eine schaltbare Zylinder der mindestens einen Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird.

[0054] 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.

[0055] Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe

• bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird, und
• bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.

[0056] Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten T_down und T_up können gleich groß, aber auch verschieden groß sein. Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die Zylinder der ersten Zylindergruppe vorliegend ständig in Betrieb befindliche Zylinder. Es erfolgt lediglich ein Schalten der zweiten Zylindergruppe, d. h. ein Zuschalten bzw. Abschalten dieser zweiten Gruppe.

[0057] 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.

[0058] 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.

[0059] 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.

[0060] Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der sowohl der mindestens eine Zylinder der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen 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.

[0061] Gemäß der vorstehenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 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.

[0062] Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang 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.

[0063] 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.

[0064] Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.

[0065] 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.

[0066] 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.

[0067] 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.

[0068] Figur 1 zeigt schematisch die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 eines selbstzündenden Vierzylinder-Reihenmotors.

[0069] 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.

[0070] 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.

[0071] Die Zylinder 1, 4 der zweiten Gruppe sind dabei als zuschaltbare Zylinder 1, 4 ausgebildet, 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

[0072] 

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 der mindestens eine Zylinder (2, 3) mindestens einer Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

- 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

- 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 als zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, der 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, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.

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

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 + 1.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) der mindestens einen Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe als zuschaltbarer Zylinder ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass, der

- bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird, und

- bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der sowohl der mindestens eine Zylinder (1, 4) der ersten Gruppe als auch der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe als schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, 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.

14. Verfahren nach Anspruch 13, 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.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Last T_down, T_up, T_up,1 und/oder T_up,2 von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe beim Starten der Brennkraftmaschine zugeschaltet wird.

Zeichnung