Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 13.
Die einzelnen Brennräume der Brennkraftmaschine sind als Kolben-Zylinder-Einheiten (kurz oft als Zylinder bezeichnet) ausgebildet. Je nach Typ der Brennkraftmaschine kann eine Unterteilung der Brennräume in Vorkammer und Hauptbrennräume vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Zündeinrichtung meist der Vorkammer zugeordnet.
Es kann aus verschiedenen Gründen wünschenswert sein, selektiv Zylinder der Brennkraftmaschine zumindest zeitweise abzuschalten, was im Kontext der vorliegenden Anmeldung so zu verstehen ist, dass die jeweilige Zündeinrichtung und / oder Brennstoffeinbringungsvorrichtung inaktiv bleibt.
Verfahren zur Zylinderabschaltung, englisch "Skip-firing", sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zylinderabschaltung wird vorwiegend bei größeren Motoren mit mehr als 6 Zylindern eingesetzt, um bei verringerter Leistungsanforderung den Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken.
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Die Muster sind vorteilhafterweise so auf die Zylinderzahl abgestimmt, dass sich umlaufende Ausblendsequenzen ergeben, d. h. innerhalb kürzester Zeit jeder Zylinder entlastet wird.
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In der US Patentanmeldung
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brennkraftmaschine und eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welcher bzw. bei welchem übermäßige mechanische Belastungen oder Verschleiß durch Skip-firing vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Dadurch dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Zündeinrichtungen und/oder Brennstoffeinbringungsvorrichtungen in Abhängigkeit der Signale der wenigstens einen Messeinrichtung zum Erfassen einer für jeden Zylinder charakteristischen Temperatur so anzusteuern oder zu regeln, dass in wenigstens einem ausgewählten Zylinder während zumindest eines Zyklus keine Zündung erfolgt, kann ein gleichmäßigerer thermischer Zustand der Brennkraftmaschine erreicht werden. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich:
In der vorliegenden Offenbarung wird unter "Brennstoff" entweder reiner Brennstoff, etwa Brenngas, oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch verstanden. Unter "Zyklus" wird ein Arbeitsspiel des Motors verstanden, das heißt im Falle eines Viertaktmotors eine Kurbelwinkelumdrehung von 720°, im Falle eines Zweitaktmotors eine Kurbelwinkelumdrehung von 360°, wobei 360° einem Vollwinkel entspricht.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung wird unter "Zündung" auch "Entflammung" verstanden, d.h. wenn "in einem Zyklus keine Zündung erfolgt", so ist darunter zu verstehen, dass in diesem Zyklus das Gemisch nicht entflammt, d.h. dass die jeweilige Zündeinrichtung und / oder Brennstoffeinbringungsvorrichtung inaktiv bleibt.
Die charakteristische Temperatur kann beispielsweise eine Abgastemperatur, eine Temperatur im Zylinder selbst, eine Temperatur einer Pleuellagerung oder von einzelnen Teilen des Zylinders (zum Beispiel Zylinderkopf, Feuerplatte, Kolben oder Liner) sein. Die Sensoren sind entsprechend in der Brennkraftmaschine anzuordnen, wie dies dem Fachmann geläufig ist.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Brennstoffeinbringungsvorrichtung des wenigstens einen ausgewählten Zylinders während des zumindest einen Zyklus so anzusteuern oder zu regeln, dass die Einbringung von Brennstoff in den wenigstens einen ausgewählten Zylinder unterbrochen ist. In diesem Fall kann eine allenfalls vorgesehene Zündeinrichtung aktiv oder eingeschaltet bleiben, da ohnehin kein zündfähiger Brennstoff im Brennraum vorhanden ist.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Zündeinrichtung des wenigstens einen ausgewählten Zylinders während des zumindest einen Zyklus auszuschalten oder nicht zu aktivieren. In diesem Fall kann sogar vorgesehen sein, dass eine allenfalls vorgesehene Brennstoffeinbringungsvorrichtung aktiv oder eingeschaltet bleibt, da sich im Brennraum befindender Brennstoff nicht gezündet wird.
Die Brennstoffeinbringungsvorrichtungen können zum Beispiel als Port-Injection-Ventile, als variable Einlassventile eines variablen Ventiltriebs oder als unmittelbar im Zylinder angeordnete Injektoren ausgebildet sein. Die Injektoren können zur Direkteinspritzung von Brennstoff in einem Otto-Motor oder zur Einspritzung von Diesel in einem Dieselmotor ausgebildet sein.
Die Zündeinrichtungen - sofern sie vorhanden sind - können beispielsweise als Funkenzündvorrichtungen, Koronazündvorrichtungen, Glühstifte oder auch als Laserzündvorrichtungen ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem elektronischen Speicher der Steuer- oder Regeleinrichtung ein Ausgangsmuster abgelegt ist, nach welchem die Zündeinrichtungen und/oder Brennstoffeinbringungsvorrichtungen durch die Steuer- oder Regeleinrichtung so ansteuerbar oder regelbar sind, dass in wenigstens einem ausgewählten Zylinder während zumindest eines Zyklus keine Zündung erfolgt, wobei die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus die Zündeinrichtung und/oder Brennstoffeinbringungsvorrichtungen ohne Berücksichtigung der Signale der wenigstens einen Messeinrichtung nach dem Ausgangsmuster anzusteuern oder zu regeln. Das Ausgangsmuster kann so gewählt sein, dass die Abfolge von Zündungen bzw. Auslassungen eine möglichst gleichmäßige Verteilung der mechanischen und thermischen Last auf den Motor ergibt, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Ausgangsmuster für die Zylinderabschaltung kann auf den aktuellen Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine abgestimmt sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, im Fall, dass die charakteristische Temperatur wenigstens eines der Zylinder einen vorgebbaren oberen Wert erreicht oder überschreitet, diesen Zylinder so anzusteuern oder zu regeln, dass keine Zündung erfolgt. Für den Fall, dass wie oben beschrieben, in einem ersten Betriebsmodus nach einem Ausgangsmuster vorgegangen wird, kann diese Maßnahme als zweiter Betriebsmodus vorgesehen sein, in den aus dem ersten Betriebsmodus gewechselt wird. Damit wird erreicht, dass ein Zylinder mit einer besonders hohen charakteristischen Temperatur von der Zündung ausgenommen und dadurch die thermische Last auf den entsprechenden Zylinder verringert wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, im Fall, dass die charakteristische Temperatur wenigstens eines der Zylinder einen vorgebbaren unteren Wert erreicht oder unterschreitet diesen Zylinder so anzusteuern oder zu regeln, dass eine Zündung erfolgt. Diese Maßnahme kann in isolierter Form oder in Kombination mit einer der oben beschriebenen Maßnahmen durchgeführt werden. Damit wird erreicht, dass ein Zylinder mit einer besonders niedrigen charakteristischen Temperatur nicht von der Zündung ausgenommen wird, ab dem nächsten Zyklus also zündet, und dadurch die thermische Last auf den entsprechenden Zylinder erhöht wird.
Es kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, dass der obere und/oder untere Wert basierend auf der Durchschnittstemperatur aller Zylinder (oder in einer Variante nur ausgewählter, zum Beispiel nur jene Zylinder einer Zylinderbank) festgelegt ist.
Die Durchschnittstemperatur wird über den arithmetischen Mittelwert oder Median bestimmt werden. Die obere und untere Grenze werden aus der Durchschnittstemperatur und einem Offset berechnet. Der Offset kann unterschiedlich gewählt werden, je nachdem wie viele Zylinder zur Nichtzündung vorgesehen sind. Der Offset entspricht also dem Band an Abweichung gegenüber der Durchschnittstemperatur, über welchem der betroffene Zylinder den Befehl zur Nicht-Zündung erhält bzw. unter welchem der betroffene Zylinder den Befehl zur Zündung erhält. Um dies mit einem Zahlenbeispiel zu illustrieren: die Durchschnittstemperatur der direkt beim Auslaßventil ermittelten Temperaturen liege bei 350°C, der Offset sei mit 100°C gewählt. Dann liegt die obere Grenze, bei deren Erreichen der betroffene Zylinder den Befehl zur Nicht-Zündung erhält, bei 450°C. Die untere Grenze, bei deren Erreichen der betroffene Zylinder den Befehl zur Zündung erhält, liegt dann bei 250°C. Das Offset legt also fest, wie breit das Band ist, in dem die individuellen Zylindertemperaturen liegen dürfen, bevor ihr Zündstatus geändert wird. Es kann enger gewählt werden, beispielsweise 30-40°C, was viele Regeleingriffe bezüglich des Zündstatus der Zylinder zufolge hat. Bei breiterer Wahl des Bandes, also durch einen größeren Offset, können die Zylindertemperaturen stärker voneinander abweichen. Ziel der Maßnahme ist es allerdings, die Zylindertemperaturen in einem möglichst engen Band zu halten, also eine gleichmäßige Temperaturverteilung über alle Zylinder zu erzielen. In der Praxis würde der Offset asymmetrisch in Bezug auf die Durchschnittstemperatur gewählt werden, d.h. zum Beispiel, dass der untere Offset, der die untere Temperaturgrenze eines Zylinders festlegt, betragsmäßig größer gewählt wird als der obere Offset, welcher die obere Temperaturgrenze eines Zylinders festlegt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Steuer- oder Regeleinrichtung neben den Signalen der Messeinrichtung auch weitere, für die Drehzahl und/oder Lastvorgabe an die Brennkraftmaschine charakteristische Signale zuführbar sind und die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der weiteren Signale festzulegen, welcher Anteil der insgesamt vorhandenen Zylinder zur Zündung kommt. Damit wird berücksichtigt, dass die Auslassung von Zylindern natürlich nur in einem Maß erfolgen sollte, das an die aktuelle Last- bzw. Drehzahlanforderung an den Motor angepasst ist. Das bedeutet beispielsweise, dass bei Volllast der Brennkraftmaschine keine Zündauslassung erfolgen sollte.
Wenn etwa die Vorgabe zur Aufrechterhaltung einer Drehzahl bzw. einer Leistung eine höhere Anzahl gezündeter Zylinder pro Zyklus erfordert als aktuell vorgesehen, werden bevorzugt solche Zylinder zur Zündung durch die Steuer- oder Regeleinrichtung angesteuert oder geregelt, die im Vergleich zu den anderen Zylindern eine niedrigere charakteristische Temperatur aufweisen.
Wenn etwa die Vorgabe zur Aufrechterhaltung einer Drehzahl bzw. einer Leistung eine niedrigere Anzahl gezündeter Zylinder pro Zyklus erfordert als aktuell vorgesehen, werden bevorzugt jene Zylinder zur Zündung hinzugenommen, die im Vergleich zu den anderen Zylindern eine höhere charakteristische Temperatur aufweisen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Ausfall eines Signals der für einen Zylinder charakteristischen Temperatur diesen Zylinder bezüglich seiner Zündung entsprechend einer vorgegebenen Anzahl vergangener Zyklen anzusteuern oder zu regeln. Damit ist gewährleistet, dass bei Ausfall eines Sensors der entsprechende Zylinder gemäß der vergangenen Zyklen gefeuert wird.
Der obere und / oder untere Grenzwert kann basierend auf der Durchschnittstemperatur aller oder ausgewählter Zylinder festgelegt werden. Die Durchschnittstemperatur kann dabei über den arithmetischen Mittelwert oder Median bestimmt werden. Es können Untergruppen gebildet werden, beispielsweise jeweils eine Zylinderbank, auf die der Algorithmus zur Anwendung kommt.
Als Verfahren ist vorgesehen, dass die Abschaltung wenigstens eines Zylinders in Abhängigkeit der charakteristischen Temperatur jenes wenigstens eines Zylinders erfolgt. Es gelten die hinsichtlich der Vorrichtung erläuterten Möglichkeiten der Ausgestaltung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung.
Nach der Zeit t1 erfolgt die Entscheidung zur Nichtzündung oder Zündung der Zylinder 2 nicht mehr durch Vorgabe des Ausgangsmusters, sondern in Abhängigkeit der durch die Sensoren 6 ermittelten charakteristischen Temperatur der Zylinder 2. Nun soll der Ablauf der Zylinderabschaltung in Abhängigkeit der charakteristischen Temperatur der einzelnen Zylinder 2 anhand des Beispiels von
Gut erkennbar ist, dass im gewählten Beispiel durch das Auslassen zweier Zylinder 2 das Mittel der charakteristischen Temperaturen M gegenüber dem Zustand der vollständigen Zündung, d.h. kein Zylinder 2 wird ausgelassen, sinkt.
Die gezeigte Anzahl von fünf Zylindern 2 ist nur beispielhaft gewählt, in Wirklichkeit können beliebig viele Zylinder vorgesehen sein, in der Praxis meist zwischen 12 und 24.
Erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen sind bevorzugt als insbesondere stationäre Motoren (bevorzugt Gas-Otto-Motoren) ausgebildet, die besonders bevorzugt mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sind.
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