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Dokumentenidentifikation DE10159758A1 24.07.2003
Titel Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Andrian-Werburg, Stephan von, Dipl.-Ing., 70569 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 05.12.2001
DE-Aktenzeichen 10159758
Offenlegungstag 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse F02D 13/06
Zusammenfassung Im Teillastbetrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine kann zur Kraftstoffersparnis ein Teil der Zylinder (2) abgeschaltet werden durch Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zum betreffenden Zylinder und Stillegung und Schließung dessen Einlassventil (6) und Auslassventil (7) bis zur Wiederbefeuerung des Zylinders (2) bei höheren Betriebslasten der Brennkraftmaschine (1).
Um bei möglichst großer Kraftstoffeinsparung im abgeschalteten Betrieb eines Teils der Zylinder (2) ein ruhiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine (1) beim Umschalten zwischen befeuertem und abgeschaltetem Betrieb der Zylinder (2) zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß bei Umschaltvorgängen ein zusätzliches Ausgleichsöffnen des Auslassventils (7) unabhängig von dessen Gaswechselsteuerzeiten für den befeuerten Betrieb vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei im Teillastbetrieb ein Teil der Zylinder abgeschaltet wird, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Durch die Stillegung eines Zylinders oder eines Teils der Zylinder kann der Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb insbesondere bei großvolumigen Motoren deutlich reduziert werden. Dabei wird am abzuschaltenden Zylinder die Kraftstoffzufuhr unterbrochen und die Einlaßventile und die Auslassventile des Zylinders stillgelegt und geschlossen bis zur Wiederbefeuerung des Zylinders. Aus der DE 33 15 396 A1 ist auch eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Steuereinrichtung lediglich das Einlassventil des abgeschalteten Zylinders schließt und das Auslassventil dieses Zylinders im Ausstoß und Ansaugtakt weiterhin öffnet. Dadurch soll die Brennkraftmaschine unter Teillastbedingung ruhig und rund betrieben werden können, da eine als schädlich angesehene Kompression der im abgeschalteten Zylinder verbliebenen Luft vermieden wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Hinblick auf möglichst große Kraftstoffeinsparung bei der Zylinderabschaltung eine Stillegung der Gaswechselventile vorteilhaft ist. Die weiter verbrennenden Zylinder arbeiten mit hoher Kompression, während die abgeschalteten Zylinder mit geschlossenen Ventilen mitgeschleppt werden.

Beim Umschalten von der befeuerten Betriebsart der Zylinder in die abgeschaltete Betriebsart und zurück können sich Ruckelerscheinungen ergeben, die vom Fahrer eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges als störend empfunden werden. Das Kraftstoffeinsparpotential hängt ganz wesentlich davon ab, wie häufig die Brennkraftmaschine in der Betriebsart mit abgeschalteten Zylindern betrieben werden kann. Eine hohe Umschalthäufigkeit setzt im Hinblick auf möglichst großen Fahrkomfort eine sehr gute Umschaltqualität zwischen dem Betrieb mit allen Zylindern und dem abgeschalteten Modus voraus.

Die DE 196 06 402 C2 sieht für eine Zylinderabschaltung zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung zur Erreichung eines besseren Rundlaufs der Brennkraftmaschine ein Abschaltmuster vor, bei dem auf jeden befeuerten Arbeitstakt zwei Aussetzer, die durch Abschalten der Kraftstoffzuführung erzeugt werden, folgen.

Die DE 199 07 851 A1 sieht zur Vermeidung des Umschaltdruckes einen Bremseingriff von fremdbetätigten Bremsen vor. Als zusätzliche Maßnahmen zur Vermeidung des Umschaltdruckes wird eine Verstellung des Zündwinkels und eine Drosselklappenverstellung vorgeschlagen, die durch die Motorsteuerung veranlasst werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine vorzuschlagen, mit dem neben einer möglichst großen Kraftstoffeinsparung im abgeschalteten Betrieb eines Teils der Zylinder ein ruhiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine beim Umschalten zwischen befeuertem und abgeschaltetem Zylinder erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist bei Umschaltvorgängen zwischen befeuertem Betrieb und abgeschaltetem Betrieb jedes Zylinders ein Ausgleichsöffnen des Auslassventils unabhängig von dessen Gaswechsel-Steuerzeiten für den befeuerten Betrieb vorgesehen, welches beim Abschalten eines Zylinders zusätzlich erfolgt. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Abschaltvorgang unmittelbar nach dem letzten befeuerten Arbeitsspiel erhöhte Verlustleistungen durch Kompressionsarbeit entstehen. Durch kurzzeitige Öffnung des Auslassventils des abgeschalteten Zylinders nach der letzten Verbrennung wird die Kompressionsarbeit des Kolbens verringert und die Umschaltqualität beim Abschalten des Zylinders dadurch verbessert. Das zusätzliche Ausgleichsöffnen des Auslassventils erfolgt mindestens während des ersten unbefeuerten Arbeitsspieles, wobei vorteilhaft die Dauer des Ausgleichsöffnens in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine von einer Steuereinheit vorgegeben wird und in folgenden Arbeitsspielen zunehmend verkürzt wird. Dadurch reduziert sich einerseits rasch der Verlustanteil durch Kompressionsarbeit, wobei gleichzeitig die Gaswechselventile ohne Ruckelerscheinungen in die gewünschte geschlossene Stellung zum Zwecke der Kraftstoffersparnis übergeleitet werden können. Zweckmäßig erfolgt das Ausgleichsöffnen des Auslassventils in einem Zeitintervall, welches innerhalb des Kurbelwinkelbereichs der Öffnungssteuerzeit des Auslassventils beim Gaswechsel im befeuerten Betrieb liegt. Eine Vereinfachung der Ansteuerung des Auslassventils ergibt sich, wenn der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils beim Ausgleichsöffnen dem Öffnungszeitpunkt im befeuerten Betrieb entspricht. Vorteilhaft wird die Dauer des Ausgleichsöffnen durch Vorgabe des Schließzeitpunktes des Auslassventils in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine bestimmt.

Beim Umschalten vom abgeschalteten Betrieb in den befeuerten Betrieb ergibt sich durch das erfindungsgemäße Ausgleichsöffnen ein ruhiges Betriebsverhalten, indem eine Überexpansion des im Brennraum eingeschlossenen Gases vor dem ersten befeuerten Arbeitsspiel vermieden wird. Das Ausgleichsöffnen ist vorteilhaft anstelle der Gaswechselsteuerzeiten des Auslassventils im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen, wodurch das Auslassintervall kurzzeitig verschoben wird. Dadurch wird der Pumpverlust erheblich reduziert, welcher sich beim ersten Öffnen des Auslassventils im Rahmen des Gaswechsels ergibt, wenn das Auslassventil im Bereich des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung öffnet und in dem zuvor abgeschalteten Zylinder Unterdruck im Brennraum herrscht. Das Ausgleichsöffnen, welches das erste Öffnen des Auslassventils nach der abgeschalteten Phase des Zylinders darstellt, erfolgt zweckmäßig in einem Kurbelwinkelbereich während des Arbeitsspiels, welcher auf halbem Hubweg des Kolbens liegt. Der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils, der beim Verbrennungsbetrieb im Bereich des unteren Totpunktes liegt, wird durch die Lage des Ausgleichsöffnens verschoben, so dass sich bei der unmittelbaren Inbetriebnahme des Zylinders eine geringere Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgastrakt ergibt als bei der Öffnung des Auslassventils im Normalbetrieb. Besonders vorteilhaft erfolgt das Ausgleichsöffnen während des Ausschubtaktes des Kolbens, wodurch beim späten Öffnen des Auslassventils auf halben Kolbenhub im Anschluss auf die untere Phase im Brennraum das eingeschlossene Abgas sofort ausgeschoben werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch den Wegfall der Übergangsphasen zwischen der befeuerten Betriebsart und der abgeschalteten Betriebsart im Voraus die genaue Kenntnis der Verlustleistung der Brennkraftmaschine nach dem Umschaltvorgang. Dadurch kann eine exakte Vorsteuerung der von den einzelnen Zylindern abzugebenden Drehmomente erfolgen. Die Applikation von Übergangsfunktionen in der Steuereinheit ist daher nicht erforderlich, beispielsweise eine Verstellung des Zündzeitpunktes während der Umschaltphase oder ähnlichen Maßnahmen. Dies ermöglicht eine wesentlich häufigere Nutzung des im Hinblick auf geringen Verbrauch günstigen Betriebes der Brennkraftmaschine mit abgeschalteten Zylindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Druckverlaufes im Brennraum beim Abschaltvorgang des Zylinders,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Druckverlaufes bei der Umschaltung in den befeuerten Betrieb mit spätem Ausgleichsöffnen,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Druckverlaufes bei der Umschaltung in den befeuerten Betrieb mit frühem Ausgleichsöffnen.

Fig. 1 zeigt eine Otto-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern 2, in denen jeweils ein Kolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und in einem Kurbeltrieb eine Kurbelwelle 4 rotierend antreibt. Jedem Zylinder 2 ist ein Injektor 5 zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder zugeordnet. In jedem Arbeitsspiel der Zylinder 2 wird in an sich bekannter Weise ein Gaswechsel durchgeführt, wobei Frischgas zur Kraftstoffverbrennung durch Öffnen eines Einlassventils 6 ermöglicht wird und die verbrannten Abgase durch Öffnen des Auslassventils 7 von den Kolben 3 ausgeschoben werden. Die Gaswechselventile 6, 7 werden von einem Ventiltrieb 8 betätigt. Dabei kommt ein variabel einstellbarer Ventiltrieb zum Einsatz, mit dem in jedem Arbeitszyklus individuelle Ventilsteuerzeiten des Einlassventils und des Auslassventils einstellbar sind, beispielsweise elektromagnetische Ventilsteuerungen (EMVS) oder elektrohydraulische Ventilsteuerungen (EHVS). Der Ventiltrieb 8 wird von einer Steuereinheit 9 eingestellt, welche somit die Ventilsteuerzeiten bestimmt.

Ein Teil der Zylinder 2 ist bei niedrigen Betriebslasten L abschaltbar, wobei die weiterhin befeuerten Zylinder mit hoher Kompression weiterarbeiten und so eine Kraftstoffersparnis erzielt werden kann. Dabei kann einer oder mehrere Zylinder 2 abgeschaltet werden, beispielsweise auch einer der beiden mehrere Zylinder 2 umfassenden Zylinderblöcke A, B. Zum Abschalten des Zylinders wird die Kraftstoffzufuhr zum betreffenden Zylinder unterbrochen und die Einlaßventile 6 und Auslassventile 7 bis zur Wiederbefeuerung des Zylinders 2 bei höheren Betriebslasten der Brennkraftmaschine stillgelegt und geschlossen. Die Steuereinheit 9 veranlasst dabei durch entsprechende Steuersignale für den Injektor 5 des abzuschaltenden Zylinders 2, dass eine weitere Kraftstoffeinspritzung unterbleibt, und legt die individuell antreibbaren Gaswechselventile dieses Zylinders 2 still.

Wird der Steuereinheit die Anforderung einer höheren Betriebslast L angezeigt, so wird entsprechend der Erhöhung der Lastanforderung L ein Teil oder alle abgeschalteten Zylinder 2 wieder in Betrieb genommen. Um beim Abschalten eines oder mehrerer Zylinder 2 oder der Wiederinbetriebnahme Ruckelerscheinungen der Brennkraftmaschine 1 zu vermeiden, ist erfindungsgemäß ein zusätzliches Ausgleichsöffnen des Auslassventils unabhängig von dessen Gaswechselsteuerzeiten für den befeuerten Betrieb vorgesehen. Beim Abschalten eines Zylinders 2 wird also nach dem Stillegen der Einlaßventile das Auslassventil 7 nochmals geöffnet.

Die Wirkungen des erfindungsgemäßen Ausgleichsöffnens werden nachstehend anhand der graphischen Darstellung des Druckverlaufes im Brennraum in Fig. 2 erläutert. Dabei ist im vorderen Teil des Druckverlaufes eine durch die Kompressionsbewegung des Kolbens und die Gasexpansion durch Verbrennung bewirkte Druckspitze im Kurbelwinkelbereich von 360° erkennbar. Im anschließenden Arbeitstakt wird das Auslassventil im Bereich des unteren Totpunktes geöffnet und während des Öffnungsintervalls A das verbrannte Abgas ausgeschoben. Anschließend wird durch Öffnen des Einlassventils während des Öffnungsintervalls E die Zufuhr von Frischgas für das nächste Arbeitsspiel ermöglicht.

Nach dem letzten befeuerten Arbeitsspiel und der entsprechenden Druckspitze, die etwa bei einem Kurbelwinkel von 1080° liegt, werden die Kraftstoffzufuhr zur Abschaltung des Zylinders unterbrochen und die Gaswechselventile stillgelegt. Während des ersten unbefeuerten Arbeitsspiels erfolgt erfindungsgemäß ein Ausgleichsöffnen D des Auslassventils, wobei die Abgase aus dem Zylinder ausgeschoben werden können. Auf diese Weise stellt sich sofort ein stationärer Zustand von Druckspitzen P der folgenden Arbeitsspiele ein, wodurch die Verlustleistung durch Kompressionsarbeit des Kolbens erheblich reduziert wird und sich keine Auswirkungen auf die Laufruhe der Brennkraftmaschine beim Abschalten des Zylinders ergeben. Das Ausgleichsöffnen D erfolgt wenigstens während des ersten unbefeuerten Arbeitsspieles, wobei es aber auch zweckmäßig sein kann, über mehrere Arbeitsspiele kurzzeitige Öffnungsintervalle zum Ausgleichsöffnen D vorzusehen.

Die Dauer des Ausgleichsöffnens wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine von der Steuereinheit vorgegeben, wobei im Falle mehrerer Druckausgleichsvorgänge die Zeitdauer des Ausgleichsöffnens D in den folgenden Arbeitsspielen verkürzt wird. Das Ausgleichsöffnen D erfolgt in einem Zeitintervall, welches innerhalb des Kurbelwinkelbereichs der Öffnungssteuerzeit des Auslassventils beim befeuerten Betrieb liegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beginnt das Ausgleichsöffnen zu einem Zeitpunkt, der dem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils beim Auslassöffnen A im befeuerten Betrieb entspricht, wobei eine möglichst geringe Abweichung von den Öffnungszyklen des Auslassventils erreicht wird. Der Schließzeitpunkt des Auslassventils beim Ausgleichsöffnen D wird in Abhängigkeit der Betriebslast der Brennkraftmaschine vorgegeben und wird so eingestellt, dass gerade soviel Abgas ausgeschoben wird, dass sich während des folgenden Kolbenhubs ein Gleichgewicht zwischen Überdruck im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung und Unterdruck im unteren Totpunkt einstellt. Dabei wird augenblicklich ein stationärer Zustand des maximalen Brennraumdruckes erreicht und in den folgenden Arbeitszyklen ist lediglich ein Ausgleich der durch die Temperaturabnahme hervorgerufenen Dichteänderung des eingeschlossenen Abgases erforderlich. Dieser Ausgleich kann durch Leckage selbsttätig erfolgen, wobei auch - wie bereits angesprochen - ein zusätzliches Ausgleichsöffnen zweckmäßig sein kann.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Brennraumdruckes bei einem Umschaltvorgang vom stillgelegten Betrieb in den befeuerten Betrieb. Bei den befeuerten Arbeitsspielen ergeben sich im hinteren Teil des graphischen Verlaufes höhere Druckspitzen P', welche sich im ersten befeuerten Arbeitsspiel zwischen 720° Kurbelwinkel und 1440° Kurbelwinkel aufgrund der Expansion des Verbrennungsgases ergibt. Das befeuerte Arbeitsspiel beginnt mit dem Öffnen E des Einlassventils und wird mit dem Schließen des Auslassventils A beendet. Erfindungsgemäß findet im letzten unbefeuerten Arbeitsspiel ein Ausgleichsöffnen D des Auslassventils bei geringer Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgastrakt unabhängig von seinen Gaswechselsteuerzeiten statt. Dadurch wird der Pumpverlust durch eine Überexpansion des im Brennraum eingeschlossenen Gases unmittelbar vor der Inbetriebnahme des Zylinders vermieden.

Das Ausgleichsöffnen D beginnt im letzten unbefeuerten Arbeitsspiel des Zylinders in einem Kurbelwinkelbereich, der etwa dem halben Kolbenhub entspricht, wodurch die vom Kolben zu überwindende Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgastrakt minimiert wird. Der Beginn des Öffnungsintervalls A des Auslassventils beim Gaswechsel liegt üblicherweise im Bereich des unteren Totpunktes und wird im Rahmen des vorausgehenden Ausgleichsöffnens in den Bereich des halben Kolbenhubs verschoben. Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 3 wird der Beginn des Ausgleichsöffnens D in Richtung "spätes Öffnen" verschoben und erfolgt somit bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens. Dadurch können die im Zylinder befindlichen Abgase unmittelbar aus dem Zylinder ausgeschoben werden.

Fig. 4 zeigt eine alternative Verfahrensvariante zu Fig. 3, wobei das Ausgleichsöffnen D ebenfalls zu einem Zeitpunkt beginnt, wo der Kolben sich auf halbem Hubweg befindet. Dabei ist der Öffnungsbeginn beim Ausgleichsöffnen D gegenüber dem Öffnungszeitpunkt beim Gaswechselöffnen A des Ausgleichsventils in Richtung "früh" verschoben und erfolgt während der Abwärtsbewegung des Kolbens. Bei geöffnetem Auslassventil während des Ausgleichsöffnens D wird zunächst Abgas aus dem Abgastrakt in den Zylinder gesaugt und erst anschließend bei der Aufwärtsbewegung wieder ausgeschoben. Aufgrund der reduzierten Druckdifferenzen erfolgt dieser ohne Verbrennung stattfindende Gaswechsel mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, wodurch der Pumpverlustanteil der Kolbenarbeit verringert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei im Teillastbetrieb ein Teil der Zylinder (2) abgeschaltet wird durch Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zum betreffenden Zylinder (2) und Stillegung und Schließung von dessen Einlassventilen (6) und Auslassventilen (7) bis zur Wiederbefeuerung des Zylinders (2) bei höheren Betriebslasten (L) der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass bei Umschaltvorgängen zwischen befeuertem Betrieb und abgeschaltetem Betrieb des Zylinders (2) ein Ausgleichsöffnen (D) des Auslassventils (7) unabhängig von dessen Gaswechselsteuerzeiten für den befeuerten Betrieb erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abschalten des Zylinders (2) das Ausgleichsöffnen (D) mindestens während des ersten unbefeuerten Arbeitsspieles vorgesehen ist, wobei die Dauer des Ausgleichsöffnens in Abhängigkeit des Betriebszustandes (L) der Brennkraftmaschine (1) von einer Steuereinheit (9) vorgegeben wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Ausgleichsöffnens (D) in den folgenden Arbeitsspielen zunehmend verkürzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsöffnen (D) das Auslassventil (7) in einem Zeitintervall erfolgt, welches innerhalb des Kurbelwinkelbereichs der Öffnungssteuerzeit des Auslassventils (7) beim befeuerten Betrieb liegt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils (7) beim Ausgleichsöffnen (D) dem Öffnungszeitpunkt im befeuerten Betrieb entspricht.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt des Auslassventils (7) beim Ausgleichsöffnen (D) in Abhängigkeit der Betriebslast (L) der Brennkraftmaschine (1) vorgegeben wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten vom abgeschalteten in den befeuerten Betrieb das Ausgleichsöffnen (D) in einen Kurbelwinkelbereich während des Arbeitsspiels erfolgt, welcher etwa auf halbem Hubweg eines im Zylinder (2) längsbeweglichen Kolbens (3) liegt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsöffnen (D) während des Ausschubtaktes vorgesehen ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsöffnen (D) anstelle der Gaswechselsteuerzeiten des Auslassventils (7) im Normalbetrieb vorgesehen ist.






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