DE19831251A1

DE19831251A1 - Aufladbare Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung

Info

Publication number: DE19831251A1
Application number: DE19831251A
Authority: DE
Inventors: Armin Herold; Peter Lueckert
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1998-07-11
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-07-12
Also published as: JP2000064868A; US6158218A; DE19831251C2; JP3062948B2

Abstract

Eine aufladbare Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, bei der eine erste Zylindergruppe im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine arbeitet und eine zweite Zylindergruppe bedarfsabhängig abgeschaltet oder zugeschaltet ist, soll hinsichtlich ihrer Ansprechdynamik beim Zuschalten der zweiten Zylindergruppe verbessert werden. DOLLAR A Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der ausschließlich zur Aufladung der ersten Zylindergruppe dient, und daß ein mechanischer Lader vorgesehen ist, der ausschließlich zur Aufladung der zweiten Zylindergruppe dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufladbare Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, bei der eine erste Zylindergruppe im ge samten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine arbeitet und eine zweite Zylindergruppe bei Bedarf zuschaltbar ist.

Um den Kraftstoffverbrauch insbesondere bei leistungsstarken Brennkraftmaschinen von Nutzfahrzeugen zu reduzieren, können diese Brennkraftmaschinen mit einer Zylinderabschaltung aus gestattet sein, wobei eine Gruppe von Zylindern leistungsab hängig zuschaltbar bzw. abschaltbar ist. Da außerdem moderne Brennkraftmaschinen hinsichtlich ihrer Schadstoffemissionen derart optimiert sind, daß sie in einem relativ hohen Lastbe reich minimale Emissionswerte aufweisen, dient die Zylinder abschaltung auch zur Schadstoffreduktion. Denn die abgeschal teten Zylinder erzeugen keine Schadstoffe, und die nicht ab geschalteten Zylinder werden aufgrund der Abschaltung stärker belastet und können in dem emissionsoptimierten hohen Lastbe reich arbeiten. Bei diesen Brennkraftmaschinen ist dann bspw. beim Start oder im Leerlauf- und Teillastbetrieb nur ein Teil der Zylinder an der Leistungsentfaltung beteiligt. Eine sol che Brennkraftmaschine ist bspw. aus der DE 33 09 434 C1 be kannt.

Aus der DE 36 33 405 A1 ist außerdem eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, die eine im gesamten Be triebsbereich der Brennkraftmaschine arbeitende erste Zylin dergruppe und eine in Teillastbereichen abgeschaltete und bei Bedarf zuschaltbare zweite Zylindergruppe aufweist, wobei au ßerdem zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine jeder Zylindergruppe ein separater Abgasturbolader zugeordnet ist. Dabei wird der der ersten Zylindergruppe zugeordnete Turbola der von den Abgasen der ersten Zylindergruppe angetrieben, während der zur Aufladung der zweiten Zylindergruppe dienende andere Turbolader durch die Abgase der zweiten Zylindergruppe angetrieben wird. Beim Übergang vom Teillastbetrieb, bei dem die zweite Zylindergruppe abgeschaltet ist, zum Vollastbe trieb, bei dem sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine ar beiten, benötigen die Zylinder der zweiten Zylindergruppe zu nächst eine Anlaufphase, während der auch der zugehörige Ab gasturbolader seinen Betrieb aufnimmt. Da die Turbine des Ab gasturboladers erst ab einer bestimmten Strömungsgeschwindig keit ihre Leistung entwickeln kann, beginnt die Leistungs steigerung durch die Aufladung der Ladeluft für die zweite Zylindergruppe erst nach einer spürbaren zeitlichen Verzöge rung. Eine derartige, mit zwei Abgasturboladern aufladene Brennkraftmaschine weist daher beim Zuschalten der zweiten Zylindergruppe ein träges Ansprechverhalten auf.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannte Art hinsicht lich ihres Ansprechverhaltens beim Zuschalten der zweiten Zy lindergruppe zu verbessern.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftma schine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf dem allgemeinen Gedanken, die ständig arbeitenden Zylinder der ersten Zylindergruppe mit einem konventionellen Abgasturbolader aufzuladen und für die Aufladung der bedarfsabhängig zuschaltbaren Zylinder der zweiten Zylindergruppe einen herkömmlichen mechanischen Lader vorzusehen. Die Verwendung eines konventionellen mechanischen Laders bewirkt bereits bei kleinen Drehzahlen bzw. unmittel bar nach dessen Zuschaltung eine spürbare Aufladung und Lei stungssteigerung der zugeschalteten Zylinder der zweiten Zy lindergruppe. Daher können die zuschaltbaren Zylinder bereits unmittelbar nach ihrer Zuschaltung die erforderliche Leistung entfalten. Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschi ne weist somit eine hohe Ansprechdynamik auf, so daß erfor derliche zusätzliche Leistung nahezu ohne Zeitverzögerung zur Verfügung steht.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Brennkraftmaschine kann der mechanische Lader abschaltbar mit einem auch bei abgeschalteter zweiter Zylin dergruppe angetriebenen Antriebsstrang der Brennkraftmaschine gekoppelt sein. Diese Maßnahme bewirkt, daß im Teillastbe reich der mechanische Lader abgeschaltet werden kann, wobei dann keine unnötige Leistung zum Antrieb des nicht benötigten Laders verbraucht werden muß. Außerdem bietet die Kopplung an einen auch bei abgeschalteter zweiter Zylindergruppe ange triebenen Antriebsstrang der Brennkraftmaschine die Möglich keit, daß der mechanische Lader unmittelbar nach seinem Zu schalten eine effektive Aufladung der Ladeluft für die Zylin der der zweiten Zylindergruppe bewirkt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Brennkraft maschine ist es außerdem möglich, den Abgasturbolader hin sichtlich seiner Dimensionierung auf den Durchsatz des Ge samthubvolumens der ersten Zylindergruppe auszulegen, wodurch die erste Zylindergruppe in einem großen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine maximale Leistungsentfaltung auf weist. In entsprechender Weise kann der mechanische Lader hinsichtlich seiner Dimensionierung auf den Durchsatz des Ge samthubvolumens der zweiten Zylindergruppe ausgelegt werden, wodurch im Vollastbereich eine maximale Leistungsentwicklung beider Zylindergruppen gewährleistet werden kann.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den nachfolgenden Zeichnungen und aus der zugehörigen Figu renbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach stehenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit vier Zylindern, die in einer Reihe angeordnet sind,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer anderen Ausführungs form der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit acht Zylindern, die in zwei Reihen zu je vier Zylin dern angeordnet sind, und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungs form der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit acht Zylindern, die in zwei Reihen zu jeweils vier Zylindern angeordnet sind.

Entsprechen den Fig. 1, 2 und 3 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mehrere Zylinder 1 auf, die in eine erste Zylindergruppe (2), deren Zylinder 2 ohne Schraffur darge stellt sind, und eine zweite Zylindergruppe (3) eingeteilt sind, deren Zylinder 3 schraffiert dargestellt sind.

Die Zylinder 2 der ersten Zylindergruppe (2) arbeiten in säm lichen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine. Im Unterschied dazu sind die Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe (3) be darfshängig ab- bzw. zuschaltbar. Die abschaltbaren Zylinder 3 werden bspw. im Teillastbetrieb, beim Bremsbetrieb, im Leerlauf oder beim Start der Brennkraftmaschine abgeschaltet, um zum einen Kraftstoff zu sparen und um zum anderen zumin dest bei Dieselmotoren die Kohlenwasserstoff-Emissionen zu reduzieren. Denn durch die Abschaltung der Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe (3) werden die nicht abgeschalteten Zylinder 2 der ersten Zylindergruppe (2) stärker belastet, wodurch diese in einem Betriebsbereich arbeiten können, der hinsichtlich der Schadstoffemissionswerte optimiert ist.

Die Zylinder 2 der ersten Zylindergruppe (2) werden mit Hilfe eines Abgasturboladers 4 aufgeladen. Dabei wird über eine er ste Ansaugleitung 5 Frischluft angesaugt, die in einem Ver dichter 6 des Abgasturboladers 4 komprimiert und auf das Druckniveau der Ladeluft gebracht wird. Nach dem Verdichter 6 des Abgasturboladers 4 wird die erzeugte Ladeluft über eine erste Ladeluftleitung den Zylindern 2 der ersten Zylinder gruppe (2) zugeführt. Nach der Verbrennung werden die Abgase über eine erste Abgasleitung 8 einer Turbine 9 des Abgastur boladers 4 zugeführt, in der sie entspannt werden. Nach der Turbine 9 des Abgasturboladers 4 werden die entspannten Abga se mit Hilfe einer Leitung 10 bspw. einem nicht dargestellten Abgasstrang zugeleitet. Die durch die Abgase angetriebene Turbine 9 treibt ihrerseits den Verdichter 6 an.

Die Strömungsrichtung der Gase in der ersten Ansaugleitung 5, in der ersten Ladeluftleitung 7, in der ersten Abgasleitung 8 und in der Leitung 10 ist durch ausgefüllte Pfeile symboli siert.

Für die Aufladung der Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe (3) ist ein mechanischer Lader 11 vorgesehen. Der mechanische Lader 11 ist dabei mit einem Antriebsstrang 12 der Brenn kraftmaschine gekoppelt, so daß der Lader 11 durch diesen An triebsstrang 12 antreibbar ist. Der Antriebsstrang 12 ist da bei derart mit der Brennkraftmaschine gekoppelt, daß er auch bei abgeschalteten Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe (3) eine Antriebsleistung aufweist bzw. abgeben kann. Die Ankopp lung des mechanischen Laders 11 an den Antriebsstrang 12 er folgt dabei über eine schaltbare Kupplung 13, mit deren Hilfe der mechanische Lader 11 ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Üblicherweise treibt der Antriebsstrang 12 weitere, nicht dargestellte Aggregate der Brennkraftmaschine an, wie z. B. eine Lichtmaschine, eine Wasserpumpe. Falls der Antriebs strang 12 ausschließlich zum Antrieb des mechanischen Laders 11 vorgesehen ist, kann die Kupplung 13 statt an der Aus gangsseite des Antriebsstranges 12 auch an dessen Eingangs seite angeordnet sein.

Wenn der mechanische Lader 11 eingeschaltet ist, saugt er über eine zweite Ansaugleitung 14 Frischluft an. Diese wird im mechanischen Lader 11 verdichtet und zur Ladeluft aufgela den, die über eine zweite Ladeluftleitung 15 (in der Ausfüh rungsform entsprechend Fig. 3 sind zwei zweite Ladeluftlei tungen 15 vorgesehen) den Zylindern 3 der zweiten Zylinder gruppe (3) zugeführt wird. Nach der Verbrennung in den Zylin dern 3 der zweiten Zylindergruppe (3) werden die Abgase in einer zweiten Abgasleitung 16 gesammelt und einer nicht dar gestellten Abgasreinigungseinrichtung zugeleitet (die Ausfüh rungsform entsprechend Fig. 3 weist zwei zweite Abgasleitun gen 16 auf). Vorzugsweise werden die Abgase der ersten Zylin dergruppe (2) und der zweiten Zylindergruppe (3) in einer ge meinsamen Abgasreinigungseinrichtung gesäubert.

Die Strömungsrichtung der Gase in der zweiten Ansaugleitung 14, in der zweiten Ladeluftleitung 15 und in der zweiten Ab gasleitung 16 ist durch nur mit ihrer Umfangslinie darge stellten Pfeile symbolisiert.

Entsprechend Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Brennkraftma schine in einer ersten Ausführungsform als Vier-Zylinder- Reihenmotor ausgebildet, wobei die Zylinder 1 in einer Reihe 17 abwechselnd der ersten Zylindergruppe (2) und der zweiten Zylindergruppe (3) zugeordnet sind. Ebenso ist eine andere Zuordnung oder Aufteilung der Zylinder 1 möglich.

Der für den Antrieb des mechanischen Laders 1 vorgesehene An triebsstrang 12 wird über eine symbolisch dargestellte Kur belwelle 18 der Zylinderreihe 17 permanent angetrieben. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Antriebsstrang 12 auch bei abgeschalteten Zylindern 3 der zweiten Zylindergrup pe (3) Antriebsleistung zur Verfügung stellen kann. Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, im Bedarfsfall die abge schalteten Zylinder 3 rasch mit hoher Leistung hinzuzuschal ten, wobei durch den über die Kupplung 13 dann zugeschalteten mechanischen Lader 11 der erforderliche Ladedruck ohne große Zeitverzögerung aufgebaut werden kann, so daß die zugeschal teten Zylinder 3 sehr schnell die geforderderte Zusatzlei stung erbringen können. Die erfindungsgemäße Brennkraftma schine weist daher eine besonders hohe Ansprechdynamik beim Zuschalten der abschaltbaren Zylinder 3 auf.

Entsprechend Fig. 2 weist die erfindungsgemäße Brennkraftma schine bei einer zweiten Ausführungsform acht Zylinder 1 auf, die in zwei Reihen 19 und 20 angeordnet sind. Vorzugsweise ist ein derartiger Acht-Zylinder-Motor als V-Motor ausgebil det, wobei dann die Zylinderreihen 19 und 20 üblicherweise als erste Zylinderbank 19 und zweite Zylinderbank 20 bezeich net werden.

Bei dieser speziellen Ausführungsform sind die Zylinder 2 der ersten Zylindergruppe (2) der ersten Zylinderreihe bzw. er sten Zylinderbank 19 zugeordnet, während die abschaltbaren Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe (3) der zweiten Zylin derreihe bzw. der zweiten Zylinderbank 20 zugeordnet sind. In diesem Fall wird der Antriebsstrang 12 über eine symbolisch dargestellte Kurbelwelle 21 der ersten Zylinderbank 19 ange trieben. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß ständig eine Antriebskraft zum Antrieb des mechanischen Laders 11 zur Ver fügung gestellt werden kann.

Bei der in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine handelt es sich wie bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 2 um einen Acht- Zylinder-Motor, dessen Zylinder 1 in zwei Reihen 22 und 23 bzw. bei einem V-Motor in zwei Zylinderbänken 22 und 23 ange ordnet sind. Im Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 3 in jeder Zylinderreihe bzw. Zylinderbank 22 und 23 so wohl dauernd aktive Zylinder 2 als auch abschaltbare Zylinder 3 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die abschaltbaren Zylinder 3 der ersten Zylinderbank 22 und die abschaltbaren Zylinder 3 der zweiten Zylinderbank 23 mit se paraten zweiten Ladeluftleitungen 15 mit Ladeluft versorgt. Ebenso ist eine Ausgestaltungsform möglich, bei der eine zen trale zweite Ladeluftleitung in entsprechender Weise aufge zweigt ist. Auch werden die Abgase der abschaltbaren Zylinder der beiden Zylinderbänke 22 und 23 mit zwei zweiten Abgaslei tungen 16 abgeführt, die insbesondere zusammengeführt werden können.

Bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 3 wird der für den Antrieb des mechanischen Laders 11 verwendete Antriebsstrang 12 von einer symbolisch dargestellten Kurbelwelle 24 einer der beiden Zylinderreihen 22 oder 23, hier von der Zylinder reihe 22, angetrieben.

Claims

1. Aufladbare Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, bei der eine erste Zylindergruppe im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine arbeitet und eine zweite Zylindergruppe bedarfsabhängig abgeschaltet oder zugeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasturbolader (4) vorgesehen ist, der ausschließ lich zur Aufladung der ersten Zylindergruppe (2) dient, und daß ein mechanischer Lader (11) vorgesehen ist, der aus schließlich zur Aufladung der zweiten Zylindergruppe (3) dient.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Lader (11) abschaltbar mit einem auch bei abgeschalteter zweiter Zylindergruppe (3) angetriebenen An triebsstrang (12) der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des mechanischen Laders (11) an den An triebsstrang (12) mit einer schaltbaren Kupplung (13) er folgt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zylindergruppe (2) eine erste Ladeluftzuführung (7) und eine erste Abgasabführung (8) aufweist und daß die zweite Zylindergruppe (3) eine zweite Ladeluftzuführung (15) und eine zweite Abgasabführung (16) aufweist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit in zwei Reihen (19, 20) angeordneten Zylindern (1) eine erste Zylinderreihe (19) die erste Zylindergruppe (2) enthält und eine zweite Zylinderrei he (20) die zweite Zylindergruppe (3) enthält.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (4) hinsichtlich des Gesamthubvolu mens der ersten Zylindergruppe (2) dimensioniert ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Lader (11) hinsichtlich des Gesamthubvo lumens der zweiten Zylindergruppe (3) dimensioniert ist.