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DE19606402A1 - Zylinderabschaltung bei Otto-Motoren - Google Patents

Zylinderabschaltung bei Otto-Motoren

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DE19606402A1
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Rainer Born
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/008Controlling each cylinder individually
    • F02D41/0087Selective cylinder activation, i.e. partial cylinder operation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft Otto-Motoren mit Zylinderabschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Zylinderabschaltung bei Otto-Motoren werden realisiert durch mechanische Einrichtungen. Dies sind Drosselklappen, die die Zuführung des Verbrennungsgemisches für eine Gruppe von Ansaugrohren unterbinden oder durch Vorrichtungen, welche die Ventilsteuerung unterbrechen. Diese Einrichtungen können nicht flexibel gesteuert werden. Um Wärmeprobleme zu vermeiden, müssen z. B. bei der Drosselklappensteuerung die abgeschalteten Zylinder durch Umleitung von Abgasen in die abgeschalteten Zylinder aufgeheizt werden.
Erfindungsgemäß soll eine flexible Zylinderabschaltung dadurch erreicht werden, daß bei Otto-Motoren mit elektromagnetisch arbeitenden Einspritzdüsen in der Anzahl der Zylinder die Kraftstoffzufuhr nach Bedarf für einzelne oder mehrere Zylinder unterbunden wird durch temporäre Abschaltung der elektrischen Einspritzimpulse bzw. Vermeidung dieser Stromimpulse direkt im Steuergerät. Flexible Zylinderabschaltung bedeutet dabei erfindungsgemäß, daß zu dem Zweck der gleichmäßigen Wärmebelastung aller Zylinder sukzessive nach einem oder mehreren Arbeitstakten die Kraftstoffzufuhr für diesen Zylinder unterbunden und für andere Zylinder freigegeben wird.
Dies erfordert Einspritzventile pro Zylinder, Direkt- oder Saugrohreinspritzung, die untereinander unabhängig zu und abgeschaltet werden können. Eine für diese Zwecke nutzbare Ventiltechnik sind die elektromagnetischen Einspritzventile der sogenannten L-Jetronic und deren Variationen. Bei dieser Technik sind die Einspritzventile am Saugrohr des jeweiligen Zylinders in der Nähe des Motorblocks angebracht. Dadurch kann ausgeschlossen werden, daß bei entsprechender Länge der Saugrohre und Größe des gemeinsamen Sammelrohres ein abgeschalteter blinder einen zündunfähigen Gemischanteil aus einem anderen Saugrohr abzieht.
Die Vorteile dieser flexiblen Zylinderabschaltung resultieren daraus, daß bei Aktivierung der Zylinderabschaltung je Arbeitstakt mehr Leistung erbracht werden muß. Dies bedingt eine weiter geöffnete Drosselklappe, damit ein größeres Gemischvolumen angesaugt werden kann. Durch das größere Gemischvolumen entsteht einerseits eine höhere Kompression. Andererseits wird im Ansaugtakt der abgeschalteten Zylinder der zu überwindende Unterdruck durch die weiter geöffnete Drosselklappe reduziert.
Höhere Kompression hat einen besseren Wirkungsgrad zur Folge und mit der Reduzierung des Unterdrucks werden die inneren Motorverluste gemindert. Zusätzlich, wenn auch mit geringeren Auswirkungen, erbringen die abgeschalteten Zylinder Leistung. Die komprimierte Reinluft nimmt Wärme von der Zylinderwandung und dem Kolben auf, die in mechanische Leistung umgesetzt wird.
Diese drei Effekte bewirken eine Verbrauchsreduzierung, was sich besonders bei Staus, häufigen Ampelstops und im unteren Teillastbetrieb (Stadtverkehr und Landstraße) positiv auswirkt. Die Nachteile durch die Auskühlung bei konstant abgeschalteten Zylinder werden durch eine kontinuierliche Belastung mit Arbeitstakten vermieden.
Bei 4-Zylindermotoren ergeben sich zwei Möglichkeiten einer gleichmäßigen Lastverteilung über alle Zylinder. Für den Leerlauf einen Arbeitstakt pro 540° Kurbelwellendrehung und für den Teillastbetrieb nach zwei Arbeitstakten mit Kraftstoffgemisch ein Arbeitstakt mit Reinluft, nachfolgend Blindtakt genannt.
Die Leerlaufzylinderabschaltung mit der Logik nach Fig. 1 kann automatisch aktiviert werden durch einen Endschalter, der die Nullstellung des Gaspedals signalisiert in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und dem Unterschreiten einer Mindestdrehzahl des Motors. Mindestbetriebstemperatur deshalb, um bei kaltem Motor durch einen größeren Unterdruck die Kraftstoffgasbildung zu unterstützen. Mindestdrehzahl signalisiert durch den geschlossenen Öldruckschalter, um den Motor immer im Vollbetrieb zu starten. Um die bessere Motorbremsung im Vollbetrieb nutzen zu können, kann diese durch ein vom Fahrer zu betätigenden Schalter bei Talfahrten mit größerem Gefälle aktiviert werden. Dies, weil durch den größeren Öffnungswinkel der Drosselklappe eine Art Freilauf entsteht.
Unabhängig davon ist immer ein zweiter fixer Öffnungswinkel der Drosselklappe bei Nullstellung des Gaspedals erforderlich, der sich nach Bedarf automatisch einstellt. Realisiert werden kann dies mit einem Elektromagnet, der in Abhängigkeit von der Aktivierung der Zylinderabschaltung in die Mechanik der Drosselklappenverstellung eingreift. D. h. den Nullstellungsanschlag der Drosselwellenmechanik bei angezogenem Magnet in Drehrichtung der Drosselwelle versetzt.
In Fig. 2 ist die zweite Alternative der zyklischen Zylinderabschaltung für einen 4- Zylindermotor aufgezeichnet. Hierbei wird erfindungsgemäß nach jedem zweiten Arbeitstakt ein Blindtakt eingelegt was 1,33 Arbeitstakte pro Kurbelwellenumdrehung ergibt. Das bedeutet, daß ein 1,6 l Motor nach Bedarf auf die Leistung eines 1 l Motors gedrosselt werden kann.
Dies mit einer Achsübersetzung, die ausgerichtet ist auf die Nennleistung des 1,6 l Motors. Dadurch können, das ist der wesentliche Aspekt für Pkws, hubraumstarke Motoren eingesetzt werden, deren Nenndrehzahl nicht ausgerichtet ist auf Vollgasfestigkeit sondern auf einen noch vertretbaren Wirkungsgrad. Mit gleicher Nennleistung wie die bisher eingesetzten Motoren kann der hubraumstarke Motor mit wesentlich geringerer Drehzahl betrieben werden, ohne daß die größeren Verluste im Teillastbetrieb akzeptiert werden müssen. Da dies auf freiwilliger Basis keine Effekte bringt, muß die Überschreitung der Nenndrehzahl mit einer irreversiblen Einrichtung automatisch unterbunden werden. Niedrige Drehzahlen mindern die inneren Motorverluste, verursacht durch die kontinuierlich Beschleunigten nicht rotierenden Teile, exponential. Was bei 1000 U/min noch vertretbare Verluste verursacht, hat bei 6000 U/min den 36fachen Wert. Damit werden auch im maximalen Leistungsbereich durch die Zylinderabschaltung indirekt erhebliche Einsparungseffekte erzielt.
Auch diese Zylinderabschaltung läßt sich automatisch aktivieren und inaktivieren mit einem Unterdruckschalter am Ansaugsammelrohr in Verbindung mit dem Endschalter am Gaspedal, der bei Nullstellung des Gaspedals Priorität haben muß. Reduzierter Unterdruck im Saugrohr signalisiert immer eine höhere Leistungsanforderung.
Andererseits besteht die Möglichkeit, daß lediglich mit einem vom Fahrer zu betätigen Schalter diese Zylinderabschaltung aktiviert wird.
Bei Otto-Motoren mit mehr als 4-Zylindern ergeben sich zwangsläufig mehr Variationsmöglichkeiten. Um eine gleichmäßige Belastung aller Zylinder zu erreichen, muß lediglich bei dem Logikentwurf sichergestellt werden, daß wie bei den Fig. 1 und 2 alle Zylinder zyklisch mit Arbeitstakten belastet werden.
Für den Entwurf einer zyklischen Abschaltung gelten folgende Regeln:
Die Anzahl der Zylinder darf nicht ganzzahlig dividierbar sein durch die Summe, gebildet aus den aufeinanderfolgenden Arbeitstakten und Leertakten, die sich regelmäßig wiederholen, wobei die Summe kleiner sein muß als die Anzahl Zylinder.
Die Positionierung der Leertakte innerhalb der Arbeitstakte ist frei wählbar.
Als Beispiel für einen Achtzylindermotor:
Mögliche Summen sind 7,6,5 und 3;
Summe 7 = 5 Arbeitstakte 2 Blindtakte oder 4 Arbeitstakte 3 Blindtakte oder 6 Arbeitstakte und 1 Blindtakt und umgekehrt durch vertauschen der Anzahl Arbeitstakte und Blindtakt.
Summe 6 = 4 Arbeitstakte 2 Blindtakte oder 3 Arbeitstakte 3 Blindtakte oder 5 Arbeitstakte 1 Blindtakt und umgekehrt usw.
Damit besteht die Möglichkeit, Kaskadenförmig nach Leistungsbedarf Abschaltungskombinationen zu oder abzuschalten mit dem Effekt, daß der Motor überwiegend in der Nähe der Maximalkompression betrieben wird. Ein Zustand, der dann mit dem durchschnittlichen Wirkungsgrad von Dieselmotoren im Fahrbetrieb vergleichbar ist.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren; es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm für eine Zylinderabschaltung bei 4-Taktmotoren mit einer intermittierenden Einspritzanlage für jeden Zylinder. Bei dieser bekannten Form der Einspritzanlage sind die Einspritzventile parallel geschaltet und öffnen deshalb gleichzeitig. Pro Kurbelwellenumdrehung wird vom Verteiler ein Impuls (Zündzeitpunkt) zum Steuergerät abgegeben. Die Signale sind in durch Pfeile in der Figur gekennzeichnet. Mit diesem Signal wird ein zeitlich kontrollierter Stromimpuls zu den Einspritzventilen weitergeleitet, der die Düsennadel in den Ventilen elektromagnetisch anhebt und damit den Kraftstoffdurchfluß freigibt. Das bedeutet, daß pro Ansaugtakt und Zylinder zwei Einspritzvorgänge stattfinden.
Die Logik der Leerlaufabschaltung besteht darin, daß nach jedem Arbeitstakt zwei Blindtakte durch Reinluftansaugung folgen. Dies ergibt 0,667 Arbeitstakte pro Kurbelwellenumdrehung. Durch die zyklische Folge von Arbeits- und Blindtakten werden bereits bei einer geringfügigen Anhebung der Leerlaufdrehzahl akzeptierbare Rundlaufeigenschaften des Motors erreicht.
Nach jedem 6. Signal für ein Zylinder wiederholt sich die Abschaltlogik zyklisch. Um dies schalttechnisch zu verwirklichen, werden Schieberegister mit 6 parallelen Eingängen benötigt. Hierbei ist für Nachrüstmodule von Bedeutung, daß die Register nicht untereinander austauschbar sind. Der Grund dafür ist, daß Auslösesignale der Einspritztakte bei zwei Zylindern (hier 1 und 3) am unteren Totpunkt der Ansaugtakte anliegen und bei zwei Zylindern am oberen Totpunkt. Für den Cleareingang der Register müssen deshalb Signale abgegriffen werden, die die Taktfolge der einzelnen Zylinder eindeutig definieren.
Fig. 2 zeigt eine Abschaltlogik für den Fahrbetrieb im unteren Teillastbereich. Bei dieser Logik folgt nach jedem zweiten Arbeitstakt ein Blindtakt, was 1,33 Arbeitstakte pro Umdrehung ergibt. Auch hierbei wiederholt sich der Taktzyklus für einen Zylinder nach jedem 6. Einspritzimpuls. Die technischen Probleme mit der L-Jetronic sind dabei die gleichen wie bei Fig. 1. Die Rundlaufeigenschaften sind hierbei so gut, daß sich der abgeschaltete Zylinder nur durch die geminderte Leistung bemerkbar macht.
Fig. 3 beinhaltet vollständigkeitshalber eine andere Alternative als Beispiel , bei der die Anzahl Zylinder ganzzahlig teilbar ist durch die Summe der zyklisch aufeinanderfolgenden Arbeitstakte und Blindtakte. Bei dieser Logik muß nach einer Anzahl Kurbelwellenumdrehungen ein azyklischer Wechsel stattfinden zwischen Arbeitstakten oder Blindtakten. Hier bei der vierten Kurbelwellenumdrehung. Die Wechselintervalle sind im wesentlichen abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Zylinderblockmaterials.
Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild, bei dem die Abschaltlogik von Fig. 1 und 2 mit der bekannten Technik von Schieberegister (Parallel/Seriell-Wandler) realisiert wird. Schieberegister sind IC-Bausteine mit einem parallelem Signaleingang und seriellem statischen Ausgang. (Für diese Zwecke). Nach jedem Taktimpuls wird das nächste gespeicherte Signal vom Eingang abgefragt (0 oder 1) und zum Ausgang geschaltet. Der Ausgang ist mit einem Thyristor verbunden, der für Nachrüstmodule über einen Optokoppler -A- in Abhängigkeit von der Signalfolge geschaltet wird und den Stromimpuls zum Einspritzventil freigibt oder sperrt.
Die Signalfolge wird durch die Verdrahtung der Schieberegister, für jeden Zylinder ein Register, vorgegeben. Mit logischen Gattern wird automatisch die Leerlaufzylinderabschaltung und die im Teillastbereich eingestellt.
Die Leerlaufzylinderabschaltung wird immer dann aktiviert, wenn
  • - der Öldruckschalter geöffnet ist durch das invertierte Signal, zu dem Zweck, jeden Anlaßvorgang im Vollbetrieb durchzuführen und
  • - der geschlossenen Bimetallschalter eine ausreichende Betriebstemperatur signalisiert und
  • - der Endschalter am Gaspedal geschlossen ist bei Nullstellung.
Die Tellastabschaltung wird immer dann aktiviert, wenn
  • - der Unterdruckschalter ein Lastbereich signalisiert, der im Teillastbereich betrieben werden kann und
  • - der Endschalter am Gaspedal geöffnet ist und
  • - der Bimetallschalter eine ausreichende Betriebstemperatur signalisiert.
Der Vollastbetrieb wird immer dann geschaltet, wenn von der Leerlauf und Teillastabschaltung kein Signal anliegt (Negationsabsicherung).

Claims (6)

1. Zylinderabschaltung bei Otto-Motoren mit elektromagnetisch arbeitenden Einspritzventilen in der Anzahl der Zylinder dadurch gekennzeichnet, daß durch Abschaltung oder Vermeidung von Stromimpulsen für ein einzelnes Einspritzventil die Kraftstoffeinspritzung für einen Ansaugtakt des zugeordneten Zylinders unterbunden wird.
2. Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Zweck der gleichmäßigen Wärmebelastung aller Zylinder nach einem oder mehreren Arbeitstakten eines Zylinders die Kraftstoffzufuhr für diesen Zylinder unterbunden und für andere Zylinder freigegeben wird.
3. Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei 4- Zylinder-Ottomotoren nach jedem Arbeitstakt zwei Blindtakte folgen.
4. Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei 4- Zylinder-Ottomotoren nach jedem zweiten Arbeitstakt ein Blindtakt folgt.
5. Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltlogik mit Parallel/Seriellen Wandlern realisiert wird, bei dem die Logik durch die Verdrahtung der Eingänge fixiert wird.
6. Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Automatisierung der Abschaltungen mittels logischen Gattern Signale von einem Unterdruckschalter am Saugrohr, von dem Öldruckschalter, von einem Endschalter, die bei Nullstellung des Gaspedals schaltet und von einem Bimetallschalter, der die ausreichende Betriebstemperatur signalisiert, verarbeitet werden.
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