DE19606402C2 - Zylinderabschaltung bei Otto-Motoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Otto-Motoren mit Zylinderschaltung 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.

Ein weiteres Prinzip für Zylinderabschaltungen ist aus der DE-OS 31 29 078 bekannt, nach der die Aussetztakte durch selektive Abschaltung der Kraftstoffzufuhr realisiert werden soll. Die Strategie der damit vorgeschlagenen Technik besteht darin, die zu befeuernden Zylinder lastunabhängig mit einer konstanten verbrauchsoptimalen Menge zu versorgen. D. h., die befeuerten Zylinder arbeiten mit annähernd maximaler Kompression. Ein typisches Beispiel ist hierfür, daß nach dieser OS für den Leerlauf zwischen jedem Arbeitstakt sieben Kurbelwellenumdrehungen ausgeführt werden sollen. Dieses Konzept steigert wesentlich den thermischen Wirkungsgrad. Es ist jedoch wegen der einzuhaltenden Abgasnormen, speziell im Zusammenhang mit der Stickoxidemission, wirtschaftlich nicht nutzbar. Der durch die hohe Kompression auf Grund der erforderlichen Drehmomente gebildete Stickoxidanteil kann nicht reduziert werden. Das für die Reduktion erforderliche Kohlenmonoxid wird durch den Luftsauerstoffanteil auf Grund der höheren Reaktionspriorität verbrannt und steht deshalb für die Stickoxidreduktion nicht zur Verfügung.

Zusätzlich erfordert das angeführte Aussetzmuster im Leerlauf eine größere Schwungscheibe, deren Trägheitsmasse den Kraftstoffeinsparungseffekt mindern und der sehr hohe Luftanteil durch die Aussetztakte kühlt den Katalysator schnell aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinderabschaltung zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung anzugeben, mit der die Abgasnormen eingehalten werden können, ein besser Rundlauf erreicht wird und eine längere Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Katalysators gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Eingrenzung dieses Abschaltmusters auf den Leerlauf tendiert die Stickoxidbildung gegen null auf Grund der immer noch geringen Kompression im Vergleich zum Maximalwert. Im Wesentlichen bedingt durch die Lastverteilung auf eine größere Anzahl Arbeitstakte. 1,33 Arbeitstakte pro 720° Kurbelwellenumdrehung für einen Vierzylindermotor im Vergleich zu 0,546 Arbeitstakte nach der DE-OS 31 29 078 für einen 6-Zylindermotor. Dadurch kann bei Aktivierung der Leerlaufzylinderabschaltung auf einen ungeregelten Katalysatorbetrieb mit bekannter Technik umgeschaltet werden.

Das Leerlaufabschaltmuster nach Fig. 1 ist der optimale Kompromiß für Vierzylinder-Ottomotoren zwischen den Kriterien hoher thermischer Wirkungsgrad durch hohe Kompression bei geringen Arbeitstakten einerseits, und geringe Stickoxidemission, der Standzeit des Katalysators oberhalb der Anspringtemperatur und Rundlaufeigenschaften andererseits.

Die Vorteile dieser flexiblen Zylinderabschaltung ergeben daraus, daß bei aktivierter Zylinderabschaltung je Arbeitstakt mehr Leistung erbracht werden muß. Dies erfordert ein größeres Gemischvolumen, was die Kompression erhöht.

Andererseits wird im Ansaugtakt der zu überwindende Unterdruck im Ansaugrohr durch die weiter geöffnete Drosselklappe bzw. der anderen Sperrvorrichtungen 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 von ca. 30%, was sich besonders bei Staus und häufigen Ampelstops im Stadtverkehr auswirkt.

Die Leerlaufzylinderabschaltung 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 Kraftstoffvergasung zu unterstützen. Mindestdrehzahl, evtl. signalisiert durch den geschlossenen Öldruckschalter, um den Motor immer im Vollbetrieb zu starten.

Unabhängig davon ist immer eine zweite fixe Leerlaufeinstellung für die Zylinderabschaltung erforderlich. 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 in Drehrichtung der Drosselwelle versetzt, soweit kein Zusatzluftschieber vorhanden ist.

Der größere Öffnungswinkel der Drosselklappe bzw. anderer Sperreinrichtungen bei aktivierter Abschaltung mindert den Motorbremseffekt der Schubabschaltungen. Um die bessere Motorbremsung im Vollbetrieb nutzen zu können, kann diese durch einen vom Fahrer zu betätigenden Schalter aktiviert werden, wenn alle automatisch ermittelten Kriterien erfüllt sind. Sinnvoll ist es, diesen Schalter mit dem Bremspedal zu kombinieren.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der

Fig. 1- zeigt das Leerlaufabschaltmuster für einen Vierzylinder-Ottomotor. Die Logik der Leerlaufabschaltung besteht darin, daß nach jedem Arbeitstakt zwei Blindtakte durch Luftansaugung ohne Kraftstoffeinspritzung folgen. Dies ergibt 0,667 Arbeitstakte pro Kurbelwellenumdrehung.

Der Rundlauf, akustisch und mechanisch, ist durch die gleichmäßige zeitliche Folge von Arbeitstakten bei gleicher Drehzahl gegeben. Eine geringfügig erhöhte Leerlaufdrehzahl verbessert noch diese Eigenschaft. Geringfügig deshalb, weil sich Änderungen der Geschwindigkeit auf die kinetische Energie der Schwungscheibe quadratisch auswirken.

Eine partielle Auskühlung des Motorblocks und der Abgasventile werden durch eine gleichmäßige Belastung aller Zylinder mit Arbeitstakten vermieden.

Durch die Leerlaufzylinderabschaltung ergeben sich im Zusammenhang mit der Einhaltung der Abgasnormen folgende funktionell bedingte Eigenschaften. Wegen der zwar erhöhten aber immer noch wesentlich geminderten Kompression im Vergleich zum Maximalwert und des im allgemeinen fetteren Gemisches im Leerlauf tendiert die Stickoxidbildung gegen null. Dies auch auf Grund des geringeren Drehwiderstandes durch die weiter geöffnete Drosselklappe bzw. der anderer Sperrvorrichtungen. Der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffanteil wird zum Teil bereits im Krümmer verbrannt, weil jede Abgassäule durch das Abschaltmuster eingeschlossen ist in eine erwärmte vordere und hintere Luftsäule. Die Abgassäule aus dem Arbeitstakt wird nach dem Krümmer intensiv verwirbelt mit der Luft aus den Blindtakten durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Längen. Was eine nahezu komplette Verbrennung der Restmenge im Katalysator bewirkt. Durch die partielle Verbrennung im Krümmer ist der Konventierungsgrad auch bei geminderter Katalysatortemperatur noch sehr hoch. Diese funktionell bedingten Eigenschaften werden erreicht durch das erfindungsgemäße Abschaltmuster in Verbindung mit der Eingrenzungauf den Leerlauf. Nur dieser Zusammenhang ermöglicht es, auch mit Umschaltung auf eine ungeregelte Katalysatornachverbrennung die Abgasnormen einzuhalten.

Claims (3)

1. Selektive Zylinderabschaltung bei Vierzylinder-Ottomotoren dadurch gekennzeichnet, daß der Motor im Leerlauf bei Nullstellung des Fahrpedals und Erreichen eines Temperaturlimits mit dem fixen Abschaltmuster, ein Arbeitstakt gefolgt von zwei Aussetzern durch Abschalten der Kraftstoffzuführung betrieben wird. (Fig. 1)

2. Fahrzeug mit einer Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Schubabschaltung für die Motorbremsung durch einen vom Fahrer zu betätigenden Schalter aktiviert wird.

3. Fahrzeug mit einer Zylinderabschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Leerlaufeinstellung durch Elektromagnete aktiviert wird.