DE19611363C1

DE19611363C1 - Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19611363C1
Application number: DE19611363A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Guenther; Roland Dipl Ing Kemmler; Herbert Dipl Ing Klein; Uwe Dipl Ing Kleinecke; Wolfgang Dipl Ing Oehler
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2016-03-23
Also published as: GB9705538D0; FR2746444A1; IT1290956B1; ITRM970118A1; US5782088A; FR2746444B1; GB2311330B; GB2311330A

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrische Kolbenbrenn kraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen, wobei eine Zylindergruppe im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ab schaltbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 29 07 934 A1 bekannt. Die Brennkraftmaschine umfaßt zwei Zylindergruppen, wo bei eine Zylindergruppe dauerbefeuert wird und die andere Zylin dergruppe im Teillastbetrieb abschaltbar ist. Die Abgase der beiden Zylindergruppen werden durch jeweils einen Abgasstrang abgeführt. Die Abgasstränge münden nach dem Katalysator der dau erbetriebenen Zylindergruppe in einen gemeinsamen Leitungs strang, in dem ein zweiter Katalysator vorgesehen ist. Im Teil lastbetrieb wirkt die abgeschaltete Zylindergruppe als Pumpe und fördert die dieser Zylindergruppe zugeführte Luft durch den Ab gasstrang in den zweiten Katalysator. Hierbei tritt das Problem auf, daß die Temperatur dieses zweiten Katalysators durch die Kühlung der zugeführten Umgebungsluft unter die Betriebstempera tur fallen kann und somit eine katalytische Reinigung nicht oder nur unzureichend erfolgt. Nach einem Kaltstart der Brennkraftma schine besteht die Gefahr, daß der Katalysator die Betriebstem peratur überhaupt nicht erreicht und die Abgase ohne ausreichen de katalytische Reinigung in die Umgebung gelangen.

Weiterhin zeigt die DE 44 21 258 A1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen, von denen eine abschaltbar ist, wobei die Zylindergruppen stromauf einer katalytischen Ab gasreinigungsvorrichtung voneinander getrennte Abgas leitungen aufweisen. Bei Abschaltung einer Zylindergruppe durch Unterbindung der Kraftstoffzufuhr bei Aufrechterhal tung des Gaswechsels werden die Abgase dieser Zylindergrup pe in die Brennräume der weiterhin befeuerten Zylindergrup pe zurückgeführt oder in einer alternativen Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine in die eigenen Brennräume zurück geführt. Somit wird verhindert, daß die Abgase der abge schalteten und damit abkühlenden Zylindergruppe in die ka talytische Abgasreinigungsvorrichtung gelangen und deren Betriebstemperatur herabsetzen. Bei der bekannten Brenn kraftmaschine können die Abgasstränge beider Zylindergrup pen über einen Rohrabschnitt verbunden sein, wobei stromauf der Zusammenführung in jedem der Abgasstränge ein Katalysa tor angeordnet ist. Da der Abgasstrang einer abgeschalteten Zylindergruppe stromauf des Katalysators gesperrt wird und die Abgase dieser Zylindergruppe auf anderem Wege ausge leitet werden, wird der Katalysator zwar zuverlässig vor der kühlenden Beaufschlagung durch die kalten Abgase ge schützt. Es kann jedoch nicht verhindert werden, daß mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine im Teil lastbetrieb der Katalysator der abgeschalteten Zylinder gruppe abkühlt und nach Unterschreiten der Betriebstempera tur rasch funktionsuntüchtig wird. Wird die abgeschaltete Zylindergruppe wieder in Betrieb genommen, so verursacht der abgekühlte und funktionsuntüchtige Katalysator hohe Ab gasemissionen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine dahingehend weiterzubilden, daß der Ka talysator der im Teillastbetrieb abgeschalteten Zylindergruppe ohne zusätzliche Wärmequellen in kürzester Zeit auf Betriebstem peratur gebracht wird bzw. auf dieser gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspru ches 1 gelöst.

Im Teillastbetrieb strömt das Abgas der befeuerten Zylin dergruppe durch den in diesem Abgasstrang angeordneten Ka talysator. In Strömungsrichtung nach dem Katalysator ist der ge meinsame Rohrabschnitt vorgesehen. Durch den Unterdruck im vor geschalteten Leitungsabschnitt der abgeschalteten Zylindergruppe wird ein Teil des bereits gereinigten Abgases durch den Kataly sator der abgeschalteten Zylindergruppe zurückgefördert. Dabei erwärmen die heißen Abgase den zweiten Katalysator der unbefeu erten Zylindergruppe und bringen ihn auf Betriebstemperatur. Es kann eine zweite katalytische Reinigung des Abgases einsetzen; in jedem Fall hat der zweite Katalysator bereits seine Betrieb stemperatur erreicht, wenn nach Durchlaufen des Teillastbereichs auch die zweite Zylindergruppe zugeschaltet wird und Abgas pro duziert. Dieses Abgas aus der zugeschalteten Zylindergruppe wird ohne zeitliche Verzögerung in dem vorgewärmten Katalysator ge reinigt.

Als Unterdruckvorrichtung, über die im Leitungsstrang der abge schalteten Zylindergruppe ein Unterdruck erzeugt wird, ist zweckmäßig die Zylindergruppe selbst vorgesehen, deren von der Kurbelwelle mitbewegte Kolben eine Pumpwirkung entfalten. Die Brennräume der Zylinder der abgeschalteten Zylindergruppe kommu nizieren mit dem Abgasstrang, so daß ein in den Brennräumen er zeugter Unterdruck auch auf den Leitungsstrang zwischen der ab geschalteten Zylindergruppe und dem Katalysator wirkt und das Abgas aus dem Abgasstrang der befeuerten Zylindergruppe ange saugt wird. Um lediglich die Sogwirkung der bewegten Kolben zu nutzen und zu verhindern, daß Umgebungsluft in den Abgasstrang der nicht befeuerten Zylindergruppe gefördert wird, ist vorteil haft vorgesehen, daß die Auslaßventile der Zylinder der abge schalteten Zylindergruppe in Öffnungsstellung versetzt sind und die Einlaßventile in Schließstellung stehen. Je nach aktueller Kolbenhubrichtung wird im Leitungsstrang der abgeschalteten Zy lindergruppe abwechselnd ein Unterdruck bzw. Überdruck erzeugt, der eine oszillierende Gasbewegung zur Folge hat. Das Abgas wird aus dem gemeinsamen, die beiden Abgasstränge verbindenden Rohr abschnitt bei Erzeugen eines Unterdruckes in Richtung der nicht befeuerten Zylindergruppe eingesogen und im darauffolgenden Hub wieder zurückgefördert. Hierdurch entsteht im Bereich des Kata lysators der nicht befeuerten Zylindergruppe eine oszillierende Abgasbewegung, durch die permanent heißes Abgas durch diesen Ka talysator in beiden Richtungen gefördert wird.

In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, daß die Unter druckvorrichtung eine Abgas-Rückführleitung umfaßt, die den Ab gasstrang der abgeschalteten Zylindergruppe mit dem Ansaugrohr der befeuerten Zylindergruppe verbindet. Über das Ansaugrohr der befeuerten Zylindergruppe wird fortlaufend ein Unterdruck im Leitungsstrang der nicht befeuerten Zylindergruppe erzeugt und wie vorbeschrieben heißes Abgas aus dem Abgasstrang der befeuer ten Zylindergruppe durch den Katalysator der nicht befeuerten Zylindergruppe gefördert. Zur Steuerung des rückgeführten Ab gasstromes kann in der Abgas-Rückführleitung ein Sperrventil an geordnet sein.

Weitere Merkmale der Erfindung sowie vorteilhafte Ausge staltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Be schreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine im Teillastbereich mit Betätigung der Unterdruckvorrichtung,

Fig. 2 die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 im Teillastbereich ohne Betätigung der Unterdruckvorrichtung,

Fig. 3 die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 im Vollastbereich oh ne Betätigung der Unterdruckvorrichtung,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine in einer anderen Ausführung im Teillastbereich mit Betätigung der Unterdruckvorrichtung,

Fig. 5 die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 im Teillastbereich ohne Unterdruckerzeugung,

Fig. 6 die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 4 im Vollastbereich oh ne Unterdruckerzeugung.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist zwei Zylindergruppen 2, 3 auf, die vorteilhaft jeweils die glei che Anzahl an Zylindern enthalten. Die Brennkraftmaschine 1 kann ein Vier-, Sechs-, Acht- oder ein Zwölfzylinder-Motor sein. Jede Zylindergruppe 2, 3 weist einen eigenen Abgasstrang 4, 5 auf, in dem jeweils ein Katalysator 6, 7 angeordnet ist. In Strömungs richtung 8 gesehen hinter den Katalysatoren 6, 7 münden die Ab gasstränge 4, 5 in einen gemeinsamen Rohrabschnitt 9 und teilen sich im weiteren Verlauf wieder in zwei getrennt geführte Ab gasstränge auf; im weiteren Verlauf kann in den Abgassträngen 4, 5 noch jeweils ein Abgasschalldämpfer 16, 17 angeordnet sein, anschließend werden die Abgase in die Atmosphäre geleitet.

Die Zylindergruppe 2 ist als permanent befeuerte Zylindergruppe ausgebildet. Die Zylindergruppe 3 ist im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 abschaltbar, um eine Reduzierung des Kraft stoffverbrauches und der Schadstoffemissionen zu erreichen. Im Teillastbetrieb gemäß Fig. 1 ist nur die Zylindergruppe 2 befeu ert, deren Abgase durch den Abgasstrang 4 und durch den Kataly sator 6 geleitet werden. Der Katalysator 6 erreicht dadurch bin nen kürzester Zeit seine Betriebstemperatur und bewirkt eine ka talytische Umwandlung der Schadstoffe im Abgas.

Um sicherzustellen, daß beim Zuschalten der Zylindergruppe 3 beim Übergang vom Teillastbetrieb zum Vollastbetrieb die durch den Abgasstrang 5 geleiteten Abgase ohne zeitliche Verzögerung im Katalysator 7 gereinigt werden können, muß der Katalysator 7 bereits bei Zuschaltung der zweiten Zylindergruppe 3 seine Be triebstemperatur erreicht haben. Die Erwärmung des zweiten Kata lysators 7 auf Betriebstemperatur erfolgt durch Umleitung zumin dest eines Teils der heißen Abgase aus dem Abgasstrang 4 über den gemeinsamen Rohrabschnitt 9 zurück in den zweiten Ab gasstrang 5 gemäß Pfeilrichtung 18. Die heißen Abgase der Zylin dergruppe 2 durchlaufen dabei zunächst den ersten Katalysator 6 und direkt anschließend den zweiten Katalysator 7, der dadurch auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird; zudem erfolgt eine weitere katalytische Reinigung der Abgase nach Überschreiten der für die Katalysatorwirkung erforderlichen Temperaturschwelle.

Um sicherzustellen, daß zumindest ein Teil der Abgase in Pfeil richtung 18 durch den zweiten Katalysator 7 der unbefeuerten Zy lindergruppe 3 geleitet wird, ist der abgeschalteten Zylinder gruppe 3 eine Unterdruckvorrichtung 11 zugeordnet, mittels der im Leitungsabschnitt 10 des Abgasstranges 5 zwischen der Zylin dergruppe 3 und dem Katalysator 7 ein Unterdruck erzeugt wird, der ein Rückströmen von Abgas in Pfeilrichtung 18 bewirkt. Die Unterdruckvorrichtung 11 ist durch die mitbewegten Kolben der abgeschalteten Zylindergruppe 3 gebildet, deren Brennräume mit dem Abgasstrang 5 in Verbindung stehen. Durch die Kolbenbewegung wird hierbei ein periodischer Unterdruck erzeugt, der ein zykli sches Einströmen des Abgases der dauerbefeuerten Zylindergruppe 2 in den zweiten Katalysator 7 der unbefeuerten Zylindergruppe 3 bewirkt. Die Kommunikation zwischen den Brennräumen der Zylinder der abgeschalteten Zylindergruppe 3 mit dem Abgasstrang 5 dieser Zylindergruppe wird zweckmäßig dadurch hergestellt, daß die Aus laßventile der abgeschalteten Zylindergruppe 3 in Öffnungsstel lung versetzt sind. Vorteilhaft sind die Einlaßventile hierbei in Schließstellung versetzt, um zu verhindern, daß kühle Frisch luft durch die Zylinder geschleust wird und den zweiten Kataly sator 7 abkühlt.

Weiterhin ist eine Abschalt-Einrichtung 15 vorgesehen, mittels der bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur, insbesondere bei Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators 7, die Un terdruckvorrichtung 11 abgeschaltet wird. In diesem Fall wird das Abgas aus der dauerbefeuerten Zylindergruppe 2 ohne Rückfüh rung ins Freie geleitet.

In Fig. 2 befindet sich die Brennkraftmaschine 1 noch im Teil lastbereich, in welchem die zweite Zylindergruppe 3 noch nicht zugeschaltet ist. Die Abgase der dauerbefeuerten Zylindergruppe 2 werden durch den Abgasstrang 4 und den Katalysator 6 und wei ter in Pfeilrichtung 8 ins Freie geleitet. Der Katalysator 7 der abgeschalteten Zylindergruppe 3 hat bereits seine Betriebstempe ratur erreicht; die Unterdruckvorrichtung 11 wurde von der Ein richtung 15 abgeschaltet, so daß im Abgasstrang 5 der Zylinder gruppe 3 kein Unterdruck erzeugt wird und die Abgase der befeu erten Zylindergruppe 2 ohne Durchströmen des Katalysators 7 nach außen abgeführt werden.

Der Abgasstrom teilt sich nach dem gemeinsamen Rohrabschnitt 9 in zwei Teilströme 19, 20 auf, die die Endabschnitte der Ab gasstränge 4 und 5 durchströmen. Hierdurch kann eine optimale Schalldämpfung erzielt werden.

In Fig. 3 befindet sich die Brennkraftmaschine im Vollast bereich, beide Zylindergruppen 2, 3 werden befeuert. Die Abgase beider Zylindergruppen 2, 3 werden durch die zugehörigen Ab gasstränge 4, 5 und die jeweiligen Katalysatoren 6, 7 geleitet. Die Unterdruckvorrichtung 11 ist abgeschaltet, die Abgase beider Zylindergruppen werden in Strömungsrichtung 8 abgeführt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Brennkraftmaschine 1 mit einer Unterdruckvorrichtung 12 in einer anderen Ausführung. Fig. 4 zeigt die Maschine im Teillastbereich mit eingeschalteter Unter druckvorrichtung 12, so daß im Leitungsabschnitt 10 des Ab gasstranges 5 zwischen der abgeschalteten Zylindergruppe 3 und dem Katalysator 7 ein Unterdruck erzeugt wird und der von der befeuerten Zylindergruppe 2 erzeugte Abgasstrom durch den Ab gasstrang 4., den Katalysator 6 und den Rohrabschnitt 9 zurück in Richtung des Pfeiles 18 durch den Katalysator 7 geleitet wird. Die Unterdruckvorrichtung 12 besteht aus einer Abgas-Rück führleitung 13, die den Abgasstrang 5 der abgeschalteten Zy lindergruppe 3 mit dem Ansaugrohr der befeuerten Zylindergruppe 2 verbindet. In der Abgas-Rückführleitung 13 befindet sich ein Sperrventil 14, das die Rückführleitung 13 absperrt, sobald der Katalysator 7 seine Betriebstemperatur erreicht hat. Das Sperr ventil 14 stellt die Abschalt-Einrichtung für die Unterdruckvor richtung 12 dar. Die Abschalteinrichtung kann in Abhängigkeit der Temperatur des Katalysators im Abgasstrang 5 gesteuert sein, so daß bei Erreichen eines ausreichenden Temperaturniveaus, bei spielsweise einer Betriebstemperatur von ca. 350°C, die Unter druckvorrichtung abgeschaltet wird.

Durch die über die Rückführleitung 13 geschaffene Verbindung zwischen dem Abgasstrang 5 der abgeschalteten Zylindergruppe 3 und dem Ansaugrohr der befeuerten Zylindergruppe 2 wird im Lei tungsabschnitt 10 des Abgasstranges 5 ein Unterdruck erzeugt, der dazu führt, daß zumindest ein Teil des Abgases der dauerbe feuerten Zylindergruppe 2 zurück durch den Katalysator 7 strömt.

In Fig. 5 befindet sich die Brennkraftmaschine 1 noch im Teil lastbereich, jedoch hat der Katalysator 7 bereits seine Betrieb stemperatur erreicht und die Unterdruck-Vorrichtung 12 ist abge schaltet worden, indem das Sperrventil 14 in seine Schließstel lung versetzt wurde und dadurch die Kommunikation zwischen dem Abgasstrang 5 und dem Ansaugrohr der ersten Zylindergruppe 2 un terbrochen wurde.

Fig. 6 zeigt die Brennkraftmaschine im Vollastbereich, in wel chem beide Zylindergruppen 2, 3 befeuert werden und die Abgase durch die Abgasstränge 4, 5 und die Katalysatoren 6, 7 abgeführt werden. Das Sperrventil 14 befindet sich im Vollastbereich in Schließstellung, die Unterdruck-Vorrichtung 12 ist abgeschaltet.

Claims

1. Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen (2, 3), die jeweils einen Abgasstrang (4, 5) mit mindestens je einem Katalysator (6, 7) aufwei sen, wobei eine Zylindergruppe (3) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) abschaltbar ist, und die Abgas stränge (4, 5) in Strömungsrichtung (8) hinter parallelen Katalysatoren (6, 7) über einen Rohrabschnitt (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungsabschnitt (10) des Abgasstranges (5) der abschaltbaren Zylindergruppe (3), der dem zugehörigen Katalysator (7) vorgeschaltet ist, im Teillastbetrieb von einer Unterdruckvorrichtung (11, 12) beaufschlagbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschalt-Einrichtung (14, 15) vorgesehen ist, mittels der bei Erreichen einer vorbe stimmten Temperatur die Unterdruckvorrichtung (11, 12) ab schaltbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckvorrichtung (11) durch die mitbewegten Kolben der abgeschalteten Zylindergrup pe (3) gebildet ist, wobei die Brennräume der Zylinder mit dem Abgasstrang (5) dieser Zylindergruppe (3) kommunizieren.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventile der Zylinder der abgeschalteten Zylindergruppe (3) in Öffnungsstellung und die Einlaßventile in Schließstellung versetzt sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckvorrichtung (12) eine Abgas-Rückführleitung (13) umfaßt, die den Abgasstrang (5) der abschaltbaren Zylindergruppe (3) mit dem Ansaugrohr der befeuerten Zylindergruppe (2) verbindet.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung ein Sperrventil (14) ist, das in der Abgas-Rückführleitung (13) angeordnet ist.