DE10025640B4

DE10025640B4 - Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung

Info

Publication number: DE10025640B4
Application number: DE10025640A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Prenninger; Reinhard Knoll; Michael Frings
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: AT3753U1; US6363721B1; DE10025640A1

Abstract

Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit einem vorzugsweise mit einer Abgasturbine (13) verbundenen Verdichter (5) in einem Einlaßströmungsweg (4) zur Komprimierung der Ansaugluft, mit einer zu einem Einlaßsammler (8) führenden Ladeluftleitung (7), wobei der Verdichter (5) zumindest während der Startphase der Brennkraftmaschine unabhängig von dieser betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß vom Einlaßsammler (8) eine über ein Ventil (17) steuerbare Luftrückführleitung (16) ausgeht, welche stromaufwärts des Verdichters (5) in den Einlaßströmungsweg (4) einmündet, wobei Ladeluftleitung (7) und Luftrückführleitung (16) einen Kreislauf (22) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit einem vorzugsweise mit einer Abgasturbine verbundenen Verdichter in einen Einlaßströmungsweg zur Komprimierung der Ansaugluft, mit einer zu einem Einlaßsammler führenden Ladeluftleitung, wobei der Verdichter zumindest während der Startphase der Brennkraftmaschine unabhängig von dieser betreibbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfrischung ein Verfahren zum Starten einer Solchen Brennkraftmaschine.
Absenkung des Verdichtungsverhältnis kann besonders bei Diesel-Brennkraftmaschinen das Gewicht des Motors reduziert werden, da eine leichtere Kurbelwelle und kleiner dimensionierte Kurbeiwellenlager verwendet werden können. Allerdings reicht insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit niedrigem Verdichtungsverhältnis im Zylinder die daraus resultierende geringe Verdichtungsendtemperatur während des Anlaßvorganges bei niedrigen Außentemperaturen nicht aus, um die zur Selbstentzündung des Diesel-Luft-Gemisches erforderliche Temperatur zu erreichen. Durch Vorwärmen der Verbrennungsluft unmittelbar vor und während des Anlaufvorganges kann dieser Nachteil ausgeglichen werden.
Zur Vorwärmung der Verbrennungsluft kommen mehrere Starthilfemaßnahmen in Betracht. Man kann einerseits die benötigte Zündtemperatur des Kraftstoffes lokal im Brennraum durch eine Wärmequelle, z.B. mit einem Glühstift, erzeugen oder man kann die Ansaugluft vorwärmen, z.B. mittels einer Flammstartanlage oder durch Einbringung elektrischer Energie in einen Heizflansch. Weiters können leicht flüchtige Zündbeschleuniger oder Zündverbesserer in flüssiger oder gasförmiger Form eingebracht werden, was abgesehen von den erforderlichen zusätzlichen Dosiereinrichtungen den Nachteil hat, daß ein weiteres Medium bereitgestellt werden muß.
Gegen einen Heizflansch spricht, daß bei Temperaturen unterhalb von 0°C der Aufheizprozeß durchaus mehr als eine Minute in Anspruch nehmen kann, was nicht nur zeitintensiv sondern auch energieintensiv ist. Hierbei wird nämlich nicht nur die Luft erhitzt, sondern vorab auch die Wärmetauscherflächen, die aus Metall sind und eine wesentlich höhere Wärmekapazität besitzen als Luft. Die Wärmetauscherflächen müssen überdies sehr engmaschig sein, um einen guten Wärmeübergang vom Heizflansch zur Luft zu gewährleisten, was zwangsläufg die Luftströmung während des Motorbetriebes behindert. Glühstifte erfordern zusätzlichen Bauraum im Zylinderkopf, welcher nicht immer verfügbar ist.
Für aufgeladene Dieselmotoren bietet sich als Alternative an, den Verdichter für die Ladeluft während der Startphase mittels eines zusätzlichen Antriebes zu betreiben und durch Kompression der Ansaugluft eine Vorwärmung der Zylinder zu bewirken. Aus der US 5,704,323 A ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader bekannt, welcher während der Startphase zur Erhöhung der Ansauglufttemperatur elektrisch angetrieben wird. Dabei wird die bei Umgebungstemperatur angesaugte Luft komprimiert und direkt über die Einlaßventile in die Zylinder eingebracht. Insbesondere bei niedrigem Verdichtungsverhältnis und tiefen Umgebungstemperaturen ist aber trotzdem eine relativ lange Aufwärmzeit erforderlich.
Aus der DE 37 21 522 A1 oder GB 2 163 483 A ist es bekannt, die Verdichterausgangsseite über eine über ein Ventil steuerbare Luftrückführleitung zu verbinden, um den Ladedruck des Verdichters zu steuern. Die DE 14 51 898 A beschreibt eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbine, wobei stromabwärts des Verdichters ein Regelorgan in der Ladeluftleitung angeordnet ist, welches den Verdichterausgang während der Anlaufphase mit dem Atmosphärendruck verbindet, um die Anlaufphase des Ladegebläses zu verkürzen. Bei diesen bekannten Einrichtungen ist der Verdichter allerdings während der Startphase nicht unabhängig von der Brennkraftmaschine betreibbar, weshalb die Aufwärmzeit bei tiefen Umgebungstemperaturen nicht wesentlich verkürzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise das Startverhalten von Brennkraftmaschinen, insbesondere von selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit niedrigem Verdichtungsverhältnis, zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß vom Einlaßsammler eine über ein Ventil steuerbare Luftrückführleitung ausgeht, welche stromaufwärts des Verdichters in den Einlaßströmungsweg einmündet, wobei Ladeluftleitung und Luftrückführleitung einen Kreislauf bilden. Die bei Umgebungsdruck und Temperatur vorliegende Luft wird im Verdichter verdichtet. Die Luft verläßt den Einlaßsammler über die Luftrückführleitung und wird wieder auf Umgebungsdruck entspannt und zur Ansaugseite des Verdichters zurückgeführt, welcher während der Startphase elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben wird.
Über eine Drossel in der Luftrückführleitung wird die den Einlaßsammler verlassende Luft wieder auf den Umgebungsdruck entspannt. Auf die Drossel kann allerdings verzichtet werden, wenn die Luftrückführleitung hinsichtlich Durchmesser und Oberflächenrauhigkeit so ausgeführt ist, daß sich dieselbe Drosselwirkung ergibt.
Aus thermodynamischer Sicht erfolgt die Lufterwärmung in zwei Schritten. Im ersten Schritt wandelt der Verdichter elektrische Energie in Druckenergie um. Im zweiten Schritt wird in der Drossel die Druckenergie in eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und teilweise in Reibungswärme umgesetzt. Der Verdichtungs-Entspannungs-Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden. Außerdem gewährleistet das Umwälzen der Luft, daß alle Bereiche des Einlaßsammlers erwärmt werden.
Ist ein Ladeluftkühler in der Ladeluftleitung angeordnet, so ist in weiterer Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß der Ladeluftkühler über eine Bypassleitung umgehbar ist. Dadurch wird eine Abkühlung der Ladeluft und somit des Einlaßsammlers verhindert.
Um das Einströmen von kalter Luft in die Zylinder zu verhindern, ist es vorteilhaft, während der Startphase die Einlaßventile der Brennkraftmaschine geschlossen gehalten werden. Ein Schließen der Einlaßventile während der Startphase kann insbesondere mit einer variablen Ventilbetätigungseinrichtung durchgeführt werden. Ist keine variable Ventilbetätigungseinrichtung möglich, so verlängert sich die Aufwärmzeit.
Während des Anlaufvorganges des Verdichters entsteht vor diesem ein Unterdruck. Um diesen Unterdruck auszugleichen, ist vorgesehen, daß zumindest am Beginn der Startphase der Kreislauf im Bereich der Saugseite des Verdichters mit Umgebungsdruck beaufschlagt wird.
Durch die in den Kreislauf einströmende Luft kann der Unterdruck vor dem Verdichter ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 und 2 verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung. Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern 1 mit einem Einlaßsystem 2 und einem Auslaßsystem 3. Im Einlaßströmungsweg 4 des Einlaßsystems 2 ist der Verdichter 5 eines Abgasturboladers 6 angeordnet. Die Ladeluftleitung 7 des Einlaßsystemes 2 mündet in einen Einlaßsammler 8, wobei in der Ladeluftleitung 7 ein Ladeluftkühler 9 angeordnet sein kann. Der Einlaßsammler 8 ist über Einlaßkanäle 10 mit den Zylindern 1 verbunden. Von den Zylindern 1 ausgehende Auslaßströmungswege 11 füheren über ein Abgasrohr 12 zur Abgasturbine 13 des Abgasturboladers 6 und über den Katalysator 14 sowie nicht weiter dargestellte Schalldämpfer in die Umgebung.
Der Verdichter 5 kann in der Startphase über einen Elektromotor 15 unabhängig von der Brennkraftmaschine zur Durchführung einer turboelektrischen Luftvorwärmung angetrieben werden. Der von der Brennkraftmaschine unabhängige Antrieb kann aber auch durch einen Hydraulik- oder Pneumatikmotor gebildet werden.
Vom Einlaßsammler 8 geht weiters eine Luftrückführleitung 16 aus, welche stromaufwärts des Verdichters 5 in den Einlaßströmungsweg 4 einmündet. In der Luftrückführleitung 16 ist ein Schaltventil 17 und eine Drossel 18 angeordnet. Der Ladeluftkühler 9 kann über eine Bypassleitung 19 umgangen werden.
Während des Startvorganges wird durch Umschalten des Ventiles 20 die Strömung in die Bypassleitung 19 gelenkt. Weiters wird das Ventil 17 der Ladeluftrückführleitung 16 geöffnet. Die bei Umgebungsdruck p₀ und Umgebungstemperatur vorliegende Luft wird über den Luftfilter 21 durch den Verdichter 5 angesaugt und verdichtet. Unter Umgehung des Ladeluftkühler 9 strömt die Luft durch die Bypassleitung 19 in den Einlaßsammler 8 ein. Um das Einströmen von relativ kalter Luft in die Zylinder 1 zu verhindern, werden die nicht weiter dargestellten Einlaßventile zu den Zylindern 1 durch eine variable Ventilbetätigungseinrichtung geschlossen gehalten. Falls dies nicht möglich ist, verlängert sich die Aufwärmzeit. Die Luft verläßt den Einlaßsammler 8 über die Luftrückführleitung 16, in welcher die Drossel 18 angeordnet ist. In der Drossel 18 wird die Luft auf Umgebungsdruck entspannt und anschließend wieder in den Einlaßströmungsweg 4 zum Verdichter 5 zurückgeführt. Es entsteht somit ein im wesentlichen geschlossener Luftkreislauf 22.
Aus thermodynamischer Sicht erfolgt die Lufterwärmung in diesem System in zwei Schritten. Im ersten Schritt wandelt der Verdichter 5 Antriebsenergie in Druckenergie um. Im zweiten Schritt wird in der Drossel 18 die Druckenergie in eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und teilweise in Reibungswärme umgesetzt. Der Verdichtungs-Entspannungs-Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden, außerdem gewährleistet das Umwälzen der Luft, das alle Bereiche des Einlaßsammlers 8 erwärmt werden.
Während des Anlaufvorganges des Verdichters 5 entsteht auf dessen Saugseite ein Unterdruck. Um den Unterdruck auszugleichen, wird die Saugseite des Verdichters 5 über den Einlaßstutzen 23 und den Luftfilter 21 mit Umgebungsdruck p₀ beaufschlagt, so daß Luft in den Kreislauf 22 einströmen kann.
Wie bereits erwähnt, dient die Drossel 18 zur Entspannung der Luft auf Umgebungsdruck p₀. Auf die Drossel 18 kann allerdings verzichtet werden, wenn die Luftrückführleitung 16 hinsichtlich Durchmesser und Oberflächenrauhigkeit entsprechend ausgeführt ist, daß sich dieselbe Drosselwirkung ergibt.
Der Vorwärmvorgang endet, sobald die gewünschte Vorwärmtemperatur im Einlaßsammler 8 bzw. im gesamten Vorwärmekreislauf erreicht ist. Die Luftrückführleitung 16 wird sodann über das Ventil 17 verschlossen, statt dessen werden die Einlaßventile gemäß der Zylinderzündfolge geöffnet und die Brennkraftmaschine über einen nicht weiter dargestellten Startermotor angelassen.
Die in der 2 dargestellte Ausführung unterschiedet sich im wesentlichen von 1 dadurch, daß der Verdichter 5 nicht über eine Abgasturbine, sondern mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. In der Startphase wird – wie bei der Brennkraftmaschine nach 1 der Verdichter 5 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch unabhängig von der Brennkraftmaschine angetrieben. Um einen Brennkraftmaschinen unabhängigen Antrieb zu ermöglichen, ist der Verdichter 5 flexibel, beispielsweise über einen Freilauf mit der Kurbelwelle oder einen von dieser angetriebenen Welle verbunden. Der Startvorgang verläuft analog zu der vorigen Ausführung. Beide Varianten können mit und ohne Ladeluftkühler 9 ausgeführt sein.
Da die Lufterwärmung im Einlaßsammler 8 nicht auf Konvektion beruht, sind keine Wärmetauscherflächen nötig, welche die Rohrströmung behindern würden und außerdem vorab mitbeheizt werden müßten.
Das beschriebene Luftvorwärmsystem ermöglicht es, Brennkraftmaschinen mit einem niedrigeren effektiven Verdichtungsverhältnis ohne weitere aufwendige externe Aufwärmeinrichtungen in sehr kurzer Zeit anzulassen. Durch das verwirklichbare niedrige effektive Verdichtungsverhältnis entsteht in der Brennkarnmer ein niedrigerer Spitzendruck und eine niedrigere Spitzentemperatur. Dadurch ist es möglich eine leichtere Kurbelwelle und eventuell kleinere Kurbelwellenlager einzusetzen, wodurch sich die Motorreibung reduzieren bzw. bei gleicher Dimensionierung eine höhere Leistungsdichte erzielen läßt. Das Luftvorwärmsystem eignet sich für sowohl für Saugmotoren, als auch für aufgeladene Motoren, mit oder ohne Zwischenkühlung.

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit einem vorzugsweise mit einer Abgasturbine (13) verbundenen Verdichter (5) in einem Einlaßströmungsweg (4) zur Komprimierung der Ansaugluft, mit einer zu einem Einlaßsammler (8) führenden Ladeluftleitung (7), wobei der Verdichter (5) zumindest während der Startphase der Brennkraftmaschine unabhängig von dieser betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß vom Einlaßsammler (8) eine über ein Ventil (17) steuerbare Luftrückführleitung (16) ausgeht, welche stromaufwärts des Verdichters (5) in den Einlaßströmungsweg (4) einmündet, wobei Ladeluftleitung (7) und Luftrückführleitung (16) einen Kreislauf (22) bilden.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einen in der Ladeluftleitung (7) angeordneten Ladeluftkühler (9), dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (9) über eine Bypassleitung (19) umgehbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftrückführleitung (16) eine Drossel (18) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (5) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch antreibbar ist.
Verfahren zum Starten einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Startphase die Strömungsverbindung über die Luftrückführleitung (16) zwischen Einlaßsammler (8) und der Ansaugseite des Verdichters (5) freigegeben wird und der Verdichter (5) unabhängig von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, so daß die Luft in der Ladeluftleitung (7), dem Einlaßsammler (8), der Luftrückführleitung (16) und dem Verdichter (5) im Kreis gefordert wird, und daß nach Beendigung der Startphase die Luftrückführleitung (16) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Startphase die Einlaßventile und/oder die Auslaßventile der Brennkraftmaschine geschlossen gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, mit einem Ladeluftkühler (9) in der Ladeluftleitung (7), dadurch gekennzeichnet, daß während der Startphase der Ladeluftkühler (9) über eine Bypassleitung (19) umgangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest am Beginn der Startphase der Kreislauf (22) im Bereich der Saugseite des Verdichters (5) mit Umgebungsdruck (p₀) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (5) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben wird.