DE4243965A1 - Flammglühanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammglühanlage zum Erwär­ men der Verbrennungsluft für eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere eine Brennkraftmaschine, nach dem Gattungsbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Flammglühanlage, die beispielsweise aus der DE 33 42 865 C2 oder der DE 40 32 758 A1 bekannt ist, dient beispielsweise als Kaltstarthilfe für die Verbren­ nungseinrichtung und insbesondere zur Vorwärmung der Ansaug- und Ladeluft von Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren sowie zur Unterdrückung von Rauch im Abgas während und nach der Startphase.

Bei der aus der DE 33 42 865 C2 bekannten Flammglühanlage ist als Steuereinrichtung ein Schaltgerät vorgesehen, mit dem das Heizelement der Flammglühkerze schnell aufgeheizt und anschließend mit verminderter Heizleistung weiter be­ trieben wird, was durch einen Taktbetrieb mit vorgegebenem Impuls-Pausen-Verhältnis erreicht wird. Die Steuerung er­ folgt dabei über einen Temperaturschalter oder einen Zeit­ schalter.

Bei der aus der DE 40 32 758 A1 bekannten Flammglüh­ anlage ist die Steuereinrichtung weiterhin so ausgebildet, daß die Flammglühkerze sowohl mit Strom als auch mit Kraft­ stoff getaktet versorgt wird.

Bei derartigen Flammglühanlagen ist es erwünscht, daß die Aufbereitung des Kraftstoffluftgemisches für die Flamm­ glühkerze optimal über den gesamten Lastbereich der Verbren­ nungseinrichtung, insbesondere den gesamten Last- und Dreh­ zahlbereich der Brennkraftmaschine erfolgt. Diese optimale Aufbereitung des Gemisches ist jedoch bei den bekannten Flammglühanlagen nicht gegeben, da die Betriebsverhältnisse der zugehörigen Verbrennungseinrichtung nicht genügend be­ rücksichtigt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Flammglühanlage nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß das Luftkraft­ stoffgemisch der Flammglühkerze stets den jeweils herrschen­ den Betriebsbedingungen der Verbrennungseinrichtung ent­ spricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Aus­ bildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der erfindungsgemäßen Flammglühanlage sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 8.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Flammglühanlage beschrieben.

Die einzige Figur zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flammglühanlage in einem schematischen Diagramm.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flammglühanlage dient zum Erwärmen von Luft im Luftansaugkanal 6 einer Brennkraftmaschine, insbe­ sondere eines Dieselmotors.

Im Luftansaugkanal 6 ist eine Flammglühkerze 1 angeord­ net, die über eine Einspritzpumpe 2 und ein Steuergerät 3 mit Kraftstoff sowie mit Strom versorgt wird. In der Flamm­ glühkerze 1 wird der zugeführte Kraftstoff mit Luft ge­ mischt, die in die Flammglühkerze 1 über Löcher in einem Schutzrohr eintritt, mit dem die Flammglühkerze 1 im Luft­ ansaugkanal 6 angeordnet ist. Aufgrund der Stromversorgung des Heiz- oder Glühelementes der Flammglühkerze 1 wird die­ ses Gemisch gezündet, so daß sich eine Flamme bildet, die die Luft im Luftansaugkanal 6 erwärmt.

Auf der Anströmseite der zu erwärmenden Luft im Ansaug­ kanal 6 ist ein Luftstrommesser, insbesondere ein Luftge­ schwindigkeits- oder Luftmengenmesser 5 angeordnet, dessen Ausgangssignal am Steuergerät 3 liegt. Das Steuergerät 3 steuert die Kraftstoffversorgung der Flammglühkerze 1 nach Maßgabe der Luftmenge/geschwindigkeit im Luftansaugkanal 6, die ihm vom Luftstrommesser 5 gemeldet wird. In dieser Weise wird eine für die Flammglühkerze passende Kraftstoffmenge der abgezweigten und in die Flammglühkerze 1 eintretenden Luftmenge zudosiert, was beispielsweise durch eine Plunger­ pumpe erreicht werden kann, deren Taktfrequenz passend zur Luftmenge verändert wird. Dabei wird pro Arbeitshub eine konstante Kraftstoffmenge gefördert und wird die Taktfre­ quenz über den Luftstrommesser gesteuert. Dadurch wird die Kraftstoffördermenge weitgehend unabhängig vom Kraftstoff­ vordruck im Versorgungssystem und können extreme Druckspit­ zen leichter beherrscht werden. Die Messung der Luftge­ schwindigkeit kann in verschiedener Weise erfolgen. Es kann eine Stauscheibe verwandt werden, die bei steigender Luftge­ schwindigkeit eine Winkelbewegung ausführt. Diese Winkelbe­ wegung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das vom Steuergerät in die Taktfrequenz für die Kraftstofförderpumpe umgewandelt wird. Es kann auch ein Hitzdrahtwiderstandsmeß­ verfahren angewandt werden. Dabei wird ein mit konstantem Strom beheizter Hitzdraht der Luftströmung ausgesetzt, die eine Abkühlung des Hitzdrahtes und damit eine Senkung des Drahtwiderstandes bewirkt, der als Maß für die Luftmenge herangezogen werden kann. Besonders geeignet ist die Ver­ wendung eines Drucksensors, der den Absolutdruck innerhalb des Luftkanals erfaßt, wobei über das Drucksignal eine Aus­ sage über die Luftgeschwindigkeit möglich ist. In dieser Weise ist es möglich, die Kraftstoffmenge der jeweiligen Luftmenge so anzupassen, daß eine optimale Verbrennung er­ reicht wird, die auch bei stark erhöhter Luftgeschwindigkeit im Motorbetrieb nicht zu einem Flammenabriß führt.

Was die Stromversorgung der Flammglühkerze 1 durch das Steuergerät 3 anbetrifft, so wird bei Betriebsbeginn zu­ nächst mit einer mehrfachen Überlast vorgeglüht, wobei die erforderliche Energie unter Berücksichtigung der elektri­ schen Betriebsparameter der Verbrennungseinrichtung, bei­ spielsweise der Bordspannung durch eine entsprechende Wahl der Höhe des Heizstromes und der Vorglühzeit zugeteilt wird. Anschließend erfolgt eine Abregelung nach einem vorgegebenen Kennfeld, wobei wiederum die Bordspannung, aber auch der Ladezustand der Batterie, die Belastung durch andere Ver­ braucher usw. berücksichtigt werden, um bei einer Versorgung mit Stromimpulsen das richtige Impuls-Pausen-Verhältnis für die getaktete Stromversorgung vorzugeben.

Die elektrische Heizenergie für die Kraftstoffverdamp­ fung in der Flammglühkerze 1 entspricht der durchgesetzten Kraftstoffmenge bis zu einer maximal verträglichen Heizener­ gie, um eine Beschädigung des Heizelementes zu vermeiden. Diese maximal verträgliche Heizenergie ist dann erreicht, wenn im Heizelement das Temperaturgefälle von innen nach außen zu groß wird und die Heiz- und Regelwendeln im Heizel­ ement der Flammglühkerze 1 zur Überhitzung neigen.

In der Flammglühkerze 1 wird der Kraftstoff dann ver­ dampft und mit der eintretenden Luft vermischt, wobei sich aufgrund der o.a. Steuerung ein zündfähiges Gemisch mit hoher Flammausbreitungsgeschwindigkeit ergibt, dessen Ge­ mischverhältnisse für alle Last- und Drehzahlbereiche opti­ mal ist. Wenn der Luftstrommesser 5 im Luftansaugkanal be­ wegte Luft meldet, dann wird die Heizleistung der Flammglüh­ kerze 1 durch das Steuergerät 3 in geeigneter Weise erhöht, damit der dazu passend zugeführte Kraftstoff auch aufberei­ tet werden kann und die Wärmeabführung durch die bewegte Luft ausgeglichen wird. Diese Erhöhung der Heizleistung erfolgt wiederum bis die für das Heizelement kritische Heiz­ leistung erreicht ist.

Die Ausbildung kann derart sein, daß der Kraftstoff proportional zur Luftmenge, zur Luftgeschwindigkeit oder dem absoluten Staudruck mit separater Pumpe zugeführt wird, wozu eine kontinuierlich fördernde Pumpe mit proportional zur Luftmenge erzeugtem Kraftstoffdruck, eine proportional zur Luftmenge fördernde Pumpe mit variabler Antriebsdrehzahl oder eine Plungerpumpe vorgesehen sein, die zwar stoßweise fördert, die aber mit Einrichtungen zur Vergleichmäßigung des Kraftstoffabflusses versehen ist.

Die Heizenergie kann gleichfalls kontinuierlich zuge­ führt werden, indem bei der Kraftstoffzuführung die Heizlei­ stung durch Selbstregelung angepaßt wird und in der Flamm­ glühkerze ein Regeldraht mit Temperatursprungcharakteristik vorgesehen wird, der vom Kraftstoff abgekühlt wird und zu einer höheren Heizleistung führt. Dem Heizelement in der Flammglühkerze 1 kann auch ein elektrisch vorgeschaltetes abgestimmtes PTC-Element, d. h. ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten vorgeschaltet sein, das ohne Kraftstoffdurchfluß langsam heiß wird und als Vorwider­ stand dient. Mit Kraftstoffdurchfluß wird dieses Element entsprechend abgekühlt, so daß es niederohmiger wird und eine größere Heizleistung am Heizelement der Flammglühkerze 1 zuläßt, die zur Verdampfung des zugeführten Kraftstoffes notwendig ist.

Vorzugsweise weist die Flammglühkerze 1 zwei oder mehr Heizelemente auf, die nach einem schnellen Vorglühen impuls­ weise mit Heizenergie versorgt werden, derart, daß sich die Stromimpulse zeitlich lückenlos aneinanderreihen und die Heizenergieversorgung in Heizstufen erfolgt, in denen z. B. bei drei Heizelementen jeweils kein Heizelement, ein Heizel­ ement, zwei Heizelemente oder alle drei Heizelemente wech­ selweise oder gleichzeitig mit Strom versorgt werden.

Es ist weiterhin bevorzugt, die Flammhaltung durch ein katalytisch wirkendes Element in der Flamme zu unterstützen. Dieses Element ist im Bereich der Flammaustrittsöffnung angeordnet und in der Zeichnung nicht dargestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Flammglühanlage ist somit ein Luftstrommesser 5 im Ansaugkanal 6 als Sensor vorgesehen, nach dessen Ausgangssignalen die Kraftstoffmenge und die elektrische Heizenergie der Flammglühkerze 1 durch das Steu­ ergerät 3 zugeteilt wird. Statt der Verwendung einer Plun­ gerpumpe, deren Taktfrequenz proportional zur Luftmenge gefahren wird, um die Kraftstoffmenge proportional zur Luft­ menge zuzuführen, wie es oben beschrieben wurde, ist auch mit einer Drossel und mit einem zur Luftmenge proportionalen Kraftstoffdruck eine derartige Kraftstoffversorgung erreich­ bar. Es kann auch eine proportional zur Luftmenge einstell­ bare Düse vorzugsweise mit in etwa konstantem Kraftstoff­ druck vorgesehen sein.

Im Betrieb der Flammglühanlage wird das oder werden die elektrisch beheizten Heizelemente in der Flammglühkerze 1 zur Kraftstoffaufbereitung mit Strom versorgt, wobei zu­ nächst mit mehrfacher elektrischer Überlast, d. h. möglichst schnell aufgeheizt wird und zwar unter Berücksichtigung des Zustandes des Bordnetzes und dann die Energiezufuhr, bei­ spielsweise über ein variables Impuls-Pausen-Verhältnis des Stromtaktes reduziert wird. Sobald Kraftstoff zugeführt wird, wird über ein neu angepaßtes variables Impuls-Pausen- Verhältnis die jeweils erforderliche Heizenergie in Abhän­ gigkeit von der zugeführten Kraftstoffmenge zugeteilt. Die Zuteilung kann als Kennfeld in einem elektronischen Speicher angelegt sein.

Bordnetzschwankungen können durch Änderung des Impuls- Pausen-Verhältnisses kompensiert werden. Bei mehreren Hei­ zelementen kann Stromschwankungen bei der impulsförmigen Heizenergieversorgung dadurch entgegengewirkt werden, daß sich die Stromimpulse der Heizelemente zeitlich lückenlos aneinanderreihen.

Es wird ein stöchiometrisches Luftkraftstoffgemisch in der Flammglühkerze 1 mit hoher Flammausbreitungsgeschwindig­ keit angestrebt, das über den Luftstrommesser 5 und die zugehörige Kraftstoffversorgung, beispielsweise die Takt­ frequenz einer Plungerpumpe gesteuert wird. Da eine zur durchgesetzten Luftmenge passende Kraftstoffmenge zudosiert wird, ist nach Zündung des Luftkraftstoffgemisches eine maximale Flammausbreitungsgeschwindigkeit bis zu einer vor­ gegebenen oberen Luftmenge sichergestellt. Die Heizenergie für das Heizelement der Flammglühkerze 1 wird über die Mes­ sung der Luftmenge so zugeteilt, daß das Heizelement der Flammglühkerze 1 nicht beschädigt wird.

Die erfindungsgemäße Flammglühanlage hat den zusätzli­ chen Vorteil, daß die durchsetzbare Kraftstoffmenge höher ist, so daß sich weitere Anwendungsfälle erschließen, d. h. die Flammglühanlage auch beispielsweise für großvolumige LKW-Motoren einsetzbar ist.

Claims (8)

1. Flammglühanlage zum Erwärmen der Verbrennungsluft für eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere eine Brenn­ kraftmaschine, mit einer Flammglühkerze, die im Luftkanal der Verbrennungseinrichtung angeordnet ist, einer Stromver­ sorgungseinrichtung für die Flammglühkerze, einer Kraft­ stoffversorgungseinrichtung für die Flammglühkerze und einer Steuereinrichtung für die Strom- und Kraftstoffversorgung der Flammglühkerze, gekennzeichnet durch eine Luftstrommeß­ einrichtung (5) im Luftkanal (6), auf die die Steuereinrich­ tung (3) anspricht und die Kraftstoffversorgung der Flamm­ glühkerze (1) entsprechend steuert.

2. Flammglühanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) die Stromversorgung in Abhängigkeit von der Kraftstoffversorgung steuert.

3. Flammglühanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) die Stromversorgung erhöht, wenn die Luftstrommeßeinrichtung (5) bewegte Luft im Luftkanal (6) feststellt.

4. Flammglühanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Stromversorgung unter Einbeziehung von Parametern der Ver­ brennungseinrichtung erfolgt, die den Zustand der elektri­ schen Versorgung der Verbrennungseinrichtung angeben.

5. Flammglühanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizstromversorgung der Flammglühkerze (1) durch eine Regelwendel selbstgeregelt wird, die in der Flammglühkerze (1) angeordnet ist und aus einem Material mit Temperatursprungcharakteristik besteht.

6. Flammglühanlage nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeich­ net durch ein Widerstandselement mit positivem Temperaturko­ effizienten, das dem Heizelement in der Flammglühkerze (1) vorgeschaltet ist und einen proportionalen Verlauf seines Widerstandes gegenüber der Temperatur hat.

7. Flammglühanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flammglühkerze zwei oder mehr Heizelemente vorgesehen sind, die mit Strom­ impulsen versorgt werden, die sich zeitlich lückenlos anein­ anderreihen, und die einzeln oder in Gruppen in verschiede­ nen Heizstufen mit Strom versorgt werden.

8. Flammglühanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch ein katalytisch wirkendes Element, das im Flammbereich der Flammglühkerze (1) angeord­ net ist.