DE4411959A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vorwärmung der Ansaugluft einer Diesel-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft einer Diesel-Brennkraft­ maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein mit dieser Vorrichtung durchführbares Ver­ fahren.

Es ist bereits bekannt, daß das Verdichtungsver­ hältnis einer Diesel-Brennkraftmaschine gesenkt werden kann, wenn für den Start die Ansaugluft vor­ gewärmt wird. Aus der DE-A1 15 76 227 beispiels­ weise ist hierfür eine Ausführungsvariante entnehm­ bar, von der es heißt, daß die Anwärmmittel von ei­ nem Brenner gebildet sein können, welcher unmittel­ bar Luft in einem Wärmetauscher erwärmt, wobei die Brennerabgase die Ansaugluft beladen, was nicht nachteilig ist, da die Ansaugluft beim Starten überreichlich vorhanden ist gegenüber dem einge­ spritzten Brennstoff.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei dieser Ausfüh­ rungsvariante bei modernen Fahrzeug-Motoren, bei denen eine den Fahrsituationen angepaßte hohe Dyna­ mik der Leistungsabgabe erforderlich ist, der Nach­ teil auftritt, daß der Brenner ausgeblasen wird.

Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindungsaufga­ be, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart aus­ zubilden, daß mit ihr eine Vorwärmung der Diesel- Ansaugluft erreichbar wird, wobei in Verbindung mit einem neuen Verfahren zum Betreiben dieser Vor­ richtung eine Verkürzung der Brennkraftmaschinen­ startzeit, eine sichere Funktion der Vorrichtung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und über lange Laufstrecken/-zeiten, bei An­ wendung/Einsatz der Brennkraftmaschinen in einem Fahrzeug, erzielt werden sollen.

Diese Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 hinsichtlich der Vorrichtung ange­ gebenen Merkmalen und mit den im Kennzeichen des Anspruchs 12 hinsichtlich des Verfahrens angegebe­ nen Merkmalen gelöst worden.

Mit der Erfindung sind folgende Vorteile erreichbar geworden:

• - drastische Verkürzung der Startzeit der Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen,
• - sichere Funktion der Vorrichtung bei Voll­ gasstoß bis in die Drehzahlbegrenzung, Startmöglichkeit der Vorrichtung bei laufendem Motor im gesamten erforderlichen Kennfeldbereich,
• - Verbesserung des Verbrennungsablaufes bei Brennkraftmaschinen-Kaltlauf, insbesondere bei nie­ drigen Umgebungstemperaturen, und damit starke Ver­ besserung der Abgasemission und Verringerung des Brenngeräusches.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend be­ schrieben.

Diese zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung am Beispiel einer V8-Zyl.-Brennkraftmaschine 1. Eine Brennkammer 2 ist an einem Sammelrohr 3 eines Luft­ ansaugsystems 4 angeordnet. Die Brennkammer 2 wird vorzugsweise durch einen zylindrischen Einsatz ge­ bildet, der mit einem Ende in das Sammelrohr 3 hin­ einragt und an diesem Ende offen ist. Dadurch wird die Brennkammer 2 von der Ansaugluftströmung in ge­ wissem Maße abgeschirmt. Die Wandung der Brennkam­ mer 2 wird auf seiner Anströmseite 5 vorzugsweise etwas tiefer in das Sammelrohr 3 eingeführt, wo­ durch erreicht wird, daß das Brenngemisch im Wind­ schatten der angeströmten Brennkammerwand austreten kann. Dadurch wird direkt am Brennkammeraustritt eine zu intensive Vermischung des Brenngemisches mit dem Ansaugluftstrom vermieden und ein gutes Ausbrennen der Flamme ermöglicht. Dies kann bei ei­ ner im Gegensatz zur Darstellung senkrecht zum Sam­ melrohr 3 angeordneten Brennkammer 2 durch eine entsprechend schräg abgeschnittene Austrittsöffnung erreicht werden. Die Brennkammer 2 beinhaltet eine Brennerdüse 6, die einen definierten Austrittsquer­ schnitt für im wesentlich mit geringem Überdruck Zuge leiteten Brennstoff sowie für von einer Druck­ quelle 7 zugeführte Zerstäubungsluft aufweist und eine Hochspannungs-Zündfunkenstrecke 8 im Bereich des Sprühkegels 9 der Brennerdüse 6.

Eine die Hochspannungs-Funkenstrecke aufweisende Zündelektrode 10 wird über ein Hochspannungskabel 11 von einem Zündmodul 12 angesteuert. Das Zündmo­ dul 12 wird von einem elektronischen Steuergerät 13 angesteuert und generiert die erforderliche Zünd­ energie mit einer Zündfunkenfolge von z. B. 50-100 Hz. Durch intelligente Auswertung des Span­ nungsverlaufes auf der Primärseite des Zündmoduls 12 ist während der Zündphase eine Diagnose der Zündfunktion und während der Brennphase eine Flamm­ diagnose möglich.

Die Brennerdüse 6 wird von einem Brennstoffregler 14 mit Brennstoff versorgt, wobei der Abstand zwi­ schen Brennerdüse 6 und Brennstoffregler 14 so groß gewählt ist, daß keine Temperatureinwirkung des Brennersystems auf den Brennstoffregler 14 erfolgt.

Die Zerstäubung der vom Brennstoffregler 14 zuge­ messenen Brennstoffmenge erfolgt mittels Druckluft vor der Mündung der Brennerdüse 6 (äußere Gemischbildung). Das von der Brennerdüse 6 erzeugte Brennstoff/Luftgemisch ist stark unterstöchio­ metrisch und bildet durch die druckluftgestütze Brennstoffzerstäubung einen stabilen fetten Flamm­ kern. Der für eine vollständige Verbrennung erfor­ derliche zusätzliche Sauerstoff wird der am Brennkammeraustritt vorbeistreichenden Brenn­ kraftmaschinen-Ansaugluft entnommen. Durch die Tur­ bulenz der Ansaugluftströmung am Brennkammeraus­ tritt gelangt ein Teil der Ansaugluft auch in die Brennkammer 2. Die Anordnung der Zündfunkenstrecke 8 erfolgt vorzugsweise in der Randzone des Sprühke­ gels 9 der Brennerdüse 6. Alternativ zu der darge­ stellten Zündelektrode 10 kann die Zündfunken­ strecke 8 auch zwischen zwei Kerzenelektroden be­ stehen, die einzeln angeordnet sind.

Es ist vorgesehen, daß die Brennstoffleitung zum Brennersystem hin oder zwischen Brennstoffregler 14 und Brennerdüse 6 ein Absperrventil 15 aufweist und daß in der Brennkammer 2 eine Flammerkennungsein­ richtung 16 angeordnet ist.

Der Brennstoff für das Brennersystem wird vorzugs­ weise dem Einspritzsystem der Diesel-Brennkraft­ maschine nach einer nicht dargestellten Vorför­ derpumpe entnommen und dem Brennstoffregler 14 mit einem Mindestdifferenzdruck gegenüber dem Ansaug­ druck von größer 0,1 bar zugeführt. Die Druckluft zur Zerstäubung des Brennstoffes wird entweder ei­ nem bordeigenen Druckluftsystem eines Fahrzeuges entnommen und der Brennerdüse 6 über ein Druckre­ gelventil 17 zugeführt oder einer elektromotorisch angetriebenen Luftpumpe 18, welche einen Mindest­ differenzdruck gegenüber dem Ansaugsystemdruck von größer 0,15 bar liefert, der ebenfalls von dem Druckregelventil 17 geregelt wird. Bei aufgeladenen Motoren wird im letzteren Fall die von der Luft­ pumpe 18 zu liefernde Zerstäuberluft zweckmäßi­ gerweise dem Sammelrohr 3 zwischen dem Lader und dem Einmündeabschhitt des Brennersystems entnommen.

Die Leistung des Brennersystems wird durch Modula­ tion der vom Brennstoffregler 14 zugemessenen Brennstoffmenge bestimmt. Die Zerstäuberluft bedarf weder hinsichtlich der Menge noch der Druckdiffe­ renz einer Anpassung an die Brennerleistung.

Vorteilhafterweise weist das Luftansaugsystem 4 eine Verwirbelungszone 19 für Brennerabgas und An­ saugluft auf und stromab davon einen Temperatur­ sensor 20 für die Brennerabgasluftmischung.

Es ist nun vorgesehen, daß die von dem Temperatur­ sensor 20 erfaßte Temperatur der Brennerabgasluft­ mischung durch Variation der Brennerleistung gere­ gelt wird und ggf. in Abhängigkeit von weiteren Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine wie Ansaug­ luftmasse, Last, Drehzahl, Umgebungstemperatur so­ wie der Brennkraftmaschinentemperatur variiert wird. Entsprechende Sensorsignale werden dem elek­ tronischen Steuergerät 13 über Eingangsleitungen 21 zugeführt.

Die Konzeption des Brennersystems erlaubt auch be­ liebige Starts und Stops des Brenners während des Brennkraftmaschinenbetriebs. Dadurch wird es mög­ lich, die Vorrichtung - außer bei einem Kaltstart und in der Warmlaufphase des Motors - auch jeweils dann in Betrieb zu nehmen, wenn dies besondere Um­ stände, wie lange Schubphasen oder längerer Nieder­ lastbetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen zur Vermeidung erhöhter Abgasemissionen erforderlich machen. Für besondere Einsatzbereiche und/oder bei Verwendung alternativer Kraftstoffe (Ethanol, Methanol, Rapsöl usw.) kann diese Möglichkeit eine Voraussetzung für den Betrieb von Dieselmotoren sein. Durch die volle Verfügbarkeit und den weiten Leistungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Verbrennungsablauf bei direkt­ einspitzenden Diesel-Brennkraftmaschinen unter kri­ tischen Betriebsbedingungen in der Weise zu verbes­ sern, daß diese Brennkraftmaschinen auch den erhöh­ ten Komfortansprüchen bei Fahrzeugen voll gerecht werden. Das für gutes Motorstartverhalten bei be­ kannten Motoren extrem hohe Verdichtungsverhältnis von 20 : 1 kann durch die Erfindung auf günstigere Werte z. B. 15 : 1 zurückgenommen werden.

Alternativ zu der dargestellten Ausführung kann das Brennersystem auch an einem Luftansaugkanalbypass angeordnet sein, wobei dann die Verwirbelungszone 19 und der Temperatursensor 20 stromab der Bypass­ einmündung in das Sammelrohr 3 angeordnet sind.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann das erfin­ dungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, bei dem in der Startphase der Brennkraftmaschine Brennerab­ gase in das Luftansaugsystem eingeblasen werden, um das Starten zu ermöglichen oder zu erleichtern, und der Brennerbetrieb über die Startphase hinaus auf­ recht erhalten bleibt und in Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen-Betriebsparameterwerten ge­ steuert oder geregelt wird.

Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Brennerlei­ stung ausgehend von einem Leerlaufbetriebspunkt in Abhängigkeit von der sich erhöhenden Drehzahl oder der sich erhöhenden Ansaugluftmenge erhöht wird oder alternativ ausgehend von einem Leerlaufbe­ triebspunkt und einer dabei erreichten vorgegebenen Temperatur der Brennerabgasluftmischung derart ge­ steuert/geregelt wird, daß die Mischtemperatur innerhalb vorgegebener Temperaturwerte verbleibt.

Es hat sich als äußerst wirksam herausgestellt, wenn die Brennerleistung oder die vorgegebenen Tem­ peraturwerte ausgehend von dem Leerlaufbetriebs­ punkt in Abhängigkeit von einer Regelstangenver­ stellung der Einspritzpumpe in Richtung Vollast vermindert wird und ebenso wenn diese in Abhängig­ keit von der Brennkraftmaschinen-Betriebstempera­ turerhöhung oder -erniedrigung erniedrigt oder er­ höht wird.

Es kann darüber hinaus die Brennerleistung oder die vorgegebenen Temperaturwerte in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperaturerhöhung oder -erniedri­ gung erniedrigt oder erhöht werden. Wie bereits er­ wähnt, läßt sich das Verfahren ausdehnen, in dem das im Brennersystem erzeugte Abgas aus einem Brenngemisch gebildet ist, das einen fetten Flamm­ kern bildet, der mit aus der Ansaugluft entnommenem Sauerstoff vollständig verbrennt. Mittels des elek­ tronischen Steuergerätes kann nun vorgesehen wer­ den, daß die Beziehungen zwischen Brennerleistung oder Temperaturwert und den Werten, von denen Ab­ hängigkeit besteht, durch Kennlinien oder Kenn­ felder festgelegt sind.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Ver­ fahren kann ein Brennersystem-Betriebsprogramm durchgeführt werden, das einen Brennkraftmaschinen­ betrieb mit alternativen Brennstoffen, z. B. Etha­ nol, Methanol, Rapsöl udg. ermöglicht oder bei dem ein Betriebsprogramm durchgeführt wird, das einen Brennkraftmaschinenbetrieb mit niedrigerem Verdich­ tungsverhältnis gegenüber Brennkraftmaschinen ohne Brennersystem ermöglicht.

Die Erfindung bildet bei Verwendung eine Basis für

• - direkteinspritzende Fahrzeug-Dieselmotoren (hoher Komfortanspruch),
• - geringe Eigenemission (Ruß und HC) des Brenner­ system,
• - hohe Funktionssicherheit im Fahrzeugeinsatz über lange Laufstrecken/-zeiten,
• - gute On-Board-Diagnosemöglichkeiten für Zündung und Flammerkennung,
• - gute Möglichkeiten der Einbindung in vorhandene Werkstatt-Diagnosesysteme,
• - leichte Adaption an unterschiedliche Motoren mittels elektronischer Abstimmhilfe,
• - eine Nachrüstmöglichkeit im Feld und für ein
• - gutes Preis-/Leistungsverhältnis.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft einer Diesel-Brennkraftmaschine bestehend aus einem an das Luftansaugsystem angeschlossenen Brennersy­ stem, das Luft und Brennstoff verbrennt und die da­ bei entstehenden heißen Abgase in die Ansaugluft bläst, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an das Luftansaugsystem (4) angeschlossenen Brennkammer (2) eine Brennerdüse (6) angeordnet ist, die einen definierten Austrittsquerschnitt für im wesentlich mit geringem Überdruck zugeleiteten Brennstoff so­ wie für von einer Druckquelle (7, 18) zugeführte Zerstäubungsluft aufweist, daß in der Brennstoffzuführleitung in festgelegtem Abstand zur Brennerdüse (6) ein Brennstoffregler (14) angeordnet ist, der den zur Brennerdüse (6) strömenden Brennstoff in Abhängigkeit von Betriebs­ parametern der Brennkraftmaschine steuert/regelt, wobei in der Brennkammer (2) eine Hochspannungs- Zündfunkenstrecke (8, 10) im Bereich des Sprühke­ gels (9) der Brennerdüse (6) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen Brennerdüse (6) und Brennstoffregler (14) so groß gewählt ist, daß keine Temperatureinwirkung des Brennersystems auf den Brennstoffregler (14) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberluft von einer Druckquelle (7, 18) bereitgestellt wird, die gegenüber dem Luftansaug-Systemdruck einen Druck von größer 0,15 bar aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckquelle (7) von einer elektrischen Luftpumpe (18) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromab der Luftpumpe (18) ein Druckregelventil (17) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftansaug­ system (4) eine Verwirbelungszone (19) für Brenner­ abgas und Ansaugluft aufweist und stromab davon ei­ nen Temperatursensor (20) für die Brennerabgasluft­ mischung.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfunken­ strecke (8) zwischen zwei Kerzenelektroden besteht, die einzeln angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennstoffleitung zum Bren­ nersystem hin oder zwischen Brennstoffregler (14) und Brennerdüse (6) ein Absperrventil (15) auf­ weist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Brennkammer (2) eine Flammerkennungseinrichtung (16) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch Auswertung des Span­ nungsverlaufes auf der Primärseite des Zündmoduls (12) während der Zündphase eine Diagnose der Zünd­ funktion und während der Brennphase eine Flamm­ diagnose erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Temperatursensor (20) erfaßte Temperatur der Brennerabgasluftmischung durch Variation der Bren­ nerleistung geregelt wird und ggf. in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine wie Ansaugluftmasse, Last, Drehzahl, Umge­ bungstemperatur sowie der Brennkraft­ maschinentemperatur variiert wird.

12. Verfahren zur Vorwärmung der Ansaugluft einer Diesel-Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem in der Startphase der Brennkraftmaschi­ ne Brennerabgase in das Luftansaugsystem einge­ blasen werden, um das Starten zu ermöglichen oder zu erleichtern, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerbetrieb über die Startphase hinaus aufrecht erhalten bleibt und in Abhängigkeit von Brennkraft­ maschinen-Betriebsparameterwerten gesteuert oder geregelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennerleistung ausgehend von einem Leerlaufbetriebspunkt in Abhängigkeit von der sich erhöhenden Drehzahl oder der sich erhöhenden Ansaugluftmenge erhöht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennerleistung ausgehend von einem Leerlaufbetriebspunkt und einer dabei er­ reichten vorgegebenen Temperatur der Brennerabgas­ luftmischung derart gesteuert/geregelt wird, daß die Mischtemperatur innerhalb vorgegebener Tempe­ raturwerte verbleibt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner­ leistung oder die vorgegebenen Temperaturwerte aus­ gehend von dem Leerlaufbetriebspunkt in Abhängig­ keit von einer Regelstangenverstellung der Ein­ spritzpumpe in Richtung Vollast vermindert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennerleistung oder die vor­ gegebenen Temperaturwerte in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschinen-Betriebstemperaturerhöhung oder -erniedrigung erniedrigt oder erhöht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerlei­ stung oder die vorgegebenen Temperaturwerte in Ab­ hängigkeit von der Umgebungslufttemperaturerhöhung oder -erniedrigung erniedrigt oder erhöht wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das im Brenner­ system erzeugte Abgas aus einem Brenngemisch ge­ bildet ist, das einen fetten Flammkern bildet, der mit aus der Ansaugluft entnommenem Sauerstoff voll­ ständig verbrennt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen zwischen Brennerleistung oder Temperaturwert und den Werten, von denen Abhängigkeit besteht, durch Kennlinien oder Kennfelder festgelegt sind.