AT3753U1 - Brennkraftmaschine, insbesondere mit selbstzündung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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. Um auf einfache Weise bei niedrigem Verdichtungsverhältnis ein rasches Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist vorgesehen, 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

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  Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit einem vorzugsweise mit einer Abgasturbine verbundenen Verdichter in einem Einlassströmungsweg zur Komprimierung der Ansaugluft, mit einer zu einem Einlasssammler führenden Ladeluft- leitung, wobei der Verdichter zumindest während der Startphase der Brennkraftmaschine un- abhängig von dieser betreibbar ist. 



  Durch Absenkung des Verdichtungsverhältnis kann besonders bei Diesel-Brennkraft- maschinen das Gewicht des Motors reduziert werden, da eine leichtere Kurbelwelle und klei- ner dimensionierte Kurbelwellenlager verwendet werden können. Allerdings reicht insbeson- dere 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 erfor- derliche 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 vor- wärmen, 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 erforder- lichen zusätzlichen Dosiereinrichtungen den Nachteil hat, dass ein weiteres Medium bereitge- stellt 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 zwangsläufig 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 Kompres- sion 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 Umge- bungstemperatur angesaugte Luft komprimiert und direkt über die Einlassventile in die Zylin- 

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 der eingebracht. Insbesondere bei niedrigem Verdichtungsverhältnis und tiefen Umge- bungstemperaturen ist aber trotzdem eine relativ lange Aufwärmzeit erforderlich. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise das Startverhalten von Brennkraftmaschinen, insbesondere von selbstzündenden Brennkraft- maschinen 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 Einlass- strömungsweg einmündet, wobei Ladeluftleitung und Luftrückführleitung einen Kreislauf bilden. Die bei Umgebungsdruck und Temperatur vorliegende Luft wird im Verdichter ver- dichtet. Die Luft verlässt den Einlasssammler über die Luftrückführleitung und wird wieder auf Umgebungsdruck entspannt und zur Ansaugseite des Verdichters   zurückgeführt,   welcher wäh- rend 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 wer- den, 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 Ventilbetätigungsein- richtung möglich, so verlängert sich die Aufwärmzeit. 



  Während des Anlaufvorganges des Verdichters entsteht vor diesem ein Unterdruck. Um die- sen 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 aus- geglichen werden. 



  Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 

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  Es zeigen Fig. 1 und Fig. 2 verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung. Funktions- gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 



  Die Figur 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 Einlass- systemes 2 mündet in einen Einlasssammler 8, wobei in der Ladeluftleitung 7 ein Ladeluft- kühler 9 angeordnet sein kann. Der Einlasssammler 8 ist über Einlasskanäle 10 mit den Zylin- dern 1 verbunden. Von den Zylindern 1 ausgehende Auslassströmungswege 11  fvihren   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 po und Umgebungstemperatur vorliegende Luft wird über den Luft- filter 21 durch den Verdichter 5 angesaugt und verdichtet. Unter Umgehung des Ladeluft- kühler 9 strömt die Luft durch die Bypassleitung 19 in den Einlasssammler 8 ein. Um das Ein- strömen von relativ kalter Luft in die Zylinder 1 zu verhindern, werden die nicht weiter darge- stellten 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 ange- ordnet 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 Strömungsgeschwindig- keit 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 Unter- druck. Um den Unterdruck auszugleichen, wird die Saugseite des Verdichters 5 über den 

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 Einlassstutzen 23 und den Luftfilter 21 mit Umgebungsdruck Po beaufschlagt, so dass Luft in den Kreislauf 22 einströmen kann. 



  Wie bereits erwähnt, dient die Drossel 18 zur Entspannung der Luft auf Umgebungsdruck Po Auf die Drossel 18kann allerdings verzichtet werden, wenn die Luftückhrieitung 16 hin- sichtlich Durchmesser und Oberflächenrauhigkeit entsprechend ausgeführt ist, dass sich die- selbe 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 Zylinder- zündfolge geöffnet und die Brennkraftmaschine über einen nicht weiter dargestellten Starter- motor angelassen. 



  Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführung unterschiedet sich im wesentlichen von Fig. 1 da- durch, dass der Verdichter 5 nicht über eine Abgasturbine, sondern mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. In der Startphase wird - wie bei der Brennkraft- maschine nach Fig. 1 der Verdichter 5 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch unabhängig von der Brennkraftmaschine angetrieben. Um einen Brennkraftmaschinen unabhängigen An- trieb 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 Wärme- tauscherflächen nötig, welche die Rohrströmung behindern würden und ausserdem vorab mit- beheizt werden müssten. 



  Das beschriebene Luftvorwärmsystem ermöglicht es, Brennkraftmaschinen mit einem nied- rigeren effektiven Verdichtungsverhältnis ohne weitere aufwendige externe Aufwärmeinrich- tungen in sehr kurzer Zeit anzulassen. Durch das verwirklichbare niedrige effektive Verdich- tungsverhältnis entsteht in der Brennkammer 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 Zwischen- kühlung.

Claims (9)

1. ANSPRÜCHE 1. 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.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einem in der Ladeluftleitung (7) angeord- neten Ladeluftkühler (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (9) über eine Bypassleitung (19) umgehbar ist.
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftrückführleitung (16) eine Drossel (18) angeordnet ist.
4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch antreibbar ist.
5. 5. 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) unab- hängig von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, so dass die Luft in der Ladeluft- leitung (7), dem Einlasssammler (8), der Luftrückführleitung (16) und dem Verdichter (5) im Kreis gefördert wird, und dass nach Beendigung der Startphase die Luftrückführ- leitung (16) geschlossen wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Startphase die Einlassventile und/oder die Auslassventile der Brennkraftmaschine geschlossen gehalten werden.
7. 7. 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.
8. 8. 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 (PO) beaufschlagt wird. <Desc/Clms Page number 6>
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver- dichter (5) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben wird.