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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, ein Verfahren,
ein Computerprogramm und eine Steuerung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere zum Zuführen von
erwärmtem
Kraftstoff zu der Brennkraftmaschine.
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Beim
Starten einer Brennkraftmaschine sind deren innere Oberflächen gewöhnlich kalt.
Eingespritzter Kraftstoff kondensiert auf den kalten Oberflächen, im
Fall einer Kolbenmaschine beispielsweise an den Wänden der
Zylinder oder an den Einlassventilen. Das zur Verbrennung zur Verfügung stehende
Kraftstoff-Luft-Gemisch ist deshalb magerer als in einer warmen
Brennkraftmaschine. Ferner verändert beispielsweise
an der Wand eines Zylinders niedergeschlagener Kraftstoff die Schmiereigenschaften des
Motoröls,
das dort einen dünnen
Film bildet.
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Die
beschriebenen Probleme treten bereits bei herkömmlichen Kraftstoffen auf.
In verschärfter Form
werden die beschriebenen Probleme jedoch bei der Verwendung von
Ethanol als Zusatz oder vollständiger
Ersatz von herkömmlichen
Otto-Kraftstoffen
auftreten. Während
herkömmliche
Kraftstoffe Gemische eines breiten Spektrums von Kohlenwasserstoffen
mit einem entsprechend breiten Spektrum an Siedepunkten ab ca. 0°C sind, weist
Ethanol einen vergleichsweise hohen Siedepunkt von 78°C auf. Ein Kaltstart
soll in Europa bei Temperaturen bis herab zu –20°C möglich sein. Bei diesen Temperaturen
ist der Dampfdruck von Ethanol so niedrig, dass die Bildung eines
zündfähigen Ethanol-Luft-Gemisches
praktisch nicht möglich
ist.
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Bislang
wurde eine Reihe von Lösungsansätzen entwickelt,
die jeweils spezifische Nachteile aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren,
ein Computerprogramm und eine Steuerung zum verbesserten Betreiben
einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die insbesondere ein Starten
der Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen erleichtern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, Kraftstoff vor der Einleitung
in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine durch Verbrennen eines
Teils des Kraftstoffs zu erwärmen.
Dazu ist beispielsweise ein Brennraum mit Einlässen für die Zufuhr von Kraftstoff
und Luft oder eines anderen Oxidationsmittels vorgesehen. In dem
Brennraum verbrennt ein Teil des zugeführten Kraftstoffs mit dem Oxidationsmittel.
Die dabei frei werdende Wärme führt zur
Erwärmung
des unverbrannten Kraftstoffs. Beispielsweise wird durch eine entsprechende
Zumessung des Oxidationsmittels ein kleiner, aber ausreichender
Teil des Kraftstoffs verbrannt, um mit der dabei frei werdenden
Wärme den
größeren unverbrannten
Teil des Kraftstoffs zu verdampfen. Der erwärmte, insbesondere verdampfte
Kraftstoff wird in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet. Zur
Verbesserung des Brennverhaltens des Kraftstoffs in dem Brennraum
kann ein Katalysator in dem Brennraum vorgesehen sein, beispielsweise
Platin. Der Katalysator reduziert den Flammpunkt des Kraftstoffs
und verbessert damit die Zündung
und die Aufrechterhaltung des Brennvorgangs. Zur Zündung des Brennvorgangs
in dem Brennraum kann beispielsweise ein Teil einer Katalysatoreinrichtung,
an deren Oberfläche
der Katalysator angeordnet ist, erwärmt werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen von
Kraftstoff und einer Steuerung für
die Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen von
Kraftstoff und einer Steuerung für
die Vorrichtung;
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3 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung
zum Erwärmen
von Kraftstoff und einer Steuerung; und
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4 ein
schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erwärmen von
Kraftstoff für
eine Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ansaugtrakts 10 einer
in 1 nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einer
Vorrichtung 20 zum Erwärmen
von Kraftstoff. Die Vorrichtung umfasst einen Brennraum 21,
der im Wesentlichen von einer Wandung 22 und einem teildurchlässigen Bauglied 23 begrenzt
wird. Das teildurchlässige
Bauglied grenzt unmittelbar an das Lumen 11 des Ansaugtrakts 10 und
bildet einen Auslass des Brennraums 21 zu dem Lumen 11 des
Ansaugtrakts 10 hin. Insbesondere ragt zumindest ein Teil
des Brennraums 21 in das Lumen 11 des Ansaugtrakts 10,
so dass das teildurchlässige
Bauglied 23 in einem zentralen Bereich des Querschnitts
des Ansaugtrakts 10 angeordnet ist.
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Das
teildurchlässige
Bauglied 23 erzeugt einen Druckgradienten zwischen der
Brennkammer 21 der Vorrichtung 20 und dem Lumen 11 des
Ansaugtrakts 10. Dieser Druckgradient bewirkt, dass lediglich
in der Brennkammer 21 erwärmter Kraftstoff von der Brennkammer 21 in
das Lumen 11 des Ansaugtrakts 10 übertritt,
jedoch kein Oxidationsmittel von dem Lumen 11 des Ansaugtrakts 10 in
die Brennkammer 21. Das teildurchlässige Bauglied weist beispielsweise
einen offenporigen Schaum, ein Gewebe, ein Vlies, ein Netz oder
ein anderes poröses
oder mikroporöses
Element mit einer Vielzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Öffnungen oder
Poren auf. Das teildurchlässige
Bauglied 23 weist beispielsweise Kupfer, Aluminium, ein
anderes Metall oder Keramik auf.
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Wenn
die Brennkraftmaschine eine Kolbenmaschine mit mehreren Zylindern
ist, ist der in 1 dargestellte Bereich des Ansaugtrakts 10,
an dem die Vorrichtung 20 angeordnet ist, beispielsweise
ein Bereich, der allen Zylindern zugeordnet ist. Ein solcher allen
Zylindern zugeordnete Bereich ist ein Bereich, durch den Luft oder
ein anderes Oxidationsmittel zu allen Zylindern strömt. Alternativ
kann die Vorrichtung 20 an oder in einem Bereich des Ansaugtrakts 10 angeordnet
sein, durch den Luft oder ein anderes Oxidationsmittel lediglich
zu einem Zylinder oder einem Teil der Zylinder der Brennkraftmaschine
strömt. In
diesem Fall können
mehrere Vorrichtungen der Art der anhand der 1 dargestellten
Vorrichtung 20 an der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
Diese mehreren Vorrichtungen können
so angeordnet sein, dass in jeden Zylinder Luft oder ein anderes
Oxidationsmittel strömen
kann, das an einer der Vorrichtungen vorbeigeströmt ist.
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Der
Brennraum 21 weist einen ersten Einlass auf, an dem ein
erstes Ventil 30 zur Zufuhr von Kraftstoff in den Brennraum 21 angeordnet
ist. Das erste Ventil 30 umfasst ein Ventilgehäuse 31 mit
einer Öffnung 32 zu
dem Brennraum 21. Die Öffnung 32 des Ventilgehäuses 31 kann
durch ein bewegbares Ventilglied 33 verschlossen werden.
Ein Spulenantrieb 34 ist ausgebildet, um das Ventilglied 33 zwischen
einer geschlossenen Position, in der es die Öffnung 32 verschließt, und
einer geöffneten
Position, in der es die Öffnung 32 freigibt,
zu bewegen. Das erste Ventil 30 weist ferner einen Einlass 36 auf,
der mit einer in 1 nicht dargestellten Kraftstoffleitung
verbunden werden kann, durch die dem ersten Ventil 30 Kraftstoff
zugeführt
werden kann.
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Der
Brennraum 21 weist ferner einen zweiten Einlass auf, an
dem ein zweites Ventil 40 zur Zufuhr von Luft oder einem
anderen Oxidationsmittel in den Brennraum 21 angeordnet
ist. Das zweite Ventil 40 umfass ein Ventilgehäuse 41 mit
einer Öffnung 42 zu dem
Brennraum 21. Ein bewegbares Ventilglied 43 ist
durch einen Spulenantrieb 44 zwischen einer geschlossenen
Position, in der es die Öffnung 42 verschließt, und
einer geöffneten
Position, in der es die Öffnung 42 freigibt,
bewegbar. Ferner weist das zweite Ventil 40 einen Einlass 46 auf, über den
dem zweiten Ventil 40 Luft oder ein anderes Oxidationsmittel zugeführt werden
kann.
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Sowohl
das erste Ventilglied 33 und sein Spulenantrieb als auch
das zweite Ventilglied 43 und sein Spulenantrieb können ausgebildet
sein, um zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position jede beliebige
Position einnehmen zu können.
In diesem Fall können
der Flusswiderstand und die bei einer bestimmten Druckdifferenz
fließende
Kraftstoff- bzw. Luftmenge kontinuierlich eingestellt werden. Sowohl
das erste Ventil 30 und sein Spulenantrieb als auch das
zweite Ventil 40 und sein Spulenantrieb können alternativ
ausgebildet sein, um überwiegend entweder
geschlossen oder geöffnet
zu sein. Ein mittlerer Kraftstoff- oder Luftfluss durch das erste bzw.
zweite Ventil 30, 40 kann in diesem Fall über das
Tastverhältnis
bzw. das Verhältnis
der Zeitdauer, in der das Ventil 30, 40 geschlossen
ist und der Zeitdauer, in der das Ventil offen ist, eingestellt
werden.
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In
dem Brennraum 21 ist eine Katalysatoreinrichtung 51 angeordnet,
an deren Oberfläche
ein Katalysator angeordnet ist, der den Flammpunkt oder die Temperatur,
bei der der vorgesehene Kraftstoff mit dem vorgesehenen Oxidationsmittel
verbrennt, reduziert. Ein Beispiel für den Katalysator ist Platin Pt.
Die Katalysatoreinrichtung 51 umfasst beispielsweise ein
Netz, ein Gewebe, ein Vlies oder ein Blech aus Metall Keramik oder
einem anderen Material mit einer glatten oder einer strukturierten
Oberfläche.
Die Katalysatoreinrichtung 51 weist beispielsweise die Form
einer Kugel oder eines Rohres mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt
auf.
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An
der Katalysatoreinrichtung 51 ist eine Heizeinrichtung 52 angeordnet,
mittels derer zumindest ein Teil der Oberfläche der Katalysatoreinrichtung 51 auf
eine Temperatur bei oder über
dem Flammpunkt des vorgesehenen Kraftstoffs und des vorgesehenen Oxidationsmittels
erwärmt
werden kann. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist
die Heizeinrichtung 52 innerhalb der Katalysatoreinrichtung
nahe an deren Oberfläche
in einem dem ersten Ventil 30 zugewandten Bereich angeordnet.
Die Heizeinrichtung 52 umfasst beispielsweise einen NTC-Widerstand (NTC =
Negative Temperature Coefficient) oder einen anderen elektrischen
Widerstand oder eine Spule zur induktiven Heizung der Katalysatoreinrichtung.
Alternativ ist die Heizeinrichtung in die Katalysatoreinrichtung
integriert. Beispielsweise kann die Katalysatoreinrichtung selbst
oder ein Teil derselben in einem Stromkreis angeordnet sein, um
sie resistiv zu heizen.
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Ein
Einspritzkegel 39 des ersten Ventils 30 charakterisiert
einen Raumbereich, in den das erste Ventil 30 Kraftstoff
in Form eines aufgefächerten Sprühstrahls
oder in Form von feinen Tröpfchen sprühen kann.
Ein Einspritzkegel 49 des zweiten Ventils 40 charakterisiert
einen Raumbereich, in den das zweite Ventil 40 Luft oder
ein anderes Oxidationsmittel blasen oder sprühen kann. Die Einspritzkegel 39, 49 der
Ventile 30, 40 sind von den Geometrien der Öffnungen 32, 42 und
der Ventilglieder 33, 43 abhängig. Sowohl der Einspritzkegel 39 des
ersten Ventils als auch der Einspritzkegel 49 des zweiten
Ventils 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass
die Katalysatoreinrichtung 51 vollständig oder fast vollständig innerhalb
der Einspritzkegel 39, 49 angeordnet ist. Der
Einspritzkegel 49 des zweiten Ventils 40 ist in
diesem Ausführungsbeispiel
so gewählt,
dass die Katalysatoreinrichtung 51 den Einspritzkegel 49 im
Wesentlichen vollständig
ausfüllt.
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In
dem Brennraum 21 ist ferner ein Temperatursensor 61 angeordnet,
beispielsweise ein temperaturabhängiger
elektrischer Widerstand oder ein Thermoelement. In dem in 1 dargestellten
Beispiel ist der Temperatursensor 61 an einer von der ersten
Düse 30 und
der zweiten Düse 40 abgewandten
Seite der Katalysatoreinrichtung 51 und insbesondere zwischen
der Katalysatoreinrichtung 51 und dem teildurchlässigen Bauglied 23 angeordnet.
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Die
Vorrichtung 20 ist mit einer Steuerung 70 gekoppelt.
Ein erster Ausgang 71 der Steuerung 70 ist über eine
Leitung 35 mit dem Spulenantrieb 34 des ersten
Ventils 30 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang 72 der
Steuerung 70 ist über
eine Leitung 45 mit dem Spulenantrieb 44 des zweiten
Ventils 40 gekoppelt. Ein dritter Ausgang 73 der
Steuerung 70 ist über
eine Leitung 55 mit der Heizeinrichtung 52 gekoppelt.
Ein Eingang 75 der Steuerung 70 ist über eine
Leitung 65 mit dem Temperatursensor 61 gekoppelt.
Die Steuerung 70 kann weitere Ein- und Ausgänge aufweisen, die
in 1 nicht dargestellt sind, um über entsprechende Signale Information
zu empfangen oder zu senden oder weitere Einrichtungen zu steuern
oder zu regeln, die in 1 nicht dargestellt sind.
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Jede
der Leitungen 35, 45, 55, 65 umfasst beispielsweise
eine oder mehrere Einzelleitungen. Die Leitungen 35 und 45 sind
jeweils als Paare von Einzelleitungen dargestellt. Alternativ umfasst
jede der Leitungen 35, 45 nur eine Einzelleitung,
wobei der entsprechende Stromkreis über eine gemeinsame Masse,
beispielsweise den Motorblock bzw. das Gehäuse der Brennkraftmaschine,
geschlossen wird. Gleiches gilt für die Leitungen 55, 65,
die den dritten Ausgang 73 bzw. den Eingang 75 der
Steuerung 70 mit der Heizeinrichtung 52 bzw. den
Temperatursensor 61 verbinden. Abhängig von der Ausgestaltung der
Antriebe 34, 44, der Heizeinrichtung 52 und
des Temperatursensors 61 können die Leitungen 35, 45, 55, 65 Lichtwellenleiter
oder andere Signalleitungen zur Übertragung
von optischen oder anderen Signalen umfassen.
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Die
Steuerung 70 ist ausgebildet, um die Vorrichtung 20 zu
steuern. Die Logik oder Steuerungscharakteristik der Steuerung ist
beispielsweise in Hardware, Firmware oder Software implementiert. Beispielsweise
sind die Vorrichtung 20 und die Steuerung 70 ausgebildet,
um in vorbestimmten Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine vorgewärmten Kraftstoff,
insbesondere verdampften Kraftstoff, in das Lumen 11 des
Ansaugtrakts 10 abzugeben. Dazu steuert die Steuerung 70 das
erste Ventil 30 und das zweite Ventil 40 so, dass
vorbestimmte Mengen von Kraftstoff und Luft oder einem anderen Oxidationsmittel
in der Brennkammer 21 gemischt und teilweise miteinander
verbrannt werden.
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Zum
Starten des Brennprozesses steuert die Steuerung 70 die
Heizeinrichtung 52 so, dass sie zumindest einen Teil der
Oberfläche
der Katalysatoreinrichtung 51 so weit erwärmt, dass
dort die Verbrennung beginnt. Die Steuerung 70 steuert
die eingespritzte bzw. eingeblasene Menge Luft oder eines anderen
Oxidationsmittels so, dass nur ein Teil des Kraftstoffs in der Brennkammer 21 verbrennt
und der unverbrannte Kraftstoff auf eine vorbestimmte Temperatur,
beispielsweise auf eine Temperatur über seinem Siedepunkt, erwärmt wird.
Der so verdampfte unverbrannte Kraftstoff wird über das teildurchlässige Bauglied 23 in
das Lumen 11 des Ansaugtrakts 10 abgegeben. Wenn
das teildurchlässige
Bauglied 23 eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, verbessert
es ferner die räumliche
Homogenität
der Temperatur des in das Lumen 11 abgegebenen Kraftstoffs. Beispiele
für Verfahren
zum Erwärmen
von Kraftstoff, die mittels der anhand der 1 dargestellten
Vorrichtung 20 und Steuerung 70 durchführbar sind,
werden unten anhand der 4 näher erläutert.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Ansaugtrakts 10 mit
einer Vorrichtung 20 zum Erwärmen von Kraftstoff und einer
Steuerung 70 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein Brennraum 21 mit einer Wandung 22 und einem
teildurchlässigen
Bauglied 23, ein erstes Ventil 30 zur Zufuhr von
Kraftstoff, ein zweites Ventil 40 zur Zufuhr von Luft oder
einem anderen Oxidationsmittel und eine Steuerung 70 sind ähnlich oder
gleich wie bei dem oben anhand der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
aufgebaut und ausgebildet.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem oben anhand der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
unter anderem in Gestalt und Anordnung der Katalysatoreinrichtung 51 und
der Heizeinrichtung 52. Die Katalysatoreinrichtung 51 ist
bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
so ausgebildet und angeordnet, dass Luft oder ein anderes Oxidationsmittel
durch das zweite Ventil 40 in einen Innenraum der Katalysatoreinrichtung 51 eintritt.
Die Katalysatoreinrichtung 51 weist eine gasdurchlässige Oberfläche mit
einer Vielzahl von Poren oder Öffnungen
auf, die regelmäßig oder
unregelmäßig angeordnet
sind. Beispielsweise weist die Katalysatoreinrichtung 51 ein Gitter,
ein Netz, ein Gewebe, ein Vlies oder einen offenporigen Schaum aus
Metall, Keramik oder einem anderen ausreichend temperaturstabilen
Material auf. Zumindest an einer äußeren Oberfläche der
Katalysatoreinrichtung 51 ist ähnlich wie bei dem oben anhand
der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Katalysator
angeordnet. Luft oder ein anderes Oxidationsmittel wird durch das
zweite Ventil 40 in die Katalysatoreinrichtung 51 geleitet
und verbrennt an deren äußerer Oberfläche mit
einem Teil des Kraftstoffs, der durch das erste Ventil 30 in
den Brennraum 21 geleitet wird.
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Zum
Starten des Brennvorgangs in dem Brennraum 21 wird zumindest
ein Teil der äußeren Oberfläche der
Katalysatoreinrichtung 51 durch die Heizeinrichtung 52 erwärmt. Die
Heizeinrichtung 52 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
eine Quelle von Wärmestrahlung 54,
beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, die Infrarot-
oder andere elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Heizstrahlung 54 kann
durch eine Linse auf einen vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Katalysatoreinrichtung 51 gebündelt sein.
Um eine Streuung oder Absorption der Heizstrahlung 54 in
einem vom ersten Ventil 30 erzeugten Kraftstoffnebel zu
reduzieren, kann eine geeignete Wellenlänge der Heizstrahlung 54 gewählt werden,
die von dem Kraftstoffnebel nicht oder nur geringfügig gestreut
oder absorbiert wird. Alternativ oder zusätzlich werden das erste Ventil 30 und
die Heizeinrichtung 52 getaktet abwechselnd betrieben oder
Kraftstoff erst nach Erreichen der erwünschten Oberflächentemperatur
der Katalysatoreinrichtung 51 eingespritzt.
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Die
anhand der 1 dargestellte Katalysatoreinrichtung
ist mit der anhand der 2 dargestellten Heizeinrichtung
kombinierbar. Ebenso ist die anhand der 2 dargestellte
Katalysatoreinrichtung mit der anhand der 1 dargestellten
Heizeinrichtung kombinierbar. Bei jeder der oben anhand der 1 und 2 dargestellten
Vorrichtungen kann der Auslass statt durch ein großflächiges teildurchlässiges Bauglied
auch durch eine oder mehrere Düsen
gebildet sein. Diese Düse
oder Düsen
sind dann beispielsweise in einem zentralen Bereich des Querschnitts
des Lumens 11 des Ansaugtrakts 10 angeordnet.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 12 mit
einer Vorrichtung 20 und einer Steuerung 70, wie
sie oben anhand der 1 und 2 dargestellt
wurden. Die Vorrichtungen 20 und die jeweils zugehörige Steuerung 70 sind für alle Arten
von Brennkraftmaschinen und alle Arten von Oxidationsmitteln und
Kraftstoffen geeignet. Lediglich als Beispiel ist in 3 die
Brennkraftmaschine 12 als Kolbenmaschine dargestellt. Als
Oxidationsmittel wird Luft beschrieben. Alternativ sind auch andere
Oxidationsmittel verwendbar.
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Die
Brennkraftmaschine 12 weist einen Ansaugtrakt 10 mit
einem Lumen 11 auf, um jedem einzelnen Zylinder 13 der
Brennkraftmaschine 12 zuzuführen. Unmittelbar vor einem
oder mehreren Einlassventilen jedes Zylinders 13 ist ein Einspritzventil 14 angeordnet,
um Kraftstoff in einen Luftstrom zur Befüllung des Zylinders 13 einzuspritzen.
Alternativ sind die Einspritzventile 14 in den Zylindern 13 angeordnet.
Die Einspritzventile 14 sind über Kraftstoffleitungen 15 mit
einer Kraftstoffpumpe 16 verbunden, die Kraftstoff aus
einem in 3 nicht dargestellten Kraftstofftank
zu den Einspritzventilen 14 fördert. Die Anordnung von mehreren
Einspritzventilen wird auch als Multi-Point-Injection (MPI bezeichnet.
Alternativ ist eine Single-Point-Injection (SPI) vorgesehen, bei der
eine einzige Einspritzdüse
so am Ansaugtrakt 10 angeordnet ist, dass von ihr eingespritzter
Kraftstoff in jeden der Zylinder gelangen kann.
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Eine
Drosselklappe 17 wird durch einen Antrieb 18 angetrieben
und steuert einen Zufluss von Frischluft von einem Luftfilter 19 in
den Ansaugtrakt 10 der Brennkraftmaschine 12.
Ein Ausgang 74 einer Steuerung 79 ist mit dem
Antrieb 18 der Drosselklappe 17 verbunden. Die
Steuerung 79 ist eine Steuerung der Brennkraftmaschinen 12,
die neben der Drosselklappe 17 beispielsweise auch die
Kraftstoffpumpe 16, die Einspritzventile 14, Einlassventile oder
Auslassventile an den Zylindern 13 bzw. deren Steuerzeitpunkte
oder andere Stellgrößen an der Brennkraftmaschine 12 steuern
kann. Die bereits oben anhand der 1 und 2 dargestellte
Steuerung 70 kann mit der Steuerung 79 der Brennkraftmaschine 12 (beispielsweise über Steuerleitungen) gekoppelt
sein. Alternativ sind die Steuerung 70 und die Steuerung 79 integriert.
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Eine
Vorrichtung 20, wie sie oben anhand der 1 und 2 dargestellt
wurde, ist an dem Ansaugtrakt 10 zwischen der Drosselklappe 17 und den
Einspritzventilen 14 so angeordnet, dass von der Vorrichtung 20 erwärmter Kraftstoff
in alle Zylinder 13 gelangen kann. Das zur Zufuhr von Kraftstoff
in den Brennraum der Vorrichtung 20 vorgesehene erste Ventil 30 ist über eine
Kraftstoffleitung 15 mit der Kraftstoffpumpe 16 verbunden.
Das zur Zufuhr von Luft zu dem Brennraum der Vorrichtung 20 vorgesehene
zweite Ventil 40 ist über
eine Luftleitung 47 mit einem Abschnitt des Ansaugtrakts
zwischen dem Luftfilter 19 und der Drosselklappe 17 verbunden.
Bei geschlossener oder teilweise geschlossener Drosselklappe 17 entsteht
an dieser eine Druckdifferenz, die eine Zufuhr von Luft in den Brennraum
der Vorrichtung 20 über
das zweite Ventil 40 ermöglicht, wenn dieses geöffnet ist.
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Abweichend
von der Darstellung in 3 kann das erste Ventil 30 Kraftstoff
von einer anderen Kraftstoffquelle erhalten, beispielsweise von
einer eigenen Kraftstoffpumpe. Abweichend von der Darstellung in 3 kann
ferner das zweite Ventil 40 Luft von einer anderen Einrichtung
erhalten, beispielsweise von einem separaten Luftfilter und/oder über ein separates
Luftgebläse.
Bei allen oben anhand der 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen können jeweils
sowohl das erste Ventil 30 als auch das zweite Ventil 40 durch
je eine Pumpe oder ein Gebläse
zum Zumessen von Kraftstoff bzw. Oxidationsmittel zu dem Brennraum
der Vorrichtung 20 ersetzt werden.
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Bei
allen oben anhand der 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen
kann die Steuerung 70 so ausgebildet sein, dass über die
zugemessene Luftmenge die Menge des in der Brennkammer der Vorrichtung 20 verbrannten
Kraftstoffs und das Verhältnis
des verbrannten Kraftstoffs zum unverbrannten Kraftstoff so eingestellt
werden, dass die Temperatur des erwärmten Kraftstoffs einen vorbestimmten
Wert aufweist. Dazu weist die Steuerung 70 einen entsprechenden
in Hardware, Firmware oder Software implementierten Regler auf,
beispielsweise einen PID-Regler. Alternativ umfasst die Vorrichtung 20 ein
Thermostat, das abhängig
von der Temperatur des erwärmten
Kraftstoffs an oder nahe dem durch das teildurchlässige Bauglied 23 gebildeten
Auslass die Zufuhr von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels
zu dem Brennraum 21 steuert.
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Anstelle
von zwei steuerbaren Ventilen 30, 40 kann jede
der oben anhand der 1 bis 3 dargestellten
Vorrichtungen 20 nur ein steuerbares Ventil aufweisen.
Gemäß einer
weiteren Alternative werden sowohl die Kraftstoffzufuhr als auch
die Zufuhr von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels durch ein
einziges Stellglied gesteuert. Anstelle der in den 1 und 2 dargestellten
Spulenantriebe sind auch andere elektrische oder nicht-elektrische Antriebe
verwendbar, beispielsweise Servoantriebe mit einem Linearantrieb
oder einem herkömmlichen rotierenden
Elektromotor, Ultraschallmotoren, pneumatische Antriebe etc.
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4 zeigt
ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erwärmen von
Kraftstoff für
eine Brennkraftmaschine, wie es beispielsweise mittels einer der
oben anhand der 1 bis 3 dargestellten
Vorrichtungen 20 und beispielsweise mittels einer der oben
anhand der 1 bis 3 dargestellten
Steuerungen 70 gesteuert durchgeführt werden kann. Obwohl das
anhand der 4 dargestellte Verfahren auch
mit anderen Vorrichtungen und gesteuert durch andere Steuerungen
durchführbar
ist, wird bei der Beschreibung des Verfahrens nachfolgend auf die
Bezugszeichen der 1 bis 3 Bezug
genommen, um ein Verständnis
zu erleichtern. Das Verfahren kann vor allem beim Starten einer
Brennkraftmaschine 12 ausgeführt werden. Der erwärmte Kraftstoff
reduziert die Kondensation von Kraftstoff an kalten Oberflächen der
startenden Brennkraftmaschine und kann damit das Startverhalten
der Brennkraftmaschine verbessern. Das Verfahren kann jedoch in
modifizierter Form auch nach dem Starten der Brennkraftmaschine
ausgeführt
werden, beispielsweise um die von der Brennkraftmaschine erzeugte
mechanische Leistung zu erhöhen.
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In
einem ersten Schritt 91 wird mittels einer Heizeinrichtung 52 zumindest
ein Teil einer Katalysatoreinrichtung 51 geheizt bzw. auf
eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
Die vorbestimmte Temperatur liegt beispielsweise bei oder über einem
Flammpunkt für
die vorgesehene Mischung von Kraftstoff und Oxidationsmittel. Wenn
eine Katalysatoreinrichtung 51 vorgesehen ist, liegt die
vorbestimmte Temperatur bei oder über dem Flammpunkt in Gegenwart
des Katalysators an der Oberfläche
der Katalysatoreinrichtung 51.
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In
einem zweiten Schritt 92 wird die Brennkraftmaschine 12 angetrieben,
beispielsweise durch einen elektrischen oder pneumatischen Startermotor. Dadurch
wird die Brennkraftmaschine auf eine vorbestimmte Mindestdrehzahl
beschleunigt. In einem dritten Schritt 93 wird die Drehzahl
der Brennkraftmaschine gemessen. Diese Messung erfolgt während des
Antreibens der Brennkraftmaschine. Sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine
einen vorbestimmten Schwellenwert überschritten hat, der beispielsweise
bei 180 U/min liegt, werden in einem vierten Schritt 94 Kraftstoff
und Luft in einen Brennraum 21 der Vorrichtung 20 eingeleitet.
In einem fünften Schritt 95 verbrennt
ein Teil des eingeleiteten Kraftstoffs mit der eingeleiteten Luft.
In einem sechsten Schritt 96 wird durch das Verbrennen
erwärmter
unverbrannter Kraftstoff in einen Ansaugtrakt 10 der Brennkraftmaschine 12 eingeleitet.
Der fünfte
Schritt 95 und der sechste Schritt 96 können zwangsläufige Folgen
der vorangehenden Schritte sein, insbesondere bei geeigneter Wahl
des vorbestimmten Schwellenwerts der Drehzahl, bei geeigneter Wahl der
in den Brennraum 21 eingeleiteten Kraftstoff- und Luftmengen
und bei geeigneter Wahl der vorbestimmten Temperatur der Katalysatoreinrichtung 51. In
einem siebten Schritt 97 wird eine Drosselklappe 17 auf
eine vorbestimmte Öffnung
eingestellt.
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Der
erste Schritt 91, der zweite Schritt 92, der dritte
Schritt 93, der vierte Schritt 94, der fünfte Schritt 95,
der sechste Schritt 96 und der siebte Schritt 97 können zumindest
teilweise auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden.
Beispielsweise kann es abhängig
von der Heizleistung der Heizeinrichtung 52 ausreichend
sein, den zu erwärmenden
Teil der Oberfläche
der Katalysatoreinrichtung 51 erst unmittelbar vor dem
Zuführen
von Kraftstoff und Luft zu erwärmen.
Vorteilhaft aber nicht notwendigerweise fallen der Zeitpunkt, zu
dem der erwärmte
Teil der Katalysatoreinrichtung die vorbestimmte Temperatur erreicht
hat, der Zeitpunkt, zu dem die Brennkraftmaschine die vorbestimmte
Drehzahl erreicht hat, und der Beginn der Zufuhr von Kraftstoff
und Luft zu dem Brennraum zusammen. Zu Beginn der Verbrennung von
Kraftstoff mit Luft in dem Brennraum 21 kann das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in
dem Brennraum 21 so eingestellt werden, dass zumindest
die Oberfläche
der Katalysatoreinrichtung 51 möglichst schnell vollständig die
vorbestimmte Temperatur erreicht. Dies ist beispielsweise bei einem λ-Wert der
Verbrennung von 1, d. h. einer vollständigen Umsetzung von Kraftstoff
und Oxidationsmittel der Fall.
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In
einem achten Schritt 98 wird die Temperatur des erwärmten Kraftstoffs
mittels eines Temperatursensors 61 gemessen. In einem neunten
Schritt 99 wird die Verbrennung in dem Brennraum 21 abhängig von
der gemessenen Temperatur des erwärmten Kraftstoffs so gesteuert,
dass der erwärmte
Kraftstoff eine vorbestimmte Solltemperatur hat. Der achte Schritt 98 und
der neunte Schritt 99 werden dazu vorzugsweise periodisch
oder kontinuierlich wiederholt.
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In
einem zehnten Schritt 100 wird das Brennen in dem Brennraum 21 der
Vorrichtung 20 beendet. Dazu werden die Zufuhr von Kraftstoff
und/oder die Zufuhr von Luft in den Brennraum 21 beendet. Das
Brennen im Brennraum 21 wird beendet, wenn die Brennkraftmaschine 12 oder
zumindest relevante Bereiche von Oberflächen der Brennkraftmaschine 12 eine
vorbestimmte Temperatur erreicht haben. Alternativ wird das Brennen
nach einer vorbestimmten Zeitdauer beendet, nach der sichergestellt
ist, dass zumindest relevante Oberflächenbereiche der Brennkraftmaschine 12 die
vorbestimmte Temperatur erreicht haben. Dies kann bei einer Kolbenmaschine, bei
der die Temperatur der einlassseitigen Oberfläche des Einlassventils eines
Zylinders maßgebend ist,
nach wenigen Sekunden der Fall sein. Die vorbestimmte Zeitdauer
kann als Funktion der Umgebungstemperatur oder als Funktion der
Temperatur der Brennkraftmaschine eingestellt werden.
-
Beim
beschriebenen Startvorgang kann der gesamte zur Verbrennung in der
Brennkraftmaschine vorgesehene Kraftstoff auf die oben anhand der 4 beschriebene
Weise vorgewärmt
werden, bevor er über
einen Ansaugtrakt 10 der Brennkraftmaschine 12 zugeführt wird.
Alternativ wird nur ein Teil des zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine
vorgesehenen Kraftstoffs auf die beschriebene Weise erwärmt, während weiterer
Kraftstoff der Brennkraftmaschine auf andere Weise zugeführt wird,
beispielsweise über
Einspritzventile 14. Nach dem Ende des Startvorgangs kann
die Menge des erwärmten Kraftstoffs
diskontinuierlich oder kontinuierlich reduziert werden, während die
der Brennkraftmaschine 12 auf andere Weise zugeführte Kraftstoffmenge
entsprechend erhöht
wird.
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Die
oben anhand der 1 bis 3 beschriebenen
Vorrichtungen 20 und zumindest Teile des oben anhand der 4 dargestellten
Verfahrens können
auch nach einem Start einer Brennkraftmaschine und auch, wenn die
Brennkraftmaschine bereits ihre Betriebstemperatur erreicht hat,
verwendet werden, um der Brennkraftmaschine 12 Kraftstoff
zuzuführen.
Die Gesamtmenge des der Brennkraftmaschine 12 zugeführten Kraftstoffs
kann damit erhöht werden,
beispielsweise um die maximale von der Brennkraftmaschine 12 abgegebene
mechanische Leistung zu erhöhen.
Dabei wird beispielsweise durch Heizen 91 ein Teil einer
Katalysatoreinrichtung 51 in einem Brennraum 21 auf
eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
Kraftstoff und Luft oder ein anderes Oxidationsmittel werden in
den Brennraum geleitet 94. Ein Teil des Kraftstoffs verbrennt 95 mit
dem Oxidationsmittel in dem Brennraum 21 und erwärmt 96 den
unverbrannten Teil des Kraftstoffs. Die Temperatur des so erwärmten Kraftstoffs
wird gemessen 98 und das Brennen abhängig von der gemessenen Temperatur
des erwärmten
Kraftstoffs so gesteuert 99, dass der erwärmte Kraftstoff
eine vorbestimmte Temperatur aufweist.
-
Der
Brennprozess wird wie bei dem oben anhand der Figur beschriebenen
Verfahren beispielsweise durch Steuerung der Zufuhr von Kraftstoff und/oder
der Zufuhr von Oxidationsmittel gesteuert. Wenn die Brennkraftmaschine
und insbesondere deren Oberflächen,
an denen Kraftstoff kondensieren könnte, bereits eine erhöhte Temperatur,
insbesondere die Betriebstemperatur erreicht haben, kann die Temperatur
des erwärmten
Kraftstoffs auf einen niedrigeren vorbestimmten Wert eingestellt
werden als beim Start der Brennkraftmaschine 12 oder als
bei einer niedrigen Temperatur der relevanten Oberflächen der
Brennkraftmaschine 12.
-
Die
oben anhand der 1 bis 3 dargestellte
Vorrichtung und das oben anhand der 4 dargestellte
Verfahren sind beispielsweise bei einem Einsatz von Ethanol als
Otto-Kraftstoff
oder von Ethanol-haltigen Otto-Kraftstoffen verwendbar. Reines Ethanol
weist bei Normaldruck einen Siedepunkt von 78,4°C auf. Entsprechend gering ist
sein Dampfdruck bei Temperaturen um oder unter 0°C. Der Flammpunkt von Ethanol
liegt bei 425°C.
Um einerseits einer Entzündung
von Ethanol bereits im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine z verhindern
und andererseits eine möglichst
geringe Kondensation von Ethanol an kalten Oberflächen der
Brennkraftmaschine zu erzielen, wird die Temperatur des erwärmten Ethanols
beispielsweise auf 200°C
eingestellt. Zur Erzeugung von 1,55 g/s Ethanolgas bei 200°C werden
beispielsweise ca. 62 mg/s Ethanol verbrannt.
-
- 10
- Ansaugtrakt
einer Brennkraftmaschine
- 11
- Lumen
des Ansaugtrakts 10
- 12
- Brennkraftmaschine
- 13
- Zylinder
der Brennkraftmaschine 12
- 14
- Einspritzventil
der Brennkraftmaschine 12
- 15
- Kraftstoffleitung
- 16
- Kraftstoffpumpe
- 17
- Drosselklappe
- 18
- Antrieb
der Drosselklappe
- 19
- Luftfilter
- 20
- Vorrichtung
zum Erwärmen
von Kraftstoff
- 21
- Brennraum
- 22
- Wandung
des Brennraums 21
- 23
- teildurchlässiges Bauglied
- 30
- erstes
Ventil
- 31
- Ventilgehäuse des
ersten Ventils 30
- 32
- Öffnung
- 33
- Ventilglied
des ersten Ventils 30
- 34
- Spulenantrieb
des ersten Ventils 30
- 35
- Leitung
zum Spulenantrieb 34
- 36
- Einlass
des ersten Ventils 30
- 39
- Einspritzkegel
des ersten Ventils 30
- 40
- zweites
Ventil
- 41
- Ventilgehäuse des
zweiten Ventils 40
- 42
- Öffnung
- 43
- Ventilglied
des zweiten Ventils 40
- 44
- Spulenantrieb
des zweiten Ventils 40
- 45
- Leitung
zum Spulenantrieb 44
- 46
- Einlass
des zweiten Ventils 40
- 47
- Luftleitung
- 49
- Einspritzkegel
des zweiten Ventils 40
- 51
- Katalysatoreinrichtung
- 52
- Heizeinrichtung
- 54
- Heizstrahlung
- 55
- Leitung
zur Heizeinrichtung 52
- 61
- Temperatursensor
- 65
- Leitung
zum Temperatursensor 61
- 70
- Steuerung
- 71
- erster
Ausgang der Steuerung 70
- 72
- zweiter
Ausgang der Steuerung 70
- 73
- dritter
Ausgang der Steuerung 70
- 74
- Ausgang
der Steuerung 79
- 75
- Eingang
der Steuerung 70
- 79
- Steuerung
der Brennkraftmaschine
- 91
- erster
Schritt (Heizen einer Katalysatoreinrichtung)
- 92
- zweiter
Schritt (Antreiben der Brennkraftmaschine)
- 93
- dritter
Schritt (Messen der Drehzahl)
- 94
- vierter
Schritt (Zuführen
von Kraftstoff und Oxidationsmittel)
- 95
- fünfter Schritt
(Verbrennen eines Teils des Kraftstoffs)
- 96
- sechster
Schritt (Einleiten von erwärmtem Kraftstoff)
- 97
- siebter
Schritt (Einstellen einer Drosselklappe)
- 98
- achter
Schritt (Messen der Temperatur des erwärmten Kraftstoffs)
- 99
- neunter
Schritt (Steuern des Brennens)
- 100
- zehnter
Schritt (Beenden des Brennens)