DE102019114204B4 - Verfahren zum Vorheizen von Vorkammern einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeuges mittels Heißlufteinblasung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Vorheizen von Vorkammern (7) einer Verbrennungskraftmaschine (1) eines Fahrzeuges mittels Heißlufteinblasung, umfassend das Ausführen folgender Schritte, vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine (1):• Erkennen eines Motorstartevents, durch eine Steuereinheit (17) in einem ersten Schritt (S1);• Feststellen eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine, durch die Steuereinheit (17) in einem zweiten Schritt (S2);• Aktivieren von mindestens einem Heizelement (14) sowie von mindestens einem drucklufterzeugenden Mittel (22) in einem weiteren Schritt (S4, S5);• Öffnen von Lufteinblasventilen (11) in einem weiteren Schritt (S6);• Einblasen von Heißluft in wenigstens eine Vorkammer (7) in einem weiteren Schritt (S8); sowie nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine (1):• Änderung einer Steuerung (S11) von Heizelementen (14) und/oder dem drucklufterzeugenden Mittel (22) und/oder von Lufteinblasventilen (11) und/oder einer Steuereinheit (17).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise jene, die durch Vorkammern gekennzeichnet sind sowie insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Kaltstart- und Emissionsverhaltens einer anwendungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mittels Heißlufteinblasung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammern ist der Brennraum in einen Haupt- und einen Nebenbrennraum unterteilt. Der Hauptbrennraum wird durch die Wandinnenflächen von Zylindern sowie die Stirnflächen von Kolben und Gasaustauschventilen begrenzt. Der Nebenbrennraum ist durch die Wandinnenfläche der Vorkammern begrenzt. Für jeden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine ist eine Vorkammer in derart angeordnet, dass der Nebenbrennraum mittels Durchgangskanälen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Vorkammern umfassen einen Raum zur Gemischbildung aus Luft und Kraftstoff sowie geeigneten Mitteln zur Erwärmung und/oder Zündung eines Luft-Kraftstoffgemisches. Luft oder Restgas aus einem vorherigen Verbrennungszyklus wird den Vorkammern durch einen Lufteinlass oder über den Hauptbrennraum zugeführt oder ist in diesen noch vorhanden. Der Kraftstoff wird über ein Einspritzventil injiziert. Prinzipbedingt sind Wärme- und Strömungsverluste bei Vorkammerverfahren beispielsweise gegenüber Brennverfahren mit Direkteinspritzung erhöht, wodurch besonders im Kaltstart eine effiziente Erwärmung der Luft und/oder des Luft-Kraftstoffgemisches und/oder der Vorkammer selbst vorteilhaft ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind hierbei im Wesentlichen zwei grundlegende Lösungsansätze offenbart. Durch die Patentschrift JP 2 578 617 B2 ist zum einen die Möglichkeit bekannt, die Vorkammer selbst bzw. deren Wandung durch integrierte Heizelemente zu erwärmen. Die Heizelemente bestehen dabei aus elektrisch leitfähigem Material, werden elektrisch gespeist und erwärmen somit die Wandung der Vorkammer von innen heraus.
  • Zum anderen sind durch die Patentschriften JP S57- 131 822 A und DE 33 15 241 A1 Ausführungen bekannt, wobei elektrisch gespeiste Heizelemente im Inneren der Vorkammer angebracht sind, um die sich in der Vorkammer befindliche Luft und den Kraftstoff oder das Luft-Kraftstoffgemisch zu erwärmen. In JP S57- 131 822 A ist eine Vorkammer offenbart, wobei ein Heizelement stromabwärts des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist, welches mit Durchgangsbohrungen versehen ist, durch welche der aus dem Kraftstoffeinspritzventil abgegebene Kraftstoff gesprüht und dabei erwärmt wird. Aus DE 33 15 241 A1 ist eine Vorkammer bekannt, wobei eine Heizspirale angeordnet ist, um die Verbrennungsluft zu erwärmen. Diese ist in der Art konzipiert, dass während des Einspritzvorgangs des Kraftstoffes, dieser einen Teil der Verbrennungsluft durch seitliche Durchgangsbohrungen in den Hauptbrennraum schiebt, wodurch zusammen mit der Bewegung des Kolbens ein anderer Teil der Verbrennungsluft aus dem Hauptbrennraum, über Durchgangsbohrungen, zurück in die Vorkammer getrieben wird und dabei die Heizspirale passiert, sodass diese nunmehr erwärmte Verbrennungsluft mit der nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung vermischt wird.
  • Aus DE 10 2005 039 713 A1 ist weiterhin eine Methode bekannt, um eine solche Vorkammer durch Einblasung von Luft zu spülen, sodass für jeden neuen Gemischbildungs- und Zündvorgang definierte Bedingungen geschaffen werden. Hierfür wird eine separate Zuleitung in die Vorkammer geführt, welche Luft aus dem Ansaugtrakt entnimmt und durch die verbrennungsmotorisch bedingte Ansaugung fördert.
  • Aus DE 24 11 079 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen einer Vorkammer während des Kaltstarts und der Warmlaufphase einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei heißes Abgas, das über ein Auslassventil den Hauptbrennraum verlässt, über einen zusätzlichen Kanal in einen Hohlraum zwischen der Außenwand der Vorkammer und der Innenwand des Zylinderkopfs der Verbrennungskraftmaschine geführt wird, um nach solcherart die Vorkammer von außen aufzuwärmen. Zum Beenden dieses Aufheizverfahrens ist der zusätzliche Kanal mit einer Sperrvorrichtung versehen, die temperatur- oder zeitabhängig gesteuert sein kann.
  • Aus US 4 421 079 A ist eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei innerhalb der Vorkammer ein Hohlkörper angebracht ist, dessen Innenraum über Durchgangsbohrungen mit dem Innenraum der Vorkammer verbunden ist, wobei sich der Hohlkörper durch heiße Gase aus dem Hauptbrennraum erwärmen sowie in die Vorkammer eingespritzter Kraftstoff den Hohlkörper benetzen und an diesem verdampfen soll, sodass die Gemischbildung verbessert wird.
  • Im Hinblick auf die Verbesserung des Kaltstart- und Emissionsverhaltens von Verbrennungskraftmaschinen entstehen Anforderungen, den Brennraum und insbesondere die Vorkammern bereits vor Start der Verbrennungskraftmaschine sowohl thermisch als auch bezüglich der vorliegenden Fluidzusammensetzung zu konditionieren. Heizelemente in der Vorkammer anzuordnen, birgt den Nachteil, dass Kraftstoff ungeordnet mit der Oberfläche der Heizelemente in Berührung kommen kann und somit unkontrolliert verdampft oder entzündet.
  • Weiterhin sind Heizelemente, die nach solcherart angeordnet sind, mitunter erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt, welche aufgrund von Strömungen der Luft oder des Luftkraftstoffgemisches aufkommen können und versperren weiterhin Arbeitsvolumen der Vorkammer. Mittels Heizelementen beheizte Wandungen von Vorkammern werden mit der Verbrennungskraftmaschine selbst konzipiert, wobei die Heizelemente fest im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine verbaut sind. Hierfür weisen die nach solcherart konzipierten Vorkammern speziell abgestimmte geometrische Abmessungen auf. Eine nachträgliche Anpassung der Heizelemente oder Nachrüsten einer aktiven Vorkammerbeheizung ist in den zugrundeliegenden Lösungsansätzen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Die Spülung von Vorkammern mittels Lufteinblasung, welche über die Ansaugung bzw. Ladung im Ansaugtrakt entnommen wird, kann lediglich während des laufenden Betriebs der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Somit beziehen sich die aus den bekannten Mitteln entstehenden Effekte auf die Unterstützung der Aufwärmphase der Verbrennungskraftmaschine, verbessern jedoch nicht unmittelbar das Kaltstartverhalten und somit die Emissionen selbst.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung ist es daher Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das eine Verbesserung des Kaltstart- und damit auch des Emissionsverhaltens einer Verbrennungskraftmaschine mit Vorkammer bewirkt, bevor diese gestartet ist und das unabhängig vom Aufbau der Vorkammer ist, sodass diese mit geringem Aufwand in bestehende Verbrennungskraftmaschinen integriert werden kann.
  • Lösung der Aufgabe
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verbesserung von Kaltstart- und Emissionsverhalten von Verbrennungskraftmaschinen mittels Heißlufteinblasung nach den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 3 sowie einer Vorrichtung nach dem Merkmal des Patentanspruches 4 erfüllt.
  • Darstellung und Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Heißlufteinblasung in eine Vorkammer einer Verbrennungskraftmaschine. Die Intention des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammern und einer Konditionierung sowohl von der Temperatur der Brennraumwandungen und der sich darin befindlichen Gase, als auch die Gaszusammensetzung unmittelbar vor Start. Dies wird durch das Einblasen von Heißluft erreicht, während sich die Verbrennungskraftmaschine im Stillstand befindet. Eine Vorkonditionierung von Vorkammern mit Heißluft verbessert zusätzlich das Verdampfen des Kraftstoffes während der Gemischbildung. Zum besseren Verständnis und als Unterstützung der Beschreibung wird sich auf folgende Abbildungen bezogen. Hierbei zeigen
    • 1 eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
    • 2 einen Prozessablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Bezugnehmend auf 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren auf Verbrennungskraftmaschinen (1) angewendet, welche mindestens einen Zylinder (2), mindestens einen Kolben (3), wenigstens ein Einlassventil (4) sowie wenigstens ein Auslassventil (5) umfassen, sodass ein Hauptbrennraum (6) durch die Wandung der Zylinder (2) sowie der Stirnflächen der Kolben (3) und der Gaswechselventile (4, 5) gebildet wird, sowie welche wenigstens eine Vorkammer (7) umfassen, die den Nebenbrennraum bildet und über Durchgangskanäle mit dem Hauptbrennraum (6) verbunden ist. In jeder Vorkammer (7) sind mindestens ein Zündelement (8) sowie mindestens ein Injektor (9) angeordnet, sodass diese von außerhalb der Vorkammer (7) durch deren Wandungen in den Nebenbrennraum hineinreichen. Zündelemente (8) können bekannte Zündkerzen oder sonstige elektrisch leitfähige Vorrichtungen sein, die eine Entzündung eines in den Vorkammern (7) befindlichen Gasgemisches oder Luft-Kraftstoffgemisches bewirken können. Über den wenigstens einen Injektor (9) kann dem Nebenbrennraum Kraftstoff, über zumindest ein Kraftstoffeinspritzventil (10), sowie Luft, über zumindest ein Lufteinblasventil (11), zugeführt werden. Kraftstoffeinspritzventile (10) werden über eine Kraftstoffzuleitung (12) mit Kraftstoff sowie Lufteinblasventile (11) über eine Luftzuleitung (13) mit Luft versorgt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Kraftstoffeinspritzventile (10) und Lufteinblasventile (11) der jeweiligen Vorkammer (7) in einem gemeinsamen Luft-Kraftstoffinjektor (9) zusammengefasst. Alternativ kann jedes Kraftstoffventil (10) sowie jedes Lufteinblasventil (11) in einem separaten Injektor (9) angeordnet sein. Weiterhin ist die mögliche Anzahl an Kraftstoffeinspritzventilen (10) und Lufteinblasventilen (11), welche einer Vorkammer (7) zugeordnet sind, beliebig.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft wird erhitzte Luft über die Lufteinblasventile (11) und Injektoren (9) in die Vorkammern (7) eingeblasen. Dazu ist in der Heißluftzuleitung (13) ein Heizelement (14) angeordnet, welches über einen elektrischen Energiespeicher (18) gespeist und über eine Steuereinheit (17) angesteuert wird. In einer Fahrzeuganwendung kann der elektrische Energiespeicher (18) die Fahrzeugbatterie sein. Alternativ kann jede weitere in einem Fahrzeug oder einer sonstigen Endanwendung befindliche Batterie oder ein für dieses Verfahren zusätzlich integrierter elektrischer Energiespeicher (18), wie beispielsweise ein Kondensator sein. In einer Fahrzeuganwendung kann die Steuereinheit (17) das Motorsteuergerät sein.
  • Alternativ kann ein zusätzliches Steuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Endanwendung integriert sein. Das elektrische Heizelement (14) kann ein elektrischer Leiter sein, der in Kontakt mit der Heißluftzuleitung (13) steht. Alternativ kann das elektrische Heizelement (14) in der Art konzipiert sein, um einen Teil der Heißluftzuleitung (13) induktiv zu erwärmen.
  • Heißluftzuleitungen (13) sind als Abzweigungen von der Frischluftversorgung der Verbrennungskraftmaschine (1) angeordnet und entnehmen Luft aus Einlasskanälen (15). Die Abzweigung der Heißluftzuleitungen (13) kann insbesondere stromaufwärts von Mitteln, welche die Temperatur der Luft verändern, wie Ladeluftkühler (24), angeordnet sein. Alternativ kann die Abzweigung der Heißluftzuleitungen (13) an jeder anderen Stelle der Frischluftversorgung angeordnet sein, insofern sie sich stromaufwärts einer Drosselklappe (25) oder einer sonstigen Vorrichtung befindet, welche eine Versperrung des Einlasskanals (15) erlaubt. Ein Versperren der Einlasskanäle (15) kann notwendig sein, um Luft durch die Heißluftzuleitungen (13) zu führen und nicht in den Hauptbrennraum (6), besonders, wenn die Stellung der Gaswechselventile (4, 5), insbesondere der Einlassventile (4) nicht bekannt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Abzweigung der Heißluftzuleitungen (13) stromabwärts eines Verdichters (22) eines Turboladers (21) angeordnet. Der Verdichter (22) saugt Frischluft stromabwärts eines Luftfilters (20) an und überführt diese in die Einlasskanäle (15). Damit die Vorkammern (7) mit Heißluft versorgt werden, wird das Lufteinblasventil (11) und der Injektor (9) geöffnet sowie die Drosselklappe (25) anteilig oder vollständig geschlossen. Zur Erhitzung der Luft wird das Heizelement (14) aktiviert. Um die Heißlufteinblasung in vorteilhafter Art und Weise bei stehender Verbrennungskraftmaschine (1) zu realisieren, ist die Welle des Verdichters (22) mit einer elektrischen Maschine (19) verbunden, welche vom elektrischen Energiespeicher (18) gespeist und durch die Steuereinheit (17) angesteuert wird. Alternativ können die Heißluftzuleitungen (13) eine gesonderte Frischluftversorgung aufweisen sowie über eine eigene Pumpe oder einen eigenen Verdichter verfügen, sodass eine Frischluftversorgung für das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig vom Luftpfad der Verbrennungskraftmaschine (1) ist.
  • Je nach Stellung des Ventiltriebes und somit der Gaswechselventile (4, 5) der stehenden Verbrennungskraftmaschine (1) wird die nach solcherart in die Vorkammern (7) eingeblasene Heißluft weiter in den Hauptbrennraum (6), die Auslasskanäle (16) oder in die Einlasskanäle (15) geschoben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Erwärmung nicht nur der Vorkammer (7), sondern auch weiterer Komponenten der Verbrennungskraftmaschine (1). Da dies insbesondere vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgt, kann somit vorteilhaft das Kaltstartverhalten verbessert werden, aufgrund der nunmehr erwärmten Vorkammern (7) sowie der in den Brennräumen befindlichen erhitzten Luft.
  • In 2 ist ein Prozessablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der Erkennung eines Motorstartevents (S1) in einem ersten Schritt initialisiert. Ein Motorstartevent im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Feststellung, dass in unmittelbarer zeitlicher Nähe ein Start der Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgen soll. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Motorstartevent durch das Entriegeln des Fahrzeuges erkannt. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform wird ein Motorstartevent durch eine Kontaktaufnahme des Fahrers mit dem Fahrzeug erkannt. Die Kontaktaufnahme kann hierbei durch die Aktivierung von Fahrzeugfunktionen, wie beispielsweise eine Standheizung, oder weiteren Funktionen über eine drahtlose Verbindung mit dem Fahrzeug oder mit einer dem Fahrzeug zugehörigen Komponente sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Motorstartevent durch die Annäherung des Fahrers erkannt. Dies kann durch die Erkennung eines fahreridentifizierenden Mittels, wie den Fahrzeugschlüssel oder ein Mobiltelefon, erfolgen, wenn dieses Mittel eine vorzugsweise drahtlose Kontaktaufnahme mit dem Fahrzeug ermöglicht. Alternativ kann es durch das Erkennen eines elektronischen Mediums, welches vom Fahrer für das Fahrzeug identifiziert wurde, in einem drahtlosen Netzwerk, wie zum Beispiel das Heimnetzwerk des Fahrers, erfolgen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine dem erfindungsgemäßen Verfahren zugehörige Steuereinheit ein Programm enthalten, welches das Start- und Fahrverhalten des Fahrers speichert und statistisch aufbereitet oder weiterverarbeitet, um zyklische Starts der Verbrennungskraftmaschine (1) vorherzusagen. So kann in vorteilhafter Art und Weise insbesondere der erste Kaltstart des Tages, welcher beispielsweise durch den täglichen Arbeitsweg des Fahrers bekannt ist, verbessert werden. In Kombination mit einer Zeitsteuerung kann so zu Tageszeiten, in welchen ein Start der Verbrennungskraftmaschine (1) wahrscheinlich ist, die Vorkonditionierung der Vorkammern (7) mittels Heißlufteinblasung erfolgen.
  • Wurde ein Motorstartevent erfolgreich erkannt, werden in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens Kaltstartbedingungen überprüft (S2), indem der aktuelle Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (1) festgestellt wird. Dies ist erforderlich, da die Vorkonditionierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise der Kaltstartoptimierung dient und bei einer bereits auf Betriebstemperatur befindlichen Verbrennungskraftmaschine (1), aufgrund des Verbrauchs elektrischer Energie für die Heizelemente (14) und den Antrieb des Kompressors (22), nicht wirtschaftlich und in Bezug auf den Energieverbrauch des Fahrzeuges nicht umweltförderlich ist. Zusätzlich muss der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers (18) überwacht werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren bei niedrigem Ladezustand gegebenenfalls ausgelassen werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Kaltstartbedingungen vorzugsweise über vorhandene Funktionen der Steuereinheit (17) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder über die Werte von Temperatursensoren überprüft. So kann die Öltemperatur als Indiz für einen kalten oder betriebswarmen Zustand herangezogen werden. Alternativ können sämtliche weiteren Temperaturkenngrößen angewendet werden, welche die Beurteilung von Kaltstartbedingungen ermöglichen. Alternativ kann die Zeit seit dem letzten Abstellen der Verbrennungskraftmaschine (1) als Indiz für Kaltstartbedingungen angewendet werden. Zur Definition der Kaltstartbedingungen können physikalische Kenngrößen, wie Temperatur oder Zeit parametrierbar sein, sodass sie für den spezifischen Anwendungsfall eingestellt werden können.
  • Liegt ein kaltstartbestimmender Parameter außerhalb der erforderlichen Grenzen, ist ein Batterieladezustand zu gering oder liegen weitere Anforderungen im Fahrzeug an, welche einen Kaltstart verhindern, oder mit anderen Worten, sind die Kaltstartbedingungen trotz eines erkannten Motorstartevents nicht erfüllt, erfolgt in einem weiteren Schritt ein Warmstart der Verbrennungskraftmaschine (1), in der Art, wie er in der zugehörigen Steuereinheit (17) hinterlegt ist (S3).
  • Sind die Kaltstartbedingungen positiv geprüft, folgen weitere Schritte zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Heizelemente (14) und der Verdichter (22) aktiviert (S4, S5), die Lufteinblasventile (11) und Injektoren geöffnet (S6) sowie die Einlasskanäle (4) verschlossen (S7) werden. Diese Schritte sind nicht auf ihre Reihenfolge festgelegt, sodass sie in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgen die Schritte (S4, S5, S6, S7) des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig, sodass kein Zeitverlust entsteht. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Zeit zwischen der Erkennung eines Motorstartevents (S1) und dem eigentlichen Start der Verbrennungskraftmaschine (1) unbekannt ist und somit auch gering sein kann.
  • In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind je nach Verbrennungszyklus beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine (1) bestimmte Gaswechselventile (4, 5), insbesondere Einlassventile (4) verschlossen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird der Einlasskanal (15) durch die Stellung einer Drosselklappe (25) versperrt. Alternativ kann eine Verbrennungskraftmaschine (1) zylinderindividuelle Ventilabschaltungen ausführen, sodass einzelne Einlassventile (4) elektrisch oder hydraulisch geschlossen werden können.
  • In einem weiteren Schritt werden nunmehr die Vorkammern (7) mit der Heißluft geflutet (S8). Je nach der Zeit bis zum Start der Verbrennungskraftmaschine (1) erwärmt sich die Wandung der Vorkammer (7) unterschiedlich stark und/oder weitere Komponenten können erwärmt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Heißluft auf maximal 150°C erwärmt, sodass ein ausreichender Erwärmungseffekt eintreten kann, jedoch weitere Komponenten der Zuleitungen (13) nicht beschädigt werden. Alternativ kann die Heißluft auf jede weitere Temperatur erwärmt werden. Ein bestimmter Fluiddruck der Heißluft ist hierbei nicht erforderlich, da die Heißluft lediglich in die Vorkammern (7) transportiert werden soll, sodass der Verdichter (22) nicht mit seiner Nennleistung betrieben werden muss, was sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch auswirkt.
  • In einem weiteren Schritt wird der Start der Verbrennungskraftmaschine (1) überwacht (S9), wobei diese auf einen laufenden Betrieb überprüft wird, sodass das Aufheizen der Vorkammer (7) durch die Heißlufteinblasung (S8) solange erfolgt, bis die Verbrennungskraftmaschine (1) gestartet ist. Nach Start der Verbrennungskraftmaschine (1) oder nach Ablauf einer festgelegten Zeit nach einem Start oder bei Erreichen von Warmbedingungen (S10) wird das erfindungsgemäße Verfahren wieder deaktiviert oder von anderen Steuerungsfunktionen der Steuereinheit (17) kontrolliert. Dies ist erforderlich, da bei einer im warmen Betriebszustand befindlichen Verbrennungskraftmaschine (1) nunmehr Wärme aus der Vorkammer (7) und den Brennräumen ausgetragen werden soll. Eine Heißlufteinblasung ist hierbei kontraproduktiv. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden zur Erkennung eines Betriebszustandes unter Warmbedingungen (S10) die gleichen Parameter der Kaltstartbedingungen überprüft und mit abweichenden Grenzwerten versehen, sodass beispielsweise eine Mindestöltemperatur oder eine Mindestzeitdauer nach Start der Verbrennungskraftmaschine (1) erreicht sein muss. Alternativ können Warmbedingungen (S10) in einem auf der Steuereinheit (17) angeordneten Programm durch Modellierung und/oder Berechnungen, basierend auf dem Lastkollektiv und den Fahrbedingungen abgeschätzt werden.
  • Sind Warmbedingungen erkannt (S10), wird in einem letzten Schritt der Steuerungsmodus für die Komponenten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geändert (S11). Die Änderung des Steuerungsmodus (S11) im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Komponenten Lufteinblasventile (11), Injektoren (9), Heizelemente (14), elektrische Maschine (19), Verdichter (22) sowie Drosselklappe (25) durch Funktionen der Steuereinheit (17) kontrolliert werden, welche dem entsprechenden normalen oder sonstigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (1) dienlich sind. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden hierbei die Lufteinblasventile (11) geschlossen sowie die Heizelemente (14) und die elektrische Maschine (19) abgeschaltet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform unterstützt die elektrische Maschine (19) den Kompressor (22) oder den Abgasturbolader (21). Weiterhin ist die aktive Spülung von Vorkammern (7) vorteilhaft, sodass die Lufteinblasventile (11) in einer weiteren alternativen Ausführungsform ebenfalls von der Steuereinheit (17) kontrolliert werden, sodass an den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (1) angepasste Spülfunktionen realisiert werden können. Alternativ kann die elektrische Maschine (19) in Betriebszuständen mit Überschuss an Abgasenergie als Generator betrieben werden und somit den elektrischen Energiespeicher (18) laden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Steuerung der Lufteinblasventile (11) und Heizelemente (14) in der Art verändert, dass eine angepasste Heißlufteinblasung in bestimmten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine (1) ausgeführt wird. In einer vorteilhaften Ausführung ist ein gegebener Betriebszustand die Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (1). Alternativ kann in jedem weiteren Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine (1) Heißluft in Vorkammern (7) eingeblasen werden. Durch Einblasung von heißer Luft in Vorkammern (7) in betriebswarmen Zustand der Verbrennungskraftmaschine (1) kann eine Verdampfung von flüssigem Kraftstoff insoweit unterstützt werden, dass der Anteil an gasförmigen und festen Abgasbestandteilen reduziert wird.
  • Ausführungsbeispiel
  • Nachfolgend werden verschiedene Varianten von Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt. Zum besseren Verständnis und als Unterstützung der Beschreibung wird sich auf folgende Abbildungen bezogen. Hierbei zeigen:
    • 3 eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit separatem Verdichter sowie
    • 4 eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit separater Luftversorgung.
  • Bezugnehmend auf 3 umfasst eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wie bereits beschriebene Verbrennungskraftmaschine (1) mit Vorkammern (7), wobei die Heißluftzuleitungen (13) ebenfalls Abzweigungen der Frischluftversorgung der Einlasskanäle (15) sind, jedoch über einen separaten Verdichter (22) verfügen. Dieser kann als eine pneumatische Pumpe mit integriertem Antrieb ausgeführt sein, sodass dieser elektrisch über eine Batterie (18) gespeist sowie durch die Steuereinheit (17) angesteuert wird. Erfindungsgemäß vorteilhaft kann dieser Verdichter (22) auf eine geringere Nennleistung als ein zur Verbrennungskraftmaschine (1) zugehöriger Verdichter (22) oder Abgasturbolader (21) ausgelegt sein. Somit wird in vorteilhafter Art und Weise weniger elektrische Energie zur Förderung der Luft durch die Heißluftzuleitungen (13) benötigt.
  • In 3 ist beiläufig eine Stellung der Gaswechselventile (4, 5) für einen Zylinder (2) veranschaulicht, wobei sowohl die Einlassventile (4) als auch die Auslassventile (5) geschlossen sind. Hierbei wird die in die Vorkammern (7) eingeblasene Heißluft lediglich weiter in den Hauptbrennraum (6) geleitet und erwärmt diesen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Bezug auf 4 genommen, wobei eine beschriebene Verbrennungskraftmaschine (1) mit Vorkammern (7) Heißluftzuleitungen (13) mit separatem Verdichter (22) umfasst. Die Frischluftversorgung erfolgt hierbei zusätzlich durch eine separate, von den Einlasskanälen unabhängige Zuleitung. Somit kann auf die Versperrung der Einlasskanäle (15) durch eine Drosselklappe (25) oder jede weitere Vorrichtung dazu verzichtet werden. Hierbei kann ein System bestehend aus Injektoren (9), Einblasventilen (11), Heißluftzuleitungen (13), Heizelementen (14) sowie einem Verdichter (22) und zusätzlicher Peripherie zum Anschluss an eine Frischluftversorgung auch als Nachrüstlösung ausgeführt sein, um das erfindungsgemäße Verfahren in bestehende Verbrennungskraftmaschinen (1) zu integrieren.
  • In 4 ist beiläufig eine Stellung der Gaswechselventile für einen Zylinder (2) veranschaulicht, wobei die Einlassventile (4) geöffnet und die Auslassventile (5) geschlossen sind. Hierbei wird die in die Vorkammern (7) eingeblasene Heißluft weiter in den Hauptbrennraum (6) geleitet und kann zusätzlich in den Einlasskanal (15) des entsprechenden Zylinders (2) gelangen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Zylinder
    3
    Kolben
    4
    Einlassventil
    5
    Auslassventil
    6
    Hauptbrennraum
    7
    Vorkammer
    8
    Zündelement
    9
    Injektor
    10
    Kraftstoffeinspritzventil
    11
    Lufteinblasventil
    12
    Kraftstoffzuleitung
    13
    Heißluftzuleitung
    14
    Heizelement
    15
    Einlasskanal
    16
    Auslasskanal
    17
    Steuereinheit
    18
    elektrischer Energiespeicher
    19
    elektrische Maschine
    20
    Luftfilter
    21
    Abgasturbolader
    22
    Verdichter
    23
    Turbine
    24
    Ladeluftkühler
    25
    Drosselklappe
    S1
    Motorstartevent erkennen
    S2
    Kaltstart überprüfen
    S3
    Warmstart ausführen
    S4
    Heizelement aktivieren
    S5
    Verdichter aktivieren
    S6
    Lufteinblasventil öffnen
    S7
    Einlasskanal verschließen
    S8
    Vorkammer aufheizen
    S9
    Motorbetrieb erkennen
    S10
    Warmbedingungen überprüfen
    S11
    Steuerung ändern

Claims (4)

  1. Verfahren zum Vorheizen von Vorkammern (7) einer Verbrennungskraftmaschine (1) eines Fahrzeuges mittels Heißlufteinblasung, umfassend das Ausführen folgender Schritte, vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine (1): • Erkennen eines Motorstartevents, durch eine Steuereinheit (17) in einem ersten Schritt (S1); • Feststellen eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine, durch die Steuereinheit (17) in einem zweiten Schritt (S2); • Aktivieren von mindestens einem Heizelement (14) sowie von mindestens einem drucklufterzeugenden Mittel (22) in einem weiteren Schritt (S4, S5); • Öffnen von Lufteinblasventilen (11) in einem weiteren Schritt (S6); • Einblasen von Heißluft in wenigstens eine Vorkammer (7) in einem weiteren Schritt (S8); sowie nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine (1): • Änderung einer Steuerung (S11) von Heizelementen (14) und/oder dem drucklufterzeugenden Mittel (22) und/oder von Lufteinblasventilen (11) und/oder einer Steuereinheit (17).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorstartevent über eine aktive Kontaktaufnahme des Fahrers mit dem Fahrzeug und/oder den Abstand des Fahrers zum Fahrzeug erkannt und/oder durch eine Zeitsteuerung definiert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass drucklufterzeugende Mittel einen Verdichter (22) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder einen Verdichter (22) eines Abgasturboladers (21) und/oder einen separaten Verdichter (22) umfassen.
  4. Vorrichtung die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 auszuführen.
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