DE102019127417A1 - Vorkammerheizungssystem - Google Patents

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Abstract

Das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem (1) für einen vorkammereingespritzten Verbrennungsmotor umfasst eine Vorkammer (2), einen elektrischen Widerstand (4) und ein Steuergerät (5), wobei der elektrische Widerstand (4) und die Vorkammer (2) thermisch verbunden sind, und wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, einen Strom durch den elektrischen Widerstand (4) derart zu steuern, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand (4) an die Vorkammer (2) übertragen wird.The pre-chamber heating system (1) for a pre-chamber injected internal combustion engine according to the invention comprises an antechamber (2), an electrical resistor (4) and a controller (5), wherein the electrical resistor (4) and the pre-chamber (2) are thermally connected, and wherein Control device (5) is arranged to control a current through the electrical resistance (4) such that a quantity of heat from the electrical resistance (4) is transmitted to the prechamber (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorkammerheizungssystem für einen vorkammereingespritzten Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Beheizen einer Vorkammer.The invention relates to a pre-chamber heating system for a pre-chamber injected internal combustion engine and to a method for heating an antechamber.

Die EP1464804B1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Vorkammer.The EP1464804B1 discloses an internal combustion engine with antechamber.

Das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem für einen vorkammereingespritzten Verbrennungsmotor umfasst eine Vorkammer, einen elektrischen Widerstand und ein Steuergerät, wobei der elektrische Widerstand und die Vorkammer thermisch verbunden sind, und wobei das Steuergerät eingerichtet ist, einen Strom durch den elektrischen Widerstand derart zu steuern, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand an die Vorkammer übertragen wird.The pre-chamber heating system for a pre-chamber injected internal combustion engine according to the invention comprises an antechamber, an electrical resistor and a controller, wherein the electrical resistance and the pre-chamber are thermally connected, and wherein the controller is adapted to control a current through the electrical resistance such that a heat quantity of the electrical resistance is transmitted to the antechamber.

Das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem ermöglicht eine Erhöhung der Temperatur der Vorkammer, dadurch dass ein Strom durch den Widerstand gesteuert wird. Dies erfolgt vorteilhafterweise kurz vor einem Verbrennungsmotorstart, so dass die negativen Effekte eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors reduziert werden.The prechamber heating system according to the invention makes it possible to increase the temperature of the prechamber by controlling a current through the resistor. This advantageously takes place shortly before an engine start, so that the negative effects of a cold start of the internal combustion engine are reduced.

Zu diesen negativen Effekten beim Kaltstart zählt beispielsweise eine mögliche Kraftstoffkondensation innerhalb der Vorkammer, wenn diese eine zu geringe Temperatur aufweist. Dies kann zu einer Reduktion der Effizienz und/oder einer Erhöhung der Partikelemission des Verbrennungsmotors führen. Zusätzlich kann eine Kraftstoffkondensation innerhalb der Vorkammer zu einer Erhöhung der Partikelablagerung stromabwärts der Vorkammer führen. Dies senkt die Haltbarkeit des Verbrennungsmotors.Such negative effects during cold start-up include, for example, possible fuel condensation within the pre-chamber, if it has too low a temperature. This can lead to a reduction in the efficiency and / or an increase in the particle emission of the internal combustion engine. In addition, fuel condensation within the prechamber may result in an increase in particulate deposition downstream of the prechamber. This lowers the durability of the internal combustion engine.

Das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen. Der Strom kann mit einer Batterie des Fahrzeugs erzeugt werden.The pre-chamber heating system according to the invention is particularly suitable for use in internal combustion engines in vehicles. The power can be generated with a battery of the vehicle.

Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem insbesondere für hauptsächlich elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als Range Extender. da Batterien dieser Fahrzeuge eine größere Speicherkapazität aufweisen als konventionelle Fahrzeuge.Furthermore, the pre-chamber heating system according to the invention is particularly suitable for mainly electrically powered vehicles with internal combustion engine as a range extender. because batteries of these vehicles have a larger storage capacity than conventional vehicles.

Zusätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Vorkammerheizungssystem insbesondere für Verbrennungsmotoren, die mit mageren Gemischen betrieben werden.In addition, the prechamber heating system according to the invention is particularly suitable for internal combustion engines, which are operated with lean mixtures.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrischen Beheizen einer Vorkammer mittels eines Vorkammerheizungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst die Schritte:

  1. a) Ermitteln einer ersten Temperatur der Vorkammer durch das Steuergerät;
  2. b) Vergleichen der Temperatur mit einem Grenzwert für die Temperatur durch das Steuergerät;
  3. c) Für den Fall, dass die Temperatur kleiner als der Grenzwert ist, mittels des Steuergerätes steuern eines Stroms durch den elektrischen Widerstand derart, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand an die Vorkammer übertragen wird.
The method according to the invention for electrically heating an antechamber by means of an antechamber heating system according to one of the preceding claims comprises the steps:
  1. a) determining a first temperature of the prechamber by the control unit;
  2. b) comparing the temperature with a temperature limit by the controller;
  3. c) In the event that the temperature is less than the limit value, by means of the control unit controlling a current through the electrical resistance such that a quantity of heat is transmitted from the electrical resistance to the prechamber.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystems ergeben sich ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages of the antechamber heating system according to the invention also result for the method according to the invention.

Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe further advantageous embodiments of the invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the following figures.

Dabei zeigt

  • 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorkam merheizungssystems,
  • 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystems, und
  • 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystems.
It shows
  • 1 schematically a first embodiment of the Vorkam merheizungssystems invention,
  • 2 schematically a second embodiment of the antechamber heating system according to the invention, and
  • 3 schematically a second embodiment of the antechamber heating system according to the invention.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorkammerheizungssystem 1 für einen vorkammereingespritzten Verbrennungsmotor. Dieses umfasst eine Vorkammer 2, einen elektrischen Widerstand 4 und ein Steuergerät 5, wobei der elektrische Widerstand 4 und die Vorkammer 2 thermisch verbunden sind, und wobei das Steuergerät 5 eingerichtet ist, einen Strom durch den elektrischen Widerstand 4 derart zu steuern, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand 4 an die Vorkammer 2 übertragen wird. 1 shows an inventive antechamber heating system 1 for a pre-chamber injected internal combustion engine. This includes an antechamber 2 , an electrical resistance 4 and a controller 5 where the electrical resistance 4 and the antechamber 2 are thermally connected, and wherein the control unit 5 is set up a current through the electrical resistance 4 to control such that a quantity of heat from the electrical resistance 4 to the antechamber 2 is transmitted.

Die Außenwand 3 bildet wenigstens abschnittsweise den elektrischen Widerstand 4 aus.The outer wall 3 forms at least partially the electrical resistance 4 out.

Es wird eine technisch einfache Integration des Vorkammerheizungssystem 1 in bestehende Verbrennungsmotoren ermöglicht, da keine mechanischen Veränderungen an einer bestehenden Vorkammer vorgenommen werden müssen. Lediglich eine zusätzliche Anbringung von beispielsweise Elektroden muss vorgenommen werden, was auch bei bestehenden Systemen einfach möglich ist.It will be a technically simple integration of the pre-chamber heating system 1 in existing internal combustion engines, since no mechanical changes to an existing antechamber must be made. Only an additional attachment of, for example, electrodes must be made, which is easily possible even with existing systems.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystems 1. Der elektrische Widerstand 4 ist hier als Heizwendel 6 ausgebildet. 2 shows a second embodiment of the pre-chamber heating system according to the invention 1 , The electrical resistance 4 is here as a heating coil 6 educated.

Die Heizwendel 6 wurde während der Herstellung der Vorkammer 2 in diese eingegossen. Die Heizwendel 6 umfasst einen elektrisch leitenden Draht und eine elektrisch isolierende Ummantelung. Diese umfasst Polyethylen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0.5 W/(mK), so dass ein effektiver Wärmetransport von dem Draht zur Vorkammerwand erfolgen kann.The heating coil 6 was during the preparation of the antechamber 2 poured into this. The heating coil 6 includes an electrically conductive wire and an electrically insulating sheath. This includes polyethylene with a thermal conductivity of 0.5 W / (mK), so that an effective heat transfer from the wire to the antechamber wall can take place.

Die Heizwendel 6 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel über eine Länge von mindestens 70% der Vorkammerlänge. Die Vorkammerlänge ist dabei die Länge, über die sich die Vorkammer an ihrer längsten Stelle erstreckt.The heating coil 6 extends in this embodiment over a length of at least 70% of the pre-chamber length. The prechamber length is the length over which the prechamber extends at its longest point.

Die Wicklungen der Heizwendel 6 erstrecken sich jeweils über 80% des Durchmessers der Vorkammer 2. Dadurch wird eine gleichmäßige und schnelle Erwärmung der Vorkammer 2 ermöglicht.The windings of the heating coil 6 each extend over 80% of the diameter of the antechamber 2 , As a result, a uniform and rapid heating of the antechamber 2 allows.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystems 1, wobei die Heizwendel 6 mindestens abschnittsweise von außen zugänglich positioniert ist. 3 shows a third embodiment of the antechamber heating system according to the invention 1 , where the heating coil 6 is at least partially positioned accessible from the outside.

Die Vorkammer 2 wurde während der Herstellung in der Außenwand 3 mit einem Außengewinde versehen. Anschließend wurde die Heizwendel 6 in dem Außengewinde positioniert.The antechamber 2 was during production in the outer wall 3 provided with an external thread. Subsequently, the heating coil 6 positioned in the external thread.

Die Heizwendel 6 erstreckt sich über eine Länge von 40% der Länge der Vorkammer 2. Das Außengewinde erstreckt sich dabei nur über Bereiche der Vorkammer 2, welche für eine mechanische Bearbeitung leicht zugänglich sind. Damit wird eine einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Vorkammerheizungssystem 1 ermöglicht.The heating coil 6 extends over a length of 40% of the length of the antechamber 2 , The external thread extends only over areas of the prechamber 2 , which are easily accessible for mechanical processing. This is a simple production of the pre-chamber heating system according to the invention 1 allows.

Gemäß eines Ausführungsbeispiels umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum elektrischen Beheizen einer Vorkammer 1 mittels eines Vorkammerheizungssystems 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche die Schritte:

  1. a) Ermitteln einer ersten Temperatur der Vorkammer 2 durch das Steuergerät 5;
  2. b) Vergleichen der ersten Temperatur mit einem Grenzwert für die Temperatur durch das Steuergerät 5;
  3. c) Für den Fall, dass die Temperatur kleiner als der Grenzwert ist, mittels des Steuergerätes 5 steuern eines Stroms durch den elektrischen Widerstand 4 derart,
dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand 4 an die Vorkammer 2 übertragen wird.According to one embodiment, a method according to the invention for electrically heating an antechamber 1 by means of an antechamber heating system 1 according to one of the preceding claims the steps:
  1. a) Determining a first temperature of the antechamber 2 through the control unit 5 ;
  2. b) comparing the first temperature with a temperature limit by the controller 5 ;
  3. c) In the event that the temperature is less than the limit, by means of the control unit 5 controlling a current through the electrical resistance 4 so
that a quantity of heat from the electrical resistance 4 to the antechamber 2 is transmitted.

Das Steuergerät 5 steuert einen Strom durch den elektrischen Widerstand 4 derart, dass eine Temperatur der Vorkammer 2 während des Betriebs des Vorkammerheizungssystems 1 mindestens 50°C beträgt.The control unit 5 controls a current through the electrical resistance 4 such that a temperature of the prechamber 2 during operation of the prechamber heating system 1 at least 50 ° C.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 5 eingerichtet eine Spannung zwischen den mit Plus und Minus markierten Punkten 6,7 anzulegen. Die Außenwand 3 der Vorkammer 2 umfasst eine Aluminiumlegierung, wodurch sich ein spezifischer Widerstand zwischen den mit Plus und Minus markierten Punkten 6,7 von 2·10-2 Ω mm2/m ergibt. Durch den Strom erfolgt ein Übertrag einer Wärmemenge direkt in die Außenwand 3 der Vorkammer 2, wodurch sich diese erwärmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Außenwand 3 durch dasselbe Bauteil ausgebildet, welches ebenfalls der Innenwand der Vorkammer 2 umfasst. Dadurch kommt es zu einem direkten Wärmeübertrag an die Innenwand der Vorkammer 2. Ein Transport von Wärme erfolgt dabei radial in alle Richtungen ausgehend von dem elektrischen Widerstand 4, so beispielsweise auch in die mit Pfeilen markierten Richtungen. Durch das verwendete Aluminium wird ein besonders schneller Wärmetransport über die Wände der Vorkammer 2 ermöglicht.In this embodiment, the controller is 5 set up a voltage between the points marked with plus and minus 6 . 7 to apply. The outer wall 3 the antechamber 2 comprises an aluminum alloy, which results in a specific resistance between the points marked plus and minus 6 . 7 of 2 × 10 -2 Ω mm 2 / m. The current carries a transfer of heat directly into the outer wall 3 the antechamber 2 , which heats up. In this embodiment, the outer wall 3 formed by the same component, which is also the inner wall of the pre-chamber 2 includes. This leads to a direct heat transfer to the inner wall of the prechamber 2 , A transport of heat takes place radially in all directions, starting from the electrical resistance 4 , for example, in the directions marked with arrows. The aluminum used is a particularly rapid heat transfer through the walls of the antechamber 2 allows.

Unvorteilhafte Kraftstoffkondensation tritt vornehmlich an den Innenwand der Vorkammer 2 und vermehrt dann auf, wenn die Temperatur der Innenwand kleiner 50°C ist. Durch eine Innenwandtemperatur von mindestens 50°C wird die Kraftstoffkondensation reduziert.Unfavorable fuel condensation occurs primarily on the inner wall of the prechamber 2 and then increases when the temperature of the inner wall is less than 50 ° C. An internal wall temperature of at least 50 ° C reduces fuel condensation.

Der Grenzwert beträgt 50°C. Die Ermittlung der ersten Temperatur durch das Steuergerät basiert auf Daten von einem Temperatursensor, welcher direkt an der Außenwand 3 der Vorkammer positioniert ist.The limit is 50 ° C. The determination of the first temperature by the control unit is based on data from a temperature sensor which is directly on the outer wall 3 the antechamber is positioned.

Liegt die ermittelte Temperatur weit unter dem Grenzwert, beispielsweise bei 0°C, wird über den Strom eine hohe elektrische Leistung zwischen 100 W und 2000 W in den elektrischen Widerstand eingebracht, wodurch es zu einer schnellen Erwärmung kommt.If the determined temperature is well below the limit value, for example at 0 ° C, a high electrical power between 100 W and 2000 W is introduced into the electrical resistance via the current, resulting in rapid heating.

Bei liegt die erste Temperatur nahe an dem Grenzwert, beispielsweise bei 75°C, wird die durch Strom eingebrachte Leistung reduziert und liegt zwischen 0 W und 100 W. So wird eine bedarfsgerechte Erwärmung der Vorkammer 2 ermöglicht.When the first temperature is close to the limit value, for example at 75 ° C, the power introduced by the current is reduced and is between 0 W and 100 W. Thus, a needs-based heating of the pre-chamber 2 allows.

Schritt c) erfolgt innerhalb von 60 Sekunden vor einem Start des Verbrennungsmotors.Step c) takes place within 60 seconds before a start of the internal combustion engine.

Durch eine Erhöhung der Temperatur der Vorkammer innerhalb von 60 Sekunden vor einem Start des Verbrennungsmotors wird die Minderung von negativen Auswirkungen eines Kaltstarts ermöglicht. Insbesondere die Kondensation von Kraftstoff an den Wänden der Vorkammer wird reduziert. Increasing the prechamber temperature within 60 seconds of starting the engine will mitigate the negative effects of a cold start. In particular, the condensation of fuel on the walls of the prechamber is reduced.

Schritt c) erfolgt während Teillastphasen des Verbrennungsmotors.Step c) takes place during partial load phases of the internal combustion engine.

Teillastphasen sind dabei Phasen, in denen der Verbrennungsmotor unterhalb einer Volllast des Verbrennungsmotors betrieben wird. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorteilhaft für Lasten bis zu 50% der maximalen Last. In solchen Fällen kann die Temperatur der Vorkammer 2 unter 50°C absinken, durch beispielsweise Kraftstoffkondensation an den Vorkammerwänden auftreten kann. Zusätzlich ermöglicht eine Erhöhung der Temperatur der Vorkammer 2 während Teillastphasen einen stabilen Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors. Dadurch werden eine Erhöhung der Haltbarkeit des Verbrennungsmotors und eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.Part-load phases are phases in which the internal combustion engine is operated below a full load of the internal combustion engine. The method according to the invention is particularly advantageous for loads of up to 50% of the maximum load. In such cases, the temperature of the antechamber 2 fall below 50 ° C, may occur by, for example, fuel condensation on the pre-chamber walls. In addition, an increase in the temperature of the antechamber allows 2 during partial load phases a stable combustion process of the internal combustion engine. This makes it possible to increase the durability of the internal combustion engine and to reduce fuel consumption.

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  • EP 1464804 B1 [0002]EP 1464804 B1 [0002]

Claims (9)

Vorkammerheizungssystem (1) für einen vorkammereingespritzten Verbrennungsmotor, umfassend eine Vorkammer (2), einen elektrischen Widerstand (4) und ein Steuergerät (5), wobei der elektrische Widerstand (4) und die Vorkammer (2) thermisch verbunden sind, und wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, einen Strom durch den elektrischen Widerstand (4) derart zu steuern, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand (4) an die Vorkammer (2) übertragen wird.A prechamber heating system (1) for a pre-chamber injected internal combustion engine, comprising an antechamber (2), an electrical resistor (4) and a controller (5), the electrical resistor (4) and the prechamber (2) being thermally connected, and wherein the controller (5) is arranged to control a current through the electrical resistance (4) such that a quantity of heat from the electrical resistance (4) is transmitted to the prechamber (2). Vorkammerheizungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Widerstand (4) als Heizwendel (6) ausgebildet ist.Anchamber heating system (1) according to one of the preceding claims, wherein the electrical resistance (4) is designed as a heating coil (6). Vorkammerheizungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Widerstand (4) innerhalb einer Außenwand (3) der Vorkammer (2) angeordnet ist.Anchamber heating system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the electrical resistance (4) within an outer wall (3) of the prechamber (2) is arranged. Vorkammerheizungssystem (1) nach Anspruch 3, wobei die Heizwendel (6) mindestens abschnittsweise von außen zugänglich positioniert ist.Prechamber heating system (1) after Claim 3 , wherein the heating coil (6) is at least partially positioned accessible from the outside. Vorkammerheizungssystem (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Außenwand (23) wenigstens abschnittsweise den elektrischen Widerstand (4) ausbildet.Antechamber heating system (1) according to one of Claims 3 or 4 , wherein the outer wall (23) at least partially forms the electrical resistance (4). Vorkammerheizungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (5) einen Strom durch den elektrischen Widerstand (4) derart steuert, dass eine Temperatur der Vorkammer (2) während des Betriebs des Vorkammerheizungssystems (1) mindestens 50°C beträgt.Prechamber heating system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the control device (5) controls a current through the electrical resistance (4) such that a temperature of the prechamber (2) during operation of the prechamber heating system (1) is at least 50 ° C. Verfahren zum elektrischen Beheizen einer Vorkammer (2) mittels eines Vorkammerheizungssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend die Schritte: a) Ermitteln einer ersten Temperatur der Vorkammer (2) durch das Steuergerät (5); b) Vergleichen der Temperatur mit einem Grenzwert für die Temperatur durch das Steuergerät (5); c) Für den Fall, dass die Temperatur kleiner als der Grenzwert ist, mittels des Steuergerätes (5) steuern eines Stroms durch den elektrischen Widerstand (4) derart, dass eine Wärmemenge von dem elektrischen Widerstand (4) an die Vorkammer (2) übertragen wird.Method for electrically heating an antechamber (2) by means of an antechamber heating system (1) according to one of the preceding claims, comprising the steps: a) determining a first temperature of the pre-chamber (2) by the control unit (5); b) comparing the temperature with a temperature limit by the controller (5); c) In the event that the temperature is less than the limit, by means of the control unit (5) controlling a current through the electrical resistance (4) such that a quantity of heat from the electrical resistance (4) to the prechamber (2) transmitted becomes. Verfahren zum elektrischen Beheizen einer Vorkammer (2) nach Anspruch 7, wobei Schritt c) innerhalb von 60 Sekunden vor einem Start des Verbrennungsmotors erfolgt.Method for electrically heating an antechamber (2) Claim 7 , wherein step c) takes place within 60 seconds before a start of the internal combustion engine. Verfahren zum elektrischen Beheizen einer Vorkammer (2) nach Anspruch 7 oder 8, wobei Schritt c) während Teillastphasen des Verbrennungsmotors erfolgt.Method for electrically heating an antechamber (2) Claim 7 or 8th , wherein step c) takes place during partial load phases of the internal combustion engine.
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