DE10207356A1

DE10207356A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10207356A1
Application number: DE2002107356
Authority: DE
Inventors: Werner Urban; Jens Sohnemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; CTP GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; CTP GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: DE10207356B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung und/oder Verhinderung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen, bei dem eine Reinigungsflüssigkeit mit dem Hauptstrom oder einem Teilstrom der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft vermischt wird, sowie dessen Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung und/oder Verhinderung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen.
Bei modernen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Turbodieselmotoren, wird eine Abgasrückführung (AGR) eingesetzt, um u. a. die NO_x-Emission und die Geräuschentwicklung des Motors zu reduzieren.
Die AGR ist meist so ausgeführt, daß eine Leitung vom Abgassystem zum Ansaugkrümmer geführt wird. In der Leitung befindet sich das AGR-Ventil, das von der Motorelektronik angesteuert wird und in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter gewünschte Abgasmengen durchläßt. Das rückgeführte Abgas wird mit der frischen Ansaugluft vermischt und wieder den Brennräumen zugeführt.
Die Ansaugluft kann durch Leckagen am Turbolader oder anderen Einleitungen, beispielsweise durch die Kurbelwellenentlüftung, nennenswerte Mengen Motoröl enthalten. Das rückgeführte Abgas ist wiederum mit Rußpartikeln beladen. Durch diese Störstoffe kann es insbesondere bei Motoren, die ungünstigerweise vorwiegend auf Kurzstrecken betrieben werden, zu Ablagerungen in der Abgasrückführungsleitung, im Verbrennungsluftkrümmer und vielfach auch auf den Ventilen und Kolben kommen. Die Ablagerungen bestehen vorwiegend aus Ruß, Staub und Öl und können die freien Querschnitte der durchströmten Leitungen derart reduzieren, daß der Motor nicht mehr entsprechend seiner ausgelegten Betriebsparameter funktionieren kann. Dies führt zu Leistungsverlust, Kraftstoffmehrverbrauch und erhöhtem Schadgasausstoß. Die Beeinträchtigungen können bereits nach wenigen zehntausend Kilometern auftreten.
Um die Ablagerungen zu beseitigen, müssen die entsprechenden Teile zeitaufwendig demontiert und nach der "Pfeifenputzer-Methode" gereinigt werden. Dem Problem der Ablagerungen wird mit verschiedenen Strategien entgegengetreten. Es ist beispielsweise bekannt, daß Werkstätten das Abgasrückführungssystem außer Betrieb setzen, um die Bildung der Ablagerungen sicher zu verhindern. Tatsächlich können die strengen Abgasgrenzwerte aber nur mit funktionstüchtiger Abgasrückführung eingehalten werden. Es wird auch versucht, die rückgeführte Abgasmenge durch entsprechende Ansteuerung des AGR-Ventils seitens der Motorelektronik, so weit zu reduzieren, daß die Abgasgrenzwerte gerade noch eingehalten werden können.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Verfahren bekannt, um bereits aufgetretene Ablagerungen wiederum zu beseitigen. So schlägt die WO 98/27323 eine Abgasrückführung vor, die einen Wärmetauscher in der Abgasrückführungsleitung besitzt. Es wird erkannt, daß dieser Wärmetauscher durch Rußablagerungen verstopft werden kann. Zur Beseitigung der Ablagerungen wird flüssiges Wasser versprüht, das durch die heißen rückgeführten Abgase schlagartig verdampft und durch die einhergehende Volumenvergrößerung die Ablagerungen ablöst. Diese Lösung ist nicht auf den vorliegenden Sachverhalt übertragbar, da die Temperatur des Abgas-Luftgemischs im Ansaugsystem des Motors zu gering ist, um Wasser zu verdampfen. Außerdem wirkt das Verfahren nur an der Stelle, an der das Wasser versprüht und verdampft wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Ablagerungen verhindert oder entfernt werden können, ohne daß der Motor demontiert werden muß. Weiterhin soll dieses Verfahren bzw. diese Vorrichtung eine vorbeugende Wirkung gegen die Neubildung von Ablagerungen erzielen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Beseitigung und/oder Verhinderung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen eine Reinigungsflüssigkeit mit der angesaugten Verbrennungsluft oder einem Teilstrom dieser Verbrennungsluft vermischt. Der so erzeugte Tröpfchennebel schlägt sich durch die vorherrschende Turbulenz im Ansaugsystem des Verbrennungsmotors an den Innenwänden und Einbauteilen des Ansaugsystems bis hin zu den Ventilen und Kolben nieder.
Die auf den mit Ablagerungen belegten Oberflächen verteilte Reinigungsflüssigkeit löst dann die Ablagerungen an, im Falle von Kohlenwasserstoffverbindungen werden die öligen Bestandteile der Ablagerungen in Lösung gebracht, wodurch die Ablagerungen ihren Zusammenhalt verlieren. Die Rückstände werden dann anschließend mit dem Gasstrom abtransportiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Technologie beschrieben, mit der die Ablagerungen unter Zuhilfenahme geeigneter Chemikalien entfernt werden können, ohne daß der Motor demontiert werden muß. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine vorbeugende Wirkung gegen die Neubildung von Ablagerungen erreicht. Es handelt sich dabei um eine vergleichsweise einfache Vorgehensweise, die beispielsweise im Rahmen der Inspektion, der Wartung oder einer Reparatur durchgeführt werden kann. Alternativ kann die Vorrichtung auch serienmäßig im Motor integriert und von der Motorelektronik bei Bedarf automatisch in Betrieb gesetzt werden. Durch regelmäßige Anwendungen in zeitlichen Abständen kann dann bereits die Bildung der Ablagerungen verhindert werden.
Die Vorrichtung besitzt eine Gaseintritt- und eine Gasaustrittseite. Darüber hinaus besitzt sie eine Düse mittels der die Reinigungsflüssigkeit, die der Düse aus einem Vorlagebehälter durch eine Schlauchleitung zugeführt wird, versprüht wird. Der Vorlagebehälter kann mit Atmosphärendruck beaufschlagt sein, wenn der Unterdruck in der Gasleitung als treibende Kraft ausreicht, um die Flüssigkeit in der Düse fein zu zerstäuben. Bei manchen Betriebsbedingungen kann der Unterdruck nicht ausreichen. In diesem Fall muß der Vorlagebehälter beispielsweise durch eine mechanische Pumpe oder durch eine Druckgasampulle mit einem Polsterdruck versehen werden. Die Flüssigkeit kann auch durch eine mechanische Pumpe durch die Düse gefördert und versprüht werden.
Die Vorrichtung besitzt auch eine Mischstrecke, die beispielsweise als Venturidüse ausgeführt ist, in der die Tröpfchen mit der Luft vermischt werden. Die Vorrichtung wird beispielsweise an eine Stelle zwischen Luftfilter und Drosselklappe in das Verbrennungsluftansaugsystem des Motors eingebaut. Die vom Motor angesaugte Verbrennungsluft tritt am Gaseintritt ein, wird durch die Düse mit dem Flüssigkeitsnebel beladen, in der Mischstrecke mit ihm vermischt und tritt am Gasaustritt wieder aus.
Die Vorrichtung besitzt vorzugsweise an seiner Gaseintrittseite außerdem einen Drallschieber, mit dem die durchströmende Luftmenge beeinflußt werden kann.
Im folgenden wird ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gegeben. Es zeigen
Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt als Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Applikator 20, der einen Aufhänger 21, eine Saugröhre 22, eine Belüftungsschraube 23, eine Einstellschraube 24, ein Schauglas 25, eine Schlauchleitung 26 und einen Anschlußkegel 27 aufweist. Die Saugröhre 22 steht dabei mit der Schlauchleitung 26 in Verbindung. In den Teilbildern der Fig. 1A, 1B und 1C sind jeweils in verschiedener Ansicht Teile des Applikators 20 dargestellt. Der Applikator 20 kann mittels eines Gewindes 28 auf eine Vorratsflasche aufgeschraubt werden. Diese Vorratsflasche enthält eine Reinigungsflüssigkeit, die aus einem benzolfreien Gemisch aus Kohlenwasserstoffen besteht. Die Vorratsflasche kann beispielsweise ein Fassungsvermögen von 0,75 l haben. Der Applikator 20 wird mit der Vorratsflasche unter die geöffnete Motorhaube eines stehenden Fahrzeugs mit ausgeschaltetem Motor gehängt. Am Ende der Schlauchleitung 26 befindet sich ein Anschlußkegel 27, der auf einem Schlauch, der auf einen Schlauchanschluß 13 eines in den Teilfiguren 2A und 2B in Quer- und in Schnittansicht dargestellten Adapters aufgesteckt wird.
Dieser in Fig. 2 dargestellte Adapter ist zuvor an einer geeigneten Stelle im Ansaugsystem des Fahrzeugs zu befestigen. Die geeignetste Stelle ist dabei bei vielen Motoren die Verbindung vom Luftfiltergehäuse mit dem Ansaugkanal. Der Ansaugkanal kann vom Luftfiltergehäuse leicht abgezogen werden. An dieser Stelle kann dann der Adapter auf den Ansaugkanal mit einem Konus 1 aufgesetzt werden. Gegebenenfalls können hier zur besseren Abdichtung der Verbindungsstelle zusätzlich Verbindungsmuffen aus Gummi eingesetzt werden.
Der Adapter wird also über seinen Schlauchanschluß 13 mit dem Applikator 20 verbunden und mittels eines Anschlußkonus 1 auf den Ansaugkanal des Motors aufgesetzt. Gegebenenfalls kann das Luftfiltergehäuse über einen Anschlußkonus 14 mit dem Adapter verbunden werden.
Die Reinigungsflüssigkeit aus der Vorratsflasche gelangt nun durch einen Kanal 12 in eine Düse 9, die axial und mittig in dem Adapter angeordnet ist. Dieser Adapter weist im Bereich der Düse 9 einen innen konisch zulaufenden Strömungskanal 4, in dem die angesaugte Luft beschleunigt wird. Hier wird also die Reinigungsflüssigkeit durch die Düse 9 zugegeben. Durch ein Schauglas 3 im Adapter kann die Vermischung von verdüster Flüssigkeit und angesaugter Luft beobachtet werden.
Mittels eines Absperrschiebers 6 in dem Ansaugkanal des Adapters kann die Luftzufuhr zum Motor sofort gestoppt werden. Weiterhin ist im Ansaugkanal ein Lochblech 8 angeordnet, das vier Öffnungen aufweist, durch die die angesaugte Luft strömt. Durch Drehen einer parallel hierzu angeordneten Lochscheibe 7, die vier gleichartige Öffnungen wie das Lochblech 8 besitzt, kann die angesaugte Luftmenge eingestellt werden. Werden die Öffnungen der Lochscheibe 7 und des Lochblechs 8 in Deckung gebracht, ist die angesaugte Luftmenge maximal. Werden die Öffnungen der Lochscheibe 7 und des Lochbleches 8 durch Drehen der Lochscheibe 7 gegeneinander jedoch vollständig versetzt, so ist die Luftmenge minimal, gegebenenfalls 0. Bei Bedarf, beispielsweise wenn es sich um einen Motor mit Luftmengenmessung handelt, kann der Adapter auch mittels des Ansaugkonus 14 ansaugseitig mit dem Luftkanal des Motors verbunden werden.
Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der Absperrschieber 6 geöffnet und die Lochscheibe 7 auf maximale Luftmenge eingestellt. Der Motor wird gestartet und auf konstanter Drehzahl gehalten.
Durch die angesaugte Verbrennungsluft entsteht im Strömungskanal 4 ein Unterdruck, der die Reinigungsflüssigkeit über die Ansaugleitung 22, die Schlauchleitung 26, die Düse 9 ansaugt.
Der Applikator 20 weist eine Belüftungsschraube 23 auf, die nun geöffnet wird, woraufhin der Flüssigkeitsdurchfluß durch den Applikator 20 mittels der Einstellschraube 24 eingestellt werden kann. Der Flüssigkeitsstrom durch den Applikator 20 kann durch das Schauglas 25 beobachtet werden. Sollte nicht genug Flüssigkeit angesaugt werden, so kann mittels Drehen der Lochscheibe 7 ein größerer Unterdruck im Strömungskanal 4 erzeugt werden, indem die angesaugte Luftmenge verringert wird und der Unterdruck motorseitig zu der Lochscheibe 7 erhöht wird.
Die angesaugte Reinigungsflüssigkeit gelangt nun also durch die Schlauchleitung 26 und den Kanal 12 in die Düse 9 und wird in die angesaugte Luft gesprüht und mit ihr vermischt. Dieses Gemisch aus Luft und fein verteilter, tröpfchenförmiger Reinigungsflüssigkeit gelangt in das Ansaugsystem des Motors, wo sich die Reinigungsflüssigkeit aufgrund der vorherrschenden Turbulenz an den inneren Wänden der Strömungskanäle und Einbauten niederschlägt. Dort werden dann durch die Reinigungsflüssigkeit die Ablagerungen aufgelöst.

Claims

1. Verfahren zur Beseitigung und/oder Verhinderung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsflüssigkeit mit dem Hauptstrom oder einem Teilstrom der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft vermischt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit mindestens eine Kohlenwasserstoffverbindung enthält oder daraus besteht.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit weitgehend oder vollständig benzolfrei ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit in die Verbrennungsluft eingesprüht oder angesaugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit derart mit der Verbrennungsluft gemischt wird, dass sie mit dieser einen Tröpfchennebel bildet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit im Luftansaugsystem oder zwischen Luftfilter und Drosselklappe mit der Verbrennungsluft vermischt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit unter einem höheren Druck als dem Druck der Ansaugluft oder durch Unterdruck angesaugt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es regelmäßig in vorbestimmten Zeit- oder Fahrleistungsabständen manuell und/oder automatisch eingeleitet und/oder durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Zeitpunkt der Inspektion, Wartung oder Reparatur der Verbrennungskraftmaschine oder des zu der Verbrennungskraftmaschine gehörigen Fahrzeugs durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es von der Steuerung der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet und/oder gesteuert wird.

11. Vorrichtung zur Beseitigung und/oder Verhinderung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch
eine Mischvorrichtung zur Mischung einer Reinigungsflüssigkeit mit dem Hauptstrom oder einem Teilstrom der von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft, und
eine Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr der Reinigungsflüssigkeit zu der Mischvorrichtung.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung eine Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr einer Reinigungsflüssigkeit enthaltend oder bestehend aus mindestens einer Kohlenwasserstoffverbindung zu der Mischvorrichtung ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung eine Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr einer vollständig oder weitgehend benzolfreien Reinigungsflüssigkeit zu der Mischvorrichtung ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung einen Vorlagebehälter für die Reinigungsflüssigkeit sowie eine Zuleitung von dem Vorlagebehälter zu der Mischvorrichtung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung zum Transport der Reinigungsflüssigkeit zu der Mischvorrichtung.

16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung vor oder nach dem Vorlagenbehälter angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung einen Druckerzeuger aufweist, um die der Mischvorrichtung zugeführte Reinigungsflüssigkeit unter Druck zuzuführen.

18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger eine Pumpe, eine mechanische Pumpe und/oder eine Druckgasampulle ist.

19. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Druckerzeuger die Reinigungsflüssigkeit in dem Vorlagebehälter und/oder in der Zuleitung unter Druck setzbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung eine Düse zum Vermischen der Reinigungsflüssigkeit mit der Verbrennungsluft und/oder eine in Strömungsrichtung hinter der Düse gelegene Mischstrecke aufweist.

21. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke eine Venturidüse ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, gekennzeichnet durch eine Stell- und/oder Regelvorrichtung zur Stellung und/oder Regelung des Hauptstroms oder des Teilstroms der Verbrennungsluft, der mit der Reinigungsflüssigkeit vermischt wird.

23. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung eine Drallklappe, ein Schieber, ein Drallschieber oder ein Mengenregulator ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Ansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine angeordnet oder mit diesem verbindbar ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen dem Luftfilter und der Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine angeordnet oder dort mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist.

26. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Vorbeugung der Neubildung und/oder Entfernung von Ablagerungen in Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere im Ansaug-, Verbrennungs- und/oder Abgassystem, insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasrückführung, mit Turbolader, insbesondere bei Dieselmotoren.