DE10249541A1

DE10249541A1 - Verfahren und Vorrichtung zur bedarfsweisen Erhöhung der Abwärme von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10249541A1
Application number: DE10249541A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr.-Ing. Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: DE10249541B4; DE10249541A9

Abstract

Bei einem Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe zum Heizungswärmetauscher für die Kabine und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, wird mit von der Motorsteuerung beeinflussten Verstellvorrichtungen zur Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei erhöhtem Abwärmebedarf, insbesondere bei hohem Kabinenheizleistungsbedarf, künstlich erhöht. DOLLAR A Hierzu werden in Verbindung mit einer starken Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Brennkraftmaschine und Heizungswärmetauscher zumindest bei hohem Kabinenheizbedarf Temperaturdifferenzen zwischen Heizungswärmetauschereintritt und Heizungswärmetauscheraustritt von mehr als 25 DEG C bewirkt und gleichzeitig eine Verstellung der Brennstoffumsetzung in Richtung von Kurbelwellenstellungen mit vergrößertem Brennraumvolumen vorgenommen. DOLLAR A Im Zusammenspiel zwischen der Erhöhung der Motorbauteiltemperatur und einer starken Verstellung der Einspritzzeitpunkte wird eine signifikante Erweiterung des potenziellen Verstellbereichs erzielt, welche im Ganzjahresbetrieb und insbesondere in der Frühphase des Warmlaufs nutzbar sind. DOLLAR A Es werden Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens mit und ohne el. Erwärmung der Verbrennungsluft vorgestellt und das Potenzial aufgezeigt, nicht nur die externen Zuheizer zur zusätzlichen Kabinenheizung ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe zum Heizungswärmetauscher für die Kabine und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, mit von der Motorsteuerung beeinflussten Verstellvorrichtungen zur Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine. Die Variationsmaßnahmen zielen hierbei auf die temporäre Erhöhung der verfügbaren Abwärme zur verbesserten Kabinenbeheizung und/oder Temperaturerhöhung von Bauteilen im Abgasnachbehandlungssystem.
Es ist bekannt, dass moderne PKW mit hocheffizienten Dieselmotoren insbesondere in mitteleuropäischen Breitengraden Zusatzheizkomponenten zur winterlichen Kabinenbeheizung aufweisen. Wasserseitige Zuheizungen mittels aus Standheizungen abgeleiteter kraftstoffbetriebener Zuheizer oder der el. Beheizung des Kühlwassers bzw. die direkte el. Beheizung der Kabinenluft mittels der bekannten PTC-Zuheizer sind die marktüblichen Lösungen.
Es ist darüber hinaus allgemein bekannt, dass die meisten PKW-Hersteller weitreichende hausinterne Untersuchungen vorgenommen haben, um über die Verstellung der innermotorischen Verbrennung die Abwärme von direkteinspritzenden Dieselmotoren für Kabinenheizzwecke zu steigern, mit dem bekannten Ergebnis, dass bis heute die oben angesprochenen Zuheizkomponenten nicht entfallen konnten.
Eine in diesem Zusammenhang von den deutschen KFZ-Herstellern finanzierte und von ihren Fachleuten begleitete Studie zur Heizleistung in PKW mit verbrauchsoptimierten Motoren, die von einer allgemein anerkannten Forschungseinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen – diese ist insbesondere einer namhaften Deutschen Hochschule assoziiert – durchgeführt wurde, fasst u.a. die Möglichkeiten und Grenzen motorischer Maßnahmen im Mai 2000 zusammen. Diese werden hierbei nicht nur als sehr begrenzt eingestuft, sondern auch als kritisch in Bezug auf die Schadstoffemissionen, und das bereits für die heute gültigen Vorschriften bei EU III und EU IV.
Als repräsentative Betriebspunkte werden dabei Betriebspunkte bei 1500 1/min und 1,0 bar effektiven Mitteldruck sowie 2000 1/min und 2 bar effektivem Mitteldruck gewählt und Messungen mit unterschiedlichem Einspritzzeitpunkt an einem 2,0 l TDI Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzsystem vorgestellt. Als physikalisch sinnvoller Variationsbereich wurde hierbei für den Einspritzbeginn ein Bereich von 16°KW vor OT bis 1 °KW vor OT bezüglich der Energiebilanz und der Schadstoffemissionen vermessen. Die höchste Steigerung der im Motorkühlkreislauf gefundenen Zusatzwärme betrug hierbei etwas weniger als 1,5 kW bei 1500/1bar und ca. 3kW bei 2000/2bar. Diese wurde bei maximaler Spätverstellung mit einem Einspritzbeginn von 1 bzw. 2°KW vor OT gefunden und war sogleich auch mit einer erheblichen Zunahme der Emissionen verbunden. Bei einer Verschiebung der Einspritzung auf die frühen Werte bis hin zu 16°KW, ist die zusätzlich eingebrachte Wärmemenge fast schon vernachlässigbar, es steigt jedoch die Summenemission NC + NOx.
Die Messergebnisse führen zu der im Konsensus zwischen dem Forschungsnehmer und den auftraggebenden KFZ-Herstellern veröffentlichten Schlussfolgerung: „Abschließend ergibt sich infolge der Abgasgesetzgebung ein sehr eingeschränktes Potenzial der Erhöhung der Heizleistung durch eine Verlagerung der Verbrennung in die Expansionsphase."
Obwohl ein Common-Rail-Einspritzsystem durchaus eine wesentlich weitere Variation des Einspritzzeitpunktes und insbesondere auch eine Mehrfacheinspritzung zulässt, wird dies von der Forschungsstelle im Konsensus mit den Vertretern der KFZ-Industrie mangels Erfolgsaussichten erst gar nicht probiert. Als motorische Verbesserungsmethode wird vielmehr vorgeschlagen, durch den Lader mit variabler Turbinengeometrie den Abgasgegendruck künstlich zu erhöhen und hierdurch den Betriebspunkt zu höherem indiziertem Mitteldruck zu verlagern. Die Drosselung des Abgasmassenstroms – mit VTG-Lader oder Drosselklappe – in Verbindung mit Abgaswärmetauscher wird dabei als besonders erfolgversprechend beschrieben. Dennoch konnte sich der Abgaswärmetauscher bisher nicht am Markt etablieren und auch die externen Zuheizer sind, wie bereits erwähnt, ebenfalls nicht entfallen.
Es bleibt angesichts obiger Ausführungen festzuhalten, dass bis heute keine effiziente Lösung verfügbar bzw. am Markt umgesetzt ist, die durch motorische Maßnahmen alleine in der Lage ist, die zusätzlichen Zuheizkomponenten wie Brenner, el. Wasserzuheizer oder PTC-Luftzuheizer, zu ersetzen. Motorinterne Maßnahmen zur Heizleistungssteigerung gelten in der Fachwelt derzeit also – wenn überhaupt – bestenfalls als unterstützende Maßnahmen.
Neben den beschriebenen motorischen Ansätzen, insbesondere durch einen erhöhten Abgasgegendruck oder eine Verlagerung des Einsritzzeitpunktes weg vom Kraftstoffverbrauchsbestpunkt in Richtung spät, den Wärmeeintrag ins Kühlmittel zu erhöhen, sind aber auch neue Ansätze bekannt, die aufgrund geringerer Wärmeverluste und besonders schneller lokaler Bauteil- und Kühlmittelerwärmung ohne Kraftstoffverbrauchsnachteile eine Verbesserung der Kabinenheizleistung bewirken.
Bei diesen Lösungen erfolgt eine Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Motor und den Kabinenwärmetauscher und die Verwendung hocheffizienter Kabinenwärmetauscher, die auch bei geringem Kühlmitteldurchsatz noch einen guten Wirkungsgrad aufweisen, so dass PKW mit Ottomotoren keine Zuheizer benötigen und PKW mit Dieselmotoren zumindest weniger Zuheizleistung zur Erfüllung der bestehenden Heizleistungskriterien. Dabei spielt zum einen die Minimierung der wärmeaktiven Massen des Motors und des Heizkreislaufs eine maßgebliche Rolle, die aufgrund der vergrößerten Temperaturdifferenz im Mittel gesehen geringer ist als bei hohem Kühlmitteldurchsatz. Zum andern lassen sich auf diesem Wege aber auch die Wärmeverluste an der Oberfläche des Motors und des Heizkreislaufs und durch die gleichzeitige Reduktion des Frischluftmassenstroms auch die Wärmeverluste in der Kabine signifikant eingrenzen.
Wie eine aktuelle Veröffentlichung eines namhaften KFZ-Herstellers auf der Tagung Wärmemanagement des Kraftfahrzeug zeigt, ist dieses bisher nicht genutzte Verbesserungspotenzial bezüglich der Heizwirkung mittlerweile identifiziert und anhand detaillierter Studien verifiziert. Als angenehmen Nebeneffekt zur verbesserten Kabinenheizwirkung zeigen diese Maßnahmen zusätzlich einen etwas verbesserten Kraftstoffverbrauch, der laut Tagungsbericht aus der schnelleren Motorerwärmung und der geringeren Pumpenantriebsleistung resultiert.
Trotz des Potenzials bezüglich der Verbesserung der Heizwirkung bereits bei Verwendung heutiger Serienwärmetauscher bleibt die Schlussfolgerung der Veröffentlichung, dass auch bei optimiertem Betrieb des analysierten Dieselfahrzeugs eine Zuheizung notwendig sein wird, wenn auch mit Kraftstoffverbrauchsvorteilen durch geringere mittlere Zuheizleistung. In diese Wertung dürfte nicht zuletzt die oben diskutierte Veröffentlichung vom Mai 2000 eingeflossen sein, welche die Möglichkeiten, den fehlenden Heizleistungsanteil über motorinterne Maßnahmen künstlich zu generieren, als sehr begrenzt und außerdem unter Emissionsgesichtspunkten äußerst kritisch einstuft.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, mittels der Motorsteuerung und gegebenenfalls erforderlicher Zusatzvorrichtungen den Einstellbereich bezüglich der künstlichen Erhöhung der Motorabwärme bei unveränderter Antriebsleistung für den Fahrzeugantrieb kosteneffektiv in Richtung höherer Motorabwärme zu erweitern, ohne die PKW-typischen Motorgrenzwerte bezüglich Geräusch und Schadstoffemission zu überschreiten. Dabei soll die generierbare Abwärme auch bei winterlicher Teillastfahrt mit hohem Kabinenheizbedarf verfügbar sein und deutlich höher sein, als dies heute am Markt zu findende Motoren durch Verlagerung der Verbrennung in Richtung früh- oder spät unter Einbeziehung praxisgerechter Emissionswerte erreichen.
Insbesondere soll die generierbare Abwärme auch bei geringer Motorlast und Motordrehzahl einen Mindestwert sicher erreichen, so dass keine externen Zusatzheizungen im Kühlwasser oder in der Kabinenluft zur Unterstützung der Kabinenheizung benötigt werden.
Als Eckpunkte für die anzustrebende Lösung sollen insbesondere die Gesamtkosten des Fahrzeugs im Vergleich zu heute verwendeten Lösungen nicht steigen sondern fallen. Entsprechendes gilt für den Kraftstoffverbrauch, wobei im Sonderfall erhöhter Bauteilkosten die Effekte bezüglich der Bauteilkosten mit einem entsprechenden Äquivalent für den Kraftstoffmehrverbrauch zu verrechnen sind.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Insbesondere lassen sich mit diesem Verfahren unter Einbindung der beigeordneten Ansprüche je nach Kostenziel kraftstoffverbrauchsneutrale Lösungen mit hoher Kosteneinsparung realisieren oder weitgehend kostenneutrale Lösungen mit wesentlich geringerem Kraftstoffverbrauch als heute üblich. Die wirtschaftliche Bedeutung für den KFZ-Hersteller aber auch den Endkunden ist entsprechend.
Das Zusammenspiel des geringen Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und der hohe Temperaturabfall am hocheffizienten Kabinenwärmetauscher von 25K bzw. bevorzugt sogar 50K und mehr, ermöglicht es in diesem Zusammenhang, die üblichen Einspritzzeitpunkte von Dieselmotoren auch bei hoher Heizleistungsanforderung weiter nach früh bzw. weiter nach spät zu verlegen, als dies bei konvenzioneller Motorkühlung mit weitgehend homogener Temperaturverteilung des Kühlwassers und der Brennraumwände der Fall ist. Je nach Wärmetauscherbauart und Einbindung von EGR-Kühlern und/oder Abgaswärmetauschern sind hierbei Potenziale mit Kühlmitteltemperaturdifferenzen zwischen Wärmetauscherein- und -austritt von deutlich mehr als 50K nicht nur zur hochwirksamen Kabinenbeheizung vorteilhaft sondern auch zur signifikanten Erweiterung des Einstellbereichs für die Verbrennung.
Wie nachfolgend noch deutlicher werden wird, eröffnet erst die spezifische Kenntnis, dass derart effiziente Kabinenwärmetauscher auch unter den Kosten- und Packackerandbedingungen in PKW realisierbar sind, das volle Potential der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. Hohe Wandtemperaturen im Brennraum werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit und ohne Kabinenheizung erreicht und sind somit im Ganzjahresbetrieb verfügbar, wenn auch mit unterschiedlichem Kraftstoffmehrverbrauch. Dies ist insbesondere auch für Anwendungen bedeutsam, bei denen zusätzlich zur Verbesserung der Kabinenheizung auch eine zeitweise Erhöhung der Abgastemperatur erforderlich ist, insbesondere zum Freibrennen von Partikelfiltern für Dieselmotoren.
Die erfindungsgemäß induzierte Erhöhung der Brennraumwandtemperaturen einschließlich der mit der Frischluft und dem Restgas bzw. dem rückgeführten Abgas in Kontakt tretenden Flächen der Zylinderlaufbahnen, wirkt sich sehr stark auf den Polytropenkoeffizienten der Verdichtung aus, wodurch eine höhere Verdichtungsendtemperatur erreicht wird.
Wird nun z.B. eine im Vergleich zum Kraftstoffverbrauchsbestwert verfrühte Einspritzung zur bewussten Wirkungsgradverschlechterung des Motors und somit zur Erhöhung des Wärmeeintrags gewählt, so erweitert sich dieses Potenzial mit reduziertem Kühlmitteldurchsatz in Richtung „noch früher".
Analoges gilt, wiederum ausgehend vom Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffverbrauchsbestwertes, bei Verlagerung in Richtung spät, d.h. es ist eine „noch spätere" Einspritzung möglich.
Beide Maßnahmen erhöhen wiederum den Kraftstoffverbrauch, da die Verbrennung bzw. Wärmezufuhr bei geringerem effektivem Verdichtungsverhältnis erfolgt, aber auch den Wärmeeintrag in die Brennraumwände und damit letztlich auch die Wandtemperatur. Dieser Effekt schaukelt sich auf, insbesondere wenn eine allmähliche Verstellung des Einspritzzeitpunktes in Richtung erhöhten Kraftstoffverbrauchs erfolgt und sich das Kühlwasser nach und nach erwärmt. Die Verlagerung des Einspritzzeitpunktes in Richtung früh bewirkt beim erfindungsgemäßen Ausmaß der Verstellung des Einspritzzeitpunktes eine stärkere Erhöhung der Wandtemperatur, eine Verlagerung in Richtung spät verlagert einen größeren Anteil der Zusatzenergie ins Abgas. Wie später noch gezeigt wird sind – im Gegensatz zur den bereits diskutierten und allgemein als repräsentativ anerkannten Versuchsergebnissen am 2,0 l Common-Rail-TDI-Motor, welche eine eindeutige Empfehlung für eine Spätverlagerung der Einsritzung geben – je nach Optimierungsziel beide Varianten sinnvoll einsetzbar, wobei die Kombination beider Maßnahmen insbesondere in Bezug auf die Maximierung der Zusatzabwärme von ganz besonderem Interesse ist.
Ohne die starke Reduktion des Kühlmittelmassenstroms wäre die Änderung der Wandtemperatur unter diesem Wechselspiel nur relativ gering:
Bei den geringen Lasten und Drehzahlen, die die Betriebspunkte mit Wärmedefizit auszeichnen, liegen i.a. nur geringe Temperaturdifferenzen für den Wärmeübergang im Metall und vom Metall an das Kühlwasser vor. Deshalb würde selbst eine Verdoppelung der Wärmezufuhr nur auf eine Wandtemperaturzunahme von wenigen Grad K führen. Ist jedoch der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient durch einen sehr geringen Kühlmitteldurchsatz herabgesetzt, so beträgt die lokale Temperaturdifferenz zwischen Brennraumwand und Kühlwasser z.B. 50 K anstelle von 5 K bei hohem Kühlmitteldurchsatz. Eine Verdoppelung der Wärmezufuhr, z.B. durch eine starke Verlagerung der Einspritzung in Richtung früh, bedeutet in diesem Zusammenhang in grober Näherung ebenfalls eine Verdoppelung der Temperaturdifferenz, d.h. 10 K in der Basis und 100K bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, in der Frühphase des Warmlaufs eine möglicht starke Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zu induzieren, so dass sehr schnell hohe Brennraumwandtemperaturen erzielt werden. Die stark erhöhte Reibleistung des Motors während des Warmlaufs hilft in diesem Zusammenhang, die kritische Frühphase schnell zu durchlaufen und gleichzeitig soviel Wärme in die Brennraumwände zu transferieren, dass auch eine hinreichende Verstellung der Einspritzparameter erfolgen kann, um auch bei teilerwärmtem Motor den Aufschaukelungseffekt weiter zu nutzen. Dabei wirkt die hohe Reibung zum einen direkt an der Zylinderlaufbahn begünstigend für die Wandtemperatur, zum andern aber auch indirekt, über den zur Überwindung der Reibung erforderlichen indizierten Mitteldruck, der auf erhöhte Prozesstemperaturen und Drücke führt. Da in dieser sehr frühen Phase des Warmlaufs zunächst ein relativ hoher Basiskraftstoffverbrauch vorliegt, bewirkt bereits eine vergleichsweise geringe Verstellung der Einspritzzeitpunkte eine hohe Zusatzwärmemenge. Gleichzeitig ist angesichts des erhöhten Mitteldrucks die Sensibilität auf eine Verstellung des Einspritzbeginns bezüglich einer robusten Verbrennung geringer. Nicht zuletzt die höhere Kraftstoffmenge sowie bei TDI-Motoren der erhöhte Ladedruck bzw. bei Ottomotoren der erhöhte Verdichtungsenddruck wirken hier vorteilhaft.
Da die hohe Reibleistung des Motors in der Frühphase des Warmlaufs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren teilweise durch die schnellere Erwärmung der Zylinderlaufbahn besonders schnell abgebaut wird, ist es wichtig, in dieser Phase das Potenzial zur Erhöhung der Wandtemperatur mittels Verschieben der Einspritzzeitpunkte möglichst vollständig zu nutzen.
Die erhöhten Wandtemperaturen sind beim erfindungsgemäßen Verfahren zum einen wichtig, um die Verstellung der Einspritzzeitpunkte zu erlauben und insbesondere um den oben beschriebenen Aufschaukelungseffekt zur Maximierung der Verstellung zu nutzen. Zum andern sind sie aber auch im Hinblick auf die Kabinenheizwirkung wichtig, um möglichst schnell zumindest lokal in den Bereich des Blasensiedens zu kommen, so dass die an das Kühlmittel abgegebene Wärmemenge auch bei geringem Kühlmittelurchsatz durch den Motor für die Belange der Heizung ausreicht. Hierzu ist in der Frühphase des Warmlaufs eine relativ hohe Zusatzwärmemenge erforderlich, die sich nur durch das beschriebene Wechselspiel realisieren lässt.
Für eine schnelle Kabinenheizwirkung ist es darüber hinaus vorteilhaft, die eingebrachte Wärmemenge in der Frühphase des Warmlaufs auf Werten zu halten, die mindestens doppelt so groß sind wie im erwärmten Zustand. Damit wird der zunehmenden Wärmeentnahme am Kabinenwärmetauscher mit zunehmender Kühlmittelvorlauftemperatur Rechnung getragen, so dass sich nicht die bekannte asymptotische Annäherung an den stationären Endwert der Kühlmittelvorlauftemperatur ergibt, sondern ein wesentlich steilerer Verlauf. Ist der Stationärwert der Kühlmitteltemperatur schließlich nach relativ kurzer Zeit erreicht, erfolgt dann die Wegnahme der Einspritzverstellung und die Kühlmittelvorlauftemperatur bleibt konstant.
Bei dieser besonders effektiven Vorgehensweise mit maximiertem Wärmeeintrag in der Frühphase des Warmlaufs wird also sehr schnell eine relativ große Zusatzwärmemenge induziert, wobei zunächst bei relativ kaltem Motor die Mindestwandtemperatur bis zum lokalen Blasensieden schnell erreicht wird und die lokale Bauteiltemperatur dann annähernd auf diesem Temperaturniveau verbleibt und sich mehr und mehr Bauteilzonen in Richtung Blasensieden erwärmen.
Mit dieser Vorgehensweise lassen sich auch bei Wärmeentnahme für die Kabine schnell relativ hohe Kühlmittelvorlauftemperaturen für den Kabinenwärmetauscher erzielen. Der bis hin zu sehr kleinen Kühlmitteldurchsätzen gute Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad und die Möglichkeit zusätzlich Energie einzusparen, indem der Luftmassenstrom angesichts der erreichten Kühlmitteltemperatur auf reduzierte Werte eingestellt wird, führen so schnell auf einen stationären Betriebspunkt, bei dem keine Zusatzenergie mehr für den Warmlauf benötigt wird, sondern die gesamte Kabinenheizleistung aus der Abwärme am Kraftstoffverbrauchsbestwert bestritten werden kann.
Gemittelt über die winterliche Fahrdauer resultiert aus dieser Vorgehensweise i.a. ein Kraftstoffverbrauch, der unter den üblichen Werten externer Zuheizmethoden liegt. Maßgeblich hieran beteiligt sind die kürzere Einschaltdauer der motorinternen Zuheizung sowie eine Velzahl von Fahrten bei denen die Einsparungen an Wärmeverlusten und die reduzierte wärmeaktive Masse dazu führen, dass der Motor auf einer höheren mittleren Temperatur betrieben wird bzw. bei denen gar keine künstliche Kraftstoffverbrauchserhöhung benötigt wird. Hinzu kommen die Fahrten, bei denen das System durch Fahrzustände mit höherer Basisauslastung des Motors bzw. eingeschränkter Kabinenheizung zur Erhöhung der Bauteiltemperaturen in der Teillast verwendet wird und auf diesem Wege Kraftstoff spart. Auch die Kraftstoffeinsparungen aufgrund der Gewichtsvorteile durch den Entfall der externen Zuheizerkomponenten sind im Ganzjahresbetrieb spürbar.
Im Hinblick auf die praktische Umsetzung des erfindungsgemäßen Potenzials unter schneller Erhöhung der Brennraumwandtemperatur für hohe Heizleistungsentnahme ist zu beachten, dass die heute verwendeten Motoren und Kabinenheizkreisläufe einen relativ hohen Kühlmitteldurchsatz durch Motor und Kabinenwärmetauscher benötigen. Die Potenziale bezüglich der Reduktion des Frischluftmassenstroms durch die Kabine sind darüber hinaus erst dann effektiv, wenn eine relativ hohe Kühlmitteltemperatur erreicht ist. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund zeigt die eingangs erwähnte Veröffentlichung auf der Tagung Wärmemanagement die Vorteile eines reduzierten Luftmassenstroms erst nach längerer Betriebszeit.
Mit anderen Worten, ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen bereits in der Frühphase des Warmlaufs und insbesondere ohne Spezialkabinenwärmetauscher für extrem geringe Kühlmitteldurchsätze, führt die Notwendigkeit relativ hoher Kühlmitteldurchsätze, dazu, dass eine hinreichend starke Früh- bzw. Spätverstellung i.a. gar nicht möglich ist: Die Temperatur- und Druckverhältnisse im Brennraum bewirken dabei i.a. einen derart hohen Zündverzug, dass die tolerierbaren Geräuschgrenzen durch die schnelle Verbrennung vorgemischten Brennstoff-Luftgemisches leicht überschritten werden.
Darüber hinaus ist ohne hinreichende Temperatur während der Verbrennung mit Problemen bezüglich der Schadstoffemission zu rechnen. Unverbrannte Kraftstoffanteile leisten in diesem Zusammenhang zwar einen Beitrag zur Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen, nicht jedoch zum motorseitigen Wärmeeintrag. Sie sind deshalb i.a. selbst dann von Nachteil, wenn der nachgeschaltete Katalysator diese noch weitgehend umsetzt.
Die bisherige Beschreibung konzentriert sich in stärk vereinfachender Weise auf die positiven Wirkungen der Erhöhung der gasseitigen Wandtemperatur. Diese positiven Effekte werden jedoch in erheblichem Ausmaß durch die Erhöhung der Temperatur des Restgases und gegebenenfalls der Temperatur des rückgeführten Abgases unterstützt. Dabei ist bekanntlich zu beachten, dass auch relativ kleine Gastemperaturdifferenzen im UT bei entsprechend hohem Polytropenkoeffizient eine starke Zunahme der Verdichtungstemperatur zum Einspritzzeitpunkt bewirken. Vereinfacht betrachtet kann dies anhand der polytropen Verdichtung mit dem Polytropenkoeffizienten κ gemäß T2 = T1·(V1/V2)^(1–κ) abgeschätzt werden: Einsetzen motortypischer Werte zeigt, dass eine Gastemperaturdifferenz im Bereich des unteren Totpunktes der Verdichtung (UT) bei Kompression vom Zustand 1 mit Volumen V1 und Temperatur T1 auf den Zustand 2 mit V2 und T2, je nach Einspritzzeitpunkt auf eine Vervielfachung der Temperaturdifferenz im Vergleich zur Temperaturdifferenz am UT führt. Der zur vereinfachten Analyse zu verwendende Polytropenkoeffizient ist wiederum abhängig vom Wärmeübergang und damit von den Strömungsverhältnissen und der Wandtemperatur sowie von der Gemischzusammensetzung aber auch vom Einspritzzeitpunkt bzw. bei Ottomotoren vom Zündzeitpunkt. Die physikalische Bedeutung der Temperatur T1 auf die bis zum Einspritzzeitpunkt erreichbare Temperatur T2 muss vor diesem Hintergrund bekanntlich als erheblich eingestuft werden. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund sind auch die beigeordneten Ansprüche mit spezifischer Würdigung der Abgasrückführung und mit el. Zusatzbeheizung des rückgeführten Abgases bzw. der Frischluft von großem technischem und wirtschaftlichem Interesse.
Bevorzugt wird zur Maximierung der eingebrachten Wärmemenge eine Zweifacheinspritzung vorgenommen, um die maximale Verschlechterung des Wirkungsgrades zu erzielen: Die Aufteilung der Brennstoffumsetzung bewirkt bei dieser Vorgehensweise insbesondere eine Minimierung des Verbrennungsgeräusches. Hierbei ist u.a. die Aufteilung in zwei „kleine" Verbrennungen mit dem unvermeidbaren Zündverzug und der schlagartigen Verbrennung des vorgemischten Kraftstoffluftgemischs beteiligt, aber auch die natürliche Begrenzung des Druckanstiegs durch das erfindungsgemäß relativ große Brennraumvolumen während der Brennstoffumsetzung.
Die Erhöhung der Brennraumwandtemperaturen mittels reduziertem Kühlmitteldurchsatz und die damit einhergehende Erhöhung der Gastemperatur zum Zeitpunkt der Einspritzung und während der Brennstoffumsetzung ist der entscheidende Schritt zu einer signifikanten Verlagerung der Brennstoffumsetzung hin zu erhöhtem Brennraumvolumen. Dies gilt für Verlagerung in Richtung „viel zu früh" als auch in Richtung „viel zu spät" als auch für die Kombination aus beiden Maßnahmen. Im Gegensatz zu bekannten Wärmemanagementmaßnahmen wird dabei der reduzierte Kühlmitteldurchsatz durch den Motor nicht dazu verwendet, um den Kraftstoffverbrauch über eine Reduktion der Reibung an der Zylinderlaufbahn und eine verbesserte Verbrennung zu reduzieren, sondern vielmehr dazu, um den Kraftstoffverbrauch, gegebenenfalls sogar unter Inkaufnahme einer gewissen Verschlechterung der Verbrennung und der Emissionen, vorübergehend zu erhöhen.
Dabei bleiben die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf den Entfall der teuren Kabinenzuheizkomponenten beschränkt, sondern darüber hinaus lässt sich im Jahresmittel je nach Gesamtsystemgestaltung eine signifikante Kraftstoffeinsparung realisieren. In diesem Zusammenhang liegt es in der Natur der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, dass je nach Ausgestaltung des Verfahrens ein mehr oder weniger großer Anteil der zusätzlich eingebrachten Energie über eine Erhöhung der Abgasenthalpie verloren geht.
In der energetisch günstigsten Anwendung kommt vor diesem Hintergrund ein Abgaswärmetauscher zum Einsatz, der nicht nur diese zusätzliche Energie nutzt, sondern einen Großteil der Abgasenthalpie der Basiskalibrierung nahe dem Verbrauchsbestwert der momentan abgegeben Motorantriebsleistung. Fahrzeuge mit Abgaswärmetauscher kommen i.a. auch bei extrem hohem Kabinenheizbedart mit sehr moderaten Verstellungen der Einspritzzeitpunkte aus, doch ist das erfindungsgemäße Vorgehen speziell in der ganz frühen Warmlaufphase dennoch von grundsätzlichem Interesse, da hiermit bisher für physikalisch unmöglich gehaltene zeitliche Gradienten der Kabinenaufheizung realisierbar sind. Darüber hinaus liefert der Abgaswärmetauscher Sommer wie Winter eine schnellere Motorerwärmung und damit grundsätzlich eine Beitrag zur Kraftstoffeinsparung. Trotz all dieser Vorteile sind aus Kostengründen zunächst noch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens von besonderem Interesse, die auch ohne Abgaswärmetauscher eine ausreichende Heizleistung liefern.
Wie bereits ausführlich aber doch stark vereinfachend beschrieben wurde, ist eine hinreichende Temperatur zum Zeitpunkt der Einspritzung eine notwendige Bedingung zur erfindungsgemäßen Verschiebung der Einspritzzeitpunkte in Richtung größeres Brennraumvolumen. Ein weiterer ganz maßgeblicher Parameter für den Verbrennungsablauf ist jedoch der Brennraumdruck – neben weiteren hier nicht angepassten Parametern wie z.B. Ladungsbewegung im Brennraum und Spraycharakteristik.
In diesem Zusammenhang bedeutet die erfindungsgemäße Verlagerung der Einspritzzeitpunkte, dass z.B. bei weit vor OT vorgezogenem Einspritzzeitpunkt selbst bei Erreichen der gleichen Gastemperatur nicht die gleichen Randbedingungen für die Entflammung des Gemisches und den weiteren Brennverlauf vorliegen. Vielmehr hat der reduzierte Druck zwangsläufig einen erhöhten Zündverzug zur Folge, was dadurch kompensiert werden muss, dass die Temperatur zu Einspritzzeitpunkt nicht nur identisch ist, sondern deutlich höher als bei gleicher Temperatur und höherem Druck. Deshalb ist es insbesondere unerlässlich, zur Steigerung der Kabinenheizleistung das Potenzial zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes weitestgehend zu nutzen. Soll dagegen nur die Abgastemperatur zum Freibrennen von Rußpartikelfiltern ohne Berücksichtigung der Heizung gesteigert werden, so ist der Spielraum zur Erhöhung der Brennraumwandtemperatur nur durch die zulässigen Motortemperaturen limitiert und daher wesentlich größer. Im Grenzfall kann hier sogar mit Kühlmitteldurchsätzen nahe Null gearbeitet werden.
1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Motor- und Fahrzeugkühlsystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter exemplarischer Einbeziehung wichtiger für die verfahrensgemäße Ansteuerung des Kühlmitteldurchsatzes und der Kraftstoffeinspritzung eines Dieselmotors mit gekühlter Abgasrückführung hilfreichen Mess- und Steuerleitungen 20a–20f des Motorsteuergeräts 20.
Das Kühlmittel wird gemäß 1 durch die Kühlwasserpumpe 7 des Motors durch den Motor 1 gefördert. Vom Motoraustritt strömt das Kühlmittel in einem ersten Kreislauf 9a zum Wasserbehälter 9 und dann über den Thermostaten 6 zurück zum Motor 1. Dieser Zweig dient der Belüftung und Entgasung und enthält zur Minimierung der Wärmeverluste im Warmlauf und zur sicheren Entgasung insbesondere eine nicht eingezeichnete Drosselstelle zur Reduzierung des Kühlmitteldurchsatzes auf Werte nahe Null bei geringer Motordrehzahl. Wahlweise kann statt der Drosselstelle ein Zweiwegeventil eine noch präzisere Kontrolle bzw. temporäre Abschaltung im Warmlauf vornehmen.
Ein zweiter Zweig des Kühlsystems geht über die Leitung 6a und den Fahrzeug-Kühler 8 zum Thermostaten 6 bzw. über den mittels der Motorsteuerungsleitung 20c schaltbaren Bypass-Zweig mit Schaltventil 6b direkt zum Thermostaten 6. Ab einer bestimmten Betriebstemperatur öffnet der Thermostat 6 den Kühler-Zweig 6a mehr und mehr und schließt in analoger Weise den Bypass-Zweig 6b. Wahlweise kann aber auch anstelle des konvenzionellen Thermostaten 6 ein von der Motorsteuerung entsprechend dem Kühlbedarf angesteuertes Regelventil Verwendung finden, gegebenenfalls unter zusätzlicher Integration des Bypassventils 6b.
Neben den Zweigen 6a, 6b, und 9a zur Motorkühlung bzw. Entlüftung des Kühlsystems dient der Zweig 4a der Beheizung der Fahrzeugkabine. Das Kühlmittel wird von der el. Zusatzpumpe 2 über den EGR-Kühler 3 sowie den Temperatursensor 15 zum Kabinenwärmetauscher 4 und dann zurück zum Thermostaten 6 gefördert.
Die Versorgung des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft erfolgt über die Frischluftleitung 10, die sich in Leitung 12 mit dem rückgeführten Abgas aus dem EGR-Zweig 11 mischt. Optional ist die el. EGR-Zuheizung 30 dem EGR-Kühler 3 nachgeschaltet.
Über den Abgaskrümmer 13 verlässt das Abgas den Motor und wird vom Abgasrückführventil 14 je nach Bedarf an Abgasrückführung auf den EGR-Zweig 11 und den Abgasstrang 17 aufgeteilt.
Der Kühlmittelvolumenstrom wird zumindest bei Wärmedefizit ganz bewusst auf geringe Werte von beispielsweise nur 2 l/min eingestellt, indem u.a. die Leitungsquerschnitte im Heizzweig 4a anstelle der üblichen 16–20 mm Innendurchmesser nur 4–6 mm Innendurchmesser aufweisen, und wobei der Bypasszweig 6b und der Kühlerzeig 9a bei Heizleistungsdefizit geschlossen sind. Der Kabinenwärmetauscher ist ebenfalls auf einen relativ hohen Druckverlust ausgelegt, um in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels und einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Bevorzugt kommt hier im Gegensatz zur PKW-typischen Kreuzstromwärmetauscherbauart die Gegenstrombauweise zum Einsatz, die üblicherweise ohnehin einen größeren wasserseitigen Druckverlust aufweist.
Durch den Einbau der elektrischen Zusatzpumpe 2, die im Gegensatz zu den bei der Fahrzeugkühlung üblichen Kreiselpumpen besonders vorteilhaft als Membran-, Kolben- oder Zahnradpumpe ausgeführt ist, ergibt sich im Heizkreislauf in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Kabinenwärmetauschers und der Kühlmittelleitungen auf einen sehr geringen Kühlmittelvolumenstrom und hohe Druckverluste ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmitteldurchsatz. An diesem Sachverhalt ist nicht zuletzt die Tatsache beteiligt, dass für das Kühlsystem heutiger Verbrennungsmotoren üblicherweise ein möglichst moderater Druck- und Leistungsbedarf der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 angestrebt wird. Beim Einsatz beispielsweise einer Zahnradpumpe als Zusatzpumpe 2 wird daher der Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher in erster Näherung durch die elektrische Leistung der Zahnradpumpe bestimmt und nicht von der Motorpumpe.
Ein derart ausgestaltetes Gesamtsystem führt im Vergleich zu heutigen Kühl- und Heizsystemen bereits ohne zusätzliche Maßnahmen zur künstlichen Erhöhung der Motorabwärme zu einer dramatischen Verbesserung der Kabinenheizleistung. Die hier genutzten physikalischen Wirkmechanismen wurden bereits eingehend beschrieben.
Reicht diese Verbesserung der Heizleistung dennoch nicht aus, so ist es bei dieser Konfiguration leicht möglich, durch eine vergleichsweise moderate Verstellung des Einspritzzeitpunktes in Richtung spät den Wärmeeintrag in das Kühlmittel bzw. das Abgas zu erhöhen. Eine möglichst hohe Abgasrückführrate hilft hierbei, dass ein signifikanter Anteil der Abgasenthalpie im System Motor/Kabinenheizung verbleibt. Erhöhte Brennraumwandtemperaturen und die Erwärmung der Frischluft durch die Restwärme des rückgeführten Abgases sorgen dafür, dass die leichte Verschiebung des Einspritzzeitpunktes kaum negative Auswirkungen auf das Verbrennungsgeräusch und die Abgasemissionen hat.
Dabei resultiert aus dem geringen Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler und dessen geringer wärmeaktiver Masse sehr schnell eine hohe Kühlmittelvorlauftemperatur am Kabinenwärmetauscher, d.h. der geringe Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler fokussiert bereits einen großen Anteil der Enthalpie des rückgeführten Abgases auf den Kabinenwärmetauscher bevor die gesamte wärmeaktive Masse des Motors erwärmt werden muss. Gleichzeitig stellt die relativ hohe Kühlmitteltemperatur im EGR-Kühler sicher, dass in der Frühphase des Warmlaufs keine Überkühlung des rückgeführten Abgases erfolgt. Das Schließen des motorseitigen Bypass 6b hilft in diesem Zusammenhang, zusätzliche Vorteile durch die Minimierung der wärmeaktiven Masse des Motors zu erzielen.
Eine derartige Heizung reicht in den allermeisten Motor/Fahrzeug-Kombinationen aus, um alle derzeitigen Komfortansprüche ohne jegliche externen Zuheizkomponenten zu erfüllen. Die leichte Spätverstellung wird i.a. nur bei ganz extremer Kälte benötigt, so dass im winterlichen Mittel eine Kraftstoffeinsparung von etlichen % im Vergleich zu externen Zuheizern, insbesondere zu el. PTC-Zuheizern resultiert. Selbst beim direkten Vergleich der leichten Spätzündung mit dem, in der Fachwelt derzeit als energetisch noch am wenigsten schädlich eingestuften, externen Zusatzbrenner in heute üblicher Einbindung mit hohem Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher, sind die Kraftstoffeinsparungen noch spürbar. Dies liegt insbesondere daran, dass das rückgeführte Abgas zunächst primär zur Kabinenbeheizung verwendet wird und nicht zur Motorerwärmung und gleichzeitig der Motor durch die Temperaturschichtung zwischen Ein- und Austritt bzw. Motorinnen- und Motoraußenbereich einen Zusatzbeitrag liefert. Dabei wird der Kraftstoffmehrverbrauch aufgrund der verspäteten Einspritzung zum einen durch einen Mehrverbrauchsanteil gekennzeichnet, der direkt in die Motorstruktur geht, zum andern durch den verbleibenden Rest, von dem aufgrund hoher EGR-Raten bis zu 50% – unter kabinenfokussierter Ausnutzung im EGR-Kühler – im System Motor-Kabinenheizung verbleiben. Der Gesamtnutzungsgrad in Bezug auf die unmittelbare Wärmeeinbringung in das System Motor und Heizkreislauf bleibt damit nur relativ wenig unter dem entsprechenden Wirkungsgrad des Brenners von 80–85%. EI. Zuheizsysteme schneiden aufgrund der hohen Verluste in der Lichtmaschine – diese sind i.a. zu 100% verloren – und weiterer Verluste im Abgas in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch noch deutlich schlechter ab.
Angesichts der bisherigen Ausführungen liegt auf der Hand, dass sich durch die Einbindung eines zusätzlichen Abgaswärmetauschers zur Nutzung der Restenthalpie im Abgasstrang 17, die kühlmittelseitig bevorzugt zwischen Motor und EGR-Kühler erfolgt, eine zusätzliche Steigerung der Kabinenheizleistung bzw. eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung erzielen lässt. Relativ hohe Kosten des Abgaswärmetauschers machen die Serieneinführung derartiger Systeme jedoch stark abhängig von der Entwicklung der Abgasgesetzgebung und den Kraftstoffpreisen.
Daneben stellt es einen erheblichen Wettbewerbsvorteil dar, wenn ein KFZ-Hersteller dadurch einen weit über dem heute üblichen Niveau liegenden Heizkomfort anbieten kann, dass er bisher nicht gekannte Kabinenaufheizgeschwindigkeiten in seinen Fahrzeugen anbietet. Dies gilt zunächst losgelöst vom Kraftstoffverbrauch, d.h. es gibt Randbedingungen, bei denen der Kunde lieber einen Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf nimmt, als lange auf die Kabinenerwärmung zu warten.
Die erfindungsgemäßen Varianten bieten hier erheblichen Spielraum dazu, sich durch die sichere technische Beherrschung einer erweiterten Variationsbreite bezüglich des Kraftstoffverbrauchs bzw. bezüglich der Abwärme für Heizzwecke einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. Alternativ kann das erfindungsgemäße Potenzial aber auch – unter Inkaufnahme von Kraftstoffverbrauchseinbußen – dazu verwendet werden, mit preiswerteren Komponenten im Kühl- bzw. Heizkreislauf zu arbeiten oder Packagevorteile zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Kühlmittelleitungen, den Wärmetauscher sowie die Anzahl und die Regelgüte der verwendeten Stell- und Regelgüter.
Auch bei Brennkraftmaschinen ohne die für Kabinenheizzwecke ganz besonders hilfreiche EGR-Kühlung oder wenn die Reihenschaltung der EGR-Kühlung gemäß 1 nicht möglich ist, sind die erfindungsgemäßen Ansätze vorteilhaft einsetzbar. Eine entsprechende Ausgestaltung zeigt 4.
Hohe EGR-Raten halten hier die Abwärme, die durch späte Einspritzung zusätzlich generiert wird immer noch zu einem erheblichen Anteil im Gesamtsystem Motor-Kabinenheizkreislauf. Dennoch ist es hier prinzipiell vorteilhaft, mit der Variante mit „zu früher" Einspritzung relativ zum Kraftstoffverbrauchsbestwert oder der Kombination beider Varianten gemäß „zu früh + zu spät" zu arbeiten. Bei zu früher Einspritzung bleibt naturgemäß eine längere Zeitspanne für den Wärmeübergang vom Brenngas an die Brennraumwände, so dass die Abgastemperaturen geringer ausfallen und ein größerer Anteil der zu dissipierenden Kraftstoffmenge zur Erwärmung der Brennraumwände und des Kühlmittels beiträgt.
Dieser Sachverhalt wird bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante gemäß 5 in noch deutlich stärkerem Ausmaß ersichtlich, bei der keine Abgasrückführung zur Unterstützung der Luftvorwärmung verfügbar ist. Die Anwendung später Einspritzung beim Dieselmotor oder später Zündung beim Ottomotor ist hier durchaus in gewissen Grenzen möglich. Dennoch geht nur ein vergleichsweise geringer Anteil in die Motorstruktur, der Großteil geht aufgrund der fehlenden Abgasrückführung im Abgas verloren. Die Rechenergebnisse einer entsprechenden numerischen Simulation der Verbrennung und des Wärmeübergangs gemäß 6 schätzen diesen Effekt ab. Dabei dürfte klar sein, dass die Annahme identischer Brennverläufe in der Praxis nicht vorliegt bzw. nur sehr bedingt realisierbar sein wird und dass die 1-D-Rechnung des Ladungswechsels und der Verbrennung mit Wärmeübergang unter Anwendung der Wärmeübergangsberechnungsmethode nach Woschni nur eine begrenzte Auflösung der Physik liefert.
Für einen kalten Motor bei einem konstanten indiziertem Mitteldruck von 2 bar und eine Drehzahl von 1500 1/min sowie eine konstante Brenndauer von 30°KW sind in
1 über dem Brennbeginn aufgetragen:

1. die Abgastemperatur (Rechtecke, linke Ordinate)
2. die in Form von Kraftstoff zugeführte Energie (Kreise, rechte Ordinate) und
3. die Abgasenthalpie (Rauten, rechte Ordinate).

Die Rechenergebnisse bestätigen die bisherigen Ausführungen, dass eine Verlagerung der Verbrennung in Richtung spät bei konstanter Leistungsabgabe des Motors im Vergleich zur Verlagerung in Richtung früh auf eine erhöhte Abgasenthalpie führt. Ohne EGR ist dieser Anteil der zusätzlich eingebrachten Kraftstoffenergie verloren.
Darüber hinaus wird deutlich, dass es zur verbesserten Motorerwärmung prinzipiell günstiger ist, mit zu früher Verbrennung zu arbeiten, da bei betragsmäßig gleichem Verschiebewinkel relativ zum OT eine höhere Gesamtkraftstoffmenge bei gleichem Drehmoment an der Welle umgesetzt werden kann. Die erhöhten Wandwärmeverluste des Brenngases sind der Grund hierfür und stehen dabei für die Motor- bzw. Kühlmittelerwärmung zur Verfügung.
Anhand von 6 wird auch deutlich, dass zur praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere sehr hohe Zusatzwärmen induzieren will, eine weitaus größere Verstellung der Einspritzung notwendig ist, als dies bei den eingangs beschriebenen Messungen an einem 2,0 l Common-Rail-TDI-Motor der Fall war. Wie bereits erwähnt, wurde dort in Ermangelung der Kenntnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen und Wechselwirkungen lediglich ein Gesamtvariationsbereich von 15°KW für den potenziellen Variationsspielraum in Betracht gezogen. Und selbst hier blieben angesichts der gemessenen Emissionswerte Zweifel an der praktischen Umsetzbarkeit.
In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass vergleichbare Brenndauern und Brennverläufe bei sehr starker Verschiebung der Kurbelwellenstellung der Brennstoffumsetzung, wie dies für die Aussagen gemäß 6 zur Verdeutlichung der physikalischen Zusammenhänge angenommen wurde, nicht ohne Zusatzmaßnahmen realisierbar sind. Analoges gilt für das Verbrennungsgeräusch.
Der Spielraum für „zu frühe" Einspritzung ist hier ebenfalls wie bei der „zu späten" Einspritzung durch die Zunahme des Verbrennungsgeräusches und die Qualität der Brennstoffumsetzung grundsätzlich limitiert. Die sehr geringen Kühlmitteldurchsätze helfen hier jedoch signifikant, um den Spielraum zu erweitern. Im erfindungsgemäßen Zusammenspiel der Parameter mit stark erhöhten brennraumseitigen Temperaturen und gleichzeitiger Erhöhung des Wärmeeintrags durch die Verschiebung des Einspritzbeginns nach „zu früh" sind letztlich Variationsbänder für die Motorabwärme in den Bereich des Machbaren gerückt, die bisher nicht für möglich gehalten wurden. Dies gilt ganz grundsätzlich, insbesondere aber in Verbindung mit Abgasrückführung.
Mit der besonders attraktiven Verfahrensvariante „zu früh und zu spät" erschließt sich ein ganz besonders großes Potenzial zur Maximierung des Wärmeeintrags bzw. zur Minimierung des Verbrennungsgeräusches. Da die eingespritzte Kraftstoffmenge bei der Zerstäubungsgüte moderner Einspritzsysteme bei geringer Drehzahl und Last auf eine Brennstoffumsetzung teilweise innerhalb von weniger als 10°KW weitgehend umgesetzt wird, kann so das effektive Verdichtungsverhältnis der Brennstoffumsetzung und damit der Wirkungsgrad und die Abwärmemenge in einem sehr weiten Bereich variiert werden. Wie aus 6 abgeleitet werden kann, müsste bei hohen in das Kühlwasser einzubringenden Zusatzabwärmen, die Einbringung bei reiner Verlagerung nach „zu spät" eine derart späte Einspritzung erfolgen, dass der Gasdruck und die Gastemperatur im Brennraum auf nicht tolerierbare Werte abfällt, verbunden mit Problemen bei Zündung/Selbstzündung, dem Zündverzug und dem Ausbrand, ganz zu schweigen von der Abgasqualität. Die erfindungsgemäße Variante „zu früh und zu spät" ist hier wesentlich unkritischer und stellt dennoch sicher, dass die Wärmezufuhr beim geringst möglichen Verdichtungsverhältnis und damit bei dem schlechtesten erreichbaren thermodynamischen Wirkungsgrad erfolgt. Hinzu kommen die erhöhten Wärmeverluste der ersten Verbrennung und die Vorwärmung des Gases für die zweite Verbrennung, verbunden mit dem Potenzial diese damit etwas später zu legen.
In diesem Zusammenhang ist es nicht neu, über Mehrfacheinspritzung bei Dieselmotoren die Abgastemperaturen zu steigern. Die erste Einspritzung erfolgt dabei aber i.a. in relativer Nähe zum OT, nicht zuletzt um das Verbrennungsgeräusch klein zu halten und hinreichende Temperaturen für die nachfolgenden Einspritzungen bzw. Verbrennungen bereitzustellen. Diese liefert damit zwangläufig einen für die Maximierung der Abwärme negativen Beitrag, da die Brennstoffumsetzung bei hohem Verdichtungsverhältnis erfolgt. Die Folge ist eine Limitierung der erzielbaren Kraftstoffverbrauchserhöhung bei gegebenem Motördrehmoment, gekoppelt mit dem Effekt, dass der Großteil der Zusatzabwärme über das Abgassystem ungenutzt entweicht. Im Anwendungsfall Kabinenbeheizung ist dies bei Motoren ohne EGR besonders ineffizient, in abgeschwächter Form aber auch bei Motoren mit EGR. Diese Problematik bezüglich der Effizienz bei Verlagerung der Verbrennung in die Expansionsphase wird eigentlich erst entschärft, wenn ein EGR-Kühler zwischen Motoraustritt und Kabinenwärmetauschereintritt angeordnet ist und den Großteil der EGR-Enthalpie auf die Kabine fokussiert, so wie z.B. in 1 gezeigt. Je nach Gesamtsystem Motor-Heizkreislauf und speziell bei begrenzter EGR-Rate sind jedoch auch dort die beiden Varianten „zu früh" sowie „zu früh und zu spät" nicht nur durch ein höheres Zuheizpotenzial ausgezeichnet, sondern auch durch eine wesentlich bessere Effizienz bezüglich des erforderlichen Kraftstoffmehrverbrauchs. Ist hingegen eine möglichst hohe Abgastemperatur die Zielsetzung, z.B. für das Freibrennen von Partikelfiltern oder NOx-Speichern, drehen sich diese Aussagen bezüglich der Effizienz aufgabengemäß weitgehend um.
In 1 ist optional eine el. Beheizung 30 des rückgeführten Abgases integriert.
Diese Zusatzmaßnahme ist mit und ohne Kühlung des rückgeführten Abgases sehr effektiv, um den Variationsbereich der Abwärme über noch höhere Verdichtungstemperaturen zum Zeitpunkt der Einspritzung bzw. Zündung zusätzlich zu erweitern.
Die Integration im EGR-Zweig hat hierbei zum einen den Vorteil, dass dieser Bereich, im Gegensatz zu den vielfach aus Kunststoff bzw. Gummi bestehenden Ladeluftleitungen, bereits sehr robust in Bezug auf erhöhte Temperaturen ist, so dass die el. Heizung mit geringerem Aufwand gegen el. Überhitzung abgesichert werden muss. Im einfachsten Fall erfolgt eine el. Beheizung mit Widerstandsdrähten, die bei fehlendem Luftdurchsatz ihre überschüssige Wärme durch Strahlung oder Wärmeleitung an die Umgebung bzw. die angeflanschten Metallrohre, den Motor und die Abgasanlagenbauteile abgeben. Zum andern besteht der ganz besondere Vorteil, dass der Druckverlust der el. EGR-Beheizung keinerlei negative Auswirkungen auf die Nennleistung hat, da dort i.a. die EGR deaktiviert ist.
Dabei mag es auf den ersten Blick als wenig zielführend erscheinen, z.B. den el. PTC-Zuheizer auf der Seite der Kabinenluft einzusparen und im Gegenzug einen el. Zuheizer im EGR-Zweig hinzuzufügen.
Die noch folgenden technischen Ausgestaltungen der EGR-Beheizung bzw. der ebenfalls vorteilhaften Beheizung der Frischluft werden noch zeigen, dass hier dennoch Kostenvorteile entstehen.
Wesentlich bedeutsamer ist es aber, dass sich damit das Potenzial bezüglich der schnellen Kabinenbeheizung extrem weit über das bisher gekannte Maß hinaus steigern lässt. Hinzu kommt, dass bei vielen zukünftigen Dieselmotoren die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch zum sicheren Freibrennen der Dieselpartikelfilter sehr hilfreich sind. Auch hier ist der ganz enorm gesteigerte Anwendungsbereich in Richtung geringer Motorlast, geringer Motordrehzahl und geringer Umgebungstemperatur von nicht zu unterschätzender Bedeutung.
Die zusätzliche mechanische Motorbelastung zur Bereitstellung von beispielsweise 800 W el. Leistung ist in diesem Zusammenhang nicht unerheblich, wobei eine höhere Basismotorlast den Wärmeeintrag nicht nur grundsätzlich erhöht und zusätzlich in absoluten Zahlen gemessen die Abwärme pro °KW Verstellung der Einspritzung auch deutlich vergrößert, sondern dadurch auch der Spielraum für die Verstellung des Einspritzzeitpunktes zusätzlich erweitert wird.
In einer besonders kosteneffektiven Variante führt die konsequente Anwendung des efindungsgemäßen Gedankengutes mit el. EGR-Zuheizung gemäß 1 auf den Entfall der bei heutigen PKW-Dieselmotoren im Brennraum durchgängig anzutreffenden Glühkerzen. Diese sorgen bekanntlich über eine umgebungstemperaturabhängige Vorglühzeit für ein sicheres Starten des Dieselmotors und mittels Nachglühen während der Frühphase des Warmlaufs für eine ausreichende Verbrennungsqualität und ein akzeptables Verbrennungsgeräusch.
Ohne Glühkerzen innerhalb des Brennraums kommen bei KFZ-Anwendungen bisher nur LKW-Diesel aus. PKW-Dieselmotoren haben in diesem Zusammenhang zwar i.a. ein höheres Verdichtungsverhältnis als LKW-Dieselmotoren doch wird dieser Vorteil durch das ungünstigere Verhältnis von Brennraumoberfläche zu Brennraumvolumen sowie die erhöhten Anforderungen bezüglich der Geräuschemission von PKW-Dieselmotoren mehr als aufgezehrt, so dass bisher brennrauminterne Glühkerzen erforderlich sind.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit EGR-Zuheizung erlaubt es in diesem Zusammenhang, die Verdichtungsendtemperatur so schnell auf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau zu bringen, dass die brennrauminterne Glühkerze nicht mehr zwingend zur Reduktion des Zündverzugs und zur Stabilisierung der Verbrennung gebraucht wird.
Dies bedeutet in der Optimalvariante, dass eine bisher nicht für möglich gehaltene Zeitkonstante bei der Kabinenaufwärmung sowie das Freibrennen von Partikelfiltern zumindest kostenneutral realisiert werden können, nämlich durch Verrechnung der Kosten der EGR-Zuheizung mit den Kosteneinsparungen für den Entfall der Glühkerzen.
Dabei dürfte die 1:1 Verrechnung der Vorteile durch den vereinfachten Zylinderkopf, die Reduktion der Anzahl an Steckern und Leitungen mit samt dem freiwerdenden Packagevolumen im Motorraum sowie die zusätzlichen Freiheitsgrade für die Anordnung der Einspritzdüsen und Brennraumgestaltung sicherlich eine sehr moderate Potenzialeinstufung sein. Doch bereits damit ist die wirtschaftliche Bedeutung klar ersichtlich.
Diese Aussage gilt für die bevorzugte Beheizung der Luft mittels el. Beheizung des rückgeführte Abgases aber auch für Lösungen mit el. Beheizung der Frischluft.
Die vorgeschlagenen Anordnung der el. Zuheizung 30 gemäß 2 hat dabei den Vorteil der Einfachheit und der besonders hohen Betriebssicherheit: Eine einfache Abfrage der Motordrehzahl als Kriterium für das Ein- und Ausschalten genügt, um sicherzustellen, dass z.B. eine el. Flachdrahtwiderstandsheizung angesichts des leerlauftypischen Mindestfrischluftdurchsatzes durch den Motor nicht durchbrennen kann. Dieser nicht zu unterschätzende Vorteil geht mit potenziellen Nachteilen bezüglich des Druckverlustes bzw. der Baugröße und der wärmeaktiven Masse der el. Heizelemete einher.
Die Anordnung der el. Zuheizung im EGR-Zweig gemäß 1 sowie im Frischluftzweig in 2 haben bei Verwendung von Ladeluftkühlung den Nachteil, dass am Ladeluftkühler ein gewisses Potential für die Temperaturerhöhung der Frischluft verschenkt wird. Die Anordnung gemäß 3 ist besonders vorteilhaft, um diesen Nachteil und auch die Nachteile von 2 bezüglich des Druckverlustes bei Volllast zu vermeiden. Die nicht unerheblichen Kosten für den Bypass sowie die Mehrkosten für die Sicherheitsüberwachung des el. Zuheizers müssen hier anwendungsspezifisch mit den Vorteilen verrechnet werden.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens- und Vorrichtungsvarianten im Ganzjahresbetrieb wird nicht zuletzt durch die freie Ansteuerung des Bypassventils 6b ermöglicht. Dabei richtet sich die Anwendung in Motorkennfeldbereichen mit und ohne Wärmedefizit nach den für den Motor zulässigen Temperaturgrenzen und Minimaldurchsätzen. Im Falle der erfindungsgemäßen Wärmeeinbringung ist insbesondere die Ausreizung der Potenziale besonders einfach, wenn mittels der Laufruheregelung oder sonstigen Messgrößen für die Emissionen eine Überwachung bzw. Regelung erfolgt.
Die zusätzlichen Kraftstoffeinsparpotenziale der verschiedenen „Heißkühlungsvarianten" im gesetzlichen Abgastest zwischen 20 und 30 °C Umgebungstemperatur und ohne Kabinenbeheizung, welche sich durch die stufenweise Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses durch den Motor ausgehend von einem Durchfluss nahe Null bis hin zu voll geöffnetem Bypass 6b bzw. Kühlerkreislauf ergeben können, sind bekannt und müssen hier nicht wiederholt werden.
Auch die spezifischen Vorteile der Variante „zu früh und zu spät" wurde bereits ausführlich diskutiert. Dabei ist eine Verfahrensvariante von besonderem Interesse, bei der die Kraftstoffeinbringung primär in der ersten und der letzten Einspritzung erfolgt, insbesondere dass genau zwei Einspritzungen erfolgen. Solange der Zündverzug und die Brenndauer aufgrund des Motordesigns nur einige Grad Kurbelwinkel betragen ist es hier z.B. bei der Anwendung gemäß 5 am effektivsten mit zwei in etwa gleichen Einspritzmengen der ersten und letzten Einspritzung zu arbeiten. Die Umsetzung des ersten Verbrennungsvorgangs ist dann i.a. deutlich vor dem OT abgeschlossen und die zweite Verbrennung beginnt deutlich nach dem OT, was der Umsetzung einer erhöhten Kraftstoffmenge zugute kommt.
Ist jedoch die Summe aus Zündverzug und Brenndauer relativ groß, so ist es günstiger, wenn die in der letzten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge größer ist als die Menge der ersten Einspritzung. Dies gilt insbesondere bei Varianten mit Fokus auf Erhöhung der Abgastemperatur bzw. bei optimierter EGR-Ausnutzung für Vorwärmung der Verbrennungsluft sowie bei Kabinenheizleistungsoptimierter Einbindung des EGR-Kühlers.
Bei Mehrfacheinspritzung wird der erste und letzte Einspritzzeitpunkt vorteilhaft so gewählt, dass der Druck und die Temperatur des Brenngases zum Zeitpunkt der Einspritzung anhand eines Kennfeldes für den Zündverzug mit zusätzlicher Berücksichtigung des reduzierten Kühlmitteldurchsatzes definiert sind. Auf diesem Wege wird erreicht, dass der Zündverzug bei beiden Einspritzvorgängen annähernd auf dem gleichen Niveau liegt.
Die Kühlung des rückgeführten Abgases gemäß 1 ist eine hocheffiziente Methode, um mit wenig Kraftstoffmehrverbrauch eine schnelle Kabinenerwärmung zu erzielen. Eine Überkühlung des Abgases ist hierbei grundsätzlich durch die schnelle Erwärmung des Kühlwassers im EGR-Kühler nicht zu erwarten. In der Frühphase, wo auch geringste Mengen an Luftvorwärmung benötigt werden ist es jedoch teilweise zur Maximierung der Verbrennungsverstellung und des beschriebenen Aufschaukeleffektes vorteilhaft, eine reduzierte oder gar keine EGR-Kühlung zu verwenden. Damit wird das Temperaturniveau für eine sichere Einleitung der Verbrennung bereits bei sehr frühen und/oder sehr späten Einspritzzeitpunkten realisierbar. Obwohl die kabinenheizungsbegünstigende Wirkung damit erst mittelbar, über den erweiterten Regelbereich für die Kraftstoffeinspritzung sowie die minimierte effektive wärmeaktive Masse von Motor und Kabinenwärmetauscher erfolgt, lässt sich die Kabinenheizleistung auf diesem Wege signifikant verbessern. Speziell bei moderaten EGR-Raten kann diese Vorgehensweise sehr effektiv sein.
Wie bereits beschrieben, ist es für eine schnelle Steigerung der Kabinenheizleistung vorteilhaft, die in der Frühphase des Warmlaufs zusätzlich in die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge möglichst groß zu gestalten, insbesondere um die Aufschaukelungseffekte zu aktivieren. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, vorzusehen, dass die gesamte in die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge mehr als doppelt so groß ist wie beim stationären Temperaturendwert des Kühlmittels.
Dabei birgt das enorme Potenzial des erfindungsgemäßen Verfahrens, eine sehr schnelle Kabinenbeheizung zu bewirken, in der fahrzeugspezifischen Applikation ein gewisses Risiko, dass ein Ungleichgewicht der Zielwerte maximale Kabinenheizwirkung und minimaler Kraftstoffverbrauch induziert wird. Diese Gefahr besteht insbesondere deshalb, weil die Homologierung der Kraftstoffverbräuche derzeit nur ohne Kabinenbeheizung erfolgt, so dass je nach Entwicklungsprozess beim KFZ-Hersteller eine Übergewichtung der Heizung erst sehr spät oder gar erst Kunden gefunden wird. Darüber hinaus ist es auch umweltpolitisch nur bedingt vermarktbar, die externen Zuheizkomponenten zwar einzusparen, aber gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Deshalb sieht eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die aufgrund der Verstellung der Brennverläufe künstlich induzierten Kraftstoffmehrverbräuche so begrenzt werden, dass diese durch Energieeinsparungen aufgrund schneller Motorerwärmung, reduzierter Wärmeverluste an die Umgebung und insbesondere durch im Vergleich zu el. Zuheizern für Kühlwasser oder Kabinenluft geringere Masse und Einschaltdauer, zumindest gemittelt über die mittlere Fahrzeugnutzungsdauer, kompensiert werden.
Zur praktischen Umsetzung dieser Überlegungen bezüglich der Steigerung der Kabinenheizleistung bei moderatem Kraftstoffverbrauch ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Frühphase in Abhängigkeit von der Kühlmittel- oder Umgebungstemperatur mit einem Zeitlimit versehen ist und/oder auf die Zeit bis zum Erreichen einer Zielkühlmitteltemperatur begrenzt wird.
Besonders kritisch in Bezug auf potenzielle Wärmedefizite sind bekanntlich Fahrzustände mit geringer Motorlast und geringer Motordrehzahl. Wie nicht zuletzt das Beispiel in 6 verdeutlicht, ist mit geringen Verstellungen der Brennstoffumsetzung in heute üblicherweise anwendbaren Bereichen von maximal 10–15°KW nur eine vergleichsweise geringe künstliche Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs realisierbar. Dies limitiert sowohl die Möglichkeiten der Motorsteuerung zur Erhöhung der Abgastemperatur für das Freibrennen von Komponenten im Abgasstrang als auch für die Verbesserung der Kabinenheizwirkung sehr stark.
Demgegenüber führt die erfindungsgemäße Vorgehensweise dazu, dass der potenzielle Verstellbereich erheblich erweitert ist. Bei Bedarf wird sogar eine Verstellung der Brennstoffumsetzung von mehr als 20°KW in beide Richtungen relativ zum OT bei geringer Drehzahl möglich. Wie 6 zeigt, ist dies auch notwendig, um die notwendige Energie bereitzustellen, so dass einige besonders kostengünstige Verfahrensvarianten in die Praxis umgesetzt werden können. Damit werden insbesondere neue Anwendungen vorteilhaft zur Maximierung der Abwärme nutzbar, bei denen die erste Einspritzung bei hohem Abwärmebedarf und geringer Motorlast, temporär auch bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner 10%, mehr als 25°KW vor dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
Daneben oder unter Verwendung der Verfahrensvariante „zu früh und zu spät" ist es zur Maximierung der Abwärme in spezifischen Anwendungsvarianten vorteilhaft, dass die letzte Einspritzung bei hohem Abwärmebedarf und geringer Motorlast, temporär auch bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner 10%, mehr als 30°KW nach dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
Speziell für heutige Dieselmotoren sind dies Bereiche, die i.a. bei der Vermessung der Motorkennfelder erst gar nicht angefahren werden, da ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen das Verbrennungsgeräusch und die Abgasemissionen ins Unermessliche steigen würden.
Bei Ottomotoren sind derart weite Verschiebungen zwar bereits mit heutigen Motoren möglich – die Spätzündung ist bekanntlich ein sehr probates Mittel zur schnellen Katalysatoraufheizung – doch auch hier hilft die erfindungsgemäße Vorgehensweise den Verstellbereich zu erweitern. Dies ist insbesondere bedeutsam, damit die guten Emissionswerte im gesetzlichen Abgastest ohne Kabinenbeheizung auch im realen winterlichen Fahrbetrieb erzielbar sind. Für Fahrzustände mit und ohne Kabinenheizleistungsentnahme reduziert sich darüber hinaus mit der Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auch hier der erforderliche Kraftstoffmehraufwand für gleiche Werte der Abwärmesteigerung.
Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Vorgehensweisen in der Warmlaufphase einzusetzen. Dabei wird der Motor zunächst völlig normal gestartet und einige Sekunden betrieben. Im weiteren Verlauf der ganz frühen Warmlaufphase, die durch extrem hohe Reibleistung an der Zylinderlaufbahn gekennzeichnet ist und insbesondere weniger als 2 Minuten dauert, wird dann ausgehend von den konvenzionellen Einspritzwinkeln nach und nach deren Verstellung zur Erhöhung der Abwärme vorgenommen. Die hiermit induzierten Aufschaukeleffekte der Wanderwärmung lassen sich in dieser ganz frühen Phase des Warmlaufs insbesondere deshalb besonders gut induzieren, weil hier die Reibleistung des Motors noch extrem hoch ist und bereits relativ kleine Verstellungen der Einspritzwinkel angesichts des relativ hohen Basiskraftstoffverbrauchs doch eine signifikante Zusatzwärmemenge freisetzen. Dabei führt die erfindungsgemäß beschleunigte Erwärmung der Zylinderlaufbahnen zwar zum Abbau der Reibleistung der Kolbengruppe, doch die übrigen Bauteile helfen im weiteren Verlauf des Warmlaufs aufgrund der noch geringen Öltemperatur, dass die Basismotorlast nicht so gering wird, dass die angestrebte Aufschaukelung der Wandtemperaturen angesichts der geringen Basismotorlast unterbrochen wird. Dies ist insbesondere wichtig, um schnell in den Bereich des lokalen Blasensiedens des Kühlwassers zu gelangen und damit auch bei sehr kleinem Kühlmitteldurchsatz des Motors eine hinreichende Wärmemenge für die Kabine bereitzustellen.
Auch im Zusammenhang mit der Basismotorlast ist die Verwendung externer el. Beheizung der Verbrennungsluft von besonderem Interesse: Konvenzionelle Glühkerzen im Zylinderkopf von PKW-Dieselmotoren müssen aus Dauerhaltbarkeitsgründen nach relativ kurzer Nachglühzeit in der Leistung reduziert bzw. ganz ausgeschaltet werden. Dies ist bei den externen el. Beheizung gemäß 1-3 nicht der Fall. Die externe Beheizung hilft hier in den ersten Minuten des Warmlaufs nicht nur durch die el. zugeführte Energie sondern auch durch die zusätzliche Erhöhung der Basismotorlast. Auch deshalb ist es von ganz besonderem wirtschaftlichem wie technischem Interesse, dass eine externe el. Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet wird und diese Vorwärmung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufgaben der sonst in PKW-Dieselmotoren üblicherweise im Zylinderkopf anzutreffenden Glühkerzen für Vor- und Nachglühen miterfüllt.
Die in 1-5 gezeigten Baugruppen und Systemintegrationsvarianten zeigen, dass das erfindungsgemäße Gedankengut sehr vielseitig einsetzbar ist.
Die Ausgestaltung gemäß 4 soll abschließend noch einmal dazu verwendet werden, um die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Beispiels für eine besonders vorteilhafte Strategie zur Erhöhung der Abwärme für Kabinenheizzwecke zu vertiefen. Dabei wird bewusst nicht die energetisch vielfach günstigere Variante mit EGR-Kühler zwischen Motoraustritt und Kabinenwärmetauschereintritt verwendet, um die weitreichenden Konsequenzen und das weite Anwendungsfeld der erfindungsgemäßen Vorgehensweise aufzuzeigen. Die nachfolgenden Ausführungen gelten in diesem Zusammenhang insbesondere auch für Dieselmotoren mit einem EGR-Kühler, der kühlsystembedingt parallel zum Heizkreislauf angeordnet ist und eine hinreichend feinfühlige Durchflussbegrenzung aufweist, insbesondere mit einem Thermostaten der erst bei Erreichen einer Mindesttemperatur vollständig öffnet.
Liegt z.B. ein erhöhter Abwärmebedarf bei hohem Kabinenheizbedarf vor, so ist es bei der beispielhaften Bestückung der Schaltung gemäß 4 mit konkreter Hardware besonders vorteilhaft, dass

– ein Stellglied (6b) zusätzlich zu dem serienüblichen Thermostaten 6 den Kühlmitteldurchfluss durch den Motor reduziert und damit die Brennraumwandtemperatur steigert und
– eine Zahnradpumpe (2) sicherstellt, dass auch durch den Kabinenwärmetauscher ein geringer Kühlmitteldurchfluss vorliegt und eine Kühlwassertemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt von mehr als 25K vorliegt und
– ein hocheffizienter Kabinenwärmetauscher 4, mit mehr als 75% Wirkungsgrad bei 25K Kühlwassertemperaturdifferenz Verwendung findet und
– mittels der Motorsteuerung 20 hohe EGR-Raten eingestellt werden und
– mittels der Motorsteuerung 20 der Einspritzzeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung anhand eines Kennfeldes für den Zündverzug unter zusätzlicher Berücksichtigung der Kühlmitteldurchflussabhängigkeit der momentanen Brenngastemperatur in Richtung früh verstellt wird und
– mittels der Motorsteuerung der Einspritzzeitpunkt der letzten Kraftstoffeinspritzung anhand eines Kennfeldes für den Zündverzug unter zusätzlicher Berücksichtigung der kühlmitteldurchflussabhängigen momentanen Brenngastemperatur in Richtung spät verstellt wird.

Die Variante „zu früh und zu spät" ist hier motorspezifisch gewählt, um einerseits einen sehr hohen Wärmeeintrag zu realisieren, andererseits auch die Geräuschentwicklung in Grenzen zu halten. Rein energetisch ist die Variante „zu früh" hier noch etwas günstiger, aber die etwas erhöhte EGR-Temperatur der Variante „zu früh und zu spät" wird im gezeigten Anwendungsfall gleichzeitig dafür verwendet, die Verbrennungsluft vorzuwärmen und somit den Variationsbereich auszudehnen. Ist der Zuheizbedarf reduziert, so ist es gegebenenfalls auch bei diesem Motor vorteilhaft, auf die Variante „zu früh" überzugehen, um Kraftstoff zu sparen. Ebenso gibt es auch Verbrennungsmotoren mit reduzierter EGR-vertäglichkeit, bei denen ebenfalls die Variante „zu früh" von ganz besonderem Interesse ist.
Insbesondere bei Motoren, die bereits in der Basis, d.h. bei hohem Kühlmitteldurchsatz eine relativ frühe Einspritzung erlauben und bei denen das Einspritzsystem eine Mehrfacheinspritzung mit extrem kurzem Zeitabstand erlaubt, ist es vorteilhaft, ausschließlich mit der Variante „zu früh" zu arbeiten. Ein geringer Kühlmittelstrom sorgt hier in Verbindung mit der extrem schnellen Mehrfacheinspritzung, insbesondere bei Verwendung hochmoderner Piezzo-Einspritzaktuatoren, dafür, dass einerseits durch die Mehrfacheinspritzung das Verbrennungsgeräusch begrenzt bleibt, andererseits die Verbrennung aller Einspritzungen in hinreichender Entfernung zum dem OT weitgehend abgeschlossen ist. Dies ist wichtig, damit durch die Lage des Verbrennungsschwerpunktes deutlich vor OT die Wärmeverluste des Brenngases an die Wand maximiert werden, ohne das Motordrehmoment zu erhöhen. Aus dieser Ansteuervariante resultiert insbesondere der Vorteil, dass die zweite und gegebenenfalls dritte Einspritzung direkt von der Wärmefreisetzung der vorangegangenen Verbrennungen profitiert: Es ist eine höhere Gastemperatur verfügbar, als wenn z.B. die zweite Verbrennung bei der entsprechenden Kurbelwellenstellung nach OT erfolgen würde und bis dahin die Wärmeverluste an die Brennraumwand die Gastemperatur abgesenkt haben.
Bevorzugt wird bei allen Ansteuervarianten das Ausmaß der Verstellung zusätzlich mittels einer Laufruheregelung überwacht bzw. begrenzt.
Unter Ausnutzung dieser speziellen Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch zur Unterstützung der Kabinenheizwirkung künstlich zu erhöhen, ist insbesondere die zeitliche Ansteuerstrategie bezüglich des eingestellten Kraftstoffverbrauchs gemäß 7 von Vorteil.
Für einen Leerlaufpunkt, d.h. die Motorreibleistung und die el. Verbraucher definieren den Kraftstoffverbrauch, zeigt die durchgezogene Linie Messdaten für den zeitlichen Verlauf des Kraftstoffverbrauchs. Der eigentlich benötigte Zusatzbrenner mit 5KW Heizleistung war hierbei deaktiviert. Die gestrichelte Linie zeigt einen exemplarischen Verlauf des Kraftstoffverbrauchs, wie ihn das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht. Nach einigen Sekunden weitgehend identischer Kraftstoffverbräuche erfolgt die erfindungsgemäße Verstellung der Einspritzung. Da zu diesem Zeitpunkt die Reibleistung noch sehr groß ist, lässt sich über die allmähliche Verstellung der Einspritzung und die bereits ausführlich beschriebenen Aufschaukeleffekte mit der erfindungsgemäßen Prozessführung trotz stark abfallender Reibleistung sogar temporär ein positiver Gradient der zeitlichen Kraftstoffverbrauchsentwicklung realisieren. Dieser wird im angegeben Fall im Wechselspiel mit der ansteigenden mittleren Systemtemperatur auf etwa 19 kW stabilisiert. Wie angesichts des Beispiels in 6 bereits zu erwarten, ist hier eine ganz erhebliche Verstellung der Einspritzung in Richtung „zu früh und zu spät" erforderlich. Maßnahmen, um bei PKW-Dieselmotoren bis zu solchen Extremwerten vorzustoßen, wurden bereits beschrieben. Dabei gilt grundsätzlich, dass der leerlaufnahe Betrieb bei extrem hohen Kraftstoffverbrauchspegeln von z.B. 19 kW bei ca. 900 1/min mittels Maßnahmen an der Motorsteuerung durch die zeitliche Abnahme der Motorreibleistung erheblich erschwert wird und vielfach nur für die ersten 3–5 Minuten aufrechterhalten werden kann. Im gezeigten Beispiel gemäß 7 fällt die umsetzbare Kraftstoffmenge daher ab etwa 3 Minuten wieder unter 19 kW ab. Nicht zuletzt deshalb ist ein möglichst früher Beginn mit der erfindungsgemäßen Verstellung der Verbrennung unter starker Reduktion des Kühlmittelmassenstroms sehr wichtig. Für die Verstellung der Verbrennung wäre zwar ein Volumenstrom nahe Null am günstigsten, doch erfordert die Kabinenheizung direkt nach dem Start ihren Heizleistungsanteil, ein Verzicht während der ersten Minuten ist nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen undenkbar. Deshalb macht erst die gleichzeitige Einbindung eines hocheffizienten Kabinenwärmetauschers, mit hohen Wirkungsgraden bei geringem Kühlmitteldurchfluss das erfindungsgemäße Verfahren für die PKW-Praxis effektiv anwendbar.
In 7 wird nach ca. 4–5 Minuten eine hinreichende Kühlmittelvorlauftemperatur am Kabinenwärmetauscher erreicht, so dass die motorinterne Zusatzmaßnahme deaktiviert werden kann. Der Kraftstoffverbrauch fällt nun angesichts des immer noch geringen Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor auf Werte deutlich unterhalb der Basis mit konvenzionellem Kühlmitteldurchsatz. Verglichen mit bisher aus Veröffentlichungen zur Heißkühlung bekannten Kraftstoffverbrauchsunterschieden bei unterschiedlichen Kühlmitteldurchsätzen fällt auf, dass der Verbrauchsvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens hier relativ groß ausfällt. Dies liegt daran, dass die Basis aufgrund der geringen Motorlast bei hoher Wärmeentnahme für die Kabine sich selbst auch nach längerem Betrieb noch auf relativ niedrigem Temperaturniveau befindet. Die stark progressive Zunahme der Reibleistung mit abnehmender Öl- bzw. Zylinderlaufbahntemperatur ist dabei nur eine der Ursachen dieses Unterschiedes. Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Effekt resultiert aus dem verfahrensbedingten Vorteil, dass bei höherer Kühlmittelvorlauftemperatur auch mit geringerem Frischluftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher gearbeitet werden kann und sich dadurch nicht nur dessen Wirkungsgrad verbessert sondern auch zusätzlich Wärmeverluste an die Umgebung eingespart werden. Dies ist auch dringend nötig, um bei dem gezeigten Stationärwert des Kraftstoffverbrauchs die Kabine ausreichend zu beheizen.
Die Integration der zeitlichen Verläufe der Kraftstoffverläufe macht insbesondere deutlich, dass die Fahrdauer einen maßgeblichen Einfluss darauf hat, ob die erfindungsgemäße Vorgehensweise gemäß der gestrichelten Linie für die jeweilige Fahrt günstiger ist oder die Basis gemäß der durchgezogenen Linie. Die zusätzliche Leistung des Brenners ist hierbei in der Basis noch einzurechnen.
Eine weitere Vertiefung der Wechselwirkungen würde an dieser Stelle zu weit führen, doch dürfte der exemplarische Charakter der obigen Ausführungen anhand der Konfiguration gemäß 4 klar sein. Insbesondere ist die explizite Bennennung spezifischer Verbrauchssollwerte – in 7 wurden bewusst Extremwerte verwendet, die in vielen Anwendungen nicht erforderlich sind – und die Benennung spezifischer Hardware nur beispielhaft zu sehen. Speziell bei Motoren ohne Bypass-Zweig 6b kann selbstverständlich auch das Ventil 6b entfallen oder das Ventil 6b kann in Funktionseinheit mit einem elektrischen Ventil 6, das den Thermostaten ersetzt, realisiert werden.
Die Vorteile, die durch die Verwendung externer el. Beheizung der Verbrennungsluft erzielt werden können, insbesondere zur zusätzlichen Erweiterung des Verstellbereichs der Verbrennung bei gleichzeitigem Entfall der motorinternen Glühkerzen zum Vor und Nachglühen, wurden bereits beschrieben.
Hierzu sind insbesondere kostengünstige externe Zuheizkomponenten von Interesse, die durch geringe Kosten, ein schnelles Ansprechen und die Möglichkeit eines Dauerbetriebs gekennzeichnet sind. Die Vorwärmung des Abgases oder der Luft mittels direkt el. beheizter Widerstandsheizdrähte bietet diese Merkmale. Dabei kommen zur Vereinfachung der Fertigung bevorzugt Heizwiderstandsdrähte aus Flachdraht, insbesondere aus korrosionsbeständigem Stahl oder eloxiertem Aluminium zum Einsatz.
In einer, insbesondere bezüglich der Baugröße und des schnellen Ansprechens besonders attraktiven, Variante besteht der Flachdraht aus Aluminiumblech welches zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer Velzahl von schräg angestellten Einschnitten quer zur Luftströmung, den sogenannten Louvres 42a und 42b gemäß 8, versehen ist.
Dabei können insbesondere bereits verfügbare Aluminiumberippungen aus dem PKW-Heizungswärmetauscherbau als Basismaterial verwendet werden. Hier wird für das Aluminiumblech bevorzugt die aus dem Heizungswärmetauscherbau bekannte Stapelung von Zickzackbändern 41 verwendet, wobei anstelle der Wärmetauscherrohre Zwischenlagen aus el. isolierten Trennblechen 40 verwendet werden. Unter Zwischenlegen eines isolierenden Bandes, eloxiertes Aluminiumband ist hier eine besonders kostengünstige und robuste Lösung, wird hierbei das Zickzackband bevorzugt aufgewickelt, so dass sich eine runde oder ovale Außengeometrie ergibt. Dies vereinfacht die Integration der el. Heizung in die Rohre der Luft- bzw. EGR-Verteilungsanlage, wo bekanntlich vorwiegend runde und ovale Querschnittsgeometrien im Einsatz sind. Die el. Kontaktierung erfolgt dabei bevorzugt auf der Außenseite des äußeren Hüllrohres, so dass die eloxierten Aluminiumflächen ohne Zusatzaufwand auch durch einen Metallmantel geführt werden können.
Speziell bei Aluminium als Heizwiderstand ist es ganz besonders vorteilhaft, die Heizrippen 41 aus eloxiertem Aluminium zu fertigen, bei dem die Eloxalschicht der el. Isolation dient. Dabei bringt eloxiertes Aluminium den zusätzlichen Vorteil, dass die Eloxalschicht einen sehr guten Korrosionsschutz darstellt.
Die Ausgestaltung bezüglich der Eloxalschichtdicke richtet sich dabei nicht zuletzt nach der erforderlichen Materialstärke, um in der pulsierenden Strömung im EGR-Zweig bzw. im Ansaugkanal eine hinreichende Festigkeit und Dauerhaltbarkeit zu gewährleisten, ohne das benötigte Bauvolumen allzu groß werden zu lassen.
Die gute el. Leitfähigkeit von Aluminium ist hier zunächst hinderlich, da entweder zu dünne und damit zu empfindliche Materialdicken erforderlich sind oder das Bauvolumen aufgrund der benötigten Drahtlänge sehr groß wird. Bekannte Heizflansche für LKW-Dieselmotoren arbeiten vor diesem Hintergrund mit herkömmlichen Heizleitermaterialien, die einen wesentlich höheren spezifischen el.
Widerstand aufweisen. Neben dem erhöhten Materialpreis verschließt sich diesen Materialien z.T die Anwendung des aus Gründen der Effizienz bezüglich Wärmeübergang und wärmeaktiver Masse bevorzugten Heizrippendesigns aus dem Kabinenheizungswärmetauscherbau mit den sogenannten Louvres.
Speziell der gute Wärmeübergang der Heizrippen gemäß 8 erlaubt es, pro Oberfläche sehr hohe el. Heizleistungen an das zu beheizende Gas zu übertragen. Zur Maximierung der spezifischen Heizleistung pro Oberfläche ist es vor diesem Hintergrund besonders vorteilhaft, die Heizrippen aus eloxiertem Aluminium zu fertigen, bei dem die Dicke der Eloxalschicht zur Anpassung der Biegesteifigkeit und/oder der anwendungsspezifischen el. Leistung pro Heizfläche dient, und insbesondere dass die Dicke der Eloxalschicht größer ist als die halbe Dicke der Metallschicht. Bei guter Biegesteifigkeit resultiert hieraus eine sehr hohe spezifische Leistung bei geringem Bauraum und geringem Druckverlust. Wird z.B. als Ausgangsmaterial Aluminium mit 70 μm Basisdicke eloxiert und beidseitig mit einer Eloxalschicht von ca. 25 μm versehen, so verbleibt eine leitende Metallschicht von 20 μm. Die Verwendung nicht eloxierten Basismaterials von 20 μm, um die gleiche Leistung pro Fläche zu realisieren, wäre zum einen in der Fertigung kaum handhabbar, zum anderen auch im Betrieb sehr schwingungsempfindlich und korrosionsanfällig.
Eine hohe el. Leistung pro Oberfläche ist insbesondere wichtig, um ein schnelles Aufheizen der Luft zu erzielen. Die hohe Leistung pro Oberfläche führt dabei zum einen zu einer Minimierung der aufzuheizenden Massen, zum andern aber auch dazu, dass die aufzuheizenden wärmeaktiven Massen bereits bei einer niedrigeren Materialtemperatur den Gleichgewichtszustand zwischen zugeführter el. Leistung und abgegebener Heizleistung erreichen.
Vor diesem Hintergrund sind speziell die Louvres zur Maximierung des Wärmeübergangs pro eingesetztem Material von besonderer Bedeutung. Dies gilt sowohl bei eloxiertem Aluminium als auch bei nicht eloxierten Materialien, insbesondere bei Verwendung von konventionellem Edelstahl, welcher ebenfalls wesentlich preiswerter ist als bekannte Heizwiderstandsmaterialien z.B. auf CuNi- oder NiCr-Basis. In diesem Zusammenhang hilft speziell die hocheffiziente Ausgestaltung mit Louvres, dass der bekanntlich nicht geringe Temperaturgang des el. Widerstands von Aluminium oder Edelstahl nicht zu Dauerhaltbarkeitsproblemen angesichts lokaler Überhitzung führt: Die relativ geringe Übertemperatur zur Bereitstellung des erforderlichen Temperaturgefälles für den Wärmeübergang erhöht hier die Sicherheitsreserven erheblich, so dass die Widerstandszunahme aufgrund der globalen Erwärmung aller Heizdrahtzonen im Vergleich zur lokalen Erwärmung von Zonen mit erhöhter thermischer Belastung, insbesondere durch reduzierte lokale Umströmung, über die Zunahme des Gesamtwiderstandes ein Herabsetzen der Drahtempfindlichkeit gegen Überhitzung bewirkt. Darüber hinaus wird diese Widerstandszunahme mit der Drahttemperatur bevorzugt für eine Temperaturüberwachung oder Regelung verwendet. Mit anderen Worten, speziell die Verwendung der Louvres liefert die optimale Robustheit des el. Heizsystems, welche es erlaubt bis nahe an die zulässigen Materialtemperaturen zu gehen. Bei Verwendung herkömmlicher Heizleiter bedeutet dies insbesondere eine Minimierung der wärmeaktiven Masse, bei konvenzionellen Metallen wie Aluminium oder Edelstahl werden sowohl die wärmeaktive Masse als auch die Robustheit gegen lokale Überhitzung maßgeblich verbessert.
Bei Einbausituationen, bei denen eine geringe wärmeaktive Masse und/oder der Bauraum weniger wichtig ist, kann aber auch auf bereits verfügbare Designs aus dem Heizungsbau zurückgegriffen werden.
Aufgrund der Verfügbarkeit und der jahrelang erprobten Verwendung in PTC-Zuheizern für die Kabinenluft ist hier auch die Vorwärmung des Abgases oder der Luft mittels el. beheizte PTC-Heizkeramiken erfolgreich anpassbar, welche zumindest teilweise ummantelt sind und die Energie durch Wärmeleitung zu äußeren Heizrippen übertragen.
Dabei kann im Gegensatz zur el. Kabinenbeheizung angesichts der speziellen Anwendung im Saugrohr bzw. im EGR-Zweig, mit einer grundsätzlich ohnehin verfügbaren Überwachung des Luft- und EGR-Massenstroms mittels der Motorsteuerung, anstelle der eigensicheren PTC-Keramik auch ein konvenzioneller Heizwiderstand verwendet werden. Auch hier ist insbesondere wieder eloxiertes Aluminiumblech, welches anstelle der PTC-Keramik zwischen die Kühlrippen geklemmt wird, eine sehr kosteneffektive und robuste Lösung.
Das Potenzial, mit einer in Richtung geringe thermische Trägheit optimierten externen el. Beheizung der Verbrennungsluft die Glühkerzen in PKW-Dieselmotoren zu ersetzen, wurde bereits umrissen. Dabei dürfte klar sein, dass bei modernen PKW nur Vorglühzeiten im Sekundenbereich noch verkäuflich sind. Deshalb auch die erfindungsspezifischen Anstrengungen, eine möglichst schnelle el. Heizung zur Verfügung zu stellen. Der Aufwand, um die externe Heizung ähnlich schnell wie eine Glühkerze im Brennraum auf die stationäre Endtemperatur zu bringen, ist nicht unerheblich. Dies gilt ganz besonders für die mittlerweile verfügbaren Glühkerzen mit PWM-Regelung, die in Sekundenschnelle aufgeheizt und dann mittels PWM auf Solltemperatur gehalten werden. Hinzu kommt das Luftvolumen zwischen externer Heizung und Brennraum, welches erst entleert werden und mit beheizter Luft befällt werden muss.
Die nahezu ausschließliche Verwendung direkteinspritzender Brennverfahren und die hohen Einspritzdrücke moderner Einspritzsysteme, in Verbindung mit einer sehr hohen Zerstäubungsgüte und einer sehr feinen Dosierbarkeit bei Mehrfacheinspritzungen helfen in diesem Zusammenhang, dass PKW-Dieselmotoren bei nicht zu geringer Umgebungstemperatur eigentlich kein Vorglühen mehr benötigen, um zu starten. Die Glühkerzen dienen hier vielmehr der Verbesserung der Verbrennungsqualität während des Warmlaufs. Speziell für die Unterstützung des Warmlaufs ist aber wiederum die erfindungsgemäße externe el. Heizung mit moderatem Aufwand realisierbar und wird zusätzlich durch den reduzierten Kühlmittelstrom unterstützt. Hieraus folgt die Möglichkeit, speziell für Kunden, die bereit sind, bei hohen Minustemperaturen etwas Vorglühzeit in Kauf zu nehmen, signifikante Kosteneinsparungen durch besonders preiswerte Ausführungen der externen el. Vorheizung der Verbrennungsluft zu realisieren. Derartige Systeme sind insbesondere kostengünstiger als Systeme mit motorinternen Glühkerzen, ganz zu Schweigen von den zusätzlichen Kostenvorteilen, insbesondere durch den Entfall der externen Kabinenbeheizung mittels PTC oder Brenner.
Aber auch in Anwendungen, bei denen die spezifischen Randbedingungen, insbesondere Eigenheiten des verwendeten Brennverfahrens oder besonders extreme Anforderungen bezüglich der Schnellstarteigenschaften bei hohen Minusgraden, dazuführen, dass auf die motorinterne Glühkerze nicht verzichtet werden soll, ist die erfindungsgemäße Verfahrensvariante mit externer el. Beheizung der Verbrennungsluft angesichts der verbleibenden Vorteile immer noch von hohem Nutzen: Wie in 7 exemplarisch gezeigt, erfolgt die Verstellung der Verbrennung bevorzugt erst, nachdem zunächst ein ganz normaler Start erfolgt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Motor sicher hochläuft und insbesondere die Motorsteuerung mittels der üblichen Überwachung der wichtigsten Betriebsparameter verifiziert hat, dass alle Systeme arbeiten und nicht eine eingeschränkte Funktion bezüglich wichtiger Regelparameter vorliegt.
Ist eine el. Heizung mit hoher Leistung installiert und diese hohe el. Leistung auch verfügbar, so wird diese bevorzugt von Anfang an abgerufen, um den Warmlauf zu unterstützen.
Velfach ist jedoch nicht genügend el. Leistung verfügbar, insbesondere bei hoher Belastung des Bordnetzes mit Nebenverbrauchern oder bei schwacher Batterie. Im Extremfall kann dies bedeuten, dass ohne die im Normalzustand verfügbare el. Energie auch ein Übergang zum erfindungsgemäßen Betrieb mit sehr starker Verstellung der Einspritzung in Richtung Kraftstoffmehrverbrauch nicht möglich ist.
Im Vergleich zum direkten PTC-Zuheizer im Kabinenluftmassenstrom stellt dies zwar immer noch keine Verschlechterung dar, da dieser unter derartigen Randbedingungen auch nicht betrieben werden kann, dennoch ist dies für den Fahrer nur ein unbefriedigender Zustand. Ist die Maßnahme zur temporären Abwärmeerhöhung darüber hinaus emissionsrelevant, z.B. für das Freibrennen des Dieselfilters, so kommen neben den Komforteinbußen auch schnell Dauerhaltbarkeitsgesichtspunkte hinzu sowie das Risiko gegen Abgasgesetze zu verstoßen.
Für diese Betriebsbedingungen wird als weitere Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die Vorrichtung 30 zur externen el. Beheizung der Verbrennungsluft el. zu beheizen aber nicht oder nur sehr wenig mit Gas zu durchströmen, indem z.B. die Abgasrückführung deaktiviert ist, so dass sich die el. Heizvorrichtung auf eine hohe Temperatur aufheizt und das erfindungsgemäße Verfahren erst nach dem Aufheizen zu einzuleiten. Die gespeicherte Wärmemenge wird dann, beispielsweise durch das Aktivieren der Abgasrückführung, schlagartig verfügbar und erlaubt damit eine sehr weitreichende Verstellung der Verbrennung. Wie anhand 6 deutlich wird, lässt sich damit sprungartig eine sehr hohe Wärmemenge generieren, wobei gleichzeitig auch die Abgastemperatur steigt. Die steigende Abgastemperatur kompensiert dabei nach und nach den Abfall der an der el. Heizvorrichtung verfügbaren Wärmemenge. Auf diesem Wege ist es möglich, es trotz limitierter el. Leistung dennoch in den Bereich stark erhöhter Abwärme zu gelangen. Ohne diese Verfeinerung ist es unter vergleichbaren Randbedingungen bestenfalls unter Inkaufnahme von transienten Phasen erhöhten Verbrennungsgeräusches möglich, die kritische Menge an zusätzlicher Wärme umzusetzen, um mit begrenzter el. Leistung die volle Verstellung der Verbrennung einzuleiten.
Diese Vorgehensweise ist grundsätzlich während des Warmlaufs möglich und insbesondere vorteilhaft, um die Kosten für die el. Heizung und die assoziierten Systemkomponenten klein zu halten.
Aber auch bei Anwendungen, die bei teilweise bzw. vollständig erwärmtem Motor und damit bei relativ geringer Reibleistung noch eine hohe Abwärme generieren wollen, ist diese Verfahrensvariante mit transienter Nutzung der externen el. Beheizung der Verbrennungsluft von ganz besonderem Interesse. Selbst wenn beispielsweise nur 10A im 12V-Bordspannungsnetz für die el. Beheizung bereitgestellt werden können, kann so letztendlich doch in Bereiche sehr hoher Verstellung der Brennstoffumsetzung in Richtung früh vorgedrungen werden, wie sie bei permanenter Gasdurchströmung del el. Zuheizung nur bei einem Veilfachen des el. Stroms, d.h. z.B. 100A anstelle von 10A, möglich wäre.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die insbesondere auf Fahrsituationen von PKW mit hocheffizienten TDI-Motoren mit Abwärmedefizit abzielen, stehen im Falle der zusätzlichen externen el. Vorwärmung der Verbrennungsluft in Konkurrenz zu der grundsätzlichen Möglichkeit hochmoderner PKW-Dieselmotoren, in Verbindung mit den übrigen Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits ohne die el. Vorwärmung ein hinreichendes Verstellpotenzial zu erzielen.
6 zeigt anhand der Werte für die Kraftstoffverbräuche und die Gastemperaturen in Abhängigkeit vom Brennbeginn, welche insbesondere in Verbindung mit den zugehörigen Werten für den Druck sowie für den durch Druck und Temperatur maßgeblich beeinflussten Zündverzug zu sehen sind, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorschlägt, alle üblichen Grenzen heutiger PKW-TDI-Dieselmotoren bezüglich der Verstellung des Brennbeginns bei geringer Motordrehzahl und Last zu überschreiten.
Ohne die spezifische Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes und teilweise auch ohne die transienten Methoden zum Überleiten vom Normalbetrieb in den Betrieb mit extremer Verstellung, wäre dies nur sehr bedingt möglich. Insbesondere hilft hier die externe el. Beheizung, auch die extremsten Anforderungen zu erfüllen. Speziell im Vergleich zu der beschriebenen Vorgehensweise, mittels mehrer sehr kurzer und sehr früher Einspritzungen bzw. Verbrennungen das Temperatur- und Druckniveau der zweiten und gegebenenfalls dritten und vierten Einspritzung anzuheben und damit das Verbrennungsgeräusch zu minimieren, bleibt die externe el. Erwärmung in Bezug auf Maximierung der Abwärme im Vorteil. Dies liegt zum einen daran, dass die Brennstoffumsetzung der einzelnen Einspritzungen bei gleichem Geräuschniveau höher gewählt werden kann, so dass die Umsetzung im zeitlichen Mittel früher erfolgt. Ganz wesentlich ist darüber hinaus jedoch die Tatsache, dass die Erwärmung des Brenngases mittels der ersten Verbrennungen trotz der erheblichen Wandwärmeverluste bei früher Einspritzung stets auch einen Beitrag zum Drehmoment des Motors liefert. Gerade dieser ist aber bei Abwärmedefizit nicht erwünscht und begrenzt das Variationspotenzial bezüglich der umsetzbaren Kraftstoffenergie. Analoges gilt für die Variante mit mehrfacher später Einspritzung, wobei dort die Wärmebilanz bezüglich der Motor-Innenerwärmung noch wesentlich schlechter ausfällt. Die el. Beheizung erfolgt im Gegensatz hierzu außerhalb des Brennraums und liefert keinen Beitrag zum Motordrehmoment. Im Gegenteil, die erhöhte el. Last erhöht das Motordrehmoment sogar und führt auf diesem Wege zu einer zusätzlichen Erweiterung der realisierbaren Abwärme.
Vor diesem Hintergrund bleibt festzuhalten, dass sich die wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der assoziierten Bauteile auf Fahrzeuge mit und ohne externe el. Beheizung der Verbrennungsluft erstreckt und nicht zuletzt vom Ausmaß des Wärmedefizits abhängt.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe zum Heizungswärmetauscher für die Kabine und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, mit von der Motorsteuerung beeinflussten Verstellvorrichtungen zur Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei erhöhtem Abwärmebedarf, insbesondere bei hohem Kabinenheizbedarf, dadurch künstlich erhöht wird, dass eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine in Richtung der für den sicheren Motorbetrieb zulässigen Grenzwerte erfolgt und zumindest bei hohem Kabinenheizbedarf Temperaturdifferenzen zwischen Heizungswärmetauschereintritt und Heizungswärmetauscheraustritt von mehr als 25°C bewirkt werden, und dass gleichzeitig eine Verstellung der Brennstoffumsetzung in Richtung von Kurbelwellenstellungen mit vergrößertem Brennraumvolumen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Brennstoffumsetzung durch den Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Abgasrückführung aktiviert ist und mit hohen Abgasrückführraten dafür sorgt, dass die für die sichere Verbrennungseinleitung erforderlichen Temperaturen der Verbrennungsluft eingehalten werden sowie sichergestellt ist, dass nicht ein zu großer Anteil der Zusatzenergie über das Abgas ungenutzt entweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrfache Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt, wobei die Verschiebung der ersten Einspritzung derart in Richtung früh erfolgt, dass die Umsetzung des bei der ersten Einspritzung eingebrachten Kraftstoffs vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes weitgehend abgeschlossen ist und dass die Verschiebung der letzten Einspritzung derart in Richtung spät erfolgt, dass diese hinter dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinbringung primär in der ersten und der letzten Einspritzung erfolgt, insbesondere dass genau zwei Einspritzungen erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der letzten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge gleich groß oder größer ist als die Menge der ersten Einspritzung.
Verfahren nach Anspruch 2–6 dadurch gekennzeichnet, dass der erste und letzte Einspritzzeitpunkt so gewählt sind, dass der Druck und die Temperatur des Brenngases zum Zeitpunkt der Einspritzung anhand eines Kennfeldes für den Zündverzug mit zusätzlicher Berücksichtigung des reduzierten Kühlmitteldurchsatzes so liegen, dass der Zündverzug bei beiden Einspritzvorgängen annähernd auf dem gleichen Niveau liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Einspritzung derart in Richtung früh erfolgt, dass die Umsetzung des eingebrachten Kraftstoffs vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes weitgehend abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest temporär eine reduzierte oder gar keine EGR-Kühlung erfolgt, so dass das Temperaturniveau für eine sichere Einleitung der Verbrennung bereits bei sehr frühen und/oder sehr späten Einspritzzeitpunkten realisierbar ist und insbesondere, dass die kabinenheizungsbegünstigende Wirkung erst mittelbar, über den erweiterten Regelbereich für die Kraftstoffeinspritzung sowie die minimierte effektive wärmeaktive Masse von Motor und Kabinenwärmetauscher, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Einspritzung derart in Richtung spät erfolgt, dass diese nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass ein EGR-Kühler die aus der Verstellung der Einspritzung(en), insbesondere aus der Verstellung in Richtung spät, resultierende Abwärmeerhöhung in Motor und Abgas, in Verbindung mit dem geringen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor, den zwischen Motoraustritt und Kabinenwärmetauscher liegenden EGR-Kühler sowie durch den Kabinenwärmetauscher selbst, unmittelbar auf die Kabine fokussiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaswärmetauscher die auch im nicht rückgeführten Abgaszweig erhöhte Abgasenthalpie für die Erwärmung des Kühlmittels verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Motor zugeführte Frischluft zusätzlich elektrisch beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Frischluftbeheizung in einem schaltbaren Bypass zum Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine mit Aufladung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass das an den Motor zurückgeführte Abgas zusätzlich elektrisch beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorübergehende Verstellung der Verbrennungsabläufe zur Maximierung der Abwärme bis hin zu den gemäß Kennfeldern zulässigen oder mittels der Motorsteuerung überwachbaren Grenzen erfolgt, insbesondere bis an die Grenzen der Rauchentwicklung, der Erhöhung des Verbrennungsgeräusches, der Laufruhe oder der Schadstoffemission.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund der Verstellung der Brennverläufe künstlich induzierten Kraftstoffmehrverbräuche so begrenzt werden, dass diese durch Energieeinsparungen aufgrund schneller Motorerwärmung, reduzierter Wärmeverluste an die Umgebung und insbesondere durch im Vergleich zu el. Zuheizern für Kühlwasser oder Kabinenluft geringere Masse und Einschaltdauer, zumindest gemittelt über die mittlere Fahrzeugnutzungsdauer, kompensiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einspritzung bei hohem Abwärmebedarf und geringer Motorlast, auch bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner 10%, mehr als 25°KW vor dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Einspritzung bei hohem Abwärmebedart und geringer Motorlast, auch bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner 10%, mehr als 30°KW nach dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Frühphase des Warmlaufs zusätzlich in die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge temporär mindestens so groß ist, dass die gesamte in die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge mehr als doppelt so groß ist wie beim stationären Temperaturendwert des Kühlmittels.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Frühphase in Abhängigkeit von der Kühlmittel- oder Umgebungstemperatur mit einem Zeitlimit versehen ist und/oder auf die Zeit bis zum Erreichen einer Zielkühlmitteltemperatur begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–21, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Warmlaufphase, die durch extrem hohe Reibleistung an der Zylinderlaufbahn gekennzeichnet ist und insbesondere weniger als 2 Minuten dauert, zunächst konvenzionelle Einspritzwinkel verwendet werden und dann nach und nach die Verstellung zur Erhöhung der Abwärme erfolgt.
Verfahren zum Kaltstart eines Dieselmotors für PKW, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe el. Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet wird und diese Vorwärmung in Verbindung mit Verfahrensmerkmalen nach einem der Ansprüche 1–22 die Aufgaben der sonst in PKW-Dieselmotoren üblicherweise im Zylinderkopf anzutreffenden Glühkerzen für Vor- und Nachglühen miterfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–23, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Abwärme primär zur Steigerung der Abgastemperatur erfolgt und insbesondere zur Erweiterung des Kennfeldes für das Freibrennen von Partikelfiltern in Richtung geringer Motorlast und Motordrehzahl herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–24, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung über eine Laufruheregelung sicherstellt, dass das motorspezifische Potenzial zur Verstellung des Verbrennungsablaufs in Richtung zusätzlichen Kraftstoffverbrauchs bis nahe an die Laufruhegrenze ausgeschöpft wird und insbesondere sicherstellt, dass der Zündverzug oder der Verbrennungsdruckgradient der ersten und letzten Verbrennung möglichst gleiche Werte aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–25, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Vorwärmung im Bypasszweig der Luftverteilungsanlage oder im Abgasrückführzweig angeordnet ist und mittels der Motorsteuerung zunächst auf einen geringen oder deaktivierten Gasdurchsatz eingestellt wird, so dass diese zunächst auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, dass dann mittels eines erhöhten Gasdurchsatzes temporär eine erhöhte externe Vorwärmung des Verbrennungsgases erzielt wird und dass diese für die Überleitung zur Verstellung der motorseitigen Verbrennung herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die motorseitige Verstellung der Verbrennung so groß ist, dass die Erhöhung der Brennraumwandtemperatur und/oder in Verbindung mit einer Abgasrückführung die steigende Abgastemperatur, den zeitlichen Abfall der an der el. Heizvorrichtung übertragenen Wärmemenge zumindest teilweise kompensiert.
Vorrichtung, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren gemäß der Ansprüche 1–27, zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe zum Heizungswärmetauscher für die Kabine und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, mit von der Motorsteuerung beeinflussten Verstellvorrichtungen zur Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei erhöhtem Abwärmebedarf, insbesondere bei hohem Kabinenheizleistungsbedarf, dadurch künstlich erhöht wird, dass eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine in Richtung der für den sicheren Motorbetrieb zulässigen Grenzwerte erfolgt, wobei insbesondere zur Maximierung der Kabinenheizwirkung Temperaturdifferenzen zwischen Heizungswärmetauschereintritt und Heizungswärmetauscheraustritt von mehr als 25K bewirkt werden, und dass gleichzeitig eine Verstellung der Brennstoffumsetzung in Richtung von Kurbelwellenstellungen mit vergrößertem Brennraumvolumen erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhtem Abwärmebedarf – ein Stellglied (6, 6b) den Kühlmitteldurchfluss durch den Motor reduziert und damit die Brennraumwandtemperatur steigert und – das gleiche Stellglied (6, 6b) oder ein zusätzliches Stellglied (2) sicherstellt, dass auch durch den Kabinenwärmetauscher ein geringer Kühlmitteldurchfluss vorliegt und eine Kühlwassertemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt von mehr als 25K vorliegt und ein hocheffizienter Kabinenwärmetauscher 4, mit mehr als 75% Wirkungsgrad bei 25K Kühlwassertemeraturdifferenz Verwendung findet und mittels der Motorsteuerung 20 hohe EGR-Raten eingestellt werden und mittels der Motorsteuerung 20 der Einspritzzeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung anhand von Kennfeldern zur Charakterisierung des Zündverzugs unter zusätzlicher Berücksichtigung der Kühlmitteldurchflussabhängigkeit der momentanen Brenngastemperatur in Richtung früh verstellt wird und/oder mittels der Motorsteuerung der Einspritzzeitpunkt der letzten Kraftstoffeinspritzung anhand von Kennfeldern zur Charakterisierung des Zündverzugs unter zusätzlicher Berücksichtigung der kühlmitteldurchflussabhängigen momentanen Brenngastemperatur in Richtung spät verstellt wird.
Abgasrückführvorrichtung, insbesondere zur Unterstützung der Durchführung eines der Verfahren gemäß Patentanspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28–29, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Heizvorrichtung im EGR-Zweig angeordnet ist und das rückgeführte Abgas zusätzlich erwärmt.
Ladeluftverteilungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Aufladung und Ladeluftkühlung zur Unterstützung der Durchführung eines der Verfahren gemäß Patentanspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28-28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftkühlung mit einem Bypassventil im Frischluftzweig bei erhöhtem Abwärmebedarf deaktiviert wird und die Frischluft über eine el. Heizvorrichtung vorgewärmt wird.
Ladeluftverteilungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Aufladung und Ladeluftkühlung zur Unterstützung der Durchführung eines der Verfahren gemäß Patentanspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28–29, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft hinter dem Ladeluftkühler über eine el. Heizvorrichtung vorgewärmt wird.
El. Heizvorrichtung, insbesondere zur Durchführung oder Unterstützung eines der Verfahren nach Anspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28-32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Abgases oder der Luft mittels direkt el. beheizter Widerstandsheizdrähte erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstandsdrähte aus Flachdraht, insbesondere aus korrosionsbeständigem Stahl oder eloxiertem Aluminium, gebildet werden.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdraht aus Aluminiumblech besteht und zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer Velzahl von schräg angestellten Einschnitten quer zur Luftströmung versehen ist, insbesondere dass bereits verfügbare Aluminiumberippungen aus dem PKW-Heizungswärmetauscherbau als Basismaterial verwendet werden.
Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34–35, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrippen aus eloxiertem Aluminium bestehen, bei dem die Eloxalschicht der el. Isolation und/oder dem Korrosionsschutz dient.
Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34–36, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrippen aus eloxiertem Aluminium bestehen, bei dem die Dicke der Eloxalschicht zur Anpassung der Biegesteifigkeit und/oder der anwendungsspezifischen el. Leistung pro Heizfläche dient, und insbesondere dass die Dicke der Eloxalschicht größer ist als die halbe Dicke der leitenden Metallschicht.
El. Heizvorrichtung, insbesondere zur Durchführung oder Unterstützung eines der Verfahren nach Anspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Abgases oder der Luft mittels el. beheizte PTC-Heizkeramiken erfolgt, welche zumindest teilweise ummantelt sind und die Energie durch Wärmeleitung zu äußeren Heizrippen übertragen.
El. Heizvorrichtung, insbesondere zur Durchführung oder Unterstützung eines der Verfahren nach Anspruch 1–27 oder gemäß der Vorrichtungsansprüche 28–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Abgases oder der Luft mittels el. beheizter Widerstandsheizdrähte erfolgt, welche zumindest teilweise ummantelt sind und die Energie durch Wärmeleitung zu äußeren Heizrippen übertragen.
Dieselmotor für Personenkraftfahrzeuge mit Verfahrens- oder Vorrichtungsmerkmalen gemäß einem der Ansprüche 1–39, dadurch gekennzeichnet, dass dieser keine Glühkerze im Nahbereich des Brennraums zum Vor- und Nachglühen im Kaltstart aufweist und diese Aufgaben von der el. Vorwärmung des rückgeführten Abgases übernommen werden.
Dieselmotor für Personenkraftfahrzeuge mit Verfahrens- oder Vorrichtungsmerkmalen gemäß einem der Ansprüche 1–39, dadurch gekennzeichnet, dass dieser keine Glühkerze im Nahbereich des Brennraums zum Vor- und Nachglühen im Kaltstart aufweist und diese Aufgaben von der el. Vorwärmung der erwärmten Frischluft übernommen werden.