DE10262435B3 - Method and device for the cost-efficient increase and use of waste heat from internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge miteiner durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine (1) und mitvon einer Motorsteuerung (20) beeinflussbaren Verstellvorrichtungen zur Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine (1),dadurch gekennzeichnet, dassin einem Betrieb bei erhöhtem Abwärmebedarf ein reduzierter Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine (1) in Richtung von für den sicheren Motorbetrieb zulässigen Grenzwerten eingestellt wird undder Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine (1) temporär künstlich erhöht wird durch eine Verstellung einer Brennstoffumsetzung in Richtung von Kurbelwelleneinstellungen mit vergrößertem Brennraumvolumen,wobei die Erhöhung der Abwärme primär zur Steigerung der Abgastemperatur erfolgt,ohne Berücksichtigung der Heizung zur Anwendung kommt undmit einem Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine (1) nahe Null gearbeitet wird.Method for operating a cooling and heating circuit for motor vehicles with an internal combustion engine (1) cooled by coolant and with adjustment devices that can be influenced by an engine controller (20) to vary the combustion process within the internal combustion engine (1), characterized in that during operation with an increased waste heat requirement, a reduced coolant throughput is set by the internal combustion engine (1) in the direction of limit values permissible for safe engine operation and the fuel consumption of the internal combustion engine (1) is temporarily artificially increased by adjusting a fuel conversion in the direction of crankshaft settings with an increased combustion chamber volume, the increase in waste heat primarily for increasing the Exhaust gas temperature takes place, is used without considering the heating and with a coolant flow rate through the internal combustion engine (1) is close to zero.
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.The invention relates to a method and a device for operating a cooling and heating circuit for motor vehicles with a coolant-cooled internal combustion engine, the coolant of which is conveyed by a coolant pump to the heating heat exchanger for the cabin and finally back to the internal combustion engine, with adjustment devices influenced by the engine control to vary the combustion process within the internal combustion engine. The variation measures are aimed at temporarily increasing the available waste heat for improved cabin heating and/or increasing the temperature of components in the exhaust aftertreatment system.
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.It is known that modern passenger cars with highly efficient diesel engines have additional heating components for cabin heating in winter, particularly in central European latitudes. Water-side auxiliary heating by means of fuel-operated auxiliary heaters derived from parking heaters or the electric heating of the cooling water or the direct electric heating of the cabin air by means of the well-known PTC auxiliary heaters are the usual solutions on the market.
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 mit einer namhaften Deutschen Hochschule assoziiert - durchgeführt wurde, fasst u.a. die Möglichkeiten und Grenzen motorischer Maßnahmen im Mai 2000 zusammen (Quelle: Koch, Franz-Wilhelm; Haubner Frank; Klopstein, Stefan: Heizleistung in PKW mit verbrauchsoptimierten Motoren. In: FAT-Schriftenreihe, Bd. 155, 2000, S. 1-63. — ISSN 0933-50X). 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 von der Forschungsstelle Betriebspunkte bei 1500 1/min und 1,0 bar effektivem Mitteldruck sowie 2000 1/min und 2 bar effektivem Mitteldruck gewählt und Messungen mit unterschiedlichem Einspritzzeitpunkt an einem 2,0 I 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 1500/1 bar 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 HC + 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 Potential der Erhöhung der Heizleistung durch eine Verlagerung der Verbrennung in die Expansionsphase.“It is also generally known that most car manufacturers have carried out extensive in-house investigations to increase the waste heat from direct-injection diesel engines for cabin heating purposes by adjusting the combustion inside the engine, with the well-known result that the auxiliary heating components mentioned above have not been omitted to this day could.
In this context, a study on the heat output in cars with consumption-optimized engines, financed by the German car manufacturers and accompanied by their experts, which was carried out by a generally recognized research institution for internal combustion engines - this is associated in particular with a well-known German university - summarizes, among other things, the Possibilities and limits of engine measures in May 2000 together (Source: Koch, Franz-Wilhelm; Haubner Frank; Klopstein, Stefan: Heat output in cars with consumption-optimized engines. In: FAT publication series, vol. 155, 2000, pp. 1-63. — ISSN 0933-50X). These are not only classified as very limited, but also as critical in terms of pollutant emissions, and this is already the case for the current EU III and EU IV regulations.
The research center selected operating points at 1500 rpm and 1.0 bar effective mean pressure as well as 2000 rpm and 2 bar mean effective pressure as representative operating points and measurements with different injection times on a 2.0 I TDI diesel engine with common rail injection system presented. A range from 16° CA before TDC to 1° CA before TDC with regard to the energy balance and pollutant emissions was measured as a physically meaningful variation range for the start of injection. The highest increase in the additional heat found in the engine cooling circuit was a little less than 1.5 kW at 1500/1 bar and approx. 3 kW at 2000/2 bar. This was found at maximum retard with an injection start of 1 or 2° CA before TDC and was immediately associated with a significant increase in emissions. If the injection is shifted to the early values up to 16°KW, the additional amount of heat introduced is almost negligible, but the total emission HC + NOx increases.
The measurement results lead to the conclusion published in consensus between the researcher and the contracting vehicle manufacturers: "Finally, as a result of the exhaust gas legislation, there is a very limited potential for increasing the heating output by shifting the combustion to the expansion phase."
Obwohl ein Common-Rail-Einspritzsystem (wie es beim von der Forschungsstelle verwendeten Motor verfügbar ist) 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 einem höheren indizierten Mitteldruck zu verlagern. Die Drosselung des Abgasmassenstroms - mit VTG-Lader oder Drosselklappe - in Verbindung mit einem 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.Although a common-rail injection system (as is available in the engine used by the research center) allows for a significantly wider variation of the injection timing and, in particular, multiple injections, the research center decided to do this in consensus with the representatives of the automotive industry due to the lack of prospects of success didn't even try. Instead, it is proposed as an engine improvement method to artificially increase the exhaust gas back pressure by means of the supercharger with variable turbine geometry and thereby shift the operating point to a higher indicated mean pressure. The throttling of the exhaust gas mass flow - with VTG charger or throttle valve - in connection with an exhaust gas heat exchanger is described as particularly promising. Nevertheless, the exhaust gas heat exchanger has not yet been able to establish itself on the market and, as already mentioned, the external auxiliary heaters have not been omitted either.
Es bleibt angesichts der obigen 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.In view of the above, it can be said that to date there is no efficient solution available or implemented on the market that is capable of replacing the additional auxiliary heating components such as burners, electric water heaters or PTC air heaters by means of engine measures alone. Internal engine measures to increase heating capacity are currently considered by experts - if at all - as supporting measures at best.
Neben den beschriebenen motorischen Ansätzen, insbesondere durch einen erhöhten Abgasgegendruck oder eine Verlagerung des Einspritzzeitpunktes 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 anderen 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.In addition to the motoric approaches described, in particular through an increased exhaust back pressure or retarding the injection timing away from the fuel consumption best point in the direction of increasing the heat input into the coolant, but new approaches are also known which, due to lower heat losses and particularly rapid local heating of components and coolants, improve the cabin heating performance without fuel consumption disadvantages.
With these solutions, there is a reduction in the coolant mass flow through the engine and the cabin heat exchanger and the use of highly efficient cabin heat exchangers, which still have a good level of efficiency even with low coolant throughput, so that passenger cars with petrol engines do not need any auxiliary heaters and passenger cars with diesel engines at least less auxiliary heating capacity to meet the existing ones heating performance criteria. On the one hand, the minimization of the heat-active masses of the engine and the heating circuit plays a decisive role, which is lower on average than with a high coolant throughput due to the increased temperature difference. On the other hand, the heat losses on the surface of the engine and the heating circuit and, thanks to the simultaneous reduction in the fresh air mass flow, also the heat losses in the cabin can be significantly limited in this way.
Wie eine aktuelle Veröffentlichung eines namhaften KFZ-Herstellers auf der Tagung Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs zeigt, ist dieses bisher nicht genutzte Verbesserungspotential 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 Potentials 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 eine 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.As a current publication by a well-known car manufacturer at the conference on heat management in motor vehicles shows, this hitherto unused potential for improvement with regard to the heating effect has now been identified and verified on the basis of detailed studies. As a pleasant side effect to the improved cabin heating effect, these measures also show a somewhat improved fuel consumption, which, according to the conference report, results from the faster engine heating and the lower pump drive power.
Despite the potential for improving the heating effect when using today's series heat exchangers, the conclusion of the publication remains that additional heating will be necessary even with optimized operation of the analyzed diesel vehicle, albeit with fuel consumption advantages due to a lower average additional heating capacity. Last but not least, the above-discussed publication of May 2000 should have been included in this assessment, which classifies the possibilities of artificially generating the missing heating output proportion via engine-internal measures as very limited and also extremely critical from the point of view of emissions.
In der
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.In contrast, the object of the present invention is to use the engine control and any additional devices that may be required to expand the adjustment range with regard to the artificial increase in engine waste heat with unchanged drive power for the vehicle drive in the direction of higher engine waste heat, without exceeding the typical passenger car engine limit values in terms of noise and pollutant emissions .
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und mit der Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.This object is achieved with the method according to
Insbesondere lösen bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung die Aufgabe, dass die generierbare Abwärme auch bei winterlicher Teillastfahrt mit hohem Kabinenheizbedarf verfügbar und deutlich höher ist, als dies heute am Markt zu findende Motoren durch Verlagerung der Verbrennung in Richtung früh- oder spät unter Einbeziehung praxisgerechter Emissionswerte erreichen, und dass die Gesamtsystemkosten des Fahrzeugs erheblich geringer sind, als bei Fahrzeugen mit bekannten Zuheizsystemen unter Nutzung kraftstoffbetriebener motorexterner Zuheizer. Insbesondere kann 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.
Insbesondere werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen 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.In particular, preferred embodiment variants of the invention solve the problem that the waste heat that can be generated is also available when driving under partial load in winter with a high need for cabin heating and is significantly higher than that achieved by engines on the market today by shifting combustion to an early or late direction, taking into account practical emission values. and that the total system cost of the vehicle is significantly lower than vehicles with known auxiliary heating systems utilizing fuel-driven off-engine auxiliary heaters. In particular, the waste heat that can be generated can safely reach a minimum value even with low engine load and engine speed, so that no external additional heaters are required in the cooling water or in the cabin air to support the cabin heating.
In particular, exemplary embodiments of the invention are described below in which the overall costs of the vehicle do not increase but decrease in comparison to the solutions used today. The same applies to fuel consumption, whereby in the special case of increased component costs, the effects relating to the component costs must be offset against a corresponding equivalent for the additional fuel consumption.
Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen 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.In particular, with the method according to the invention, including the associated claims, depending on the cost target, it is possible to implement fuel-consumption-neutral solutions with high cost savings or largely cost-neutral solutions with significantly lower fuel consumption than is usual today. The economic importance for the vehicle manufacturer but also for the end customer is corresponding.
Ein Zusammenspiel eines geringen Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und eines hohen Temperaturabfalls an einem hocheffizienten Kabinenwärmetauscher von 25 K bzw. bevorzugt sogar 50 K und mehr, ermöglicht es in diesem Zusammenhang in einigen nachfolgend noch im Detail beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die üblichen Einspritzzeitpunkte von Dieselmotoren auch bei hoher Heizleistungsanforderung weiter nach früh bzw. weiter nach spät zu verlegen, als dies bei konventioneller 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 Potentiale mit Kühlmitteltemperaturdifferenzen zwischen Wärmetauscherein- und -austritt von deutlich mehr als 50 K 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 Packagerandbedingungen 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.The interaction of a low coolant throughput through the engine and a high temperature drop in a highly efficient cabin heat exchanger of 25 K or preferably even 50 K and more makes it possible in this context in some exemplary embodiments of the invention, which will be described in detail below, to also use the usual injection times of diesel engines in the case of high heating output requirements, it should be moved further forward or further back than is the case with conventional engine cooling with a largely homogeneous temperature distribution of the cooling water and the combustion chamber walls. Depending on the type of heat exchanger and the integration of EGR coolers and/or exhaust gas heat exchangers, potentials with coolant temperature differences between the heat exchanger inlet and outlet of significantly more than 50 K are advantageous not only for highly effective cabin heating but also for significantly expanding the adjustment range for combustion.
As will become even clearer below, only the specific knowledge that such efficient cabin heat exchangers can be realized in passenger cars, even under the cost and package boundary conditions, opens up the full potential of the procedure according to the invention. In the method according to the invention, high wall temperatures in the combustion chamber are achieved with and without cabin heating and are therefore available in year-round operation, albeit with different additional fuel consumption. This is also particularly important for applications in which, in addition to improving the cabin heating, a temporary increase in the exhaust gas temperature is also required, in particular for burning off particle filters for diesel engines.
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 Potential 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.The increase in combustion chamber wall temperatures induced according to the invention, including the surfaces of the cylinder barrels that come into contact with the fresh air and the residual gas or the recirculated exhaust gas, has a very strong effect on the polytropic coefficient of compression, resulting in a higher final compression temperature.
Will now z. If, for example, an earlier injection compared to the best fuel consumption value is chosen to deliberately reduce the efficiency of the engine and thus to increase the heat input, this potential expands with reduced coolant throughput in the direction of "even earlier".
The same applies, again based on the injection timing of the optimum fuel consumption value, when shifting towards late, ie an “even later” injection is possible.
Beide Maßnahmen erhöhen wiederum den Kraftstoffverbrauch, da die Verbrennung bzw. Wärmezufuhr bei einem geringeren effektiven 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 bei hinreichendem 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 zu den bereits diskutierten und allgemein als repräsentativ anerkannten Versuchsergebnissen am 2,0 I Common-Rail-TDI-Motor, welche eine eindeutige Empfehlung für eine Spätverlagerung der Einspritzung 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.Both measures in turn increase fuel consumption, since the combustion or heat supply takes place at a lower effective compression ratio, but also the heat input into the combustion chamber walls and ultimately also the wall temperature. This effect builds up, especially when the injection timing is gradually adjusted in the direction of increased fuel consumption and the cooling water gradually warms up. If the injection timing is adjusted sufficiently, advancing the injection timing causes a greater increase in the wall temperature; retarding the injection timing shifts a larger proportion of the additional energy into the exhaust gas. As will be shown later - in contrast to the test results on the 2.0 l Common Rail TDI engine that have already been discussed and are generally recognized as representative and which give a clear recommendation for retarding the injection - both variants can be used sensibly depending on the optimization goal , whereby the combination of both measures is of particular interest with regard to maximizing the additional waste heat.
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 100 K bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz.
- At the low loads and speeds that characterize the operating points with a heat deficit, there are generally only small temperature differences for the heat transfer in the metal and from the metal to the cooling water. Therefore, even doubling the heat supply would only lead to a wall temperature increase of a few degrees K. However, if the water-side heat transfer coefficient is reduced due to a very low coolant throughput, the local temperature difference between the combustion chamber wall and the cooling water is, for example, 50 K instead of 5 K with a high coolant throughput. A doubling of the heat input, for example due to a strong advance of the injection, also roughly means a doubling of the temperature difference in this context, ie 10 K in the base and 100 K with a reduced coolant throughput.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, in der Frühphase des Warmlaufs eine möglichst 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 anderen 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 Potential zur Erhöhung der Wandtemperatur mittels Verschieben der Einspritzzeitpunkte möglichst vollständig zu nutzen.In this context, it is particularly advantageous to induce the greatest possible increase in fuel consumption in the early phase of warm-up, so that high combustion chamber wall temperatures are achieved very quickly. In this context, the greatly increased friction loss of the engine during warm-up helps to get through the critical early phase quickly and at the same time to transfer enough heat to the combustion chamber walls that the injection parameters can also be adjusted sufficiently so that the rocking effect can continue to be used even with a partially heated engine . On the one hand, the high friction has a direct beneficial effect on the cylinder liner for the wall temperature, but also indirectly, via the indicated mean pressure required to overcome the friction, which leads to increased process temperatures and pressures. Since there is initially a relatively high basic fuel consumption in this very early phase of the warm-up, even a comparatively small adjustment of the injection timing causes a large amount of additional heat. At the same time, in view of the increased mean effective pressure, there is less sensitivity to adjusting the start of injection with regard to robust combustion. Last but not least, the higher fuel quantity as well as the increased boost pressure in TDI engines or the increased compression end pressure in Otto engines have an advantageous effect here.
Since the high friction loss of the engine in the early phase of warm-up is reduced particularly quickly in the method according to the invention due to the faster heating of the cylinder liner, it is important to use the potential for increasing the wall temperature by shifting the injection times as fully as possible in this phase.
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 anderen 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 Kühlmitteldurchsatz 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.The increased wall temperatures are important in the method according to the invention, on the one hand, in order to allow the adjustment of the injection times and in particular to use the above-described oscillating effect to maximize the adjustment. On the other hand, they are also important with regard to the cabin heating effect, in order to reach the area of nucleate boiling as quickly as possible, at least locally, so that the amount of heat given off to the coolant is sufficient for heating purposes even with a low coolant throughput through the engine. This requires a relatively large amount of additional heat in the early phase of warm-up, which can only be achieved through the interplay described.
For a rapid cabin heating effect, it is also advantageous to keep the amount of heat introduced in the early phase of the warm-up at values that are at least twice as large as in the warmed-up state. This takes into account the increasing heat extraction at the cabin heat exchanger with increasing coolant flow temperature, so that the well-known asymptotic approximation to the stationary final value of the coolant flow temperature does not result, but a much steeper curve. When the stationary value of the coolant temperature is finally reached after a relatively short time, the injection adjustment is then removed and the coolant flow temperature remains constant.
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. Ein bevorzugt 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 Vielzahl 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.With this particularly effective procedure with maximized heat input in the early phase of warm-up, a relatively large amount of additional heat is induced very quickly, with the minimum wall temperature up to local nucleate boiling being initially reached quickly when the engine is relatively cold and the local component temperature then remaining approximately at this temperature level and changing Heat more and more component zones in the direction of nucleate boiling.
With this procedure, relatively high coolant flow temperatures for the cabin heat exchanger can be achieved quickly even when heat is drawn off for the cabin. A preferably good cabin heat exchanger efficiency up to very low coolant throughputs and the possibility to save additional energy by setting the air mass flow to reduced values in view of the coolant temperature reached, quickly lead to a stationary operating point at which additional energy is no longer required for warming up, but instead the entire cabin heat output from the waste heat can be contested at the best fuel consumption value.
Averaged over the winter driving time, this procedure generally results in fuel consumption that is below the usual values for external auxiliary heating methods. This is largely due to the shorter switch-on time of the engine-internal auxiliary heating as well as a large number of journeys in which the savings in heat losses and the reduced heat-active mass lead to the engine being operated at a higher average temperature or in which no artificial increase in fuel consumption is required at all. In addition, there are journeys where the system is used to increase the component temperatures in the partial load due to driving conditions with a higher basic load on the engine or limited cabin heating and saves fuel in this way. The fuel savings due to the weight advantages due to the omission of the external auxiliary heater components are also noticeable in year-round operation.
Im Hinblick auf die praktische Umsetzung des erfindungsgemäßen Potentials 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 Potentiale 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.With regard to the practical implementation of the potential of the invention with a rapid increase in the combustion chamber wall temperature for high heat output, it should be noted that the engines and cabin heating circuits used today require a relatively high coolant throughput through the engine and cabin heat exchanger. In addition, the potential for reducing the fresh air mass flow through the cabin is only effective when a relatively high coolant temperature is reached. Last but not least against this background, the above-mentioned publication at the heat management conference shows the advantages of a reduced air mass flow only after a longer period of operation.
In other words, without the measures according to the invention already in the early phase of the warm-up and in particular without a special cabin heat exchanger for extremely low coolant throughputs, the need for relatively high coolant throughputs The temperature and pressure conditions in the combustion chamber generally result in such a high ignition delay that the tolerable noise limits are easily exceeded due to the rapid combustion of the premixed fuel-air mixture.
In addition, without sufficient temperature during combustion, problems with pollutant emissions are to be expected. In this context, unburned fuel fractions make a contribution to increasing fuel consumption and emissions, but not to the engine-side heat input. They are therefore generally disadvantageous even if the downstream catalytic converter still largely converts them.
Die bisherige Beschreibung konzentriert sich in stark 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 κgemäß T2=T1*(V1/V2)(1-k) 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 abhängigen Ansprüche mit spezifischer Würdigung der Abgasrückführung und mit el. Zusatzbeheizung des rückgeführten Abgases bzw. der Frischluft von großem technischem und wirtschaftlichem Interesse.The previous description focuses in a very simplified manner on the positive effects of increasing the gas-side wall temperature. However, these positive effects are supported to a considerable extent by increasing the temperature of the residual gas and possibly the temperature of the recirculated exhaust gas. As is well known, it should be noted that even relatively small gas temperature differences at BDC with a correspondingly high polytropic coefficient cause a strong increase in the compression temperature at the time of injection. In simplified terms, this can be estimated using the polytropic compression with the polytropic coefficient κ according to T2=T1*(V1/V2) (1-k) : Insertion of engine-typical values shows that a gas temperature difference in the area of the bottom dead center of the compression (BDC) during compression from
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.In order to maximize the amount of heat introduced, a double injection is preferably carried out in order to achieve the maximum deterioration in efficiency: With this procedure, the division of the fuel conversion causes in particular a minimization of the combustion noise. Among other things, the division into two "small" combustions with the unavoidable ignition delay and the sudden combustion of the premixed fuel-air mixture is involved, but also the natural limitation of the pressure increase due to the relatively large combustion chamber volume according to the invention during the fuel conversion.
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.Increasing the combustion chamber wall temperature by reducing coolant throughput and the associated increase in gas temperature at the time of injection and during fuel conversion is the decisive step towards a significant shift in fuel conversion towards increased combustion chamber volume. This applies to shifts in the direction of “much too early” and in the direction of “much too late” as well as for the combination of both measures. In contrast to known heat management measures, the reduced coolant throughput through the engine is not used to reduce fuel consumption by reducing friction on the cylinder liner and improving combustion, but rather to reduce fuel consumption, possibly even at the expense of a certain deterioration of combustion and emissions, to temporarily increase.
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 abgegebenen Motorantriebsleistung. Fahrzeuge mit Abgaswärmetauscher kommen i.a. auch bei extrem hohem Kabinenheizbedarf 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 einen 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.The advantages of the method according to the invention are not limited to the omission of the expensive cabin heating components, but in addition a significant fuel saving can be achieved on an annual average depending on the overall system design. In this context, it is in the nature of the procedure according to the invention that, depending on the configuration of the method, a greater or lesser proportion of the additionally introduced energy is lost due to an increase in the exhaust gas enthalpy.
Against this background, in the energetically most favorable application, an exhaust gas heat exchanger is used, which not only uses this additional energy, but also a large part of the exhaust gas enthalpy of the basic calibration close to the consumption best value of the currently delivered engine drive power. Vehicles with exhaust gas heat exchangers generally get by with very moderate adjustments to the injection times even when there is an extremely high need for cabin heating, but the procedure according to the invention is of fundamental interest, especially in the very early warm-up phase, since it can be used to realize time gradients in cabin heating that were previously considered physically impossible. In addition, the exhaust gas heat exchanger heats up the engine more quickly in both summer and winter and thus makes a fundamental contribution to fuel savings. Despite all of these benefits, there are costs First of all, variants of the method according to the invention are of particular interest, which provide sufficient heat output even without an exhaust gas heat exchanger.
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 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 zum 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 Potential 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.
In this context, the shifting of the injection times according to the invention means that even if the same gas temperature is reached, the boundary conditions for the ignition of the mixture and the further course of combustion are not the same. Rather, the reduced pressure inevitably results in an increased ignition delay, which must be compensated for by the fact that the temperature at the time of injection is not only identical, but also significantly higher than at the same temperature and higher pressure. It is therefore essential to use the potential for reducing the coolant throughput as far as possible in order to increase the cabin heating capacity. If, on the other hand, only the exhaust gas temperature is to be increased to burn off soot particle filters without taking the heating into account, then the scope for increasing the combustion chamber wall temperature is only limited by the permissible engine temperatures and is therefore significantly greater. In the borderline case, it is even possible to work with coolant throughputs close to zero.
Das Kühlmittel wird gemäß
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 konventionellen Thermostaten 6 ein von der Motorsteuerung entsprechend dem Kühlbedarf angesteuertes Regelventil Verwendung finden, gegebenenfalls unter zusätzlicher Integration des Bypassventils 6b.The coolant is according to
A second branch of the cooling system goes via the
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.In addition to the
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.The internal combustion engine is supplied with combustion air via the
The exhaust gas leaves the engine via the
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 Kühlerzweig 6a 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.The coolant volume flow is deliberately set to low values of, for example, only 2 l/min, at least in the event of a heat deficit, in that the line cross-sections in the
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 einer besonders bevorzugten 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.The installation of the additional
In comparison to today's cooling and heating systems, an overall system designed in this way leads to a dramatic improvement in the cabin heating capacity even without additional measures to artificially increase the engine waste heat. The physical mechanisms of action used here have already been described in detail.
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 Bypasses 6b hilft in diesem Zusammenhang, zusätzliche Vorteile durch die Minimierung der wärmeaktiven Masse des Motors zu erzielen.If this improvement in heating output is still not sufficient, with this configuration it is easily possible to increase the heat input into the coolant or the exhaust gas by retarding the injection timing comparatively moderately. The highest possible exhaust gas recirculation rate helps ensure that a significant proportion of the exhaust gas enthalpy remains in the engine/cabin heating system. Increased combustion chamber wall temperatures and the heating of the fresh air by the residual heat of the recirculated exhaust gas ensure that the slight shift in the injection timing has hardly any negative effects on the combustion noise and the exhaust gas emissions.
The low coolant throughput through the EGR cooler and its low heat-active mass very quickly results in a high coolant flow temperature at the cabin heat exchanger, i.e. the low coolant throughput through the EGR cooler already focuses a large proportion of the enthalpy of the recirculated exhaust gas on the cabin heat exchanger before the entire heat-active one Mass of the engine must be heated. At the same time, the relatively high coolant temperature in the EGR cooler ensures that the recirculated exhaust gas is not overcooled in the early phase of warm-up. In this context, the closing of the engine-
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 anderen 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.Such a heater is sufficient in most engine/vehicle combinations to meet all current comfort requirements without any external auxiliary heating components. The slight retardation is i.a. only required in extremely cold weather, so that on average in winter there is a fuel saving of several % compared to external auxiliary heaters, in particular to el. PTC auxiliary heaters. The fuel savings are still noticeable even in a direct comparison of the slight retardation with the external additional burner, which is currently considered by experts to be the least harmful in terms of energy. This is due in particular to the fact that the recirculated exhaust gas is initially used primarily for heating the cabin and not for heating the engine, and at the same time the engine makes an additional contribution due to the temperature stratification between the inlet and outlet or between the interior and exterior of the engine. The additional fuel consumption due to the delayed injection is characterized on the one hand by an additional consumption portion that goes directly into the engine structure, on the other hand by the remainder, of which up to 50% - with cabin-focused utilization in the EGR cooler - is lost due to high EGR rates System engine cabin heating remain. The overall degree of utilization in relation to the direct heat input into the engine and heating circuit system thus remains only relatively slightly below the corresponding efficiency of the burner of 80-85%. EGG. Auxiliary heating systems cut due to the high losses in the alternator - these are i.a. 100% lost - and further losses in the exhaust gas in terms of fuel consumption are even worse.
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.In view of the previous statements, it is obvious that the integration of an additional exhaust gas heat exchanger to use the residual enthalpy in the
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 Potential 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.In addition, it represents a considerable competitive advantage if a motor vehicle manufacturer can offer heating comfort that is far above the level customary today by offering previously unknown cabin heating rates in its vehicles. This initially applies independently of fuel consumption, ie there are boundary conditions under which the customer would rather accept higher fuel consumption than wait a long time for the cabin to heat up.
The variants according to the invention offer considerable scope here to gain a competitive advantage through reliable technical control of an extended range of variation with regard to fuel consumption or with regard to waste heat for heating purposes. Alternatively, the potential of the invention can also - under Acceptance of reduced fuel consumption - used to work with cheaper components in the cooling or heating circuit or to use package advantages. This applies in particular to the coolant lines, the heat exchanger and the number and control quality of the control and control goods used.
Auch bei Brennkraftmaschinen ohne die für Kabinenheizzwecke ganz besonders hilfreiche EGR-Kühlung oder wenn die Reihenschaltung der EGR-Kühlung gemäß
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 „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.High EGR rates keep the waste heat, which is additionally generated by late injection, still to a significant extent in the overall engine-cabin heating circuit system. Nevertheless, in principle it is advantageous to work with the "too early + too late" variant. If the injection is too early, there is naturally a longer period of time for the heat transfer from the fuel gas to the combustion chamber walls, so that the exhaust gas temperatures are lower and a larger proportion of the fuel quantity to be dissipated contributes to heating the combustion chamber walls and the coolant.
Dieser Sachverhalt wird bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante gemäß
Für einen kalten Motor bei einem konstanten indizierten Mitteldruck von 2 bar und einer Drehzahl von 1500 1/min sowie einer konstanten Brenndauer von 30°KW sind in
- 1. die Abgastemperatur (Rechtecke, linke Ordinate)
- 2. die in Form von Kraftstoff zugeführte Energie (Kreise, rechte Ordinate) und
- 3. die Abgasenthalpie (Rauten, rechte Ordinate).
- 1. the exhaust gas temperature (rectangles, left ordinate)
- 2. the energy supplied in the form of fuel (circles, right ordinate) and
- 3. the exhaust gas enthalpy (diamonds, right 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.The results of the calculations confirm what has been said so far, that retarding combustion with constant engine power output leads to increased exhaust gas enthalpy compared to retarding combustion early. Without EGR, this portion of the additional fuel energy input is lost.
In addition, it becomes clear that, in order to improve engine warm-up, it is in principle more favorable to work with early combustion, since with the same amount of displacement angle relative to TDC, a higher total fuel quantity can be converted with the same torque on the shaft. The reason for this is the increased wall heat loss of the fuel gas, which is available for heating the engine and coolant.
Anhand von
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
Mit der besonders attraktiven Verfahrensvariante „zu früh und zu spät“ erschließt sich ein ganz besonders großes Potential 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
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 Motordrehmoment, 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
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.The particularly attractive “too early and too late” process variant opens up a particularly large potential for maximizing the heat input and minimizing the combustion noise. Since the injected fuel quantity with the atomization quality of modern injection systems at low speed and load is largely converted to a fuel conversion within less than 10° CA, the effective compression ratio of the fuel conversion and thus the efficiency and the amount of waste heat can be varied within a very wide range . How out
In this context, it is not new to use multiple injections in diesel engines to increase exhaust gas temperatures. However, the first injection generally takes place relatively close to TDC, not least in order to keep the combustion noise low and to provide sufficient temperatures for the subsequent injections or combustion. This inevitably makes a negative contribution to maximizing the waste heat, since the fuel conversion takes place at a high compression ratio. The result is a limitation of the achievable increase in fuel consumption at a given engine torque, coupled with the effect that the majority of the additional waste heat escapes unused via the exhaust system. In the case of cabin heating, this is particularly inefficient in engines without EGR, but also to a lesser extent in engines with EGR. This problem with regard to efficiency when combustion is shifted to the expansion phase is actually only mitigated if an EGR cooler is arranged between the engine outlet and the cabin heat exchanger inlet and focuses the majority of the EGR enthalpy on the cabin, such as in
On the other hand, if the aim is to have the highest possible exhaust gas temperature, for example for burning off particle filters or NOx storage, these statements regarding efficiency are largely reversed in accordance with the task at hand.
In
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 anderen 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.In
On the one hand, the integration in the EGR branch has the advantage that this area, in contrast to the charge air lines, which are often made of plastic or rubber, is already very robust with regard to increased temperatures, so that the electric heating can be counteracted with less effort el. Overheating must be secured. In the simplest case, there is electrical heating with resistance wires, which, if there is no air flow, give off their excess heat to the environment or the flanged metal pipes, the engine and the exhaust system components through radiation or heat conduction. On the other hand, there is the very special advantage that the pressure loss of the electric EGR heating does not have any negative effects on the nominal output, since the EGR is generally deactivated there.
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.At first glance, it may not appear to be very effective, for example, to save the electric PTC heater on the side of the cabin air and, in return, to add an electric heater in the EGR branch.
The following technical developments of the EGR heating and the equally advantageous heating of the fresh air will show that there are nevertheless cost advantages here.
Wesentlich bedeutsamer ist es aber, dass sich damit das Potential 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.It is much more significant, however, that the potential for rapid cabin heating can be increased extremely far beyond the previously known level. In addition, in many future diesel engines, the measures according to the invention are also very helpful for safely burning the diesel particle filter clean. Here, too, the enormously increased range of applications in the direction of low engine load, low engine speed and low ambient temperature is of importance that should not be underestimated.
The additional mechanical engine load to provide, for example, 800 W electrical power is not insignificant in this context, with a higher base engine load not only fundamentally increasing the heat input and also measured in absolute numbers the waste heat per °KW Adjustment of the injection is also significantly increased, but this also increases the scope for adjusting the injection timing.
In einer besonders kosteneffektiven Variante führt die konsequente Anwendung des erfindungsgemäßen Gedankengutes mit el. EGR-Zuheizung gemäß
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.In a particularly cost-effective variant, the consistent application of the ideas according to the invention with electric EGR auxiliary heating according to
Up until now, only diesel trucks in motor vehicles have been able to do without glow plugs in the combustion chamber. In this context, passenger car diesel engines generally have a higher compression ratio than truck diesel engines, but this advantage is more than offset by the unfavorable ratio of combustion chamber surface to combustion chamber volume and the increased requirements with regard to noise emissions from passenger car diesel engines, so that glow plugs inside the combustion chamber have been required up to now .
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 Potentialeinstufung sein. Doch bereits damit ist die wirtschaftliche Bedeutung klar ersichtlich.In this context, the procedure according to the invention with EGR auxiliary heating makes it possible to bring the final compression temperature to a comparatively high temperature level so quickly that the glow plug inside the combustion chamber is no longer absolutely necessary to reduce the ignition delay and to stabilize the combustion.
In the optimal variant, this means that a previously unimaginable time constant during cabin warm-up and the burning off of particle filters can be achieved at least cost-neutrally, namely by offsetting the costs of the EGR auxiliary heating with the cost savings for eliminating the glow plugs.
The 1:1 calculation of the advantages of the simplified cylinder head, the reduction in the number of plugs and lines together with the package volume released in the engine compartment and the additional degrees of freedom for the arrangement of the injection nozzles and combustion chamber design should certainly be a very moderate classification of potential. But even then, the economic importance is clearly evident.
Diese Aussage gilt für die bevorzugte Beheizung der Luft mittels el. Beheizung des rückgeführte Abgases aber auch für Lösungen mit el. Beheizung der Frischluft.This statement applies to the preferred heating of the air by means of electrical heating of the recirculated exhaust gas, but also to solutions with electrical heating of the fresh air.
Die vorgeschlagene Anordnung der el. Zuheizung 30 gemäß
Die Anordnung der el. Zuheizung im EGR-Zweig gemäß
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 Potentiale besonders einfach, wenn mittels der Laufruheregelung oder sonstigen Messgrößen für die Emissionen eine Überwachung bzw. Regelung erfolgt.The use of the method and device variants according to the invention in year-round operation is made possible not least by the free control of the
Die zusätzlichen Kraftstoffeinsparpotentiale 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.The additional fuel saving potential of the various "hot cooling variants" in the statutory exhaust gas test between 20 and 30 °C ambient temperature and without cabin heating, which result from the gradual increase in the coolant flow through the engine, starting from a flow rate close to zero up to a fully
Auch die spezifischen Vorteile der Variante „zu früh und zu spät“ wurden 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
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.The specific advantages of the "too early and too late" variant have already been discussed in detail. A variant of the method is of particular interest in which the fuel is introduced primarily in the first and the last injection, in particular that exactly two injections take place. As long as the ignition delay and the combustion time due to the engine design are only a few degrees of crank angle, it is appropriate here, for example, for the
However, if the sum of ignition delay and combustion duration is relatively large, it is more favorable if the fuel quantity injected in the last injection is larger than the quantity of the first injection. This applies in particular to variants with a focus on increasing the exhaust gas temperature or with optimized EGR utilization for preheating the combustion air and with cab heating output-optimized integration of the EGR cooler.
In the case of multiple injections, the first and last injection times are advantageously selected such that the pressure and temperature of the combustion gas at the time of injection are defined using a map for the ignition delay with additional consideration of the reduced coolant throughput. In this way it is achieved that the ignition delay is approximately at the same level for both injection processes.
Die Kühlung des rückgeführten Abgases gemäß
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.As already described, it is advantageous for a rapid increase in the cabin heat output to make the additional amount of fuel introduced into the internal combustion engine as large as possible in the early phase of the warm-up, in particular in order to activate the oscillating effects. For this purpose, it is particularly advantageous to provide that the total amount of fuel introduced into the internal combustion engine is more than twice as large as at the steady-state final temperature value of the coolant.
Dabei birgt das enorme Potential 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 beim 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.The enormous potential of the method according to the invention to bring about very rapid cabin heating involves a certain risk in the vehicle-specific application that an imbalance in the target values of maximum cabin heating effect and minimum fuel consumption is induced. This danger exists in particular because the homologation of fuel consumption is currently only carried out without cabin heating, so that depending on the development process at the vehicle manufacturer, heating is only found to be overweighted very late or even at the customer's. In addition, it is only marketable to a limited extent from an environmental point of view to save on the external auxiliary heating components, but at the same time to increase fuel consumption. Therefore, a particularly advantageous variant of the method according to the invention provides that the artificially induced additional fuel consumption due to the adjustment of the combustion processes are limited in such a way that they are compensated by energy savings due to faster engine heating, reduced heat losses to the environment and in particular by compared to el Cabin air lower mass and duty cycle, at least averaged over the average vehicle service life, are compensated.
For the practical implementation of these considerations regarding the increase in cabin heat output with moderate fuel consumption, it is particularly advantageous that the early phase is provided with a time limit depending on the coolant or ambient temperature and/or is limited to the time until a target coolant temperature is reached.
Besonders kritisch in Bezug auf potentielle Wärmedefizite sind bekanntlich Fahrzustände mit geringer Motorlast und geringer Motordrehzahl. Wie nicht zuletzt das Beispiel in
Demgegenüber führt die erfindungsgemäße Vorgehensweise dazu, dass der potentielle 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
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.In contrast, the procedure according to the invention results in the potential adjustment range being considerably expanded. If necessary, it is even possible to adjust the fuel conversion by more than 20° CA in both directions relative to TDC at low engine speeds. How
In addition, or when using the "too early and too late" process variant, it is advantageous for maximizing the waste heat in specific application variants that the last injection takes place when there is a high demand for waste heat and a low engine load, temporarily also at engine speeds of less than 1500 rpm and engine loads of less than 10%. more than 30° CA after compression dead center.
Especially for today's diesel engines, these are areas that are generally not even approached when measuring the engine characteristic maps, since without the measures according to the invention the combustion noise and the exhaust gas emissions would increase immeasurably.
In Otto engines, such large displacements are already possible with today's engines - as is well known, retardation is a very tried and tested means of rapid catalytic converter heating - but here too the procedure according to the invention helps to expand the adjustment range. This is particularly important so that the good emission values in the statutory exhaust gas test can also be achieved in real winter driving without cab heating. For driving states with and without cabin heat output extraction, the reduction in coolant throughput also reduces the required additional fuel consumption for the same values of waste heat increase.
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 konventionellen 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.The procedures according to the invention can be used particularly advantageously in the warm-up phase. The engine is initially started completely normally and operated for a few seconds. In the further course of the very early warm-up phase, which is characterized by extremely high friction on the cylinder liner and lasts less than 2 minutes in particular, the conventional injection angles are then gradually adjusted to increase the waste heat. The resulting oscillating effects of migratory heating can be induced particularly well in this very early phase of warm-up, in particular because the engine’s friction loss is still extremely high here and even relatively small adjustments to the injection angles release a significant amount of additional heat in view of the relatively high basic fuel consumption. The accelerated heating of the cylinder liners according to the invention leads to a reduction in the friction loss of the piston group, but the other components help in the further course of the warm-up due to the still low oil temperature, so that the base engine load is not so low that the desired increase in wall temperatures in view of the low base engine load is interrupted. This is particularly important in order to quickly reach the area of local nucleate boiling of the cooling water and thus to provide a sufficient amount of heat for the cabin even with a very small coolant throughput of the engine.
Auch im Zusammenhang mit der Basismotorlast ist die Verwendung externer el. Beheizung der Verbrennungsluft von besonderem Interesse: Konventionelle Glühkerzen im Zylinderkopf von PKW-Dieselmotoren müssen aus Dauerhaltbarkeitsgründen nach relativ kurzer Nachglühzeit in der Leistung reduziert bzw. ganz ausgeschaltet werden. Dies ist bei der externen el. Beheizung gemäß
Die in
Die Ausgestaltung gemäß
Liegt z.B. ein erhöhter Abwärmebedarf bei hohem Kabinenheizbedarf vor, so ist es bei der beispielhaften Bestückung der Schaltung gemäß
- • 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 25 K vorliegt und
- •
ein hocheffizienter Kabinenwärmetauscher 4, mit mehr als 75% Wirkungsgrad bei 25 K 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.
- • an actuator (6b) in addition to the
standard series thermostat 6 the coolant flow reduced by the engine and thus the combustion chamber wall temperature increases and - • a gear pump (2) ensures that there is also a low coolant flow rate through the cabin heat exchanger and that there is a cooling water temperature difference of more than 25 K between the inlet and outlet and
- • a highly efficient
cabin heat exchanger 4, with more than 75% efficiency at 25 K cooling water temperature difference is used and - • high EGR rates are set by means of the
engine control 20 and - • The injection timing of the first fuel injection is advanced by means of the
engine controller 20 based on a map for the ignition delay, also taking into account the coolant flow dependency of the instantaneous combustion gas temperature and - • The injection timing of the last fuel injection is retarded by means of the engine control using a map for the ignition delay, also taking into account the coolant flow-dependent instantaneous combustion gas temperature.
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-Verträglichkeit, bei denen ebenfalls die Variante „zu früh“ von ganz besonderem Interesse ist.
Bevorzugt wird bei allen Ansteuervarianten das Ausmaß der Verstellung zusätzlich mittels einer Laufruheregelung überwacht bzw. begrenzt.The variant "too early and too late" is selected specifically for the engine in order to achieve a very high heat input on the one hand and to keep noise development within limits on the other. From a purely energetic point of view, the "too early" variant is a little cheaper here, but the slightly higher EGR temperature of the "too early and too late" variant is used in the application shown to preheat the combustion air and thus expand the variation range. If the need for additional heating is reduced, it may also be advantageous with this engine to switch to the “too early” variant in order to save fuel. There are also combustion engines with reduced EGR compatibility, where the "too early" variant is also of particular interest.
In all control variants, the extent of the adjustment is preferably additionally monitored or limited by means of a smooth-running control.
Unter Ausnutzung dieser speziellen Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch zur Unterstützung der Kabinenheizwirkung künstlich zu erhöhen, ist insbesondere die zeitliche Ansteuerstrategie bezüglich des eingestellten Kraftstoffverbrauchs gemäß
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 in diesem Ausführungsbeispiel eine 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 angegebenen Fall im Wechselspiel mit der ansteigenden mittleren Systemtemperatur auf etwa 19 kW stabilisiert. Wie angesichts des Beispiels in
For an idling point, ie the engine friction power and the electrical consumers define the fuel consumption, the solid line shows measurement data for the fuel consumption curve over time. The actually required additional burner with 5KW heat output was deactivated. The dashed line shows an exemplary course of the fuel consumption, as provided by the method according to the invention. After a few seconds of largely identical fuel consumption, the injection is adjusted according to the invention in this exemplary embodiment. Since the frictional loss is still very high at this point in time, a positive gradient in the development of fuel consumption over time can even be temporarily achieved with the process control according to the invention by gradually adjusting the injection and the build-up effects already described in detail, despite a sharp drop in frictional loss. In the given case, this is stabilized at around 19 kW in interaction with the increasing average system temperature. As given the example in
In
Die Integration der zeitlichen Verläufe der Kraftstoffverläufe macht insbesondere deutlich, dass die Fahrdauer einen maßgeblichen Einfluss darauf hat, ob eine 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.The integration of the time curves of the fuel curves makes it particularly clear that the duration of the journey has a decisive influence on whether a procedure according to the dashed line according to the invention is more favorable for the respective journey or the basis according to the solid line. The additional output of the burner must be included in the base.
Eine weitere Vertiefung der Wechselwirkungen würde an dieser Stelle zu weit führen, doch dürfte der exemplarische Charakter der obigen Ausführungen anhand der Konfiguration gemäß
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.The advantages that can be achieved by using external electric heating of the combustion air, in particular for the additional extension of the combustion adjustment range with simultaneous elimination of the engine-internal glow plugs for pre- and after-glowing, have already been described.
For this purpose, low-cost external auxiliary heating components are of particular interest, which are characterized by low costs, quick response and the possibility of continuous operation. The preheating of the exhaust gas or the air by means of directly electrically heated resistance heating wires offers these features. To simplify production, heating resistance wires made of flat wire, in particular made of corrosion-resistant steel or anodized aluminum, are preferably used.
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 Vielzahl von schräg angestellten Einschnitten quer zur Luftströmung, den sogenannten Louvres 42a und 42b gemäß
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.In one variant, which is particularly attractive in terms of size and rapid response, the flat wire consists of aluminum sheeting which, to improve heat transfer, has a large number of oblique cuts perpendicular to the air flow, the so-called
In particular, aluminum ribs that are already available from car heating heat exchanger construction can be used as the base material. Here, the stacking of
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.Especially when aluminum is used as the heating resistor, it is particularly advantageous to manufacture the
The design with regard to the thickness of the anodized layer depends not least on the required material thickness in order to ensure sufficient strength and durability in the pulsating flow in the EGR branch or in the intake duct, without making the required construction volume too large.
The good electrical conductivity of aluminum is initially a hindrance here, since either the material thicknesses are too thin and therefore too sensitive, or the construction volume is very large due to the required wire length. Against this background, known heating flanges for truck diesel engines work with conventional heating conductor materials which have a significantly higher specific electrical resistance. In addition to the increased material price, these materials are partly closed to the use of the heating fin design from cabin heating heat exchanger construction with the so-called Louvres, which is preferred for reasons of efficiency with regard to heat transfer and heat-active mass.
Speziell der gute Wärmeübergang der Heizrippen gemäß
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 anderen 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 konventionellen Metallen wie Aluminium oder Edelstahl werden sowohl die wärmeaktive Masse als auch die Robustheit gegen lokale Überhitzung maßgeblich verbessert.A high electrical power per surface is particularly important to achieve rapid heating of the air. The high output per surface leads to a minimization of the masses to be heated, but also to the fact that the heat-active masses to be heated reach the state of equilibrium between the electrical power supplied and the heat output emitted even at a lower material temperature.
Against this background, the Louvres in particular are of particular importance for maximizing the heat transfer per material used. This applies both to anodized aluminum and to non-anodized materials, especially when using conventional stainless steel, which is also significantly cheaper than known heating resistance materials, eg based on CuNi or NiCr. In this context, the highly efficient design with Louvres helps in particular to ensure that the not-so-low temperature gradient of the electrical resistance of aluminum or stainless steel does not lead to durability problems in view of local overheating: the relatively low excess temperature for providing the required temperature gradient for heat transfer increases the safety reserves considerably , so that the increase in resistance due to the global warming of all heating wire zones compared to the local heating of zones with increased thermal stress, in particular due to reduced local flow around it, causes a reduction in the wire sensitivity to overheating via the increase in total resistance. In addition, this increase in resistance with wire temperature is preferably used for temperature monitoring or regulation. In other words, the use of the Louvres in particular provides the optimal robustness of the electric heating system, which allows it to get close to the permissible material temperatures. When using conventional heating conductors, this means in particular a minimization of the heat-active mass, with conventional metals such as aluminum or stainless steel both the heat-active mass and the robustness against local overheating are significantly improved.
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 konventioneller 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.For installation situations in which a low heat-active mass and/or the installation space is less important, existing designs from heating construction can also be used.
Due to the availability and years of proven use in PTC auxiliary heaters for the cabin air, the preheating of the exhaust gas or the air using electrically heated PTC heating ceramics can also be successfully adapted here, which are at least partially encased and transfer the energy to the outer heating fins by heat conduction.
In contrast to electric cabin heating, a conventional heating resistor can also be used instead of the intrinsically safe PTC ceramic due to the special application in the intake manifold or in the EGR branch, with a basically available monitoring of the air and EGR mass flow by means of the engine control . Here, too, anodized aluminum sheet, which is clamped between the cooling fins instead of the PTC ceramic, is a very cost-effective and robust solution.
Das Potential, 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 befüllt 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.The potential to replace the glow plugs in passenger car diesel engines with an external electric heating of the combustion air optimized in the direction of low thermal inertia has already been outlined. It should be clear that in modern cars only preheating times in the range of seconds are still salable. Hence the efforts specific to the invention to provide the fastest possible electrical heating. The effort required to bring the external heater to the stationary final temperature as quickly as a glow plug in the combustion chamber is not inconsiderable. This applies in particular to the glow plugs with PWM control that are now available, which heat up in a matter of seconds and are then kept at the target temperature using PWM. In addition, there is the air volume between the external heater and the combustion chamber, which must first be emptied and then filled with heated air.
The almost exclusive use of direct-injection combustion processes and the high injection pressures of modern injection systems, in conjunction with a very high atomization quality and very fine dosing with multiple injections, help in this context that passenger car diesel engines no longer actually need preheating to start when the ambient temperature is not too low . The glow plugs serve here rather the improvement of the combustion quality during warm-up. However, the external electric heater according to the invention can be implemented with moderate effort specifically to support the warm-up and is additionally supported by the reduced coolant flow. From this follows the possibility, especially for customers who are willing to put up with some pre-heating time at high minus temperatures, to realize significant cost savings through particularly inexpensive versions of the external electric pre-heating of the combustion air. In particular, such systems are less expensive than systems with engine-internal glow plugs, not to mention the additional cost advantages, in particular due to the elimination of external cabin heating by means of PTC or burners.
Aber auch in Anwendungen, bei denen die spezifischen Randbedingungen, insbesondere Eigenheiten des verwendeten Brennverfahrens oder besonders extreme Anforderungen bezüglich der Schnellstarteigenschaften bei hohen Minusgraden, dazu führen, 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.
- As in
7 shown as an example, the combustion is preferably only adjusted after a completely normal start has taken place. This ensures that the engine runs up safely and, in particular, that the engine control has verified by means of the usual monitoring of the most important operating parameters that all systems are working and that there is no restricted function with regard to important control parameters. If an electric heater with a high output is installed and this high electric output is also available, it is preferably used from the start to support the warm-up.
Vielfach 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.In many cases, however, there is not enough electrical power available, particularly when the vehicle electrical system is heavily loaded with auxiliary consumers or when the battery is weak. In the extreme case, this can mean that without the electrical energy available in the normal state, a transition to the operation according to the invention with a very strong adjustment of the injection in the direction of increased fuel consumption is also not possible. Compared to the direct PTC auxiliary heater in the cabin air mass flow, this still does not represent a deterioration, since it cannot be operated under such boundary conditions, but this is only an unsatisfactory situation for the driver. If the measure for temporarily increasing waste heat is also emission-relevant, e.g. for burning the diesel filter free, then, in addition to the loss of comfort, durability aspects and the risk of violating exhaust gas laws quickly come into play.
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
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 der el. Zuheizung nur bei einem Vielfachen des el. Stroms, d.h. z.B. 100A anstelle von 10A, möglich wäre.In principle, this procedure is possible during the warm-up and is particularly advantageous in order to keep the costs for the electrical heating and the associated system components low.
However, this process variant with transient use of the external electrical heating of the combustion air is also of particular interest for applications that want to generate a high level of waste heat when the engine is partially or completely heated and thus with relatively low friction. Even if, for example, only 10A can be provided in the 12V on-board voltage network for the electrical heating, it is ultimately possible to advance into areas of very high adjustment of the fuel conversion, as is the case with permanent gas flow through the electrical auxiliary heating only with a multiple of the electrical current, ie eg 100A instead of 10A, would be possible.
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 Verstellpotential zu erzielen.The measures according to the invention, which are aimed in particular at driving situations in passenger cars with highly efficient TDI engines with a waste heat deficit, are in the case of additional external el. Preheating of the combustion air in competition with the basic possibility of ultramodern passenger car diesel engines, in connection with the other features of the method according to the invention to achieve sufficient adjustment potential even without the electrical preheating.
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 mehrerer 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 Variationspotential 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.
This would only be possible to a very limited extent without the specific reduction in coolant throughput and sometimes also without the transient methods for transitioning from normal operation to operation with extreme adjustment. In particular, the external electric heating helps to meet even the most extreme requirements. Especially in comparison to the procedure described, using several very short and very early injections or combustions to raise the temperature and pressure level of the second and, if necessary, third and fourth injection and thus to minimize the combustion noise, the external electrical heating remains in relation to maximization advantage of waste heat. On the one hand, this is due to the fact that the fuel conversion of the individual injections can be selected to be higher with the same noise level, so that the conversion takes place earlier on average over time. What is also very important is the fact that the heating of the fuel gas by means of the first combustion always contributes to the torque of the engine, despite the considerable wall heat losses in the case of early injection. However, this is precisely what is not desired in the case of a waste heat deficit and limits the potential for variation with regard to the fuel energy that can be converted. The same applies to the variant with multiple late injections, where the heat balance with regard to the engine's internal heating is even worse. In contrast, the electrical heating takes place outside the combustion chamber and does not contribute to the engine torque. On the contrary, the increased electrical load even increases the motor torque and in this way leads to an additional expansion of the realizable waste heat.
Against this background, it should be noted that the economic importance of the method according to the invention and the associated components extends to vehicles with and without external electrical heating of the combustion air and not least depends on the extent of the heat deficit.
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-
2002
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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