DE19638323A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. bzgl. der Brennkraftmaschine mit dem Oberbegriff des An­ spruchs 8, wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 40 24 005 A1 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 40 24 005 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, in deren Einlaßkanal zwischen einer Einspritzdüse und einem Ein­ laßventil eine plattenförmig ausgebildete Heizquelle angeordnet ist. Der aus der Einspritzdüse kommende Kraftstoff trifft auf die quer zur Einspritzrichtung geneigte Heizquelle, wodurch er sich erwärmt und verdampft. Durch die Erwärmung des Kraftstoffes erfolgt eine bessere Aufbereitung des Luft-/Kraftstoff-Ge­ misches, wodurch die Schadstoffe im Abgas während der Kalt­ startphase reduziert werden. Allerdings kondensiert hierbei Kraftstoff an den kalten Stellen im Einlaßkanal, und hierbei insbesondere im Bereich um das Einlaßventil - im folgenden ver­ einfachend Ventilbereich genannt, wobei das Ventil selbst zum Ventilbereich hinzugerechnet wird - und an den verbleibenden Wandungen des Einlaßkanals, was sich negativ aus die Schad­ stoff-Emission auswirkt.

Aus der US 5,297,530 ist es bekannt, in einem Bereich zwischen einem Einlaßventil und einer Einspritzdüse ein Heizelelement anzubringen. Der von der Einspritzdüse kommende und in einen Einlaßkanal eines Zylinders eingespritzte Kraftstoffstrahl pas­ siert ebenso wie Teile der einströmenden Frischluft das Heizele­ lement, so daß das Luft-/Kraftstoffgemisch erwärmt wird. Durch die Erwärmung erfolgt auch hier eine bessere Aufbereitung des Gemisches, wodurch die Schadstoffe in der Kaltstartphase redu­ ziert werden. Trotz des relativ hohen baulichen Aufwandes für das Heizelelement kondensiert aber auch bei dieser Ausführung immer noch Kraftstoff an den Wandungen des Ansaugtraktes.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundege­ legten Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine dahinge­ hend zu verbessern, daß bei geringem baulichen Aufwand die Ei­ genschaften der Brennkraftmaschine in der Kaltstartphase und hierbei insbesondere der Schadstoffausstoß verbessert sind. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung die zugrundegelegte Brennkraftmaschine im gleichen Sinne weiterzuentwickeln.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Verfahrensschritten des Anspruchs 1 bzw. bei ei­ ner zugrundegelegten Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Durch die Bestrahlung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches und/oder der Innenwandung des Ein­ laßkanals mittels einer einfach einzubringenden Strahlungsquel­ le, wird beim Kaltstart der dort befindliche Kraftstoff auf gün­ stige Weise erwärmt. Von besonderem Vorteil ist es hierbei, zu­ mindest die Wandungen im Ventilbereich durch Strahlung zu erwär­ men, da dann in diesem Bereich kein bzw. nur noch geringfügig Kraftstoff an den kalten Flächen des Ansaugtraktes kondensieren kann. Die Verhinderung der Kondensation des Kraftstoffes ist insbesondere auch bei Einspritzdüsen günstig, die den Kraftstoff vorerwärmen und hierbei insbesondere verdampfen. Durch die zu­ mindest geringere Kondensation von Kraftstoff an den Wandungen des Einlaßkanals kann bspw. die Kraftstoffanreicherung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in der Kaltstartphase verringert wer­ den. Im Idealfall kann auf die Kraftstoffanreicherung, die auf die Kondensationseffekt zurückgeht, sogar ganz verzichtet wer­ den.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles im fol­ genden nähers erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Brennkraftmaschine im Bereich des Einlaßkanals und

Fig. 2 ein Diagramm des Ausstoßes von Kohlenwasserstoffen beim Kaltstart.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Brennkraftmaschine im Bereich des Einlaßkanals 3 dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist mit einer Einspritzdüse 7 für den Kraftstoff versehen, durch die der Kraftstoff in den Einlaßkanal 3 in Richtung des Ventil­ sitzes 9 des Einlaßventils 1 eingespritzt wird.

Als Strahlungsquelle 2 ist eine Wolfram-Halogenlampen vorgese­ hen. Die Strahlungsquelle 2 ist auswechselbar in einer Ausspa­ rung angeordnet, die zwischen der Einspritzdüse und dem Einlaß­ ventil eingebracht ist. Grundsätzlich können anstelle einer Strahlungsquelle 2 auch mehrere Strahlungsquellen verwendet wer­ den.

Die Wandungen 4 des Einlaßkanals 3 ist zweckmäßigerweise zwi­ schen der Einspritzdüse 7 und dem Einlaßventil 1 mit einer Wär­ mespeicherschicht 6, bspw. eine innenseitig geschwärzte Keramik, beschichtet. Ebenso ist die einlaßkanalseitige Oberfläche 5 des Ventilkopfes 10 und des in den Einlaßkanal 3 einragenden Ven­ tilschaftes 8 mit dieser Wärmespeicherschicht 6 beschichtet.

Die Strahlungscharakteristik der Strahlungsquelle 2 und das Ma­ terial der Wärmespeicherschicht 6 sind hierbei derart aufeinan­ der abgestimmt, daß die Energie der auf die Wärmespeicher­ schicht 6 auftreffenden Strahlung zumindest weitgehend von der Wärmespeicherschicht 6 absorbiert wird und diese erwärmt.

Die Strahlung ist zumindest auf die Flächen um den Ventilsitz 9 herum und die einlaßkanalseitige Oberfläche 5 des Einlaßven­ tils 1 ausgerichtet.

Eine derartige Ausleuchtung kann bspw. durch ein geeignetes op­ tisches System bekannter Bauart, als mittels Linsen und Spiegel­ systemen, realisiert werden.

Ein bevorzugter Einbauort für die Strahlungsquelle 2 ist auf der der Einspritzdüse 7 gegenüberliegenden Seite des Einlaßkanals 3, da sie hier zumindest einfach und billig eingebaut werden kann. Des weiteren kondensiert ein Großteil des Kraftstoffes auf der einspritzdüsenseitigen Oberfläche des Einlaßkanals 3, welche dann direkt von der Strahlungsquelle 2 bestrahlt wird.

Zweckmäßigerweise wird das Material der Wärmespeicherschicht 6 bzw. das strahlungsbeaufschlagte Material des Einlaßkanals 3, insbesondere des Ventilbereiches hinsichtlich seiner spezifi­ schen Wärmekapazität und -leitung mit der Zeitdauer des Absorb­ tionsverhaltens, der Wellenlänge und der Intensität der Strah­ lung derart aufeinander abgestimmt,

• - daß die Aufheizzeit der Wärmespeicherschicht 6 auf eine Tem­ peratur, die größer oder gleich der Siedeendtemperatur des Kraftstoffes ist, weniger als 10 s, insbesondere weniger als 5 s beträgt,
• - daß die zur Aufheizung der Wärmespeicherschicht 6 benötigte Energie möglichst gering ist,
• - daß die Oberflächentemperatur der Wärmespeicherschicht 6 un­ terhalb die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs bleibt,
• - daß die Absorbtion der Strahlungsenergie der Wärmespeicher­ schicht 6 möglichst hoch ist und
• - daß die im Warmbetrieb erforderliche Kühlung des Ansaugberei­ ches (Einlaßkanal und Ansaugrohr) nicht unzulässig behindert wird.

Bei oder kurz vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, d. h. spätestens mit Starten des Motors und der damit einsetzenden Einspritzung des Kraftstoffs, wird die Strahlungsquelle 2 einge­ schaltet. Mit der Strahlung werden vorzugsweise die Wandungen 4 des Einlaßkanals 3 zwischen Einspritzdüse 7 und Einlaßventil 1 beaufschlagt.

Die Strahlung der Strahlungsquelle 2 wird von der vorzugsweise in diesen Bereichen angeordneten Wärmespeicherschicht 6 zumin­ dest teilweise absorbiert, wodurch sich die Wärmespeicherschicht 6 erwärmt.

Da die Aufheizung zumindest des Ventilbereiches und zweckmäßi­ gerweise auch wenigstens einiger der verbleibenden Oberflächen­ bereiche des Einlaßkanals 3 auf Temperaturen oberhalb der Sie­ deendtemperatur des Kraftstoffes einige Zeit in Anspruch nimmt, ist es sinnvoll, die Strahlungsquelle 2 vor dem ersten Ein­ spritzvorgang des Kraftstoffes in den Einlaßkanal 3 zu betäti­ gen. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, daß die Strahlungsquelle 2 beim Öffnen einer Fahrzeugtüre eingeschaltet wird. Um hierbei eine Überhitzung auszuschließen wird die Strahlungsquelle 2 sinnvollerweise nur für eine vorgebbare Zeit betrieben. In die­ sem Fall kann bspw. eine elektronische Logik dazu die Temperatur der Wandung (mit oder ohne Wärmespeicherschicht 6) erfassen und ggf. regelnd eingreifen.

Die Betätigung der Strahlungsquelle 2 kann auch - analog zu dem Vorglühen bei einem Dieselmotor - sinnvollerweise schon einige Sekunden, insbesondere bis zu 10 bis 30 Sekunden vor der Inbe­ triebnahme der Brennkraftmaschine erfolgen.

Durch die Ausleuchtung wird zumindest der Ventilbereich erwärmt, wobei die Erwärmung günstigerweise so gewählt wird, daß nach einer bestimmten Anlaufzeit an den Wandungen 3 - also insbeson­ dere auf der Wärmespeicherschicht 6 - zumindest weniger, vor­ zugsweise nur noch eine vernachlässigbare Menge bis gar kein Kraftstoff mehr kondensiert. Dazu sollte zumindest der Ventilbe­ reich beim bzw. kurz nach dem Starten des Motors mindestens die Siedeendtemperatur des Kraftstoffs aufweisen.

Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, daß die mate­ rialspezifischen Eigenschaften (spez. Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Wärmeeindringtiefe, Absorbtionskoeffizient usw.) und die Parameter der Halogenlampe (Intensität, Wellenlän­ ge, Zeitdauer der Bestrahlung, Dauer- oder Pulsbetrieb usw.) entsprechend aufeinander angestimmt sind.

Die Bestrahlung der Wandungen 3 sollte zweckmäßigerweise für die Zeitdauer der ersten 60 bis 90 Sekunden erfolgen, weshalb die Strahlungsquelle 2 sinnvollerweise auch nur innerhalb dieser Zeit betrieben wird, zumal spätestens nach dieser Zeit die Er­ wärmung vom Motor her in genügender Weise erfolgt und ein be­ kanntlich abgasseitig angeordneter Katalysator selbständig ein­ setzt.

Obwohl das Ausführungsbeispiel einen Saugmotor mit einem einzi­ gen Einlaßventil 1 behandelt, wird ausdrücklich darauf hinge­ wiesen, daß die Erfindung ohne weiteres auch auf Motoren mit mindestens zwei Einlaßventilen 1 oder auch auf bspw. mittels Kompressor aufgeladene Motoren angewendet werden kann.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem nach einem Kaltstart die Emission von Kohlenwasserstoffen über der Zyklen­ zahl einer Brennkraftmaschine dargestellt ist.

In dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist einerseits der Verlauf der Emission an Kohlenwasserstoffen (HC-Emission) ohne Bestrahlung (durchgezogene Linie) und mit einminütiger Bestrahlung (gepunktete Linie) dargestellt.

Um die Vorteilhaftigkeit der Erfindung hervorzuheben, wurde der Versuch an einem handelsüblichen Motor durchgeführt, bei dem we­ der der Ventilbereich noch die verbleibenden Wandungen 4 des Einlaßkanals 3 mit einer die Effizienz der erfinderischen Strahlungsheizung erhöhenden Wärmespeicherschicht 6 versehen wa­ ren. Auch wurde eine beliebige Halogenlampe verwendet, so daß bei diesem Versuch u. a. auch die Lampengeometrie, deren Einbau­ ort sowie deren Strahlungscharakteristik keinesfalls optimal war.

Die Aufnahme des Diagramms nach Fig. 2 erfolgte bei 1500 Umdre­ hungen pro min, einem Druck von 0.4 bar und einer Kaltstarttem­ peratur von 20°C. Die mit der Einspritzung des Kraftstoffes eingeschaltete Halogenlampe hatte ihr Strahlungsmaximum im sichtbaren Spektralbereich, also unterhalb einer Wellenlänge von 1000 nm.

Wie aus dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlich, erfolgt die Ab­ nahme der HC-Werte unter der erfindungsgemäßen Zuhilfenahme der Halogenlampe - trotz dem ungünstigen Fall von unbeschichteten Wandungen 4 - um ca. 4-10 Zyklen früher als bei unbeleuchtetem Ventilbereich. Insgesamt verebbt bei diesem Beispiel der Ein­ fluß der erfindungsgemäßen Strahlungs- bzw. Lampenheizung auf die HC-Emission nach ca. 40 Zyklen.

Des weiteren ist aus dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlich, daß es zur besseren Reduktion des HC-Ausstosses zu Beginn des Be­ triebs der Brennkraftmaschine sinnvoll ist, mit der Bestrahlung der Wandungen 4 zumindest 0,2 s bis 2 s vor dem ersten Einsprit­ zen des Kraftstoffes zu beginnen, was bei dem Versuch etwa der Zeitdauer von 4 bis 40 Zyklen entspricht. Da bei dem dargestell­ ten Versuch die Wandungen 4 allerdings auch noch von der Ver­ brennung des Luft-/Kraftstoffgemisches erwärmt werden, verlän­ gert sich bei einer Vorheizung vor dem Starten des Motors diese Zeit entsprechend.

Die Aufheizung der Wandungen 4 des Einkanals 3 kann zweckmäßi­ gerweise dadurch unterstützt werden, daß die Oberflächen des Ventilbereichs und/oder die Wandungen 4 des Einlaßkanals 3 mit einer elektrisch widerstandsbeheizbaren PTC-Heizschicht versehen werden.

Um insbesondere Bauraum, Kosten und (Heiz-)Energie zu sparen wird die Heizschicht günstigerweise gleichzeitig als Wärmespei­ cherschicht 6 ausgebildet. Allerdings muß nicht die gesamte Wärmespeicherschicht 6 gleichzeitig als Heizschicht ausgebildet sein. So können insbesondere die schwer zu kontaktierenden Be­ reiche des Einlaßventils 1 ausgenommen sein.

Vorteilhafterweise weist die Heizschicht einen elektrisch lei­ tenden Kontakt mit dem sie umgebenden metallischen Material des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine auf, da hierdurch eine ein­ fache Kontaktierung mit dem Minus-Pol einer Batterie bspw. eines Kraftfahrzeuges ermöglicht ist.

Zur Erwärmung einer gleichzeitig als PTC-Heizschicht ausgebilde­ ten Wärmespeicherschicht 6 wird an diese eine elektrische Span­ nung angelegt. Die zur Erwärmung der Wärmeleit-/Heizschicht 6 notwendige Energie ist relativ gering, da diese Heizschicht ja zusätzlich noch durch die Strahlung der Strahlungsquelle 2 er­ wärmt wird.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff in einen Einlaßkanal der Brennkraftmaschine einge­ bracht und im Bereich des Einlaßkanals zumindest während der Kaltstartphase des Motors vor seinem Eintritt in den Zylinder erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Flächen der Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) im Bereich eines Einlaßventils (1) - im folgenden vereinfachend Ventilbereich genannt - mit einer elektromagnetischen Strahlung bestrahlt und kontaktfrei erwärmt werden, und daß im Ventilbe­ reich flüssiger Kraftstoff durch Kontakt mit dem Ventilbereich zumindest teilweise verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strahlungsmaxima der die erwärmende Strahlung aussendenden Strahlungsquelle (2) eine Wellenlänge unterhalb 4 µm, bevorzugt unterhalb 2 µm und besonders bevorzugt unterhalb 1000 nm gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teilbereiche der Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) außerhalb des Ventilbereiches bestrahlt und durch die Strahlung erwärmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Ventilbereich bis zum selbständigen Einsetzen eines abgasseitig angeordneten Katalysators bestrahlt und da­ durch erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenmaterial zumindest des Ventilbereichs auf wenigstens die Siedeendtemperatur des Kraftstoffes erwärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlung emittierende Strahlungsquelle (2) nach Starten der Brennkraftmaschine maximal 90 s, insbesondere maxi­ mal 60 s betrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 60%, insbesondere 90% der mit Kraftstoff intensiv benetzten Flächen der Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) er­ wärmt werden.

8. Brennkraftmaschine mit einem Einlaßkanal zur Zufuhr von Kraftstoff zu einem Einspritzventil eines Zylinders, ferner mit einer den Kraftstoff ausstoßenden Einspritzdüse sowie mit einer den im Einlaßkanal befindlichen Kraftstoff zumindest mittelbar erwärmenden Heizquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizquelle eine Strahlungsquelle (2) ist, daß die Wel­ lenlänge der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle (2) innerhalb des Absorbtionsspektrums des Kraftstoffs und/oder des im Bereich des Einlaßventils (1) - im folgenden vereinfa­ chend Ventilbereich genannt - vorliegenden Materials und/oder des Materials der Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) angeordnet ist und daß die Strahlung zumindest mittelbar auf wenigstens den Ventilbereich ausgerichtet ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strahlungsmaxima der Strahlungsquelle (2) un­ terhalb 4 µm, bevorzugt unterhalb 2 µm und besonders bevorzugt unterhalb 1000 nm angeordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung zumindest mittelbar auf wenigstens Teilberei­ che der Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) ausgerichtet ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung zumindest auf Flächen ausgerichtet ist, die um den Ventilsitz (9) des Einlaßventils (1) - im folgenden ver­ einfachend Ventilbereich genannt - herum angeordnet sind.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine Lampe ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine Halogen-Lampe ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine Wolfram-Halogen-Lampe ist.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einlaßkanalseitige Oberfläche (5) des Einlaßven­ tils (1) und/oder die Wandung (4) des Einlaßkanals (3) zumindest im Ventilbereich mit einer die Strahlung zumindest teilweise ab­ sorbierenden Wärmespeicherschicht (6) beschichtet ist.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) zumindest 60%, insbesondere 90% der intensiv vom Kraftstoff benetzten Flächen ausleuchtet.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Ventilbereichs und/oder die Wandungen (4) des Einlaßkanals (3) eine elektrisch widerstandsbeheizbare, insbesondere eine PTC-Heizschicht aufweisen.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschicht über das sie umgebende Material mit dem Mi­ nuspol der Batterie kontaktierbar ist.

19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschicht gleichzeitig die Wärmespeicherschicht (6) ist.