DE19902052A1 - Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur Drucklufterzeugung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur DrucklufterzeugungInfo
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Abstract
Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur Drucklufterzeugung mit einem Drosselventil am Ausgang des Verdichters zur Einstellung des aus dem Verdichter abzuführenden Druckluftstroms, einen Druckluftspeicher und einer Druckluftleitung zwischen dem Verdichter und dem Druckluftspeicher, und mit einer Regel- und Steuereinheit zur Erzeugung von Stellsignalen zur Betätigung des Drosselventils, ist zur Verringerung der Ölhaltigkeit der Drucklauf vorgesehen, daß im Strömungsweg zwischen dem Verdichter und dem Druckluftspeicher ein Oxidationskatalysator angeordnet ist, wobei die Stellsignale in der Weise bestimmbar sind, daß das Drosselventil in Öffnungsstellung versetzbar ist, wenn die Temperatur der Druckluft oberhalb der Mindesttemperatur des Katalysators liegt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ver
dichter zur Drucklufterzeugung nach dem Oberbegriff des Anspru
ches 1.
Aus der DE 43 09 860 C1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung von
in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine durch einen Kolben
komprimierter Luft bekannt, die über ein Drosselventil entweder
über eine Druckluftleitung einem Druckluftspeicher zugeführt
wird oder in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingelei
tet wird. Über Stellsignale eines Steuergeräts wird das Dros
selventil während unterschiedlicher Vor-OT-Stellungen in Öff
nungs- bzw. Schließstellung versetzt, wobei je nach den Druck
verhältnissen im Zylinder und im Druckluftspeicher das Drossel
ventil mittels der vom Steuergerät erzeugten Stellsignale takt
weise geöffnet wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ölhaltigkeit der
Druckluft zu verringern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 gelöst.
Verdichter, insbesondere Motorzylinder, die im Schiebebetrieb
als Druckluftverdichter eingesetzt werden, können in Unter
druckphasen im Bereich des unteren Totpunkts Motorenschmieröl
ansaugen, wodurch die geförderte Druckluft einen hohen Ölanteil
enthalten kann. Es besteht das Risiko, daß das Öl in der Druck
luft im Druckluftspeicher bzw. den nachgeschalteten Druckluft
verbrauchern abgeschieden wird und zu einer Funktionsbeein
trächtigung führt. Darüberhinaus ist aus Umweltschutzgründen
eine Reduzierung bzw. Eliminierung des Ölgehalts in der Druck
luft erwünscht.
Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß dem Ver
dichter ein Katalysator nachgeschaltet wird und nur bei hohen
Temperaturen Druckluft aus dem Verdichter entnommen wird, wobei
die Druckluft-Temperaturen oberhalb der Mindest- oder Anspring
temperatur des nachgeschalteten Katalysators liegen müssen, da
mit eine katalytische Reinigung möglich ist. Da das Öl im we
sentlichen aus Kohlenwasserstoffen besteht, die bei den im Ver
dichter entstehenden Temperaturen aufgrund des niedrigen Ölsie
depunktes in verdampfter Form vorliegen, können die gasförmigen
Kohlenwasserstoffe in herkömmlichen Oxidationskatalysatoren zu
Kohlendioxyd und Wasser oxidiert werden; die gereinigte Druck
luft ist nach der Katalyse praktisch vollständig von Öl be
freit.
Als Verdichter können sowohl vom Abgas oder unmittelbar vom Mo
tor betriebene Kompressoren bzw. Luftpresser als auch einzelne
Motorzylinder verwendet werden. Im letzteren Fall wird die Ver
dichtungsarbeit des Kolbens im befeuerten Betrieb von den übri
gen Zylindern des Motors aufgebracht bzw. es wird im Schubbe
trieb die kinetische Energie des Fahrzeugs von der Kurbelwelle
auf den als Verdichter arbeitenden Zylinder übertragen. Die
Verwendung eines einzelnen oder mehrerer Motorzylinder als Ver
dichter zur Erzeugung von Druckluft hat außerdem den Vorteil,
daß der Platzbedarf im Vergleich zu extern vom Motor ausgebil
deten Verdichtern verringert ist, daß die Baukosten der gesam
ten Brennkraftmaschine reduziert sind und daß die Luftförder
menge erhöht sowie der Wirkungsgrad verbessert werden kann.
Die Steuerung des Drosselventils des Verdichters erfolgt über
eine Regel- und Steuereinheit, in der Stellsignale zur Betäti
gung des Drosselventils erzeugt werden. Die Stellsignale können
hierbei sowohl geregelt als auch gesteuert erzeugt werden. Für
eine Regelung ist bevorzugt ein Temperatursensor zur Messung
der Katalysatortemperatur vorgesehen; falls die Katalysatortem
peratur noch unterhalb der Anspringtemperatur des Katalysators
liegt, so kann der Öffnungszeitpunkt des Drosselventils in
Richtung oberer Totpunkt verstellt werden, um einen höheren
Druck und infolgedessen eine höhere Temperatur zu erreichen,
die zu einer schnelleren Erwärmung und einer rascheren Inbe
triebnahme des Katalysators führt.
Für eine einfache durchzuführende Steuerung wird ohne Messung
von Betriebs- und Zustandsgrößen das Drosselventil geöffnet und
geschlossen.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, daß der
Katalysator in den Zylinderkopf des Motors integriert ist. In
dieser Ausführung, die sich besonders vorteilhaft für einen als
Verdichter verwendeten Motorzylinder eignet, wird kein zusätz
licher Raum für die Unterbringung des Katalysators benötigt,
die Vorrichtung baut klein.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, den Katalysator außerhalb
des Zylinderkopfes in die Druckluftleitung zwischen dem Ver
dichter und dem Druckluftspeicher zu integrieren, wodurch zu
sätzliche Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten, insbe
sondere bei gesondert vom Motor ausgebildeten Verdichtern, ge
geben sind.
Der als Verdichter eingesetzte Motorzylinder kann sowohl im
Schubbetrieb als auch im befeuerten Betrieb als Kompressor ein
gesetzt werden. In der unbefeuerten Betriebsweise können sich
die Motorzylinder im Schlepp- oder Schubbetrieb befinden oder
aber, sofern Drosselventile am Zylinderausgang vorgesehen sind
und diese in Offenstellung stehen, im Motorbremsbetrieb. Wird
im Schleppbetrieb das Drosselventil des mit dem Druckluftspei
cher verbundenen Zylinders geöffnet, strömt Druckluft aus dem
Zylinder in den Speicher.
Es kann darüberhinaus aber auch angezeigt sein, nur den als
Verdichter einzusetzenden Motorzylinder unbefeuert mitzuschlep
pen, die übrigen Motorzylinder dagegen zu befeuern. In diesem
Fall wird die Verdichtungsarbeit von den befeuerten Zylindern
aufgebracht.
Werden sämtliche Motorzylinder befeuert, so kann dennoch Ver
dichtungsarbeit von dem als Kompressor eingesetzten Zylinder
geleistet werden, indem das Drosselventil lediglich im Verdich
tungshub des Kolbens geöffnet wird.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun
gen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer aufgeladenen Brenn
kraftmaschine mit einem als Verdichter zur Druckluf
terzeugung verwendeten Motorzylinder,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Motorzylinders
mir außerhalb des Zylinderkopfes angeordnetem Kataly
sator im Strömungsweg der Druckluft,
Fig. 3 ein in den Zylinderkopf integrierter Katalysator,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit einem als
Konstantdrossel ausgebildeten Drosselventil und einem
im Strömungsweg der Druckluft angeordneten Rück
schlagventil,
Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Darstellung, jedoch mit ei
nem an den Zylinderkopf angeflanschten Rückschlagven
til,
Fig. 6 einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit einem
druckgesteuerten Hydraulik-Hochdruckventil.
Bei den in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen
sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, insbesondere
eine Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, umfaßt sechs Mo
torzylinder 2a bis 2f, die in bekannter Weise jeweils ein Eih
laßventil 3, ein Auslaßventil 4 und ein Drosselventil 5 aufwei
sen, wobei das Drosselventil 5 zur Erzeugung von Bremsleistung
im Motorbremsbetrieb geöffnet werden kann. Die Brennkraftma
schine 1 ist mit einem Abgasturbolader 6 versehen, der aus ei
ner Abgasturbine 7 im Abgasstrang 11, einer Welle 8 und einem
Verdichter 9 im Ansaugtrakt 10 der Brennkraftmaschine besteht.
Die von den Abgasen des Motors angetriebene Abgasturbine 7
treibt über die Welle 8 den Verdichter 9 an, welcher angesaugte
Umgebungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Stromab
des Verdichters 9 wird die komprimierte Ladeluft vor dem Ein
tritt in die Einlaßkanäle der Zylinder 2a bis 2f in einem Lade
luftkühler 12 gekühlt.
In der befeuerten Antriebsbetriebsweise sind üblicherweise die
Drosselventile der Zylinder geschlossen. Im Motorbremsbetrieb
können die Drosselventile dagegen zumindest phasenweise geöff
net werden; die in den Zylindern verdichtete Luft wird über die
geöffneten Drosselventile unter Erzeugung von Bremsleistung in
den Abgasstrang abgeblasen.
Um Druckluft-Aggregate des Fahrzeugs mit der benötigten Druck
luft zu versorgen, ist ein Verdichter zur Drucklufterzeugung
vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei diesem Verdichter um den Motorzylinder 2f, dessen Drossel
ausgang im Gegensatz zu den Drosselausgängen der übrigen Zylin
der 2a bis 2e in eine Druckluftleitung 13 mündet, über die im
Motorzylinder 2f erzeugte Druckluft einem Druckluftspeicher 14
und/oder nicht dargestellten Druckluftverbrauchern zugeführt
wird. Stromab des Drosselausgangs des Drosselventils 5 des Zy
linders 2f sind in der Druckluftleitung 13 zwischen dem Dros
selausgang des als Verdichter eingesetzten Zylinders 2f und dem
Druckluftspeicher 14 ein Oxidationskatalysator 15, ein Rück
schlagventil 16, ein Druckluftkühler 17 und ein Ölabscheider 18
angeordnet. Der Oxidationskatalysator hat dabei die Aufgabe,
Kohlenwasserstoffe im Luftstrom, die insbesondere durch
Schmieröl im Zylinder in die Luft aufgenommen werden, in die
Bestandteile Kohlendioxyd und Wasser umzuwandeln.
Das Drosselventil 5 des Zylinders 2f kann in bestimmten, nach
folgend beschriebenen Betriebssituationen zur Erzeugung von
Druckluft in Öffnungsstellung versetzt werden. Die Steuerung
des Drosselventils 5 erfolgt über eine Regel- und Steuereinheit
19, in der Stellsignale SSt erzeugt werden, die über eine Si
gnalleitung 20 dem Drosselventil 5 bzw. dem Stellorgan des
Drosselventils 5 zugeführt werden. Die Steilsignale SSt werden
in Abhängigkeit des Luftdrucks pL im Druckluftspeicher 14 und
der Katalysatortemperatur TKat des Katalysators 15 ermittelt;
über Signalleitungen 21, 22 werden der Regel- und Steuereinheit
19 der Luftdruck pL aus dem Druckluftspeicher 14 und die über
einen Temperatursensor 23 im Katalysator 15 gemessene Kataly
satortemperatur TKat als Eingangssignale zugeführt.
Zunächst wird in der Regel- und Steuereinheit 19 überprüft, ob
der Druck pL im Druckluftspeicher 14 einen Schwellwert unter
schreitet. Nur wenn dies der Fall ist, reicht der im Zylinder
2f erzeugte Überdruck aus, um eine definierte Druckluftströmung
vom Zylinder 2f zum Druckluftspeicher 14 zu erzeugen. Typi
scherweise erfolgt im Zylinder 2f ein Verdichtung der enthalte
nen Luft auf einen Druck von etwa 12 bar; hierbei wird eine
Temperatur von etwa 300°C erreicht.
Weiterhin wird zweckmäßig auch die Katalysatortemperatur TKat
bei der Generierung der Stellsignale SSt berücksichtigt. Liegt
die Katalysatortemperatur TKat unterhalb der Anspringtemperatur
des Katalysators 15, so kann der Öffnungszeitpunkt des Drossel
ventils 5 des Zylinders 2f in Richtung oberer Totpunkt ver
stellt werden, so daß im Zylinder 2f ein höherer Druck und
folglich auch eine höhere Temperatur erzeugt wird. Die warme
Druckluft strömt aus dem Zylinder 2f in den Katalysator 15 und
bewirkt eine schnellere Aufheizung des Katalysators. Nachdem
der Katalysator 15 seine Betriebstemperatur oberhalb der An
springtemperatur erreicht hat, kann der Öffnungszeitpunkt des
Drosselventils 5 wieder in Richtung unterer Totpunkt zurückge
stellt werden.
Zusätzlich oder anstelle der Messung der Katalysatortemperatur
kann auch unmittelbar die Temperatur der Druckluft im Zylinder
2f bestimmt werden. Das Drosselventil 5 wird hierbei nur für
den Fall geöffnet, daß die Drucklufttemperatur die Anspringtem
peratur des Katalysators überschreitet.
Darüberhinaus können weitere Parameter, Betriebs- und Zustands
größen der Brennkraftmaschine in die Ermittlung der das Dros
selventil 5 steuernden Stellsignale SSt einfließen.
Der Zylinder 2f kann gezielt in verschiedenen Motor-
Betriebszuständen zur Drucklufterzeugung herangezogen werden,
wobei in diesen Fällen das Einlaßventil 3 und das Auslaßventil
4 dieses Zylinders geschlossen sind. Die Drucklufterzeugung
über den Zylinder 2f kann sowohl im Schleppbetrieb des Motors
als auch im befeuerten Betrieb erfolgen. Im befeuerten Betrieb
wird das Drosselventil 5 des Zylinders 2f bevorzugt getaktet
angesteuert; indem während des Verdichtungshubes des Kolbens
das Drosselventil geöffnet wird. Darüberhinaus ist es auch mög
lich, lediglich die nicht zur Drucklufterzeugung verwendbaren
Zylinder zu befeuern und den Zylinder 2f unbefeuert mitzu
schleppen und zur Drucklufterzeugung heranzuziehen.
Der Motorzylinder 2f kann aber auch in gleicher Weise wie die
übrigen Zylinder befeuert werden, um Antriebsleistung zu erzeu
gen.
In Fig. 2 ist schematisch der als Verdichter einsetzbare Zylin
der 2f mit einem Kolben 24 dargestellt, der in bekannter Weise
über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist. Das Drossel
ventil 5 versperrt in Schließstellung einen Drosselausgang 26,
der im Zylinderkopf 25 ausgebildet ist und durch den bei geöff
netem Drosselventil 5 die erzeugte Druckluft in Pfeilrichtung
27 zum Druckluftspeicher abgeführt wird. Der Katalysator 15 im
Strömungsweg der Druckluft ist außerhalb des Zylinderkopfs 25
angeordnet, der Katalysator schließt sich in der gezeigten Aus
führung zweckmäßig unmittelbar an den Zylinderkopf an.
Gemäß Fig. 3 ist der Katalysator 15 vollständig in den Zylin
derkopf 25 des Zylinders 2f integriert. Der Katalysator 15 ist
in den horizontalen Abschnitt des Drosselausgang 26 eingebettet
und erstreckt sich bis zur äußeren Wandseite des Zylinderkop
fes.
Der Darstellung nach Fig. 4 ist zu entnehmen, daß der durch den
Zylinderkopf 25 geführte Drosselausgang 26 über einen Flansch
28 mit der Drosselleitung 13 verbunden ist, in der ein entgegen
der Strömungsrichtung 27 sperrendes Rückschlagventil 16 ange
ordnet ist. Das Drosselventil 5 ist als Konstantdrosselventil
ausgebildet, das getaktet angesteuert werden kann.
Die Darstellung nach Fig. 5 entspricht im wesentlichen dem Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 4, jedoch mit einem an den Zylin
derkopf angrenzenden Rückschlagventil 16. Das Rückschlagventil
16 weist ein federbelastetes, in Richtung des Drosselausgangs
26 schließendes Ventilglied 29 auf; außerdem beinhaltet das
Rückschlagventil eine Wasserkühlung zur Temperaturabsenkung der
Druckluft, wobei Kühlwasser in Strömungsrichtung 31 durch Kühl
durchgänge 30 im Gehäuse des Rückschlagventils 16 geleitet
wird.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist das Drosselventil 5
des als Verdichter betriebenen Zylinders 2f als druckgesteuer
tes Hydraulik-Hochdruckventil ausgebildet, das über ein Zusatz
ventil 32 mit dem benötigten Hydraulikdruck einer Hydraulikein
richtung 33 versorgt wird. Das Zusatzventil 32 ist als Magnet
ventil ausgebildet und wird von der Regel- und Steuereinheit 19
gesteuert. Die Hydraulikeinrichtung 33 umfaßt eine Hochdruck
pumpe 35 zur Förderung von Öl aus einer Ölwanne 34 in eine Öl-
Zufuhrleitung 38, einen Druckspeicher 36 sowie ein Druckregel
ventil 37, welches über die Regel- und Steuereinheit 19 einge
stellt wird. Weiterhin ist eine Öl-Rücklaufleitung 39 vorgese
hen, über die das dem Zusatzventil 32 und dem Drosselventil 5
zugeführte Öl wieder zurück in die Ölwanne strömt. Wenn das Zu
satzventil 32 auf Durchfluß schaltet, strömt das unter Hoch
druck stehende Öl in eine Druckkammer 40 im Drosselventil 5 und
beaufschlagt das Ventilglied des Drosselventils, das daraufhin
in Öffnungsstellung überführt wird. Hierdurch ist eine präzise
Steuerung der Druckluftableitung über den Drosselausgang 26
möglich.
Claims (15)
1. Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur Drucklufterzeu
gung, insbesondere mit einem als Verdichter einsetzbaren Motor
zylinder, mit einem Drosselventil (5) am Ausgang des VerdiCh
ters zur Einstellung des aus dem Verdichter abzuführenden
Druckluftstromes, einem Druckluftspeicher (14) und einer Druck
luftleitung (13) zwischen dem Verdichter und dem Druckluftspei
cher (14), und mit einer Regel- und Steuereinheit (19) zur Fit
zeugung von Stellsignalen (SSt) zur Betätigung des Drosselven
tils (5),
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strömungsweg zwischen dem Verdichter und dem Druck
luftspeicher (14) ein Oxidationskatalysator (15) angeordnet
ist, wobei die Stellsignale (SSt) in der Weise bestimmbar sind,
daß das Drosselventil (5) in Öffnungsstellung versetzbar ist,
wenn die Temperatur der Druckluft oberhalb der Mindesttempera
tur des Katalysators (15) liegt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Oxidationskatalysatdr (15) in den Zylinderkopf (25) des
Motors integriert ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Oxidationskatalysator (15) in die Druckluftleitung (13)
integriert ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drosselventil (5) als Konstantdrosselventil ausgebildet
ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Motorzylinder (2f) des Motors im Schubbetrieb als Ver
dichter einsetzbar ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorzylinder (2f) als Verdichter einsetzbar ist, wenn
sich sämtliche Motorzylinder im Schubbetrieb befinden.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß nur der als Verdichter eingesetzte Motorzylinder (2f) sich
im Schubbetrieb befindet und die übrigen Motorzylinder (2a bis
2e) befeuert werden.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorzylinder (2f) des Motors im befeuerten Betrieb als
Verdichter einsetzbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drosselventil (5) des als Verdichter eingesetzten Mo
torzylinders (2f) im befeuerten Betrieb ixü Verdichtungstakt in
Öffnungsstellung verstellbar ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Temperatursensor (23) am Oxidationskatalysator (15)
vorgesehen ist und die das Drosselventil (5) beaufschlagenden
Stellsignale (SSt) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur
(TKat) geregelt bestimmbar sind.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stellsignale (SSt) in der Weise bestimmbar sind, daß
der Katalysator (15) im Betriebsoptimum mit höchstem Wirkungs
grad betrieben wird.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei niedriger Katalysatortemperatur (TKat) der Öffnungszeit
punkt im Verdichtungstakt des Drosselventils (5) in Richtung
oberer Totpunkt verschiebbar ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drosselventil (5) über die Stellsignale (SSt) getaktet
in Öffnungsstellung versetzbar ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Verdichter ein Rückschlagventil (16) nachgeschaltet
ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Verdichter ein Druckluftkühler (17) nachgeschaltet ist.
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