DE19902052C2 - Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur Drucklufterzeugung - Google Patents

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 Ein­ 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 S_St erzeugt werden, die über eine Si­ gnalleitung 20 dem Drosselventil 5 bzw. dem Stellorgan des Drosselventils 5 zugeführt werden. Die Stellsignale S_St werden in Abhängigkeit des Luftdrucks p_L im Druckluftspeicher 14 und der Katalysatortemperatur T_Kat des Katalysators 15 ermittelt; über Signalleitungen 21, 22 werden der Regel- und Steuereinheit 19 der Luftdruck p_L aus dem Druckluftspeicher 14 und die über einen Temperatursensor 23 im Katalysator 15 gemessene Kataly­ satortemperatur T_Kat als Eingangssignale zugeführt.

Zunächst wird in der Regel- und Steuereinheit 19 überprüft, ob der Druck p_L 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 T_Kat bei der Generierung der Stellsignale S_St berücksichtigt. Liegt die Katalysatortemperatur T_Kat 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 S_St 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 Er­ zeugung von Stellsignalen (S_St) 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 (S_St) 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 Oxidationskatalysator (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 im 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 (S_St) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur (T_Kat) geregelt bestimmbar sind.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilsignale (S_St) 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 (T_Kat) 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 (S_St) 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.