DE19927269C2 - Verbrennungsmotor mit Luftvorwärmung - Google Patents

Verbrennungsmotor mit Luftvorwärmung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmo­ tor mit einer Zusatzheizung und ein Verfahren zum Betreiben ei­ nes derartigen Verbrennungsmotors.
Gemäß der Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung 62-75069 A wird zur Erwärmung des Motorkühlwassers hocherhitztes Verbrennungsgas verwendet, das von einer Zusatz­ heizung erzeugt wird. Dadurch werden die Starteigenschaften des Verbrennungsmotors verbessert und das Erwärmen des Motors be­ schleunigt.
Aus der DE 195 48 120 C1 ist eine Motorvorwärmung für ein Hy­ bridfahrzeug bekannt, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor aufweist. Bei dieser Motorvorwärmung wird in einer Warmlaufphase der Verbrennungsmotor vom Generator geschleppt und die von einer Heizvorrichtung, die in einem Saugrohr des Ver­ brennungsmotors angeordnet ist, aufgeheizten Gase den Brennräu­ men des Verbrennungsmotors zugeführt, um somit den Verbrennungs­ motor bereits vor Inbetriebnahme zu erwärmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmo­ tor mit einer Zusatzheizung zu schaffen, mittels der zum einen die Starteigenschaften des Motors verbessert werden, der Auf­ wärmvorgang des Motors verkürzt wird und zum anderen der zur Ab­ gasbehandlung vorgesehene Katalysator möglichst schnell auf Be­ triebstemperatur gebracht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung ist die Zusatzheizung zur Erwärmung der Ver­ brennungsluft der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors zugeord­ net und weist eine Leitung für eine Abgasrückführung auf, die die Ansaugleitung und eine Auslassleitung, in der der Katalysa­ tor vorgesehen ist, verbindet. Das von der Zusatzheizung abgege­ bene Verbrennungsgas strömt dabei bei einem Stillstand des Ver­ brennungsmotors über die Leitung für die Abgasrückführung zum Katalysator und erwärmt somit ebenfalls den Katalysator, der zum einen schneller auf Betriebstemperatur gebracht wird und zum an­ deren beim Stillstand des Fahrzeugs nicht so schnell unter Be­ triebstemperatur abkühlt.
Vorteilhafterweise ist die Leitung für eine Abgasrückführung mit einem Ventil zur Steuerung der durch die Leitung strömenden Gas­ menge versehen.
Die Zusatzheizung kann vorteilhafter Weise im Bypass zur Ansaug­ leitung des Verbrennungsmotors angeordnet sein, wobei die An­ saugleitung mit einer Drosselklappe an einer Stelle zwischen zwei Verbindungspunkten versehen ist, an denen die Luftzufuhr­ leitung bzw. die Abgasleitung der Zusatzheizung in die Ansaug­ leitung münden.
Ist der Verbrennungsmotor mit einem Turbolader versehen, ist dieser vorteilhafter Weise stromaufwärts der genannten Verbin­ dungspunkte angeordnet.
Die Erfindung wird folgend unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die ein Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Zusatzheizung schema­ tisch zeigt.
Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Funktionssteuerungs­ startausführungsroutine der Zusatzheizung zeigt.
Fig. 4 ist eine schematische erläuternde Darstellung eines 3- Wege-Ventils, das zur Regelung der Abgasrückführung dient.
Verbrennungsmotor 1
Ein Verbrennungsmotor 1 mit Wasserkühlung weist einen Motorblock 3 auf, der mit einem nicht dargestellten Wassermantel ausgestat­ tet ist. Eine Luftansaugvorrichtung 5 beliefert eine Vielzahl von nicht dargestellten Zylindern des Motorblocks 3 mit der für die Verbrennung notwendigen Luft. Eine Auslassvorrichtung 7 ist zum Ausstoßen von Abgasen in die Umgebungsluft vorgesehen. Eine Fahrzeugraumheizung 9 dient zur Erwärmung des Innenraums eines Fahrzeuges.
Luftansaugvorrichtung 5
Die Luftansaugvorrichtung 5 weist einen Luftfilter 13 für Frischluft auf und ist mittels einer nicht dargestellten An­ saugöffnung mit dem Motorblock 3 verbunden. Zwischen dem Luft­ filter 13 und dem Motor 1 ist ein Lader 15a eines Turboladers 15 vorgesehen. Ein Ansaugkrümmer 21 ist zur Zuordnung der Frisch­ luft zu den jeweiligen Zylindern vorgesehen.
Die konstruktiven Bauteile der Ansaugvorrichtung 5 sind jeweils über eine Vielzahl von Verbindungsleitungen, die zu einem An­ saugrohr 23 gehören, verbunden, was im nachfolgenden beschrieben wird.
Ansaugrohr 23
Das Ansaugrohr 23 ist beiderseits mit dem Lader 15a verbunden und besteht aus einem stromabwärtsseitigen Verbindungsrohr 27, das vom Lader 15a mit dem Ladedruck beaufschlagt werden kann, sowie einem stromaufwärtsseitigen Verbindungsrohr 25, das nicht unter Druck steht.
Stromabwärtsseitiges Verbindungsrohr 27
Das stromabwärtsseitige Verbindungsrohr 27 verbindet einen Zwi­ schenkühler 19 mit dem Ansaugkrümmer 21 und der Zusatzheizung 17, die mit einem Bypass einen Teil des Verbindungsrohrs 27 um­ geht.
Verzweigungsrohr 31 für die Zusatzheizung 17
Die Zusatzheizung 17 ist über ein Verzweigungsrohr 31 mit dem Verbindungsrohr 27 für Frischluft und einer Durchlassleitung für erwärmte Verbrennungsluft verbunden. Ferner befindet sich zwi­ schen Verbindungspunkten C1 und C2 zwischen Verbindungspunkten C1 und C2, die mit der Luftzufuhrleitung 33 bzw. mit der Aus­ lassleitung für erwärmte Verbrennungsluft verbunden sind, eine Drosselklappe 70.
Luftzufuhrleitung 33
In der Luftzufuhrleitung 33 ist ein Ventil 44 vorgesehen, mit­ tels dem die Luftzufuhr zur Zusatzheizung 17 geregelt werden kann.
Ventil 44
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht das Ventil 44 aus einer Ven­ tilklappe 44a zum Öffnen und Schließen der Luftzufuhrleitung 33 und einem Antriebsmotor 44b für die Ventilklappe 44a, um den Ventilkörper 44a zu öffnen und zu schließen. Der Antriebsmotor 44b wird durch eine ECU 46 gesteuert (siehe Fig. 1). Ferner kann die Ventilklappe 44a auch in dem Fall geschlossen werden, wenn das Verbindungsrohr 27 durch die Drosselklappe 70 gedrosselt wird, um den Antrieb des Motors 1 zu stoppen, was später be­ schrieben wird.
Ansaugleitung 35 für erwärmte Verbrennungsluft
Über die Ansaugleitung 35, die ein Ende der Zusatzheizung 17 mit dem Verbindungsrohr 27 verbindet, wird die erwärmte Luft dem Mo­ tor 1 zugeführt. In der Ansaugleitung 35 ist ein Abgaskühler 84 zur Kühlung der Luft vorgesehen.
Drosselklappe 70
Die Funktion der Drosselklappe 70 wird durch die CPU der ECU 46 gesteuert. Über die Drosselklappe 70 kann die Strömung im Ver­ bindungsrohr 27 gedrosselt werden. Ferner kann mittels der Dros­ selklappe 70 die Ausgangsleistung des Motors 1 geregelt werden.
Die durch das Verbindungsrohr 27 strömende Ansaugluft wird un­ terteilt, wobei ein Teil am Verbindungspunkt C1 zu dem Verzwei­ gungsrohr 31 für die Zusatzheizung 17 strömt, und ein anderer Teil direkt stromabwärts durch das Verbindungsrohr 27 strömt. Die Ansaugluft, die in das Verzweigungsrohr 31 für die Zusatz­ heizung 17 strömt, gelangt erwärmt durch die Zusatzheizung 17 zum Verbindungsrohr 27 zurück. Dadurch steigt die Temperatur der Ansaugluft, die in den Motorblock 3 gelangt.
Auslassvorrichtung 7
Die Auslassvorrichtung 7 weist zwischen der Auslassöffnung des Motorblocks 3 und einem Schalldämpfer 41 einen Auslasskrümmer 37, eine Turbine 15b des Turboladers 15 und einen Katalysator 39 auf.
Abgasrückführvorrichtung 88
Der Motorblock 3 ist mit einer Abgasrückführvorrichtung 88 zum Rückführen eines Teils des Abgases zurück in das Ansaugsystem versehen. Diese Vorrichtung 88 weist eine Leitung 90 für eine Abgasrückführung auf. In dieser Leitung 90 ist ein Ventil 92 zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases vorgesehen. Das Ventil 92 wird von der CPU der ECU 46 gesteuert und wird grundsätzlich geöffnet, wenn sich der Motor ausreichend erwärmt hat, und ist ferner geöffnet, wenn dies erforderlich ist, um die Zusatzheizung 17 zu betreiben, wenn sich der Motor 1 im gestopp­ ten Zustand befindet.
Zusatzheizung 17
Der Betrieb der Zusatzheizung 17 wird so gesteuert, dass sie nicht nur dann betrieben wird, wenn sich der Motor 1 im gestopp­ ten Zustand befindet, sondern auch dann, wenn sich der Motor 1 in einem bestimmten Betriebszustand befindet. Dieser Zustand ist ein Zustand während eines Betriebes des Motors 1 zu einer kalten Jahreszeit, wenn die Temperatur zwischen ungefähr -10°C und unge­ fähr 15°C liegt, oder zu einer extrem kalten Zeit, wenn die Tem­ peratur -10°C oder niedriger beträgt, wenn eine exotherme Menge des Verbrennungsmotors 1 selbst gering ist (z. B. wenn der Ver­ brauch von Kraftstoff gering ist), wenn eine Wärmemenge, die von dem Motorkühlwasser aufgenommen wird, aufgrund der geringen exo­ thermen Menge des Verbrennungsmotors 1 selbst gering ist, und wenn eine Temperatur des Kühlwassers niedrig ist, oder unmittel­ bar nach der Inbetriebnahme des Motors auch bei einer normalen Temperatur, die höher als 15°C ist.
Als nächstes wird eine Konstruktion der Zusatzheizung 17 be­ schrieben.
Die Zusatzheizung 17 arbeitet, wenn sich der Motor 1 in dem be­ stimmten Betriebszustand befindet, und erhöht die Temperatur des Motorkühlwassers und ist hierzu mit dem Wassermantel verbunden. Daher weist die Zusatzheizung 17 einen Kühlwasserdurchlass 17a auf, durch den das Motorkühlwasser strömt.
Verbrennungskammer 17d
Die Verbrennungskammer 17d beinhaltet einen Verbrennungszylinder 17b. Der Kühlwasserdurchlass 17a ist zwischen einer inneren Oberfläche des Gehäusekörpers 43a und einer äußeren Oberfläche der Trennwand 17c vorgesehen.
Die Verbrennungskammer 17d ist mittels einer Luftversorgungsöff­ nung 17d1 und einer Abgasausstoßöffnung 17d2 mit der Ansauglei­ tung 35 für erwärmte Verbrennungsluft und der Ansaugleitung 33 des Motors 1 verbunden. Die Ansaugluft strömt von dem Verbin­ dungsrohr 27 durch das Verzweigungsrohr 31 zur Zusatzheizung 17. Die Ansaugluft strömt, wie durch den durchgezogenen Pfeil in Fig. 2 dargestellt. Auf diese Weise wird die Ansaugluft durch die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases erwärmt. Anschlie­ ßend wird die erwärmte Ansaugluft von dem Verbrennungskammerkör­ per 43, wie durch den durchgezogenen Pfeil dargestellt ist, aus­ gestoßen, während das Kühlwasser durch die erwärmte Ansaugluft, die als Heizmedium dient, erwärmt wird.
Verbrennungszylinder 17b
Der Verbrennungszylinder 17b wird über ein Kraftstoffversor­ gungsrohr 17e mit einem Kraftstoff versorgt, der in dem Verbren­ nungskammerkörper 43 verdampft wird. Anschließend wird der ver­ dampfte Kraftstoff durch eine nicht dargestellte Zündvorrichtung gezündet und verbrannt.
Kühlwasserdurchlass 17a
Der Kühlwasserdurchlass 17a hat einen Kühlwassereinlass 17a1 und einen Kühlwasserauslass 17a2. Der Kühlwassereinlass 17a1 ist über eine Wasserleitung W1 mit dem Kühlwasserauslass des nicht dargestellten Wassermantels des Motorblocks 3 verbunden.
Ferner ist der Kühlwasserauslass 17a2 über eine Wasserleitung W2 mit der Fahrzeugraumheizung 9 verbunden. Die Fahrzeugraumheizung 9 ist über eine Wasserleitung W3 mit dem Kühlwassereinlass 17a1 des Wassermantels des Motorblocks 3 verbunden.
Dem gemäß wird das Kühlwasser in dem Wassermantel dann, wenn es über die Wasserleitung W1 in die Zusatzheizung 17 gelangt, er­ wärmt und fließt anschließend von der Zusatzheizung 17 über die Wasserleitung W2 zur Fahrzeugraumheizung 9, wobei das Kühlwasser als Heizmedium der Fahrzeugraumheizung 9 einem Wärmetausch un­ terliegt. Dadurch wird heiße Luft in den Fahrzeugraum geblasen. Das Kühlwasser, dessen Temperatur aufgrund des Wärmetauschs ab­ nimmt, strömt über die Wasserleitung W3 zum Wassermantel zurück. Auf diese Weise wird das Kühlwasser zwischen dem Motorblock 3, der Zusatzheizung 17 und der Fahrzeugraumheizung 9 über die Was­ serleitungen W1, W2 und W3 zurückgeführt.
Andere Komponenten der Zusatzheizung 17
Die Zusatzheizung 17 weist zusätzlich ein Lüftergebläse 45 und eine zentrale Verarbeitungssteuerungseinheit auf, die der nicht dargestellten elektronischen Motorsteuerungseinheit (ECU) unter­ geordnet ist.
Als nächstes wird eine Betriebssteuerungsstartroutine der Zu­ satzheizung 17 unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Diese Routine ist für den Betrieb der Zusatzheizung 17 vor dem Starten des Motors 1 vorgesehen und besteht aus den Schritten S101- S105, die im nachfolgenden beschrieben werden. Ein ROM der ECU 46 speichert ein Ablaufdiagramm, das aus den jeweiligen Schrit­ ten besteht, die diese Routine bilden. Dann werden alle Prozesse in den jeweiligen Schritten der Ablaufdiagramme durch die CPU der ECU 46 ausgeführt.
In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Schritt 101 bei­ spielsweise als S101 unter Verwendung des Symbols "S" abgekürzt.
Zu Beginn wird in S101 beurteilt, ob die Vorheizbedingungen der Zusatzheizung 17 gegeben sind oder nicht, während der Motor 1 nicht in Betrieb ist. Wenn in S101 die Beurteilung positiv ist, schreitet die Verarbeitung zu S102. Wenn die Beurteilung hinge­ gen negativ ist, wird diese Routine beendet.
In S102 wird die Drosselklappe 70 vollständig geschlossen. Das Verbindungsrohr 27 wird dadurch verschlossen.
In S103 wird der Antriebsmotor 44b des Ventils 44 betrieben, um die Ventilklappe 44a zu öffnen. Dieser Betrieb öffnet das Ver­ zweigungsrohr 31 für die Heizung.
In S104 wird das Ventil 92 der Abgasrückführvorrichtung 88 voll­ ständig geöffnet.
In S105 startet die CPU eine Vorheizausführung der Zusatzheizung 17.
Infolge des Betriebs der Zusatzheizung 17 strömt die Luft, die aus dem Luftfilter 13 in die Ansaugvorrichtung 5 gelangt, über die folgende Route zur Auslassvorrichtung 7.
  • 1. Die Luft, die von dem Luftfilter 13 in das Verbindungsrohr 25 des Ansaugrohrs 23 gelangt, strömt über den Lader 15a des Turboladers 15 und den Zwischenkühler 19 zur Drosselklappe 70 des Verbindungsrohrs 27.
  • 2. Die Luft, die in die Ansaugleitung 33 gelangt, wird danach über das Ventil 44 in den Verbrennungskammerkörper 43 der Zu­ satzheizung 17 geleitet.
  • 3. Die Luft, die in den Verbrennungskammerkörper 43 strömt, wird zusammen mit dem Kraftstoff in der Verbrennungskammer 17d des Verbrennungskammerkörpers 43 verbrannt und in die Ansauglei­ tung 35 für erwärmte Verbrennungsluft ausgelassen.
  • 4. Das ausgelassene Verbrennungsgas strömt über den Abgaskühler 84 am Verbindungspunkt C2 des Verbindungsrohrs 27 in das Verbin­ dungsrohr 27 zurück.
  • 5. Das Verbrennungsgas, das in das Verbindungsrohr 27 gelangt, strömt bei stehendem Motor 1 nicht in die Zylinder des Motor­ blocks 3, sondern strömt über den Ansaugkrümmer 21 und die Lei­ tung 90 zur Abgasrückführung sowie das Auslassrohr 42 zum Kata­ lysator 39. Somit strömt sogar, wenn sich der Motor 1 im ge­ stoppten Zustand befindet, da die Ansaugöffnung und/oder die Auslassöffnung des Motors 1 noch verschlossen sind, das Verbren­ nungsgas aus der Zusatzheizung 17 durch die Leitung 90 zum Kata­ lysator 39. Somit wird die Temperatur des Katalysators 39 er­ höht.
Wenn die Temperatur des Verbrennungsgases, das von der Zusatz­ heizung 17 abgegeben wird, zu hoch ist, und somit die Möglich­ keit besteht, dass der Katalysator 39 beschädigt wird, kann durch Erhöhen des Drosselungsgrades des Ventils 92 der Zustrom vermindert und eine Beschädigung vermieden werden.
Als nächstes wird der Betrieb des Motors 1 beschrieben.
Im Betriebszustand des Motors 1 ist die Drosselklappe 70 voll­ ständig geöffnet. Das Ventil 92 und das Ventil 44 sind vollstän­ dig geöffnet oder vollständig geschlossen, abhängig von der Tem­ peratur des Motors 1. Ist der Motor 1 noch nicht ausreichend er­ wärmt, wird das Ventil 92 geschlossen, wohingegen das Ventil 44 geöffnet wird. Mit dieser Anordnung gelangt das Verbrennungsgas aus der Zusatzheizung 17 in die Zylinder des Motorblocks 3, wo­ durch die Erwärmung des Motors 1 beschleunigt wird.
Ist der Motor 1 ausreichend erwärmt, wird das Ventil 92 geöff­ net, wohingegen das Ventil 44 verschlossen wird, da eine zusätz­ liche Erwärmung des Motors 1 nicht erforderlich ist.
Darüber hinaus ist das Ventil 44 in der Lage, die Strömungsge­ schwindigkeit der Luft durch die Ansaugleitung 33 der Zusatzhei­ zung 17 zu steuern. Dem gemäß wird, wenn die Zusatzheizung 17 arbeitet, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch die An­ saugleitung 33 so stark reduziert, dass eine Zündung des Kraftstoffluftgemisches möglich ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Luftströmung zu stark wird und eine Zündung unmöglich macht.

Claims (5)

1. Verbrennungsmotor (1) mit einer Zusatzheizung (17) zur Erwärmung der Verbrennungsluft, die einer Ansaugleitung des Verbrennungsmotors (1) zugeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor (1) folgende Bauteile aufweist:
einen Katalysator (39), der in einer Auslassleitung des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist und zur Reinigung der Abgase des Verbrennungsmotors (1) dient; und
eine Leitung (90) für eine Abgasrückführung, welche die Ansaugleitung mit der Auslassleitung verbindet und wobei das von der Zusatzheizung (17) abgegebene Ver­ brennungsgas in einem vorbestimmten Stillstand des Ver­ brennungsmotors (1) über die Leitung (90) für die Abgas­ rückführung zum Katalysator (39) strömt.
2. Verbrennungsmotor (1), der eine Zusatzheizung (17) gemäß Anspruch 1 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (90) für die Abgasrückführung mit einem Ventil (92) zur Steuerung der hindurchströmenden Gasströmung versehen ist, und dass das Ventil (92) geöffnet wird, wenn die Zusatzheizung (17) benötigt wird, wobei sich der Verbrennungsmotor (1) im Stillstand befindet.
3. Verbrennungsmotor (1), der eine Zusatzheizung (17) gemäß Anspruch 2 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung (17) folgende Bauteile enthält:
eine Luftzufuhrleitung, und
eine Abgasleitung,
wobei die Zusatzheizung (17) im Bypass zur Ansaug­ leitung des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist,
wobei eine Drosselklappe (70) in der Ansaugleitung an einer Stelle zwischen zwei Verbindungspunkten (C1, C2) angeordnet ist, an denen die Luftzufuhrleitung und die Abgasleitung der Zusatzheizung (17) in die Ansaugleitung münden.
4. Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der beiden Verbin­ dungspunkte (C1, C2) der Lader eines Turboladers angeordnet ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) die Leitung (90) für die Abgasrückführung verschlossen und die Drosselklappe (70) geöffnet wird.
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