DE19927269C2 - Verbrennungsmotor mit Luftvorwärmung - Google Patents
Verbrennungsmotor mit LuftvorwärmungInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
In der Luftzufuhrleitung 33 ist ein Ventil 44 vorgesehen, mit
tels dem die Luftzufuhr zur Zusatzheizung 17 geregelt werden
kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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Families Citing this family (2)
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