DE2544996A1

DE2544996A1 - Otto-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2544996A1
Application number: DE19752544996
Authority: DE
Inventors: Guenther Haefner; Victor Dipl Ing Pfeffer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1977-04-14
Also published as: US4126111A; FR2327414B1; FR2327414A1; GB1524157A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
Stuttgart-Untertürkheim

Daim Io o26/4 I.I0.75

Otto-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Hochdruckdosiereinrichtung und Verdampfung des elektrisch und/oder über Abgaswärme aufgeheizten Kraftstoffes über wenigstens eine Ent spannungsdü se.

Für eine derartig ausgestaltete Otto-Brennkraftmaschine wurde bereits vorgeschlagen, bei direkter oder indirekter Beheizung für die Startphase eine elektrische Heizung und für die Betriebsphase eine Beheizung über die Abgase vorzunehmen. Eine solche ausschließliche Beheizung des Kraftstoffes über die Abgaswärme in der Betriebsphase führt zu erheblichen Schwierigkeiten. Der Kraftstoff muß

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nämlich, unabhängig von der jeweiligen Belastung des Motores, stets auf die gleiche Temperatur aufgeheizt werden. Diese Temperatur, die nahe der Zersetzungstemperatur des Kraftstoffes liegt, muß dabei in engen Grenzen eingehalten werden, da ihre Überschreitung neben der Zersetzung des Kraftstoffes auch zu dadurch bedingten Schädigungen des Wärmetauschersystems führt. Ihre Unterschreitung muß vermieden werden, weil sonst die Verdampfung unzulässig beeinträchtigt wird. Diese bildet aber eine Zwischenstufe im Kraftstoffaufbereitungsprozeß, die im Endeffekt zu feindispersem Kraftstoffnebel führen soll. Ein solcher wird angestrebt, um eine gleichmäßige Gemischverteilung auf die einzelnen Zylinder zu erreichen, die ansonsten durch die Abscheidung der im Gemisch befindlichen Kraftstofftröpfchen an den Wandungen der Ansaugleitungen beeinträchtigt wird. Weiter ist die Erreichung von feindispersem Nebel im Hinblick auf die Abmagerungsfähigkeit für das Gemisch bei Teillast wesentlich.

Um bei einer Otto-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die angestrebte hohe Kraftstofftemperatur unabhängig von dem Lastzustand, in dem die Maschine gefahren wird, mit der erforderlichen Genauigkeit einhalten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Kraftstoff in der Betriebsphase der Maschine höchstens auf eine unter seiner Soll-Aufheiztemperatur liegende Grundtemperatur über Abgaswärme und von der Grundtemperatur auf die Soll-Temperatur elektrisch aufheizbar ist. Durch eine derartige Anordnung lassen sich

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einmal Temperaturschwankungen für jene Fälle, in denen die jeweils erfaßte Abgaswärme zur Aufheizung des Kraftstoffes nicht ausreicht, wie dies z. B. im unteren Teillastgebiet der Fall sein kann, vermeiden und es läßt sich das Erreichen der Soll-Temperatur gewährleisten. Zum anderen werden auch durch die Trägheit der Abgaswärmezuführung hervorgerufene Schwankungen nach oben hin, d. h. bis nahe zur Soll-Temperatur, zulässig, da die elektrische Energiezufuhr entsprechend schnell und feinfühlig ohne Schwierigkeiten regelbar ist. Die Differenz zwischen Grundtemperatur und Solltemperatur wird dabei so klein wie möglich gehalten.

Zur Übertragung der Abgaswärme auf den Kraftstoff erweist sich im Rahmen der Erfindung ein Wärmerohr als zweckmäßig, dessen Wärmeträger eine der Grundtemperatur etwa entsprechende Siedetemperatur aufweist.

Um eine überhitzung des Kraftstoffes nach Stillsetzen der Brennkraftmaschine zu vermeiden, wie sie sich aufgrund des liberganges der im Abgaswärmeübertragungssystem noch gespeicherten Wärme auf den nicht mehr fließenden Kraftstoff ergeben kann, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dem Wärmerohr in seinem Kondensatorteil ein Latentwärmespeicher zugeordnet sein. Aus diesem kann weiter auch Wärme für die Aufheizung des Kraftstoffes entnommen werden, wenn abgasseitig, z. B. im unteren Teillastbereich kurzzeitig ein Energiedefizit auftritt oder wenn die Maschine nach einer kürzeren Betriebspause wieder in Betrieb gesetzt wird. In beiden Fällen ergibt sich dabei durch die

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Verwendung des Latentwärmespeichere eine Einsparung an sonst elektrisch aufzubringender Heizenergie.

Wird dem Wärmerohr in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in seinem Kondensatorteil ein Kühlwasser-Wärmetauscher zugeordnet, so läßt sich über diesen überschüssige, gegebenenfalls auch über den Latentwärmespeicher nicht aufnehmbare Heizenergie aus dem Abgas-Wärmeübertragesystem entnehmen. Zweckmäßigerweise sind bei derartigen erfindungsgemässen Ausgestaltungen der Latentwärmespeicher und/oder der Kühlwasser-Wärmetauscher zuschaltbar. Eine solche Zuschalbarkeit läßt sich im Rahmen der Erfindung in besonders einfacher Weise durch die teilweise Füllung des Wärmerohres mit einem am Wärmetransport im wesentlichen nicht beteiligten Inertgas erreichen, bei der das Inertgasvolumen vom Dampfdruck des Wärmeträgers abhängig ist und bei der über die Volumenänderung die Größe der wirksamen Kondensatorfläche des Wärmerohres temperaturabhängig gesteuert ist. Es läßt sich so eine temperaturabhängige Zuschaltung des Kühlwasser-Wärmetauschers und/oder des Latentwärmespeichers erreichen. Für beide läßt sich im übrigen eine temperaturabhängige Zuschaltung auch unabhängig von der vorerwähnten Lösung durch die Verwendung von Thermoschaltelementen erreichen, so daß gegebenenfalls in einem System für Latentwärmespeicher und Kühlwasser-Wärmetauscher auch unterschiedliche ZuschaltmÖglichkeiten bestehen. Wird dabei der Latentschal t
wärmespeicher über ein Thermoelement zugeschaltet, so wird er zweckmäßigerweise zwischen Kraftstoffwärmetauscher und Abgaswärmetauscher angeordnet.

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Die elektrische Aufheizung läßt sich unter Verwendung eines als Wärmetauscher ausgebildeten Kaltleiters, der beispielsweise aus Bariumtitanat besteht (BaTiO ), besonders einfach gestalten, da die Abschaltung der elektrischen Heizung aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kaltleiters selbsttätig erfolgt. Örtliche Uberhitzungen und Zersetzungen werden dabei mit Sicherheit vermieden, da der Kaltleiter selbst den Wärmetauscher darstellt und die Stromzufuhr auch partiell durch starke temperaturabhängige Widerstandsänderungen weitgehend unterbrochen wird. Im Hinblick auf die Wärmetauscherfunktion wird erfindungsgemäß eine möglichst große Kaltleiteroberfläche angestrebt und beispielsweise insbesondere durch poröse Struktur des Kaltleitermaterials erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Aufheizung und Verdampfung des zuzuführenden Kraftstoffes,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Aufheizvorrichtung für den zuzuführenden Kraftstoff,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Aufheizvorrichtung für den zuzuführenden Kraftstoff,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Aufheizvorrichtung für den zuzuführenden Kraftstoff, und

Fig. 5 iⁿ schematisierter Darstellung eine Ausführungsform eines Thermoschaltelementes.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die einen über den Kolben 2 volumenveränderlichen Brennraum 3 aufweist, der über im Zylinderkopf h vorgesehene, hier durch Ventile 5 gebildete Steuerelemente an ein Frischgasversorgungssystem 6, bzw. ein Auspuffsystem 7 angeschlossen ist.

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Das Frischgasversorgungssystem 6 umfaßt ein Saugrohr 8, dem eine Kammer 9 zugeordnet ist, in der die angesaugte Luft mit dem über die Entspannungsdüse Io in Dampfform eingebrachten Kraftstoff angereichert wird. Der Kraftstoff wird der Entspannungsdüse mit einer Temperatur - im folgenden Soll-Aufheiztemperatur - zugeführt, die nahe der Zersetzungstemperatur des Kraftstoffes liegt und auf die der Kraftstoff, der über eine nicht näher dargestellte Hochdruckdosiereinrichtung zugeführt wird, in einem mit Abgas beheizten Wärmetauscher 11 und einer nachgeordneten elektrischen Heizeinrichtung 12 aufgeheizt wird. Hierbei erfolgt im Wärmetauscher die Aufheizung auf eine unter der Soll-Aufheiztemperatur liegende Grundtemperatur, und es wird die Temperaturdifferenz zwischen der Grundtemperatur und der Soll-Aufheiztemperatur durch elektrische Nachheizung mittels der Heizeinrichtung 12 überbrückt.

Die Abgaswärme wird dem Abgaswärmetauscher 11 über ein Wärmerohr 13 zugeführt, dessen Verdampferteil 13?als Bestandteil eines Abgaswärmetauschers in das Auspuffrohr lk des

13b Auspuffsystems 7 hineinragt und dessen Kondensatorteil/dem Kraftstoffwärmetauscher 11 zugeordnet ist.

In schematisierter Ausführung ist in Fig. 2 eine Konstruktion dargestellt, bei der das insgesamt mit I13 bezeichnete Wärmerohr zur Begrenzung der im Kraftstoffwärmetauscher auf den Kraftstoff übertragenen Wärmemenge teilweise mit einem am Wärmetransport nicht beteiligten Gas, einem Inert-Gas gefüllt ist. Die Füllung ist so bemessen, daß bis zu der der Kraftstoffgrundtemperatür, die durch Aufheizung

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mittels Abgas erreicht werden soll, entsprechenden Temperatur vom Inert-Gas im wesentlichen lediglich jener Abschnitt des Kondensatorteiles des Wärmerohres 113 für die Kondensation des Wärmeträgers freigegeben wird, der dem Kraftstoffwärmetauscher 111 zugeordnet ist. Es sind dementsprechend der dem Kondensatorteil des Wärmetauschers im Anschluß an den Kraftstoffwärmetauscher 111 zusätzlich zugeordnete Latentwärmespeicher 115 sowie der auf diesen folgende Kiihlwasserwärmetauscher II6 über die Inert-Gasfüllung des Wärmerohres solange von der Wärmezufuhr abgeschaltet, bis im Abgaswärmetauscher 111 eine Wärmemenge anfällt, die zu einer Aufheizung des Kraftstoffes über die Grundtemperatur führen würde. Der dadurch bedingte Temperaturanstieg führt zu einem Zurückdrängen des Inert-Gases und zur Freigabe des Latentwärmespeichers 115 bzw. nachfolgend zusätzlich des Kühlwasserwärmetauschers Il6, so daß Kraftstoffüberhitzungen vermieden werden.

Die im Latentwärmespeicher 115 gespeicherte Wärmemenge ermöglicht gleichzeitig eine gewisse Vergleichmäßigung in der Wärmeversorgung aus dem Auspuff system, da zum Beispiel nach kurzen Betriebsunterbrechungen und entsprechend geringerem Abgaswärmeanfall beim Wiederanfahren die im Latentwärmespeicher 115 gespeicherte Wärmemenge zur Aufheizung des Kraftstoffes im Kraftstoffwärmetauscher 111 herangezogen werden kann. Die Aufheizung des Kraftstoffes von der Grundtemperatur auf die angestrebte Soll-Aufheiztemperatur erfolgt anschließend an dem Kraftstoffwärmetauscher 111 über die hier nur schematisch angedeutete elektrische Heizeinrichtung 112.

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Auch Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der dem Wärmerohr 213 neben dem Kraftstoffwärmetauscher 211 ein Latentwärmespeicher 215 sowie ein Kuhlwasserwärmetauscher 2l6 zugeordnet sind. Der Latentwärmespeicher 215 ist dabei über einen Thermoschalter 217» der beispielsweise gemäß Fig. 5 ausgestaltet sein kann, zu- und abschaltbar. Bei dieser Anordnung ist der Latentwärmespeicher 215 zwischen dem Auspuffsystem, aus dem die Wärme entnommen wird, und dem Kraftstoffwärmetauscher 211 angeordnet. Auf den Kraftstoffwärmetauscher 211 folgt am Kondensatorteil des Wärmerohres 213 der Kuhlwasserwärmetauscher 2l6, der, wie anhand der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erläutert, über eine Inert-Gasfüllung des Wärmerohres zuschaltbar ist.

Bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird, falls die anfallende Abgaswärme zu groß ist, zunächst der Latentwärmespeicher zugeschaltet und nimmt dadurch einen Teil der anfallenden Wärme auf. Ist dieser Anteil zu gering, um ein weiteres Ansteigen der Dampftemperatur im Wärmerohr zu verhindern, so wird entsprechend dem steigenden Dampfdruck das Inert-Gas zurückgedrängt und dadurch der Kuhlwasserwärmetauscher 2l6 zugeschaltet.

In der Darstellung gemäß Fig. h ist eine Anordnung gezeigt, bei der anschließend an das Auspuffsystem dem Wärmerohr zunächst ein über einen Thermoschalter 317 zuschaltbarer Latentwärmespeicher 315 und anschließend erst der Kraftstoffwärmetauscher 311 zugeordnet sind, und zwar, wie vorgeschildert, auf dem Kondensatorteil des Wärme^rohres. Dieses weist dabei, was nicht näher dargestellt ist, in bekannter Weise

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eine so geringe Füllung auf, daß die Gesamtfüllung beim Überschreiten der im Kraftstoffwärmetauscher 311 zu erreichenden Grundtemperatur verdampft. Mit der Verdampfung ist ein "Austrocknen" des Wärmerohres und damit eine Beendigung des Wärmetransportes verbunden. Die Aufheizung von der Grundtemperatur im Anschluß an den Kraftstoffwärmetauscher 3H erfolgt auch bei diesem Ausführungsbeispiel über eine elektrische Heizeinrichtung 312.

Aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist ein Thermoschalter zum Zu- und Abschalten des insgesamt mit 4l5 bezeichneten Latentwärmespeichers ersichtlich. Der Thermoschalter 4l7 umfaßt zwei keilartige Kontaktelemente 4l8, die das Wärmerohr außenseitig ringförmig umschließen und gegeneinander verschiebbar sind, wobei sie mit entsprechend angeschrägten Anlageflächen ^19 des Speicherkerns kZo in Berührung kommen. Die Zu- und Abschaltung erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über Dehnstoffelement ^21, die in Längsrichtung des Wärmerohres hl J dehnbar zwischen den Kontaktelementen 4l8 und jeweiligen Stützelementen oder Stützringen 422 angeordnet sind. Anstelle von Dehnstoffelementen können selbstverständlich auch Bimetallfedern oder dergleichen eingesetzt werden.

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Claims

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Ansprüche

'Otto-Brennkraftmascbine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Hochdruckdosiereinrichtung und Verdampfung des elektrisch und/oder über Abgaswärme aufgeheizten Kraftstoffes über wenigstens eine Entspannungsdüee, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in der Betriebsphase der Maschine höchstens auf eine unter seiner Soll-Aufheiztemperatur liegende Grundtemperatur über Abgaswärme und von der Grundtemperatur auf die Solltemperatur elektrisch aufheizbar ist.
2. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Übertragung der Abgaswärme auf den Kraftstoff ein Wärmerohr (I.3) vorgesehen ist, dessen Wärmeträger eine der Grundtemperatür entsprechende Siedetemperatur aufweist.
3. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmerohr (I13i 213i 313) in seinem Kondensatorteil ein Latentwärmespeicher (ll5t 215, 315) zugeordnet ist.

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4. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmerohr (ll3i 213) in seinem Kondensatorteil ein Kühlwasser-Wärmetauscher (ll6, 2l6) zugeordnet ist.
5· Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentwärmespeicher (115» 2151 315) und/oder der Kühlwasser-Wärmetauscher (il6, 216) zuschaltbar sind.
6. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (II3» 213) eine teilweise Inert-Gasfüllung aufweist, über deren Volumenänderung die Größe der wirksamen Kondensatorfläche des Wärmerohres temperaturabhängig gesteuert ist.
7. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser-Wärmetauscher (II6, 2l6) temperaturabhängig zuschaltbar ist.
8. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentwärmespeicher (ll5t 215, 315) temperaturabhängig zuschaltbar ist.

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9. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Latentwärmespeicher über ein Thermoschaltelement (217, 317, ^17) zuschaltbar ist.
10. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß der über ein Thermoschaltelement (217» 317» *tl7) zuschaltbare Latentwärmespeicher (215» 315» 4l5) zwischen Kraftstoffwärmetauscher und Abgaswärmetauscher angeordnet ist.
11. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Aufheizung (Heizeinrichtung 12, 112, 212, 312) ein Kaltleiter vorgesehen ist, der als Wärmetauscher ausgebildet ist und dessen Nenntemperatur etwa der Solltemperatur entspricht.
12. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Kaltleiter als poröse Matrix ausgebildet ist.
13. Otto-Brennkraftmaechine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Kaltleiter aus geschichteten Platten dichtgesinterten Kaltleitermateriales besteht.

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