DE3940510C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verkürzung der Warmlaufphase einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 25 23 408 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher in die Ansaugleitung eine Kraftstoffeinspritzdüse hineinragt, welche auf eine Glühspirale gerichtet ist, die wiederum in einem ebenfalls in der Ansaugleitung eingesetzten Mischrohr angeordnet ist. Sowohl Kraftstoffeinspritzdüse als auch das Mischrohr mit der Glühspirale stellen einen Strömungswiderstand dar, so daß in höheren Lastbereichen, insbesondere bei Vollast zu jedem Zeitpunkt, also auch dann, wenn eine Vorwärmung der Ansaugluft nicht mehr erforderlich ist, eine Beeinträchtigung der Ansaugluftströmung gegeben ist, welche sich nachteilig auf den Liefergrad und damit auf die Leistung der Brennkraftmaschine auswirkt.

Aus der DE-OS 20 47 589 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, von deren Ansaugleitung eine Bypassleitung abgezweigt ist, in deren Verlauf eine Heizeinrichtung zur bedarfsweisen Vorwärmung der Ansaugluft angeordnet ist. Diese Ansaugleitung mündet weiter stromab wieder in die Ansaugleitung ein. Der Anteil des Ansaugluftstromes, welcher über die Bypassleitung strömt, wird dabei gesteuert über eine an der Abzweigstelle der Bypassleitung angeordnete Klappe. Mit dieser Klappe ist lediglich die Bypassleitung vollständig verschließbar, die Ansaugleitung selbst jedoch nicht, so daß nie der gesamte Ansaugluftströmung ausschließlich nur über die Bypassleitung geführt werden kann. Es ist damit, insbesondere beim Betrieb der Brennkraftmaschine in niederen Drehzahlbereichen, immer noch eine relativ lange, sich auf die Abgasemission sowie im Hinblick auf den Verschleiß negativ auswirkende Warmluftphase ge­ geben.

Nach der DE-OS 20 47 589 ist ferner vorgesehen, die den Bypass steuernde Klappe in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine automatisch zu betätigen. Wie im einzelnen eine solche automatische Betätigung realisiert werden kann, hierzu ist in der DE-OS 20 47 589 nichts angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des neuen Hauptanspruches beschriebenen Art aufzuzeigen, mit welcher die Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine verkürzt werden kann und welche einfach aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Dadurch, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur die Bypassleitung selbst, sondern auch die Ansaugleitung vollständig verschließbar ist, kann der gesamte Ansaugluftstrom in den entsprechenden Drehzahlbereichen über die Bypassleitung geführt und darin über die Heizeinrichtung erwärmt werden. Die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ist damit gerade beim Betrieb in niederen Drehzahlbereichen auf ein Minimum reduzierbar. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird aber gleichzeitig verhindert, daß in höheren Drehzahlbereichen aufgrund eines erhöhten Volumenstromes eine stärkere Beeinträchtigung der Ansaugluftströmung auftritt, denn ab einem bestimmten Volumenstrom, also ab einer bestimmten Brennkraftmaschinendrehzahl wird die Steuerklappe durch den Staudruck in Richtung Öffnen der Ansaugleitung gedreht. Je größer dieser Staudruck vor der Steuerklappe ist, desto weiter wird die Ansaugleitung geöffnet. Die Steuerklappe wird also gegen die Kraft der Torsionsfeder immer in ihrer optimalen Stellung gehalten. Optimal in dem Sinne, daß ein für die aktuelle Drehzahl maximaler Anteil des Ansaugluftstromes über die Bypassleitung geführt wird, ohne daß die gesamte Ansaugluftströmung nennenswert beeinträchtigt wird.

Schon kurze Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine wird über die gesamte Vorwärmphase die zur Einbringung in die Brennräume der Brennkraftmaschine vorgesehene Kraftstoffmenge um die zur Vorwärmung der Ansaugluft verwendete Kraftstoffmenge reduziert. In den Brennräumen wird damit auch während der Vorwärmphase ein nahezu stöchiometrisches Gemisch (λ=1) eingehalten. Die Schadstoffemission während der Vorwärmphase bleibt damit minimal. Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 wird dabei verhindert, daß es nach dem Abschluß der Heiz- bzw. Vorwärmphase aufgrund einer schlagartigen Erhöhung der in die Brennräume eingebrachten Kraftstoffmenge zu einem den Fahrkomfort mindernden Antriebsdruck kommt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 1a den Betätigungsmechanismus der in Fig. 1 mit 11 bezeichneten Steuerklappe (Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie Ia-Ia in vergrößerter Darstellung).

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine gemischverdichtende Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Ansaugleitung 2, welche an einen Resonanzbehälter 3 angeschlossen ist, von welchem wiederum die einzelnen Einlaßkanäle 4a-d abgezweigt sind, die in die jeweiligen Brennräume 5a-d der Brennkraftmaschine 1 einmünden. Die Zufuhr des Kraftstoffes erfolgt über die in den Einlaßkanälen 4a-d angeordneten Einspritzdüsen 6a-d. Zur Vorgabe der Brennkraftmaschinenlast durch den Fahrer ist in der Ansaugleitung 2 eine Drosselklappe 7 angeordnet, welche mit dem von dem Fahrer betätigbaren, in der Zeichnung nicht sichtbaren Fahrpedal gekoppelt ist. Hinter dieser Drosselklappe 7 ist von der Ansaugleitung 2 eine Bypassleitung 8 abgezweigt, welche stromab dieser Abzweigung wieder in die Ansaugleitung 2 einmündet. In dieser Bypassleitung 8 ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, bestehend aus einer Zündeinrichtung (Glühkerze 9) und einer auf diese gerichtete Kraftstoffeinspritzdüse 10. Im Bereich der Einmündung der Bypassleitung 8 in die Ansaugleitung 2 ist eine als Steuerklappe 11 ausgebildete Ventileinrichtung vorgesehen, welche zwischen einer die Bypassleitung 8 vollständig verschließenden Stellung und einer die Ansaugleitung 2 vollständig verschließenden Stellung (gestrichelte Stellung 11′) stufenlos einstellbar ist.

Zur Steuerung der Heizeinrichtung und der Steuerklappe 11 ist eine elektronische Steuereinheit 12 vorgesehen, welcher über den Sensor 13 und die Meßwertleitung 14 ein der aktuellen Brennkraftmaschinendrehzahl n, über den Sensor 15 und die Meßwertleitung 16 ein der aktuellen Brennkraftmaschinenlast α (Drosselklappenauslenkung α) entsprechendes Signal, über den Sensor 17 und die Meßwertleitung 18 eine der aktuellen Tempe­ ratur T des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 entsprechendes Signal und über die Meßwertleitung 19 das Signal einer in der Abgasleitung eingesetzten Lambda-Sonde zugeführt wird. Stromab der Glühkerze 9 ist in der Bypassleitung 8 ferner ein Tempera­ tursensor 20 vorgesehen, der über die Meßwertleitung 21 ein entsprechendes Signal an die elektronische Steuereinheit 12 übermittelt.

Nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 wird - sofern die Tem­ peratur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 unterhalb ei­ nes vorgegebenen Grenzwertes liegt - die in der Bypassleitung 8 angeordnete Heizeinrichtung aktiviert. Über die auf die Glüh­ kerze 9 gerichtete Düse 10 wird Kraftstoff eingespritzt und durch die Glühkerze 9 gezündet. Der Kraftstoff entzündet sich, verbrennt und erwärmt damit die vorbeiströmende Frischluft. Um während einer Vorwärmphase den maximalen Luftstrom über die Bypassleitung 8 führen zu können, befindet sich die Steuer­ klappe 11 in der die Ansaugleitung 2 verschließenden Stellung (gestrichelte Darstellung 11′ der Steuerklappe). Der Mechanis­ mus zur Betätigung der Steuerklappe 11 ist jedoch so ausgelegt, daß im Falle eines relativ großen Luftmassenstromes, z. B. bei hoher Last und hohen Drehzahlen, die Steuerklappe 11 durch den Luftstrom gegen die Kraft einer Torsionsfeder 22 (Fig. 1a) wie­ der etwas geöffnet wird (strichpunktierte Stellung 11′′ der Steuerklappe), d. h. ein Teil der Frischluft strömt nicht über die Bypassleitung 8, sondern direkt zu den Einlaßkanälen 4a-d. Es wird dadurch zum einen eine gleichmäßige Strömung hinter der Steuerklappe 11 und zum anderen eine nahezu konstante Strö­ mungsgeschwindigkeit in der Bypassleitung 8 über einen relativ großen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 realisiert. Insbesondere letzteres wirkt sich positiv auf die Stabilität der Vorwärmflamme aus. Der Mechanismus zur Betätigung der Steuerklappe 11 ist an späterer Stelle in der Beschreibung zur Fig. 1a näher erläutert.

Die in der Bypassleitung 8 vorgesehene Glühkerze 9 wirkt gleichzeitig als Flammhalter, wodurch verhindert werden kann, daß die Flamme, insbesondere bei Strömungsgeschwindigkeiten welche größer sind als die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, erlischt. Sollte die Flamme dennoch einmal erlöschen, so wird die Glühkerze 9 sofort von der elektronischen Steuereinheit 12 aktiviert, und zwar solange, bis sich der Kraftstoff wieder entzündet. Die Erkennung hierfür erfolgt über den ebenfalls in der Bypassleitung 8 stromab der Glühkerze 9 angeordneten Tem­ peratursensor 20. Anhand der von diesem Sensor 20 an die Steu­ ereinheit 12 übermittelten Temperatur wird erkannt, ob das Kraftstoff-Luftgemisch an dieser Stelle brennt oder nicht. Ge­ nerell ist zu sagen, daß während einer Vorwärmphase die Glüh­ kerze 9 immer dann aktiviert ist, wenn der Sensor 20 eine Tem­ peratur an die Steuereinheit 12 übermittelt, die signalisiert, daß momentan keine Verbrennung in der Bypassleitung 8 statt­ findet. Bei betriebswarmer Brennkraftmaschine hingegen ist die Glühkerze 9 immer inaktiv. Die Ansteuerung der Glühkerze 9 er­ folgt über die Steuerleitung 23.

Während des Starts und bei extrem tiefen Temperaturen und ent­ sprechend kalten Brennraumwänden wird die Brennkraftmaschine überfettet betrieben. Ansonsten soll die Brennkraftmaschine, sobald dies von Seiten der Laufgrenze möglich ist, bei λ=1 betrieben werden.

Um zu verhindern, daß die Verbrennung in den Brennräumen 5a-d der Brennkraftmaschine 1 während der Heiz- bzw. Vorwärmphase nicht zu fett abläuft, ist die über die Kraftstoffeinspritzdüsen 6a-d in die Brennräume 5a-d eingebrachte Kraftstoffmenge um die zur Vorwärmung der Ansaugluft in die Bypassleitung 8 eingespritzte Kraftstoffmenge reduziert. Damit hierbei eine Gemischzusammensetzung von λ=1 exakt eingehalten wird, ist vorgesehen, die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit des von der in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde (in der Zeichnung nicht dargestellt) erfaßten Signals (Meßwertleitung 19) ständig nachzuregeln. Dies geschieht durch eine entsprechende Ansteuerung der Einspritzdüsen 6a-d über die elektronische Steuereinheit 12 (Steuerleitungen 37a-d).

Ist schließlich der Grenzwert für die Kühlmitteltemperatur, ab welchem eine Ansaugluftvorwärmung nicht mehr erforderlich ist, erreicht, so wird die über die Düse 10 eingespritzte Kraft­ stoffmenge bis hin zur Nullförderung langsam reduziert. In demselben Maße wie die über die Düse 10 eingebrachte Kraft­ stoffmenge reduziert wird, erfolgt nun auch eine Anhebung der in die Brennräume 5a-d über die Einspritzdüsen 6a-d einge­ brachte Kraftstoffmenge. Es wird dadurch ein den Fahrkomfort beeinträchtigender Antriebsruck vermieden, welcher bei einem schlagartigen Abstellen der Kraftstoffzufuhr in die Bypassleitung 8 und damit bei einer schlagartigen Erhöhung der in die Brennräume 5a-d eingebrachten Kraftstoffmenge auftreten würde.

Sobald die Kraftstoffeinbringung über die Düse 10 beendet ist, wird die Steuerklappe 11 in die die Bypassleitung 8 verschlie­ ßende Stellung (durchgezogene Darstellung der Steuerklappe) überführt und dort bis zur nächsten Vorwärmphase gehalten.

Fig. 1a zeigt in einer Vergrößerung eine Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie Ia-Ia. Die Steuerklappe 11 befindet sich in der die Bypassleitung 8 verschließenden Stellung (Stellung 11 in Fig. 1). Die Steuerklappe 11 ist drehfest und exzentrisch auf einer Welle 24 gelagert, welche über die Tor­ sionsfeder 22 mit der Abtriebswelle 25 eines elektrischen Stellmotors 26 in Wirkverbindung steht. Die Torsionsfeder 22 ist mit ihrem einen Ende 27 an einem ersten Kerbstift 28 befe­ stigt, der in der Steuerklappenwelle 24 in einer senkrecht zu deren Drehachse verlaufenden Bohrung gehalten ist. An ihrem anderen Ende 29 ist die Torsionsfeder 22 an einem zweiten Kerbstift 30 befestigt, welcher in der Abtriebswelle 25 des Stellmotors 26 in einer senkrecht zu deren Drehachse verlau­ fenden Bohrung gehalten ist. Über den zweiten Kerbstift 30 ist mit der Abtriebswelle 25 des Stellmotors 26 auch eine Hülse 31 drehfest verbunden, welche von der als Schraubenfeder ausge­ bildeten Torsionsfeder 22 konzentrisch umgeben wird. In stromlosem Zustand hält der Stellmotor 26 die Steuerklappe 11 in der die Bypassleitung 8 verschließenden Stellung (s. auch Stellung 11 in Fig. 1). In bestromtem Zustand wird die Steu­ erklappe 11 zunächst um 90° in die die Ansaugleitung 2 ver­ schließende Stellung gedreht (gestrichelte Darstellung 11′ der Steuerklappe in Fig. 1). Liegt nun eine relativ geringer An­ saugluftmassenstrom vor, so bleibt die Steuerklappe in dieser Stellung und der gesamte Luftstrom fließt über die Bypassleitung 8, um vorgewärmt zu werden. Bei großen Luftmas­ senströmen hingegen (hohe Last und Drehzahl) würde die Umlei­ tung des gesamten Ansaugluftmassenstromes in die Bypassleitung 8 eine zu starke Beeinträchtigung der Strömung bedeuten. In diesen Betriebszuständen wird nun die Steuerklappe infolge ei­ nes vor ihr ansteigenden Druckes gegen die Kraft der Torsions­ feder 22 je nach Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine mehr oder weniger in Richtung Öffnungsstellung 11′′ gedrückt, so daß ein Teil des Ansaugluftstromes direkt den Einlaßkanälen 4a-d zugeführt wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht ausschließlich auf die Verwendung bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen. Es ist ebenso denkbar, sie zur Vorwärmung der Ansaugluft während der Start- und Warmlaufphase auch bei Dieselmotoren einzusetzen.

Ferner ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung als Regenerationshilfe für einen in der Abgasleitung angeord­ neten Rußpartikelfilter zu verwenden.

Statt über einen freien Einspritzstrahl kann der Kraftstoff im Brenner auch über einen beheizbaren porösen Körper zugeführt werden.

Die Zündung des Kraftstoffes kann statt über eine Glühkerze auch über einen Lichtbogen (Zündkerze) erfolgen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Verkürzung der Warmlaufphase einer Hubkol­ benbrennkraftmaschine mit einer im Ansaugsystem der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Heizeinrichtung zur Erwärmung des Ansaugluftstromes, mit einer von einer den Ansaugluftstrom führenden Ansaugleitung abgezweigten Bypassleitung, wobei die Heizeinrichtung in der Bypassleitung angeordnet ist und der die Bypassleitung passierende Frischluftstrom mittels einer Steuerklappe in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (11) im Bereich der Einmündung der Bypassleitung (8) in die Ansaugleitung (2) angeordnet und zwischen einer die Ansaugleitung (2) vollständig verschließenden Endstellung (11′) und einer die Bypassleitung (8) vollständig verschließenden Stellung (11) stufenlos einstellbar ist und daß die Steuerklappe (11) auf einer Stellwelle (24) gelagert ist, welche gegen die Abtriebswelle (25) eines Stellantriebes (26) über eine derart wirkende Torsionsfeder (22) abgestützt ist, daß mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl die Steuerklappe gegen die Kraft der Torsionsfeder (22) in Richtung Öffnen der Ansaugleitung (22) bzw. Schließen der Bypassleitung (8) verschwenkt wird und umgekehrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung gebildet ist aus einer Kraftstoffein­ spritzdüse (10), über welche Kraftstoff in die Bypassleitung (8) einbringbar ist und welche auf eine stromab von ihr angeordnete Zündeinrichtung (9) gerichtet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypassleitung (8) ein Flammhalter angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Zündeinrichtung (9) ein Temperatursensor (20) vorgesehen ist, über welchen ein der Temperatur des Luftstromes an dieser Stelle entsprechendes Signal an eine elektronische Steuereinheit (12) übermittelbar ist, welche die Zündeinrich­ tung (9) derart ansteuert, daß diese während einer Heizphase dann aktiviert wird, wenn die Temperatur des Luftstromes un­ terhalb eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes liegt und an­ sonsten abgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorwärmphase die zur Einbringung in die Brenn­ räume (5a-d) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehene Kraft­ stoffmenge um die zur Vorwärmung der Ansaugluft verwendete Kraftstoffmenge reduziert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung unterhalb eines vorgegebenen Grenz­ wertes für die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftma­ schine (1) aktiviert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftma­ schine (1) die Kraftstoffeinspritzmenge zur Vorwärmung der An­ saugluft langsam reduziert wird und gleichzeitig in dem Maße, wie diese reduziert wird die in die Brennräume (5a-d) eingebrachte Kraftstoffmenge entsprechend erhöht wird.