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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kaltstartsystem für Dieselmotoren,
wobei eine Optimierung des besagten Startens im Bereich von Zylinderhubräumen in
der Größenordnung
von 200 bis 650 Kubikzentimetern erreicht wird.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist die Entwicklung eines Systems zur gleichmäßigen Erwärmung des
Eingangsluftstroms bei Direkteinspritzerdieselmotoren geringer Zylinderkapazität mittels
eines elektrischen Widerstands, in Form eines durchgehenden und
optimal verteilten Bands im Bereich des Durchflusses des besagten
Fluids, um das Starten dieser Motoren bei Temperaturen unter –10°C zu ermöglichen
und ohne dass die Motorleistung unter den Bedingungen des Maximalleistungsbetriebs
als Folge eines hohen Druckverlustes im Heizelement gemindert wird.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Dieselmotoren
mit Hochgeschwindigkeits-Direkteinspritzung, die in Motorfahrzeugen
und bei Zylinderhubräumen
in der Größenordnung
von 200 bis 650 Kubikzentimeter eingesetzt werden, werden häufig eingesetzt,
um die Motoren mit indirekter Einspritzung oder mit geteilten Kammern
zu ersetzen, hauptsächlich,
weil der Verbrauch der Direkteinspritzermotoren niedriger ist.
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Gleichermaßen ist
es bei vergleichsweise hohen Turboaufladungsdrücken und aufgrund des neuen
Konzepts von Treibstoffeinspritzsystemen bei kon stantem Druck möglich, spezifische
Leistungen im Bereich von 60 kW/I zu erzielen, was diese Dieselmotorart
im Vergleich mit Benzinmotoren sehr wettbewerbsfähig macht.
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Eines
der Hauptprobleme bei Dieselmotoren ergibt sich jedoch im Zusammenhang
mit dem Kaltstart, besonders bei extremem Klimabedingungen, bei
denen die Umgebungstemperatur normalerweise sehr niedrig ist, sodass
zur Lösung
dieses Nachteils oder Problems bei Dieselmotoren mit Hochgeschwindigkeits-Direkteinspritzung
Glühkerzen
(elektrische Widerstände)
verwendet werden, die sich, durch den Kopf hindurchgeführt, innerhalb
der Verbrennungskammer des Motors befinden, um die Selbstverbrennung
des Treibstoffs herbeizuführen,
der sich auf der Oberfläche
der besagten Zündkerze
befindet, was wiederum den Verbrennungsprozess im Motor auslöst. Obwohl
diese Lösung
praktisch überall
akzeptiert wird, weist sie eine Reihe von Nachteilen, Problemen
und Schwierigkeiten auf, die durch drei grundlegende Mechanismen
bedingt sind, die folgendermaßen
zusammengefasst werden können:
- 1. Die herabgesetzte Verlässlichkeit, da es sich um ein
Element handelt, dass großer
mechanischer und thermischer Belastung ausgesetzt ist.
- 2. Die Schwierigkeiten beim Einbau aufgrund der weit verbreiteten
Verwendung des Konzepts von vier Ventilen pro Zylinder in einem
Dieselmotor neuer Generation, sodass diese Lösung kaum Spielraum beim Einbau
der vorheizenden Zündkerzen
lässt,
wenn man bedenkt, dass der Einbau ihr Zusammenspiel mit dem Kraftstoffstrahl
gewährleisten
soll, die Zugänglichkeit
von Außen
erlauben soll und ein angemessenes thermodynamisches Design des
Kopfes garantieren soll, wobei dieses Problem durch die Forderung
nach höherer
spezifischer Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen
verstärkt
werden kann.
- 3. Der Einfluss auf den Verbrennungsvorgang, da die vorheizende
Zündkerze
nach Ausführen
der Kaltstartfunktion ein Hindernis in der Verbrennungskammer darstellt,
das den Vorgang des Mischens von Luft mit Treibstoff behindert und
die Geschwindigkeitsverteilung der Luft stört und unweigerlich die Motorleistung
verschlechtert, zum Beispiel durch einen schlechten Verbrennungsprozess.
Bei Dieselmotoren der beschriebenen Art ist weiterhin die Kammergröße verringert
und es wird ein hoher Einspritzdruck verwendet, was zu einer größeren Anzahl
an Einspritzdüsen
führt, um
eine gute Treibstoffzerstäubung
zu gewährleisten,
was wiederum zu einer Verbesserung des Mischvorgangs und somit der
Verbrennung führt. Allerdings
bringt das Vorhandensein der vorheizenden Zündkerzen in der Kammer ein
unvermeidbares Zusammenspiel mit den Einspritzdüsen mit sich, womit letztlich
alle Verbesserungen, die in das Verfahren eingebracht wurden, als
Folge einer unvollständigen
Verbrennung begrenzt werden.
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Um
die Nachteile des Kaltstarts bei Dieselmotoren zu überwinden,
ist es möglich,
das Konzept des Erhitzens der einströmenden Luft anzuwenden, indem
eine Wärmequelle
verwendet wird, bei der es sich, wie im US-Patent 4,512,322 beschrieben,
um eine Flamme oder einen elektrischen Widerstand handeln kann.
Allerdings können
diese Lösungen
ihrem Konzept nach nur auf den Fall von Motoren angewendet werden,
deren Zylinderhubraum über
800 Kubikzentimetern liegt, da diese Motoren adiabatischer sind
und somit der Wärmeverlust
geringer ist. Motoren mit geringerem Zylinderhubraum benötigen optimiertere
Systeme, sowohl was die Wärmeenergieübertragung
als auch den Druckverlust anbetrifft. Deshalb ist es bei diesen
Motoren wichtig, dass eine gleichmäßige Erwärmung der einströmenden Luft entlang
des ge samten Bereichs des Fluiddurchgangs erzielt wird, wobei dieser
Gesichtspunkt nicht mit der im genannten Patent vorgeschlagenen
Lösung
zu vereinbaren ist, da aufgrund der Anordnung des Heizelements das
Erwärmen
nur bei einer geringen Menge von Luft erreicht würde, die im mittleren Bereich
konzentriert ist, wobei um diesen Bereich herum eine beträchtliche
Menge an Luft verbleiben würde,
die weiterhin eine sehr geringe Temperatur hat, was eine sehr geringe
thermische Leistung bei der Erreichung der richtigen Lufttemperatur
für den
Kaltstart bei Motorfahrzeugen bedeutet. Zudem bezieht sich der direkte
Nachteil im Zusammenhang mit einer über den Öffnungsbereich des Fluiddurchgangs
verteilten Heizeinrichtung auf den hiermit bedingten Druckverlust,
was bei kleinen Motoren einen entscheidenden Gesichtspunkt bezüglich der
Leistung bei hohen Laufgeschwindigkeiten darstellt. Dies erfordert
ein hydrodynamisches Design der Heizeinrichtung, das sich stark
von demjenigen unterscheidet, das in dem US-Patent 4,685,437 vorgeschlagen wird,
einer Lösung,
die erreichen will, dass die Lufttemperatur gleichmäßiger ist
als bei der oben genannten Lösung
(US-Patent 4,512,322), wobei aber die Werte der Druckverluste bei
kleinen Motoren unter vom Kaltstart abweichenden Arbeitsbedingungen nicht
zu tolerieren sind.
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Im
spanischen Erfindungspatent
9900616 ist ein
Kaltstartsystem für
Dieselmotoren vorgesehen, das auch auf dem Vorheizen der einströmenden Luft beruht,
wobei das besagte Vorheizen der Luft durchgeführt wird, bevor diese die Verbrennungskammer der
Motorzylinder erreicht. Der elektrische Widerstand oder Widerstände sind
vor dem Einlassverteiler angebracht und/oder vor den Einströmventilen des
Motors, sodass bei geringen Wärmeenergieverlusten
durch die Wände
des Verteilers, sei es bedingt durch einen Einlassverteiler aus
einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit oder durch andere Gründe, normalerweise
ein einziger elektrischer Widerstand (
7) für das Vorheizen
vorgesehen ist, der sich am Einlass des besagten Verteilers befindet, während bei
großen
Verlusten durch die Wand, zum Beispiel bei einem Verteiler aus einem
Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, eine Reihe von elektrischen
Widerständen
direkt vor dem Einlass jedes Motorzylinders angebracht sind.
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Das
Dokument
US 6 152 117
A offenbart ein Kaltstartsystem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Kaltstartsystem für Dieselmotoren
mit Hochgeschwindigkeits-Direkteinspritzung gemäss Anspruch 1 vor.
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Die
besondere Anordnung und Gestaltung des elektrischen Widerstands
bedeutet, dass dessen Profil zu dem Luftdurchgang so ausgerichtet
ist, dass die störende
Oberfläche
dieses Widerstands minimal ist und somit auch der Widerstand für die durchströmende Luft
minimal ist, was eine merkliche Verminderung des Druckverlusts mit
sich bringt. Gleichzeitig wird eine größere Kontaktoberfläche mit
der Luft erreicht, weil bei gleicher Querschnittsfläche des
Widerstands die äußere Oberfläche im Falle
eines Laminats von geringer Dicke wesentlich größer ist, als im Falle eines
herkömmlichen
Widerstands mit kreisförmigem
Querschnitt, was eine höhere
Wärmeübertragung
bedeutet.
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Die
Form der Gehäuse
für die
Widerstände gewährleistet
die Verlässlichkeit
der Heizeinrichtung, weil die korrekte Befestigung gesichert ist
und vermieden wird, dass der Widerstand Veränderungen in seiner ursprünglichen
Geometrie erfährt,
die durch thermische Ausdehnung zustande kommen. Diese thermischen
Ausdehnungen des Widerstands werden durch die gebogenen Aufnahmekanäle absorbiert,
die sich in den isolierenden Auflagern befinden, die ihrerseits
den elektrischen Widerstand vom Körper der Heizeinrichtung isolieren.
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Die
Verwendung eines elektrischen Widerstands im Form eines Bands hat den
Vorteil, dass die Heizeinrichtung stabiler hinsichtlich mechanischer Vibrationen
ist, denen sie ausgesetzt werden kann und die je nach den Arbeitsbedingungen
des Motors sehr stark werden können,
wobei auch der vollständige
Schutz der Motorzylinder gewährleistet
ist, die im Falle des bruchbedingten Ablösens des Widerstands oder eines
Teils hiervon beschädigt
werden könnten.
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Die
elektrischen Widerstände
in Form eines Bands verfügen über bessere
mechanische Eigenschaften, was es bedingt durch die Geometrie und die
Gesamtmasse desselben ermöglicht,
ein System mit relativ niedriger thermischer Trägheit zu erhalten, was wiederum
sogar unter nicht-stationären
Strömungsbedingungen
eine bessere Kontrolle des thermischen Zustands bietet, wie es zum
Beispiel bei der einströmenden
Luft bei den alternativen inneren Verbrennungsmaschinen der Fall
ist.
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Die
deutlich gewundene Anordnung des Heizwiderstandes oder -elements
bedingt eine gleichmäßige Verteilung
der Wärme
im Bereich der einströmenden
Luft, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung erzielt
wird.
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Abgesehen
davon, kann der Widerstand in einem Körper angebracht werden, der
außerhalb
des Einlassverteilers liegt, insbesondere in dem oben genannten
Auflager, oder er kann in der Einlassdichtung selbst angeordnet
sein, insbesondere in dem Fall, in dem eine Heizeinrichtung vor
jedem Einlasskanal angebracht werden muss, wobei es genauso möglich ist,
die Widerstände
in dem Einlassverteiler selbst anzubringen, sei es im Einlass, wenn
es eine einzige Heizeinrichtung gibt und/oder in dem Auslass, wenn
es eine Heizeinrichtung für
jeden Zylinder gibt.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um
die vorliegende Beschreibung zu vervollständigen, und mit dem Ziel, das bessere
Verständnis
der Eigenschaften der Erfindung zu unterstützen, wird als Teil dieser
Beschreibung ein Satz Zeichnungen gemäss einer bevorzugten praktischen
Umsetzung dieser Erfindung beigefügt, in dem beispielhaft und
nicht beschränkend,
Folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines Heizwiderstands mit
seinen Anschlussstücken
für den
Fall, dass der Widerstand auf ein hieran angepasstes Auflager montiert
ist.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Dichtung zwischen dem Kopf und
dem Einlass- und Auslassverteiler mit einem Beispiel einer praktischen
Ausführung,
in der die jeweiligen Widerstände an
den Öffnungen
der Dichtung angebracht werden, die dem Einlassverteiler zugeordnet
sind.
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3 zeigt schließlich zwei Darstellungen, die
der der vorangegangenen Figur ähneln
aber gemäß einer
praktischen Ausführung,
bei der die Heizwiderstände
im Einlassverteiler selbst montiert sind, gemäss den zwei verschiedenen Verteilerarten.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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In
dem Beispiel der praktischen Ausführung der 1,
bei dem das System als ein Körper
montiert wird, der außerhalb
des Einlassverteilers liegt, wobei es einen Träger (1) umfasst, der
mit Öffnungen (2)
versehen ist, um am Motor angebaut zu werden, und eine weite Öffnung (3)
für den
Luftdurchlass aufweist, wobei in diametral entgegengesetzten Bereichen
der besagten Öffnung
(3) und am Träger
(1) selbst individuelle Aussparungsgruppen (4)
angebracht sind, deren Gestaltung etwa halbrund und merklich gebogen
ist und in denen ein Vorsprung (5) vorgesehen ist, der
mit der Aussparung (4) selbst einen Kanal mit gebogenem
Verlauf ausbildet, um die entsprechende Biegung (6) eines
elektrischen Widerstands (7) laminarer Ausbildung in Form
eines zusammenhängendem
Bands mit ausgeprägt
gewundenen Verlauf aufzunehmen, wobei dieser laminate Widerstand
in die genannten Kanäle
passt, die durch die Aussparungen (4) und die Vorsprünge (5)
ausgebildet werden, wobei Keramikisolatoren (8) dazwischen
montiert werden, die einen Kontakt zwischen dem Widerstand (7)
und dem metallischen Material verhindern, welches den Träger (1)
bildet.
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Mit
den oben genannten Aussparungen (4) wirken zwei spezielle
Aussparungen zusammen, eine äußere frei
gelassene Aussparung (9) für eines der Enden (10)
des Widerstands (7), durch die der Kontakt zur Masse hergestellt
wird, sodass diese Aussparung (9) nicht über den
Keramikisolator verfügt
und zu der sich eine Öffnung
mit Gewinde (11) öffnet,
um eine Feststellschraube (12) aufzunehmen, die einen guten
Kontakt mit der Masse gewährleistet, wobei
es ungeachtet dessen möglich
ist, die besagte Feststellschraube (12) durch einen Niet
oder durch jedwedes andere geeignete Befestigungsmittel ersetzt
wird. Eine zweite spezielle Aussparung (13) öffnet sich
zur Außenseite
(14) des Trägers
(1) und verfügt über eine
zwischenliegende Erweiterung (15), um einen spezifischen
Keramikisolator (16) aufzunehmen, sodass innerhalb oder
in der Nähe
des besagten Keramikisolators die Verbindung zwischen dem anderen
Ende (17) des Widerstands (7) und dem Stromversorgungskabel
(18) hergestellt wird, das entsprechend ummantelt ist und
in einem flachen Plättchen
(19) endet, das mittels Schweißen an dem besagten Ende (17)
des Widerstands befestigt wird.
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Gemäß diesem
Aufbau erfolgt die Montage des Widerstands (7), nachdem
das Versorgungskabel (18) angeschlossen worden ist, indem
er einfach seitlich in den Träger
(1) eingesetzt wird, nachdem die Keramikisolatoren (8)
entweder in den Aussparungen (4) des Trägers (1) oder an den
Biegungen (6) des Widerstands (7) angebracht worden
sind, wobei die Anordnung endgültig
befestigt und an Masse angeschlossen wird, indem die Feststellschraube
(12) angezogen wird, sodass die verschiedenen Ebenen, die
in den entsprechenden Längsabschnitten
des Widerstands (13) ausgebildet sind, genau parallel zu der
Richtung der Luft durch die Öffnung
(3) verlaufen und folglich diesem Luftstrom nicht mehr
Widerstand bieten, als denjenigen, der durch die sehr schmalen vorderen
Kanten (20) bestimmt wird, wodurch der Druckverlust minimal
ist, praktisch zu vernachlässigen
ist, wobei gleichzeitig der Verlauf des besagten Widerstands (7)
beträchtlich
gleichmäßig im Inneren der Öffnung (3)
verteilt ist, was wiederum zu einem gleichmäßigen Erwärmen der Luft führt.
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Als
Alternative zur Montage des Wärmewiderstands
(7) oder jeden Wärmewiderstands
auf einem Körper
außerhalb
des Einlassverteilers, ist die praktische Ausführung wie in der 2 gezeigt
vorgesehen, wobei die Widerstände
(7) in der Einlassdichtung (21) selbst angebracht
sind, was von besonderem Interesse in dem Fall ist, dass eine Heizeinrichtung
vor jedem Einlasskanal angebracht werden muss, wobei in dieser Figur
die Einlassöffnungen
(3') mit
den Auslassöffnungen
(22) abwechseln.
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Die
Heizwiderstände
oder -elemente (7) können
auch in dem Einlassverteiler (23) selbst angebracht werden,
wie in der 3 gezeigt, wobei sich dort
entweder eine einzelne Heizeinrichtung befindet, die im Einlass
(24) vorgesehen ist und/oder eine Heizvorrichtung für jeden
Zylinder vorgesehen ist, wie in dieser Figur gezeigt, wobei die
beiden Ausführungen
A und B zwei verschiedenen Arten von Verteilern entsprechen.