DE4411959A1 - Heater for intake air in diesel engines - Google Patents
Heater for intake air in diesel enginesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft einer Diesel-Brennkraft maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein mit dieser Vorrichtung durchführbares Ver fahren.The invention relates to a device for Preheating the intake air of a diesel internal combustion engine Machine according to the preamble of claim 1 and a feasible with this device Ver drive.
Es ist bereits bekannt, daß das Verdichtungsver hältnis einer Diesel-Brennkraftmaschine gesenkt werden kann, wenn für den Start die Ansaugluft vor gewärmt wird. Aus der DE-A1 15 76 227 beispiels weise ist hierfür eine Ausführungsvariante entnehm bar, von der es heißt, daß die Anwärmmittel von ei nem Brenner gebildet sein können, welcher unmittel bar Luft in einem Wärmetauscher erwärmt, wobei die Brennerabgase die Ansaugluft beladen, was nicht nachteilig ist, da die Ansaugluft beim Starten überreichlich vorhanden ist gegenüber dem einge spritzten Brennstoff.It is already known that the Verdverdver ratio of a diesel internal combustion engine lowered can be, if for the start the intake air before is warmed. From DE-A1 15 76 227 for example An embodiment variant is wise for this bar, which is said that the heating means of egg Nem burner can be formed, which immediately bar air heated in a heat exchanger, the Burner gases load the intake air, which is not is disadvantageous because the intake air when starting is abundant compared to the one splashed fuel.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei dieser Ausfüh rungsvariante bei modernen Fahrzeug-Motoren, bei denen eine den Fahrsituationen angepaßte hohe Dyna mik der Leistungsabgabe erforderlich ist, der Nach teil auftritt, daß der Brenner ausgeblasen wird.It has now been shown that with this embodiment variant for modern vehicle engines, at which a high Dyna adapted to the driving situation mic of the power output is required, the after partly occurs that the burner is blown out.
Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindungsaufga be, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart aus zubilden, daß mit ihr eine Vorwärmung der Diesel- Ansaugluft erreichbar wird, wobei in Verbindung mit einem neuen Verfahren zum Betreiben dieser Vor richtung eine Verkürzung der Brennkraftmaschinen startzeit, eine sichere Funktion der Vorrichtung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und über lange Laufstrecken/-zeiten, bei An wendung/Einsatz der Brennkraftmaschinen in einem Fahrzeug, erzielt werden sollen. The task of the invention arises from this be, a generic device like this to convince them to preheat the diesel Intake air can be reached, whereby in connection with a new method of operating this before direction a shortening of the internal combustion engines start time, a safe function of the device in the entire operating range of the internal combustion engine and over long distances / times, at An Use of the internal combustion engines in one Vehicle to be achieved.
Diese Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Pa tentanspruchs 1 hinsichtlich der Vorrichtung ange gebenen Merkmalen und mit den im Kennzeichen des Anspruchs 12 hinsichtlich des Verfahrens angegebe nen Merkmalen gelöst worden.This task is with the in the characteristics of the Pa claim 1 regarding the device given characteristics and with the characteristics of the Claim 12 specified with regard to the method features have been resolved.
Mit der Erfindung sind folgende Vorteile erreichbar geworden:The following advantages can be achieved with the invention become:
- - drastische Verkürzung der Startzeit der Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen,- drastic reduction in the start time of the Internal combustion engine at low temperatures,
- - sichere Funktion der Vorrichtung bei Voll gasstoß bis in die Drehzahlbegrenzung, Startmöglichkeit der Vorrichtung bei laufendem Motor im gesamten erforderlichen Kennfeldbereich,- Safe function of the device at full gas surge up to the speed limit, Possibility to start the device while it is running Engine in the entire required map area,
- - Verbesserung des Verbrennungsablaufes bei Brennkraftmaschinen-Kaltlauf, insbesondere bei nie drigen Umgebungstemperaturen, und damit starke Ver besserung der Abgasemission und Verringerung des Brenngeräusches.- Improve the combustion process Engine cold run, especially when never other ambient temperatures, and thus strong ver improving exhaust emissions and reducing emissions Burning noise.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend be schrieben.An embodiment of the invention is in the Drawing shown and will be below wrote.
Diese zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung am Beispiel einer V8-Zyl.-Brennkraftmaschine 1. Eine Brennkammer 2 ist an einem Sammelrohr 3 eines Luft ansaugsystems 4 angeordnet. Die Brennkammer 2 wird vorzugsweise durch einen zylindrischen Einsatz ge bildet, der mit einem Ende in das Sammelrohr 3 hin einragt und an diesem Ende offen ist. Dadurch wird die Brennkammer 2 von der Ansaugluftströmung in ge wissem Maße abgeschirmt. Die Wandung der Brennkam mer 2 wird auf seiner Anströmseite 5 vorzugsweise etwas tiefer in das Sammelrohr 3 eingeführt, wo durch erreicht wird, daß das Brenngemisch im Wind schatten der angeströmten Brennkammerwand austreten kann. Dadurch wird direkt am Brennkammeraustritt eine zu intensive Vermischung des Brenngemisches mit dem Ansaugluftstrom vermieden und ein gutes Ausbrennen der Flamme ermöglicht. Dies kann bei ei ner im Gegensatz zur Darstellung senkrecht zum Sam melrohr 3 angeordneten Brennkammer 2 durch eine entsprechend schräg abgeschnittene Austrittsöffnung erreicht werden. Die Brennkammer 2 beinhaltet eine Brennerdüse 6, die einen definierten Austrittsquer schnitt für im wesentlich mit geringem Überdruck Zuge leiteten Brennstoff sowie für von einer Druck quelle 7 zugeführte Zerstäubungsluft aufweist und eine Hochspannungs-Zündfunkenstrecke 8 im Bereich des Sprühkegels 9 der Brennerdüse 6.This shows a device according to the invention using the example of a V8 cylinder internal combustion engine 1 . A combustion chamber 2 is arranged on a manifold 3 of an air intake system 4 . The combustion chamber 2 is preferably formed by a cylindrical insert which protrudes at one end into the collecting tube 3 and is open at this end. As a result, the combustion chamber 2 is shielded to a certain extent from the intake air flow. The wall of the Brennkam mer 2 is preferably introduced a little deeper into the collecting tube 3 on its upstream side 5 , where it is achieved that the fuel mixture in the wind can escape the flow of the combustion chamber wall. This prevents excessive mixing of the combustion mixture with the intake air flow directly at the combustion chamber outlet and enables the flame to burn out well. This can be achieved by egg ner in contrast to the representation perpendicular to the Sam melrohr 3 arranged combustion chamber 2 through a corresponding obliquely cut outlet opening. The combustion chamber 2 contains a burner nozzle 6 , which has a defined outlet cross section for fuel which is conducted with a substantially excess pressure and for atomizing air supplied from a pressure source 7 , and a high-voltage spark gap 8 in the region of the spray cone 9 of the burner nozzle 6 .
Eine die Hochspannungs-Funkenstrecke aufweisende Zündelektrode 10 wird über ein Hochspannungskabel 11 von einem Zündmodul 12 angesteuert. Das Zündmo dul 12 wird von einem elektronischen Steuergerät 13 angesteuert und generiert die erforderliche Zünd energie mit einer Zündfunkenfolge von z. B. 50-100 Hz. Durch intelligente Auswertung des Span nungsverlaufes auf der Primärseite des Zündmoduls 12 ist während der Zündphase eine Diagnose der Zündfunktion und während der Brennphase eine Flamm diagnose möglich.An ignition electrode 10 having the high-voltage spark gap is driven by an ignition module 12 via a high-voltage cable 11 . The Zündmo module 12 is controlled by an electronic control unit 13 and generates the required ignition energy with a spark sequence of z. B. 50-100 Hz. By intelligent evaluation of the voltage curve on the primary side of the ignition module 12 , a diagnosis of the ignition function is possible during the ignition phase and a flame diagnosis is possible during the combustion phase.
Die Brennerdüse 6 wird von einem Brennstoffregler 14 mit Brennstoff versorgt, wobei der Abstand zwi schen Brennerdüse 6 und Brennstoffregler 14 so groß gewählt ist, daß keine Temperatureinwirkung des Brennersystems auf den Brennstoffregler 14 erfolgt.The burner nozzle 6 is supplied with fuel by a fuel regulator 14 , the distance between the burner nozzle 6 and the fuel regulator 14 being chosen so large that there is no temperature effect of the burner system on the fuel regulator 14 .
Die Zerstäubung der vom Brennstoffregler 14 zuge messenen Brennstoffmenge erfolgt mittels Druckluft vor der Mündung der Brennerdüse 6 (äußere Gemischbildung). Das von der Brennerdüse 6 erzeugte Brennstoff/Luftgemisch ist stark unterstöchio metrisch und bildet durch die druckluftgestütze Brennstoffzerstäubung einen stabilen fetten Flamm kern. Der für eine vollständige Verbrennung erfor derliche zusätzliche Sauerstoff wird der am Brennkammeraustritt vorbeistreichenden Brenn kraftmaschinen-Ansaugluft entnommen. Durch die Tur bulenz der Ansaugluftströmung am Brennkammeraus tritt gelangt ein Teil der Ansaugluft auch in die Brennkammer 2. Die Anordnung der Zündfunkenstrecke 8 erfolgt vorzugsweise in der Randzone des Sprühke gels 9 der Brennerdüse 6. Alternativ zu der darge stellten Zündelektrode 10 kann die Zündfunken strecke 8 auch zwischen zwei Kerzenelektroden be stehen, die einzeln angeordnet sind.The atomization of the amount of fuel metered by the fuel regulator 14 takes place by means of compressed air in front of the mouth of the burner nozzle 6 (external mixture formation). The fuel / air mixture generated by the burner nozzle 6 is strongly substoichio metric and forms a stable, fat flame core through the compressed air-assisted fuel atomization. The additional oxygen required for complete combustion is taken from the internal combustion engine intake air that flows past the combustion chamber outlet. Due to the turbulence of the intake air flow at the combustion chamber outlet, part of the intake air also enters the combustion chamber 2 . The arrangement of the spark gap 8 is preferably carried out in the edge zone of the spray gel 9 of the burner nozzle 6 . As an alternative to the ignition electrode 10 shown , the spark gap 8 can also be between two candle electrodes which are arranged individually.
Es ist vorgesehen, daß die Brennstoffleitung zum Brennersystem hin oder zwischen Brennstoffregler 14 und Brennerdüse 6 ein Absperrventil 15 aufweist und daß in der Brennkammer 2 eine Flammerkennungsein richtung 16 angeordnet ist.It is provided that the fuel line to the burner system or between the fuel regulator 14 and the burner nozzle 6 has a shut-off valve 15 and that in the combustion chamber 2 a device 16 is arranged.
Der Brennstoff für das Brennersystem wird vorzugs weise dem Einspritzsystem der Diesel-Brennkraft maschine nach einer nicht dargestellten Vorför derpumpe entnommen und dem Brennstoffregler 14 mit einem Mindestdifferenzdruck gegenüber dem Ansaug druck von größer 0,1 bar zugeführt. Die Druckluft zur Zerstäubung des Brennstoffes wird entweder ei nem bordeigenen Druckluftsystem eines Fahrzeuges entnommen und der Brennerdüse 6 über ein Druckre gelventil 17 zugeführt oder einer elektromotorisch angetriebenen Luftpumpe 18, welche einen Mindest differenzdruck gegenüber dem Ansaugsystemdruck von größer 0,15 bar liefert, der ebenfalls von dem Druckregelventil 17 geregelt wird. Bei aufgeladenen Motoren wird im letzteren Fall die von der Luft pumpe 18 zu liefernde Zerstäuberluft zweckmäßi gerweise dem Sammelrohr 3 zwischen dem Lader und dem Einmündeabschhitt des Brennersystems entnommen.The fuel for the burner system is preferably taken from the injection system of the diesel internal combustion engine after a Vorför pump, not shown, and fed to the fuel regulator 14 with a minimum differential pressure in relation to the intake pressure of greater than 0.1 bar. The compressed air for atomizing the fuel is either taken from an on-board compressed air system of a vehicle and fed to the burner nozzle 6 via a pressure regulating valve 17 or an electric motor-driven air pump 18 , which supplies a minimum differential pressure compared to the intake system pressure of greater than 0.15 bar, which is also from the pressure control valve 17 is controlled. In the case of turbocharged engines, the atomizing air to be supplied by the air pump 18 is expediently removed from the collecting pipe 3 between the charger and the mouth section of the burner system.
Die Leistung des Brennersystems wird durch Modula tion der vom Brennstoffregler 14 zugemessenen Brennstoffmenge bestimmt. Die Zerstäuberluft bedarf weder hinsichtlich der Menge noch der Druckdiffe renz einer Anpassung an die Brennerleistung.The performance of the burner system is determined by modulating the amount of fuel metered by the fuel controller 14 . The atomizing air does not need to be adapted to the burner output in terms of either the quantity or the pressure difference.
Vorteilhafterweise weist das Luftansaugsystem 4 eine Verwirbelungszone 19 für Brennerabgas und An saugluft auf und stromab davon einen Temperatur sensor 20 für die Brennerabgasluftmischung.Advantageously, the air intake system 4 has a swirl zone 19 for burner exhaust gas and suction air and downstream thereof a temperature sensor 20 for the burner exhaust air mixture.
Es ist nun vorgesehen, daß die von dem Temperatur sensor 20 erfaßte Temperatur der Brennerabgasluft mischung durch Variation der Brennerleistung gere gelt wird und ggf. in Abhängigkeit von weiteren Be triebsparametern der Brennkraftmaschine wie Ansaug luftmasse, Last, Drehzahl, Umgebungstemperatur so wie der Brennkraftmaschinentemperatur variiert wird. Entsprechende Sensorsignale werden dem elek tronischen Steuergerät 13 über Eingangsleitungen 21 zugeführt.It is now provided that the temperature of the burner exhaust gas air mixture detected by the temperature sensor 20 is regulated by varying the burner output and, if necessary, depending on further operating parameters of the internal combustion engine such as intake air mass, load, speed, ambient temperature and the internal combustion engine temperature is varied . Corresponding sensor signals are supplied to the electronic control unit 13 via input lines 21 .
Die Konzeption des Brennersystems erlaubt auch be liebige Starts und Stops des Brenners während des Brennkraftmaschinenbetriebs. Dadurch wird es mög lich, die Vorrichtung - außer bei einem Kaltstart und in der Warmlaufphase des Motors - auch jeweils dann in Betrieb zu nehmen, wenn dies besondere Um stände, wie lange Schubphasen oder längerer Nieder lastbetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen zur Vermeidung erhöhter Abgasemissionen erforderlich machen. Für besondere Einsatzbereiche und/oder bei Verwendung alternativer Kraftstoffe (Ethanol, Methanol, Rapsöl usw.) kann diese Möglichkeit eine Voraussetzung für den Betrieb von Dieselmotoren sein. Durch die volle Verfügbarkeit und den weiten Leistungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Verbrennungsablauf bei direkt einspitzenden Diesel-Brennkraftmaschinen unter kri tischen Betriebsbedingungen in der Weise zu verbes sern, daß diese Brennkraftmaschinen auch den erhöh ten Komfortansprüchen bei Fahrzeugen voll gerecht werden. Das für gutes Motorstartverhalten bei be kannten Motoren extrem hohe Verdichtungsverhältnis von 20 : 1 kann durch die Erfindung auf günstigere Werte z. B. 15 : 1 zurückgenommen werden.The design of the burner system also allows be burner likes starts and stops during the Internal combustion engine operation. This makes it possible Lich, the device - except for a cold start and in the warm-up phase of the engine - also in each case then put into operation if this special order such as long overrun phases or longer down periods load operation at low ambient temperatures Avoidance of increased exhaust emissions required do. For special areas of application and / or at Use of alternative fuels (ethanol, Methanol, rapeseed oil, etc.) can be a possibility Requirement for the operation of diesel engines his. Due to the full availability and the wide Performance range of the device according to the invention it is possible to direct the combustion process at injected diesel engines under kri operating conditions in such a way Ensure that these internal combustion engines also increase fully meets the comfort requirements of vehicles become. That for good engine start behavior at be knew engines extremely high compression ratio of 20: 1 can be cheaper by the invention Values e.g. B. 15: 1 can be withdrawn.
Alternativ zu der dargestellten Ausführung kann das Brennersystem auch an einem Luftansaugkanalbypass angeordnet sein, wobei dann die Verwirbelungszone 19 und der Temperatursensor 20 stromab der Bypass einmündung in das Sammelrohr 3 angeordnet sind.As an alternative to the embodiment shown, the burner system can also be arranged on an air intake duct bypass, in which case the swirl zone 19 and the temperature sensor 20 are arranged downstream of the bypass opening into the collecting pipe 3 .
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann das erfin dungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, bei dem in der Startphase der Brennkraftmaschine Brennerab gase in das Luftansaugsystem eingeblasen werden, um das Starten zu ermöglichen oder zu erleichtern, und der Brennerbetrieb über die Startphase hinaus auf recht erhalten bleibt und in Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen-Betriebsparameterwerten ge steuert oder geregelt wird.With the device described, this can be achieved Process according to the invention are carried out in which in the start-up phase of the burner engine gases are blown into the air intake system in order to enable or facilitate starting, and burner operation beyond the start phase remains intact and depends on Internal combustion engine operating parameter values controls or is regulated.
Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Brennerlei stung ausgehend von einem Leerlaufbetriebspunkt in Abhängigkeit von der sich erhöhenden Drehzahl oder der sich erhöhenden Ansaugluftmenge erhöht wird oder alternativ ausgehend von einem Leerlaufbe triebspunkt und einer dabei erreichten vorgegebenen Temperatur der Brennerabgasluftmischung derart ge steuert/geregelt wird, daß die Mischtemperatur innerhalb vorgegebener Temperaturwerte verbleibt.In addition, it is provided that the Brennerlei starting from an idle operating point in Depending on the increasing speed or the increasing amount of intake air is increased or alternatively starting from an idle speed drive point and a predetermined one achieved Temperature of the burner exhaust gas air mixture such as ge controls / regulates that the mixing temperature remains within predetermined temperature values.
Es hat sich als äußerst wirksam herausgestellt, wenn die Brennerleistung oder die vorgegebenen Tem peraturwerte ausgehend von dem Leerlaufbetriebs punkt in Abhängigkeit von einer Regelstangenver stellung der Einspritzpumpe in Richtung Vollast vermindert wird und ebenso wenn diese in Abhängig keit von der Brennkraftmaschinen-Betriebstempera turerhöhung oder -erniedrigung erniedrigt oder er höht wird.It turned out to be extremely effective if the burner output or the specified tem temperature values based on idle operation point depending on a control rod ver position of the injection pump towards full load is reduced and also if this is dependent speed of the internal combustion engine operating temperature door increase or decrease, or he is increased.
Es kann darüber hinaus die Brennerleistung oder die vorgegebenen Temperaturwerte in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperaturerhöhung oder -erniedri gung erniedrigt oder erhöht werden. Wie bereits er wähnt, läßt sich das Verfahren ausdehnen, in dem das im Brennersystem erzeugte Abgas aus einem Brenngemisch gebildet ist, das einen fetten Flamm kern bildet, der mit aus der Ansaugluft entnommenem Sauerstoff vollständig verbrennt. Mittels des elek tronischen Steuergerätes kann nun vorgesehen wer den, daß die Beziehungen zwischen Brennerleistung oder Temperaturwert und den Werten, von denen Ab hängigkeit besteht, durch Kennlinien oder Kenn felder festgelegt sind.It can also be the burner output or the predetermined temperature values depending on the increase or decrease in ambient air temperature be lowered or increased. Like him already thinks the method can be extended in which the exhaust gas generated in the burner system from one Burning mixture is formed, which is a rich flame core forms with the extracted from the intake air Oxygen burns completely. By means of the elec tronic control unit can now be provided that the relationships between burner performance or temperature value and the values from which Ab dependency exists through characteristic curves or characteristic fields are defined.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Ver fahren kann ein Brennersystem-Betriebsprogramm durchgeführt werden, das einen Brennkraftmaschinen betrieb mit alternativen Brennstoffen, z. B. Etha nol, Methanol, Rapsöl udg. ermöglicht oder bei dem ein Betriebsprogramm durchgeführt wird, das einen Brennkraftmaschinenbetrieb mit niedrigerem Verdich tungsverhältnis gegenüber Brennkraftmaschinen ohne Brennersystem ermöglicht.With the device according to the invention and the Ver can run a burner system operating program be carried out using an internal combustion engine operation with alternative fuels, e.g. B. Etha nol, methanol, rapeseed oil etc. enables or at the an operating program is carried out that a Internal combustion engine operation with lower compression relation to internal combustion engines without Burner system enables.
Die Erfindung bildet bei Verwendung eine Basis fürThe invention forms a basis for when used
- - direkteinspritzende Fahrzeug-Dieselmotoren (hoher Komfortanspruch),- Direct injection vehicle diesel engines (high level of comfort),
- - geringe Eigenemission (Ruß und HC) des Brenner system,- Low internal emissions (soot and HC) from the burner system,
- - hohe Funktionssicherheit im Fahrzeugeinsatz über lange Laufstrecken/-zeiten,- high functional reliability in vehicle use over long distances / times,
- - gute On-Board-Diagnosemöglichkeiten für Zündung und Flammerkennung,- Good on-board diagnostic options for ignition and flame detection,
- - gute Möglichkeiten der Einbindung in vorhandene Werkstatt-Diagnosesysteme, - Good options for integration into existing ones Workshop diagnostic systems,
- - leichte Adaption an unterschiedliche Motoren mittels elektronischer Abstimmhilfe,- easy adaptation to different engines by means of electronic voting aid,
- - eine Nachrüstmöglichkeit im Feld und für ein- A retrofit option in the field and for one
- - gutes Preis-/Leistungsverhältnis.- good price / performance ratio.
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