-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs
für Kraftfahrzeuge
mit einer durch Kühlmittel
gekühlten
Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel
von einer Kühlmittelpumpe
zum Heizungswärmetauscher
für die
Kabine und schließlich
zurück zur
Brennkraftmaschine gefördert
wird, mit von der Motorsteuerung beeinflussten Verstellvorrichtungen zur
Variation des Verbrennungsablaufs innerhalb der Brennkraftmaschine.
Die Variationsmaßnahmen
zielen hierbei auf die temporäre
Erhöhung
der verfügbaren
Abwärme
zur verbesserten Kabinenbeheizung und/oder Temperaturerhöhung von
Bauteilen im Abgasnachbehandlungssystem.
-
Es ist bekannt, dass moderne PKW
mit hocheffizienten Dieselmotoren insbesondere in mitteleuropäischen Breitengraden
Zusatzheizkomponenten zur winterlichen Kabinenbeheizung aufweisen.
Wasserseitige Zuheizungen mittels aus Standheizungen abgeleiteter
kraftstoffbetriebener Zuheizer oder der el. Beheizung des Kühlwassers
bzw. die direkte el. Beheizung der Kabinenluft mittels der bekannten PTC-Zuheizer
sind die marktüblichen
Lösungen.
-
Es ist darüber hinaus allgemein bekannt, dass
die meisten PKW-Hersteller weitreichende hausinterne Untersuchungen
vorgenommen haben, um über
die Verstellung der innermotorischen Verbrennung die Abwärme von
direkteinspritzenden Dieselmotoren für Kabinenheizzwecke zu steigern,
mit dem bekannten Ergebnis, dass bis heute die oben angesprochenen
Zuheizkomponenten nicht entfallen konnten.
-
Eine in diesem Zusammenhang von den deutschen
KFZ-Herstellern finanzierte und von ihren Fachleuten begleitete
Studie zur Heizleistung in PKW mit verbrauchsoptimierten Motoren,
die von einer allgemein anerkannten Forschungseinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen – diese
ist insbesondere einer namhaften Deutschen Hochschule assoziiert – durchgeführt wurde,
fasst u.a. die Möglichkeiten
und Grenzen motorischer Maßnahmen
im Mai 2000 zusammen. Diese werden hierbei nicht nur als sehr begrenzt
eingestuft, sondern auch als kritisch in Bezug auf die Schadstoffemissionen,
und das bereits für
die heute gültigen
Vorschriften bei EU III und EU IV.
-
Als repräsentative Betriebspunkte werden dabei
Betriebspunkte bei 1500 1/min und 1,0 bar effektiven Mitteldruck
sowie 2000 1/min und 2 bar effektivem Mitteldruck gewählt und
Messungen mit unterschiedlichem Einspritzzeitpunkt an einem 2,0
l TDI Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzsystem vorgestellt. Als
physikalisch sinnvoller Variationsbereich wurde hierbei für den Einspritzbeginn
ein Bereich von 16°KW
vor OT bis 1 °KW
vor OT bezüglich
der Energiebilanz und der Schadstoffemissionen vermessen. Die höchste Steigerung
der im Motorkühlkreislauf
gefundenen Zusatzwärme
betrug hierbei etwas weniger als 1,5 kW bei 1500/1bar und ca. 3kW
bei 2000/2bar. Diese wurde bei maximaler Spätverstellung mit einem Einspritzbeginn
von 1 bzw. 2°KW
vor OT gefunden und war sogleich auch mit einer erheblichen Zunahme
der Emissionen verbunden. Bei einer Verschiebung der Einspritzung
auf die frühen
Werte bis hin zu 16°KW,
ist die zusätzlich
eingebrachte Wärmemenge
fast schon vernachlässigbar,
es steigt jedoch die Summenemission NC + NOx.
-
Die Messergebnisse führen zu
der im Konsensus zwischen dem Forschungsnehmer und den auftraggebenden
KFZ-Herstellern veröffentlichten Schlussfolgerung: „Abschließend ergibt
sich infolge der Abgasgesetzgebung ein sehr eingeschränktes Potenzial
der Erhöhung
der Heizleistung durch eine Verlagerung der Verbrennung in die Expansionsphase."
-
Obwohl ein Common-Rail-Einspritzsystem durchaus
eine wesentlich weitere Variation des Einspritzzeitpunktes und insbesondere
auch eine Mehrfacheinspritzung zulässt, wird dies von der Forschungsstelle
im Konsensus mit den Vertretern der KFZ-Industrie mangels Erfolgsaussichten
erst gar nicht probiert. Als motorische Verbesserungsmethode wird
vielmehr vorgeschlagen, durch den Lader mit variabler Turbinengeometrie
den Abgasgegendruck künstlich
zu erhöhen
und hierdurch den Betriebspunkt zu höherem indiziertem Mitteldruck
zu verlagern. Die Drosselung des Abgasmassenstroms – mit VTG-Lader
oder Drosselklappe – in
Verbindung mit Abgaswärmetauscher
wird dabei als besonders erfolgversprechend beschrieben. Dennoch
konnte sich der Abgaswärmetauscher
bisher nicht am Markt etablieren und auch die externen Zuheizer
sind, wie bereits erwähnt,
ebenfalls nicht entfallen.
-
Es bleibt angesichts obiger Ausführungen festzuhalten,
dass bis heute keine effiziente Lösung verfügbar bzw. am Markt umgesetzt
ist, die durch motorische Maßnahmen
alleine in der Lage ist, die zusätzlichen
Zuheizkomponenten wie Brenner, el. Wasserzuheizer oder PTC-Luftzuheizer,
zu ersetzen. Motorinterne Maßnahmen
zur Heizleistungssteigerung gelten in der Fachwelt derzeit also – wenn überhaupt – bestenfalls
als unterstützende
Maßnahmen.
-
Neben den beschriebenen motorischen
Ansätzen,
insbesondere durch einen erhöhten
Abgasgegendruck oder eine Verlagerung des Einsritzzeitpunktes weg
vom Kraftstoffverbrauchsbestpunkt in Richtung spät, den Wärmeeintrag ins Kühlmittel
zu erhöhen,
sind aber auch neue Ansätze
bekannt, die aufgrund geringerer Wärmeverluste und besonders schneller
lokaler Bauteil- und Kühlmittelerwärmung ohne
Kraftstoffverbrauchsnachteile eine Verbesserung der Kabinenheizleistung
bewirken.
-
Bei diesen Lösungen erfolgt eine Reduktion des
Kühlmittelmassenstroms
durch den Motor und den Kabinenwärmetauscher
und die Verwendung hocheffizienter Kabinenwärmetauscher, die auch bei geringem
Kühlmitteldurchsatz
noch einen guten Wirkungsgrad aufweisen, so dass PKW mit Ottomotoren keine
Zuheizer benötigen
und PKW mit Dieselmotoren zumindest weniger Zuheizleistung zur Erfüllung der
bestehenden Heizleistungskriterien. Dabei spielt zum einen die Minimierung
der wärmeaktiven
Massen des Motors und des Heizkreislaufs eine maßgebliche Rolle, die aufgrund
der vergrößerten Temperaturdifferenz
im Mittel gesehen geringer ist als bei hohem Kühlmitteldurchsatz. Zum andern
lassen sich auf diesem Wege aber auch die Wärmeverluste an der Oberfläche des
Motors und des Heizkreislaufs und durch die gleichzeitige Reduktion
des Frischluftmassenstroms auch die Wärmeverluste in der Kabine signifikant
eingrenzen.
-
Wie eine aktuelle Veröffentlichung
eines namhaften KFZ-Herstellers auf der Tagung Wärmemanagement des Kraftfahrzeug
zeigt, ist dieses bisher nicht genutzte Verbesserungspotenzial bezüglich der
Heizwirkung mittlerweile identifiziert und anhand detaillierter
Studien verifiziert. Als angenehmen Nebeneffekt zur verbesserten
Kabinenheizwirkung zeigen diese Maßnahmen zusätzlich einen etwas verbesserten
Kraftstoffverbrauch, der laut Tagungsbericht aus der schnelleren
Motorerwärmung
und der geringeren Pumpenantriebsleistung resultiert.
-
Trotz des Potenzials bezüglich der
Verbesserung der Heizwirkung bereits bei Verwendung heutiger Serienwärmetauscher
bleibt die Schlussfolgerung der Veröffentlichung, dass auch bei
optimiertem Betrieb des analysierten Dieselfahrzeugs eine Zuheizung
notwendig sein wird, wenn auch mit Kraftstoffverbrauchsvorteilen
durch geringere mittlere Zuheizleistung. In diese Wertung dürfte nicht
zuletzt die oben diskutierte Veröffentlichung
vom Mai 2000 eingeflossen sein, welche die Möglichkeiten, den fehlenden
Heizleistungsanteil über
motorinterne Maßnahmen
künstlich
zu generieren, als sehr begrenzt und außerdem unter Emissionsgesichtspunkten äußerst kritisch
einstuft.
-
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, mittels der Motorsteuerung und gegebenenfalls erforderlicher
Zusatzvorrichtungen den Einstellbereich bezüglich der künstlichen Erhöhung der
Motorabwärme
bei unveränderter
Antriebsleistung für
den Fahrzeugantrieb kosteneffektiv in Richtung höherer Motorabwärme zu erweitern, ohne
die PKW-typischen Motorgrenzwerte bezüglich Geräusch und Schadstoffemission
zu überschreiten. Dabei
soll die generierbare Abwärme
auch bei winterlicher Teillastfahrt mit hohem Kabinenheizbedarf verfügbar sein
und deutlich höher
sein, als dies heute am Markt zu findende Motoren durch Verlagerung
der Verbrennung in Richtung früh-
oder spät
unter Einbeziehung praxisgerechter Emissionswerte erreichen.
-
Insbesondere soll die generierbare
Abwärme auch
bei geringer Motorlast und Motordrehzahl einen Mindestwert sicher
erreichen, so dass keine externen Zusatzheizungen im Kühlwasser
oder in der Kabinenluft zur Unterstützung der Kabinenheizung benötigt werden.
-
Als Eckpunkte für die anzustrebende Lösung sollen
insbesondere die Gesamtkosten des Fahrzeugs im Vergleich zu heute
verwendeten Lösungen nicht
steigen sondern fallen. Entsprechendes gilt für den Kraftstoffverbrauch,
wobei im Sonderfall erhöhter
Bauteilkosten die Effekte bezüglich
der Bauteilkosten mit einem entsprechenden Äquivalent für den Kraftstoffmehrverbrauch
zu verrechnen sind.
-
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
-
Insbesondere lassen sich mit diesem
Verfahren unter Einbindung der beigeordneten Ansprüche je nach
Kostenziel kraftstoffverbrauchsneutrale Lösungen mit hoher Kosteneinsparung
realisieren oder weitgehend kostenneutrale Lösungen mit wesentlich geringerem
Kraftstoffverbrauch als heute üblich.
Die wirtschaftliche Bedeutung für
den KFZ-Hersteller aber auch den Endkunden ist entsprechend.
-
Das Zusammenspiel des geringen Kühlmitteldurchsatzes
durch den Motor und der hohe Temperaturabfall am hocheffizienten
Kabinenwärmetauscher
von 25K bzw. bevorzugt sogar 50K und mehr, ermöglicht es in diesem Zusammenhang,
die üblichen
Einspritzzeitpunkte von Dieselmotoren auch bei hoher Heizleistungsanforderung
weiter nach früh bzw.
weiter nach spät
zu verlegen, als dies bei konvenzioneller Motorkühlung mit weitgehend homogener
Temperaturverteilung des Kühlwassers
und der Brennraumwände
der Fall ist. Je nach Wärmetauscherbauart
und Einbindung von EGR-Kühlern und/oder
Abgaswärmetauschern
sind hierbei Potenziale mit Kühlmitteltemperaturdifferenzen
zwischen Wärmetauscherein-
und -austritt von deutlich mehr als 50K nicht nur zur hochwirksamen
Kabinenbeheizung vorteilhaft sondern auch zur signifikanten Erweiterung
des Einstellbereichs für
die Verbrennung.
-
Wie nachfolgend noch deutlicher werden wird,
eröffnet
erst die spezifische Kenntnis, dass derart effiziente Kabinenwärmetauscher
auch unter den Kosten- und Packackerandbedingungen in PKW realisierbar
sind, das volle Potential der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. Hohe Wandtemperaturen im
Brennraum werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit und ohne
Kabinenheizung erreicht und sind somit im Ganzjahresbetrieb verfügbar, wenn auch
mit unterschiedlichem Kraftstoffmehrverbrauch. Dies ist insbesondere
auch für
Anwendungen bedeutsam, bei denen zusätzlich zur Verbesserung der Kabinenheizung
auch eine zeitweise Erhöhung
der Abgastemperatur erforderlich ist, insbesondere zum Freibrennen
von Partikelfiltern für
Dieselmotoren.
-
Die erfindungsgemäß induzierte Erhöhung der
Brennraumwandtemperaturen einschließlich der mit der Frischluft
und dem Restgas bzw. dem rückgeführten Abgas in
Kontakt tretenden Flächen
der Zylinderlaufbahnen, wirkt sich sehr stark auf den Polytropenkoeffizienten
der Verdichtung aus, wodurch eine höhere Verdichtungsendtemperatur
erreicht wird.
-
Wird nun z.B. eine im Vergleich zum
Kraftstoffverbrauchsbestwert verfrühte Einspritzung zur bewussten
Wirkungsgradverschlechterung des Motors und somit zur Erhöhung des
Wärmeeintrags
gewählt,
so erweitert sich dieses Potenzial mit reduziertem Kühlmitteldurchsatz
in Richtung „noch
früher".
-
Analoges gilt, wiederum ausgehend
vom Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffverbrauchsbestwertes, bei Verlagerung
in Richtung spät,
d.h. es ist eine „noch
spätere" Einspritzung möglich.
-
Beide Maßnahmen erhöhen wiederum den Kraftstoffverbrauch,
da die Verbrennung bzw. Wärmezufuhr
bei geringerem effektivem Verdichtungsverhältnis erfolgt, aber auch den
Wärmeeintrag
in die Brennraumwände
und damit letztlich auch die Wandtemperatur. Dieser Effekt schaukelt
sich auf, insbesondere wenn eine allmähliche Verstellung des Einspritzzeitpunktes
in Richtung erhöhten
Kraftstoffverbrauchs erfolgt und sich das Kühlwasser nach und nach erwärmt. Die
Verlagerung des Einspritzzeitpunktes in Richtung früh bewirkt
beim erfindungsgemäßen Ausmaß der Verstellung
des Einspritzzeitpunktes eine stärkere
Erhöhung
der Wandtemperatur, eine Verlagerung in Richtung spät verlagert
einen größeren Anteil
der Zusatzenergie ins Abgas. Wie später noch gezeigt wird sind – im Gegensatz
zur den bereits diskutierten und allgemein als repräsentativ anerkannten
Versuchsergebnissen am 2,0 l Common-Rail-TDI-Motor, welche eine
eindeutige Empfehlung für
eine Spätverlagerung
der Einsritzung geben – je
nach Optimierungsziel beide Varianten sinnvoll einsetzbar, wobei
die Kombination beider Maßnahmen
insbesondere in Bezug auf die Maximierung der Zusatzabwärme von
ganz besonderem Interesse ist.
-
Ohne die starke Reduktion des Kühlmittelmassenstroms
wäre die Änderung
der Wandtemperatur unter diesem Wechselspiel nur relativ gering:
Bei
den geringen Lasten und Drehzahlen, die die Betriebspunkte mit Wärmedefizit
auszeichnen, liegen i.a. nur geringe Temperaturdifferenzen für den Wärmeübergang
im Metall und vom Metall an das Kühlwasser vor. Deshalb würde selbst
eine Verdoppelung der Wärmezufuhr
nur auf eine Wandtemperaturzunahme von wenigen Grad K führen. Ist
jedoch der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient
durch einen sehr geringen Kühlmitteldurchsatz
herabgesetzt, so beträgt
die lokale Temperaturdifferenz zwischen Brennraumwand und Kühlwasser
z.B. 50 K anstelle von 5 K bei hohem Kühlmitteldurchsatz. Eine Verdoppelung
der Wärmezufuhr,
z.B. durch eine starke Verlagerung der Einspritzung in Richtung
früh, bedeutet in
diesem Zusammenhang in grober Näherung
ebenfalls eine Verdoppelung der Temperaturdifferenz, d.h. 10 K in
der Basis und 100K bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz.
-
Besonders vorteilhaft ist es in diesem
Zusammenhang, in der Frühphase
des Warmlaufs eine möglicht
starke Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs zu induzieren, so dass sehr schnell hohe
Brennraumwandtemperaturen erzielt werden. Die stark erhöhte Reibleistung
des Motors während
des Warmlaufs hilft in diesem Zusammenhang, die kritische Frühphase schnell
zu durchlaufen und gleichzeitig soviel Wärme in die Brennraumwände zu transferieren,
dass auch eine hinreichende Verstellung der Einspritzparameter erfolgen
kann, um auch bei teilerwärmtem
Motor den Aufschaukelungseffekt weiter zu nutzen. Dabei wirkt die
hohe Reibung zum einen direkt an der Zylinderlaufbahn begünstigend
für die
Wandtemperatur, zum andern aber auch indirekt, über den zur Überwindung der
Reibung erforderlichen indizierten Mitteldruck, der auf erhöhte Prozesstemperaturen
und Drücke führt. Da
in dieser sehr frühen
Phase des Warmlaufs zunächst
ein relativ hoher Basiskraftstoffverbrauch vorliegt, bewirkt bereits
eine vergleichsweise geringe Verstellung der Einspritzzeitpunkte
eine hohe Zusatzwärmemenge.
Gleichzeitig ist angesichts des erhöhten Mitteldrucks die Sensibilität auf eine
Verstellung des Einspritzbeginns bezüglich einer robusten Verbrennung
geringer. Nicht zuletzt die höhere
Kraftstoffmenge sowie bei TDI-Motoren der erhöhte Ladedruck bzw. bei Ottomotoren
der erhöhte
Verdichtungsenddruck wirken hier vorteilhaft.
-
Da die hohe Reibleistung des Motors
in der Frühphase
des Warmlaufs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren teilweise durch
die schnellere Erwärmung
der Zylinderlaufbahn besonders schnell abgebaut wird, ist es wichtig,
in dieser Phase das Potenzial zur Erhöhung der Wandtemperatur mittels
Verschieben der Einspritzzeitpunkte möglichst vollständig zu
nutzen.
-
Die erhöhten Wandtemperaturen sind
beim erfindungsgemäßen Verfahren
zum einen wichtig, um die Verstellung der Einspritzzeitpunkte zu
erlauben und insbesondere um den oben beschriebenen Aufschaukelungseffekt
zur Maximierung der Verstellung zu nutzen. Zum andern sind sie aber
auch im Hinblick auf die Kabinenheizwirkung wichtig, um möglichst
schnell zumindest lokal in den Bereich des Blasensiedens zu kommen,
so dass die an das Kühlmittel
abgegebene Wärmemenge
auch bei geringem Kühlmittelurchsatz
durch den Motor für
die Belange der Heizung ausreicht. Hierzu ist in der Frühphase des
Warmlaufs eine relativ hohe Zusatzwärmemenge erforderlich, die
sich nur durch das beschriebene Wechselspiel realisieren lässt.
-
Für
eine schnelle Kabinenheizwirkung ist es darüber hinaus vorteilhaft, die
eingebrachte Wärmemenge
in der Frühphase
des Warmlaufs auf Werten zu halten, die mindestens doppelt so groß sind wie
im erwärmten
Zustand. Damit wird der zunehmenden Wärmeentnahme am Kabinenwärmetauscher
mit zunehmender Kühlmittelvorlauftemperatur
Rechnung getragen, so dass sich nicht die bekannte asymptotische
Annäherung
an den stationären
Endwert der Kühlmittelvorlauftemperatur
ergibt, sondern ein wesentlich steilerer Verlauf. Ist der Stationärwert der Kühlmitteltemperatur
schließlich
nach relativ kurzer Zeit erreicht, erfolgt dann die Wegnahme der
Einspritzverstellung und die Kühlmittelvorlauftemperatur bleibt
konstant.
-
Bei dieser besonders effektiven Vorgehensweise
mit maximiertem Wärmeeintrag
in der Frühphase
des Warmlaufs wird also sehr schnell eine relativ große Zusatzwärmemenge
induziert, wobei zunächst
bei relativ kaltem Motor die Mindestwandtemperatur bis zum lokalen
Blasensieden schnell erreicht wird und die lokale Bauteiltemperatur
dann annähernd
auf diesem Temperaturniveau verbleibt und sich mehr und mehr Bauteilzonen
in Richtung Blasensieden erwärmen.
-
Mit dieser Vorgehensweise lassen
sich auch bei Wärmeentnahme
für die
Kabine schnell relativ hohe Kühlmittelvorlauftemperaturen
für den
Kabinenwärmetauscher
erzielen. Der bis hin zu sehr kleinen Kühlmitteldurchsätzen gute
Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad
und die Möglichkeit
zusätzlich
Energie einzusparen, indem der Luftmassenstrom angesichts der erreichten
Kühlmitteltemperatur
auf reduzierte Werte eingestellt wird, führen so schnell auf einen stationären Betriebspunkt,
bei dem keine Zusatzenergie mehr für den Warmlauf benötigt wird,
sondern die gesamte Kabinenheizleistung aus der Abwärme am Kraftstoffverbrauchsbestwert
bestritten werden kann.
-
Gemittelt über die winterliche Fahrdauer
resultiert aus dieser Vorgehensweise i.a. ein Kraftstoffverbrauch,
der unter den üblichen
Werten externer Zuheizmethoden liegt. Maßgeblich hieran beteiligt sind
die kürzere
Einschaltdauer der motorinternen Zuheizung sowie eine Velzahl von
Fahrten bei denen die Einsparungen an Wärmeverlusten und die reduzierte
wärmeaktive
Masse dazu führen,
dass der Motor auf einer höheren
mittleren Temperatur betrieben wird bzw. bei denen gar keine künstliche
Kraftstoffverbrauchserhöhung
benötigt
wird. Hinzu kommen die Fahrten, bei denen das System durch Fahrzustände mit
höherer
Basisauslastung des Motors bzw. eingeschränkter Kabinenheizung zur Erhöhung der Bauteiltemperaturen
in der Teillast verwendet wird und auf diesem Wege Kraftstoff spart.
Auch die Kraftstoffeinsparungen aufgrund der Gewichtsvorteile durch
den Entfall der externen Zuheizerkomponenten sind im Ganzjahresbetrieb
spürbar.
-
Im Hinblick auf die praktische Umsetzung des
erfindungsgemäßen Potenzials
unter schneller Erhöhung
der Brennraumwandtemperatur für
hohe Heizleistungsentnahme ist zu beachten, dass die heute verwendeten
Motoren und Kabinenheizkreisläufe
einen relativ hohen Kühlmitteldurchsatz
durch Motor und Kabinenwärmetauscher
benötigen.
Die Potenziale bezüglich
der Reduktion des Frischluftmassenstroms durch die Kabine sind darüber hinaus erst
dann effektiv, wenn eine relativ hohe Kühlmitteltemperatur erreicht
ist. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund zeigt die eingangs erwähnte Veröffentlichung
auf der Tagung Wärmemanagement
die Vorteile eines reduzierten Luftmassenstroms erst nach längerer Betriebszeit.
-
Mit anderen Worten, ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen
bereits in der Frühphase
des Warmlaufs und insbesondere ohne Spezialkabinenwärmetauscher
für extrem
geringe Kühlmitteldurchsätze, führt die
Notwendigkeit relativ hoher Kühlmitteldurchsätze, dazu,
dass eine hinreichend starke Früh-
bzw. Spätverstellung
i.a. gar nicht möglich
ist: Die Temperatur- und Druckverhältnisse im Brennraum bewirken
dabei i.a. einen derart hohen Zündverzug,
dass die tolerierbaren Geräuschgrenzen durch
die schnelle Verbrennung vorgemischten Brennstoff-Luftgemisches leicht überschritten
werden.
-
Darüber hinaus ist ohne hinreichende
Temperatur während
der Verbrennung mit Problemen bezüglich der Schadstoffemission
zu rechnen. Unverbrannte Kraftstoffanteile leisten in diesem Zusammenhang
zwar einen Beitrag zur Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen, nicht jedoch zum motorseitigen
Wärmeeintrag.
Sie sind deshalb i.a. selbst dann von Nachteil, wenn der nachgeschaltete
Katalysator diese noch weitgehend umsetzt.
-
Die bisherige Beschreibung konzentriert
sich in stärk
vereinfachender Weise auf die positiven Wirkungen der Erhöhung der
gasseitigen Wandtemperatur. Diese positiven Effekte werden jedoch
in erheblichem Ausmaß durch
die Erhöhung
der Temperatur des Restgases und gegebenenfalls der Temperatur des
rückgeführten Abgases
unterstützt.
Dabei ist bekanntlich zu beachten, dass auch relativ kleine Gastemperaturdifferenzen
im UT bei entsprechend hohem Polytropenkoeffizient eine starke Zunahme
der Verdichtungstemperatur zum Einspritzzeitpunkt bewirken. Vereinfacht
betrachtet kann dies anhand der polytropen Verdichtung mit dem Polytropenkoeffizienten κ gemäß T2 = T1·(V1/V2)(1–κ) abgeschätzt werden:
Einsetzen motortypischer Werte zeigt, dass eine Gastemperaturdifferenz
im Bereich des unteren Totpunktes der Verdichtung (UT) bei Kompression
vom Zustand 1 mit Volumen V1 und Temperatur T1 auf den Zustand 2
mit V2 und T2, je nach Einspritzzeitpunkt auf eine Vervielfachung
der Temperaturdifferenz im Vergleich zur Temperaturdifferenz am
UT führt.
Der zur vereinfachten Analyse zu verwendende Polytropenkoeffizient
ist wiederum abhängig
vom Wärmeübergang
und damit von den Strömungsverhältnissen
und der Wandtemperatur sowie von der Gemischzusammensetzung aber
auch vom Einspritzzeitpunkt bzw. bei Ottomotoren vom Zündzeitpunkt.
Die physikalische Bedeutung der Temperatur T1 auf die bis zum Einspritzzeitpunkt
erreichbare Temperatur T2 muss vor diesem Hintergrund bekanntlich
als erheblich eingestuft werden. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund
sind auch die beigeordneten Ansprüche mit spezifischer Würdigung
der Abgasrückführung und
mit el. Zusatzbeheizung des rückgeführten Abgases
bzw. der Frischluft von großem
technischem und wirtschaftlichem Interesse.
-
Bevorzugt wird zur Maximierung der
eingebrachten Wärmemenge
eine Zweifacheinspritzung vorgenommen, um die maximale Verschlechterung des Wirkungsgrades
zu erzielen: Die Aufteilung der Brennstoffumsetzung bewirkt bei
dieser Vorgehensweise insbesondere eine Minimierung des Verbrennungsgeräusches.
Hierbei ist u.a. die Aufteilung in zwei „kleine" Verbrennungen mit dem unvermeidbaren
Zündverzug
und der schlagartigen Verbrennung des vorgemischten Kraftstoffluftgemischs
beteiligt, aber auch die natürliche
Begrenzung des Druckanstiegs durch das erfindungsgemäß relativ
große Brennraumvolumen
während
der Brennstoffumsetzung.
-
Die Erhöhung der Brennraumwandtemperaturen
mittels reduziertem Kühlmitteldurchsatz
und die damit einhergehende Erhöhung
der Gastemperatur zum Zeitpunkt der Einspritzung und während der Brennstoffumsetzung
ist der entscheidende Schritt zu einer signifikanten Verlagerung
der Brennstoffumsetzung hin zu erhöhtem Brennraumvolumen. Dies gilt
für Verlagerung
in Richtung „viel
zu früh" als auch in Richtung „viel zu
spät" als auch für die Kombination aus
beiden Maßnahmen.
Im Gegensatz zu bekannten Wärmemanagementmaßnahmen
wird dabei der reduzierte Kühlmitteldurchsatz
durch den Motor nicht dazu verwendet, um den Kraftstoffverbrauch über eine
Reduktion der Reibung an der Zylinderlaufbahn und eine verbesserte
Verbrennung zu reduzieren, sondern vielmehr dazu, um den Kraftstoffverbrauch, gegebenenfalls
sogar unter Inkaufnahme einer gewissen Verschlechterung der Verbrennung
und der Emissionen, vorübergehend
zu erhöhen.
-
Dabei bleiben die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht auf den Entfall der teuren Kabinenzuheizkomponenten beschränkt, sondern darüber hinaus
lässt sich
im Jahresmittel je nach Gesamtsystemgestaltung eine signifikante
Kraftstoffeinsparung realisieren. In diesem Zusammenhang liegt es
in der Natur der erfindungsgemäßen Vorgehensweise,
dass je nach Ausgestaltung des Verfahrens ein mehr oder weniger
großer
Anteil der zusätzlich eingebrachten
Energie über
eine Erhöhung
der Abgasenthalpie verloren geht.
-
In der energetisch günstigsten
Anwendung kommt vor diesem Hintergrund ein Abgaswärmetauscher
zum Einsatz, der nicht nur diese zusätzliche Energie nutzt, sondern
einen Großteil
der Abgasenthalpie der Basiskalibrierung nahe dem Verbrauchsbestwert
der momentan abgegeben Motorantriebsleistung. Fahrzeuge mit Abgaswärmetauscher
kommen i.a. auch bei extrem hohem Kabinenheizbedart mit sehr moderaten
Verstellungen der Einspritzzeitpunkte aus, doch ist das erfindungsgemäße Vorgehen
speziell in der ganz frühen
Warmlaufphase dennoch von grundsätzlichem
Interesse, da hiermit bisher für
physikalisch unmöglich
gehaltene zeitliche Gradienten der Kabinenaufheizung realisierbar
sind. Darüber
hinaus liefert der Abgaswärmetauscher Sommer
wie Winter eine schnellere Motorerwärmung und damit grundsätzlich eine
Beitrag zur Kraftstoffeinsparung. Trotz all dieser Vorteile sind
aus Kostengründen
zunächst
noch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
von besonderem Interesse, die auch ohne Abgaswärmetauscher eine ausreichende Heizleistung
liefern.
-
Wie bereits ausführlich aber doch stark vereinfachend
beschrieben wurde, ist eine hinreichende Temperatur zum Zeitpunkt
der Einspritzung eine notwendige Bedingung zur erfindungsgemäßen Verschiebung
der Einspritzzeitpunkte in Richtung größeres Brennraumvolumen. Ein
weiterer ganz maßgeblicher
Parameter für
den Verbrennungsablauf ist jedoch der Brennraumdruck – neben
weiteren hier nicht angepassten Parametern wie z.B. Ladungsbewegung
im Brennraum und Spraycharakteristik.
-
In diesem Zusammenhang bedeutet die
erfindungsgemäße Verlagerung
der Einspritzzeitpunkte, dass z.B. bei weit vor OT vorgezogenem
Einspritzzeitpunkt selbst bei Erreichen der gleichen Gastemperatur
nicht die gleichen Randbedingungen für die Entflammung des Gemisches
und den weiteren Brennverlauf vorliegen. Vielmehr hat der reduzierte Druck
zwangsläufig
einen erhöhten
Zündverzug
zur Folge, was dadurch kompensiert werden muss, dass die Temperatur
zu Einspritzzeitpunkt nicht nur identisch ist, sondern deutlich
höher als
bei gleicher Temperatur und höherem
Druck. Deshalb ist es insbesondere unerlässlich, zur Steigerung der
Kabinenheizleistung das Potenzial zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
weitestgehend zu nutzen. Soll dagegen nur die Abgastemperatur zum
Freibrennen von Rußpartikelfiltern
ohne Berücksichtigung
der Heizung gesteigert werden, so ist der Spielraum zur Erhöhung der
Brennraumwandtemperatur nur durch die zulässigen Motortemperaturen limitiert
und daher wesentlich größer. Im
Grenzfall kann hier sogar mit Kühlmitteldurchsätzen nahe
Null gearbeitet werden.
-
1 zeigt
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Motor- und Fahrzeugkühlsystems zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
unter exemplarischer Einbeziehung wichtiger für die verfahrensgemäße Ansteuerung
des Kühlmitteldurchsatzes
und der Kraftstoffeinspritzung eines Dieselmotors mit gekühlter Abgasrückführung hilfreichen
Mess- und Steuerleitungen 20a–20f des Motorsteuergeräts 20.
-
Das Kühlmittel wird gemäß 1 durch die Kühlwasserpumpe 7 des
Motors durch den Motor 1 gefördert. Vom Motoraustritt strömt das Kühlmittel
in einem ersten Kreislauf 9a zum Wasserbehälter 9 und dann über den
Thermostaten 6 zurück
zum Motor 1. Dieser Zweig dient der Belüftung und Entgasung und enthält zur Minimierung
der Wärmeverluste
im Warmlauf und zur sicheren Entgasung insbesondere eine nicht eingezeichnete
Drosselstelle zur Reduzierung des Kühlmitteldurchsatzes auf Werte
nahe Null bei geringer Motordrehzahl. Wahlweise kann statt der Drosselstelle
ein Zweiwegeventil eine noch präzisere Kontrolle
bzw. temporäre
Abschaltung im Warmlauf vornehmen.
-
Ein zweiter Zweig des Kühlsystems
geht über
die Leitung 6a und den Fahrzeug-Kühler 8 zum Thermostaten 6 bzw. über den
mittels der Motorsteuerungsleitung 20c schaltbaren Bypass-Zweig
mit Schaltventil 6b direkt zum Thermostaten 6.
Ab einer bestimmten Betriebstemperatur öffnet der Thermostat 6 den
Kühler-Zweig 6a mehr
und mehr und schließt
in analoger Weise den Bypass-Zweig 6b. Wahlweise kann aber
auch anstelle des konvenzionellen Thermostaten 6 ein von
der Motorsteuerung entsprechend dem Kühlbedarf angesteuertes Regelventil
Verwendung finden, gegebenenfalls unter zusätzlicher Integration des Bypassventils 6b.
-
Neben den Zweigen 6a, 6b,
und 9a zur Motorkühlung
bzw. Entlüftung
des Kühlsystems
dient der Zweig 4a der Beheizung der Fahrzeugkabine. Das
Kühlmittel
wird von der el. Zusatzpumpe 2 über den EGR-Kühler 3 sowie
den Temperatursensor 15 zum Kabinenwärmetauscher 4 und
dann zurück
zum Thermostaten 6 gefördert.
-
Die Versorgung des Verbrennungsmotors mit
Verbrennungsluft erfolgt über
die Frischluftleitung 10, die sich in Leitung 12 mit
dem rückgeführten Abgas
aus dem EGR-Zweig 11 mischt. Optional ist die el. EGR-Zuheizung 30 dem
EGR-Kühler 3 nachgeschaltet.
-
Über
den Abgaskrümmer 13 verlässt das
Abgas den Motor und wird vom Abgasrückführventil 14 je nach
Bedarf an Abgasrückführung auf
den EGR-Zweig 11 und den Abgasstrang 17 aufgeteilt.
-
Der Kühlmittelvolumenstrom wird zumindest bei
Wärmedefizit
ganz bewusst auf geringe Werte von beispielsweise nur 2 l/min eingestellt,
indem u.a. die Leitungsquerschnitte im Heizzweig 4a anstelle der üblichen
16–20
mm Innendurchmesser nur 4–6 mm
Innendurchmesser aufweisen, und wobei der Bypasszweig 6b und
der Kühlerzeig 9a bei
Heizleistungsdefizit geschlossen sind. Der Kabinenwärmetauscher
ist ebenfalls auf einen relativ hohen Druckverlust ausgelegt, um
in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren
hohe Strömungsgeschwindigkeiten des
Kühlmittels
und einen guten Wärmeübergang
zu erzielen. Bevorzugt kommt hier im Gegensatz zur PKW-typischen
Kreuzstromwärmetauscherbauart die
Gegenstrombauweise zum Einsatz, die üblicherweise ohnehin einen
größeren wasserseitigen
Druckverlust aufweist.
-
Durch den Einbau der elektrischen
Zusatzpumpe 2, die im Gegensatz zu den bei der Fahrzeugkühlung üblichen
Kreiselpumpen besonders vorteilhaft als Membran-, Kolben- oder Zahnradpumpe
ausgeführt
ist, ergibt sich im Heizkreislauf in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Auslegung
des Kabinenwärmetauschers
und der Kühlmittelleitungen
auf einen sehr geringen Kühlmittelvolumenstrom
und hohe Druckverluste ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmitteldurchsatz.
An diesem Sachverhalt ist nicht zuletzt die Tatsache beteiligt,
dass für das
Kühlsystem
heutiger Verbrennungsmotoren üblicherweise
ein möglichst
moderater Druck- und Leistungsbedarf der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 angestrebt
wird. Beim Einsatz beispielsweise einer Zahnradpumpe als Zusatzpumpe 2 wird
daher der Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher in erster Näherung durch
die elektrische Leistung der Zahnradpumpe bestimmt und nicht von
der Motorpumpe.
-
Ein derart ausgestaltetes Gesamtsystem führt im Vergleich
zu heutigen Kühl-
und Heizsystemen bereits ohne zusätzliche Maßnahmen zur künstlichen
Erhöhung
der Motorabwärme
zu einer dramatischen Verbesserung der Kabinenheizleistung. Die hier
genutzten physikalischen Wirkmechanismen wurden bereits eingehend
beschrieben.
-
Reicht diese Verbesserung der Heizleistung dennoch
nicht aus, so ist es bei dieser Konfiguration leicht möglich, durch
eine vergleichsweise moderate Verstellung des Einspritzzeitpunktes
in Richtung spät den
Wärmeeintrag
in das Kühlmittel
bzw. das Abgas zu erhöhen.
Eine möglichst
hohe Abgasrückführrate hilft
hierbei, dass ein signifikanter Anteil der Abgasenthalpie im System
Motor/Kabinenheizung verbleibt. Erhöhte Brennraumwandtemperaturen
und die Erwärmung
der Frischluft durch die Restwärme des
rückgeführten Abgases
sorgen dafür,
dass die leichte Verschiebung des Einspritzzeitpunktes kaum negative
Auswirkungen auf das Verbrennungsgeräusch und die Abgasemissionen
hat.
-
Dabei resultiert aus dem geringen
Kühlmitteldurchsatz
durch den EGR-Kühler
und dessen geringer wärmeaktiver
Masse sehr schnell eine hohe Kühlmittelvorlauftemperatur
am Kabinenwärmetauscher,
d.h. der geringe Kühlmitteldurchsatz
durch den EGR-Kühler
fokussiert bereits einen großen
Anteil der Enthalpie des rückgeführten Abgases
auf den Kabinenwärmetauscher
bevor die gesamte wärmeaktive
Masse des Motors erwärmt
werden muss. Gleichzeitig stellt die relativ hohe Kühlmitteltemperatur
im EGR-Kühler
sicher, dass in der Frühphase
des Warmlaufs keine Überkühlung des
rückgeführten Abgases
erfolgt. Das Schließen
des motorseitigen Bypass 6b hilft in diesem Zusammenhang,
zusätzliche Vorteile
durch die Minimierung der wärmeaktiven Masse
des Motors zu erzielen.
-
Eine derartige Heizung reicht in
den allermeisten Motor/Fahrzeug-Kombinationen aus, um alle derzeitigen
Komfortansprüche
ohne jegliche externen Zuheizkomponenten zu erfüllen. Die leichte Spätverstellung
wird i.a. nur bei ganz extremer Kälte benötigt, so dass im winterlichen
Mittel eine Kraftstoffeinsparung von etlichen % im Vergleich zu
externen Zuheizern, insbesondere zu el. PTC-Zuheizern resultiert.
Selbst beim direkten Vergleich der leichten Spätzündung mit dem, in der Fachwelt
derzeit als energetisch noch am wenigsten schädlich eingestuften, externen
Zusatzbrenner in heute üblicher
Einbindung mit hohem Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher,
sind die Kraftstoffeinsparungen noch spürbar. Dies liegt insbesondere
daran, dass das rückgeführte Abgas
zunächst
primär
zur Kabinenbeheizung verwendet wird und nicht zur Motorerwärmung und gleichzeitig
der Motor durch die Temperaturschichtung zwischen Ein- und Austritt
bzw. Motorinnen- und Motoraußenbereich
einen Zusatzbeitrag liefert. Dabei wird der Kraftstoffmehrverbrauch
aufgrund der verspäteten
Einspritzung zum einen durch einen Mehrverbrauchsanteil gekennzeichnet,
der direkt in die Motorstruktur geht, zum andern durch den verbleibenden
Rest, von dem aufgrund hoher EGR-Raten bis zu 50% – unter
kabinenfokussierter Ausnutzung im EGR-Kühler – im System Motor-Kabinenheizung verbleiben.
Der Gesamtnutzungsgrad in Bezug auf die unmittelbare Wärmeeinbringung
in das System Motor und Heizkreislauf bleibt damit nur relativ wenig
unter dem entsprechenden Wirkungsgrad des Brenners von 80–85%. EI.
Zuheizsysteme schneiden aufgrund der hohen Verluste in der Lichtmaschine – diese
sind i.a. zu 100% verloren – und
weiterer Verluste im Abgas in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch noch
deutlich schlechter ab.
-
Angesichts der bisherigen Ausführungen liegt
auf der Hand, dass sich durch die Einbindung eines zusätzlichen
Abgaswärmetauschers
zur Nutzung der Restenthalpie im Abgasstrang 17, die kühlmittelseitig
bevorzugt zwischen Motor und EGR-Kühler erfolgt, eine zusätzliche
Steigerung der Kabinenheizleistung bzw. eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung erzielen
lässt.
Relativ hohe Kosten des Abgaswärmetauschers
machen die Serieneinführung
derartiger Systeme jedoch stark abhängig von der Entwicklung der
Abgasgesetzgebung und den Kraftstoffpreisen.
-
Daneben stellt es einen erheblichen
Wettbewerbsvorteil dar, wenn ein KFZ-Hersteller dadurch einen weit über dem
heute üblichen
Niveau liegenden Heizkomfort anbieten kann, dass er bisher nicht
gekannte Kabinenaufheizgeschwindigkeiten in seinen Fahrzeugen anbietet.
Dies gilt zunächst
losgelöst vom
Kraftstoffverbrauch, d.h. es gibt Randbedingungen, bei denen der
Kunde lieber einen Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf nimmt, als lange
auf die Kabinenerwärmung
zu warten.
-
Die erfindungsgemäßen Varianten bieten hier erheblichen
Spielraum dazu, sich durch die sichere technische Beherrschung einer
erweiterten Variationsbreite bezüglich
des Kraftstoffverbrauchs bzw. bezüglich der Abwärme für Heizzwecke
einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. Alternativ kann das erfindungsgemäße Potenzial
aber auch – unter Inkaufnahme
von Kraftstoffverbrauchseinbußen – dazu verwendet
werden, mit preiswerteren Komponenten im Kühl- bzw. Heizkreislauf zu arbeiten
oder Packagevorteile zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Kühlmittelleitungen,
den Wärmetauscher
sowie die Anzahl und die Regelgüte
der verwendeten Stell- und Regelgüter.
-
Auch bei Brennkraftmaschinen ohne
die für Kabinenheizzwecke
ganz besonders hilfreiche EGR-Kühlung
oder wenn die Reihenschaltung der EGR-Kühlung gemäß 1 nicht möglich ist, sind die erfindungsgemäßen Ansätze vorteilhaft
einsetzbar. Eine entsprechende Ausgestaltung zeigt 4.
-
Hohe EGR-Raten halten hier die Abwärme, die
durch späte
Einspritzung zusätzlich
generiert wird immer noch zu einem erheblichen Anteil im Gesamtsystem
Motor-Kabinenheizkreislauf.
Dennoch ist es hier prinzipiell vorteilhaft, mit der Variante mit „zu früher" Einspritzung relativ
zum Kraftstoffverbrauchsbestwert oder der Kombination beider Varianten
gemäß „zu früh + zu spät" zu arbeiten. Bei
zu früher
Einspritzung bleibt naturgemäß eine längere Zeitspanne für den Wärmeübergang
vom Brenngas an die Brennraumwände,
so dass die Abgastemperaturen geringer ausfallen und ein größerer Anteil
der zu dissipierenden Kraftstoffmenge zur Erwärmung der Brennraumwände und
des Kühlmittels
beiträgt.
-
Dieser Sachverhalt wird bei der Anwendung der
erfindungsgemäßen Verfahrensvariante
gemäß 5 in noch deutlich stärkerem Ausmaß ersichtlich, bei
der keine Abgasrückführung zur
Unterstützung der
Luftvorwärmung
verfügbar
ist. Die Anwendung später
Einspritzung beim Dieselmotor oder später Zündung beim Ottomotor ist hier
durchaus in gewissen Grenzen möglich.
Dennoch geht nur ein vergleichsweise geringer Anteil in die Motorstruktur,
der Großteil
geht aufgrund der fehlenden Abgasrückführung im Abgas verloren. Die
Rechenergebnisse einer entsprechenden numerischen Simulation der
Verbrennung und des Wärmeübergangs
gemäß 6 schätzen diesen Effekt ab. Dabei
dürfte
klar sein, dass die Annahme identischer Brennverläufe in der Praxis
nicht vorliegt bzw. nur sehr bedingt realisierbar sein wird und
dass die 1-D-Rechnung des Ladungswechsels und der Verbrennung mit
Wärmeübergang unter
Anwendung der Wärmeübergangsberechnungsmethode
nach Woschni nur eine begrenzte Auflösung der Physik liefert.
-
Für
einen kalten Motor bei einem konstanten indiziertem Mitteldruck
von 2 bar und eine Drehzahl von 1500 1/min sowie eine konstante
Brenndauer von 30°KW
sind in
-
1 über dem
Brennbeginn aufgetragen:
- 1. die Abgastemperatur
(Rechtecke, linke Ordinate)
- 2. die in Form von Kraftstoff zugeführte Energie (Kreise, rechte
Ordinate) und
- 3. die Abgasenthalpie (Rauten, rechte Ordinate).
-
Die Rechenergebnisse bestätigen die
bisherigen Ausführungen,
dass eine Verlagerung der Verbrennung in Richtung spät bei konstanter
Leistungsabgabe des Motors im Vergleich zur Verlagerung in Richtung
früh auf
eine erhöhte
Abgasenthalpie führt. Ohne
EGR ist dieser Anteil der zusätzlich
eingebrachten Kraftstoffenergie verloren.
-
Darüber hinaus wird deutlich, dass
es zur verbesserten Motorerwärmung
prinzipiell günstiger ist,
mit zu früher
Verbrennung zu arbeiten, da bei betragsmäßig gleichem Verschiebewinkel
relativ zum OT eine höhere
Gesamtkraftstoffmenge bei gleichem Drehmoment an der Welle umgesetzt
werden kann. Die erhöhten
Wandwärmeverluste
des Brenngases sind der Grund hierfür und stehen dabei für die Motor-
bzw. Kühlmittelerwärmung zur
Verfügung.
-
Anhand von 6 wird auch deutlich, dass zur praktischen
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
welches insbesondere sehr hohe Zusatzwärmen induzieren will, eine
weitaus größere Verstellung
der Einspritzung notwendig ist, als dies bei den eingangs beschriebenen
Messungen an einem 2,0 l Common-Rail-TDI-Motor der Fall war. Wie bereits erwähnt, wurde
dort in Ermangelung der Kenntnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen
und Wechselwirkungen lediglich ein Gesamtvariationsbereich von 15°KW für den potenziellen
Variationsspielraum in Betracht gezogen. Und selbst hier blieben angesichts
der gemessenen Emissionswerte Zweifel an der praktischen Umsetzbarkeit.
-
In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen,
dass vergleichbare Brenndauern und Brennverläufe bei sehr starker Verschiebung
der Kurbelwellenstellung der Brennstoffumsetzung, wie dies für die Aussagen
gemäß 6 zur Verdeutlichung der physikalischen
Zusammenhänge
angenommen wurde, nicht ohne Zusatzmaßnahmen realisierbar sind. Analoges
gilt für
das Verbrennungsgeräusch.
-
Der Spielraum für „zu frühe" Einspritzung ist hier ebenfalls wie
bei der „zu
späten" Einspritzung durch
die Zunahme des Verbrennungsgeräusches und
die Qualität
der Brennstoffumsetzung grundsätzlich
limitiert. Die sehr geringen Kühlmitteldurchsätze helfen
hier jedoch signifikant, um den Spielraum zu erweitern. Im erfindungsgemäßen Zusammenspiel der
Parameter mit stark erhöhten
brennraumseitigen Temperaturen und gleichzeitiger Erhöhung des
Wärmeeintrags
durch die Verschiebung des Einspritzbeginns nach „zu früh" sind letztlich Variationsbänder für die Motorabwärme in den
Bereich des Machbaren gerückt,
die bisher nicht für
möglich
gehalten wurden. Dies gilt ganz grundsätzlich, insbesondere aber in Verbindung
mit Abgasrückführung.
-
Mit der besonders attraktiven Verfahrensvariante „zu früh und zu
spät" erschließt sich
ein ganz besonders großes
Potenzial zur Maximierung des Wärmeeintrags
bzw. zur Minimierung des Verbrennungsgeräusches. Da die eingespritzte
Kraftstoffmenge bei der Zerstäubungsgüte moderner
Einspritzsysteme bei geringer Drehzahl und Last auf eine Brennstoffumsetzung
teilweise innerhalb von weniger als 10°KW weitgehend umgesetzt wird,
kann so das effektive Verdichtungsverhältnis der Brennstoffumsetzung
und damit der Wirkungsgrad und die Abwärmemenge in einem sehr weiten
Bereich variiert werden. Wie aus 6 abgeleitet
werden kann, müsste
bei hohen in das Kühlwasser
einzubringenden Zusatzabwärmen,
die Einbringung bei reiner Verlagerung nach „zu spät" eine derart späte Einspritzung erfolgen, dass
der Gasdruck und die Gastemperatur im Brennraum auf nicht tolerierbare
Werte abfällt,
verbunden mit Problemen bei Zündung/Selbstzündung, dem
Zündverzug
und dem Ausbrand, ganz zu schweigen von der Abgasqualität. Die erfindungsgemäße Variante „zu früh und zu
spät" ist hier wesentlich
unkritischer und stellt dennoch sicher, dass die Wärmezufuhr
beim geringst möglichen Verdichtungsverhältnis und
damit bei dem schlechtesten erreichbaren thermodynamischen Wirkungsgrad
erfolgt. Hinzu kommen die erhöhten
Wärmeverluste
der ersten Verbrennung und die Vorwärmung des Gases für die zweite
Verbrennung, verbunden mit dem Potenzial diese damit etwas später zu legen.
-
In diesem Zusammenhang ist es nicht
neu, über
Mehrfacheinspritzung bei Dieselmotoren die Abgastemperaturen zu
steigern. Die erste Einspritzung erfolgt dabei aber i.a. in relativer
Nähe zum
OT, nicht zuletzt um das Verbrennungsgeräusch klein zu halten und hinreichende
Temperaturen für
die nachfolgenden Einspritzungen bzw. Verbrennungen bereitzustellen.
Diese liefert damit zwangläufig
einen für die
Maximierung der Abwärme
negativen Beitrag, da die Brennstoffumsetzung bei hohem Verdichtungsverhältnis erfolgt.
Die Folge ist eine Limitierung der erzielbaren Kraftstoffverbrauchserhöhung bei
gegebenem Motördrehmoment,
gekoppelt mit dem Effekt, dass der Großteil der Zusatzabwärme über das
Abgassystem ungenutzt entweicht. Im Anwendungsfall Kabinenbeheizung
ist dies bei Motoren ohne EGR besonders ineffizient, in abgeschwächter Form
aber auch bei Motoren mit EGR. Diese Problematik bezüglich der
Effizienz bei Verlagerung der Verbrennung in die Expansionsphase
wird eigentlich erst entschärft,
wenn ein EGR-Kühler
zwischen Motoraustritt und Kabinenwärmetauschereintritt angeordnet
ist und den Großteil
der EGR-Enthalpie auf die Kabine fokussiert, so wie z.B. in 1 gezeigt. Je nach Gesamtsystem
Motor-Heizkreislauf und speziell bei begrenzter EGR-Rate sind jedoch
auch dort die beiden Varianten „zu früh" sowie „zu früh und zu spät" nicht nur durch ein höheres Zuheizpotenzial
ausgezeichnet, sondern auch durch eine wesentlich bessere Effizienz
bezüglich
des erforderlichen Kraftstoffmehrverbrauchs. Ist hingegen eine möglichst
hohe Abgastemperatur die Zielsetzung, z.B. für das Freibrennen von Partikelfiltern
oder NOx-Speichern, drehen sich diese Aussagen bezüglich der
Effizienz aufgabengemäß weitgehend
um.
-
In 1 ist
optional eine el. Beheizung 30 des rückgeführten Abgases integriert.
-
Diese Zusatzmaßnahme ist mit und ohne Kühlung des
rückgeführten Abgases
sehr effektiv, um den Variationsbereich der Abwärme über noch höhere Verdichtungstemperaturen
zum Zeitpunkt der Einspritzung bzw. Zündung zusätzlich zu erweitern.
-
Die Integration im EGR-Zweig hat
hierbei zum einen den Vorteil, dass dieser Bereich, im Gegensatz
zu den vielfach aus Kunststoff bzw. Gummi bestehenden Ladeluftleitungen,
bereits sehr robust in Bezug auf erhöhte Temperaturen ist, so dass
die el. Heizung mit geringerem Aufwand gegen el. Überhitzung
abgesichert werden muss. Im einfachsten Fall erfolgt eine el. Beheizung
mit Widerstandsdrähten, die
bei fehlendem Luftdurchsatz ihre überschüssige Wärme durch Strahlung oder Wärmeleitung
an die Umgebung bzw. die angeflanschten Metallrohre, den Motor und
die Abgasanlagenbauteile abgeben. Zum andern besteht der ganz besondere
Vorteil, dass der Druckverlust der el. EGR-Beheizung keinerlei negative
Auswirkungen auf die Nennleistung hat, da dort i.a. die EGR deaktiviert
ist.
-
Dabei mag es auf den ersten Blick
als wenig zielführend
erscheinen, z.B. den el. PTC-Zuheizer auf der Seite der Kabinenluft
einzusparen und im Gegenzug einen el. Zuheizer im EGR-Zweig hinzuzufügen.
-
Die noch folgenden technischen Ausgestaltungen
der EGR-Beheizung bzw. der ebenfalls vorteilhaften Beheizung der
Frischluft werden noch zeigen, dass hier dennoch Kostenvorteile
entstehen.
-
Wesentlich bedeutsamer ist es aber,
dass sich damit das Potenzial bezüglich der schnellen Kabinenbeheizung
extrem weit über
das bisher gekannte Maß hinaus
steigern lässt.
Hinzu kommt, dass bei vielen zukünftigen
Dieselmotoren die erfindungsgemäßen Maßnahmen
auch zum sicheren Freibrennen der Dieselpartikelfilter sehr hilfreich
sind. Auch hier ist der ganz enorm gesteigerte Anwendungsbereich
in Richtung geringer Motorlast, geringer Motordrehzahl und geringer
Umgebungstemperatur von nicht zu unterschätzender Bedeutung.
-
Die zusätzliche mechanische Motorbelastung
zur Bereitstellung von beispielsweise 800 W el. Leistung ist in
diesem Zusammenhang nicht unerheblich, wobei eine höhere Basismotorlast
den Wärmeeintrag
nicht nur grundsätzlich
erhöht
und zusätzlich
in absoluten Zahlen gemessen die Abwärme pro °KW Verstellung der Einspritzung
auch deutlich vergrößert, sondern
dadurch auch der Spielraum für
die Verstellung des Einspritzzeitpunktes zusätzlich erweitert wird.
-
In einer besonders kosteneffektiven
Variante führt
die konsequente Anwendung des efindungsgemäßen Gedankengutes mit el. EGR-Zuheizung
gemäß 1 auf den Entfall der bei
heutigen PKW-Dieselmotoren im Brennraum durchgängig anzutreffenden Glühkerzen.
Diese sorgen bekanntlich über
eine umgebungstemperaturabhängige
Vorglühzeit
für ein sicheres
Starten des Dieselmotors und mittels Nachglühen während der Frühphase des
Warmlaufs für eine
ausreichende Verbrennungsqualität
und ein akzeptables Verbrennungsgeräusch.
-
Ohne Glühkerzen innerhalb des Brennraums kommen
bei KFZ-Anwendungen bisher nur LKW-Diesel aus. PKW-Dieselmotoren
haben in diesem Zusammenhang zwar i.a. ein höheres Verdichtungsverhältnis als
LKW-Dieselmotoren doch wird dieser Vorteil durch das ungünstigere
Verhältnis
von Brennraumoberfläche
zu Brennraumvolumen sowie die erhöhten Anforderungen bezüglich der
Geräuschemission
von PKW-Dieselmotoren
mehr als aufgezehrt, so dass bisher brennrauminterne Glühkerzen erforderlich
sind.
-
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit EGR-Zuheizung
erlaubt es in diesem Zusammenhang, die Verdichtungsendtemperatur
so schnell auf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau zu bringen,
dass die brennrauminterne Glühkerze
nicht mehr zwingend zur Reduktion des Zündverzugs und zur Stabilisierung
der Verbrennung gebraucht wird.
-
Dies bedeutet in der Optimalvariante,
dass eine bisher nicht für
möglich
gehaltene Zeitkonstante bei der Kabinenaufwärmung sowie das Freibrennen von
Partikelfiltern zumindest kostenneutral realisiert werden können, nämlich durch
Verrechnung der Kosten der EGR-Zuheizung mit den Kosteneinsparungen für den Entfall
der Glühkerzen.
-
Dabei dürfte die 1:1 Verrechnung der
Vorteile durch den vereinfachten Zylinderkopf, die Reduktion der
Anzahl an Steckern und Leitungen mit samt dem freiwerdenden Packagevolumen
im Motorraum sowie die zusätzlichen
Freiheitsgrade für
die Anordnung der Einspritzdüsen
und Brennraumgestaltung sicherlich eine sehr moderate Potenzialeinstufung sein.
Doch bereits damit ist die wirtschaftliche Bedeutung klar ersichtlich.
-
Diese Aussage gilt für die bevorzugte
Beheizung der Luft mittels el. Beheizung des rückgeführte Abgases aber auch für Lösungen mit
el. Beheizung der Frischluft.
-
Die vorgeschlagenen Anordnung der
el. Zuheizung 30 gemäß 2 hat dabei den Vorteil
der Einfachheit und der besonders hohen Betriebssicherheit: Eine
einfache Abfrage der Motordrehzahl als Kriterium für das Ein-
und Ausschalten genügt,
um sicherzustellen, dass z.B. eine el. Flachdrahtwiderstandsheizung
angesichts des leerlauftypischen Mindestfrischluftdurchsatzes durch
den Motor nicht durchbrennen kann. Dieser nicht zu unterschätzende Vorteil
geht mit potenziellen Nachteilen bezüglich des Druckverlustes bzw.
der Baugröße und der
wärmeaktiven
Masse der el. Heizelemete einher.
-
Die Anordnung der el. Zuheizung im EGR-Zweig
gemäß 1 sowie im Frischluftzweig
in 2 haben bei Verwendung
von Ladeluftkühlung den
Nachteil, dass am Ladeluftkühler
ein gewisses Potential für
die Temperaturerhöhung
der Frischluft verschenkt wird. Die Anordnung gemäß 3 ist besonders vorteilhaft,
um diesen Nachteil und auch die Nachteile von 2 bezüglich
des Druckverlustes bei Volllast zu vermeiden. Die nicht unerheblichen Kosten
für den
Bypass sowie die Mehrkosten für
die Sicherheitsüberwachung
des el. Zuheizers müssen hier
anwendungsspezifisch mit den Vorteilen verrechnet werden.
-
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens-
und Vorrichtungsvarianten im Ganzjahresbetrieb wird nicht zuletzt
durch die freie Ansteuerung des Bypassventils 6b ermöglicht.
Dabei richtet sich die Anwendung in Motorkennfeldbereichen mit und
ohne Wärmedefizit
nach den für
den Motor zulässigen
Temperaturgrenzen und Minimaldurchsätzen. Im Falle der erfindungsgemäßen Wärmeeinbringung
ist insbesondere die Ausreizung der Potenziale besonders einfach,
wenn mittels der Laufruheregelung oder sonstigen Messgrößen für die Emissionen eine Überwachung
bzw. Regelung erfolgt.
-
Die zusätzlichen Kraftstoffeinsparpotenziale der
verschiedenen „Heißkühlungsvarianten" im gesetzlichen
Abgastest zwischen 20 und 30 °C
Umgebungstemperatur und ohne Kabinenbeheizung, welche sich durch
die stufenweise Erhöhung
des Kühlmitteldurchflusses
durch den Motor ausgehend von einem Durchfluss nahe Null bis hin
zu voll geöffnetem Bypass 6b bzw.
Kühlerkreislauf
ergeben können, sind
bekannt und müssen
hier nicht wiederholt werden.
-
Auch die spezifischen Vorteile der
Variante „zu
früh und
zu spät" wurde bereits ausführlich diskutiert.
Dabei ist eine Verfahrensvariante von besonderem Interesse, bei
der die Kraftstoffeinbringung primär in der ersten und der letzten
Einspritzung erfolgt, insbesondere dass genau zwei Einspritzungen
erfolgen. Solange der Zündverzug
und die Brenndauer aufgrund des Motordesigns nur einige Grad Kurbelwinkel
betragen ist es hier z.B. bei der Anwendung gemäß 5 am effektivsten mit zwei in etwa gleichen
Einspritzmengen der ersten und letzten Einspritzung zu arbeiten.
Die Umsetzung des ersten Verbrennungsvorgangs ist dann i.a. deutlich
vor dem OT abgeschlossen und die zweite Verbrennung beginnt deutlich
nach dem OT, was der Umsetzung einer erhöhten Kraftstoffmenge zugute
kommt.
-
Ist jedoch die Summe aus Zündverzug
und Brenndauer relativ groß,
so ist es günstiger,
wenn die in der letzten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge
größer ist
als die Menge der ersten Einspritzung. Dies gilt insbesondere bei
Varianten mit Fokus auf Erhöhung
der Abgastemperatur bzw. bei optimierter EGR-Ausnutzung für Vorwärmung der
Verbrennungsluft sowie bei Kabinenheizleistungsoptimierter Einbindung
des EGR-Kühlers.
-
Bei Mehrfacheinspritzung wird der
erste und letzte Einspritzzeitpunkt vorteilhaft so gewählt, dass der
Druck und die Temperatur des Brenngases zum Zeitpunkt der Einspritzung
anhand eines Kennfeldes für
den Zündverzug
mit zusätzlicher
Berücksichtigung
des reduzierten Kühlmitteldurchsatzes
definiert sind. Auf diesem Wege wird erreicht, dass der Zündverzug
bei beiden Einspritzvorgängen
annähernd
auf dem gleichen Niveau liegt.
-
Die Kühlung des rückgeführten Abgases gemäß 1 ist eine hocheffiziente
Methode, um mit wenig Kraftstoffmehrverbrauch eine schnelle Kabinenerwärmung zu
erzielen. Eine Überkühlung des Abgases
ist hierbei grundsätzlich
durch die schnelle Erwärmung
des Kühlwassers
im EGR-Kühler
nicht zu erwarten. In der Frühphase,
wo auch geringste Mengen an Luftvorwärmung benötigt werden ist es jedoch teilweise
zur Maximierung der Verbrennungsverstellung und des beschriebenen
Aufschaukeleffektes vorteilhaft, eine reduzierte oder gar keine
EGR-Kühlung
zu verwenden. Damit wird das Temperaturniveau für eine sichere Einleitung der
Verbrennung bereits bei sehr frühen
und/oder sehr späten
Einspritzzeitpunkten realisierbar. Obwohl die kabinenheizungsbegünstigende
Wirkung damit erst mittelbar, über
den erweiterten Regelbereich für
die Kraftstoffeinspritzung sowie die minimierte effektive wärmeaktive
Masse von Motor und Kabinenwärmetauscher
erfolgt, lässt
sich die Kabinenheizleistung auf diesem Wege signifikant verbessern.
Speziell bei moderaten EGR-Raten kann diese Vorgehensweise sehr
effektiv sein.
-
Wie bereits beschrieben, ist es für eine schnelle
Steigerung der Kabinenheizleistung vorteilhaft, die in der Frühphase des
Warmlaufs zusätzlich in
die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge möglichst
groß zu
gestalten, insbesondere um die Aufschaukelungseffekte zu aktivieren.
Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, vorzusehen, dass die gesamte
in die Brennkraftmaschine eingebrachte Kraftstoffmenge mehr als
doppelt so groß ist
wie beim stationären
Temperaturendwert des Kühlmittels.
-
Dabei birgt das enorme Potenzial
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
eine sehr schnelle Kabinenbeheizung zu bewirken, in der fahrzeugspezifischen
Applikation ein gewisses Risiko, dass ein Ungleichgewicht der Zielwerte
maximale Kabinenheizwirkung und minimaler Kraftstoffverbrauch induziert
wird. Diese Gefahr besteht insbesondere deshalb, weil die Homologierung
der Kraftstoffverbräuche
derzeit nur ohne Kabinenbeheizung erfolgt, so dass je nach Entwicklungsprozess
beim KFZ-Hersteller eine Übergewichtung
der Heizung erst sehr spät
oder gar erst Kunden gefunden wird. Darüber hinaus ist es auch umweltpolitisch
nur bedingt vermarktbar, die externen Zuheizkomponenten zwar einzusparen,
aber gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Deshalb sieht eine besonders vorteilhafte
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
vor, dass die aufgrund der Verstellung der Brennverläufe künstlich
induzierten Kraftstoffmehrverbräuche
so begrenzt werden, dass diese durch Energieeinsparungen aufgrund
schneller Motorerwärmung,
reduzierter Wärmeverluste
an die Umgebung und insbesondere durch im Vergleich zu el. Zuheizern
für Kühlwasser
oder Kabinenluft geringere Masse und Einschaltdauer, zumindest gemittelt über die
mittlere Fahrzeugnutzungsdauer, kompensiert werden.
-
Zur praktischen Umsetzung dieser Überlegungen
bezüglich
der Steigerung der Kabinenheizleistung bei moderatem Kraftstoffverbrauch
ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Frühphase in Abhängigkeit
von der Kühlmittel-
oder Umgebungstemperatur mit einem Zeitlimit versehen ist und/oder
auf die Zeit bis zum Erreichen einer Zielkühlmitteltemperatur begrenzt
wird.
-
Besonders kritisch in Bezug auf potenzielle Wärmedefizite
sind bekanntlich Fahrzustände
mit geringer Motorlast und geringer Motordrehzahl. Wie nicht zuletzt
das Beispiel in 6 verdeutlicht,
ist mit geringen Verstellungen der Brennstoffumsetzung in heute üblicherweise
anwendbaren Bereichen von maximal 10–15°KW nur eine vergleichsweise
geringe künstliche
Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs realisierbar. Dies limitiert sowohl die
Möglichkeiten
der Motorsteuerung zur Erhöhung
der Abgastemperatur für
das Freibrennen von Komponenten im Abgasstrang als auch für die Verbesserung
der Kabinenheizwirkung sehr stark.
-
Demgegenüber führt die erfindungsgemäße Vorgehensweise
dazu, dass der potenzielle Verstellbereich erheblich erweitert ist.
Bei Bedarf wird sogar eine Verstellung der Brennstoffumsetzung von
mehr als 20°KW
in beide Richtungen relativ zum OT bei geringer Drehzahl möglich. Wie 6 zeigt, ist dies auch notwendig,
um die notwendige Energie bereitzustellen, so dass einige besonders
kostengünstige Verfahrensvarianten
in die Praxis umgesetzt werden können.
Damit werden insbesondere neue Anwendungen vorteilhaft zur Maximierung
der Abwärme nutzbar,
bei denen die erste Einspritzung bei hohem Abwärmebedarf und geringer Motorlast,
temporär auch
bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner 10%,
mehr als 25°KW
vor dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
-
Daneben oder unter Verwendung der
Verfahrensvariante „zu
früh und
zu spät" ist es zur Maximierung
der Abwärme
in spezifischen Anwendungsvarianten vorteilhaft, dass die letzte
Einspritzung bei hohem Abwärmebedarf
und geringer Motorlast, temporär
auch bei Motordrehzahlen kleiner 1500 1/min und Motorlasten kleiner
10%, mehr als 30°KW
nach dem Verdichtungstotpunkt beginnt.
-
Speziell für heutige Dieselmotoren sind
dies Bereiche, die i.a. bei der Vermessung der Motorkennfelder erst
gar nicht angefahren werden, da ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen
das Verbrennungsgeräusch
und die Abgasemissionen ins Unermessliche steigen würden.
-
Bei Ottomotoren sind derart weite
Verschiebungen zwar bereits mit heutigen Motoren möglich – die Spätzündung ist
bekanntlich ein sehr probates Mittel zur schnellen Katalysatoraufheizung – doch auch
hier hilft die erfindungsgemäße Vorgehensweise
den Verstellbereich zu erweitern. Dies ist insbesondere bedeutsam,
damit die guten Emissionswerte im gesetzlichen Abgastest ohne Kabinenbeheizung auch
im realen winterlichen Fahrbetrieb erzielbar sind. Für Fahrzustände mit
und ohne Kabinenheizleistungsentnahme reduziert sich darüber hinaus
mit der Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
auch hier der erforderliche Kraftstoffmehraufwand für gleiche Werte
der Abwärmesteigerung.
-
Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Vorgehensweisen
in der Warmlaufphase einzusetzen. Dabei wird der Motor zunächst völlig normal
gestartet und einige Sekunden betrieben. Im weiteren Verlauf der
ganz frühen
Warmlaufphase, die durch extrem hohe Reibleistung an der Zylinderlaufbahn
gekennzeichnet ist und insbesondere weniger als 2 Minuten dauert,
wird dann ausgehend von den konvenzionellen Einspritzwinkeln nach
und nach deren Verstellung zur Erhöhung der Abwärme vorgenommen.
Die hiermit induzierten Aufschaukeleffekte der Wanderwärmung lassen
sich in dieser ganz frühen
Phase des Warmlaufs insbesondere deshalb besonders gut induzieren,
weil hier die Reibleistung des Motors noch extrem hoch ist und bereits
relativ kleine Verstellungen der Einspritzwinkel angesichts des
relativ hohen Basiskraftstoffverbrauchs doch eine signifikante Zusatzwärmemenge
freisetzen. Dabei führt die
erfindungsgemäß beschleunigte
Erwärmung
der Zylinderlaufbahnen zwar zum Abbau der Reibleistung der Kolbengruppe,
doch die übrigen
Bauteile helfen im weiteren Verlauf des Warmlaufs aufgrund der noch
geringen Öltemperatur,
dass die Basismotorlast nicht so gering wird, dass die angestrebte
Aufschaukelung der Wandtemperaturen angesichts der geringen Basismotorlast
unterbrochen wird. Dies ist insbesondere wichtig, um schnell in
den Bereich des lokalen Blasensiedens des Kühlwassers zu gelangen und damit
auch bei sehr kleinem Kühlmitteldurchsatz des
Motors eine hinreichende Wärmemenge
für die Kabine
bereitzustellen.
-
Auch im Zusammenhang mit der Basismotorlast
ist die Verwendung externer el. Beheizung der Verbrennungsluft von
besonderem Interesse: Konvenzionelle Glühkerzen im Zylinderkopf von PKW-Dieselmotoren
müssen
aus Dauerhaltbarkeitsgründen
nach relativ kurzer Nachglühzeit
in der Leistung reduziert bzw. ganz ausgeschaltet werden. Dies ist
bei den externen el. Beheizung gemäß 1-3 nicht
der Fall. Die externe Beheizung hilft hier in den ersten Minuten
des Warmlaufs nicht nur durch die el. zugeführte Energie sondern auch durch
die zusätzliche
Erhöhung
der Basismotorlast. Auch deshalb ist es von ganz besonderem wirtschaftlichem
wie technischem Interesse, dass eine externe el. Vorwärmung der
Verbrennungsluft verwendet wird und diese Vorwärmung in Verbindung mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
die Aufgaben der sonst in PKW-Dieselmotoren üblicherweise im Zylinderkopf anzutreffenden
Glühkerzen
für Vor-
und Nachglühen miterfüllt.
-
Die in 1-5 gezeigten Baugruppen und Systemintegrationsvarianten
zeigen, dass das erfindungsgemäße Gedankengut
sehr vielseitig einsetzbar ist.
-
Die Ausgestaltung gemäß 4 soll abschließend noch
einmal dazu verwendet werden, um die erfindungsgemäße Vorgehensweise
anhand eines Beispiels für
eine besonders vorteilhafte Strategie zur Erhöhung der Abwärme für Kabinenheizzwecke
zu vertiefen. Dabei wird bewusst nicht die energetisch vielfach
günstigere
Variante mit EGR-Kühler zwischen
Motoraustritt und Kabinenwärmetauschereintritt
verwendet, um die weitreichenden Konsequenzen und das weite Anwendungsfeld
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
aufzuzeigen. Die nachfolgenden Ausführungen gelten in diesem Zusammenhang
insbesondere auch für
Dieselmotoren mit einem EGR-Kühler,
der kühlsystembedingt
parallel zum Heizkreislauf angeordnet ist und eine hinreichend feinfühlige Durchflussbegrenzung
aufweist, insbesondere mit einem Thermostaten der erst bei Erreichen
einer Mindesttemperatur vollständig öffnet.
-
Liegt z.B. ein erhöhter Abwärmebedarf
bei hohem Kabinenheizbedarf vor, so ist es bei der beispielhaften
Bestückung
der Schaltung gemäß 4 mit konkreter Hardware
besonders vorteilhaft, dass
- – ein Stellglied
(6b) zusätzlich
zu dem serienüblichen
Thermostaten 6 den Kühlmitteldurchfluss durch
den Motor reduziert und damit die Brennraumwandtemperatur steigert
und
- – eine
Zahnradpumpe (2) sicherstellt, dass auch durch den Kabinenwärmetauscher
ein geringer Kühlmitteldurchfluss
vorliegt und eine Kühlwassertemperaturdifferenz
zwischen Ein- und Austritt von mehr als 25K vorliegt und
- – ein
hocheffizienter Kabinenwärmetauscher 4, mit
mehr als 75% Wirkungsgrad bei 25K Kühlwassertemperaturdifferenz
Verwendung findet und
- – mittels
der Motorsteuerung 20 hohe EGR-Raten eingestellt werden
und
- – mittels
der Motorsteuerung 20 der Einspritzzeitpunkt der ersten
Kraftstoffeinspritzung anhand eines Kennfeldes für den Zündverzug unter zusätzlicher
Berücksichtigung
der Kühlmitteldurchflussabhängigkeit
der momentanen Brenngastemperatur in Richtung früh verstellt wird und
- – mittels
der Motorsteuerung der Einspritzzeitpunkt der letzten Kraftstoffeinspritzung
anhand eines Kennfeldes für
den Zündverzug
unter zusätzlicher
Berücksichtigung
der kühlmitteldurchflussabhängigen momentanen
Brenngastemperatur in Richtung spät verstellt wird.
-
Die Variante „zu früh und zu spät" ist hier motorspezifisch gewählt, um
einerseits einen sehr hohen Wärmeeintrag
zu realisieren, andererseits auch die Geräuschentwicklung in Grenzen
zu halten. Rein energetisch ist die Variante „zu früh" hier noch etwas günstiger, aber die etwas erhöhte EGR-Temperatur der
Variante „zu
früh und
zu spät" wird im gezeigten Anwendungsfall
gleichzeitig dafür
verwendet, die Verbrennungsluft vorzuwärmen und somit den Variationsbereich
auszudehnen. Ist der Zuheizbedarf reduziert, so ist es gegebenenfalls
auch bei diesem Motor vorteilhaft, auf die Variante „zu früh" überzugehen, um Kraftstoff zu
sparen. Ebenso gibt es auch Verbrennungsmotoren mit reduzierter
EGR-vertäglichkeit,
bei denen ebenfalls die Variante „zu früh" von ganz besonderem Interesse ist.
-
Insbesondere bei Motoren, die bereits
in der Basis, d.h. bei hohem Kühlmitteldurchsatz
eine relativ frühe
Einspritzung erlauben und bei denen das Einspritzsystem eine Mehrfacheinspritzung
mit extrem kurzem Zeitabstand erlaubt, ist es vorteilhaft, ausschließlich mit
der Variante „zu
früh" zu arbeiten. Ein
geringer Kühlmittelstrom
sorgt hier in Verbindung mit der extrem schnellen Mehrfacheinspritzung,
insbesondere bei Verwendung hochmoderner Piezzo-Einspritzaktuatoren, dafür, dass
einerseits durch die Mehrfacheinspritzung das Verbrennungsgeräusch begrenzt
bleibt, andererseits die Verbrennung aller Einspritzungen in hinreichender
Entfernung zum dem OT weitgehend abgeschlossen ist. Dies ist wichtig,
damit durch die Lage des Verbrennungsschwerpunktes deutlich vor
OT die Wärmeverluste
des Brenngases an die Wand maximiert werden, ohne das Motordrehmoment
zu erhöhen.
Aus dieser Ansteuervariante resultiert insbesondere der Vorteil, dass
die zweite und gegebenenfalls dritte Einspritzung direkt von der
Wärmefreisetzung
der vorangegangenen Verbrennungen profitiert: Es ist eine höhere Gastemperatur
verfügbar,
als wenn z.B. die zweite Verbrennung bei der entsprechenden Kurbelwellenstellung
nach OT erfolgen würde
und bis dahin die Wärmeverluste
an die Brennraumwand die Gastemperatur abgesenkt haben.
-
Bevorzugt wird bei allen Ansteuervarianten das
Ausmaß der
Verstellung zusätzlich
mittels einer Laufruheregelung überwacht
bzw. begrenzt.
-
Unter Ausnutzung dieser speziellen
Möglichkeiten,
den Kraftstoffverbrauch zur Unterstützung der Kabinenheizwirkung
künstlich
zu erhöhen,
ist insbesondere die zeitliche Ansteuerstrategie bezüglich des
eingestellten Kraftstoffverbrauchs gemäß 7 von Vorteil.
-
Für
einen Leerlaufpunkt, d.h. die Motorreibleistung und die el. Verbraucher
definieren den Kraftstoffverbrauch, zeigt die durchgezogene Linie Messdaten
für den
zeitlichen Verlauf des Kraftstoffverbrauchs. Der eigentlich benötigte Zusatzbrenner mit
5KW Heizleistung war hierbei deaktiviert. Die gestrichelte Linie
zeigt einen exemplarischen Verlauf des Kraftstoffverbrauchs, wie
ihn das erfindungsgemäße Verfahren
vorsieht. Nach einigen Sekunden weitgehend identischer Kraftstoffverbräuche erfolgt die
erfindungsgemäße Verstellung
der Einspritzung. Da zu diesem Zeitpunkt die Reibleistung noch sehr groß ist, lässt sich über die
allmähliche
Verstellung der Einspritzung und die bereits ausführlich beschriebenen
Aufschaukeleffekte mit der erfindungsgemäßen Prozessführung trotz
stark abfallender Reibleistung sogar temporär ein positiver Gradient der
zeitlichen Kraftstoffverbrauchsentwicklung realisieren. Dieser wird
im angegeben Fall im Wechselspiel mit der ansteigenden mittleren
Systemtemperatur auf etwa 19 kW stabilisiert. Wie angesichts des
Beispiels in 6 bereits
zu erwarten, ist hier eine ganz erhebliche Verstellung der Einspritzung
in Richtung „zu
früh und
zu spät" erforderlich. Maßnahmen,
um bei PKW-Dieselmotoren bis zu solchen Extremwerten vorzustoßen, wurden
bereits beschrieben. Dabei gilt grundsätzlich, dass der leerlaufnahe
Betrieb bei extrem hohen Kraftstoffverbrauchspegeln von z.B. 19 kW
bei ca. 900 1/min mittels Maßnahmen
an der Motorsteuerung durch die zeitliche Abnahme der Motorreibleistung
erheblich erschwert wird und vielfach nur für die ersten 3–5 Minuten
aufrechterhalten werden kann. Im gezeigten Beispiel gemäß 7 fällt die umsetzbare Kraftstoffmenge
daher ab etwa 3 Minuten wieder unter 19 kW ab. Nicht zuletzt deshalb
ist ein möglichst
früher
Beginn mit der erfindungsgemäßen Verstellung
der Verbrennung unter starker Reduktion des Kühlmittelmassenstroms sehr wichtig. Für die Verstellung
der Verbrennung wäre
zwar ein Volumenstrom nahe Null am günstigsten, doch erfordert die
Kabinenheizung direkt nach dem Start ihren Heizleistungsanteil,
ein Verzicht während
der ersten Minuten ist nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen undenkbar.
Deshalb macht erst die gleichzeitige Einbindung eines hocheffizienten
Kabinenwärmetauschers, mit
hohen Wirkungsgraden bei geringem Kühlmitteldurchfluss das erfindungsgemäße Verfahren
für die PKW-Praxis
effektiv anwendbar.
-
In 7 wird
nach ca. 4–5
Minuten eine hinreichende Kühlmittelvorlauftemperatur
am Kabinenwärmetauscher
erreicht, so dass die motorinterne Zusatzmaßnahme deaktiviert werden kann.
Der Kraftstoffverbrauch fällt
nun angesichts des immer noch geringen Kühlmitteldurchsatzes durch den
Motor auf Werte deutlich unterhalb der Basis mit konvenzionellem
Kühlmitteldurchsatz.
Verglichen mit bisher aus Veröffentlichungen
zur Heißkühlung bekannten
Kraftstoffverbrauchsunterschieden bei unterschiedlichen Kühlmitteldurchsätzen fällt auf,
dass der Verbrauchsvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens hier relativ
groß ausfällt. Dies
liegt daran, dass die Basis aufgrund der geringen Motorlast bei hoher
Wärmeentnahme
für die
Kabine sich selbst auch nach längerem
Betrieb noch auf relativ niedrigem Temperaturniveau befindet. Die
stark progressive Zunahme der Reibleistung mit abnehmender Öl- bzw.
Zylinderlaufbahntemperatur ist dabei nur eine der Ursachen dieses
Unterschiedes. Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Effekt resultiert
aus dem verfahrensbedingten Vorteil, dass bei höherer Kühlmittelvorlauftemperatur auch
mit geringerem Frischluftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher gearbeitet
werden kann und sich dadurch nicht nur dessen Wirkungsgrad verbessert
sondern auch zusätzlich
Wärmeverluste
an die Umgebung eingespart werden. Dies ist auch dringend nötig, um
bei dem gezeigten Stationärwert
des Kraftstoffverbrauchs die Kabine ausreichend zu beheizen.
-
Die Integration der zeitlichen Verläufe der Kraftstoffverläufe macht
insbesondere deutlich, dass die Fahrdauer einen maßgeblichen
Einfluss darauf hat, ob die erfindungsgemäße Vorgehensweise gemäß der gestrichelten
Linie für
die jeweilige Fahrt günstiger
ist oder die Basis gemäß der durchgezogenen
Linie. Die zusätzliche
Leistung des Brenners ist hierbei in der Basis noch einzurechnen.
-
Eine weitere Vertiefung der Wechselwirkungen
würde an
dieser Stelle zu weit führen,
doch dürfte
der exemplarische Charakter der obigen Ausführungen anhand der Konfiguration
gemäß 4 klar sein. Insbesondere
ist die explizite Bennennung spezifischer Verbrauchssollwerte – in 7 wurden bewusst Extremwerte
verwendet, die in vielen Anwendungen nicht erforderlich sind – und die
Benennung spezifischer Hardware nur beispielhaft zu sehen. Speziell
bei Motoren ohne Bypass-Zweig 6b kann selbstverständlich auch
das Ventil 6b entfallen oder das Ventil 6b kann
in Funktionseinheit mit einem elektrischen Ventil 6, das
den Thermostaten ersetzt, realisiert werden.
-
Die Vorteile, die durch die Verwendung
externer el. Beheizung der Verbrennungsluft erzielt werden können, insbesondere
zur zusätzlichen
Erweiterung des Verstellbereichs der Verbrennung bei gleichzeitigem
Entfall der motorinternen Glühkerzen zum
Vor und Nachglühen,
wurden bereits beschrieben.
-
Hierzu sind insbesondere kostengünstige externe
Zuheizkomponenten von Interesse, die durch geringe Kosten, ein schnelles
Ansprechen und die Möglichkeit
eines Dauerbetriebs gekennzeichnet sind. Die Vorwärmung des
Abgases oder der Luft mittels direkt el. beheizter Widerstandsheizdrähte bietet diese
Merkmale. Dabei kommen zur Vereinfachung der Fertigung bevorzugt
Heizwiderstandsdrähte
aus Flachdraht, insbesondere aus korrosionsbeständigem Stahl oder eloxiertem
Aluminium zum Einsatz.
-
In einer, insbesondere bezüglich der
Baugröße und des
schnellen Ansprechens besonders attraktiven, Variante besteht der
Flachdraht aus Aluminiumblech welches zur Verbesserung des Wärmeübergangs
mit einer Velzahl von schräg
angestellten Einschnitten quer zur Luftströmung, den sogenannten Louvres 42a und 42b gemäß 8, versehen ist.
-
Dabei können insbesondere bereits verfügbare Aluminiumberippungen
aus dem PKW-Heizungswärmetauscherbau
als Basismaterial verwendet werden. Hier wird für das Aluminiumblech bevorzugt
die aus dem Heizungswärmetauscherbau
bekannte Stapelung von Zickzackbändern 41 verwendet,
wobei anstelle der Wärmetauscherrohre
Zwischenlagen aus el. isolierten Trennblechen 40 verwendet
werden. Unter Zwischenlegen eines isolierenden Bandes, eloxiertes
Aluminiumband ist hier eine besonders kostengünstige und robuste Lösung, wird
hierbei das Zickzackband bevorzugt aufgewickelt, so dass sich eine
runde oder ovale Außengeometrie
ergibt. Dies vereinfacht die Integration der el. Heizung in die
Rohre der Luft- bzw. EGR-Verteilungsanlage, wo bekanntlich vorwiegend
runde und ovale Querschnittsgeometrien im Einsatz sind. Die el.
Kontaktierung erfolgt dabei bevorzugt auf der Außenseite des äußeren Hüllrohres,
so dass die eloxierten Aluminiumflächen ohne Zusatzaufwand auch
durch einen Metallmantel geführt
werden können.
-
Speziell bei Aluminium als Heizwiderstand ist
es ganz besonders vorteilhaft, die Heizrippen 41 aus eloxiertem
Aluminium zu fertigen, bei dem die Eloxalschicht der el. Isolation
dient. Dabei bringt eloxiertes Aluminium den zusätzlichen Vorteil, dass die Eloxalschicht
einen sehr guten Korrosionsschutz darstellt.
-
Die Ausgestaltung bezüglich der
Eloxalschichtdicke richtet sich dabei nicht zuletzt nach der erforderlichen
Materialstärke,
um in der pulsierenden Strömung
im EGR-Zweig bzw.
im Ansaugkanal eine hinreichende Festigkeit und Dauerhaltbarkeit
zu gewährleisten,
ohne das benötigte
Bauvolumen allzu groß werden
zu lassen.
-
Die gute el. Leitfähigkeit
von Aluminium ist hier zunächst
hinderlich, da entweder zu dünne
und damit zu empfindliche Materialdicken erforderlich sind oder
das Bauvolumen aufgrund der benötigten Drahtlänge sehr
groß wird.
Bekannte Heizflansche für
LKW-Dieselmotoren arbeiten vor diesem Hintergrund mit herkömmlichen
Heizleitermaterialien, die einen wesentlich höheren spezifischen el.
-
Widerstand aufweisen. Neben dem erhöhten Materialpreis
verschließt
sich diesen Materialien z.T die Anwendung des aus Gründen der
Effizienz bezüglich
Wärmeübergang
und wärmeaktiver
Masse bevorzugten Heizrippendesigns aus dem Kabinenheizungswärmetauscherbau
mit den sogenannten Louvres.
-
Speziell der gute Wärmeübergang
der Heizrippen gemäß 8 erlaubt es, pro Oberfläche sehr hohe
el. Heizleistungen an das zu beheizende Gas zu übertragen. Zur Maximierung
der spezifischen Heizleistung pro Oberfläche ist es vor diesem Hintergrund
besonders vorteilhaft, die Heizrippen aus eloxiertem Aluminium zu
fertigen, bei dem die Dicke der Eloxalschicht zur Anpassung der
Biegesteifigkeit und/oder der anwendungsspezifischen el. Leistung pro
Heizfläche
dient, und insbesondere dass die Dicke der Eloxalschicht größer ist
als die halbe Dicke der Metallschicht. Bei guter Biegesteifigkeit
resultiert hieraus eine sehr hohe spezifische Leistung bei geringem
Bauraum und geringem Druckverlust. Wird z.B. als Ausgangsmaterial
Aluminium mit 70 μm
Basisdicke eloxiert und beidseitig mit einer Eloxalschicht von ca.
25 μm versehen,
so verbleibt eine leitende Metallschicht von 20 μm. Die Verwendung nicht eloxierten
Basismaterials von 20 μm,
um die gleiche Leistung pro Fläche
zu realisieren, wäre
zum einen in der Fertigung kaum handhabbar, zum anderen auch im
Betrieb sehr schwingungsempfindlich und korrosionsanfällig.
-
Eine hohe el. Leistung pro Oberfläche ist
insbesondere wichtig, um ein schnelles Aufheizen der Luft zu erzielen.
Die hohe Leistung pro Oberfläche führt dabei
zum einen zu einer Minimierung der aufzuheizenden Massen, zum andern
aber auch dazu, dass die aufzuheizenden wärmeaktiven Massen bereits bei
einer niedrigeren Materialtemperatur den Gleichgewichtszustand zwischen
zugeführter
el. Leistung und abgegebener Heizleistung erreichen.
-
Vor diesem Hintergrund sind speziell
die Louvres zur Maximierung des Wärmeübergangs pro eingesetztem Material
von besonderer Bedeutung. Dies gilt sowohl bei eloxiertem Aluminium
als auch bei nicht eloxierten Materialien, insbesondere bei Verwendung
von konventionellem Edelstahl, welcher ebenfalls wesentlich preiswerter
ist als bekannte Heizwiderstandsmaterialien z.B. auf CuNi- oder NiCr-Basis.
In diesem Zusammenhang hilft speziell die hocheffiziente Ausgestaltung
mit Louvres, dass der bekanntlich nicht geringe Temperaturgang des
el. Widerstands von Aluminium oder Edelstahl nicht zu Dauerhaltbarkeitsproblemen
angesichts lokaler Überhitzung
führt:
Die relativ geringe Übertemperatur zur
Bereitstellung des erforderlichen Temperaturgefälles für den Wärmeübergang erhöht hier die Sicherheitsreserven
erheblich, so dass die Widerstandszunahme aufgrund der globalen
Erwärmung
aller Heizdrahtzonen im Vergleich zur lokalen Erwärmung von Zonen
mit erhöhter
thermischer Belastung, insbesondere durch reduzierte lokale Umströmung, über die Zunahme
des Gesamtwiderstandes ein Herabsetzen der Drahtempfindlichkeit
gegen Überhitzung
bewirkt. Darüber
hinaus wird diese Widerstandszunahme mit der Drahttemperatur bevorzugt
für eine
Temperaturüberwachung
oder Regelung verwendet. Mit anderen Worten, speziell die Verwendung
der Louvres liefert die optimale Robustheit des el. Heizsystems,
welche es erlaubt bis nahe an die zulässigen Materialtemperaturen
zu gehen. Bei Verwendung herkömmlicher Heizleiter
bedeutet dies insbesondere eine Minimierung der wärmeaktiven
Masse, bei konvenzionellen Metallen wie Aluminium oder Edelstahl
werden sowohl die wärmeaktive
Masse als auch die Robustheit gegen lokale Überhitzung maßgeblich
verbessert.
-
Bei Einbausituationen, bei denen
eine geringe wärmeaktive
Masse und/oder der Bauraum weniger wichtig ist, kann aber auch auf
bereits verfügbare Designs
aus dem Heizungsbau zurückgegriffen
werden.
-
Aufgrund der Verfügbarkeit und der jahrelang
erprobten Verwendung in PTC-Zuheizern
für die Kabinenluft
ist hier auch die Vorwärmung
des Abgases oder der Luft mittels el. beheizte PTC-Heizkeramiken
erfolgreich anpassbar, welche zumindest teilweise ummantelt sind
und die Energie durch Wärmeleitung
zu äußeren Heizrippen übertragen.
-
Dabei kann im Gegensatz zur el. Kabinenbeheizung
angesichts der speziellen Anwendung im Saugrohr bzw. im EGR-Zweig,
mit einer grundsätzlich
ohnehin verfügbaren Überwachung
des Luft- und EGR-Massenstroms mittels der Motorsteuerung, anstelle
der eigensicheren PTC-Keramik auch ein konvenzioneller Heizwiderstand
verwendet werden. Auch hier ist insbesondere wieder eloxiertes Aluminiumblech,
welches anstelle der PTC-Keramik zwischen die Kühlrippen geklemmt wird, eine
sehr kosteneffektive und robuste Lösung.
-
Das Potenzial, mit einer in Richtung
geringe thermische Trägheit
optimierten externen el. Beheizung der Verbrennungsluft die Glühkerzen
in PKW-Dieselmotoren zu ersetzen, wurde bereits umrissen. Dabei
dürfte
klar sein, dass bei modernen PKW nur Vorglühzeiten im Sekundenbereich
noch verkäuflich
sind. Deshalb auch die erfindungsspezifischen Anstrengungen, eine
möglichst
schnelle el. Heizung zur Verfügung
zu stellen. Der Aufwand, um die externe Heizung ähnlich schnell wie eine Glühkerze im
Brennraum auf die stationäre
Endtemperatur zu bringen, ist nicht unerheblich. Dies gilt ganz
besonders für
die mittlerweile verfügbaren
Glühkerzen mit
PWM-Regelung, die in Sekundenschnelle aufgeheizt und dann mittels
PWM auf Solltemperatur gehalten werden. Hinzu kommt das Luftvolumen
zwischen externer Heizung und Brennraum, welches erst entleert werden
und mit beheizter Luft befällt werden
muss.
-
Die nahezu ausschließliche Verwendung
direkteinspritzender Brennverfahren und die hohen Einspritzdrücke moderner
Einspritzsysteme, in Verbindung mit einer sehr hohen Zerstäubungsgüte und einer
sehr feinen Dosierbarkeit bei Mehrfacheinspritzungen helfen in diesem
Zusammenhang, dass PKW-Dieselmotoren bei nicht zu geringer Umgebungstemperatur
eigentlich kein Vorglühen
mehr benötigen,
um zu starten. Die Glühkerzen
dienen hier vielmehr der Verbesserung der Verbrennungsqualität während des
Warmlaufs. Speziell für
die Unterstützung
des Warmlaufs ist aber wiederum die erfindungsgemäße externe
el. Heizung mit moderatem Aufwand realisierbar und wird zusätzlich durch
den reduzierten Kühlmittelstrom
unterstützt.
Hieraus folgt die Möglichkeit,
speziell für
Kunden, die bereit sind, bei hohen Minustemperaturen etwas Vorglühzeit in Kauf
zu nehmen, signifikante Kosteneinsparungen durch besonders preiswerte
Ausführungen
der externen el. Vorheizung der Verbrennungsluft zu realisieren.
Derartige Systeme sind insbesondere kostengünstiger als Systeme mit motorinternen
Glühkerzen, ganz
zu Schweigen von den zusätzlichen
Kostenvorteilen, insbesondere durch den Entfall der externen Kabinenbeheizung
mittels PTC oder Brenner.
-
Aber auch in Anwendungen, bei denen
die spezifischen Randbedingungen, insbesondere Eigenheiten des verwendeten
Brennverfahrens oder besonders extreme Anforderungen bezüglich der Schnellstarteigenschaften
bei hohen Minusgraden, dazuführen,
dass auf die motorinterne Glühkerze nicht
verzichtet werden soll, ist die erfindungsgemäße Verfahrensvariante mit externer
el. Beheizung der Verbrennungsluft angesichts der verbleibenden
Vorteile immer noch von hohem Nutzen: Wie in 7 exemplarisch gezeigt, erfolgt die Verstellung
der Verbrennung bevorzugt erst, nachdem zunächst ein ganz normaler Start
erfolgt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Motor sicher hochläuft und
insbesondere die Motorsteuerung mittels der üblichen Überwachung der wichtigsten
Betriebsparameter verifiziert hat, dass alle Systeme arbeiten und
nicht eine eingeschränkte
Funktion bezüglich
wichtiger Regelparameter vorliegt.
-
Ist eine el. Heizung mit hoher Leistung
installiert und diese hohe el. Leistung auch verfügbar, so wird
diese bevorzugt von Anfang an abgerufen, um den Warmlauf zu unterstützen.
-
Velfach ist jedoch nicht genügend el.
Leistung verfügbar,
insbesondere bei hoher Belastung des Bordnetzes mit Nebenverbrauchern
oder bei schwacher Batterie. Im Extremfall kann dies bedeuten, dass
ohne die im Normalzustand verfügbare
el. Energie auch ein Übergang
zum erfindungsgemäßen Betrieb
mit sehr starker Verstellung der Einspritzung in Richtung Kraftstoffmehrverbrauch
nicht möglich ist.
-
Im Vergleich zum direkten PTC-Zuheizer
im Kabinenluftmassenstrom stellt dies zwar immer noch keine Verschlechterung
dar, da dieser unter derartigen Randbedingungen auch nicht betrieben
werden kann, dennoch ist dies für
den Fahrer nur ein unbefriedigender Zustand. Ist die Maßnahme zur
temporären
Abwärmeerhöhung darüber hinaus
emissionsrelevant, z.B. für
das Freibrennen des Dieselfilters, so kommen neben den Komforteinbußen auch schnell
Dauerhaltbarkeitsgesichtspunkte hinzu sowie das Risiko gegen Abgasgesetze
zu verstoßen.
-
Für
diese Betriebsbedingungen wird als weitere Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgeschlagen, die Vorrichtung 30 zur externen el. Beheizung
der Verbrennungsluft el. zu beheizen aber nicht oder nur sehr wenig
mit Gas zu durchströmen,
indem z.B. die Abgasrückführung deaktiviert
ist, so dass sich die el. Heizvorrichtung auf eine hohe Temperatur
aufheizt und das erfindungsgemäße Verfahren
erst nach dem Aufheizen zu einzuleiten. Die gespeicherte Wärmemenge
wird dann, beispielsweise durch das Aktivieren der Abgasrückführung, schlagartig
verfügbar
und erlaubt damit eine sehr weitreichende Verstellung der Verbrennung.
Wie anhand 6 deutlich
wird, lässt
sich damit sprungartig eine sehr hohe Wärmemenge generieren, wobei gleichzeitig
auch die Abgastemperatur steigt. Die steigende Abgastemperatur kompensiert
dabei nach und nach den Abfall der an der el. Heizvorrichtung verfügbaren Wärmemenge.
Auf diesem Wege ist es möglich,
es trotz limitierter el. Leistung dennoch in den Bereich stark erhöhter Abwärme zu gelangen. Ohne
diese Verfeinerung ist es unter vergleichbaren Randbedingungen bestenfalls
unter Inkaufnahme von transienten Phasen erhöhten Verbrennungsgeräusches möglich, die
kritische Menge an zusätzlicher
Wärme umzusetzen,
um mit begrenzter el. Leistung die volle Verstellung der Verbrennung
einzuleiten.
-
Diese Vorgehensweise ist grundsätzlich während des
Warmlaufs möglich
und insbesondere vorteilhaft, um die Kosten für die el. Heizung und die assoziierten
Systemkomponenten klein zu halten.
-
Aber auch bei Anwendungen, die bei
teilweise bzw. vollständig
erwärmtem
Motor und damit bei relativ geringer Reibleistung noch eine hohe
Abwärme
generieren wollen, ist diese Verfahrensvariante mit transienter
Nutzung der externen el. Beheizung der Verbrennungsluft von ganz
besonderem Interesse. Selbst wenn beispielsweise nur 10A im 12V-Bordspannungsnetz
für die
el. Beheizung bereitgestellt werden können, kann so letztendlich
doch in Bereiche sehr hoher Verstellung der Brennstoffumsetzung in
Richtung früh
vorgedrungen werden, wie sie bei permanenter Gasdurchströmung del
el. Zuheizung nur bei einem Veilfachen des el. Stroms, d.h. z.B. 100A
anstelle von 10A, möglich
wäre.
-
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die insbesondere auf
Fahrsituationen von PKW mit hocheffizienten TDI-Motoren mit Abwärmedefizit
abzielen, stehen im Falle der zusätzlichen externen el. Vorwärmung der
Verbrennungsluft in Konkurrenz zu der grundsätzlichen Möglichkeit hochmoderner PKW-Dieselmotoren,
in Verbindung mit den übrigen Merkmalen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereits ohne die el. Vorwärmung
ein hinreichendes Verstellpotenzial zu erzielen.
-
6 zeigt
anhand der Werte für
die Kraftstoffverbräuche
und die Gastemperaturen in Abhängigkeit
vom Brennbeginn, welche insbesondere in Verbindung mit den zugehörigen Werten
für den Druck
sowie für
den durch Druck und Temperatur maßgeblich beeinflussten Zündverzug
zu sehen sind, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorschlägt, alle üblichen
Grenzen heutiger PKW-TDI-Dieselmotoren
bezüglich
der Verstellung des Brennbeginns bei geringer Motordrehzahl und Last
zu überschreiten.
-
Ohne die spezifische Reduktion des
Kühlmitteldurchsatzes
und teilweise auch ohne die transienten Methoden zum Überleiten
vom Normalbetrieb in den Betrieb mit extremer Verstellung, wäre dies
nur sehr bedingt möglich.
Insbesondere hilft hier die externe el. Beheizung, auch die extremsten
Anforderungen zu erfüllen.
Speziell im Vergleich zu der beschriebenen Vorgehensweise, mittels
mehrer sehr kurzer und sehr früher
Einspritzungen bzw. Verbrennungen das Temperatur- und Druckniveau
der zweiten und gegebenenfalls dritten und vierten Einspritzung
anzuheben und damit das Verbrennungsgeräusch zu minimieren, bleibt
die externe el. Erwärmung
in Bezug auf Maximierung der Abwärme
im Vorteil. Dies liegt zum einen daran, dass die Brennstoffumsetzung
der einzelnen Einspritzungen bei gleichem Geräuschniveau höher gewählt werden kann,
so dass die Umsetzung im zeitlichen Mittel früher erfolgt. Ganz wesentlich
ist darüber
hinaus jedoch die Tatsache, dass die Erwärmung des Brenngases mittels
der ersten Verbrennungen trotz der erheblichen Wandwärmeverluste
bei früher
Einspritzung stets auch einen Beitrag zum Drehmoment des Motors
liefert. Gerade dieser ist aber bei Abwärmedefizit nicht erwünscht und
begrenzt das Variationspotenzial bezüglich der umsetzbaren Kraftstoffenergie.
Analoges gilt für
die Variante mit mehrfacher später
Einspritzung, wobei dort die Wärmebilanz
bezüglich
der Motor-Innenerwärmung
noch wesentlich schlechter ausfällt.
Die el. Beheizung erfolgt im Gegensatz hierzu außerhalb des Brennraums und
liefert keinen Beitrag zum Motordrehmoment. Im Gegenteil, die erhöhte el.
Last erhöht
das Motordrehmoment sogar und führt
auf diesem Wege zu einer zusätzlichen Erweiterung
der realisierbaren Abwärme.
-
Vor diesem Hintergrund bleibt festzuhalten, dass
sich die wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der assoziierten Bauteile auf Fahrzeuge mit und ohne externe
el. Beheizung der Verbrennungsluft erstreckt und nicht zuletzt vom
Ausmaß des
Wärmedefizits
abhängt.