DE2523408A1

DE2523408A1 - Verfahren und einrichtung zur vorwaermung der ansaugluft von gemischverdichtenden brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2523408A1
Application number: DE19752523408
Authority: DE
Inventors: Axel Dr Ing Koenig; Holger Dipl Ing Menrad
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1976-12-16

Description

2523A08

VOLKSWAGEIiWERK
Aktiengesellschaft

518 Volfsburg

Unsere Zeichen: K 1975
1702-pt-we-hr

26. 5. 75

Verfahren und Einrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft von gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft von gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen während des Kaltstarts und Warmlaufe, insbesondere von Brennkraftmaschinen, die mit Kraftstoffen mit niedrigem Dampfdruck, vorzugsweise mit Methanol, betrieben sind.

Pur einen erfolgreichen Kaltstart einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Otto-Motors für Kraftfahrzeuge, ist es erforderlich, daß bei der gerade vorhandenen Umgebungstemperatur der zugeführte Kraftstoff in ausreichender Menge verdampft und mit der angesaugten Verbrennungsluft ein zündfähiges Gemisch bildet» Damit dies auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen möglich ist, wird dazu bei den herkömmlichen Kraftstoffen für Otto-Motoren die Siedecharakteristik durch eine entsprechende Variation der Kraftstoffzusammensetzung in weiten Bereichen mit Erfolg verändert.

Wird dagegen ein Einkomponentenkraftstoff oder ganz allgemein ein Kraftstoff mit niedrigem Dampfdruck, beispielsweise ein Alkohol und insbesondere das in jüngerer Zeit bevorzugt als Altemativkraftstoff herausgestellte Methanol, eingesetzt, dann liegt der Dampf-

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druck und damit der Partialdruck in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch fest und auf so niedriger Stufe, daß bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein zündfähiges Gemisch nicht mehr gebildet werden kann. So befindet sich beispielsweise bei Methanol die unterste Grenze, bei der sich noch durch Sättigung von Luft mit Methanoldampf ein zündfähiges Gemisch erzielen läßt, bei ca. 18° C. Im praktischen Anwendungsfall läßt sich wegen der während des Kompressionstaktes in den Arbeitsräumen des Motors erzeugten Kompressionswärme noch bis hinunter zu etwa 10° C ein Kaltstart durchführen; bei tieferen Temperaturen sind jedoch zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. der Einsatz eines zusätzlichen Startkraftstoffes, das Vorwärmen des Motors oder dergleichen notwendig. Sas Vorwärmen der Ansaugluft in einem abgasbeheizten Wärmetauscher reicht dagegen allein nicht aus, da das zur Heizung benötigte Abgas selbst erst nach einigen Arbeitstakten der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.

B®r Einsatz eines Startkraftstoffes ist jedoch ungünstig, weil dazu eia zusätzlicher Tank sowie ein zusätzliches Kraftstoffzuführungssystem im Fahrzeug vorgesehen sein müßte und weil darüber hinaus dieser Kraftstoff über ein besonderes Verteilungssystem verteilt werden müßte. Eine Vorwärmung des Motors scheidet zumindest bei Privatkraftfahrzeugen aus, insbesondere auch deswegen, weil die Batterie als einziges Energiereservoir an Bord des Fahrzeuges bei niedrigen Außentemperaturen, also gerade dann, wenn ihr Einsatz für die Vorwärmung des Motors erforderlich wäre, in ihrer Leistung ohnehin stark abfällt und somit bei Heranziehung als Energiequelle für eine Motorvorwärmung völlig überlastet wäre.

Me der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, trotz Verwendung eines Kraftstoffes mit niedrigem Dampfdruck, vorzugsweise von Methanol, einen einwandfreien Kaltstart und Warmlauf bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine zu erzielen.

Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Vorwärmung der Ansaugluft vorgeschlagen, bei dem eine kleine Menge

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des Kraftstoffes vor der Hauptkraftstoffzuführeinrichtung dem Luftansaugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt, mit einem Teil der das Luftansaugrohr durchströmenden Ansaugluft nach Vorwärmung zu einem zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisch vermischt und anschließend nach der Zündung durch eine Zündvorrichtung verbrannt wird. Die bei niedrigen Außentemperaturen erforderliche Wärmemenge zur Bildung eines zündfähigen Gemisches wird also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Verbrennung eines kleinen !Teils des Kraftstoffes in dem Luftansaugrohr zur Verfügung gestellt. Bei Methanol genügt beispielsweise die Verbrennung von etwa 2 % des insgesamt zuzuführenden Kraftstoffes, um die für die Gemischbildung mit der Hauptmethanolmenge notwendige Verbrennungsluft um 50°, beispielsweise von minus 20° C auf plus 50° C, vorzuwärmen. Selbstverständlich muß auch zur Aufbereitung dieser kleinen Methanolmenge eine Vorwärmung vorgesehen werden, damit ein zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann* Die hierfür benötigte Energiemenge ist jedoch relativ gering und kann ohne Schwierigkeiten der Fahrzeugbatterie entnommen werden.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll die Menge des zur Ansaugluft-Vorwärmung zugeführten Kraftstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft und von dem Luftdurchsatz gesteuert werden. Dabei muß die Kraftstoffmenge mit steigendem Luftdurchsatz und sinkender Ansauglufttemperatur vergrößert werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, die eine in dem Luftansaugrohr der Brennkraftmaschine vor der Hauptkraftstoffzuführeinrichtung angeordnete Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer kleinen Menge des Kraftstoffes in die Ansaugluft, eine Mischvorrichtung zur Vermischung des eingespritzten Kraftstoffes mit einem Teil der das Luftansaugrohr durchströmenden Luft und Vorrichtungen zur Vorwärmung und Zündung des in der Mischvorrichtung gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches aufweist. Dabei kann die Einspritzvorrichtung eine in das

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Ansaugrohr hineinreichende Einspritzdüse und ein der Einspritzdüse vorgeschaltetes, in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft und dem Luftdurchsatz gesteuertes Dosierventil aufweisen. Die Mischvorrichtung wird durch ein in dem Luftansaugrohr gehaltenes, in Spritzrichtung hinter der Einspritzdüse angeordnetes offenes Eohr gebildet, das in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sich konisch erweiternd mit über den Umfang und die Länge verteilt angeordneten Lufteintrittsbohrungen ausgebildet ist. Schließlich soll in dem Eohr eine Glühspirale zur Vorwärmung und Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen sein. Die Anordnung des konischen, mit der Glühspirale versehenen Mischrohres unmittelbar hinter der Einspritzdüse gewährleistet eine günstige Aufbereitung und Zündung des zur Vorwärmung der Ansaugluft eingespritzten Kraftstoffes, wobei durch die besondere Gestaltung des Mischrohres mit den an seinem Mantel angeordneten Querbohrungen zum zusätzlichen Zutritt von Ansaugluft in das Innere des Mischrohres sichergestellt wird, daß ohne eine genaue Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmenge an die durch das Mischrohr durchströmende Luftmenge stets in einem Querschnitt des Mischrohres ein zünifähiges Gemisch gebildet wird.

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in teils schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 ein Schaltschema des Luftansaugsystems einer mit Methanol alο Kraftstoff arbeitenden Brennkraftmaschine und

Figur 2 einen Ausschnitt aus dem Luftansaugrohr mit der erfindungsgemäßen Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung.

In der Figur. 1 ist mit 1 eine herkömmliche Qtto-Brennkraftmaschine in ihren Umrissen gezeigt, die über eine Gemischansaugleitung 5 si*¹ in einem Vergaser 4 erzeugtes Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt. Mit ist ein Luftfilter bezeichnet, dem ein Luftansaugrohr 2 vorgeschaltet

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ist, das sich in einen Kaltluft-Ansaugstutzen 7 und- in einen Warmluft-Ansaugstutzen 8 gabelt. Während über den Kaltluft-Ansaugstutzen

7 Luft unmittelbar aus der Umgebung angesaugt wird, führt der Warmluft-Ansaugstutzen 8 Frischluft, die in einem Wärmetauscher 9 vorgewärmt ist, der mit durch eine Abgasleitung 6 strömendem Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt ist. An der gemeinsamen Einmündung des Kaltluft-Ansaugstutzens 7 und des Warmluft-Ansaugstutzens

8 in das Luftansaugrohr 2 ist eine Steuerklappe 10 angeordnet, die in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der mittels eines Temperaturfühlers 11 gemessenen Temperatur der Ansaugluft betätigt wird. Hit 16 ist die dazu erforderliche Wirkleitung angedeutet. Die Betätigung der Steuerklappe 10 wird dabei so vorgenommen, daß insbesondere während des Kaltstarts und in der Warmlaufphase der Kaltluft-Ansaugstutzen 7 abgesperrt ist, so daß nur Luft über den Warmluft-Ansaugstutzen 8 angesaugt werden kann. Überschreitet die Temperatur der angesaugten Luft einen bestimmten Wert, dann wird die Steuerklappe 10 zunehmend zur Öffnung des Kaltluft-Ansaugstutzens 7 geöffnet, so daß sich in dem Luftansaugrohr 2 eine Mischtemperatur entsprechend dem Verhältnis von warmer und kalter Ansaugluft einstellt.

Da nun jedoch während des Kaltstarts einer solchen Brennkraftmaschine in dem Wärmetauscher 9 noch keine oder nicht genügend Abgaswärme zur Verfügung steht, um die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft auf genügend hohe Temperaturen vorzuwärmen, wird zur Gewährleistung eines sicheren Starts und eines einwandfreien Warmlaufs der Einsatz einer besonderen Luftvorwärmeinrichtung erforderlich. Dazu wird gemäß der Erfindung ein kleiner Teil des durch die Brennkraftmaschine durchgesetzten Kraftstoffes

in dem Luftansaugrohr/zur Vorwärmung der Ansaugluft verbrannt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher, wie in der Figur 2 gezeigt ist, eine in das Luftansaugrohr 2 hineinragende Kraftstoff-Einspritzdüse 12 vorgesehen, die über eine Kraftstoffleitung 12a mit einem Dosierventil 13 verbunden ist, das die in das Luftansaugrohr 2 einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft und dem Luftdurchsatz durch das

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Luftansaugrohr 2 steuert. Dazu wird von einer Pumpe 17 Kraftstoff aus dem mit 18 angedeuteten Kraftstofftank über ein Druckhalteventil 16 in das Dosierventil 1J gepumpt, das die überschüssige Kraftstoffmenge über eine Eücklaufleitung 19 in den Kraftstofftank 18 zurücklaufen läßt. Das Dosierventil 13 ist, wie in der figur 1 schematisch angedeutet ist, über eine Wirkleitung I4 mit dem Temperaturfühler 11 zur Erfassung der Temperatur der durch das Luftansaugrohr 2 strömenden Ansaugluft und über eine Wirkleitung 15 mit dem Vergaser 4 zur Erfassung des Unterdrücke in der Venturi-Düse verbunden. Dex sich in der Venturi-Düse des Vergasers einstellende Unterdruck ist nämlich ein Maß für den Luftdurchsatz und wird zur Steuerung des Dosierventils herangezogen.

Wie aus der Figur 2 der Zeichnung weiter hervorgeht, ist die Einspritzdüse 12 in einer mit einem Innengewinde versehenen Einschraubhülse 20 eingeschraubt, die im Bereich eines fiohrkrümmers des Luftansaugrohres 2 beispielsweise durch eine Schweißung befestigt ist. Di© Achse der Einspritzdüse 12 ist dabei etwa tangential zur Achse des Eohrkrümmers in Richtung der durch die Pfeile 25 angedeuteten Luftströmung ausgerichtet. Unmittelbar hinter der Einspritzdüse 12 befindet sich in dem Luftansaugrohr 2 eine Mischvorrichtung zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein konisch in Spritzrichtung sich erweiterndes fiohr 21 mit am Mantel angeordneten Querbohrungen 22 besteht. Dieses Mischrohr ist über Tragarme 24 an der Wandung des Luftansaugrohres 2 gehalten und weist in ssinem Innern eine Glühspirale 23 auf, die,wie hier nicht weiter gezeigt ist, zur Stromversorgung mit der Fahrzeugbatterie verbunden ist.

Diese Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung arbeitet nun in der Weise, daß während des Kaltstarts und der Warmlauf phase der mit einem Kraftstoff mit niedrigem Dampfdruck, 'beispielsweise mit Methanol, betriebenen Brennkrafianaschine ein kleiner Teil der insgesamt in der Brennkraftmaschine verbrauditen Kraft stoff menge in dem Luftansaugrohr bei niedrigen Außentemperaturen verbrannt wird. Dazu wird

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Kraftstoff mittels der Einspritzdüse 12 in das Mischrohr 21 eingespritzt, indem es sich mit einem !Teil der durch das Luftansaugrohr 2 strömenden kalten Luft vermischt. Die kalte Luft tritt dabei sowohl durch die offene Stirnfläche des konischen Mischrohr es als auch durch die an seinem Mantel vorgesehenen Querbohrungen, so daß das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff über die Länge des Mischrohres verändert wird. Die Verhältnisse sind dabei so abgestimmt, daß in jedem Fall innerhalb des Mischrohres sich ein zündfähiges Kraftstoff- !»uft-Gemisch bildet, das dann durch die Glühspirale 25 gezündet wird. Gleichzeitig dient diese Glühspirale 25 dazu, die in das Mischrohr gelangende Luft und den Kraftstoff zu erwärmen, so daß es überhaupt zur Ausbildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann. Die dazu erforderliche Energie ist jedoch wegen der im Verhältnis zum angesaugten Luftvolumen sehr kleinen Menge des zur Vorwärmung entzündeten Gemisches gering und kann ohne Schwierigkeiten der Fahrzeugbatterie entnommen werden.

Wie bereits oben erwähnt wurde, reicht bei der Verwendung von Methanol als Kraftstoff eine Menge von etwa 2 % des gesamten für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine zuzuführenden Kraftstoffes

.von aus, um die Verbrennungsluft um 50°> also/beispielsweise minus 20° C auf+50° C, vorzuwärmen. Die Vorwärmung der Luft durch Verbrennung eines kleinen Teils des Kraftstoffes in dem Saugrohr wird nun solange aufrechterhalten, bis die in dem Wärmetauscher 9 durch die Abgase der Brennkraftmaschine aufgeheizte Ansaugluft eine zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreichende Temperatur erreicht hat. Die Menge des in das Luftansaugrohr eingespritzten Kraftstoffes hängt dabei einmal von der Temperatur der Ansaugluft und zum anderen von dem Luftdurchsatz durch das Ansaugrohr ab, weshalb das der Einspritzdüse 12 vorgeschalteten und die einzuspritzende Kraftstoffmenge zuteilende Dosierventil 12 in Abhängigkeit von der mit dem Temperaturfühler 11 gemessenen Ansauglufttemperatur und zum anderen von dem in der Venturi-Düse des Vergasers 4 erfaßten Unterdruck gesteuert wird. Das Dosierventil 15 vergrößert dabei die über die Leitung 12a zur Einspritzdüse 12

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fließende Kraftstoffmenge "bei größer werdendem Luftdurchsatz durch das Luftansaugrohr und bei absinkender Lufttemperatur und verringert dementsprechend die einzuspritzende Kraftstoffmenge bei steigender Lufttemperatur und kleiner werdendem Luftdurchsatz. Das von der Erfindung vorgeschlagene Verfahren bzw. die dieses Verfahren ausführende Einrichtung ermöglicht es also ohne Schwierigkeiten eine mit einem Kraftstoff mit niedrigem Dampfdruck, insbesondere mit Methanol; betriebene Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Außentemperaturen sicher zu starten und während der Warmlaufphase in Beiaieb zu halten. Die dafür zusätzlich aufzuwendenden Mittel und der Energiebedarf
bleiben relativ gering und es kann vor allem der auch für die Verbrennung in den Arbeitsräumen der Brennkraftmaschine verwendete
Kraftstoff ohne Änderung verwendet werden. .

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Claims

ANSP EtiC H E

.'■ Verfahren zur Vorwärmung der Ansaugluft von gemischverdichten- ^--^ den Brennkraftmaschinen während des Kaltstarts und Warmlaufs, insbesondere von Brennkraftmaschinen, die mit Kraftstoffen mit niedrigem !Dampfdruck, vorzugsweise mit Methanol, betrieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine kleine Menge des Kraftstoffes vor der Hauptkraftstoff-Zuführeinrichtung (4) im Luftansaugrohr (2) der Brennkraftmaschine (1) zugeführt, mit einem Teil der das Luftansaugrohr durchströmenden Ansaugluft nach Vorwärmung zu einem zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisch vermischt und anschließend nach der Zündung durch eine Zündvorrichtung (23) verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zur Ansaugluft-Vorwärmung zugeführten Kraftstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft gesteuert wird.
3· Verfahren nach Anspruchioder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zur Ansaugluft-Vorwärmung zugeführten Kraftstoffes in Abhängigkeit von dem Luftdurchsatz durch das Luftansaugrohr (2) gesteuert wird.
4· Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von dem unterdrück in dem Vergaser (4) der Hauptkraftstoff-Zuführeinrichtung gesteuert wird.
5· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4j gekennzeichnet durch eine in dem Luftansaugrohr (2) der Brennkraftmaschine (1) vor der Hauptkraftstoff-Zuführeinrichtung (4) angeordnete Einspritzvorrichtung (12, I3) zur Einspritzung einer kleinen Menge des Kraftstoffes in die Ansaugluft, durch eine Mischvorrichtung (21) zur Vermischung des eingespritzten Kraftstoffes mit einem Teil der das Luftansaugrohr

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durchströmenden luft und durch Vorrichtungen (25) zur Vorwärmung und Zündung des in der Mischvorrichtung gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches.
6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung eine in das Luftansaugrohr (2) hineinreichende Einspritzdüse (12) und ein der Einspritzdüse vorgeschaltetes, in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft und dem Luftdurchsatz durch das Luftansaugrohr gesteuertes Dosierventil (15) aufweist.
7> Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischvorrichtung durch ein in dem Luftansaugrohr (2) gehaltenes, in Spritzrichtung hinter der Einspritzdüse (12) angeordnetes offenes Rohr (21) gebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Bohr (21) sich konisch erweiternd mit über den Umfang und die Länge verteilt angeordneten Lufteintrittsbohrungen (22) ausgebildet ist.

9· Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und. 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mischrohr (21) eine elektrisch beheizbare Glühspirale (25) zur Vorwärmung und Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist.

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