DE10135695C1 - Verfahren zum Vorwärmen einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Vorwärmen einer Kolbenbrennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinder (30) aus, dessen Füllung durch mindestens ein Einlassventil (20) und ein Auslassventil (24) gesteuert wird, die sich am Ende eines Auslasstakts und am Anfang eines Einlasstakts in ihren Öffnungszeiten überschneiden, mit einem dem Zylinder (30) zugeordneten Einspritzventil (32) für Kraftstoff und einer Zündhilfe (26), mit einer durch einen Elektromotor antreibbaren, externen Luftquelle (38, 48). Es wird vorgeschlagen, dass bei Stillstand der Kolbenbrennkraftmaschine (10) mindestens ein Zylinder (30), dessen Einlassventil (20) und Auslassventil (24) gleichzeitig offen stehen oder in eine solche Position gebracht werden, als Brennraum (12) zu Heizzwecken dient, indem ihm die Luftquelle (38, 48) durch einen Einlasskanal (18) Verbrennungsluft und das Einspritzventil (32) Kraftstoff zuführt, die Zündhilfe (26) das Kraftstoff-Luftgemisch zündet und die Verbrennungsgase über einen Auslasskanal (22) abgeführt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Vorwärmen einer Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Bei verbrauchsoptimierten Kolbenbrennkraftmaschinen, z. B. mit einer direkten Benzineinspritzung, mit einer Diesel­ kraftstoffeinspritzung unter Hochdruck nach dem Commonrail- Prinzip oder ähnlichen Konzepten und/oder bei hoch aufgela­ dene Kolbenbrennkraftmaschinen, steht wegen des verbesserten Wirkungsgrads immer weniger Heizleistung zur Verfügung. Eine größere Heizleistung ist aber wünschenswert, um die Kolben­ brennkraftmaschine und gegebenenfalls einen Abgaskatalysator nach dem Start möglichst schnell auf die optimale Betriebs­ temperatur zu bringen, damit die Schadstoffemission in einem umweltverträglichen Rahmen gehalten wird. Ferner sollte die Heizleistung ausreichen, um aus Gründen des Komforts bei kalter Witterung einen Innenraum eines Fahrzeugs zu beheizen und Fahrzeugscheiben zu enteisen.

Diese Problematik tritt ebenso bei Hybridantrieben verstärkt auf, bei denen die Brennkraftmaschine nur während eines Bruchteils der Betriebszeit als Antrieb dient, während in der übrigen Betriebszeit das Fahrzeug aus einem Energiespei­ cher, z. B. in Form eines Schwungrads, eines elektrischen Ak­ kumulators, eines Druckspeichers oder einer Brennstoffzelle betrieben wird. Derartige Antriebe benötigen während der Standby-Phase der Brennkraftmaschine eine zusätzliche Wärme­ quelle zum Beheizen des Innenraums und des Katalysators. Zu diesem Zweck wird bereits heute in Serienfahrzeugen die Brennkraftmaschine bedarfsweise gestartet, um die notwendige Heizleistung zur Verfügung zu stellen. Die Vorteile des Hy­ bridkonzepts, nämlich keine Abgasemission und geringer Ener­ gieverbrauch im Standby-Modus sowie bei kleinen Geschwindig­ keiten auf Grund der dann nicht notwendigen Brennkraftma­ schine, werden dadurch wieder zunichte gemacht.

Aus der DE 199 23 878 A1 ist eine Vorrichtung zum Beheizen eines Kraftfahrzeugs bekannt. Sie weist ein von einem An­ trieb über eine Achse bewegbares Teil auf, das in der Nähe eines Magneten angeordnet ist und bei einer Relativbewegung gegenüber den Magneten einen Wirbelstrom induziert. Die da­ bei entstehende Wärme wird einer zu beheizenden Einheit des Kraftfahrzeugs, z. B. einem Innenraum des Kraftfahrzeugs oder seinem Antrieb selbst zugeführt. Als Antrieb des bewegbaren Teils wird bevorzugt die Brennkraftmaschine des Kraftfahr­ zeugs verwendet, um eine hohe Heizleistung zur Verfügung zu stellen und nicht durch einen elektrischen Antrieb oder eine elektrische Zusatzheizung das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs zu belasten. Durch das Beheizen des Antriebs, z. B. der Brennkraftmaschine, kann dieser in einem in Bezug auf die Emission und den Verbrauch günstigen Arbeitspunkt betrieben werden. Allerdings erfordert die zusätzliche Hei­ zung einen erheblichen Bauaufwand und bedingt, dass die Brennkraftmaschine während der Heizzeit mitläuft.

Es sind außerdem Zu- und Standheizgeräte für Kraftfahrzeuge bekannt, die mit Kraftstoff betrieben werden, der in der Heizphase in einer Brennkammer kontinuierlich verbrannt wird. Die kontinuierliche Verbrennung ist gut steuerbar und erzeugt daher eine relativ geringe Schadstoffmenge. Das Heizgerät dient sowohl zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums als auch zum Erwärmen der Brennkraftmaschine. Sie wird im Stand des Kraftfahrzeugs und/oder der Brennkraftmaschine eingesetzt, aber auch im Betrieb der Brennkraftmaschine, wenn die Heizleistung der Brennkraftmaschine nicht aus­ reicht. Ein solches Heizgerät erfordert eine Vielzahl von Steuer- und Regelmitteln. Es vergrößert außerdem erheblich den üblichen Bauaufwand und das Gewicht. Ferner beansprucht es zusätzlichen Bauraum.

Aus der DE 195 18 317 A1 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, der in Abhängigkeit von Betriebsparametern im Bedarfsfall zusätzlich von einem Elek­ tromotor angetrieben wird.

Vorteile der Erfindung

Nach der Erfindung wird die Kolbenbrennkraftmaschine bei Be­ darf im Stillstand als Standheizung benutzt, wobei minde­ stens ein Zylinder, dessen Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig offen stehen oder in eine solche Position ge­ bracht werden, als Brennraum zu Heizzwecken dient. Hierzu führt eine durch einen Elektromotor antreibbare, externe Luftquelle Verbrennungsluft zu, während das Einspritzventil Kraftstoff in die Einlassleitung oder direkt in den Brenn­ raum einspritzt. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird dann durch eine Zündhilfe, z. B. in Form einer Zündkerze, einer Glühker­ ze oder eines Glühstifts gezündet und die Verbrennungsgase über einen Auslasskanal abgeführt.

In vorteilhafter Weise können die für den Betrieb der Kol­ benbrennkraftmaschine als Antriebsmaschine vorhandenen Kom­ ponenten auch für den Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine als Standheizung verwendet werden, insbesondere die Kraft­ stoffeinspritzvorrichtung, die Zündhilfen, elektronische Steuergeräte und Sensoren, z. B. Temperatur-, Drucksensoren, Lambdasonden, Luftmassenmesser, Klopfsensoren und dgl. Mit diesen Hilfsmitteln kann die Verbrennung in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen präzise gesteuert werden. Sie läuft quasi kontinuierlich ab, so dass eine schadstoff­ arme Verbrennung mit einem hohen Wirkungsgrad realisierbar ist.

Um eine Gefahr völlig auszuschließen, dass beim Start des Heizbetriebs eine Rückzündung in den Einlasskanal stattfin­ det, ist es zweckmäßig, dass die Luftquelle mit einem vorge­ gebenen Zeitabstand vor der Kraftstoffzufuhr gestartet wird. Dadurch ergibt sich bereits bei der Zündung des Kraftstoffs eine stabile Strömung vom Einlasskanal zum Auslasskanal. Diese kann ferner dadurch unterstützt werden, dass das Ein­ lassventil weniger weit geöffnet ist als das Auslassventil, so dass eine Rückströmung in den Einlasskanal stärker ge­ drosselt würde als die Strömung in den Auslasskanal.

Als Luftquelle kann eine zusätzliche Luftpumpe verwendet werden. Um Bauaufwand und Gewicht einzusparen, ist es vor­ teilhaft, vorhandene Aggregate zu verwenden, z. B. ein Luft­ gebläse, das zum Erzeugen von Sekundärluft für ein Abgassy­ stem vorgesehen ist oder ein Lader, der durch Fremdkraft elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch antreibbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit einer variablen Ansteue­ rung der Einlassventile und Auslassventile angewendet wer­ den. In diesem Fall können ein oder mehrere Brennräume für den Heizbetrieb verwendet werden, indem ihre Einlassventile bzw. ihre Auslassventile durch die variable Ansteuerung in die gewünschte Position gebracht werden. Ist eine variable Ansteuerung der Ventile nicht vorgesehen, besteht die Mög­ lichkeit von den Zylindern der Brennkraftmaschine den Zylin­ der mit der größten Ventilüberschneidung auszuwählen. Dies ist über eine Auslauferkennung bzw. Drehzahlerfassung leicht möglich. Im übrigen kann es vorteilhaft sein, durch kurzzei­ tiges Betätigen eines Starters der Kolbenbrennkraftmaschine die Stellung der Ventile und/oder die Stellung des Kolbens und damit das Volumen des Brennraums in Bezug auf die Ver­ brennung zu optimieren.

Die bei der Verbrennung erzeugten heißen Brenngase geben ei­ nen Teil der Wärme über die Wände des Brennraums an die an­ grenzenden Bauteile und an das Kühlsystem der Brennkraftma­ schine ab. Ferner beheizen sie beim Ausströmen über das Ab­ gassystem der Kolbenbrennkraftmaschine in vorteilhafter Wei­ se einen Abgaskatalysator, der dadurch bei einem späteren Start der Kolbenbrennkraftmaschine bereits seine optimale Betriebstemperatur erreicht hat, so dass die Schadstoffemis­ sionen beim Start deutlich reduziert sind.

Um den Fahrzeuginnenraum stärker zu beheizen, ist es vor­ teilhaft, dass in dem Kühlmittelkreislauf der Kolbenbrenn­ kraftmaschine eine mit einer Fremdkraft betriebene Pumpe vorgesehen ist, die bei Bedarf das erwärmte Kühlmedium der Brennkraftmaschine über ein Steuerventil einem Heizungswär­ metauscher zuführt. Durch das Umwälzen des Kühlmediums der Kolbenbrennkraftmaschine in einem kleinen Kreislauf über den Heizungswärmetauscher werden gleichzeitig alle wesentlichen Teile der Kolbenbrennkraftmaschine vorgewärmt, so dass der Start, insbesondere bei niedrigen Temperaturen verbessert wird. Ebenso reduzieren sich dadurch die Schadstoffrohemis­ sionen erheblich.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungs­ beschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombina­ tion. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine zum Durchführen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Von einer Kolbenbrennkraftmaschine 10 ist ein Teilquer­ schnitt durch einen Zylinderkopf 14 und einen Zylinder 30 dargestellt. Der Zylinder 30 wird von einem Kühlmantel 28 umgeben, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Er schließt zusammen mit dem Zylinderkopf 14 und einem Kolben 16 einen Brennraum 12 ein. Bei einer üblichen mehrzylindri­ gen Kolbenbrennkraftmaschine 10 sind mehrere gleiche Zylin­ der 30 in einer oder mehreren Reihen angeordnet. Im Zylin­ derkopf 14 ist ein Einlasskanal 18 vorgesehen, durch den bei einem geöffneten Einlassventil 20 Verbrennungsluft in Pfeil­ richtung einströmt. Ein Einspritzventil 32 für Kraftstoff mischt der einströmenden Verbrennungsluft Kraftstoff in ei­ ner geeigneten Menge bei. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird im Brennraum 12 mittels einer Zündhilfe 26 in Form einer Zünd­ kerze, eines Glühstifts oder Glühkerze gezündet. Die heißen Brenngase strömen über ein geöffnetes Auslassventil 24 in einen Auslasskanal 22, an den sich eine Abgasleitung 40 an­ schließt. In dieser ist eine Abgasturbine 50 eines Abgastur­ boladers 48 angeordnet, die durch einen Bypass 44 überbrückt werden kann. Ein Aktuator 42 steuert mittels eines Steueror­ gans 46 den Bypass 44 in Abhängigkeit von geeigneten Be­ triebsparametern. Die Abgasturbine 50 treibt über eine Welle einen Radialverdichter 52 an. Dieser fördert in Pfeilrich­ tung Verbrennungsluft zum Einlasskanal 18. Der Radialver­ dichter 52 kann alternativ oder zusätzlich zur Abgasturbine 50 von einem Elektromotor 62 angetrieben werden, der im Be­ darfsfall über eine Signalleitung 58 von einem Steuergerät 36 angesteuert wird. In Strömungsrichtung hinter der Abga­ sturbine 50 befindet sich ein Abgaskatalysator 54. In der Zuleitung zum Abgaskatalysator 54 ist eine Lambdasonde 60 angeordnet, die über eine Signalleitung 58 mit dem Steuerge­ rät 36 verbunden ist. Anstelle des Abgasturboladers 48 kann auch ein geeigneter volumetrischer Lader treten, der mecha­ nisch, elektrisch oder hydraulisch angetrieben wird.

Die Kolbenbrennkraftmaschine 10 kann ein Luftgebläse 38 be­ sitzen, das ebenfalls über eine Signalleitung 58 an dem Steuergerät 36 angeschlossen ist und zum einen während des Betriebs der Kolbenbrennkraftmaschine 10 als Antriebsmaschi­ ne Sekundärluft über eine Sekundärluftleitung 56 vor dem Ab­ gaskatalysator 54 in die Abgasleitung 40 einspeist und zum anderen während des Heizbetriebs über eine Luftzuführung 34 Verbrennungsluft in den Einlasskanal 18 fördert. An dem Steuergerät 36 sind ferner eine Auslauferkennung bzw. Dreh­ zahlerfassung 76 und ein Temperatursensor 94 über Signallei­ tungen 58 angeschlossen.

Eine elektrisch angetriebene Pumpe 64 wälzt das Kühlmittel der Kolbenbrennkraftmaschine 10 in einem Kühlmittelkreislauf um, zu dem ein Kühler 68 mit einem Lüfter 70 und ein Hei­ zungswärmetauscher 72 mit einem Heizgebläse 74 gehören. Der Kühlmittelstrom kann durch ein Zwei-Dreiwegeventil 66 auf den Kühler 68 oder den parallel geschalteten Heizungswärme­ tauscher 72 aufgeteilt werden.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Verfah­ rens dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 78 wird die Funktion "Standheizung" aktiviert, d. h. die Kolbenbrenn­ kraftmaschine 10 und die notwendigen Einrichtungen werden in einen Standby-Zustand versetzt. Durch ein Signal, das per Funk oder durch eine Schaltuhr erzeugt werden kann, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 80 der Standheizungsmodus gestartet. Dabei werden die notwendigen System und Sicher­ heitsvoraussetzungen geprüft, z. B. ob ein Startsignal vor­ liegt und die Kolbenbrennkraftmaschine 10 still steht. Fehlt eine Voraussetzung, wird der Start abgebrochen. Sind alle Voraussetzungen erfüllt, wird in einem dritten Verfahrens­ schritt 82 bei einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschi­ ne 10 der Zylinder 30 ermittelt, bei dem das Einlassventil 20 und das Auslassventil 24 gemeinsam in geeigneter Weise geöffnet sind. Dies kann durch eine Auslauferkennung bzw. Drehzahlerfassung 76 geschehen, wobei zur Optimierung der Öffnungsquerschnitte der Ventile 20, 24 und des Volumens des Brennraums 12 ein nicht näher dargestellter Starter kurzzei­ tig betätigt werden kann. Bei Kolbenbrennkraftmaschinen 10 mit einer variablen Steuerung des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 kann jeder Zylinder 30 zu Heizzwecken ver­ wendet werden, da durch die variable Steuerung das Einlass­ ventil 20 und das Auslassventil 24 in eine geeignete Öff­ nungsposition gebracht werden können.

Bei geöffnetem Einlassventil 20 und Auslassventil 24 wird in einem vierten Verfahrensschritt 84 eine Luftquelle, z. B. ein separates, nicht näher dargestelltes Luftgebläse, das Luft­ gebläse 38 oder der Turbolader 48, gestartet, so dass Ver­ brennungsluft über die geöffneten Ventile 20, 24 durch den Brennraum 12 strömt. Kurz darauf setzt in einem fünften Ver­ fahrensschritt 86 die Kraftstoffeinspritzung durch das Ein­ spritzventil 32 in den Einlasskanal 18 ein, wobei die Luft­ zufuhr und die Kraftstoffeinspritzung so aufeinander abge­ stimmt sind, dass sich im Brennraum 12 ein zündfähiges Ge­ misch ergibt. Dieses wird durch die Zündhilfe 26 gezündet, die heißen Brenngase erwärmen den Zylinder 30 und den Kühl­ mantel 28 mit der Kühlflüssigkeit sowie die Bauteile, die sie beim Verlassen des Brennraums 12 und danach durchströ­ men, insbesondere einen Abgaskatalysator 54.

In einem sechsten Verfahrensschritt 88 wird zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums die Pumpe 64 gestartet, die die im Kühl­ mantel 28 erwärmte Kühlflüssigkeit über den Heizungswärme­ tauscher 72 fördert. Dabei wird der Zufluss zum Kühler 68 durch das Zwei-Dreiwegeventil 66 gedrosselt bzw. abgesperrt. Kurz darauf wird in einem siebten Verfahrensschritt 90 das Heizgebläse 74 gestartet und fördert nun Frischluft über den Heizungswärmetauscher 72 in den Fahrzeuginnenraum. Erreicht die Kühlflüssigkeitstemperatur einen vorgegebenen Sollwert oder werden Sollwerte anderer Regelparameter erreicht, wird in einem achten Verfahrensschritt 92 die Verbrennung im Brennraum 12 reduziert, indem die Luftzufuhr und die Kraft­ stoffzufuhr verringert werden, und die Temperatur der Kühl­ flüssigkeit auf einen Sollwert geregelt.

Kurz vor dem Start der Kolbenbrennkraftmaschine 10 als An­ triebsmaschine wird der Standheizungsbetrieb beendet und die Ausgangspositionen, z. B. der Einlassventile 20 und Auslass­ ventile 24, wieder angefahren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht man somit ohne großen Bauaufwand ein ef­ fektives, schadstoffarmes Beheizen des Fahrzeuginnenraums und Vorwärmung der Kolbenbrennkraftmaschine 10 mit ihren Ag­ gregaten und Bauteilen, insbesondere dem Brennraum 12 und dem Katalysator 54.

Claims (11)

1. Verfahren zum Vorwärmen einer Kolbenbrennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinder (30), dessen Füllung durch mindestens ein Einlassventil (20) und ein Auslassven­ til (24) gesteuert wird, die sich am Ende eines Auslasstakts und am Anfang eines Einlasstakts in ihren Öffnungszeiten überschneiden, mit einem dem Zylinder (30) zugeordneten Ein­ spritzventil (32) für Kraftstoff und einer Zündhilfe (26), mit einer durch einen Elektromotor antreibbaren, externen Luftquelle (38, 48), dadurch gekennzeichnet, dass bei Still­ stand der Kolbenbrennkraftmaschine (10) mindestens ein Zy­ linder (30), dessen Einlassventil (20) und Auslassventil (24) gleichzeitig offen stehen oder in eine solche Position gebracht werden, als Brennraum (12) zu Heizzwecken dient, indem ihm die Luftquelle (38, 48) durch einen Einlasskanal (18) Verbrennungsluft und das Einspritzventil (32) Kraft­ stoff zuführt, die Zündhilfe (26) das Kraftstoff-Luftgemisch zündet und die Verbrennungsgase über einen Auslasskanal (22) abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftquelle (38, 48) mit einem vorgegebenen Zeitabstand vor der Kraftstoffzufuhr gestartet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Luftquelle ein Luftgebläse (38) ist, das außerdem genutzt wird, um einem Abgassystem (40, 54) der Kolbenbrennkraftmaschine (10) während der An­ triebsphase Sekundärluft zuzuführen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Luftquelle ein Lader (48) ist, der durch Fremdkraft (62) antreibbar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kolbenbrennkraftmaschine (10) eine variable Ansteuerung der Einlassventile (20) und Aus­ lassventile (24) besitzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (20) minimal geöffnet ist, während das Auslassventil (24) ganz geöffnet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass durch kurzzeitiges Betätigen ei­ nes Starters der Kolbenbrennkraftmaschine (10) die Stellung der Ventile (20, 24) und/oder das Volumen des Brennraums (12) optimiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kolbenbrennkraftmaschine (10) in einem Hybridfahrzeug verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es im Standby-Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine (10) pri­ mär dazu verwendet wird, einen Abgaskatalysator (54) warm zu halten.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kolbenbrennkraftmaschine (10) einen Kühlmittelkreislauf aufweist, in dem eine mit einer Fremdkraft betriebene Pumpe (64), ein Heizungswärmetauscher (72) mit einem Heizgebläse (74) und ein Zwei/Dreiwegeventil (66) angeordnet sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass es durch eine Schaltuhr und/oder ein Funksignal gestartet wird.