NL9400015A

NL9400015A - Injection engine with fuel-heating element and controllable fuel-regulating device

Info

Publication number: NL9400015A
Application number: NL9400015A
Authority: NL
Inventors: Rikus Zwaantinus Von Pickartz
Original assignee: Pickartz Rikus Z Von
Priority date: 1994-01-06
Filing date: 1994-01-06
Publication date: 1995-08-01

Abstract

The invention relates firstly to an internal-combustion engine of the injection type, comprising at least one cylinder head with suction duct 1, at least one inlet valve 4 arranged in the cylinder head, at least one fuel injector 5 and at least one heating element 3. The heating element 3 lies outside the flow of fuel which is injected by the fuel injector 5. A fuel valve 7 can be moved into a position which is such that this fuel valve 7 brings the flow of fuel injected by the fuel injector 5 into contact with the heating element 3. <IMAGE>

Description

Inspuitverbrandingsmotor met brandstofverwarmingselement en regelbare brandstof sturende inrichting.Injection combustion engine with fuel heating element and controllable fuel-regulating device.

De uitvinding heeft in eerste instantie betrekking op een verbrandingsmotor van het inspuittype omvattende ten minste één cilinder met aanzuigkanaal, ten minste één in de cilinderkop aangebrachte inlaatklep, ten minste één brandstof injector en ten minste één verwarmingselement.The invention primarily relates to an injection-type combustion engine comprising at least one cylinder with suction channel, at least one inlet valve arranged in the cylinder head, at least one fuel injector and at least one heating element.

Een dergelijke verbrandingsmotor is bekend uit DE-C-3426469 en NL-A-8801334.Such a combustion engine is known from DE-C-3426469 and NL-A-8801334.

Gebleken is dat van de totale uitlaatgasemissie het merendeel wordt gevormd in de korte tijd dat de motor zijn bedrijfstemperatuur nog niet heeft bereikt.It has been found that the majority of total exhaust gas emissions are formed in the short time that the engine has not yet reached its operating temperature.

Uitlaatgas katalysatoren, die onder normale omstandigheden de uitlaatgasemissie met ca. 90 % reduceren, bereiken deze conversiegraad eerst wanneer de bedri j f stemperatuur van de katalysator is bereikt. De conversie start bij een temperatuur van ca. 300 °C, zodat na een koude start de. uitlaatgasemissie van de motor in een katalysator niet of nauwelijks wordt verminderd. Daar het temperatuur niveau onvoldoende hoog is om de brandstof (benzine of alcohol) te verdampen, moet bij koude motor een extra hoeveelheid brandstof worden toegevoerd, om een brandbaar mengsel te verkrijgen. Dit leidt tot een hoge uitlaatgasemissie. Bij lage temperaturen zijn daarom zowel het brandstof gebruik als de uitlaatgasemissie relatief hoog. Door het verwarmen van de brandstof wordt dan ook een aanzienlijke bijdrage aan de verbetering van het milieu en tevens een aanmerkelijke brandstof besparing bereikt, omdat er zo minder of geen extra brandstof ingespoten behoeft te worden. De brandstof wordt bij de in de aanhef aangeduide verbrandingsmotor in intensief contact gebracht met het in zeer korte tijd op de gewenste temperatuur gebrachte verwarmingselement en komt daarbij op de gewenste temperatuur. De brandstof zal daardoor beter verdampen en er wordt tevens een betere menging met de verbrandingslucht bereikt. Het verwarmingselement wordt uitgeschakeld wanneer de motor voldoende warm is om het verdampen van de brandstof te verzorgen.Exhaust gas catalysts, which normally reduce exhaust gas emissions by approximately 90%, do not achieve this conversion rate until the operating temperature of the catalyst is reached. The conversion starts at a temperature of approx. 300 ° C, so that after a cold start the. exhaust gas emissions from the engine in a catalytic converter are hardly reduced, if at all. Since the temperature level is not high enough to evaporate the fuel (petrol or alcohol), an extra amount of fuel must be added when the engine is cold to obtain a flammable mixture. This leads to a high exhaust gas emission. At low temperatures, therefore, both fuel consumption and exhaust gas emissions are relatively high. By heating the fuel, a considerable contribution to the improvement of the environment is therefore made and also a considerable fuel saving is achieved, because less or no extra fuel has to be injected in this way. With the internal combustion engine indicated in the preamble, the fuel is brought into intensive contact with the heating element which has been brought to the desired temperature in a very short time and thereby reaches the desired temperature. As a result, the fuel will evaporate better and a better mixing with the combustion air is also achieved. The heating element is switched off when the engine is warm enough to evaporate the fuel.

Bij de uit DE-C-3426469 bekende motor is het verwarmingselement uitgevoerd in de vorm van een in het inlaatkanaal van de cilinder stekende pijp omgeven door een isolatiebuis. De pijp en de buis zijn van een randflens voorzien die in een uitsparing van de cilinderkop ligt en door de luchtinlaatleiding wordt gefixeerd. Een bezwaar van deze uitvoering is dat het aanbrengen en vervangen van de verwarmingselementen een tijdrovend karwei is. Een zelfde bezwaar geldt voor de motor volgens NL-A-8801334 waarbij het verwarmingselement is geïntegreerd in een plaat die tussen het inlaatkanaal en de kop van de cilinder is geklemd. Als 2e bezwaar geldt voor de motoren volgens DE-C-3426469 en NL-A-8801334 dat het verwarmingselement in het inlaatkanaal een obstakel voor de inlaatlucht vormt, daardoor een niet optimale verbrandingsmotor verschaffend. Als 3e bezwaar geldt voor de motoren volgens DE-C-3426469 en NL-A-8801334 dat het verwarmingselement intensief met de inlaatlucht in contact komt, op die wijze een deel van zijn met hoogwaardige elektrische energie verkregen warmte op onrendabele wijze aan de inlaatlucht verliezend. Bij gelijke energietoevoer levert verwarming van de inlaatlucht gerelateerd aan verwarming van de brandstof slechts een geringe vermindering van de uitlaatgasemissies . Als 4e bezwaar voor de motoren volgens DE-C-3426469 en NL-A-8801334 geldt, dat de verwarmingselementen ook in uitgeschakelde toestand aan de brandstofstroom blootgesteld blijven. De elementen koelen dan sterk af als gevolg van de warmte onttrekking door verdamping. Ondanks alle voorzorgen worden "cold- spots" (koude plaatsen) gevormd waar slechte verdamping of zelfs condensatie plaatsvindt. Deze "cold-spots" veroorzaken door een niet-constante samenstelling van het inlaatmengsel een verhoogde uitlaatgasemissie en ontregelen de motorbesturing.In the engine known from DE-C-3426469, the heating element is in the form of a pipe projecting into the inlet channel of the cylinder, surrounded by an insulating tube. The pipe and tube are provided with an edge flange which lies in a recess of the cylinder head and is fixed by the air inlet pipe. A drawback of this embodiment is that installing and replacing the heating elements is a time-consuming task. The same drawback applies to the engine according to NL-A-8801334, in which the heating element is integrated in a plate clamped between the inlet channel and the head of the cylinder. A second drawback applies to the engines according to DE-C-3426469 and NL-A-8801334, that the heating element in the inlet duct forms an obstacle to the inlet air, thereby providing a non-optimal combustion engine. The third objection applies to the engines according to DE-C-3426469 and NL-A-8801334 that the heating element comes into intensive contact with the intake air, thus losing part of its heat obtained with high-quality electrical energy in an unprofitable manner to the intake air. . With an equal energy supply, heating the intake air related to heating the fuel produces only a small reduction in exhaust gas emissions. The 4th drawback for the engines according to DE-C-3426469 and NL-A-8801334 is that the heating elements remain exposed to the fuel flow even when switched off. The elements then cool down considerably as a result of the heat extraction by evaporation. Despite all precautions, "cold spots" (cold places) are formed where poor evaporation or even condensation takes place. These "cold spots" cause an increased exhaust emission due to a non-constant composition of the intake mixture and disrupt the engine control.

Met de uitvinding wordt beoogd deze bezwaren te vermijden en een motor van het in de aanhef beschreven type te verschaffen, doordat: le. het verwarmingselement en de brandstofafsluiter gemakkelijk kunnen worden gemonteerd en vervangen.The object of the invention is to avoid these drawbacks and to provide an engine of the type described in the preamble, in that: le. the heating element and fuel shut-off valve can be easily mounted and replaced.

2e. er in het inlaatkanaal geen obstructie voor de inlaatlucht aangebracht wordt, waardoor de effectiviteit van de motor niet beïnvloed wordt.2nd. there is no obstruction to the intake air in the intake duct, which does not affect the effectiveness of the engine.

3e. de effectiviteit van het verwarmen van de brandstof door de uitvinding aanmerkelijk verhoogd wordt doordat de brandstof door tussenkomst van de brandstofafsluiter intensief met het verwarmingselement in contact wordt gebracht en het verwarmingselement buiten de hoofdstroom van de inlaatlucht is geplaatst, aldus geen met hoogwaardige elektrische energie verkregen warmte aan de inlaatlucht verliezend.3rd. the effectiveness of the heating of the fuel by the invention is considerably increased because the fuel is brought into intensive contact with the heating element through the fuel valve and the heating element is placed outside the main flow of the intake air, thus no heat obtained with high-quality electric energy losing to the intake air.

4e. met de uitvinding wordt bereikt dat het verwarmingselement buiten de brandstofstroom blijft, als het verwarmingselement niet ingeschakeld is, aldus "cold-spots" , met de daaraan verbonden bezwaren als bovenstaand genoemd, vermijdend.4th. the invention achieves that the heating element remains outside the fuel flow when the heating element is not switched on, thus avoiding "cold spots", with the associated drawbacks as mentioned above.

Volgens de uitvinding is de in de aanhef genoemde inspui tverbrandingsmotor hiertoe gekenmerkt, doordat het verwarmingselement buiten de brandstofstroom geplaatst wordt en de brandstof met het verwarmingselement in contact gebracht wordt door tussenkomst van de brandstofafsluiter.According to the invention, the injection combustion engine mentioned in the preamble is characterized for this purpose in that the heating element is placed outside the fuel flow and the fuel is brought into contact with the heating element through the fuel shut-off valve.

De uitvinding zal nu aan de hand van figuren nader worden toegelicht.The invention will now be explained in more detail with reference to figures.

Figuur 1 en 2 tonen een doorsnede van een gedeelte van een verbrandingsmotor volgens de uitvinding, met de brandstof afsluiter in geopende, respectievelijk gesloten stand.Figures 1 and 2 show a cross-section of a part of an internal combustion engine according to the invention, with the fuel shut-off valve in opened and closed position, respectively.

Figuur 3 en 4 tonen dezelfde doorsnede van een gedeelte van een verbrandingsmotor volgens de uitvinding, met een variant op de uitvoeringsvorm van verwarmingselement en brands tof af sluiter, met de brandstof af sluiter in geopende, respectievelijk gesloten stand.Figures 3 and 4 show the same cross-section of a part of an internal combustion engine according to the invention, with a variant of the embodiment of heating element and fuel shut-off valve, with the fuel shut-off valve in opened and closed position, respectively.

Het in figuur 1. weergegeven gedeelte van een verbrandingsmotor van het inspuittype omvat een luchtkanaal (1), dat zodanig is bevestigd op een cilinderkop (2) dat het aansluit op een kanaal (la) voor het via de inlaatklep (4) in de cilinder toevoeren van een brandstof luchtmengsel. Op het luchtkanaal (1) is een brandstof injector (5) voor het inspuiten van brandstof bevestigd. Tijdens bedrijf bij warme motor wordt de brandstof rechtstreeks in het luchtkanaal (la) geïnjecteerd, door de opening (6) in de brandstof af sluiter (7). Het door motorwarmte verwarmde luchtkanaal (la) en de warme cilinderkop verzorgen de verdamping van de brandstof.The part of an injection-type combustion engine shown in Figure 1 comprises an air duct (1) mounted on a cylinder head (2) such that it connects to a duct (1a) for entering the cylinder via the inlet valve (4). supplying a fuel air mixture. A fuel injector (5) for injecting fuel is mounted on the air duct (1). During warm engine operation, the fuel is injected directly into the air duct (1a), through the opening (6) in the fuel shut-off valve (7). The air duct (la) heated by engine heat and the hot cylinder head provide for evaporation of the fuel.

Zoals uit de figuur blijkt wordt de brandstofstroom in het geheel niet gehinderd door het verwarmingselement (3) of de brandstofafsluiter (7).As can be seen from the figure, the fuel flow is not hindered at all by the heating element (3) or the fuel shut-off valve (7).

Figuur 2. toont de brandstofafsluiter in gesloten stand. De opening (6) in de brandstofafsluiter bevindt zich niet meer voor de monding van de brandstof injector. In plaats daarvan bevindt zich nu een kanaal in de brandstof af sluiter (7) voor de monding van de injector waardoor de brandstofstroom naar het verwarmingselement (3) geleid wordt. Hier volgt de brandstof een routing door het warme verwarmingselement en komt hierdoor op de gewenste temperatuur. Het verwarmingselement is geïsoleerd van de wand van de inlaatbuis, waardoor alleen warmte aan de brandstof wordt toegevoerd. Gedurende deze fase kan de brandstofafsluiter thermisch met het verwarmingselement gekoppeld zijn, om het warmteoverdragend oppervlak met de brandstof te maximaliseren.Figure 2. shows the fuel shut-off valve in closed position. The opening (6) in the fuel shut-off valve is no longer in front of the mouth of the fuel injector. Instead, there is now a channel in the fuel shut-off valve (7) for the mouth of the injector through which the fuel flow is directed to the heating element (3). Here, the fuel follows a routing through the warm heating element and thereby reaches the desired temperature. The heating element is insulated from the inlet pipe wall, so that only heat is supplied to the fuel. During this phase, the fuel valve can be thermally coupled to the heating element to maximize the heat transfer surface with the fuel.

Daarnaast is in deze figuur aangegeven hoe de brandstof af sluiter door een warmtebuffer (8) en het koelsysteem (9) verwarmd kan worden. Indien de motor voldoende is opgewarmd, wordt de brandstofafsluiter in de stand volgens figuur 1. geplaatst en wordt de brandstofstroom in het geheel niet gehinderd door het verwarmingselement (3) of de brandstofafsluiter (7). De brandstofafsluiter (7) sluit het verwarmingselement (3) af.In addition, this figure shows how the fuel shut-off valve can be heated by a heat buffer (8) and the cooling system (9). When the engine has warmed up sufficiently, the fuel shut-off valve is placed in the position shown in figure 1. and the fuel flow is not hindered at all by the heating element (3) or the fuel shut-off valve (7). The fuel shut-off valve (7) shuts off the heating element (3).

De stroomtoevoer naar het verwarmingselement wordt gestaakt.The power supply to the heating element is stopped.

Figuur 3 toont dezelfde doorsnede van een gedeelte van een verbrandingsmotor volgens de uitvinding, met een variant op de uitvoeringsvorm van verwarmingselement (3) en brandstofafsluiter (7), met de brandstofafsluiter (7) in geopende stand. Tijdens bedrijf bij warme motor wordt de brandstof door een opening (6a) in het verwarmingselement (3) rechtstreeks in het luchtkanaal (la) geïnjecteerd. Het door motorwarmte verwarmde luchtkanaal (la) en de warme cilinderkop verzorgen de verdamping van de brandstof. Zoals uit de figuur blijkt wordt de brandstofstroom in het geheel niet gehinderd door het verwarmingselement (3) of de brandstofafsluiter (7).Figure 3 shows the same cross-section of a part of a combustion engine according to the invention, with a variant of the embodiment of heating element (3) and fuel shut-off valve (7), with the fuel shut-off valve (7) in the open position. During warm engine operation, the fuel is injected directly into the air duct (1a) through an opening (6a) in the heating element (3). The air duct (la) heated by engine heat and the hot cylinder head provide for evaporation of the fuel. As can be seen from the figure, the fuel flow is not hindered at all by the heating element (3) or the fuel shut-off valve (7).

Figuur 4 toont dezelfde doorsnede als figuur 3. met de brandstofafsluiter in gesloten stand. De brandstof af sluiter/heatsink (7) is voor de opening (6a) in het verwarmingselement (3) gebracht waardoor de brandstofstroom tussen brandstof af sluiter/heatsink (7) en het verwarmingselement (3) geleid wordt. Hier wordt de brandstof intensief met het warme verwarmingselement en de eventueel door thermische koppeling op het verwarmingselement verwarmde brandstofafsluiter/heatsink in contact en daardoor op de gewenste temperatuur gebracht. De verwarmde brandstof komt via openingen in de brandstofafsluiter/heatsink of via spleten tussen brandstofafsluiter/heatsink en het verwarmingselement in het inlaatkanaal (1).Figure 4 shows the same section as Figure 3 with the fuel shut-off valve in the closed position. The fuel valve / heat sink (7) is placed in front of the opening (6a) in the heating element (3), whereby the fuel flow is conducted between the fuel valve / heat sink (7) and the heating element (3). Here, the fuel is intensively contacted with the warm heating element and any fuel valve / heatsink heated by thermal coupling on the heating element and thereby brought to the desired temperature. The heated fuel enters through openings in the fuel valve / heatsink or through gaps between the fuel valve / heatsink and the heating element in the inlet channel (1).

Daarnaast is in deze figuur aangegeven hoe de brandstof af sluiter door een warmtebuffer (8) en het koelsysteem (9) verwarmd kan worden.In addition, this figure shows how the fuel shut-off valve can be heated by a heat buffer (8) and the cooling system (9).

Indien de motor voldoende is opgewarmd, wordt de brandstofafsluiter in de stand volgens figuur 3. geplaatst. De brandstofstroom wordt in het geheel niet gehinderd door het verwarmingselement (3) of de brandstofafsluiter (7), maar wordt rechtstreeks in het inlaatkanaal (la) gebracht. De stroomtoevoer naar het verwarmingselement wordt gestaakt.When the engine has warmed up sufficiently, the fuel shut-off valve is placed in the position shown in figure 3. The fuel flow is not hindered at all by the heating element (3) or the fuel shut-off valve (7), but is introduced directly into the inlet channel (1a). The power supply to the heating element is stopped.

Het verplaatsen van de openingen in de brandstof af sluiter is hier aangegeven door translatie. Het kan ook op eenvoudige wijze worden gerealiseerd door rotatie, bijvoorbeeld door rotatie om een as evenwijdig aan de as van de brandstofinjector.The displacement of the openings in the fuel shut-off valve is here indicated by translation. It can also be realized in a simple manner by rotation, for example by rotation about an axis parallel to the axis of the fuel injector.

De uitvinding is ook geschikt voor verbrandingsmotoren van het inspuittype die de gaswisseling zonder tussenkomst van kleppen realiseren.The invention is also suitable for injection-type combustion engines that realize gas exchange without the intervention of valves.

In de nabije toekomst worden strengere eisen gesteld aan de verdamping van brandstoffen in het brandstofreservoir en het brandstofsysteem. Hierdoor zullen brandstoffen worden ingevoerd, die slechter verdampen dan op het ogenblik gebruikelijk. Met deze uitvinding wordt bereikt dat koude verbrandingsmotoren van het inspuittype ook met deze slecht verdampende brandstoffen gestart kunnen worden.In the near future, stricter requirements will be imposed on the evaporation of fuels in the fuel reservoir and the fuel system. This will introduce fuels that evaporate worse than is currently the case. With this invention it is achieved that cold combustion engines of the injection type can also be started with these poorly evaporating fuels.

De uitvinding is in een geautomatiseerd proces eenvoudig en goedkoop te vervaardigen en gemakkelijk aan te brengen. De brandstofafsluiter zal hierbij bij voorkeur uit een slijtvast, thermische geleidend materiaal worden vervaardigd bijvoorbeeld messing.The invention is simple and inexpensive to manufacture and to apply in an automated process. The fuel shut-off valve will herein preferably be manufactured from a wear-resistant, thermally conductive material, for instance brass.

Bij meereilinder motoren kunnen de brandstofafsluiters van de verwarmingselementen eenvoudig worden gekoppeld door de brandstofafsluiters in één doorgaande strip uit te voeren die wordt bestuurd door middel van één bedieningselement.In multi-cylinder engines, the fuel valves of the heating elements can be easily coupled by designing the fuel valves in one continuous strip that is controlled by one control element.

De temperatuurregeling van het verwarmingselement zal bij voorkeur geschieden door in het elektrische circuit een PTC-element als temperatuurregeling op te nemen of de elektrische weerstanden volledig in PTC-materiaal uit te voeren. Het is met het oog op de vereiste reactiesnelheid ook mogelijk de temperatuurregeling in een gesloten regelkring te realiseren door middel van elektrische weerstanden met lineaire eigenschappen.The temperature control of the heating element will preferably take place by including a PTC element as a temperature control in the electrical circuit or by designing the electrical resistances completely in PTC material. In view of the required reaction speed, it is also possible to realize the temperature control in a closed loop by means of electrical resistors with linear properties.

Claims

Injection-type combustion engine comprising at least one cylinder fitted with an air inlet channel (1), at least one inlet valve (4) fitted in the cylinder head (2), at least one fuel injector (5), at least one heating element (3) and at least one fuel shut-off valve (7), characterized in that the fuel shut-off valve (7) can control the fuel flow such that the fuel flow is brought into contact with the heating element (3).

Combustion engine according to claim 1, characterized in that the heating element (3) is shaped and positioned so that it is outside the fuel flow.

Combustion engine according to claim 1, characterized in that the fuel shut-off valve (7) is connected to the heating element (3) such that this fuel shut-off valve is heated by this heating element when the heating element is in operation.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel valve (7) is connected to an external heat buffer (8) such that this fuel valve is heated from this heat buffer.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel valve (7) is connected to the engine cooling system (9) in such a way that this cooling system heats the fuel valve as soon as the temperature of the cooling system allows this.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel shut-off valve (7) can be set fully open, fully closed or in any position between fully open and fully closed according to a control mechanism.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the position of the fuel shut-off valve (7) is determined by the engine control system, the so-called engine management system.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in. that the fuel shut-off valve (7) and the heating element (3) are integrated.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel shut-off valve (7) is opened and closed by translation or rotation of one or more of the constituent parts or of the whole of constituent parts.

Combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (3) is designed such that the fuel flow through an opening (6a) in the heating element can pass this heating element unhindered. (figure 3.)

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel valve (7) and the heating element (3) are designed such that the space available for the fuel in these parts is so small that significant fuel accumulation in these parts cannot occur.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel shut-off valve (7) in the open position closes the access to the heating element (3). ( figure 1.)