DE102008043930A1 - Kraftstoff-Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzanlage (14) für eine Brennkraftmaschine (10), die für die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Kraftstoffen ausgebildet ist, wobei für jeden Brennraum (12) nur ein Kraftstoff-Einspritzventil (18; 40) vorgesehen ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzanlage, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Patentanspruchs.
  • Bedingt durch einen kontinuierlich ansteigenden Erdölpreis wird u. a. das Verlangen nach alternativen Kraftstoffen – neben Benzin und Diesel – immer stärker. So wurden bspw. Brennkraftmaschinen entwickelt, die komprimiertes Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) und/oder Flüssiggas (LNG, Liquefied Natural Gas) als Kraftstoff nutzen. Durch geringere Verunreinigungen verbrennt Erdgas generell gegenüber anderen fossilen Brennstoffen sauberer. Nachteilig dabei allerdings ist, dass das Erdgas zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in einem Drucktank unter hohem Druck (ca. 200 bar) gespeichert werden muss. Dies erhöht die Anforderungen an den Tank und verteuert ihn. Außerdem trägt die Förderung, der Transport und die Verarbeitung von Erdgas zur Freisetzung des Treibhausgases Methan bei.
  • Deshalb werden immer mehr Brennkraftmaschinen derart ausgestaltet, dass sie als Alternativkraftstoff sog. Flüssiggas, auch Autogas oder LPG (Liquified Petroleum Gas) genannt, verwenden können. LPG verursacht weniger Emissionen bei der Verbrennung als Benzin. Der Schadstoffausstoß von Stickoxiden beträgt etwa 20% einer Benzinverbrennung, CO2-Emissionen vermindern sich um mindestens 10% und unverbrannte Kohlenwasserstoffe um 50%. Zudem lassen sich LPG-Abgase durch eine bessere chemische Verwertbarkeit bereits bei niedrigeren Temperaturen in Fahrzeugkatalysatoren umsetzen. Außerdem muss der Drucktank nur bis ca. 12 bar ausgelegt sein. Das begründet geringere Kosten. Wirtschaftlich interessant ist die Verwendung von LPG auch, weil es in vielen Ländern steuerlich gefördert wird. In Deutschland bspw. sind die Kraftstoffkosten bei Verwendung von LPG derzeit ca. halb so hoch wie für Benzin. Ein derzeit etwas höherer Kraftstoffverbrauch muss bei einem Preisvergleich allerdings noch berücksichtigt werden.
  • Für all die Fahrzeuge, die mit LPG betrieben werden können, gilt derzeit jedoch, dass das Fahren mit LPG lediglich eine mögliche Alternative zum Benzinbetrieb ist (sog. Bi-Fuel Betrieb). Dies ist notwendig, da das Fahren mit LPG nicht in allen Betriebsituationen möglich oder zumindest vorteilhaft ist. Bspw. ist derzeit ein Betrieb mit LPG bei einem kalten Motor kaum möglich. Erst wenn der Motor in einem Benzinbetrieb seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann auf ein Betrieb mit LPG umgeschaltet werden.
  • Ein weiterer Alternativkraftstoff ist Dimethylester (nachfolgend DME), der ebenfalls in Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung eingesetzt wird.
  • Der Fahrer kann vor Fahrantritt festlegen, ob er bevorzugt mit LPG, DME oder Benzin fahren möchte. Anhand einer Auswertung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wird dann – wenn nötig – durch eine Steuereinrichtung von einer Betriebsart zur anderen umgeschaltet, wobei die vom Fahrer zuvor gewählte Betriebsart bevorzugt wird, wenn es die Betriebsparameter zulassen. Ein manuelles Umschalten ist in vielen Kraftfahrzeugen auch möglich. Durch ein Anzeigeelement wird dem Fahrer dabei jeweils die aktuelle Betriebsart angezeigt. Die Fahrzeuge, die für den Bi-Fuel Betrieb ausgestaltet sind, haben bekanntermaßen im Wesentlichen zwei komplette Kraftstoff-Einspritzsysteme in ihrem Fahrzeug integriert, also jeweils ein Kraftstoff-Einspritzsystem für jede Betriebsart. Eine Umrüstung eines Fahrzeugs kann außerdem nur von besonders geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Das macht eine Anschaffung bzw. die Umrüstung teuer.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, einfach aufgebaute und leicht nachrüstbare Kraftstoff-Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die es erlaubt, die Brennkraftmaschine mit zwei oder mehr Kraftstoffarten zu betreiben.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzanlage, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm mit den Merkmalen der jeweils nebengeordneten Patentansprüche. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass unter der Voraussetzung einer Verwendung von unterschiedlichen flüssigen Kraftstoffen ein einziges Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine grundsätzlich ausreicht, damit flüssiger Kraftstoff zu einer Verbrennung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Eventuell sind zum Anpassen der Behandlungen der beiden Kraftstoffe ein modifiziertes Rail und/oder modifizierte Einspritzventile sinnvoll. Es ist im Wesentlichen nur noch eine steuerbare Umschaltfunktion an den Zuführungen der unterschiedlichen Kraftstoffe nötig. Einer der Kraftstoffe ist Benzin, ein anderer Kraftstoff ist unter Druck stehendes und dadurch verflüssigtes Autogas. Schließlich ist es möglich, die Brennkraftmaschine wahlweise auch noch mit einem dritten Kraftstoff, wie zum Beispiel DME, zu betreiben.
  • Deshalb wird vorgeschlagen, dass ein Schaltventil in einer ersten Schaltstellung eine Verbindung zum ersten Kraftstoffbehälter und in einer zweiten Schaltstellung eine Verbindung zum zweiten Kraftstoffbehälter aufweist. In einer optionalen dritten Schaltstellung stellt das Schaltventil eine Verbindung zu einem dritten Kraftstoffbehälter her. Dabei kann das Schaltventil mechanisch arbeiten und wird von Signalen der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert. Bei der Umschaltung wird das Schaltventil derart gesteuert, dass zu dem Zeitpunkt der Umschaltung die Kraftstoffzufuhr aus einem der beiden Kraftstoffbehälter geschlossen und gleichzeitig die Kraftstoffzufuhr aus dem zweiten beziehungsweise dritten Kraftstoffbehälter geöffnet wird. Die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit des Schaltventil sind gering, so dass es einfach und damit preiswert aufgebaut sein kann.
  • Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuert und/oder regelt die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des aktuell eingesetzten Kraftstoffs, so dass eine für den aktuellen Kraftstoff individuelle Regelung bspw. eines Kraftstoffdruckes, eines Luft-Kraftstoff-Gemisches und/oder eines zeitlichen Ablaufs der Einspritzung in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgenommen werden kann.
  • Durch eine stetige Überprüfung der relevanten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wird ein geeigneter Zeitpunkt zum Umschalten auf eine günstigere Betriebsart durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass der Fahrer des Fahrzeugs an einem Bedienelement am Armaturenbrett festlegen kann, ob er bspw. eher kostensparend oder eher leistungsbetont fahren will, oder ob er eine bestimmte Betriebsart bevorzugen möchte. Diese Vorgaben werden dann beim Festlegen der Umschaltung durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung berücksichtigt. Durch das Einsparen eines Kraftstoff-Einspritzsystems für einen zweiten Kraftstoff ist die Erfindung kostengünstig. Zudem wird Bauraum und Gewicht eingespart. Die Idee der Erfindung ist für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sowie für Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung umsetzbar.
  • Vorteilhaft ist außerdem, wenn jeweils ein Rückschlagventil stromaufwärts vor dem Schaltventil in der Verbindung zum ersten, zum zweiten Kraftstoffbehälter und zum dritten Kraftstoffbehälter angeordnet ist. Dadurch werden eventuelle Druckschwankungen abgefangen und sichergestellt, dass der Kraftstoff in die gewünschte Richtung fließt.
  • Die verwendeten Kraftstoffe benötigen jeweils eine individuelle Behandlung durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung während der Einspritzphase. Bei einem Umschaltverfahren muss jedoch berücksichtigt werden, dass es während der Umschaltung kurzzeitig zu einer gewissen Durchmischung der beiden Kraftstoffe kommt. Deshalb wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine in einer zeitlich vordefinierten Umschaltphase von Benzinbetrieb auf Gasbetrieb (LPG) mit einem fetteren Luft-Kraftstoff-Gemisch als in einem Normalbetrieb betrieben wird. Dadurch wird ein volumetrischer Mehrbedarf bei der Verwendung von LPG abgefangen und Verbrennungsaussetzer durch Abmagerung der Luft-Kraftstoffgemischs vermieden.
  • Wenn die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine ausreichend schnell reagiert, muss während dieses Übergangs von einem Kraftstoff auf den anderen Kraftstoff die das Luft-Kraftstoffgemisch nur wenig ”angefettet” oder im Idealfall gar nicht ”angefettet” werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine in einer zeitlich vordefinierten Umschaltphase von Gasbetrieb auf Benzinbetrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch als in einem Normalbetrieb betrieben wird. Dadurch wird einer Abmagerung des Luft-Kraftstoffgemischs vorgesteuert. Für beide Umschaltfälle kann die Durchmischung der beide Kraftstoffe auch in einem Modell oder in Kennlinien bzw. in Kennfeldern abgebildet werden, um daraus einen Vorsteuerwert für die Lambdaregelung zu ermitteln.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und einer erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzanlage; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung und einer erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzanlage.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Brennräume 12, denen der Kraftstoff von einer Einspritzanlage 14 zugeführt wird. Die Brennkraftmaschine 10 wird mit einer Kraftstoff-Direkteinspritzung betrieben. Die Einspritzanlage 14 umfasst ein Common Rail 16 (auch Rail genannt), an welches mehrere Injektoren 18 angeschlossen sind. Jedem Injektor 18 ist ein entsprechender Brennraum 12 zugeordnet. Kraftstoff wird dem Rail 16 unter hohem Druck von einer Hochdruckpumpe 20 zugeführt. Die Einspritzanlage 14 verfügt über zwei oder drei Kraftstoffbehälter die Kraftstoff über zwei oder drei separate Leitungen einem mechanischen Schaltventil 26 und von dort der Hochdruckpumpe 20 zuführen. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der erste Kraftstoffbehälter 22 ein Benzintank, der zweite Kraftstoffbehälter 24 ein Drucktank für Autogas (LPG, Liquified Petroleum Gas). In einem optionalen dritten Kraftstoffbehälter 42 kann beispielsweise Dimethylester (DME) gespeichert werden. Zwischen dem ersten Kraftstoffbehälter 22 und dem Schaltventil 26 sind eine Vorförderpumpe 30 und ein Rückschlagventil 28 angeordnet. Zwischen dem zweiten Kraftstoffbehälter 24 und dem Schaltventil 26 sind eine LPG-Förderpumpe 32 und ein Rückschlagventil 28 angeordnet. Zwischen einem dritten Kraftstoffbehälter 42 und dem Schaltventil 26 sind eine dritte Förderpumpe 44 und ein Rückschlagventil 28 angeordnet. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 sowie der Einspritzanlage 14 wird von einem Motorsteuergerät 34 gesteuert und geregelt. So erhalten bspw. die Injektoren 18 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 34 entsprechende Ansteuersignale. Zu Steuer- und Regelungszwecken erhält das Motorsteuergerät 34 Signale von einem Drucksensor 35, der einen im Rail 16 herrschenden Kraftstoffdruck erfasst. Zum Anpassen der Verwendung von Benzin, LPG oder DME in der Einspritzanlage 14 können ein modifiziertes Rail 16 und/oder modifizierte Injektoren 18 sinnvoll sein.
  • Je nach einer Schaltstellung des Schaltventils 26 kann Kraftstoff aus dem ersten Kraftstoffbehälter 22, dem zweiten Kraftstoffbehälter 24 oder dem dritten Kraftstoffbehälter 42 von der Hochdruckpumpe 20 gefördert werden, so dass entweder Benzin, LPG oder DME durch die Injektoren 18 in die Brennräume 12 der Brennkraftmaschine 10 eingespritzt werden kann.
  • Alternativ wäre es auch möglich, die Kraftstoffbehälter jeweils mit einer separaten Verbindungsleitung an das Rail 16 anzuschließen und anstelle des Schaltventils 26 in jeder Verbindungsleitung ein 2/2-Wegeventil vorzusehen (nicht dargestellt). Durch Ansteuern dieser 2/2-Wegeventile kann zwischen den verschiedenen Kraftstoffarten gewechselt werden.
  • Ein gewünschter Vorförderdruck für die Hochdruckpumpe 20 wird – falls erforderlich – von der Vorförderpumpe 30, der LPG-Förderpumpe 32 oder der Förderpumpe 44 aufgebaut. Wenn beispielsweise der Druck in dem zweiten Kraftstoffbehälter 24 ausreichend groß ist, besteht die Möglichkeit, auf die LPG-Förderpumpe 32 zu verzichten. Das Schaltventil 26 beziehungsweise die 2/2-Wegeventile werden durch das Motorsteuergerät 34 gesteuert. Im Motorsteuergeräts 34 ist der aktuell eingespritzte Kraftstoff bekannt, so dass eine für den aktuellen Kraftstoff individuelle Regelung der Einspritzanlage 14, bspw. eines Kraftstoffdruckes, eines Luft-Kraftstoff-Gemisches und eines zeitlichen Ablaufs der Einspritzung in dem Motorsteuergerät 34 dem Kraftstoff entsprechend angepasst werden kann.
  • In der Software des Motorsteuergeräts 34 sind Funktionen implementiert, die während des Umschaltens eine zwangläufig kurzzeitige Durchmischung der beiden Kraftstoffe berücksichtigt und ein unbeeinträchtiges Arbeiten der Brennkraftmaschine gewährleistet. Durch eine stetige Überprüfung der relevanten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 10 wird ein bevorzugter Zeitpunkt durch das Motorsteuergerät 34 zum Umschalten auf eine günstigere Betriebsart ermittelt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10, die mit einer Saugrohreinspritzung betrieben wird. Für 2 gilt, dass solche Elemente, welche funktionsäquivalent sind zu Elementen der Brennkraftmaschine von 1, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals erläutert werden. Die Brennkraftmaschine 10 weist mehrere Brennräume 12 auf, wobei in 2 vier Brennräume 12 dargestellt sind. Die Brennräume 12 werden von einem Ansaugrohr 36 mit Luft-Kraftstoffgemisch versorgt. Das verbrannte Luft-Kraftstoffgemischs wird über ein nicht dargestelltes Abgasrohr abgeführt.
  • Im Ansaugrohr 36 ist ein Einspritzventil 40 für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine 10 angeordnet, die Kraftstoff in das Ansaugrohr 36 einspritzen. Je nach Stellung des mechanischen Schaltventils 26 wird der gewünschte Kraftstoff von einer der Pumpen 30, 32 oder 44 entweder aus dem ersten Kraftstoffbehälter 22, dem zweiten Kraftstoffbehälter 24 oder dem dritten Kraftstoffbehälter 42 in das Rail 16 gefördert. Alle Funktionen des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 werden von einem Motorsteuergerät 34 gesteuert und geregelt.
  • Für das Verfahren zur Nutzung der verschiedenen Kraftstoffe in der Brennkraftmaschine 10 gilt das bezüglich 1 Gesagte entsprechend.

Claims (15)

  1. Kraftstoff-Einspritzanlage (14) für eine Brennkraftmaschine (10) mit mindestens zwei Krafftstoffbehältern (22, 24), mit einem Kraftstoff-Einspritzventil (18; 40) für jeden Brennraum (12) der Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Einspritzventile (18; 40) wahlweise mit verschiedenen Kraftstoffbehältern (22, 24) verbindbar sind.
  2. Kraftstoff-Einspritzanlage (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Kraftstoffbehälter (42) vorgesehen ist.
  3. Kraftstoff-Einspritzanlage (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltventil (26) vorgesehen ist, und dass das Schaltventil (26) in einer ersten Schaltstellung eine Verbindung zum ersten Kraftstoffbehälter (22) und in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zum zweiten Kraftstoffbehälter (24) herstellt.
  4. Kraftstoff-Einspritzanlage (14) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (26) in einer dritten Schaltstellung eine Verbindung zum dritten Kraftstoffbehälter (42) herstellt.
  5. Kraftstoff-Einspritzanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (26) als Wegeventil ausgebildet ist.
  6. Kraftstoff-Einspritzanlage (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kraftstoffbehältern (22; 24; 42) und den Kraftstoff-Einspritzventil (18; 40) jeweils ein Wegeventil vorgesehen ist.
  7. Kraftstoff-Einspritzanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kraftstoffbehältern (22, 24, 42) und den Einspitzventilen (18, 40) mindestens eine Kraftstoffpumpe (20, 30, 32, 44) angeordnet ist.
  8. Kraftstoff-Einspritzanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Rückschlagventil (28) zwischen den Kraftstoffbehältern (22; 24; 42) und dem Schaltventil (26) angeordnet ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzanlage (14) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpen (20; 30, 32, 44) flüssige Kraftstoffe fördern.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpen (20; 30, 32, 44) Ottokraftstoff und/oder ein unter Druck stehendes verflüssigtes Gas, insbesondere Liquified Petroleum Gas (LPG), oder Dimethylester (DME) fördern.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) in einer zeitlich vordefinierten Umschaltphase von Benzinbetrieb auf Gasbetrieb mit einem fetteren Luft-Kraftstoff-Gemisch als in einem Normalbetrieb betrieben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) in einer zeitlich vordefinierten Umschaltphase von Gasbetrieb auf Benzinbetrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch als in einem Normalbetrieb betrieben wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdaregelung während den Umschaltphasen das fettere bzw. magere Luft-Kraftstoffgemisch berücksichtigt.
  14. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (34) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 programmiert ist.
  15. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 programmiert ist.
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