DE10040574A1

DE10040574A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10040574A1
Application number: DE10040574A
Authority: DE
Inventors: Herwig Biesinger; Hans-Jochen Blohm; Markus Schuetz; Hans Karl Weining
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-02-28
Also published as: US6698402B2; US20020046740A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wird einem Brennraumn der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff/Luftgemisch zugeführt und in demselben gezündet. Zumindest über eine bestimmte Zeitdauer während des Startens und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine wird wenigstens ein Teil des flüssigen Kraftstoffes durch dampfförmigen Kraftstoff ersetzt, welcher in dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine gezündet wird. Der dampfförmige Kraftstoff wird aus wenigstens einem mit der Brennkraftmaschine verbundenen Kraftstoffbehälter oberhalb eines Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegeln und/oder aus einem mit dem Kraftstoffbehälter verbundenen Aktivkohlebehälter entnommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren be trifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art.

Aus der DE 195 22 075 A1 ist ein Verfahren zum Bilden eines Kraftstoff-Luftgemisches und eine Kraftstoffzu führvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei der der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraft stoff verdampft und der erzeugte Kraftstoffdampf der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft zugeführt wird. Um die Kohlenwasserstoffemissionen zu verrin gern, soll die Verdampfung des Kraftstoffs bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden.

Nachteilig bei diesem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung ist jedoch der große zusätzliche Aufwand, der für die Kraftstoffverdampfung notwendig ist.

Da insbesondere beim und unmittelbar nach dem Kalt start einer Brennkraftmaschine noch keine bzw. eine sehr unbefriedigende Konvertierung der von der Brenn kraftmaschine erzeugten Schadstoffe in einem nachge schalteten Katalysator erfolgt, sind die Abgasemissio nen der Brennkraftmaschine insbesondere in diesem Be reich sehr hoch. Dieser Umstand wird noch dadurch ver schärft, daß aufgrund der schlechten Gemischaufberei tung im kalten Zustand der Brennkraftmaschine die Roh emissionen derselben besonders hoch sind und daß zum Zwecke einer schnelleren Aufheizung des Katalysators das Gemisch zusätzlich angefettet wird, wodurch zum Teil unverbrannter Kraftstoff die Brennkraftmaschine verlassen kann. Gerade die Emissionen im Bereich des Kaltstarts entscheiden jedoch darüber, ob eine Brenn kraftmaschine einen bestimmten Abgasgrenzwert einhal ten kann oder nicht.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind des weite ren beheizte oder luftumfaßte Einspritzventile oder auch die Beheizung der Ansaugkanäle bekannt. Zur prak tischen Umsetzung dieser Bauteile ist jedoch entweder ein erheblicher Aufwand notwendig oder die Wirkung ist bezüglich der Reduzierung der Abgasemissionen insbe sondere im kalten Zustand der Brennkraftmaschine nicht befriedigend.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches es mit möglichst geringem Aufwand erreicht, daß beim Startvorgang und in der Warmlauf phase der Brennkraftmaschine eine möglichst geringe Emissionsmenge erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß dampfför miger Kraftstoff entweder aus dem Kraftstoffbehälter oder aus dem Aktivkohlebehälter entnommen, was einer seits verfahrensmäßig sehr einfach gesteuert werden kann und andererseits nur einen äußerst geringen vor richtungstechnischen Aufwand mit sich bringt. Im Kraftstoffbehälter oder im Aktivkohlebehälter naturge mäß enthaltener dampfförmiger Kraftstoff muß nicht erst auf umständliche Art und Weise erzeugt werden, sondern kann für den Start und/oder das Warmlaufen der Brennkraftmaschine sehr einfach aus diesen Behältern entnommen werden.

Dampfförmiger Kraftstoff ist hinsichtlich der Ge mischaufbereitung und der daraus resultierenden Roh emission der Brennkraftmaschine sehr viel besser ge eignet als flüssiger Kraftstoff, weshalb durch das erfindungsgemäße Ersetzen wenigstens eines Teils des flüssigen Kraftstoffs durch dampfförmigen Kraftstoff die Emissionen der Brennkraftmaschine während des Startens und/oder Warmlaufens derselben stark verrin gert werden können.

Selbstverständlich kann auch gleichzeitig oder sequen tiell Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter oder aus dem Aktivkohlebehälter entnommen werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens er gibt sich aus Anspruch 7, welche vorteilhafterweise mit sehr wenigen zusätzlichen Bauteilen auskommt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.

Eine stark schematisiert dargestellte Brennkraftma schine 1 weist ein Ansaugsystem 2, mehrere Brennräume 3 sowie ein Abgassystem 4 auf. In bekannter Weise wird den Brennräumen 3 durch das Ansaugsystem 2 mit Luft vermischter Kraftstoff zugeführt und nach der Verbren nung in den Brennräumen 3 werden die bei der Verbren nung entstehenden Abgase durch das Abgassystem 4 abge geben. Es handelt sich hierbei um eine Brennkraftma schine 1, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet und der als Kraftstoff Benzin zugeführt wird.

Zur Versorgung des Ansaugsystems 2 bzw. der Brennräume 3 mit Kraftstoff dient ein mit der Brennkraftmaschine 1 über eine Kraftstoffleitung 5 verbundener Kraft stoffbehälter 6. In dem Kraftstoffbehälter 6 befindet sich flüssiger Kraftstoff, welcher dem Kraftstoffbe hälter 6 über einen Einfüllstutzen 7 zugeführt werden kann und im vorliegenden Fall den Kraftstoffbehälter 6 bis zur Höhe eines Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegels 8 füllt.

Von dem Kraftstoffbehälter 6 verlaufen zwei Leitungen 9 und 10 zu einem Aktivkohlebehälter 11, über den der Kraftstoffbehälter 6 in an sich bekannter und daher nicht näher beschriebenen Weise entlüftet wird. Die Leitungen 9 und 10 gehen dabei von einem Bereich des Kraftstoffbehälters 6 oberhalb des Kraftstoff-Flüssig keitsspiegels 8 aus.

Des weiteren verläuft eine Leitung 12 von einem Be reich oberhalb des Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegels 8 von dem Kraftstoffbehälter 6 zu dem Ansaugsystem 2, in der sich eine Saugpumpe 13 befindet. In das Ansaugsy stem 2 mündet eine weitere Leitung 14, die von dem Aktivkohlebehälter 11 ausgeht und in der sich eine weitere Saugpumpe 15 befindet. Schließlich führt noch eine Leitung 16, in der eine Druckpumpe 17 angeordnet ist, zu dem Aktivkohlebehälter 11. Der Aktivkohlebe hälter 11 ist hierfür mit drei Öffnungen versehen, und zwar einer Öffnung 18, in die die Leitung 9 mündet, einer Öffnung 19, von der die Leitungen 10 und 14 aus gehen, sowie einer Öffnung 20, in die die Leitung 16 mündet. Die Anordnung aller drei Pumpen 13, 15 und 17 ist nur beispielhaft anzusehen, denn es wäre auch mög lich, lediglich eine oder zwei der Pumpen 13, 15 oder 17 vorzusehen, wie im folgenden deutlich wird. Beim Wegfallen einer oder mehrerer der Pumpen 13, 15 oder 17 kann selbstverständlich auch die zugehörige Leitung 12, 14 oder 16 entfallen. Beispielsweise könnten beim Einsatz der Druckpumpe 17 die Leitungen 9 und 14 ent fallen. Des weiteren wäre in diesem Fall die Öffnung 20 zu verschließen, die ansonsten zur Belüftung des Aktivkohlebehälters 11 dient.

Um während des Startens und/oder des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 1 eine möglichst geringe Emissions menge von den Brennräumen 3 in das Abgassystem 4 gelangen zu lassen, wird zumindest über eine bestimmte Zeitdauer während des Startens und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine wenigstens ein Teil des flüssi gen Kraftstoffes durch dampfförmigen Kraftstoff er setzt. Es kann sich dabei um dampfförmigen Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 6, und zwar oberhalb des Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegels 8 handeln, der sich in diesem Bereich naturgemäß bildet und der dem Ansaugsy stem 2 der Brennkraftmaschine 1 über die Leitung 12 zugeführt werden kann. Hierzu würde die Saugpumpe 13 den dampfförmigen Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehäl ter 6 ansaugen. Alternativ kann auch mittels der Saug pumpe 15 über die Leitung 14 aus dem Aktivkohlebehäl ter 11 darin sich befindlichen dampfförmigen Kraft stoff angesaugt und dem Ansaugsystem 2 der Brennkraft maschine 1 zugeführt werden.

Wenn ein in der Leitung 9 sich befindliches Ventil 21 geöffnet ist, kann die Saugpumpe 13 sowohl aus dem Kraftstoffbehälter 6 als auch über die Leitung 9 aus dem Aktivkohlebehälter 11 dampfförmigen Kraftstoff ansaugen und dem Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine 1 zuführen. Alternativ kann bei geöffnetem Ventil 21 auch die Saugpumpe 15 aus dem Aktivkohlebehälter 11 und/oder aus dem Kraftstoffbehälter 6 dampfförmigen Kraftstoff ansaugen.

Mit Hilfe der Druckpumpe 17 kann der dampfförmige Kraftstoff auch aus dem Aktivkohlebehälter 11 über die Leitung 14 oder über die Leitung 9 aus dem Kraftstoff behälter 6 in das Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschi ne 1 gedrückt werden. Zusätzlich bzw. alternativ zu den oben genannten Lösungen kann noch eine Pumpe 22 in der Leitung 10 vorgesehen sein, die dampfförmigen Kraftstoff aus dem Aktivkohlebehälter 11 saugt und gleichzeitig über den Kraftstoffbehälter 6 in das An saugsystem 2 drückt. Selbstverständlich wird hierbei auch der dampfförmige Kraftstoff aus dem Kraftstoffbe hälter 6 zu dem Ansaugsystem 2 befördert.

Allgemein können die Pumpen 13, 15, 17 und 22 als Ein richtungen zum Erreichen einer Druckdifferenz zwischen dem Kraftstoffbehälter 6 und/oder dem Aktivkohlebehäl ter 11 und dem Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine 1 bezeichnet werden.

Alternativ besteht noch die Möglichkeit, den dampfför migen Kraftstoff alleine mit Hilfe des Saugrohr-Unterdrucks der Brennkraftmaschine 1 anzusaugen, wobei dann das Ansaugsystem 2 selbst die Einrichtung zum Erreichen einer Druckdifferenz zwischen dem Kraft stoffbehälter 6 und/oder dem Aktivkohlebehälter 11 und der Brennkraftmaschine 1 bildet. Es besteht also die Möglichkeit, den dampfförmigen Kraftstoff den Brenn räumen 3 mittels Unterdruck oder mittels Überdruck zuzuführen.

Für die Entnahme von dampfförmigem Kraftstoff und des sen Zufuhr zur Brennkraftmaschine 1 ergeben sich somit prinzipiell drei verschiedene Möglichkeiten, und zwar entweder nur aus dem Kraftstoffbehälter 6 oder nur aus dem Aktivkohlebehälter 11 oder aus dem Kraftstoffbe hälter 6 und aus dem Aktivkohlebehälter 11, wobei je nach Füllzustand des Kraftstoffbehälters 6 und des Aktivkohlebehälters 11 sowie nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 eine dieser drei Möglichkeiten gewählt wird.

Die Leitungen 12 und 14 können mittels eines in diesen Leitungen 12 und 14 angeordneten Umschaltventils 23 umgeschaltet werden, so daß das Ansaugsystem 2 je nach Stellung des Umschaltventils 23 entweder mit der Lei tung 12 oder mit der Leitung 14 verbunden ist und es nur aus der entsprechenden Leitung 12 oder 14 möglich ist, Kraftstoff zuzuführen. Zusätzlich ist zwischen dem Umschaltventil 23 und dem Ansaugsystem 2 noch ein Dosierventil 24 angeordnet, mit dem die dem Ansaugsy stem 2 zugeführte Menge an dampfförmigen Kraftstoff verändert werden kann. Wenn während der Ansaugung von dampfförmigem Kraftstoff über die Leitung 12 aus dem Kraftstoffbehälter 6 das Umschaltventil 23 die Leitung 14 von dem Aktivkohlebehälter 11 zu dem Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine 1 verschließt, kann der Aktiv kohlebehälter 11 während dieser Zeit über den Raum oberhalb des Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegels 8 in dem Kraftstoffbehälter 6 regeneriert werden.

Die in dem Kraftstoffbehälter 6 sich oberhalb des Kraftstoff-Flüssigkeitsspiegels 8 befindliche Menge an dampfförmigem Kraftstoff reicht ebenso wie die in dem Aktivkohlebehälter 11 sich befindliche Menge an dampf förmigem Kraftstoff aus, um die Brennkraftmaschine 1 ohne Zuführung von flüssigem Kraftstoff zu starten und eine gewissen Zeitdauer warmlaufen zu lassen. Hierbei ist es möglich, den dampfförmigen Kraftstoff in nicht dargestellter Weise über Luftkanäle von sogenannten luftumfaßten Einspritzventilen, über spezielle Gasin jektoren oder an zentraler Stelle in das Ansaugsystem 2 einzubringen.

Der dampfförmige Kraftstoff kann den Brennräumen 3 dabei entweder bereits direkt beim Startvorgang der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden, wobei dann wäh rend des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 1 ein zu nehmender Anteil des dampfförmigen Kraftstoffes durch flüssigen Kraftstoff ersetzt wird. Alternativ kann den Brennräumen 3 unmittelbar beim Startvorgang der Brenn kraftmaschine 1 flüssiger Kraftstoff zugeführt werden, der dann kurz nach dem Startvorgang der Brennkraftma schine 1 zumindest teilweise durch dampfförmigen Kraftstoff ersetzt wird. Auch hier würde während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 1 ein zunehmender Anteil des dampfförmigen Kraftstoffes wieder durch flüssigen Kraftstoff ersetzt werden. Der flüssige Kraftstoff wird dem Ansaugsystem 2 dabei, wie bereits oben beschrieben, über die Kraftstoffleitung 5 zuge führt.

Eine solche Zuführung von flüssigem Kraftstoff kann beispielsweise dann erfolgen, wenn ein nicht darge stellter Katalysator seine Arbeitstemperatur erreicht hat oder wenn der dampfförmige Kraftstoff alleine nicht mehr zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 aus reicht.

Zum Heizen des Katalysators wäre es außerdem denkbar, dampfförmigen Kraftstoff in nicht dargestellter Art und Weise in das Abgassystem 4 der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen und dort zu verbrennen.

Mittels einer geeigneten Sensorik oder eines Rechenmo dells in der nicht dargestellten Steuerung der Brenn kraftmaschine 1 kann dabei das Verbrennungsluftver hältnis ermittelt und durch Veränderung der der Brenn kraftmaschine 1 zugeführten Menge an dampfförmigem oder flüssigem Kraftstoff dem Sollzustand angepaßt werden.

Zur Bestimmung der Menge des dem Ansaugsystem 2 dampf förmig zugeführten Kraftstoffes können gegebenenfalls nicht dargestellte Sensoren in dem Kraftstoffbehälter 6, in einer oder mehreren der Leitungen 9, 10, 12 oder 14 oder in dem Abgassystem 4 eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei wenigstens einem Brennraum der Brennkraftma schine ein Kraftstoff/Luftgemisch zugeführt und in demselben gezündet wird, und wobei zumindest über eine bestimmte Zeitdauer während des Startens und/oder Warmlaufens der Brennkraftmaschine wenig stens ein Teil des flüssigen Kraftstoffes durch dampfförmigen Kraftstoff ersetzt wird, welcher in dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftma schine gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dampfförmige Kraftstoff aus wenigstens einem mit der Brennkraftmaschine (1) verbundenen Kraft stoffbehälter (6) oberhalb eines Kraftstoff- Flüssigkeitsspiegels (8) und/oder aus einem mit dem Kraftstoffbehälter (6) verbundenen Aktivkohle behälter (11) entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem wenigstens einen Brennraum (3) bereits beim Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) dampfför miger Kraftstoff zugeführt wird, wobei ein zuneh mender Anteil des dampfförmigen Kraftstoffes wäh rend des Warmlaufens der Brennkraftmaschine (1) durch flüssigen Kraftstoff ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem wenigstens einen Brennraum (3) beim Startvor gang der Brennkraftmaschine (1) flüssiger Kraft stoff zugeführt wird, welcher unmittelbar nach dem Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) zumindest teilweise durch dampfförmigen Kraftstoff ersetzt wird, wobei ein zunehmender Anteil des dampfförmi gen Kraftstoffes während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine (1) wieder durch flüssigen Kraftstoff ersetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dampfförmige Kraftstoff dem wenigstens einen Brennraum (3) mittels Unterdruck zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dampfförmige Kraftstoff dem wenigstens einen Brennraum (3) mittels Überdruck zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heizen eines Katalysators dampfförmiger Kraft stoff in ein Abgassystem (4) der Brennkraftmaschi ne (1) zugeführt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Brennkraft maschine, mit wenigstens einem mit der Brennkraft maschine verbundenen Kraftstoffbehälter und mit einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Ansaug system, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung (2, 13, 15, 17, 22) zum Erreichen einer Druckdifferenz zwischen dem Kraft stoffbehälter (6) und/oder einem Aktivkohlebehäl ter (11) und dem Ansaugsystem (2) der Brennkraft maschine (1).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Bereich oberhalb des Kraftstoff- Flüssigkeitsspiegels (8) in dem Kraftstoffbehälter (6) zu der Brennkraftmaschine (1) geführte Leitung (12) vorgesehen ist, in der eine Saugpumpe (13) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem Aktivkohlebehälter (11) zu der Brenn kraftmaschine (1) geführte Leitung (14) vorgesehen ist, in der eine Saugpumpe (15) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zu dem Aktivkohlebehälter (11) führenden Leitung (16) eine Druckpumpe (17) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (12) von dem Kraftstoffbehälter (6) zu der Brennkraftmaschine (1) und in der Leitung (14) von dem Aktivkohlebehälter (11) zu dem An saugsystem (2) der Brennkraftmaschine (1) ein Um schaltventil (23) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umschaltventil (23) und dem Ansaugsy stem (2) der Brennkraftmaschine (1) ein Dosierven til (24) angeordnet ist.