DE10154455A1

DE10154455A1 - Konstruktion der Treibstoffzufuhr für den DuoDiesel DDI

Info

Publication number: DE10154455A1
Application number: DE10154455A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Gentsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Als neue Energiequellen für den mobilen Antrieb werden heute Erdgas, Wasserstoff, Brennstoffzelle und Biodiesel entwickelt. Hier geht es um den Duo-Dieselmotor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass nachwachsender Treibstoff (NWT) ohne Veresterung direkt eingesetzt wird. Geeignet sind Pflanzenöle, die jedoch zur Reduzierung der Viskosität in der Zuleitung bis zur Einspritzdüse 14 auf höhere Temperatur geheizt werden müssen. Die Erfindung umfasst mehrere Konstruktionen von Treibstoffzuleitungssystemen mit kleinen Spülvolumina V für die gängigen Dieseleinspritzverfahren. Allen gemeinsam ist die Anwendung einer Treibstoffversorgung sowohl mit Dieseltreibstoff als auch mit NWT - aus jeweils separaten Tanks 17, 18 -. Dieselbetrieben nur bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Motors und des Zuleitungssystems für den NWT, folgt danach ein automatisches Umschalten auf den Betrieb mit NWT durch die Bordelektronik 11.

Description

Eine Reihe von Verbrennungsmotoren kann mit voneinander verschiedenen Kraftstoffen betrieben werden. Zum Betrieb eines Ottomotors lassen sich neben dem Kraftstoff Benzin auch Brenngase einsetzen. Heute werden dazu bevorzugt Erdgas und Wasserstoff eingesetzt. Kraftfahrzeuge, die sowohl mit Benzin als auch mit Gas betrieben werden können, benötigen dazu mindestens zwei Tanks. In hochdruckfester Ausführung ist der Gastank im Vergleich zum Benzintank schwerer, was im Falle eines Fahrzeugbetriebes das Gesamtgewicht deutlich erhöht.
Für den Dieselmotor ist ein Betrieb mit voneinander verschiedenen Kraftstoffen ebenfalls bekannt. Jedoch sind die eingesetzten Kohlenwasserstoffe deutlich langkettiger. Es sind selbst beim Einsatz von Alternativkraftstoffen zum Diesel keine besonderen z. B. druckfeste Tanks erforderlich, die das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs erhöhen. Die Verwendung von BioDiesel setzt bis auf die Auswahl anderer ölfester Kunststoffbauteile im Kraftstoffsystem keine weiteren Änderungen am derzeitigen Dieselfahrzeug voraus. Nachteilig ist bei dieser Methode, dass zur Herstellung von Biodiesel (meist Rapsöl als Rohstoff) zur Einstellung der Öleigenschaften eine Veresterung vorgenommen werden muss. Bei diesem Prozess muss Energie aufgewendet werden, die in der Gesamtbilanz die Wirtschaftlichkeit dieses Treibstoffes verringert. Dies trifft neben den Pflanzenölen auch auf tierische Fette zu, die aber im Gegensatz zum Pflanzenöl auf jeden Fall wegen der hohen Viskosität und wegen der hohen Stocktemperatur verestert werden müssen. Wirtschaftlicher ist der direkte Einsatz von Pflanzenöl alternativ zum Dieselöl in einem 2-Stoffmotor, hier genannt DuoDiesel. Über ein bekanntes Zweitanksystem, eines mit Dieselöl, das andere mit Pflanzenöl gefüllt, kann der Treibstoff vor das Einspritzsystem des Motors geführt werden. Im Fall des Betriebes mit Pflanzenöl muss zur Reduzierung der Ölviskosität dessen Temperatur erhöht werden.
Folglich muss der nachwachsende Treibstoff (NWT) in der Zuleitung zum Motor - z. B. einfach elektrisch - erhitzt werden. Hier liegt das Problem. In der kalten Jahreszeit müssen alle Teile der Treibstoffzufuhr einschließlich der Einspritzdüsen vor dem Anlassen des Motors auf etwa 60°C vorgewärmt werden. Das überlastet die übliche Fahrzeugbatterie so, dass diese gegen eine Batterie mit großer Kapazität ersetzt werden muss, was wiederum das Gesamtfahrzeuggewicht steigert. Die Lösung des Problems stellt die doppelte Treibstoffzuführung mit je einem Tank und die Nutzung der Motorabwärme aus der Startphase mit konventionellem Dieselkraftstoff für die Vorwärmung des NWT mittels konventioneller Wärmeübertrager dar.

Die erfinderische Aufgabe ist die Konstruktion von zwei Treibstoffversorgungen für die gebräuchlichen drei Dieseleinspritzverfahren: Konventionelle Verteilereinspritz- und Reiheneinspritzpumpe, Common-Rail und Pumpe-Düse sowie die Auslegung der Steuerelektronik zum automatischen Betrieb mit beiden Kraftstoffen. Notwendig ist zuerst der Betrieb des Motors mit Dieselkraftstoff bis Temperaturfühler die obere Temperatur des Kühlwasserkreislaufes und die Erwärmung der Treibstoffzufuhr für den NWT erkennen und die Bordelektronik das 2-Wegeventil für den Vorlauf und das für den Rücklauf umschaltet.

Am meisten verbreitet sind in der Dieselmotortechnik die Reiheneinspritzpumpen sowie die Verteilereinspritzpumpen, die mechanisch mit dem Motor verbunden synchron laufen. Die Wandlung des Motors zum DuoDiesel erfordert einen 2. Tank, beheizbare Treibstoffleitungen und einen beheizten Kraftstofffilter. Eine zum Dieselkraftstoff vergleichbare Viskosität hat der NWT bei einer Temperatur von ~ 60°C. In dem Zeitraum zwischen dem Start des Motors und dem Erreichen der Betriebstemperatur erwärmen von der Kühlflüssigkeit durchflossene Wärmeübertrager alle Bauteile der NWT-Zuleitung auf > 60°C. Zur Erkennung der oberen Betriebstemperatur werden erfindungsgemäß Thermofühler mit Steuerung bzw. Thermoschalter eingebaut, die schließlich die 2-Wegeventile von Diesel- auf NWT-Betrieb umschalten. Es ist nachgewiesen, dass durch diese Technik der Motor störungsfrei mit NWT weiterläuft.

Vor dem Abschalten des DuoDiesels muss insbesondere in der kalten Jahreszeit rechtzeitig manuell auf Diesel zurückgeschaltet werden. Rechtzeitig heißt, bis zum Abschalten des Motors soll der NWT ab Zweiwegeventil in der Pumpe, den Leitungen und der Einspritzdüse gegen Dieselkraftstoff ausgetauscht (gespült) sein, damit ein erneuter Start des Motors (Kaltstart) auch bei Außentemperaturen unter Raumtemperatur (RT) störungsfrei erfolgen kann. Nach dieser Konstruktion ist jedoch das Volumen von Pumpe, Leitung und Einspritzdüse bei den Systemen: Reiheneinspritzpumpe, Verteilerpumpe, Common-Rail und Pumpe-Leitung-Düse groß. Gleiches gilt für das Konstruktionsprinzip Pumpe-Düse, bei dem zwar das Volumen Pumpe- Düse gering ist, aber konstruktionsbedingt ist das Volumen in der Vorlaufleitung bis zum Pumpe-Düse-Einspritzsystem groß.

Die Konstruktion ohne manuellen Eingriff sieht zwei unabhängige Einspritzsysteme vor; mit Zuleitung, Förderpumpe und Tank, eines mit Dieseltreibstoff und eines mit NWT für den alternativen Betrieb. Der Antrieb der einen oder anderen Verteilereinspritzpumpe geht über Magnetkupplungen mit Raste. Mit Raste wegen der erforderlichen Synchronisation. In der Startphase läuft der Motor mit Diesel und bei Erkennung der Betriebstemperatur steuert die Bordelektronik auf NWT um. Die Vorwärmung des NWT-Versorgungsstranges erfolgt wie oben beschrieben.

Die Wandlung eines Dieselmotors mit Common-Rail-Einspritzung zum DuoDiesel erfordert die gleichen Bauteile und Heizungen wie beim Motor mit Verteilereinspritzpumpe. Kürzer ist jedoch die Zeit für die Verdrängung des NWT durch Diesel vor dem Abstellen des Motors wegen kleinerer Volumina von Hochdruckpumpe, Druckleitungen und Einspritzdüsen. Das 2-Wegeventil muss dennoch manuell geschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Konstruktion für den vollautomatischen Betrieb des Common-Rail- DuoDieselmotors geht von zwei Einspritzsystemen aus, mit Zuleitung, Förderpumpe und Tank. Der Antrieb der einen oder anderen Hochdruckpumpe erfolgt über je eine Magnetkupplung. In der Startphase läuft der Motor mit Diesel und bei Erkennung der Betriebstemperatur steuert die Bordelektronik um auf NWT. Um einen Leistungsabfall in der Umschaltphase zu vermeiden, wird die Hochdruckpumpe für Diesel erst ausgekuppelt - kurzzeitig (sek.) arbeiten beide Pumpen - wenn der Einspritzdruck (> 1000 bar) des NWT-Systems erreicht ist. Der Zeitbedarf für das Umsteuern der Common-Rail-Elektronik ist < 1 Millisekunde. Bei dieser Konstruktion hat der Motor zwei Einspritzdüsen pro Zylinder, eine für Diesel und eine für NWT.

Automatisierbar ist auch die Konstruktion mit zwei Hochdruckpumpen, die auf eine Einspritzdüse wirken. Die Druckleitungen laufen unmittelbar vor der Einspritzdüse zusammen. Auf diese Weise wird wegen des kleinen Volumens der Einspritzdüse die Spülzeit zur Verdrängung des NWT durch Diesel kurz (s. o.). Die erfindungsgemäße Konstruktion eines Pumpe-Düse- DuoDieselmotors nutzt aus Platzgründen das Pumpe-Düse-Einspritzsystem für beide Treibstoffe. Auch hier läuft der Motor in der Startphase mit Diesel und wie oben bereits dargestellt, erfolgt die Umsteuerung auf NWT, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist. In der Zeit bis dahin sind Zuleitungen, Filter, Förderpumpe und Tank durch konventionelle Wärmeübertrager mittels Kühlwasser bis über 60°C vorgeheizt. Den Umschaltvorgang leisten 2-Wegeventile, angesteuert von der Bordelektronik. Die Zuführung der beiden Kraftstoffe erfolgt bis an das Pumpe-Düse oder Pumpe-Leitung-Düse-System in separaten Zuführungen heran, damit das Leitungsvolumen bis zur Düse minimal wird.

Für einen störungsfreien Start der kalten Maschine, insbesondere in der kalten Jahreszeit, muss vor deren Stilllegung der NWT durch Diesel im Pumpe-Düse-Einspritzsystem verdrängt werden. Dazu wird das 2-Wegeventil manuell umgeschaltet. Das mit Treibstoff gefüllte Volumen gerechnet vom 2-Wegeventil bis zur Einspritzdüse ist bei der Pumpe-Düse-Einspritztechnik besonders klein und folglich die Zeit zur Verdrängung des NWT durch Diesel kurz.

Diesen Vorteil nutzend wird erfindungsgemäß in das Programm der Bordelektronik eine Nachlaufzeit eingeschrieben. Diese beginnt im Zeitpunkt "Aus" mit gleichzeitigem Umschalten des 2- Wegeventils auf Dieselbetrieb und dauert um 10 Sekunden. Auf diese Weise kann der Pumpe- Düse-DuoDiesel vollautomatisch betrieben werden.

In Fig. 1 ist schematisch das Duodieselmotorsystem mit Common-Rail Einspritzung dargestellt. In dem Kraftstoffbehälter 19 befindet sich der Kraftstoff A, z. B. Diesel und in dem Behälter 18 der Kraftstoff B. Wie bekannt fließt der Kraftstoff A über den Filter 10 der Hochdruckpumpe 12 zu und weiter über die Hochdruckleitung zu der Einspritzdüse 13. Der Kraftstoff B fließt durch den Filter 15 zur Hochdruckpumpe 14 und weiter zu der Einspritzdüse 13 (dargestellt für nur einen Zylinder). Die Vorwärmung des NWT leisten Wärmeübertrager 17. Den Wechsel von Treibstoff A zu B bewirkt die temperaturfühlende Elektronik 11 durch Umschalten von Pumpe 12 auf Pumpe 14. Nach dem Verdrängen des Diesels im Volumen V erfolgt der Betrieb ausschließlich mit NWT. Werden pro Zylinder 2 Einspritzdüsen gewählt, ist ohne einen Spülvorgang die Umschaltung zwischen den beiden Kraftstoffen möglich. Falls das System nach Fig. 1 ausgelegt wird, muss vor dem Abschalten des Motors durch einen Programmschritt in der Elektronik 11 ein Nachlaufen des Motors zum Spülen des Volumens V erfolgen. Der rückgeführte Treibstoff gelangt über ein 2-Wege-Ventil 16 in den entsprechenden Tank.
In Fig. 2 zeigt das Schema den DuoDiesel mit dem System Pumpe-Düse oder Pumpe-Leitung- Düse. Das System zeichnet sich durch den konstruktiven Vorteil aus, dass die Kraftstoffe aus den Tanks 17 und 18, z. B. Diesel A und NWT B, sehr nah an den Eingang der Pumpe geführt werden. Das heißt, der Kraftstoff A fließt durch den Filter 10 über ein von der Elektronik 11gesteuertes Ventil 12 zum Eingang des Einspritzsystems 14. Gleiches gilt für den Kraftstoff B, der durch den Filter 16 und das gesteuerte Ventil 13 fließt und dann ebenfalls am Eingang des Einspritzsystems 14 ansteht. Einziger Unterschied ist, dass der Kraftstoff B in der Zuleitung vorgeheizt wird, durch die Wärmeübertrager 15. Ist pro Zylinder, wie in der Fig. 2 dargestellt, nur ein Einspritzsystem vorhanden, muss vor dem Abstellen des Motors das Volumen V mit Kraftstoff A gespült werden für einen sicheren Neustart des Motors. Wie oben schon ausgeführt, gelangt der rückgeführte Treibstoff durch das 2-Wege-Ventil 19 in den entsprechenden Tank.

Claims

1. Konstruktion der Kraftstoffversorgung für einen Dieselmotor, die einen alternativen Betrieb mit Dieselkraftstoff A und mit nachwachsendem Treibstoff B direkt ermöglicht, also für einen DuoDiesel, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kraftstoffe mit ähnlichen Fließeigenschaften bis an die Einspritzdüsen herangeführt werden.

2. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Common-Rail-Einspritzsystems Fig. 1 zwei Hochdruckpumpen 12 und 14 eingesetzt werden, eine für den Betrieb mit dem Kraftstoff A, die andere für den Kraftstoff B.

3. Konstruktion und Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit zwei voneinander unabhängigen Einspritzdüsen gearbeitet wird (2 Einspritzdüsen pro Zylinder).

4. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kraftstoffzuführungen bis unmittelbar an ein Pumpe-Düse oder Pumpe-Leitung-Düse-System herangeführt werden zur Minimierung des für beide Kraftstoffe nacheinander durchflossenen Leitungsvolumens.

5. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einspritzsysteme Pumpe-Düse bzw. Pumpe-Leitung-Düse pro Zylinder zum Einsatz kommen.

6. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffversorgung sowohl für Fahrzeuge (Pkw / Lkw / Schiffe) als auch für stationär betriebene Motoren Anwendung finden kann.

7. Konstruktion und Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der erforderlichen Viskosität des Kraftstoffes wenigstens eine Kraftstoffzuleitung heizbar ist, a) durch Wärmeübertrager im Kühlkreislauf und/oder aa) elektrisch.