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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf den Betrieb eines Dieselmotors
insbesondere für
einen Lkw beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die
vorliegende Erfindung auch in anderen Fahrzeugen wie Pkw's oder auch bei anderen
Dieselmotoren Anwendung finden kann.
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Aus
dem Stand der Technik sind die unterschiedlichsten Brennkraftmaschinen
und Dieselmotoren bekannt. Üblicherweise
werden diese Brennkraftmaschinen mit einem einheitlichen genormten Dieselkraftstoff
betrieben. In jüngerer
Zeit hat sich jedoch ein zunehmendes Interesse an der Verwendung
von Pflanzenölen
als biogene Treibstoffe entwickelt. Derartige Pflanzenöle haben
gegenüber
fossilen Energienträgern ökologische
und ökonomische Vorteile.
Einerseits lassen sich Pflanzenöle
aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen und sind daher weitgehend
kohlendioxidneutral. Daneben sind derartige Pflanzenöle gut abbaubar.
Auch sind Pflanzenöle
im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen wesentlich kostengünstiger
und auch deren Partikelausstoß bei
der Verbrennung ist gegenüber
Diesel drastisch reduziert.
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Aus
dem Stand der Technik sind diverse Brennkraftmaschinen bekannt,
die mit Pflanzenöl
betrieben werden können
oder auch solche Brennkraftmaschinen, die alternativ mit Dieselkraftstoff
und Pflanzenöl
betrieben werden können.
Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von Pflanzenöl besteht
darin, dass dieses eine erheblich höhere Viskosität im Vergleich
zu Diesel aufweist. Die Viskosität von
Dieselkraftstoff liegt bei Raumtemperatur in ei nem Bereich von 2,0–4,0 mm2/s, während
die Viskosität
von Pflanzenöl
in einem Bereich von mehr als 40 mm2/s liegt.
Daneben ist auch die Zündtemperatur von
Pflanzenöl
erheblich höher
als von Diesel.
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Aus
der
DE 20 2004
020 597 U1 ist es bekannt, das Pflanzenöl vor dem Zuführen an
einen Motor zu erwärmen,
um auf diese Weise ein rückstandsloses
Verbrennen des Öls
zu ermöglichen. Auch
ist es aus der genannten Druckschrift bekannt, mittels einer Regelung
zu bewirken, dass nach dem Starten des Verbrennungsmotors dieser
zunächst
mit Dieselkraftstoff versorgt wird.
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Aus
der
DE 102 49 954
A1 ist eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine
bekannt, die mittels einer Kraftstoffpumpe zwei verschiedene Kraftstoffkreisläufe betreibt.
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Diese
dargestellten Systeme arbeiten im Normalbetrieb bereits zufriedenstellend.
Gleichwohl hat sich bei aktuellen Untersuchungen an den bekannten
Umrüstsystemen
und insbesondere bei direkt einspritzenden Motoren (und auch im
Falle von Common Rail und Pumpe-Düsen-Systemen)
eine Reihe von Problemen ergeben. So erfordert beispielsweise insbesondere
die unterschiedliche Siedekurve und die höhere Zündtemperatur des Pflanzenöls, dass
für eine
zufriedenstellende Zerstäubung durch
die Einspritzdüsen
eine ausreichend hohe Temperatur in den Brennräumen zur Verfügung steht. Diese
Vorraussetzung der vollständigen
Verbrennung des Pflanzenöls
kann jedoch nicht unter allen Betriebsbedingungen des Motors gewährleistet
werden. Insbesondere bei noch kaltem Motor oder bei geringer Belastung
des Motors ist die Temperatur in den Brennräumen oft nicht ausreichend
für die
vollständige
Verbrennung des Pflanzenöls.
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Insbesondere
bei Anwendung der bekannten Systeme bei Kraft- oder Nutzfahrzeugen
treten diese ungünstigen
Betriebsbedingungen regelmäßig und häufig auf.
So kann es in Folge einer unvollständigen Verbrennung zum Eintrag
von unverbrannten Pflanzenöl
in das Motoröl
kommen und dies wiederum zu Verklumpungen durch Polymerisation führen. Daneben
können
auch Veränderungen
an Einspritzdüsen, wie
beispielsweise Verkokungen, Veränderungen
an den Kolbenringen, an den Kolbenböden und an den Ventilen auftreten,
die letztlich zu erheblichen Motorschäden führen können.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 10 2004 050 602
A1 ist ein Verfahren zur Verifikation zumindest eines vorgegebenen
Kraftstoffmischungsverhältnisses
bekannt. Dabei werden einer Brennkraftmaschine zwei unterschiedliche
Kraftstoffarten zugeführt
und es wird das durch das Einspritzsystem geförderte Kraftstoffvolumen ermittelt
und abhängig
davon das Vorliegen eines vorgegebenen Kraftstoffmischungsverhältnisses
verifiziert.
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Die
JP 57203838 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Schweröl einer Treibstoffpumpe eines
Motors zuzuführen.
Dabei werden bei der Zuführung
zwei Ölsorten
gemischt. Die
US 4,495,930 beschreibt
ein Treibstoffsteuersystem, wobei dieses Treibstoffsteuersystem
das Verhältnis
zwischen den Mengen von zwei Treibstoffsorten, die dem Motor zugeführt werden,
steuert. Die
DE 102
17 664 A1 beschreibt eine Kraftstoffförder- und Mischanlage mit Verbrauchskontrolle.
Dabei wird mit Hilfe eines Ausgleichsbehälters und eines Drucksensors genauso
viel Kraftstoff gefördert,
wie vom Motor gerade verbraucht wird.
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Die
US 2005/0035809 A1 beschreibt
einen Schaltkreis zur Erzeugung eines oszillierenden Signals.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Betrieb
einer Brennkraftmaschine auch mit Pflanzenöl zu verbessern. Dabei soll insbesondere
die Anpassung an unterschiedliche Betriebstemperaturen und sonstige
Betriebszustände
des Motors verbessert werden. Daneben soll auch eine hohe Betriebssicherheit
des Motors durch eine stets ausreichende Kraftversorgung gewährleistet sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Betrieb
einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen,
wobei der erste Kraftstoff ein Dieselkraftstoff und der zweite Kraftstoff
ein Pflanzenöl
ist und wobei einer Einspritzeinrichtung der Brennkraftmaschine
vorbestimmte erste Anteile des ersten Kraftstoffes und vorbestimmte
zweite Anteile des zweiten Kraftstoffes zugeführt werden, wird erfindungsgemäß das Verhältnis der
ersten Anteile zu den zweiten Anteilen in Abhängigkeit von einem Lastzustand
der Brennkraftmaschine gesteuert, wobei der Einspritzeinrichtung
wenigstens zeitweise ein Überschuss
an Kraftstoff zugeführt
wird und die Steuereinrichtung high-side-switches aufweist. Auch
das sogenannte Biodiesel wird in diesem Zusammenhang als Dieselkraftstoff
und nicht als Pflanzenöl
verstanden.
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Unter
einem Verhältnis
wird dabei sowohl ein Volumen- bzw. Mischungsverhältnis als
auch ein zeitliches Verhältnis
verstanden, also beispielsweise eine Steuerung, die bewirkt, dass
der Einspritzpumpe in einem ersten Zeitabschnitt der erste Kraftstoff und
in einem anderen Zeitabschnitt der zweite Kraftstoff zugeführt wird.
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Wie
eingangs erwähnt,
ist für
die Verbrennung gerade auch die Temperatur in den Brennkammern des
Motors entscheidend. Zwischen dem jeweiligen Lastzustand des Motors
und der Temperatur in den Brennräumen
besteht ein unmittelbarer Zusammenhang, sodass aus dem Lastzustand
des Motors unmittelbar auf die Betriebstemperatur in den Brennräumen geschlossen
werden kann. Daneben sind die Lastzustände sehr schnell ermittelbar,
sodass innerhalb kurzer Zeit auf sich ändernde Lastzustände des Motors
und damit einhergehende verringerte Betriebstemperaturen in den
Brennräumen
reagiert werden kann. Genauer gesagt werden unterschiedliche Lastzustände des
Motors erkannt und in Abhängigkeit
davon dem Motor ein geeigneter Kraftstoff oder eine geeignete Mischung
aus Kraftstoffen zugeführt.
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Bei
einem bevorzugten Verfahren wird der Lastzustand der Brennkraftmaschine
durch Messungen des Kraftstoffverbrauchs ermittelt. Der Kraftstoffverbrauch
bietet ein unmittelbares Indiz für
den Momentan-Lastzustand des Motors. Es wären jedoch auch prinzipiell
andere Methoden denkbar, um den Lastzustand des Motors zu bestimmen,
wie beispielsweise Messungen des übertragenen Drehmoments und
dergleichen. Bevorzugt wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
im Wesentlichen permanent gemessen. Damit werden die jeweiligen Lastzustände des
Motors permanent ermittelt und damit kann auch eine Anpassung der
dem Motor zugeführten
Kraftstoffe permanent gesteuert werden.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein Kraftstoff
und bevorzugt das Pflanzenöl
der Einspritzeinrichtung durch Betätigung einer Pumpe zugeführt. Dabei
erfolgt die Zuführung des
Kraftstoffes abhängig
von einer Druckobergrenze und einer Druckuntergrenze durch das Ein-
und Ausschalten der Pumpe. Die ständige Messung des Verbrauchs
ermöglicht
es, Betriebszustände
des Motors unter unterschiedlicher (insbesondere unter mäßiger oder
geringer) Last zum Beispiel bei Betrieb im Leerlauf bei niedriger
Drehzahl, sofort zu erkennen. Durch eine geeignete Regelung kann
darauf reagiert werden und in Abhängigkeit des Verbrauchs dem Motor
der optimale Kraftstoff d. h. insbesondere unter Berücksichtigung
der Wirtschaftlichkeit, zugeführt werden.
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Bevorzugt
handelt es sich bei der Regelung um eine Elektronik mit einem Microcontroller
bzw. ein Steuergerät.
Dieser Microcontroller stellt einen wesentlichen Anteil der vorliegenden
Erfindung dar und wird unter Bezugnahme auf die Figuren genauer
erläutert.
Insbesondere handelt es sich bei der Regelungselektronik um eine
genau für
die erfindungsgemäße Aufgabe
angepasste Steuerelektronik, die unter Berücksichtigung einer Vielzahl
von eingehenden Messsignalen eine genaue Regulierung des dem Motor
zugeführten
Kraftstoffs erreicht.
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Bevorzugt
wird der Brennkraftmaschine wenigstens zeitweise eine Mischung aus
dem ersten Kraftstoff und dem zweiten Kraftstoff zugeführt. Vorteilhafterweise
wird der Brennkraftmaschine wenigstens zeitweise nur der erste Kraftstoff
zugeführt
und bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird der Brennkraftmaschine
wenigstens zeitweise nur der zweite Kraftstoff zugeführt. So
bietet es sich insbesondere an, der Brennkraftmaschine während eines Startbetriebs
nur den ersten Kraftstoff, d. h. den Dieselkraftstoff, zuzuführen. Nachdem
der Motor aufgewärmt
ist und unter Volllast betrieben wird, kann ihm nur der zweite Kraftstoff,
d. h. ausschließlich
das Pflanzenöl,
zugeführt
werden.
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Bei
Betrieben unter Teillast ist auch die Zuführung einer Mischung aus beiden
Kraftstoffen denkbar.
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Die
Steuerung der jeweiligen Mischungsverhältnisse kann vorteilhafterweise
durch eine Umschaltvorrichtung, wie beispielsweise ein oder mehrere
Zweiwegeventile ablaufen. Diese Zweiwegeventile werden durch eine
zentrale Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den jeweiligen
Lastzuständen
gesteuert. Genauer gesagt kann bei dem erfindungsgemäßen System
der Einspritzeinrichtung Kraftstoff durch eine Umschaltvorrichtung
wahlweise aus einem von mindestens zwei separaten Tanks zur Verfügung gestellt
werden. Bei einem bevorzugten Verfahren handelt es sich bei dieser
Umschaltvorrichtung um ein elektrisch zu steuerndes Magnetventil.
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Die
Mischungen der Kraftstoffe können
auch durch eine geeignete Taktung der steuerbaren Ventile eingestellt
werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass
sich nach diesen Ventilen bzw. im Motor ein gewisses Kraftstoffvolumen
(z. B. 1 L) befindet und daher über
eine zeitliche Taktung auch eine Mischung eingestellt werden kann.
Wenn beispielsweise unter der Annahme einer konstanten Motordrehzahl über eine
zeitliche Steuerung dem Motor während
eines Zeitraums von 3 Sekunden Diesel zugeführt wird und anschließend während eines
weiteren Zeitraums von 7 Sekunden Pflanzenöl, so ergibt sich ein Mischungsverhältnis von
3:7.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren wird stets das aktuelle Konzentrationsverhältniss mit berechnet.
Dem Motor wird immer entweder der eine oder der andere Kraftstoff
zugeführt,
während
die Brennkraftmaschine jedoch stets das sich einstellende Gemisch
aus beiden Kraftstoffen in der Einspritzeinrichtung verbraucht.
In Zeiten, in denen beispielsweise der Kraftstoff A (der erste Kraftstoff)
zugeführt wird,
steigt die Konzentration von A im sich einstellenden Gemisch in
der Einspritzeinrichtung zumindest zeitweise exponentiell an. Wird
dagegen Kraftstoff B zugeführt,
fällt die
Konzentration von A exponentiell ab. Mit Hilfe des Mikrocontrollers
(und einer geeigneten Software) kann so ständig die aktuell vorhandene
Konzentration des einen oder anderen Kraftstoffes mitberechnet werden.
So kann stets durch die Regelung und bevorzugt unter Berücksichtigung
dieser Berechnungen ein bestimmtes Mischungsverhältnis von beiden Kraftstoffen
eingestellt werden.
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Bevorzugt
wird durch die Verbrauchsmesseinrichtung vorzugsweise ständig die
Menge des verbrauchten Kraftstoffs gemessen. Dabei kann die Verbrauchsmessung
entweder nach der Umschaltvorrichtung oder getrennt vor der Umschaltvorrichtung erfolgen.
Bei erfindungsgemäßem Betrieb
wird der Einspritzeinrichtung wenigstens zeitweise ein Überschuss
an Kraftstoff zugeführt.
Seriendieselmotoren werden üblicherweise
im Überschussbetrieb
mit Kraftstoffen versorgt. Dabei verlässt der überschüssige nicht verbrauchte Kraftstoff
die Einspritzeinrichtung und gelangt über eine Rückleitung zurück in den Tank.
Damit wird deutlich mehr Kraftstoff gefördert als verbraucht wird.
Auf diese Weise gelangen eventuell vorhandene Luft oder Dampfblasen
wieder über den
Rücklauf
zurück
in den Tank. So ist gewährleistet,
dass an der Einspritzeinrichtung stets genügend Kraftstoff ohne Luft oder
Dampfblasen zur Verfügung steht.
Falls dem Motor nur die aktuell verbrauchte Menge an Kraftstoff
geliefert wird, könnte
eine Ansammlung von Luft oder von Dampfblasen zu einem Kraftstoffmangel
an der Einspritzeinrichtung führen.
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Bei
einem weiteren Verfahren ist zumindest bei einigen Varianten von
Motoren ein Spülbetrieb vorgesehen,
um wenigstens Teile der Brennkraftmaschine wie die Zuführleitungen
und die Einspritzeinrichtung bevorzugt mit Dieselkraftstoff zu spülen. Nach
einem Betrieb des Motors, insbesondere nach einem Volllastbetrieb
befindet sich in den einzelnen Zuführleitungen zu den Einspritzpumpen überwiegend
oder zumindest teilweise Pflanzenöl. Dieses Pflanzenöl könnte bei
einem erneuten Start des Motors zu Betriebsstörungen führen. Daher wird bevorzugt
eine Spülpumpe
eingesetzt, die vor dem Abstellen des Motors ein Spülen des
Kraftstoffkreislaufes mit Diesel, insbesondere bis auf ein genau
definierbares Konzentrationsverhältnis,
ermöglicht
Auch die Einspritzpumpe kann als Spülpumpe verwendet werden.
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Auf
diese Weise steht bei einem weiteren Start des Motors unmittelbar
Dieselkraftstoff zur Verfügung.
Dabei wird bevorzugt die programmierte Spülmenge volumengenau eingehalten,
wobei dies insbesondere unabhängig
von der aktuellen Drehzahl und dem Verbrauch des Motors geschieht.
Auf diese Weise können
die Anforderungen des Benutzers an Bedienkomfort erfüllt werden.
Bei einer bevorzugten Form wird beim Spülen – wie oben beschrieben – Falls
der Motor ohne vorheriges Spülen abgeschaltet
wird, wird dies besonders vorteilhaft erkannt und von der Steuerungselektronik
ein Notspülprogramm
eingeleitet. Dabei kann beispielsweise das von der Einspritzeinrichtung
niederdruckseitig vorhandene Pflanzenöl durch Diesel ersetzt werden.
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Während des
Spülvorganges
wird der zum Spülen
verwendete Kraftstoff, der sich üblicherweise aus
einer Mischung von beiden Kraftstoffen zusammensetzt, in den Pflanzenöltank geleitet.
Es ist jedoch auch möglich,
einen weiteren Tank vorzusehen, der zur Aufnahme dieses Spülkraftstoffes
dient. Dieser zusätzliche
Tank kann beispielsweise mit dem Dieseltank gekoppelt werden. Beim
nächsten
Startvorgang kann zunächst
der Kraftstoff aus diesem weiteren Tank verwendet werden, da dieser
Kraftstoff sich zumindest größtenteils
aus Dieselkraftstoff zusammensetzt. Es wäre jedoch auch möglich, den Kraftstoff
aus dem weiteren Tank erst nach einer Warmlaufphase des Motors zu
verwenden. Auch dies kann durch eine zentrale Steuerungseinrichtung
gesteuert werden.
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Bevorzugt
wird, wie oben erwähnt,
der Brennkraftmaschine während
eines Startbetriebs nur Dieselkraftstoff zugeführt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Brennkraftmaschine gerichtet,
welche einen ersten Tank zur Aufbewahrung von Dieselkraftstoff,
einen zweiten Tank zur Aufbewahrung eines Pflanzenöls aufweist sowie
Zuführleitungen,
um die Kraftstoffe einer Einspritzeinrichtung mit vorbestimmten
ersten Anteilen des Dieselkraftstoffs und zweiten vorbestimmten
Anteilen des Pflanzenöls
zuführen
zu können.
Erfindungsgemäß ist eine
Messeinrichtung vorgesehen, die wenigstens einen Lastzustand der
Brennkraftmaschine misst, sowie eine Steuerungsvorrichtung, die in
Abhängigkeit
von dem gemessenen Lastzustand der Brennkraftmaschine das Verhältnis des
ersten Anteils zu dem zweiten Anteil steuert. Wie oben erwähnt, kann
es sich dabei um eine Messeinrichtung handeln, die den Verbrauch
des Kraftstoffes misst.
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Die
erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung
weist eine Steuerungseinrichtung auf und diese stellt einen zentralen
Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar. Diese Steuerungseinrichtung
verfügt über mehrere
Eingänge,
welche die unterschiedlichen Betriebszustände des Motors ermittelt, wie
den Kraftstoffverbrauch, die Motortemperatur an unterschiedlichen
Positionen, Drücke
und dergleichen. In Abhängigkeit
von diesen ermittelten Werten steuert die Steuerungseinrichtung
die Zuführung
der Kraftstoffe an die Einspritzeinrichtung. Dabei können beispielsweise
Magnetventile angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Ihrer Schaltstellung
unterschiedliche Flussströme
hin zur Einspritzeinrichtung erlauben.
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Vorzugsweise
ist die Messeinrichtung eine Verbrauchsmesseinrichtung, die die
Menge des von der Brennkraftmaschine verbrauchten Kraftstoffes ermittelt.
Dabei ist es einerseits möglich,
die Verbrauchsmesseinrichtung als Durchflussmesseinrichtung auszugestalten,
die die Menge des durchfließenden
Kraftstoffs misst. Auch kann der Verbrauch unmittelbar beispielsweise über eine
Strommessung einer Kraftstoffpumpe erfolgen. So ist es möglich, dass
die Volumenmessung nicht über
eine eigene Volumenmesseinrichtung, sondern mittels einer Strommessung
an der vorhandenen Pumpe, wie beispielsweise einer Membranpumpe
erfolgt.
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Diese
Pumpe wird mit einem Strom betrieben, der von der jeweiligen Belastung
der Pumpe abhängt.
So steigt dieser Strom beispielsweise im Fall eines Pumpenhubs von
ca. 100 mA Ruhestrom auf ca. 1,5 A an. Über einen niederohmigen Shunt
kann der daraus resultierende Spannungsabfall verstärkt und
zu einem digitalen Signal aufbereitet werden. Dieses digitale Signal
wird der Steuerungseinrichtung bzw. einem Microcontroller zugeführt, der
auf diese Weise die Anzahl der Pumpenhübe mitzählt. Da das Volumen pro Pumpenhub
bekannt ist, lässt sich
auf diese Weise leicht das gepumpte Volumen pro Zeit und damit das
geförderte
Kraftstoffvolumen berechnen.
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Damit
weist die Verbrauchsmesseinrichtung bei dieser Ausführungsform
eine Strommesseinrichtung auf, die den Stromverbrauch einer Kraftstoffpumpe
misst.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Steuerungsvorrichtung wenigstens zwei Magnetventile auf.
Mittels dieser Magnetventile, die besonders bevorzugt als Zweiwegeventile
ausgeführt
sind, kann die Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffes
gesteuert werden. Vorzugsweise sind diese Magnetventile derart ausgelegt,
dass beispielsweise bei einem Stromausfall oder bei einem Fehlbetrieb
der Steuerungsvorrichtung lediglich Dieselkraftstoff zu der Einspritzeinrichtung
gelangt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Steuerungseinrichtung sogenannte high-side-switches auf.
Genauer gesagt werden die elektromechanischen Komponenten, die bevorzugt auf
einen gemeinsamen Verteilerblock montiert sind, wie die Magnetventile
und die Pumpe über
moderne high-side-switches angesteuert. Derartige high-side-switches
haben im Gegensatz zu herkömmlichen MOSFETs
den Vorteil, dass als Eingangssteuersignal ein TTL-Pegel mit 5 V
ausreichend ist. Damit sind diese high-side-switches Mikrocontrollerkompatibel. Desweiteren
erzeugen high-side-switches ein Ausgangssignal, dessen Strom dem
Strom des Lastkreises proportional ist. Dieses Signal wird beispielsweise über einen
AD-Eingang zur Auswertung dem Mikrocontroller zugeführt. Damit
können
Defekte oder Störungen,
beispielsweise an den Magnetventilen oder den Pumpen, von der Elektronik
erkannt werden. Um einen weiteren sicheren Betrieb des Motors zu
gewährleisten,
können
in Abhängigkeit
von den erkannten Störungen
geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen
werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist in wenigstens einer Zuführleitung
ein Rückschlagventil
angeordnet. Durch diese Rückschlagventile
kann beispielsweise verhindert werden, dass Diesel- oder Pflanzenölkraftstoff über die
Rücklaufleitung
in das System gelangt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind im Wesentlichen sämtliche
Elemente der Steuerungseinrichtung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet.
Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen Aluträger. Insbesondere
im Bereich der Nutzfahrzeuge werden an eine vibrations- und strahlwassergeschützte Verkabelung
sehr hohe Anforderungen gestellt. Daher wird vorteilhaft die gesamte
Elektronik auf dem Verteilerblock angeordnet und dabei besonders
vorteilhaft vergossen. Die Kabellängen zwischen der Elektronik
einerseits und den elektromechanischen Komponenten und Sensoren andererseits
können
sich so auf ein Minimum reduzieren. Dies trägt im ganz erheblichen Maße zur Betriebssicherheit
und zur Kosteneinsparung bei.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Kraftfahrzeug mit einer
Brennkraftmaschine der oben beschriebenen Art gerichtet.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;
und
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3 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerung in einer weiteren
Auführungsform.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerung der Kraftstoffversorgung.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist im Wesentlichen
die vollständige
Steuerung auf einem Träger
wie insbesondere einem Aluminiumblock 4 angeordnet. Auf
diesem Aluminiumblock sind alle Aktoren, wie beispielsweise die
Magnetventile 1 und 2 oder die Membranpumpe 13,
angeordnet. Daneben sind auf diesem Aluminiumblock 4 auch
ein Drucksensor 19 sowie ein Temperatursensor 7 vorgesehen.
Auch weitere insbesondere passive Teile wie Rückschlagventile 18a, 18b, 18c und
ein Filter 15 sind auf diesem Aluminiumblock an geordnet.
Bevorzugt wird der Verteilerblock von Kühlwasser KW durchströmt und dient
damit auch als Wärmetauscher.
Gleichzeitig wird eine Kühlung
des Systems auf diese Weise erreicht.
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Lediglich
die Leitungen zu den Tanks 11, 12, zur Einspritzeinrichtung 16 und
die Kühlwasseranschlüsse KW müssen in
dem Kraftfahrzeug erstellt werden. Damit kann der Aluminiumblock
mit seinen Komponenten auch als Nachrüstsatz zur Verfügung gestellt
werden.
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Genauer
gesagt bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen Tank für Dieselkraftstoff
und das Bezugszeichen 12 einen Tank für Pflanzenölkraftstoff. Das Bezugszeichen 8 bezieht
sich auf Verbindungsstellen, um die jeweiligen Zuleitungen (DV,
DR, PV, PR) von außen
dem Aluminiumblock 4 zuzuführen. Weiterhin ist vorzugsweise
in dem Aluminiumblock 4 eine (nur schematisch gezeigte)
Steuerungseinrichtung 10 integriert. Diese Steuerungseinrichtung
d. h. eine Elektronik mit Mikroprozessor ist das Kernstück der Steuerung
und nimmt die Regelungsaufgaben wahr.
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Über eine
Dieselverbindungsleitung DV gelangt der Dieselkraftstoff zunächst über die
Umschaltvorrichtung 1, die hier als Magnetventil ausgeführt ist
und über
die Einspritzvorlaufleitung EV zu der Einspritzeinrichtung 16.
Der nicht verbrauchte Rest gelangt über die Einspritzrücklaufleitung
ER und über
die Umschaltvorrichtung 2, bei der es sich ebenfalls um
ein Magnetventil handelt sowie die sich daran anschließende Leitung
wieder zurück
in den Tank 11. Das Rückschlagventil 18a bewirkt,
dass der Dieselkraftstoff zwar in 1 nach oben
in den Tank 11 gelangten kann umgekehrt jedoch kein Kraftstoff über die
Rücklaufleitung
DR in das System gelangt.
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Die
Ruhestellungen der Magnetventile 1 und 2 sind
vorzugsweise so gewählt,
dass der beschriebene Kraftstoffverlauf auch in stromlosen Zustand
z. B. im Falle eines Defekts in der Elektronik oder bei defekten
Sicherungen eingenommen wird. Damit wird sichergestellt, dass im
Falle eines Systemausfalls die Einspritzpumpe und damit der Motor
nur mit Dieselkraftstoff versorgt wird.
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Im
Pflanzenölbetrieb
wird der Kraftstoff von einer Pumpe 13 über eine Pflanzenölvorlaufsleitung PV
in eine sich daran anschließende
Versorgungsleitung 24 sowie das Magnetventil 2 aus
dem Pflanzenöltank 12 abgesaugt
und gelangt über
einen Filter 15, eine Zuführleitung 25 und das
Magnetventil 1 ebenfalls zur Einspritzeinrichtung 16 des
Motors. Auch hier wird der in dem Motor ausströmende und nicht verbrauchte
Anteil des Kraftstoffes über
die Einspritzrückführleitung
ER und den Rücklauf 17 zurückgeführt.
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In
diesem Falle gelangt das Pflanzenöl jedoch nicht zurück in den
Pflanzenöltank
sondern wird zurück
an den Filter 15 geleitet und auf diese Weise dem Vorlauf
wieder zugeschnitten. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass
die Wärme
des bereits vorgewärmten
Kraftstoffes in dem Kreislauf zwischen der Einspritzeinrichtung 16 und
dem Aluminiumblock 4 erhalten bleibt. Auf diese Weise muss nur
der neu hinzugefügte
Kraftstoff erneut erwärmt werden.
Dies ist insbesondere für
Pflanzenöl
basierte Kraftstoffe interessant, da diese, wie Eingangs erwähnt, höhere Temperaturen
benötigen.
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Das
Bezugszeichen 18b bezieht sich ebenfalls auf ein Rückschlagventil,
welches verhindert, dass Pflanzenöl von dem Pflanzenöltank in
Richtung des Filters gelangt.
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Das
Bezugzeichen 19 bezieht sich auf einen Drucksensor der
im Vorlauf zur Einspritzeinrichtung 16 den Druck misst.
Die Zuführung
des Pflanzenölkraftstoffs
erfolgt abhängig
von einer Druckobergrenze und einer Druckuntergrenze durch das Ein-
und Ausschalten der Membranpumpe 13. Das Rückschlagventil 18c verhindert
ebenfalls, dass Öl
in 1 nach unten d. h. in Richtung der Einspritzeinrichtung 16 fließt.
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Wie
eingangs erwähnt,
kann zur Kraftstoffverbrauchsmessung eine Messung des Stroms der Membranpumpe
erfolgen. Genauer kann auf diese Weise die Anzahl der Pumpenhübe gezählt und
damit das gepumpte Volumen pro Zeiteinheit berechnet werden. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
insbesondere bei einem Einsatz in LKW-Motoren oder im Falle von
langen Kraftstoffleitungen vom Tank zur Einhaltung der Versorgungssicherheit
mit Kraftstoff eine zweite (nicht gezeigte) Pumpe direkt am oder
im Tank vorgesehen sein. Diese zweite Pumpe kann gewährleisten,
dass an der Einspritzeinrichtung 16 stets genügend Kraftstoff
zur Verfügung steht.
Dabei wird diese zweite Pumpe parallel zu der ersten Pumpe 13 betrieben.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.
Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 10 auf die zentrale Steuerungseinrichtung,
welche die Regelung des Systems wahrnimmt. Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform
besitzt die Steue rungseinrichtung d. h. das Steuermodul vier Ausgänge, um
unterschiedliche Aktoren anzusteuern. Genauer werden über eine Kommunikationsverbindung 26, über welche
Steuerungseinrichtung 10 mit dem in 1 gezeigten
Aluminiumblock 4 bzw. dessen Komponenten in Verbindung
steht das Magnetventil 1, das Magnetventil 2 sowie
die Membranpumpe 13 gesteuert. Über den vierten Ausgang kann
beispielsweise eine Steuerung einer weiteren Pumpe im oder am Kraftstofftank,
wie oben beschrieben, erfolgen.
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Des
Weiteren weist die Steuerungseinrichtung 10 hier drei Eingänge für Sensoren
auf. Über eine
Kommunikationsverbindung 27 können der Temperatursensor 7 und
der Drucksensor 19 mit der Steuerungseinrichtung verbunden
werden. Ein weiterer Sensor kann beispielsweise ein Tankgeber in
dem Kraftstofftank 12 zur Füllstandsmessung sein, wobei dieser über eine
Kommunikationsverbindung 31 an die Steuerungseinrichtung 10 angebunden
wird. Die Stromversorgung der Steuerungseinrichtung erfolgt über eine
Versorgungsleitung 32, mittels derer die Steuerungseinrichtung
mit dem Zündsignal
des Fahrzeugnetzes bzw. dem Zündschalter
verbunden ist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt eine Versorgung
mit einer Spannung von 24 Volt, wie für LKW's üblich.
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Über eine
weitere Messeinrichtung wird geprüft, ob der Fahrzeugmotor läuft. Dabei
wertet die Steuerungseinrichtung den sogenannten Zündungsplus
(Kl. 15) des Fahrzeugs aus. In Abhängigkeit davon wird die Steuerungseinrichtung
eingeschaltet bzw. in einen stromsparenden stand-by-modus versetzt.
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Dabei
ist jedoch der Zündungsplus
nicht notwendigerweise ein zuverlässiger Indikator dafür, ob der
Motor läuft.
So kann beispielsweise nur die Zündung
eingeschaltet sein, ohne dass der Motor gestartet wurde. Daher erfolgt
vorteilhaft eine Auswertung der Ladespannung für die Bleiakkus. Bleiakkus
besitzen eine Zellenspannung von 2 Volt. Die Ladespannung liegt
dabei stets höher.
Entsprechend kann im Fahrzeug durch eine Spannungsmessung das Laden des
Bleiakkus durch die Lichtmaschine erkannt werden und damit ein Betrieb
des Fahrzeugmotors. Liegt die Spannung bei genau 24,0 Volt (bzw.
12 Volt im Falle eines PKW's)
erfolgt keine Ladung durch die Lichtmaschine, d. h. der Motor steht.
Liegt die Spannung dagegen über
26 Volt (bzw. über
13 Volt im Falle eines PKW's)
kann daraus geschlossen werden, dass der Akku geladen wird und damit,
dass der Motor läuft.
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Über eine
Kommunikationsverbindung 33, beispielsweise über eine
I2C-Schnittstelle, kann eine Anzeigeeinrichtung
wie beispielsweise ein zweizeiliges Display mit Bedientasten, welches
vorteilhafterweise am Fahrersitz positioniert ist, angeordnet werden.
Auf diesem Display kann beispielsweise neben dem aktuellen Kraftstoffverbrauch
auch das Mischungsverhältnis
der aktuell dem Motor zugeführten Kraftstoffe
angezeigt werden.
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In
Abhängigkeit
von dem gemessenen Verbrauch des Kraftstoffes kann die Umschaltung
auf Pflanzenölbetrieb
automatisch nach selbstdefinierbaren fahrzeugspezifischen Werten
erfolgen. Dabei erfolgt die Umschaltung, wie eingangs erwähnt, durch entsprechende
Umschaltungen der Magnetventile 1 und 2. Falls
der Motor nicht unter optimalen Betriebsbedingungen bzw. unter Volllast
läuft wird
dies von der Regelungselektronik durch eine Verbrauchsmessung detektiert
und dem Motor in Abhängigkeit
davon ein bestimmter Kraftstoff oder eine Mischung von Kraftstoffen
zugeführt.
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Die
Steuerungseinrichtung 10 weist einen Mikrokontroller 20 auf.
Der Mikrokontroller 20 übernimmt
die Steuerung des Systems, d. h. in Abhängigkeit von den einzelnen
Eingangssignalen der Sensoren steuert er die einzelnen Ausgänge d. h.
die Magnetventile 1 und 2 sowie die Membranpumpe 13.
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Zur
vereinfachten Programmierung weist der Mikrokontroller 20 bevorzugt
eine Speichereinrichtung und insbesondere einen sogenannten Flashspeicher
auf.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die oben beschriebene Strommessung der Membranpumpe vorzugsweise
mit Hilfe sogenannter High side Switches durchgeführt. Dieses
gemessene Signal wird ebenfalls zu einem digitalen Signalaufbereiter übermittelt
und wie oben beschrieben ausgewertet.
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Des
Weiteren weist die Steuerungseinrichtung eine Vielzahl von A/D-Wandlern
auf, die dazu dienen, um der Elektronik bzw. der Steuerungseinrichtung
das von den Sensoren übermittelte
Signal für
die Kühlwassertemperatur,
den Druck im Vorlauf zur Einspritzeinrichtung und den Füllstand
in mindestens einem Tank zu übermitteln,
in ein digitales Signal umzuwandeln und zur weiteren Auswertung
dem Mikrokontroller 20 zuzuführen. Vorzugsweise ist zumindest
in dem Tank 12 für
das Pflanzenöl
ein derartiger Füllstandsensor
vorgesehen. Vor zugsweise kann auch in dem Dieseltank 11 ein
entsprechender Füllstandsensor
vorgesehen sein.
-
Wie
eingangs erwähnt,
sind sämtliche
Komponenten der Steuerung d. h. beispielsweise die Magnetventile 1, 2 die
Pumpe 13, der Temperatursensor 7, der Drucksensor 19,
der Filter 15 sowie die Elektronik auf einem kühlwasserdurchströmten Verteilerblock
beispielsweise aus Aluminium montiert bzw. darin integriert. Im
Vergleich zu einer diskreten Montage der einzelnen Komponenten wird
hierdurch der Zeitaufwand beim Einbau in das Fahrzeug auf ein Minimum
reduziert und die Kosten können
erheblich gesenkt werden.
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Durch
die Kühlwasserdurchströmung wirkt der
Verteilerblock 4 gleichzeitig als Wärmetauscher und die von Pflanzenöl durchströmten und
auf den Aluminiumblock montieren Komponenten können mit beheizt werden. Dadurch
erreicht nach einer gewissen Zeit der Aluminiumblock 4 samt
aller Komponenten eine Temperatur von etwa 80 Grad Celsius und dadurch
verliert das Pflanzenöl
nicht bereits beim Durchströmen
dieser Komponenten vor Erreichen der Einspritzeinrichtung seine
Wärme.
Daneben können
jedoch auch zusätzliche
Heizeinrichtungen für das
Pflanzenöl
vorgesehen sein wie beispielsweise PTC-Elemente, die das Pflanzenöl auf seinem
Weg zur Einspritzeinrichtung 16 erwärmen.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerung
in einer weiteren Auführungsform.
Ein wesentlicher Unterschied besteht hier in der geänderteren
Position des Magnetventils 2 gegenüber der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
wodurch eine verbesserte Trennung der beiden Kraftstoffe erreicht
wird. Im Dieselbetrieb kann der Dieselkraftstoff nur einen einzigen
Weg einnehmen, genauer verläuft
er vom dem Dieseltank durch das stromlose d. h. sich in seiner Ruhestellung befindende
Magnetventil 1 zur Einspritzeinrichtung 16 und
von dort über
den Rücklauf
ER weiter in Richtung des ebenfalls stromlose d. h. sich in seiner
Ruhestellung befindlichen Magnetventils 2. Von dort gelangt
der Kraftstoff zurück
in den Dieseltank.
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Im
Pflanzenölbetrieb
gelangt das Pflanzenöl von
dem Pflanzenöltank 12 über die
Pumpe 13 den Filter 15 und das in seiner (durch
die gestrichelte Linie gekennzeichnete) Arbeitsstellung befindliche
Magnetventil 1 zur Einspritzeinrichtung. Ein Fluss eines Kraftstoffes – z. B.
durch ungünstige
Druckverhältnisse – in den
jeweils anderen Tank ist ausgeschlossen.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann jedoch das Volumen des zu substituierenden Kraftstoffes nicht mit
Hilfe der Pumpe 13 gemessen werden da der Kraftstoff nicht über die
Pumpe in den Pflanzenöltank fließt. Daher
kann der Spülvorgang
nur zeitlich begrenzt werden.
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Um
zu erreichen, dass auch während
des Spülvorganges
eine Volumenmessung möglich
ist, wird ein weiteres Magnetventil 3, das hier als einfaches
d. h. nicht als Zweiwegeventil ausgeführt ist, oder ein Hubmagnet
eingebaut. Während
des Spülvorgangs
fließt
Diesel über
das Magnetventil (in dessen durch die durchgezogene Linie dargestellten) Stellung
in das System und ersetzt das Pflanzenöl. Das ausströmende Kraftstoffgemisch
fließt über das Magnetventil 2 in
dessen durch die gestrichelte Linie dargestellten Stellung und über das
Magnetventil 3 oder den Hubmagneten zur ansaugenden Pumpe. Von
dieser Pumpe wird das Pflanzenöl
in den Pflanzenöltank
gepumpt während
gleichzeitig eine Volumenmessung stattfindet.
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Da,
wie oben angemerkt, der von dem Motor nicht verbrauchte Kraftstoff
wieder dem Vorlauf der Einspritzpumpe zugeschnitten wird (in der
Art eines kurzgeschlossenen Rücklaufs),
kann nicht unbegrenzt Kraftstoff in das System gepumpt werden. Um die
Entstehung eines Lecks durch einen Überdruck im Kraftstoffkreislauf
zu vermeiden, kann an dem Aluminiumblock 4 zwischen den
Anschlüssen
PV (Pflanzenölvorlauf)
und PR (Pflanzenölrücklauf)
ein Überströmventil 14 integriert
werden.
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Auf
diese Weise kann die externe Kraftstoffpumpe 6 in der Nähe des Pflanzenöltanks 12 das
insbesondere bei tiefen Temperaturen besonders zähflüssige Pflanzenöl mit hohem
Druck zu dem Aluminiumblock 4 befördern. Die integrierte Pumpe 13 nimmt die
aktuell benötigte
Menge direkt am Aluminiumblock 4 ab. Die aktuell nicht
benötigte
Menge strömt über das Überströmventil 14 und
die Rücklaufleitung – ohne dass
es erwärmt
wurde – zurück in den
Pflanzenöltank.
Kraftstoffmangelzustände
und der damit verbundene Eintrag von Luft oder Gas werden so vermieden.
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Bei
einer weiteren Variante wird der im Pflanzenölbetrieb rückströmende Kraftstoff nicht auf
der Schmutzseite des Filters sondern auf dessen sauberer Seite dem
Vorlauf zugeschnitten. Auf diese Weise wird verhindert, dass gerade
bei hohem Verbrauch die Durchflusskapazität des Filters nicht ausreichen könnte. Durch
diese Verbesserung muss nur noch diejenige Kraftstoff den Filter
durchströmen,
die vom Motor verbraucht wurde und nicht das gesamte Volumen.
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Zusammenfassend
beschreibt die Erfindung den Betrieb eines Dieselmotors mit zwei
verschiedenen Kraftstoffen wobei bevorzugt von mindestens einem
Kraftstoff ständig
der Verbrauch pro Zeit gemessen wird, in Abhängigkeit davon dem Motor ein
bestimmter Kraftstoff oder ein bestimmtes Verhältnis von mehreren Kraftstoffen
zugeführt
wird. Dabei erfolgt vorteilhafter Weise die Zuführung eines Kraftstoffs abhängig von
einer Druckobergrenze und einer Druckuntergrenze das Ein- und Ausschalten
einer Pumpe. Daneben kann das Abscheiden von Luft- oder Dampfblasen
in Kraftstoffleitungen und in der Einspritzeinrichtung 16 durch
das gezielte Überschreiten
eines Öffnungsdrucks
eines Ventils oder einer Überströmdrossel
erfolgen.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Magnetventil
- 2
- Magnetventil
- 3
- Magnetventil
oder Hubmagnet
- 4
- Aluminiumblock
- 6
- externe
Kraftstoffpumpe
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Verbindungsstelle
- 10
- Steuerungseinrichtung
- 11
- Dieseltank
- 12
- Pflanzenöltank
- 13
- Membranpumpe
- 14
- Überströmventil
- 15
- Filter
- 16
- Einspritzeinrichtung
- 17
- Rücklauf
- 18a,
18b, 18c
- Rückschlagventil
- 19
- Drucksensor
- 20
- Steuerungseinrichtung.
Mikrokontroller
- 24
- Versorgungsleitung
- 26,
27, 31
- Kommunikationsverbindung
- DV
- Dieselverbindungsleitung
- EV
- Einspritzvorlaufleitung
- ER
- Einspritzrückführleitung
- DR
- Rücklaufleitung
(Diesel)
- PR
- Rücklaufleitung
(Pflanzenöl)
- KW
- Kühlwasser