DE102006048497A1 - Fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Es sind gasbetriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der gasförmige Kraftstoff in einen Ansaugkanal eines Zylinders eingeblasen wird. Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine (1), die zumindest einen ersten Injektor (31) zur Abgabe gasförmigen Kraftstoffs in einen Ansaugkanal (5) der Brennkraftmaschine (1) aufweist. Der aus einem Gastank (22) stammende gasförmige Kraftstoff ist durch mindestens einen Rail-Injektor (27) in eine Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) einbringbar. Aus dieser erhält der zumindest eine erste Injektor (31) den gasförmigen Kraftstoff und gibt den gasförmigen Kraftstoff in den Ansaugkanal (9) der Brennkraftmaschine (1) ab. Die Erfindung wird bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen für gasförmige Kraftstoffe angewandt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 beziehungsweise nach Anspruch 3 und ein Verfahren zum Betrieb der fremdgezündeten, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
  • Aus dem Gebrauchsmuster DE 295 20 410 U1 ist eine erdgasbetriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffversorgungsanlage bekannt. In dieser Kraftstoffversorgungsanlage wird der gasförmige Kraftstoff, der unter hohem Druck steht, aus einem Gastank über einen Druckminderer entspannt und einer Gas-Kraftstoffverteilerleiste zugeführt, in der er durch einen Druckregler auf einen gewählten Druck eingestellt wird. Ein weiterer Druckregler stellt einen festen Wert eines Differenzdrucks zwischen der Gas-Kraftstoffverteilerleiste und einem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine ein. Druckminderer und Druckregler sind aufwändige und teuere Bauteile. Der Druckminderer ist zusätzlich gegen Vereisung zu schützen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die ohne Druckminderer und Druckregler eine gute Gaseinbringung mit der für den jeweiligen Betriebszustand notwendigen Gasmenge in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 3 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße, fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der aus zumindest einem Gastank stammende gasförmige Kraftstoff durch mindestens einen Rail-Injektor in eine Gas-Kraftstoffverteilerleiste einbringbar ist. Aus der Gas-Kraftstoffverteilerleiste erhält der zumindest eine erste Injektor den gasförmigen Kraftstoff und gibt diesen in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine ab. Auf diese Weise wird der hohe Druck von ungefähr 200 bar aus dem Gastank über einen einfachen Rail-Injektor auf einen niedrigen Druck von ungefähr 7 bar in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste entspannt, ohne einen Druckregler verwenden zu müssen. Druckregler müssen vor Vereisung geschützt werden, wodurch sich bei Wegfall des Druckreglers der Gesamtaufbau der Anlage vereinfacht. Der Rail-Injektor wird elektrisch angesteuert und magnetisch oder piezoelektrisch betätigt.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zumindest ein zweiter Injektor vorgesehen, der flüssigen Otto-Kraftstoff in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine abgibt. Auf diese Weise ist ein bivalenter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, das heißt, es ist möglich, mehrere Kraftstoffarten für die Brennkraftmaschine zu verwenden. Je nach Verfügbarkeit der Kraftstoffarten kann die Brennkraftmaschine mit flüssigem Otto-Kraftstoff oder mit gasförmigem Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas, betrieben werden. Selbstverständlich ist auch ein Betrieb mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff möglich.
  • Erfindungsgemäß ist es auch möglich, ein Bi-Fuel-Einspritzventil vorzusehen, das sowohl den gasförmigen Kraftstoff als auch zusätzlich vorsehenen flüssigen Otto-Kraftstoff in den Ansaugkanal abgibt. Auch mit einem Bi-Fuel-Einspritzventil ist ein bivalenter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, jedoch gestaltet sich der Aufbau und die Anordnung der Einspritzanlage einfacher, da am Ansaugkanal weniger Bauteile anzuordnen sind und im Ansaugkanal die Strömung der Ansaugluft entsprechend weniger gestört wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs mittels des zumindest einen an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste vorgesehenen Rail-Injektors getaktet. Durch das Verwenden eines oder mehrerer getakteter Rail-Injektoren lassen sich der Gasdruck und die Gasmenge in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste auf den gewünschten Wert einstellen. Auf diese Weise sind auch bei hohen Kraftstoffmengen keine großen Rail-Injektoren notwendig, die ihrerseits bei kleinen Kraftstoffmengen ungenau arbeiten.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs mittels des zumindest einen an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste vorgesehenen Rail-Injektors mittels einer Hubsteuerung des Rail-Injektors gesteuert. Durch das Verwenden eines oder mehrerer Rail- Injektoren mit Hubsteuerung und damit mit einer Mengenregelung lassen sich der Gasdruck und die Gasmenge in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste auf den gewünschten Wert einstellen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste zur Bestimmung von Druck und/oder Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs vorgesehen. Die Werte des Drucksensors und/oder des Temperatursensors werden von einem Steuergerät verarbeitet und in die Steuerung der Taktrate der Rail-Injektoren mit einbezogen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoffdruck und die Kraftstoffmenge in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste durch Änderung der Taktrate des mindestens einen Rail-Injektors eingestellt werden. Durch Ändern der Anzahl der Takte, in denen der mindestens eine Rail-Injektor gasförmigen Kraftstoff in die Gas-Kraftstoffverteilerleiste einbringt, wird die Menge des gasförmigen Kraftstoffs und damit auch der Druck in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste eingestellt. Durch Ändern der Zeitdauer eines Taktes ist es ebenfalls möglich den Druck und die Menge des gasförmigen Kraftstoffs in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste einzustellen. Durch Verwendung mehrerer Rail-Injektoren, die unterschiedlich angesteuert werden können, lässt sich eine große Variationsbreite der eingebrachten Kraftstoffmenge erzeugen, wobei bevorzugt mehrere kleine und kostengünstige Rail-Injektoren verwendet werden.
  • In Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Kraftstoffdruck in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste von einem Drucksensor bestimmt. Die Werte des Drucksensors werden einem Steuergerät zugeführt, das dann entsprechend mindestens einen Rail-Injektor ansteuert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Kraftstofftemperatur in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste von einem Temperatursensor bestimmt. Die Werte des Temperatursensors werden einem Steuergerät zugeführt, das dann entsprechend mindestens einen Rail-Injektor ansteuert. Mittels des Druckes und der Temperatur lassen sich die Zustandsgrößen des gasförmigen Kraftstoffes und damit die benötigte Dauer und Anzahl der Einblasevorgänge der Rail-Injektoren bestimmen.
  • Durch ein zeitlich versetztes Ansteuern der Abgabe des gasförmigen Kraftstoffs mittels mehrerer Rail-Injektoren wird auf einfache Weise eine Druckpulsation oder Druckwelle in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste verhindert. Dies kann beispielsweise durch einen zeitsabschnittsweisen konstanten Zeitversatz zwischen den Öffnungszeitpunkten und/oder durch unterschiedliche Taktfrequenzen der einzelnen Rail-Injektoren erfolgen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer fremdgezündeten, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung einer bivalenten, mit gasförmigem und flüssigem Kraftstoff betreibbaren, fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
  • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer bivalenten, mit gasförmigem und flüssigem Kraftstoff betreibbaren, fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • In 1 ist eine fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Derartige Brennkraftmaschinen 1 sind unter dem Begriff CNG-(Compressed Natural Gas) Brennkraftmaschine 1 bekannt. Der gasförmige Kraftstoff wird im Folgenden als Brenngas bezeichnet Die Brennkraftmaschine 1 besteht im Wesentlichen aus einem Maschinengehäuse 3, in dem sich je Zylinder 36 ein Kolben 4 bewegt. Der Zylinder weist einen Ansaugkanal 5 und einen Abgaskanal 6 auf, in denen entsprechend ein Einlassventil 7 und ein Auslassventil 8 angeordnet sind. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine 1 eine Ansauganlage 9 auf, durch die die Verbrennungsluft angesaugt wird. Die Ansauganlage 9 besteht im Wesentlichen aus einem nicht dargestellten Luftfilter, einem Luftmassenmesser 10, einer Drosselklappe 11, einem Saugrohr 12 und für jeden Brennraum 13 mindestens einem Ansaugkanal 5. Die Ansaugluft durchströmt die einzelnen Elemente der Ansauganlage 9 in der oben genannten Reihenfolge. Nach der Verbrennung im Brennraum 13, der vom Maschinengehäuse 3 und vom Kolben 4 gebildet wird, verlässt das Abgas über den Abgaskanal 6 die Brennkraftmaschine 1 und durchströmt anschließend den Katalysator 14 zur Abgasnachbehandlung.
  • Weiterhin ist ein Steuergerät 15 vorhanden, das Signale des Luftmassenmessers 10, ein Drucksignal aus dem Saugrohr 12 und Signale von Lambdasonden 16 und eines ersten Temperatursensors 17 im Abgas des Katalysator 14 verarbeitet. Zwischen dem Saugrohr 12 und dem Abgaskanal 6 ist eine Abgasrückführleitung 18 mit einem Abgasrückführventil 19 vorgesehen. Das Abgasrückführventil 19 wird ebenfalls vom Steuergerät 15 zusammen mit einem elektropneumatischen Umschaltventil 20 angesteuert, das zusätzlich vom Druck im Saugrohr 12 angesteuert wird.
  • Eine Brenngasversorgungseinrichtung 2 zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Brenngas weist eine Tankeinrichtung 21 auf, die ihrerseits mindestens einen Gastank 22 und ein dazugehöriges Abschaltventil 23 umfasst. Außerdem umfasst die Tankeinrichtung 21
    • – eine Gasleitung 24,
    • – ein Sicherheitsmagnetventil 25,
    • – ein Rückschlagventil 26,
    • – mindestens einen Rail-Injektor 27,
    • – einen Drucksensor 28,
    • – einen zweiten Temperatursensor 29,
    • – eine Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 und
    • – für jeden Ansaugkanal 5 einen ersten Injektor 31.
  • Das Brenngas, beispielsweise Erdgas, wird durch den Füllanschluss 32 in die Gastanks 22 gefüllt. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 öffnet sich das Sicherheitsmagnetventil 25 und das Brenngas strömt unter Druck von etwa 200 bar durch die Gasleitung 24 über das Rückschlagventil 26 zu den Rail-Injektoren 27. Mittels Rail-Injektoren 27 wird das Brenngas in die Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 eingeblasen und dabei auf einen niedrigen Druck von ungefähr 7 bar entspannt. Die Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 ist in räumlicher Nähe zu den Ansaugkanälen 5 der einzelnen Brennräume 13 angeordnet. Zur Bestimmung des Kraftstoffdrucks und der Kraftstofftemperatur in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 sind ein Drucksensor 28 und ein zweiter Temperatursensor 29 vorgesehen, die ihre Signale an das Steuergerät 15 weitergeben, das wiederum die Taktrate der Rail-Injektoren 27 steuert. Die Taktrate der Rail-Injektoren 27 setzt sich aus der Öffnungsdauer und der Anzahl der Einblasetakte der Rail-Injektoren 27 zusammen und bestimmt den Druck und die Menge des Brenngases in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30. Durch zeitlich versetztes Ansteuern der Rail-Injektoren 27 ist es auf einfache Weise möglich, Druckpulsationen und Druckwellen in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 zu verhindern und somit einen möglichst konstanten Druck in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 bereit zu stellen.
  • Durch den Einsatz der getakteten Rail-Injektoren 27, die kostengünstig herstellbar sind, in Verbindung mit dem Drucksensor 28 und dem zweiten Temperatursensor 29, ist ein teurer Druckminderer zwischen der Hochdruckleitung 24 und der Kraftstoffleiste 30 entbehrlich. Durch den Entfall des Druckminderers entfallen damit auch Probleme, die durch Vereisen des Druckminderers entstehen. Die Anzahl der Rail-Injektoren 27 wird durch den maximal möglichen Verbrauch der Brennkraftmaschine an gasförmigem Kraftstoff bestimmt.
  • Von der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 wird das Brenngas durch einen ersten Injektor 31 in den Ansaugkanal 5 eingebracht und dort mit der Verbrennungsluft in den Brennraum 13 befördert. Der erste Injektor 31 wird abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vom Steuergerät 15 angesteuert.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 33 schematisch vereinfacht dargestellt, die bivalent ausgebildet ist. Gleiche und gleich wirkende Bauteile und Baugruppen sind in den Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugsziffern versehen. In einer bivalenten Brennkraftmaschine 33 können wahlweise sowohl Brenngas wie beispielsweise Erdgas als auch flüssige Kraftstoffe wie beispielsweise Otto-Kraftstoff (Benzin) verbrannt werden. Eine derartige Brennkraftmaschine 33 weist neben einer Kraftstoffversorgungsanlage 2 für Brenngas, wie sie in 1 gezeigt und erläutert ist, noch für jeden Ansaugkanal 5 einen zweiten Injektor 34 für flüssigen Kraftstoff auf. Dieser zweite Injektor 34 wird auf die für flüssige Otto-Kraftstoffe übliche Weise vom Steuergerät 15 angesteuert. Über eine nicht näher gezeigte, prinzipiell bekannte Kraftstoffversorgungseinrichtung wird der zweite Injektor 34 mit flüssigem Kraftstoff versorgt. Der flüssige Kraftstoff wird vom zweiten Injektor 34 in den Ansaugkanal 5 in Richtung des Einlassventils 7 abgespritzt.
  • In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer bivalenten, mit gasförmigem und flüssigem Kraftstoff betreibbaren, fremdgezündeten Brennkraftmaschine 33 mit einem Bi-Fuel-Einspritzventil 35 schematisch vereinfacht dargestellt. Dabei sind gleiche und gleich wirkende Bauteile und Baugruppen mit denselben Bezugsziffern der vorhergehenden Ausführungsbeispiele versehen. In Abwandlung zur Ausführung gemäß 2 ersetzt das Bi-Fuel-Einspritzventil 35 den zumindest einen ersten Injektor 31 und den zumindest einen zweiten Injektor 34. Das Bi-Fuel-Einspritzventil 35 kann sowohl Brenngas als auch flüssigen Kraftstoff in den Ansaugkanal 5 einbringen. Das Bi-Fuel-Einspritzventil 35 ist hierzu mit der Gas-Kraftstoffverteilerleiste 30 und mit einer nicht näher gezeigten, prinzipiell bekannten Flüssig- Kraftstoffversorgung verbunden. Durch den Einsatz von je einem Bi-Fuel-Einspritzventil 35 für jeden Ansaugkanal 5 verringert sich der Platzbedarf im Bereich des Ansaugkanals 5. Weiterhin wird durch nur ein Bi-Fuel-Einspritzventil 35 je Ansaugkanal 5 die Ansaugluftströmung im Ansaugkanal 5 weniger gestört und es wird eine größere Füllung im Brennraum 13 erreicht. Die Versorgung des Bi-Fuel-Einspritzventils 35 mit Brenngas erfolgt durch eine Kraftstoffversorgungsanlage 2, wie sie in 1 gezeigt ist.

Claims (10)

  1. Fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine (1), die zumindest einen ersten Injektor (31) zur Abgabe gasförmigen Kraftstoffs in einen Ansaugkanal (9) der Brennkraftmaschine (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der aus zumindest einem Gastank (22) stammende gasförmige Kraftstoff durch mindestens einen Rail-Injektor (27) in eine Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) einbringbar ist, aus der der zumindest eine erste Injektor (31) den gasförmigen Kraftstoff erhält und diesen in den Ansaugkanal (5) der Brennkraftmaschine (1) abgibt.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest ein zweiter Injektor (34) am Ansaugkanal (5) vorgesehen ist, der flüssigen Otto-Kraftstoff in den Ansaugkanal (5) abgibt.
  3. Fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine (1), die einen Ansaugkanal (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bi-Fuel-Einspritzventil (35) vorgesehen ist, mittels dem sowohl gasförmiger Kraftstoff als auch zusätzlich vorgesehener flüssiger Otto-Kraftstoff in den Ansaugkanal (5) abgebbar ist, wobei der aus zumindest einem Gastank (22) stammende gasförmige Kraftstoff durch mindestens einen Rail-Injektor (27) in eine Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) einbringbar ist, aus der das zumindest eine Bi-Fuel-Einspritzventil (35) den gasförmigen Kraftstoff erhält und diesen in den Ansaugkanal (5) der Brennkraftmaschine (1) abgibt.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs mittels des zumindest einen an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) vorgesehenen Rail-Injektors (27) getaktet erfolgt.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs mittels des zumindest einen an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) vorgesehenen Rail-Injektors (27) mittels einer Hubsteuerung des Rail-Injektors (27) gesteuert erfolgt.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (28) und/oder ein Temperatursensor (29) an der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) zur Bestimmung von Druck und/oder Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs vorgesehen sind.
  7. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck und die Kraftstoffmenge in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) durch Änderung der Taktrate des mindestens einen Rail-Injektors (27) eingestellt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffdruck in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) von einem Drucksensor (28) bestimmt wird, dessen Werte einem Steuergerät (15) zugeführt werden, das dann entsprechend mindestens einen Rail-Injektor (27) ansteuert.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstofftemperatur in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) von einem Temperatursensor (29) bestimmt wird, dessen Werte einem Steuergerät (15) zugeführt werden, das dann entsprechend mindestens einen Rail-Injektor (27) ansteuert.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rail-Injektoren (27) zeitlich versetzt angesteuert werden und dadurch der Kraftstoffdruck in der Gas-Kraftstoffverteilerleiste (30) pulsationsfrei konstant gehalten wird.
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