DE102006054463A1

DE102006054463A1 - Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006054463A1
Application number: DE102006054463A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Biemelt; Michael Dipl.-Ing. Illek; Rudolf Dipl.-Ing. Klein; Andreas Dr. Mlejnek; Rainer Dipl.-Ing. Schopper; Klaus Dipl.-Ing. Wunderlich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: AKKA GmbH and Co KGaA
Priority date: 2006-11-18
Filing date: 2006-11-18
Publication date: 2008-05-21

Abstract

Es sind fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit bivalenter Betriebsweise bekannt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine (1), die mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist, wofür mindestens eine Einspritzdüse (5) für Otto-Kraftstoff und mindestens ein Gasinjektor (6) je Zylinder vorgesehen sind. In einem ausgewählten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) wird gleichzeitig sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff eingespritzt. Ansonsten wird der Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff durchgeführt. Die Erfindung wird bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen angewandt, die mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der gattungsbildenden Patentschrift EP 0 704 611 B1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden kann. Die Kraftstoffzufuhrvorrichtung ist so ausgeführt, dass entweder flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt kann. Eine gleichzeitige Zufuhr von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff ist nicht vorgesehen.
Aus der ebenfalls zum Stand der Technik gehörenden Patentanmeldung EP 1 255 033 A2 ist auch eine Brennkraftmaschine bekannt, die sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden kann. Auch hier ist ein wahlweiser, aber kein gleichzeitiger Betrieb mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff vorgesehen.
Bei bivalenten Brennkraftmaschinen mit wahlweisem Betrieb mit flüssigem Otto-Kraftstoff und Erdgas als Kraftstoff kann es bei langem Nichtgebrauch eines der beiden Kraftstoffsysteme zu Ablagerungen, Verklebungen und damit zu Funktionsstörungen eines der beiden Systeme kommen. Da beide Kraftstoffsysteme zum Betrieb im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ausgelegt sind, ist ein hoher Bauaufwand für beide Kraftstoffsysteme erforderlich, um sowohl kleine als auch große Kraftstoffmengen bereitzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, die mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist, bereitzustellen, die bei geringem Bauaufwand eine beliebige Verwendung von flüssigem Otto-Kraftstoff und/oder gasförmigem Kraftstoff zulässt, wobei gleichzeitig die Betriebssicherheit und die Funktionssicherheit erhalten bleiben sollen. Damit sollen Nachteile im Kraftstoffsystem durch längere Verwendung nur einer Kraftstoffart vermieden und gleichzeitig noch Vorteile durch die Verwendung zweier Kraftstoffarten genutzt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist, wofür mindestens eine Einspritzdüse für Otto-Kraftstoff und mindestens ein Gasinjektor je Zylinder vorgesehen sind, zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ausgewählten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff gleichzeitig eingespritzt wird und ansonsten der Betrieb der Brennkraftmaschine mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff durchgeführt wird. Damit wird die Verfügbarkeit des Kraftstoffsystems erhöht und es wird sichergestellt, dass beide Systeme jederzeit funktionsfähig sind. So kann bei längerem Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff im System für flüssigen Otto-Kraftstoff der Kraftstoff ausdampfen, sich Wasser ablagern oder eine Einspritzdüse verkleben. Weiterhin werden bei reinem Gasbetrieb die Ventilsitzringe der Einlass- und Auslassventile auf Grund fehlender Schmierung durch den Otto-Kraftstoff sehr stark belastet. Wenn erfindungsgemäß nun in ausgewählten Betriebsbereichen sowohl gasförmiger als auch flüssiger Kraftstoff zugeführt wird, lassen sich derartige Nachteile einfach und wirkungsvoll vermeiden. Im Falle einer Direkteinspritzung der Kraftstoffe in den Brennraum werden bei Gasbetrieb durch eine zusätzliche Einspritzung von flüssigem Otto-Kraftstoff die Einspritzdüsen für den Otto-Kraftstoff durch den Otto-Kraftstoff gekühlt und somit vor Überhitzungsschäden bewahrt. Der gleichzeitige Betrieb der Brennkraftmaschine mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff findet immer in einem ausgewählten Betriebsbereich statt, solange beide Kraftstoffe vorhanden sind. Sollte einer der beiden Kraftstofftanks leer sein, wird auf ein Notlaufprogramm mit nur einem Kraftstoff umgeschaltet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der ausgewählte Betriebsbereich der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen und hoher Last der Brennkraftmaschine vor. Dabei wird zusätzlich zum gasförmigen Kraftstoff auch flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt. Bei hohen Drehzahlen und hoher Last werden vom Gasinjektor große Mengen von gasförmigem Kraftstoff eingeblasen. Damit weist ein Gasinjektor eine große Spreizung zwischen kleinster und größter möglicher Gasmenge auf. Um eine geringere Spreizung und damit auch eine genauere Zumessung zu erreichen, wird der benötigte Kraftstoff nur bis zu einer mittleren Menge durch den Gasinjektor bereitgestellt. Die für hohe Drehzahlen und hohe Last der Brennkraftmaschine benötigte Kraftstoffmenge wird durch die Einspritzdüse in Form von flüssigem Otto-Kraftstoff bereitgestellt. Gasinjektoren mit einer kleineren maximalen Einblasemenge (flow range) arbeiten in ihrem Betriebsbereich in der Kraftstoffzumessung genauer. In reinem Gasbetrieb wird ein Teil der Ansaugluft der Zylinderfüllung durch gasförmigen Kraftstoff ersetzt, was bei Saugmotoren zu einer Minderleistung bei Volllast führt. Durch zusätzliche Einspritzung von flüssigem Otto-Kraftstoff kann diese Minderleistung teilweise kompensiert werden, da der flüssige Kraftstoff ein geringeres Volumen einnimmt als der gasförmige Kraftstoff. Da eine Minderleistung im Volllastbereich erhebliche Nachteile im Fahrverhalten aufweist, ist es vorteilhaft, in diesem Bereich zusätzlich flüssigen Otto-Kraftstoff einzuspritzen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei Gasbetrieb bei hohen Drehzahlen und hoher Last der Brennkraftmaschine ungefähr 20% der maximal möglichen Kraftstoffmenge in Form von flüssigem Otto-Kraftstoff eingespritzt und die restliche benötigte Kraftstoffmenge wird mittels des mindestens einen Gasinjektors eingeblasen. Wenn die maximale Kraftstoffmenge, die durch den Gasinjektor eingeblasen wird, auf ungefähr 80% der maximal benötigten Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine begrenzt ist, kann damit ein kleinerer Gasinjektor verwendet werden. Ein kleinerer Gasinjektor misst insbesondere bei sehr geringen Durchflussmengen die Kraftstoffmenge genauer zu und arbeitet daher insgesamt genauer.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei Gasbetrieb bei hohen Temperaturen der kraftstoffführenden Bauteile zusätzlich zum gasförmigen Kraftstoff auch flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt. Auf diese Weise wird ein durch die hohe Temperatur begründetes Verkoken oder Schädigen der Einspritzdüse und der Kraftstoffanlage durch den kühlenden Kraftstoff vermieden. Weiterhin wird Dampfblasenbildung im Kraftstoffsystem für flüssigen Otto-Kraftstoff dadurch vermieden, dass der flüssige Kraftstoff im Kraftstoffsystem zirkuliert und teilweise eingespritzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt und ein Zündzeitpunkt in Richtung früh verstellt. Um die bei Betrieb mit flüssigem Otto-Kraftstoff übliche Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs über das stöchiometrische Verhältnis hinaus bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten zu vermeiden, wird bei hohen Lasten ein Teil der benötigten Kraftstoffmenge in Form von gasförmigem Kraftstoff zugeführt. Bei entsprechend angepassten Einspritzzeiten und -mengen der Otto-Kraftstoff-Einspritzung und bei ausreichend guter Durchmischung des gasförmigen Kraftstoffs mit der Ansaugluft sind frühere Zündwinkel als bei reinem Otto-Kraftstoff-Betrieb möglich. Frühere Zündwinkel führen zu einer Absenkung der Abgastemperaturen, was in den genannten Betriebsbereichen von Vorteil ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last ausschließlich mit gasförmigem Kraftstoff betrieben. Da erfindungsgemäß ein Gasinjektor mit einer kleinen maximalen Einblasemenge verwendet wird, ist es vorteilhaft bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last, wenn nur geringe Kraftstoffmengen benötigt werden, diese durch den in diesem Bereich genauen Gasinjektor einzubringen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zum Starten der Brennkraftmaschine ausschließlich gasförmiger Kraftstoff verwendet. Durch das ausschließliche Verwenden von gasförmigem Kraftstoff beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist es möglich, auf eine sogenannte Kaltstartanreicherung zu verzichten. Bei flüssigem Otto-Kraftstoff ist es bei Kaltstart notwendig, zusätzlichen Kraftstoff einzuspritzen, da eine Teilmenge des Kraftstoffes sich an kalten Kanalwänden niederschlägt und der Verbrennung nicht zur Verfügung steht. Bei gasförmigem Kraftstoff kann darauf verzichtet werden, da dieser sich nicht an den Kanalwänden niederschlägt. Zum Aufheizen eines Katalysators unmittelbar nach dem Start wird auf zusätzlichen oder reinen Otto-Kraftstoff-Betrieb umgeschaltet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkraftmaschine bei längerem reinem Gasbetrieb zusätzlich oder ausschließlich kurzzeitig mit Otto-Kraftstoff betrieben. Das zusätzliche Einspritzen von Otto-Kraftstoff kann abhängig von der Zeit, der eingespritzten Gasmenge, der Zahl der Verbrennungszyklen oder von einer Temperatur im Kraftstoffsystem für flüssigen Otto-Kraftstoff erfolgen. Damit wird ein Versagen des Kraftstoffsystems für Otto-Kraftstoff durch Kraftstoff ausdampfen, Wasser abscheiden, Verkleben oder Verstopfen von Einspritzdüsen oder ähnliche Vorgänge verhindert. Außerdem werden die Gaswechselventile (Einlassventil, Auslassventil) durch den Einsatz von Otto-Kraftstoff geschmiert und ihre Lebensdauer wird vergrößert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt eine Lambda-Sonde in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine einen Sauerstoffmangel oder Sauerstoffüberschuss fest, gibt diesen an das Steuergerät weiter und mittels des Motorsteuergeräts wird die eingespritzte flüssige und die eingeblasene gasförmige Kraftstoffmenge festgelegt. Dies erfolgt dadurch, dass beispielsweise bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Anteil des flüssigen Otto-Kraftstoffs im Motorsteuergerät auf einen festen Wert von ungefähr 20% festgelegt wird. Die tatsächlich benötigte Kraftstoffmenge, die auf Grund wechselnder Lasten, Drehzahlen oder Ansaugluftdichte variiert, wird durch das Motorsteuergerät festgelegt und durch die Gasinjektoren in Form von gasförmigen Kraftstoff der Brennkraftmaschine nachgeregelt zugeführt. Diese Nachregelung erfolgt auf Grund der Signale der Lambdasonde in bekannter Weise. Sowohl bei reinem Gasbetrieb, bei reinem Otto-Kraftstoffbetrieb als auch bei Mischbetrieb in verschiedenen Betriebsbereichen erfolgt eine Festlegung der jeweiligen Kraftstoffmenge durch das Motorsteuergerät, das wiederum seine Eingangsdaten unter anderem aus den Signalen der Lambdasonde bezieht. Weitere Eingangsdaten sind die bei üblichen Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung bekannten Parameter.
Weitere Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Anordnung einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffanlage und
2 ein vereinfachtes Motorkennfeld der bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
In 1 ist eine bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 stark vereinfacht dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 ist im Ausführungsbeispiel als 4-Zylindermotor ausgeführt, weist vier Brennräume 2 auf und ist sowohl mit flüssigem Otto-Kraftstoff als auch mit gasförmigem Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas (CNG) zu betreiben. Ansaugseitig weist die Brennkraftmaschine 1 einen gemeinsamen Luftsammler 3 und einzelne Ansaugrohre 4 auf, die den Luftsammler 3 mit den Brennräumen 2 verbinden. In jedes Ansaugrohr 4 ragt ein Einspritzventil 5 für Otto-Kraftstoff nahe am Brennraum 2 und entfernter vom Brennraum 2 ein Gasinjektor 6 für Erdgas.
Neben der gezeigten Saugrohreinspritzung ist es auch möglich eine Direkteinspritzung von flüssigem Kraftstoff mittels eine Direkteinspritzventils und von gasförmigem Kraftstoff mittels eines Gasinjektors direkt in den Brennraum durchzuführen. Der flüssige und der gasförmige Kraftstoff können auch mittels eines gemeinsamen Injektors (Bi-Fuel-Injektor) zugeführt werden.
Das Einspritzventil 5 und der Gasinjektor 6 werden jeweils von nicht gezeigten, separaten Kraftstoffversorgungsanlagen mit Otto-Kraftstoff beziehungsweise mit Erdgas versorgt. Die Einspritzdüse 5 und der Gasinjektor 6 werden jeweils über eine Interfacebox 7 vom Motorsteuergerät 8 angesteuert. Die Interfacebox 7 ist als separates Steuergerät ausgeführt. Es ist aber auch möglich, die Funktionen der Interfacebox 7 in das Motorsteuergerät 8 zu integrieren. Im Motorsteuergerät 8 wird aufgrund einer Vielzahl von Messwerten und Regelgrößen die benötigte Kraftstoffmenge festgelegt. Mittels der Interfacebox 7 erfolgt die Aufteilung der benötigten Kraftstoffmenge in einen ersten Anteil an flüssigem Otto-Kraftstoff und in einen zweiten Anteil an gasförmigem Kraftstoff, die durch die Einspritzdüse 5 und den Gasinjektor 6 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden. Weiterhin werden mittels der Interfacebox 7 Ventile und ähnliche Steuermittel der jeweiligen Kraftstoffversorgungsanlagen angesteuert.
In 2 ist ein vereinfachtes Motorkennfeld 9 einer bivalenten Brennkraftmaschine 1 gezeigt, bei dem das Drehmoment M der Brennkraftmaschine 1 über der Drehzahl n aufgetragen ist. Die bivalente Brennkraftmaschine 1 ist grundsätzlich in den Betriebsarten Erdgasbetrieb, Otto-Kraftstoffbetrieb und gemischter Betriebsweise betreibbar. Erfindungsgemäß wird bei Erdgasbetrieb in ausgewählten Betriebsbereichen zusätzlich flüssiger Otto-Kraftstoff der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Im Motorkennfeld 9 ist die niedrigste nutzbare Drehzahl mit der Linie 10 und die höchste Drehzahl mit der Linie 11 gekennzeichnet, sowie der Verlauf des maximalen Drehmoments mit der Linie 12 allgemein und ohne Zahlenwerte gezeigt. Die Größe des Drehmoments M des Brennkraftmaschine 1 entspricht der Last der Brennkraftmaschine 1.
Wie dem Motorkennfeld 9 oben rechts gemäß 2 zu entnehmen ist, wird bei Volllast, das heißt bei maximalem Drehmoment M, bei Gasbetrieb ab einer mittleren Drehzahl zusätzlich flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt. Mit steigender Drehzahl n wird auch bei Lastbereichen, die unterhalb der Volllastlinie, die der Linie 12 des maximalen Drehmoments entspricht, zusätzlich zum Erdgas flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt. Damit ergibt sich im Motorkennfeld 9 ein großer Gasbetriebsbereich 13 und bei mittleren und hohen Drehzahlen bei hohem Drehmoment ein Bi-Fuel-Betriebsbereich 14.
Im Bi-Fuel-Betriebsbereich 14 wird eine konstante Menge an flüssigem Otto-Kraftstoff eingespritzt und die für ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch benötigte Kraftstoffmenge wird durch die regelbare Gasmenge eingestellt. Auf Grund von Messdaten einer nicht gezeigten Lambdasonde in der ebenfalls nicht gezeigten Abgasanlage der Brennkraftmaschine wird ein Sauerstoffmangel, Sauerstoffüberschuss oder ein stöchiometrisches Gemisch festgestellt. Mittels dieser Messdaten wird im Motorsteuergerät 8 die der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoffmenge festgelegt. In der Interfacebox 7 wird im Bi-Fuel-Betriebsbereich 14 die mengenmäßige Aufteilung zwischen flüssigem und gasförmigem Kraftstoff vorbestimmt. Beispielsweise werden 20% der maximal möglichen Kraftstoffmenge in Form von flüssigem Otto-Kraftstoff eingespritzt. Um ein stöchiometrisches Gemisch und damit ein sauberes Abgas zu erzeugen, wird die variierende, restliche Kraftstoffmenge über die Gasinjektoren 6 in Form von gasförmigem Kraftstoff der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Der Wert von 20% der maximal möglichen Kraftstoffmenge ist beispielhaft. Es sind prinzipiell alle Verhältnisse denkbar, praktische Anwendung finden jedoch Werte zwischen 10% und 40%, bevorzugt ein Bereich um 20%.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine (1), die mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist, wofür mindestens eine Einspritzdüse (5) für Otto-Kraftstoff und mindestens ein Gasinjektor (6) je Zylinder vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ausgewählten Betriebsbereich (14) der Brennkraftmaschine (1) gleichzeitig sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff eingespritzt wird und ansonsten der Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewählte Betriebsbereich (14) der Brennkraftmaschine (1) bei hohen Drehzahlen und hoher Last der Brennkraftmaschine (1) vorliegt und zusätzlich zum gasförmigen Kraftstoff auch flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasbetrieb bei hohen Drehzahlen und hoher Last der Brennkraftmaschine (1) ungefähr 20% der maximal möglichen Kraftstoffmenge in Form von flüssigem Otto-Kraftstoff eingespritzt wird und die restliche benötigte Kraftstoffmenge mittels des mindestens einen Gasinjektors (6) eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasbetrieb bei hohen Temperaturen der kraftstoffführenden Bauteile zusätzlich zum gasförmigen Kraftstoff auch flüssiger Otto-Kraftstoff eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird und ein Zündzeitpunkt in Richtung früh verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last ausschließlich mit gasförmigem Kraftstoff betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Brennkraftmaschine (1) ausschließlich gasförmiger Kraftstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) bei längerem reinem Gasbetrieb zusätzlich oder ausschließlich kurzzeitig mit Otto-Kraftstoff betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambda-Sonde in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine (1) einen Sauerstoffmangel oder Sauerstoffüberschuss feststellt, diesen an das Motorsteuergerät (8) weitergibt und mittels des Motorsteuergeräts (8) die eingespritzte flüssige und die eingeblasene gasförmige Kraftstoffmenge festgelegt wird.