DE102007051677A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Beförderung eines Mischkraftstoffes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 bestehend aus einem Kraftstoff der bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssig ist (Normaldruckkraftstoff) 6 und aus einem Kraftstoff, der eines relativ geringen Druckes bedarf, um bei Normaldruck und Normaltemperatur in einem Kraftstofftank 1 flüssig gespeichert werden zu können (Niederdruckkraftstoff) 2 und zur Beförderung dieses Mischkraftstoffs 15 aus einem Mischkraftstofftank 13 in das Kraftstofffördersystem 7–11, 17–20 einer Verbrennungskraftmaschine 23, aufweisend eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinbringung in die Verbrennungskraftmaschine 7–9, 11,18 und mindestens einen Kraftstoffkreislauf, vorzugsweise ein Niederdruckkraftstoffkreislauf 10, 17–21, der gleichzeitig der Zuführung von Kraftstoff zur Verbrennung und der Kühlung des Kraftstoffs dient, indem über die zur Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge hin aus eine definierte Kraftstoffmenge konstant umgewälzt wird, welcher Kraftstoff durch einen Druckregler 20 im Kraftstoffrücklauf 10 auf einem definierten Druckniveau über dem Verdampfungsdruck des Mischkraftstoffs 15 gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines definierten Kraftstoffniveaus im Mischkraftstofftank 13 die Kraftstofffördervorrichtung 3, 12 in den...

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur gesteuerten Erzeugung eines flüssigen Mischkraftstoffes bestehend aus einem Kraftstoff der bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssig ist (Normaldruckkraftstoff) und aus einem Kraftstoff, der eines relativ geringen Druckes bedarf um bei Normaldruck und Normaltemperatur in einem Kraftstofftank flüssig gespeichert werden zu können (Niederdruckkraftstoff) und zur Beförderung dieses Mischkraftstoffs aus einem Mischkraftstofftank in das Kraftstoffzuführungssystem einer Verbrennungskraftma schine, aufweisend eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinbringung in die Verbrennungskraftmaschine und mindestens einen Kraftstoffkreislauf, vorzugsweise ein Nieder druckkraftstoffkreislauf, der gleichzeitig zur Zuführung von Kraftstoff zur Verbrennung und zur Kühlung des Kraftstoffs dient, indem über die zur Verbrennung benö tigte Kraftstoffmenge hinaus konstant eine definierte Kraftstoffmenge umgewälzt wird, welcher Kraftstoff durch einen Druckregler im Kraftstoffrücklauf auf einem definierten Druckniveau über dem Verdampfungsdruck des Mischkraftstoffs gehalten wird.
  • Niederdruckkraftstoffe sind Kraftstoffe, wie z. B. Flüssiggas auch Autogas oder LPG bezeichnet, die eines relativ geringen Überdruckes (5–8 bar) bedürfen um bei Normaltemperatur in flüssigem Zustand in einem druckfesten Tank gespeichert werden können.
  • Normaldruckkraftstoffe sind Kraftstoffe, wie z. B. Benzin, Ethanol, Diesel, Pflanzenöl, die bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssig sind und die keines oder nur eines sehr geringen Überdrucks zur Speicherung bedürfen.
  • Kraftstoffe die bei Normaldruck gasförmig sind, wie LPG oder CNG versprechen, insbesondere bei Verwendung in einer Brennkraftmaschine die nach dem Selbstzündungsverfahren betrieben wird, eine Reduzierung der Schadstoffrohemissionen bei niedrigen Kosten und ohne Verlust an Leistung. In der Literatur wird bei einer Zumischung von 73% Naturgas als Kraftstoff eine NOx-Reduktion von 24% festgestellt bei einer leicht verbesserten thermischen Effizienz gegenüber dem reinen Dieselkraftstoff.
  • Ein eigener Vorversuch ergab bei einer Zumischung von Flüssiggas zu Dieselkraftstoff eine Drehmomentsteigerung von 230 Nm auf 350 Nm bei einer gleichzeitigen Reduzierung des die Emission von Russpartikeln repräsentierenden k-Wertes von 0,53 auf 0,23.
  • Eine Verbrennungskraftmaschine die mit einem Mischkraftstoff betrieben wird ist aus dem Japanischen Patent 59162337 A bekannt. Das Patent beschreibt eine Verbrennungskraftmaschine die nach dem Dieselprinzip arbeitet und zwei Kraftstofftanks aufweist, einen für Flüssiggas (LPG = Liquefied Petroleum gas – ein Gemisch aus Propan und Butan) und einen für den Dieselkraftstoff. Aus beiden Tanks wird der jeweilige Kraftstoff unter Druck zu einer Mischkammer gefördert, wo sie sich mischen. Von der Mischkammer aus gelangt die Kraftstoffmischung anschließend über eine Kraftstoffleitung zu einer Hochdruckpumpe und über Einspritzventile direkt in den Brennraum eines Dieselmotors.
  • Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass die Verbrennungskraftmaschine keinen kühlenden Kraftstoffkreislauf aufweist, der dafür sorgt, dass auch bei Lastzuständen der Verbrennungskraftmaschine mit geringem Kraftstoffdurchsatz, wie Leerlauf, sich der Kraftstoff an heißen Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine erhitzt und in Folge dessen Dampfblasen in dem Kraftstoff entstehen, die den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine stören, im Extremfall bis zum völligen Stillstand.
  • In der DE 203 10 824 U1 wird vorgeschlagen den gewünschten Mischkraftstoff schon vor dem Tanken zu erzeugen um den Mischungsprozess aus dem Kraftstoffzuführungsprozess auszulagern. Dazu müsste aber eine zusätzliche Tankinfrastruktur für den Mischkraftstoff geschaffen werden, zumal als Niederdruckkraftstoffkomponente ausschließlich Butan verwendet werden soll.
  • Nachteilig ist hier ebenfalls, dass ein verbrauchsunabhängiger Durchfluss von Kraftstoff zu Kühlungszwecken durch den Kraftstoffniederdruckbereich wie er beispielsweise in der EP 06023 298 beschrieben ist, nicht vorgesehen ist. Dadurch kann es trotz Rückführung des nicht eingespritzten überschüssigen Kraftstoffvolumens und des Leckagevolumens der Kraftstoffhochdruckpumpe in den Kraftstofftank zu Dampfblasenbildung aus dem Kraftstoff kommen, wenn auf Grund des zu geringen Kraftstoffdurchsatzes der Wärmeeintrag aus dem Motor in den Kraftstoff nicht mehr in ausreichendem Maße abgeführt werden kann.
  • Diese Nachteile werden durch die oben beschriebenen Patentansprüche der Erfindung vermieden.
  • Durch die Einspritzung eines Kraftstoffgemisches von schwer- und leicht siedenden Kraftstoffen wird angestrebt den Gleichdruckprozess der dieselmotorischen Verbrennung mit der Gleichraumverbrennung des Otto-Motors zu kombinieren. Die hohe Verdampfungsneigung des Ottokraftstoffes führt zu einer schnelleren Vermischung mit der Verbrennungsluft und damit zu vollständigerer Verbrennung des Kraftstoffes, woraus Vorteile hinsichtlich der Emission von Schadstoffen, besonders bei den Partikeln resultieren.
  • Zusätzlich senkt die Verdampfungskälte des eingespritzten Ottokraftstoffes die Temperatur und wirkt dadurch der Bildung von Stickoxiden entgegen.
  • Schließlich lässt sich auch die Leistung steigern, wenn man den Luftüberschuss des Dieselverfahrens dazu nutzt zusätzlichen Ottokraftstoff zu verbrennen, wie es bei der homogenen Dieselverbrennung angestrebt wird.
  • Weiter ist die Erzeugung des Mischkraftstoffes aus Kraftstoffen die in zwei separaten Kraftstofftanks als Teil des Kraftstoffzuführungssystem gespeichert sind, vorteilhaft, weil für die Befüllung der separaten Kraftstofftanks die vorhandene Tankstelleninfrastruktur genutzt werden kann.
  • Zusätzlich ist es möglich, direkt einspritzende Ottomotoren mit dieser Kraftstoffzuführungskonfiguration zu betreiben.
  • In 1 ist eine bevorzugte Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt. Sie zeigt die Vorrichtung zur gesteuerten Erzeugung des Mischkraftstoffes und zur Einbringung dieses Mischkraftstoffes in eine Verbrennungskraftmaschine.
  • Aus einem Mischkraftstofftank (13), vorzugsweise ein Tank für Flüssiggas (LPG), wird durch eine Kraftstoffpumpe (14) ein Mischkraftstoff (15) aus Normaldruckkraftstoff (6), vorzugsweise Diesel und Niederdruckkraftstoff, vorzugsweise LPG (2), in einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (10, 17–21) gepumpt. Der Kraftstoffniederdruckkreislauf (10, 17–21) weist in einer bevorzugten Ausführung einen Kraftstoffvorlauf (19) auf, der über einen Kraftstofffilter (17) zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe (18) führt. Ein Wärmetauscher (21) zwischen Kraftstofffilter (17) und Kraftstoffhochdruckpumpe (18), hält, geregelt durch das Steuergerät (11), die Kraftstofftemperatur unter einem definierten Wert, der so festgelegt ist, dass betriebsstörende Verdampfungen aus dem Mischkraftstoff (15) auf seinem Weg zur Kraftstoffhochdruckpumpe (18) vermieden werden.
  • Der Wärmetauscher (21) kann seine Kühlenergie aus einer Klimaanlage beziehen. Das Kraftstoffvolumen das im Kraftstoffniederdruckkreislauf (10, 17–21) umgewälzt wird liegt um ein mehrfaches höher als zur Verbrennung notwendig. Ein widerstandsarmer, gegebenenfalls zusätzlich geschaffener, Abfluss aus dem Nieder druckbereich der Hochdruckpumpe (18) ermöglicht einen konstant hohen Kraftstoffumlauf, der die Kraftstoffkühlung unabhängig vom aktuellen Verbrauch der Verbrennungskraftmaschine (23) sicher stellt, indem er Dampfblasen aus dem Kraftstoff verhindert.
  • Ein Druckregler (20) in der Kraftstoffrückleitung (10) hält den Druck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (10, 17–21) über dem Verdampfungsdruck des Mischkraftstoffs(15).
  • Der zur Verbrennung notwendige Kraftstoff wird in der Kraftstoffhochdruckpumpe (18) weiter verdichtet und gelangt über eine Hochdruckkraftstoffleitung (7) in die Kraftstoffrail (8). Von dort aus führen weitere Kraftstoffhochdruckleitungen (7) zu den Kraftstoffeinspritzventilen (9) die den Mischkraftstoff (15) in die Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine (23) einspritzen. Der ganze Vorgang wird von dem Steuergerät (E. C. U.) (11) geregelt.
  • Erzeugt wird der Mischkraftstoff (15) indem aus den Kraftstofftanks für den Normaldruckkraftstoff (5) und für den Niederdruckkraftstoff (1) die jeweiligen Kraftstoffe (2, 4) in den Mischkraftstofftank (13) gepumpt werden. Rückschlagventile (22) verhindern, dass der Kraftstoff aus dem Mischkraftstofftank (13) in die Kraftstofftanks (1, 5) zurückgedrückt wird.
  • Ausgelöst wird der Pumpvorgang durch ein Messinstrument (16) welches das Kraftstoffniveau im Mischkraftstofftank (13) erfasst. Unterschreitet dieses ein definiertes Maß, wird durch die E. C. U. (11) die Kraftstoffpumpen (12, 3) in den Kraftstofftanks (1, 5) in gang gesetzt. Zuerst die Kraftstoffpumpe (12) im Normaldruckkraftstofftank (5) so lange, bis ein anderes, definiertes Volumen erreicht ist und anschließend die Kraftstoffpumpe (3) im Niederdruckkraftstofftank (1) ebenfalls bis ein weiteres, definiertes Kraftstoffvolumen eingefüllt ist. Diese Reihenfolge verhindert, dass kurzzeitig ein Mischungsverhältnis im Mischkraftstofftank (13) entsteht, das durch einen zu großen Anteil von Niederdruckkraftstoff (2) im Mischkraftstoff (15) zu Störungen im Verbrennungsablauf führen könnte.
  • Das Kraftstoffniveau zu Beginn des Mischvorgangs sollte nicht zu niedrig sein, damit die Abweichung vom optimalen Mischungsverhältnis der Kraftstoffe (2, 4) während des Mischvorgangs nicht zu groß ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 59162337 A [0006]
    • - DE 20310824 U1 [0008]
    • - EP 06023298 [0009]

Claims (5)

  1. Verfahren zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 bestehend aus einem Kraftstoff der bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssig ist (Normaldruckkraftstoff) 6 und aus einem Kraftstoff, der eines relativ geringen Druckes bedarf, um bei Normaldruck und Normaltemperatur in einem Kraftstofftank 1 flüssig gespeichert werden zu können (Niederdruckkraftstoff) 2 und zur Beförderung dieses Mischkraftstoffs 15 aus einem Mischkraftstofftank 13 in das Kraftstofffördersystem 7–11, 17–20 einer Verbrennungskraftmaschine 23, aufweisend eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinbringung in die Verbrennungskraftmaschine 7–9, 11,18 und mindestens einen Kraftstoffkreislauf, vorzugsweise ein Niederdruckkraftstoffkreislauf 10, 17–21, der gleichzeitig der Zuführung von Kraftstoff zur Verbrennung und der Kühlung des Kraftstoffs dient, indem über die zur Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge hin aus eine definierte Kraftstoffmenge konstant umgewälzt wird, welcher Kraftstoff durch einen Druckregler 20 im Kraftstoffrücklauf 10 auf einem definierten Druckniveau über dem Verdampfungsdruck des Mischkraftstoffs 15 gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines definierten Kraftstoffniveaus im Mischkraftstofftank 13 die Kraftstofffördervorrichtung 3, 12 in den Kraftstofftanks 1, 5 der beiden Ausgangskraftstoffe 2, 6 in Gang gesetzt werden, bis im Mischkraftstofftank 13 ein definiertes oberes Mischkraftstoffniveau erreicht ist und dass eine Kraftstofffördervorrichtung 14 im Mischkraftstofftank 13 den Mischkraftstoff 15 in das Kraftstofffördersystem 7–11, 17–20 der Verbrennungskraftmaschine einspeist.
  2. Verfahren zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofffördervorrichtung 3, 12 in den Kraftstofftanks 1, 5 der beiden Ausgangskraftstoffe 2, 6 durch eine Steuerung 11 nacheinander in Gang gesetzt werden und zwar zuerst die Kraftstofffördervorrichtung 12 im Normaldruckkraftstofftank 5 so lange bis ein anderes definiertes Mischkraftstoffniveau erreicht ist und nachfolgend die Kraftstofffördervorrichtung 3 im Niederdruckkraftstofftank 1 ebenfalls so lange bis ein definiertes oberes Mischkraftstoffniveau erreicht ist.
  3. Verfahren zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffkühlvorrichtung 21 stromabwärts der Komponenten zur Einbringung des Kraftstoffs 7–9, 11, 18 in die Verbrennungskraftmaschine 23 den zufließenden Kraftstoff kühlt.
  4. Verfahren zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass ein Butangemisch als Niederdruckkraftstoff 2 im Mischkraftstoff 15 genutzt wird.
  5. Vorrichtung zur gesteuerten Erzeugung eines Mischkraftstoffes 15 bestehend aus einem Kraftstoff der bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssig ist (Normaldruckkraftstoff) 6 und aus einem Kraftstoff, der eines relativ geringen Druckes bedarf um bei Normaldruck und Normaltemperatur in einem Kraftstofftank 1 flüssig gespeichert werden zu können (Niederdruckkraftstoff) 2 und zur Beförderung dieses Mischkraftstoffs 15 aus einem Mischkraftstofftank 13 in das Kraftstofffördersystem 7–11, 17–20 einer Verbrennungskraftmaschine 23, aufweisend eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinbringung 7–9, 10, 18 in die Verbrennungskraftmaschine 23 und mindestens einen Kraftstoffkreislauf, vorzugsweise ein Niederdruckkraftstoffkreislauf 10, 17–21, der gleichzeitig der Zuführung von Kraftstoff zur Verbrennung und der Kühlung des Kraftstoffs dient, indem über die zur Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge hinaus konstant eine definierte Kraftstoffmenge umgewälzt wird, welcher Kraftstoff durch einen Druckregler 20 im Kraftstoffrücklauf 10 auf einem definierten Druckniveau über dem Verdampfungsdruck des Mischkraftstoffs 15 gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Kraftstofftank 5 mit Normaldruckkraftstoff 6 und aus einem Kraftstofftank 1 für Niederdruckkraftstoff 2 durch jeweils eine Kraftstofffördereinrichtung 3, 12, vorzugsweise eine oder mehrere Kraftstoffpumpe(n), Kraftstoff in definierter Menge in den druckfesten Mischkraftstofftank 13 gefördert wird und der Mischkraftstofftank 13 eine Messvorrichtung für das Kraftstoffniveau 16 aufweist und eine Kraftstofffördereinrichtung 14, die den Mischkraftstoff 15 in den Niederdruckkraftstoffkreislauf 10, 17–21 der Verbrennungskraftmaschine 23 fördert.
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