DE102008016376A1 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und Antriebsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und Antriebsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (10), insbesondere einem Hubkolbenmotor, welcher zumindest eine Brennkammer (12) umfasst, in welche mittels zumindest einer Einspritzeinrichtung (14) eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff sowie eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs einspritzbar ist,
mit folgenden Schritten:
a) Einspritzen der einstellbaren zweiten Menge des fremdzündbaren Kraftstoffs in die Brennkammer (12);
b) Einspritzen der einstellbaren ersten Menge des Dieselkraftstoffs in die Brennkammer (12) im Bereich vor einem Arbeitstakt; und
c) Entzünden zumindest des fremdzündbaren Kraftstoffs zum Durchführen des Arbeitstakts.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sowie eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
  • Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Antriebsvorrichtung sind dabei beispielsweise bereits aus der US 4 958 598 als bekannt zu entnehmen. Die Antriebsvorrichtung umfasst dabei einen Dieselhubkolbenmotor mit zumindest einer innerhalb eines Zylinders angeordneten Brennkammer, in welche mittels einer Einspritzdüse Dieselkraftstoff einzuspritzen ist. Zur Reduzierung unerwünschter Emissionen wie beispielsweise Rußpartikeln oder Stickoxyden ist im Luftansaugtrakt des Hubkolbenmotors eine weitere Einspritzdüse vorgesehen, mittels welcher eine wässrige Lösung eines Alkohols in den angesaugten Luftstrom einspritzbar ist, welche anschließend mit Hilfe des in die Brennkammer eingespritzten Dieselkraftstoffs kompressionsgezündet wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung sowie eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche verbesserte Emissionswerte besitzt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen der Antriebsvorrichtung und umgekehrt anzusehen sind.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Hubkolbenmotor, welcher zumindest eine Brennkammer umfasst, in welche mittels zumindest einer Einspritzeinrichtung eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff sowie eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs einspritzbar ist, die Schritte a) Einspritzen der einstellbaren zweiten Menge des fremdzündbaren Kraftstoffs in die Brennkammer, b) Einspritzen der einstellbaren ersten Menge des Dieselkraftstoffs in die Brennkammer im Bereich vor einem Arbeitstakt und c) Entzünden zumindest des fremdzündbaren Kraftstoffs zum Durchführen des Arbeitstakts. Mit anderen Worten werden im Gegensatz zum Stand der Technik sowohl der Dieselkraftstoff als auch der fremdzündbare Kraftstoff unmittelbar in die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt, wodurch eine wesentlich exaktere Steuerung der Gemischbildung und somit eine signifikante Verbesserung der Emissionswerte des Verbrennungsmotors ermöglicht ist. Der Verbrennungsmotor besitzt dabei zumindest einen Verdichtungstakt sowie einen Arbeitstakt und kann beispielsweise als Hubkolbenmotor oder Kreiskolbenmotor ausgebildet sein. Schritt b) kann dabei bei Verwendung eines Hubkolbenmotors vorzugsweise am oberen Totpunkt eines Zylinders durchgeführt werden, wodurch das gesamte Gemisch aufgrund der Selbstzündung des Dieselkraftstoffs automatisch gezündet wird.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass das Einspritzen gemäß Schritt a) gleichzeitig mit dem Einspritzen gemäß Schritt b) und/oder während eines Verdichtungstakts des Verbrennungsmotors und insbesondere deutlich vor dem Entzünden gemäß Schritt c) erfolgt. Das gleichzeitige Einspritzen beider Kraftstoffarten ermöglicht das Verwenden einer konstruktiv einfachen Einspritzeinrichtung, wodurch erhebliche Kostensenkungen erzielt werden. Ein Einspritzen des fremdzündbaren Kraftstoffs vor dem Einspritzen des Dieselkraftstoffs, welches deutlich vor dem Entzünden des Gemischs erfolgt, hat dabei den Vorteil, dass sich der Kraftstoff relativ lange in der Brennkammer befindet und sich dadurch gleichmäßig verteilen und bereits erwärmen kann. Auf diese Weise können besonders niedrige Emissionswerte erreicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Menge vorzugsweise mittels einer Motorsteuereinrichtung in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameter des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Auf diese Weise können die jeweils eingespritzten Mengen bzw. deren Mengenverhältnis lastabhängig und damit besonders exakt an die momentanen Anforderungen angepasst und die Emissionswerte entsprechend optimiert werden.
  • Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass als Betriebsparameter ein benötigtes Drehmoment und/oder eine Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder eine Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder ein Abgasmesswert verwendet wird, wobei letzterer mittels NOx-Sensor, CO2-Sensor und/oder Partikel-Sensor bestimmbar ist. Die genannten Betriebsparameter erlauben die optimale Einstellung der ersten bzw. zweiten Menge, welche ihrerseits beispielsweise in einem Kennfeld abgelegt werden können.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als fremdzündbarer Kraftstoff ein Alkohol, insbesondere Methanol und/oder Ethanol, vorzugsweise Bio-Ethanol, verwendet wird. Alkohole besitzen eine hohe Klopffestigkeit, wodurch ein vorzeitiges Entzünden und damit ein Klopfen des Verbrennungsmotors verhindert wird. Der im Alkohol chemisch gebundene Sauerstoff unterstützt zudem die vollständige Verbrennung des Dieselkraftstoffs. Insbesondere Ethanol bzw. Bio-Ethanol stellt dabei einen vorteilhaften Kraftstofftyp dar, da er neben den verbesserten Emissionswerten als nachwachsender Rohstoff weitere ökologische Vorteile besitzt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entzünden gemäß Schritt c) mittels einer Zündeinrichtung, insbesondere einer Zündkerze, ausgelöst wird. Eine derartige Zündeinrichtung sorgt im Zusammenwirken mit dem fremdzündbaren Kraftstoff für eine besonders saubere Verbrennung des Dieselkraftstoffs und ermöglicht eine lastabhängige Steuerung des Zündzeitpunkts.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Hubkolbenmotor, welcher zumindest eine Brennkammer umfasst, in welchen mittels zumindest einer Einspritzeinrichtung eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff einspritzbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass mittels der zumindest einen Einspritzeinrichtung eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs, insbesondere eines Alkohols, in die Brennkammer einspritzbar ist. Die dadurch erzielbaren Vorteile sind bereits aus den vorhergehenden Vorteilsbeschreibungen entnehmbar.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass ein erster Kraftstoffbehälter zur Aufnahme des Dieselkraftstoffs und ein zweiter Kraftstoffbehälter zur Aufnahme des fremdzündbaren Kraftstoffs vorgesehen sind. Mit Hilfe von getrennten Kraftstoffbehältern kann jedes denkbare Mengenverhältnis der beiden Kraftstofftypen eingestellt werden, wodurch eine besonders exakte, emissionsarme und lastabhängige Steuerung des Verbrennungsmotors ermöglicht ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dieselkraftstoff mittels einer ersten Kraftstoffpumpe aus dem ersten Kraftstoffbehälter und der fremdzündbare Kraftstoff mittels einer zweiten Kraftstoffpumpe aus dem zweiten Kraftstoffbehälter zur zumindest einen Einspritzeinrichtung zu fördern sind. Durch getrennte Kraftstoffpumpen können die unterschiedlichen Kraftstofftypen zuverlässig und kontinuierlich aus den Kraftstoffbehältern zur Einspritzeinrichtung gefördert werden. Zudem können damit Unterschiede in den Viskositäten oder anderer physikalischer Parameter der Kraftstofftypen berücksichtigt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspritzeinrichtung eine Einspritzdüse umfasst, mittels welcher der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff gemeinsamen einzuspritzen sind, und/oder separate Einspritzdüsen umfasst, mittels welchen der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff separat einzuspritzen sind, und/oder eine Zweistoffeinspritzdüse umfasst, mittels welcher der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff separat einzuspritzen sind. Dies ermöglicht eine besonders variable Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung.
  • Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass eine Motorsteuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die erste und/oder die zweite Menge in Abhängigkeit eines zumindest einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors charakterisierenden Steuersignals einzustellen ist. Die dadurch erzielbaren Vorteile sind bereits aus den vorhergehenden Vorteilsbeschreibungen entnehmbar.
  • Eine besonders emissionsarme und zuverlässige Entzündung des in die Brennkammer eingespritzten Gemischs ist dadurch gewährleistet, dass der Brennkammer eine Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze, zugeordnet ist, mittels welcher zumindest der fremdzündbare Kraftstoff innerhalb der Brennkammer zu entzünden ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
  • 3 eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Diese umfasst einen als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 10 mit zumindest einer, einem Zylinder zugeordneten Brennkammer 12, in welche mittels einer Einspritzeinrichtung 14 eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff sowie eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs in die Brennkammer 12 einspritzbar ist. Als fremdzündbarer Kraftstoff fungiert im vorliegenden Beispiel Ethanol, es können jedoch auch alternative oder zusätzliche fremdzündbaren Kraftstoffe wie Methanol, Benzin, Erdgas, Wasserstoff oder dergleichen vorgesehen sein. Die Einspritzeinrichtung 14 ist vorliegend als konventionelle Diesel-Einspritzdüse 14a ausgebildet, wodurch keine Änderungen am Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 10 erforderlich sind. Der Dieselkraftstoff und das Ethanol werden mittels zugeordneter Kraftstoffpumpen 16a, b aus getrennten Kraftstoffbehältern 18a, b gefördert und gelangen bereits gemischt zur Einspritzeinrichtung 14. Der zur Aufnahme des Ethanols ausgelegte Kraftstoffbehälter 18b umfasst zusätzlich einen Flammenrückstoßfilter 20. Das Leitungssystem zwischen dem Kraftstoffbehälter 18b und der Kraftstoffpumpe 16b umfasst einen Kraftstoffqualitätssensor 22 sowie ein schaltbares Sperrventil 24. Der Kraftstoffqualitätssensor 22 und das Sperrventil 24 sind jeweils mit einer Motorsteuereinrichtung 26 gekoppelt, welche über ein Stromspeicherelement 28 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Motorsteuereinrichtung 26 empfängt und verarbeitet neben den Signalen des Kraftstoffqualitätssensors 22 verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10 bzw. eines Kraftfahrzeugs (nicht abgebildet) charakterisierende Signale von unterschiedlichen Sensoren. Dazu gehören beispielsweise ein Motordrehzahl-Sensor 30, ein Gaspedal-Sensor 32, ein Kühlmittel-Sensor 34 sowie ein Abgassensor 36, welcher beispielsweise als NOx- oder CO2-Sensor ausgebildet sein kann. Aus diesen Signalen leitet die Motorsteuereinrichtung 26 entsprechende Ansteuersignale zum optimalen und emissionsreduzierten Betrieben des Verbrennungsmotors 10 ab. Mittels der Ansteuersignale werden dann das Sperrventil 24, die Kraftstoffpumpen 16a, b, die Einspritzeinrichtung 14 oder weitere Module 38 des Kraftfahrzeugs gesteuert. Das Mengenverhältnis zwischen Dieselkraftstoff und Ethanol kann damit lastabhängig auf jeden möglichen Wert zwischen 1:0 und 0:1 eingestellt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei der allgemeine Aufbau bereits aus 1 bekannt ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Einspritzeinrichtung 14 vorliegend jedoch zwei getrennte Einspritzdüsen 14b, c. Die Einspritzdüsen 14b, c erhalten jeweils nur einen Kraftstofftyp über die ihnen zugeordneten Kraftstoffpumpen 16a, b, so dass die Gemischbildung zwischen Dieselkraftstoff und Ethanol unmittelbar in der Brennkammer 12 erfolgt. Das Ethanol wird dabei lastabhängig während eines Verdichtungstakts des Verbrennungsmotors 10 und somit lange vor einem Zündzeitpunkt mittels der Ethanol-Einspritzdüse 14c in die Brennkammer 12 eingespritzt und verteilt bzw. erhitzt sich dadurch gleichmäßig. Das Einspritzen des Dieselkraftstoffs mittels der Diesel-Einspritzdüse 14b erfolgt hingegen am oberen Totpunkt des Zylinders und führt zur Selbstzündung. Dabei kann ebenfalls eine zusätzliche Zündkerze vorgesehen sein, mittels welcher in erster Linie der zündbare Kraftstoff gezielt gezündet wird.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Auch hier ist der allgemeine Aufbau bereits aus den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Im Unterschied zum ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Einspritzeinrichtung 14 vorliegend eine Zweistoff-Einspritzdüse 14d, welche die Vorteile der konventionellen Diesel-Einspritzdüse 14a gemäß 1 mit den Vorteilen der getrennten Einspritzdüsen 14b, c gemäß 2 vereint. Somit sind auch in diesem Fall keine Änderungen am Zylinderkopf erforderlich, wodurch erhebliche Einsparungen hinsichtlich Entwicklungs- und Herstellungskosten des Verbrennungsmotors 10 bzw. der Antriebsvorrichtung erzielt werden. Gleichzeitig ist durch die Möglichkeit, die beiden Kraftstofftypen unabhängig voneinander einspritzen zu können, eine besonders exakte, lastabhängige und emissionsarme Steuerung der Verbrennungsreaktion bzw. des Betriebs der Antriebsvorrichtung möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4958598 [0002]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (10), insbesondere einem Hubkolbenmotor, welcher zumindest eine Brennkammer (12) umfasst, in welche mittels zumindest einer Einspritzeinrichtung (14) eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff sowie eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs einspritzbar ist, folgende Schritte umfassend: a) Einspritzen der einstellbaren zweiten Menge des fremdzündbaren Kraftstoffs in die Brennkammer (12); b) Einspritzen der einstellbaren ersten Menge des Dieselkraftstoffs in die Brennkammer (12) im Bereich vor einem Arbeitstakt; und c) Entzünden zumindest des fremdzündbaren Kraftstoffs zum Durchführen des Arbeitstakts.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen gemäß Schritt a) gleichzeitig mit dem Einspritzen gemäß Schritt b) und/oder während eines Verdichtungstakts des Verbrennungsmotors (10) und insbesondere deutlich vor dem Entzünden gemäß Schritt c) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Menge vorzugsweise mittels einer Motorsteuereinrichtung (26) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (10) eingestellt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter ein benötigtes Drehmoment (Gaspedal-Sensor 32) und/oder eine Temperatur (Kühlmittel-Sensor 34) des Verbrennungsmotors (10) und/oder eine Drehzahl (Motordrehzahl-Sensor 30) des Verbrennungsmotors (10) und/oder ein Abgasmesswert (Abgassensor 36) verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassensor ein NOx-Sensor, ein CO2-Sensor und/oder ein Partikel-Sensor verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als fremdzündbarer Kraftstoff ein Alkohol, insbesondere Methanol und/oder Ethanol, vorzugsweise Bio-Ethanol, verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entzünden gemäß Schritt c) mittels einer Zündeinrichtung, insbesondere einer Zündkerze, ausgelöst wird.
  8. Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (10), insbesondere einem Hubkolbenmotor, welcher zumindest eine Brennkammer (12) umfasst, in welchen mittels zumindest einer Einspritzeinrichtung (14) eine einstellbare erste Menge Dieselkraftstoff einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zumindest einen Einspritzeinrichtung (14) eine einstellbare zweite Menge eines fremdzündbaren Kraftstoffs, insbesondere eines Alkohols, in die Brennkammer (12) einspritzbar ist.
  9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kraftstoffbehälter (18a) zur Aufnahme des Dieselkraftstoffs und ein zweiter Kraftstoffbehälter (18b) zur Aufnahme des fremdzündbaren Kraftstoffs vorgesehen sind.
  10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselkraftstoff mittels einer ersten Kraftstoffpumpe (16a) aus dem ersten Kraftstoffbehälter (18a) und der fremdzündbare Kraftstoff mittels einer zweiten Kraftstoffpumpe (16b) aus dem zweiten Kraftstoffbehälter (18b) zur zumindest einen Einspritzeinrichtung (14) zu fördern sind.
  11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (14) eine Einspritzdüse (14a) umfasst, mittels welcher der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff gemeinsamen einzuspritzen sind, und/oder separate Einspritzdüsen (14b, c) umfasst, mittels welchen der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff separat einzuspritzen sind, und/oder eine Zweistoffeinspritzdüse (14d) umfasst, mittels welcher der Dieselkraftstoff und der fremdzündbare Kraftstoff separat einzuspritzen sind.
  12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuereinrichtung (26) vorgesehen ist, mittels welcher die erste und/oder die zweite Menge in Abhängigkeit eines zumindest einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (10) charakterisierenden Steuersignals einzustellen ist.
  13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (12) eine Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze, zugeordnet ist, mittels welcher zumindest der fremdzündbare Kraftstoff innerhalb der Brennkammer (12) zu entzünden ist.
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