DE102008053873B4

DE102008053873B4 - Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008053873B4
Application number: DE200810053873
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Dipl. - Ing. ( TH ) Winkelmann
Original assignee: Vialle Alternative Fuel Systems BV
Current assignee: VIALLE GROUP B.V., NL
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: DE102008053873A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, die unter anderem mindestens einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) mit einer Kraftstoffrücklaufleitung (8) in den Kraftstofftank (1), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine der Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) über den Verdampfungsdruck des Kraftstoffs (4), der sich bei abgestellter, betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine an der verdampfungskritischen Stelle des Kraftstoffniederdruckkreislaufs (1–9, 11–13) einstellt, angehoben wird, indem ein hydraulischer Widerstand (11) in den Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Einspritzsysteme die einen Kraftstoff mit niedrigem Siedepunkt in flüssiger Phase in den Brennraum (Direkteinspritzer) oder den Ansaugkanal (Kanaleinspritzer) eines Otto-Motors einspritzen haben das Problem, dass der Betriebsdruck an jeder Stelle im Kraftstoffvorlauf des Kraftstoffzuführungssystem vom Kraftstofftank bis zu den Kraftstoffeinspritzventilen über dem Verdampfungsdruck des verwendeten Kraftstoffs liegen muss, damit die Verbrennungskraftmaschine störungsfrei arbeiten kann. Dafür sorgt in Einspritzsystemen nach dem Stand der Technik eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe im Kraftstofftank in Kombination mit einem Druckregler.
Otto-Motoren die den Kraftstoff Benzin einspritzen werden nach dem Stand der Technik ohne Kraftstoffrücklauf von der Einspritzvorrichtung zurück zum Kraftstofftank betrieben. Diese Betriebsweise ist mit dem Kraftstoff LPG in Flüssigphase, aufgrund der erheblich unterschiedlichen Verdampfungscharakteristika der Kraftstoffe Benzin und LPG, mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Während Superbenzin einen Siedebereich von 25°C–210°C aufweist und sein Dampfdruck im Betrieb deshalb temperaturunabhängig gleich bleibend bei ungefähr 0,5 bar liegt, beträgt die Siedetemperatur von LPG bei einem Druck von 1013 mbar –30°C (Gilt für LPG-Kraftstoff bestehend aus 60% Propan und 40% Butan) und der Dampfdruck von LPG steigt mit zunehmender Erwärmung sehr stark. (Von ca. 5 bar bei 15°C auf ca. 13 bar bei 50°C und kann bei 70°C Kraftstofftemperatur und hohem Propananteil größer als 25 bar werden.). Dieser Unterschied der Kraftstoffverdampfungscharakteristika und der daraus resultierenden Kraftstoffverdampfungsdrücke erfordert beim Betrieb eines Otto-Motors mit dem Kraftstoff LPG in Flüssigphase einen Kraftstoffrücklauf von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Kraftstofftank. Damit entsteht ein Kraftstoffkreislauf mit hohem kühlendem Kraftstoffdurchsatz, der bei laufendem Motor, unterstützt durch den kühlenden Kraftstoffdurchsatz durch die Kraftstoffeinspritzdüsen, im Normalfall dafür sorgt, dass der Überdruck, der notwendig ist um Kraftstoffverdampfung im Kraftstoffzuführungssystem zu verhindern, niedrig bleibt. Zwar sorgen die Druckregler von LPG-Systemen die LPG in Flüssigphase in den Otto-Motor einbringen durch eine Kraftstoffverdampfungsdruckkompensation dafür, dass die Verdampfungsdrücke die das LPG im LPG-Tank aufweist, unabhängig von ihrer temperaturabhängig stark wechselnden Druckhöhe, nicht durch einen von der Kraftstoffpumpe zu erzeugenden Überdruck kompensiert werden muss. Die Kraftstoffverdampfungsdruckkompensation des LPG-Druckreglers kompensiert jedoch nicht die lokale Verdampfungsdruckerhöhung, die sich durch Erwärmung des LPG auf seinem Weg vom LPG-Tank zu den Einspritzventilen durch Wärmeeintrag aus verschiedenen Wärmequellen, wie Wicklung der Kraftstoffpumpe, Magnetventil der Absperrvorrichtung am LPG-Tank, Wärmeleitung aus dem betriebswarmen Motor und der durch ihn erhitzten Luft im Motorraum, Kraftstoffkompression in der Hochdruckpumpe, Magnetventile zur Verriegelung der Kraftstoffe gegeneinander bei bivalentem Betrieb, einstellt. Diese lokale Verdampfungsdruckerhöhung wird bei den bekannten Einspritzsystemen für LPG in Flüssigphase nach dem Stand der Technik durch den Überdruck überkompensiert, den die Kraftstoffpumpe im LPG-Tank zusätzlich zu dem Kraftstoffverdampfungsdruck im LPG-Tank in der Versorgungsleitung zum Motor hin erzeugt. Bei den bekannten Systemen dient ein in der Kraftstoffrücklaufleitung eingebauter Druckregler als hydraulischer Widerstand, gegen den die Kraftstoffpumpe den benötigten Überdruck aufbauen kann.
Es hat sich jedoch bei eigenen Tests gezeigt, dass bei einer vorteilhaften Gestaltung des Kraftstoffkreislaufes, wie sie in der EP 06 023 298.0 vom Autor des Antrages beschrieben ist, die Kühlwirkung des im Kraftstoffkreislauf umgewälzten Kraftstoffs so effizient ist, dass der hydraulische Eigenwiderstand der Bauteile des Kraftstoffversorgungssystems allein ausreicht diesen verdampfungsverhindernden Überdruck zu bewirken. Für die normalen Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine erübrigt sich damit ein spezieller hydraulischer Widerstand wie sie in bekannten Systemen nach dem Stand der Technik der Druckregler darstellt.
Bekannte Systeme nach dem Stand der Technik, die LPG in flüssiger Phase in den Ansaugkanal eines Otto-Motors einspritzen, haben einen geringeren Wärmeeintrag in das LPG auf seinem Weg vom LPG-Tank zu den Einspritzventilen als Systeme, die LPG in Flüssigphase direkt in den Brennraum einspritzen. Deshalb genügen ihnen in diesem Betriebszustand normalerweise ein permanenter Überdruck von 3–5 bar um die den Verdampfungsdruck erhöhenden Wärmeeinträge auf dem Weg des LPG in Flüssigphase vom Tank zu den Einspritzventilen so abzupuffern, dass das LPG in Flüssigphase bleibt.
Allerdings bleibt auch bei dieser Konfiguration das Restrisiko, dass bei länger andauerndem ununterbrochenen Motorbetrieb und einem daraus resultierenden geringen Kraftstoffvolumen im LPG-Tank sich das LPG im LPG-Tank so stark erwärmt, dass sein Verdampfungsdruck höher ist, als der Druck, den eine Pumpe an einer LPG-Tanksäule erzeugt, so dass ein Nachtanken von LPG erst nach einer Abkühlungsphase möglich ist.
Direkteinspritzsysteme, wie sie in der DE 101 46 051 beschrieben sind, die LPG in flüssiger Phase in den Brennraum des Otto-Motors einspritzen haben durch die zusätzliche Kraftstoffhochdruckpumpe und Magnetventile, die die Umschaltung der Kraftstoffsorten steuern, einen zusätzlichen, höheren Wärmeeintrag in den Kraftstoff. In der DE 101 46 051 wird deshalb ein Kraftstoffzuführungssystem für LPG beschrieben, das in der Kraftstoffzuführungsleitung eine an eine Klimaanlage angeschlossene Kraftstoffkühlvorrichtung aufweist. Mit dieser Konfiguration werden bei laufendem Motor alle Wärmeeinträge in das LPG, unabhängig vom aktuell im LPG-Tank vorhandenen restlichen Kraftstoffvolumen, mit dem üblichen Kraftstoffpumpenvordruck sicher beherrscht.
Nicht beherrscht wird mit dem in der DE 101 46 051 beschriebenen Kraftstoffdirekteinspritzsystem der rasche Warmstart nach längerem Abstellen eines betriebswarmen Motors, wenn sich Bauteile des Kraftstoffzuführungssystems, hier besonders die Kraftstoffhochdruckpumpe, stark erwärmt haben. Ursache ist die aus dem Motorblock in die Bauteile einströmende Wärme, die nicht mehr durch den im Kraftstoffniederdruckkreislauf umgewälzten oder in den Brennraum des Otto-Motors eingespritzten Kraftstoff abgeführt wird. Wird nach längerem Abstellen eines betriebswarmen Motors der Motor erneut gestartet, kann sein Anspringen daran scheitern, dass kein flüssiger Kraftstoff zur Verfügung steht, weil dieser zwischenzeitlich verdampfte und sein Verdampfungsdruck höher ist, als der von der Kraftstoffforderpumpe im LPG-Tank in Verbindung mit dem hydraulischen Widerstand im Kraftstoffzuführungssystem erzeugte Kraftstoffüberdruck, sodass keine Kraftstoffförderung durch die Kraftstoffpumpe erfolgt.
Bei bekannten Systemen werden diese Probleme beim Starten des Motors mit LPG dadurch umgangen, dass der Otto-Motor mit zwei vollständigen Kraftstoffzuführungssystemen, in der Regel mit den Kraftstoffen Benzin und LPG in Flüssigphase, betrieben wird, wobei das LPG-System mit „bottom-feeded” Einspritzventilen und einem Kraftstoffrücklauf in den LPG-Kraftstofftank arbeitet und die Möglichkeit besteht zwischen den Kraftstoffen, hin und her zu schalten.
Diese Motoren werden in der Regel auch im LPG-Betriebsmodus mit Benzin gestartet. Nach erfolgreichem Motorstart schaltet die Steuerung des Motors nach einer mehr oder weniger langen Spül- oder Warmlaufphase von dem Kraftstoff Benzin auf den Kraftstoff LPG um.
In der EP 1 095 214 B1 wird ein Kraftstoffsystem zur Einspritzung von Flüssiggas beschrieben, welches mit variablen Pumpendrücken zwischen 8 und 4 bar operiert, wobei mit zunehmender Temperatur des LPGs im Kraftstofftank der Pumpendruck von 8 bar bis auf 4 bar zurückgeführt wird, wenn der Druck im LPG-Tank auf 25 bar ansteigt. Für ein Einspritzsystem welches LPG mit „bottom-feeded” Einspritzventilen in den Ansaugkanal der Verbrennungskraftmaschine einspritzt sind diese Pumpendrücke ausreichend um die Gasblasenbildung des LPG auch beim Warmstart zu unterdrücken, weil hier nur, wie in der DE 103 60 977 angeführt, Temperaturanstiege von etwa 12–16°C zu überdrucken sind, wofür die angeführten Drücke über 4 bar sicher genügen.
Nachteilig ist hier jedoch der hohe Druck der von der In-Tank-Pumpe im LPG-Tank permanent erzeugt werden muss, was erhöhten Pumpenverschleiß, erhöhten Wärmeeintrag in den Kraftstoff und erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.
In der DE 103 60 977 A1 wird für einen Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung von LPG in Flüssigphase vorgeschlagen, den Motorstart um vorgegebene Zeitabschnitte zu verzögern, wenn eine vorgegebene Kraftstofftemperatur in der Treibstoffleitung nicht unterschritten ist, währenddessen die Kraftstoffpumpe im LPG-Tank bis kurz nach dem Motorstart mit maximaler Leistung pumpt. Der infrage kommende Zeitabschnitt wird mit 15 bis 30 Sekunden angegeben. Diese Lösung setzt „bottom-feeded” Einspritzventile und einen Kraftstoffrücklauf in den Tank voraus. Andernfalls müsste sie mit so hohem Druck der In-Tank-Pumpe im LPG Tank operieren, dass sich dadurch die Wartezeit erübrigen würde.
Bei Otto-Motoren, die LPG direkt einspritzen, ist zwar der Kraftstoffhochdruckbereich aufgrund der dort erzeugten hohen Drücke dampfblasenunkritisch, jedoch genügen im Niederdruckbereich der Hochdruck erzeugenden Kraftstoffhochdruckpumpe auch die in der EP 1 095 214 B1 genannten, für Vorförderpumpen im Kraftstofftank hohen, Drücke von 8 bar nicht, um beim Warmstart die Dampfblasen, die sich aufgrund der Temperaturen von über 70°C bilden, auf die sich das Hochdruckpumpengehäuse im Stillstand nach einer längeren Betriebsphase aufheizen kann, in die Flüssigphase zurückzuführen.
In der EP 06 023 298.0 ist vom Autor des Antrages beschrieben, dass bei Otto-Motoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung ein Betrieb mit LPG in Flüssigphase bei warmem Motor, je nach Aufbau der Kraftstoffhochdruckpumpe, mit vertretbarem technischen Aufwand nur möglich ist, wenn eine Niederdruckkraftstoffrückführungsleitung, vorzugsweise durch einen zusätzlichen Adapter oder eine zusätzliche Bohrung, so mit dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe verbunden ist, dass ein Niederdruckkraftstoffkreislauf entsteht, der den Eingang zur Hochdruckpumpenkammer der Kraftstoffhochdruckpumpe als thermisch kritische Stelle des LPG-Kraftstoffzuführungssystems durch möglichst direktes Umspülen, unabhängig von der Menge des für die Verbrennung abgezweigten Kraftstoffes, gut kühlt.
Ein Warmstart ohne inakzeptable zeitliche Verzögerung durch den Abkühlungsprozess der Kraftstoffhochdruckpumpe ist jedoch allein durch diese Konfiguration nicht bei allen Bauformen der Kraftstoffhochdruckpumpe gewährleistet. Als inakzeptabel wird hier ein Zeitraum definiert der größer als 30 s ist. Der Zeitraum von 30 s wurde in Versuchen als der Zeitraum ermittelt, der von der Betätigung einer Fernentriegelung bis zum Start des Motors normalerweise benötigt wird, vorausgesetzt der Pilot legt vorschriftsmäßig die Sicherheitsgurte vor dem Motorstart an.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine entsprechend arbeitende Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit denen die erwähnten Nachteile wie inakzeptable zeitliche Verzögerung beim Start der warmen Verbrennungskraftmaschine und hoher Druck der Kraftstoffförderpumpe im Kraftstofftank im Betrieb vermieden werden. Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Anspruchs 1 sowie einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird von der elektronischen Steuereinheit beim Einschalten der Zündung der Druck in dem Kraftstoffzuführungssystem zu der Kraftstoffhochdruckpumpe durch Schließen der Vorrichtung zum Umgehen des hydraulischen Widerstandes, vorzugsweise des Bypasses eines Druckreglers, in einer ersten Stufe und, wenn erforderlich, zusätzlich durch Verschieben eines Drucksteuerkolbens in einer zweiten Stufe, stark erhöht. Die Druckerhöhung wird unterstützt von der Kraftstoffkühlung durch Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffwederdruckkreislauf, die schon vor dem Starten des Motors den Kraftstoff an der kritischen Stelle kühlt, indem vor dem Starten des Motors über eine elektronische Steuereinheit zunächst ein Signal erfasst wird, welches auf einen Batteriespannungsabfall zurückzuführen ist. Dieses Signal wird als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung genutzt. Beide Schritte wirken zusammen um eine Verdampfung von LPG zu unterdrücken und vor dem Warmstart verdampften Kraftstoff in die Flüssigphase zurückzuführen, wodurch eine Einspritzung des zu zündenden Kraftstoffs in den Brennraum zum Starten des Motors möglich wird. Weiter wird erfindungsgemäß auf einen speziellen hydraulischen Widerstand im Kraftstoffniederdruckkreislauf verzichtet. Dadurch reduziert sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine der Druck, den die Kraftstoffförderpumpe im Kraftstofftank erzeugen muss.
Damit wird durch die erfindungsgemäßen Bauteile und Verfahren erreicht, dass

– die Direkteinspritzung von LPG in flüssiger Phase alltagstauglich wird,
– die Vorhaltung eines zweiten Kraftstoffzuführungssystems für die Zuführung eines Normaldruck-Ottokraftstoffes, einschließlich des geschlossenen Kraftstoffsystems, das das Austreten von Kraftstoffdämpfen aus dem Kraftstofftank verhindert, aus technischen Gründen überflüssig wird,
– ein Betrieb eines Otto-Motors ausschließlich mit LPG möglich ist,
– kein teurer Normaldruck-Ottokraftstoff, vorzugsweise Superbenzin, zum Starten des Motors mehr benötigt wird, was besonders beim Einsatz von Start-Stopp-Systemen enorm an Bedeutung gewinnt,
– dadurch CO2-Emission in einer Größenordnung von 15% vermieden wird,
– der von der Kraftstoffpumpe im LPG-Tank im Betrieb vorzuhaltende Druck über dem LPG-Verdampfungsdruck im Tank gering sein kann,
– dass ein, dem Betrieb mit dem Kraftstoff Benzin vergleichbar, sicherer Betrieb des Otto-Motors ausschließlich mit dem Kraftstoff LPG möglich wird (auch bei einem Betriebszustand mit hohen Außentemperaturen und geringem Kraftstoffinhalt im Tank, der sogar beim Betrieb mit Benzin ein kritischer Zustand darstellt).

Es werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt und erläutert.
1 zeigt die monovalente Version einer LPG-Direkteinspritzung in Otto-Motoren, die mit dem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 betrieben wird.
2 zeigt eine bivalente Version einer LPG-Direkteinspritzung in Otto-Motoren, bei der im Betriebsmodus LPG ebenfalls das Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 genutzt wird.
Die 3 zeigt einen Druckregler mit innerer Verdampfungsdruckkompensation, Bypass und einer Vorrichtung in dem Druckregler, die eine zusätzliche Druckerhöhung im Kraftstoffniederdruckkreislauf ermöglicht, wodurch insgesamt zwei Druckerhöhungsstufen zur Druckerhöhung im Kraftstoffwederdruckkreislauf, beim Start des Motors, speziell am Regelventil am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer, zur Verfügung stehen.
In 1 drückt eine, in einem Catch-Tank 3 untergebrachte Kraftstoffpumpe 2, aus dem druckfesten LPG-Tank 1, LPG in Flüssigphase 4 in die Kraftstoffvorlaufleitung 5 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 hin. In einer bevorzugten Ausführung wird das LPG in Flüssigphase 4 auf dem Weg zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 durch einen an eine bordeigene Klimaanlage angeschlossenen Wärmetauscher 13 gekühlt. Eine Bohrung 7, die an einer speziellen Stelle der Hochdruckpumpe 6 angebracht ist, oder ein Adapter, je nach Hochdruckpumpenausführung, ermöglicht es dem LPG in Flüssigphase 4 aus der Kraftstoffvorlaufleitung 5 am Eingang der Hochdruckpumpenkammer in der Hochdruckpumpe vorbei in die Kraftstoffrücklaufleitung 8 hin zum LPG-Tank 1 zu fließen. Ein von der Motorsteuerung angesteuertes Ventil in der Hochdruckpumpe 6 ermöglicht es dem für die Verbrennung benötigten Kraftstoff aus dem vorbeiströmenden Kraftstoffstrom in die Hochdruckpumpenkammer der Hochdruckpumpe 6 abzufließen, wo der Kraftstoff 4 durch den Pumpenkolben unter Hochdruck gesetzt und über die Hochdruckkraftstoffleitung 19 zur Kraftstoffrail 10 gedrückt wird. Die Kraftstoffrail 10 versorgt die Kraftstoffeinspritzventile 42 mit dem notwendigen Kraftstoff, den diese mit Hochdruck (40–200 bar) in die Brennkammer des (hier nicht gezeigten) Motors einspritzen.
Auf dem Weg von der Hochdruckpumpe 6 zurück zum LPG-Tank 1 durchströmt der Kraftstoff 4 einen mit einem Bypass 12 versehenen Druckregler 11. Dieser Bypass 12 wird im Betrieb des Motors durch die Steuereinheit 16 offen gehalten, wodurch sich der Druck, den die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 aufzubauen hat, verringert. Nur beim Starten des Motors wird der Bypass 12 vorübergehend geschlossen. Das hat zur Folge, dass vor dem Starten des Motors der Druck, den die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 erzeugt, um den Kraftstoffkreislauf aufrecht zu erhalten, höher wird.
Falls diese Druckerhöhung noch nicht ausreichend ist um Kraftstoffdampfblasen im Kraftstoffvorlauf 5 und dem Niederdruckteil der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 zu beseitigen, lässt sich durch das Öffnen des Magnetventils 29 die Federkraft des Druckreglers verstärken, was wiederum eine weitere Druckerhöhung im Niederdruckkraftstoffkreislauf (1–9, 11–13) bewirkt. Die Steuereinheit 16 detektiert vor dem Start des Motors einen, durch einen elektrischen Verbraucher induzierten, Spannungsabfall der Batterie und nutzt diesen als Steuerimpuls um die Kraftstoffpumpe 2 in Gang zu setzen. Damit wird erreicht, dass eine kühlende Kraftstoffumwälzung in Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) schon dann in Gang gesetzt wird, wenn z. B. die Verriegelung eines Kraftfahrzeuges entsperrt wird, also noch vor dem Öffnen einer Fahrzeugtür und dem anschließenden Starten des Motors. Gleichzeitig öffnet die Steuereinheit 16 den Bypass 12 des Druckreglers 11, was den hydraulischen Widerstand in der Kraftstoffleitung um den hydraulischen Widerstand des Druckreglers 11 verringert. Das vergrößert den Kraftstoffvolumenstrom und damit die Kühlwirkung. Gleichzeitig verringert die Kühlung des Kraftstoffs den Pumpenüberdruck, der aufgewendet werden muss, um Kraftstoffdampfblasen zu verhindern oder in die flüssige Phase zurückzuführen. Wird nach spätetestens 30 Sekunden der Motor nicht gestartet, schaltet die Steuereinheit 16 aus Sicherheitsgründen die Kraftstoffpumpe ab.
Als weiteres Sicherheitselement ist ein Drucksensor 14 im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–8, 11–13) stromaufwärts der Kraftstoffhochdruckpumpe eingebaut, der den Kraftstoffdruck detektiert. Wird im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) kein Druck gemessen, unterbindet die Steuereinheit 16 die Kraftstoffförderung aus dem Kraftstofftank 1.
In 2 ist die entsprechende bivalente Version einer Direkteinspritzung von LPG in Flüssigphase 4 in Otto-Motoren abgebildet. Es gibt eine Kraftstoffzuführungsleitung im Niederdruckbereich 24 für den bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssigen Kraftstoff (Normaldruckkraftstoff) 21, vorzugsweise Benzin, die von einer In-Tank-Kraftstoffpumpe 22 im Normaldruckkraftstofftank 20 beschickt wird und eine entsprechende Kraftstoffzuführungsleitung im Niederdruckbereich 5 für LPG. Die Kraftstoffzuführungsleitungen 5/24 für die beiden Kraftstoffe 4/21 werden stromaufwärts der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 gekoppelt und durch ein Rückschlagventil 31 und zwei Magnetventile 25/32 gegeneinander verriegelt. Damit wird sichergestellt, dass immer nur einer der beiden Kraftstoffe 4/21 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 gefördert wird. Zusätzlich wird im Niederdruckbereich der Kraftstoffzuführung des Normaldruckkraftstoffes 21 eine zweite Kraftstoffpumpe 23 benötigt, um beim Umschalten von LPG in Flüssigphase 4 auf den Normaldruckkraftstoff 21 durch kurzzeitige Druckerhöhung des Normaldruckkraftstoffes 21 über den Verdampfungsdruck des LPG die Verdampfung des in dem Kraftstoffvorlauf zur Hochdruckpumpe 6 noch nicht verdrängten LPGs in Flüssigphase 4 zu verhindern.
Ein wichtiger Unterschied in der Kraftstoffzuführung der beiden Kraftstoffe 4/21 liegt auch darin, dass der Normaldruckkraftstoff 21 ohne Rücklauf auskommt, während der Kraftstoff LPG in Flüssigphase 4 mit einem Kraftstoffrücklauf 8 aus der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 in den LPG-Tank 1 als Kraftstoffkreislauf betrieben wird, ohne den er nicht betriebssicher wäre. Dieser Unterschied der Kraftstoffe 4/21 im Betrieb wird ebenfalls von der Steuerung 16 organisiert, indem sie kraftstoffspezifisch das Rücklaufventil 30 stromabwärts des Ausgangs des Niederdruckbereichs der Kraftstoffhochdruckpumpe öffnet oder geschlossen hält, und zwar geöffnet beim Kraftstoff LPG in Flüssigphase 4, wodurch hier ein Kraftstoffkreislauf erzeugt wird und geschlossen beim Normaldruckkraftstoff 21. Das EP 06 023 298.0 nennt die Anforderungen, die der Anschluss der Rücklaufleitung 8 an die Kraftstoffhochdruckpumpe 6 erfüllen muss, damit sie ihre Funktion erfüllt.
Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffdruckreglers 11 für eine Kraftstoffeinspritzanlage zur Einspritzung von LPG in Flüssigphase 4 in einen Ottomotor, stellt ein in einem Reglergehäuse 112 verschiebbarer Druckregelkolben 111 das druckregelnde Bauteil dar. Die kegelförmige Spitze 117 des Druckregelkolbens 111 setzt sich in eine entsprechende kegelförmige Aufnahme des Reglergehäuses 112 und dichtet dadurch ab. Die Dichtkraft wird durch eine Feder 113 bestimmt, die auf die Rückseite des Druckregelkolbens 111 drückt. Der Druckregelkolben 111 ist axial mit einer Durchflussbohrung 115 versehen. Sie bewirkt, dass der Verdampfungsdruck des LPGs 4 im Flüssiggastank 1 auch auf der Rückseite des Druckregelkolbens 111 wirksam wird. Das dadurch erzielte Druckgleichgewicht zwischen Vorderseite und Rückseite des Druckregelkolbens 111 hat zur Folge, dass die Kraft der Feder 113 nicht auch noch den Verdampfungsdruck des LPGs 4 vorhalten muss (innere Verdampfungsdruckkompensation). Durch diesen inneren Druckausgleich wird der im LPG-Tank 1 herrschende Verdampfungsdruck kompensiert, sodass der Überdruck, den die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 aufbringen muss um das LPG am Verdampfen zu hindern, von dem Verdampfungsdruck des LPGs 4 im LPG-Tank 1 und damit auch von dessen aktueller Temperatur, unabhängig wird. Der von der Kraftstoffpumpe 2 erzeugte Überdruck hat jetzt nur noch die Funktion, die Erhöhung des Verdampfungsdruckes zu überkompensieren, welche das LPG in Flüssigphase 4 auf seinem Weg vom LPG-Tank 1 zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 11 durch Wärmeeintrag aus verschiedenen Quellen, wie die Kraftstoffpumpe 2 selbst, das elektromagnetische Absperrventil 18 am Ausgang des LPG-Tankes 1 oder die Kraftstoffhochdruckpumpe 6 erfährt. Dazu bedarf es bei günstiger Gestaltung des Niederdruckkraftstoffkreislaufes (1–9, 11–13), so lange dort Kraftstoff 4 umgewälzt wird, nur einer geringen Druckerhöhung gegenüber dem Kraftstoffdruck im LPG-Tank 1.
Ganz anders verhält es sich bei Motorstillstand nach Betrieb des Motors. Der fehlende Kraftstoffumlauf bewirkt einen großen Druckunterschied zwischen dem Verdampfungsdruck des Kraftstoffs 4 im LPG-Tank 1 und dem Verdampfungsdruck des Kraftstoffs 4 am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ausführung des Druckreglers müsste die Federkraft der Feder 113 so bemessen sein, dass sie die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 zwingt, permanent einen Überdruck zu erzeugen, der höher ist als diese Verdampfungsdruckdifferenz bei Motorstillstand mit betriebswarmen Motor, damit der Kraftstoff 4 auch am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 in der Flüssigphase verbleibt. Infolgedessen müsste die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 auch in den weitaus überwiegenden, unkritischen Betriebszuständen permanent einen unnötig hohen Druck erzeugen mit allen damit verbundenen Nachteilen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems in 3 besteht darin, dass die Druckfeder 113 gegen einen zweiten, verschiebbaren Kolben 114 (Druckerhöhungskolben) gelagert ist. Im Falle des Warmstarts wird dieser Druckerhöhungskolben 114 nun so verschoben, dass er die Druck erzeugende Feder 113 um eine vorgegebenes Maß zusammendrückt und dadurch eine höhere Federspannung erzeugt, was wiederum über den Druckregelkolben 111 einen höheren Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf 120 bewirkt. 3 zeigt zwei Varianten der Druckerhöhung durch Verschiebung des Druckerhöhungskolbens 114. In der einen Variante wird die Verschiebung des Druckerhöhungskolbens 114 durch die Bestromung einer außen liegenden Magnetspule 119 und in der anderen durch den am Eingang des Druckregelventils 11 abgezweigten und auf die Rückseite des Druckerhöhungskolbens 114 geführten Kraftstoffdruck 120 des Kraftstoffwederdruckkreislaufs (1–9, 11–13) bewirkt. Durch die positive Rückkoppelung des Regelkreises erhöht sich der Kraftstoffdruck 120 im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) sehr schnell. Eine Druckbegrenzung verhindert, dass die Druckerhöhung ein vorgegebenes, die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 2 im Kraftstofftank 1 übersteigendes Niveau überschreitet. Die Dauer der Druckerhöhung bestimmt Ventil 29, das von der Steuereinheit 16 angesteuert wird, indem es die Beaufschlagung des Druckerhöhungskolbens 114 mit dem Kraftstoffdruck 120 des Kraftstoffniederdruckkreislaufs (1–9, 11–13) beendet. Über die Leckage am Druckerhöhungskolben 114 findet anschließend ein allmählicher Abbau der Druckerhöhung im Druckregler 11 statt, der parallel zu der Verringerung der Kraftstofftemperatur in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 verläuft.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, die unter anderem mindestens einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) mit einer Kraftstoffrücklaufleitung (8) in den Kraftstofftank (1), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine der Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) über den Verdampfungsdruck des Kraftstoffs (4), der sich bei abgestellter, betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine an der verdampfungskritischen Stelle des Kraftstoffniederdruckkreislaufs (1–9, 11–13) einstellt, angehoben wird, indem ein hydraulischer Widerstand (11) in den Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Startdruckanhebung nach dem Motorstart, parallel zur der, sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einstellenden, Angleichung des Kraftstoffverdampfungsdrucks an der verdampfungskritischen Stelle des Kraftstoffniederdruckkreislaufs (1–9, 11–13) an den Kraftstoffverdampfungsdruck im Kraftstofftank (1), zurückgefahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widerstand (9) ein Druckregelventil mit innerem Verdampfungsdruckausgleich und Bypass (110) ist, welches die Druckanhebung durch das Schließen seines Bypasses (110) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste Stufe der Druckanhebung hinaus eine weitere Druckstufe im hydraulischen Widerstand (9) angesteuert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich folgende Schritte ausgeführt werden: a) Detektieren eines durch einen elektrischen Verbraucher induzierten Signals durch detektieren eines Signals, welches für einen Abfall der an der Batterie anliegenden Spannung repräsentativ ist, b) Beginn einer Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) im Ansprechen auf das detektierte Signal, wobei dieses als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff LPG und als Verbrennungskraftmaschine ein Ottomotor eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine die Temperatur des Kraftstoffs am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer den kritischen Kraftstoffverdampfungsdruck repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer kritischen Kraftstofftemperatur im Betriebsmodus die Startdruckanhebung auch im Betriebsmodus genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Stelle im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) ein an eine Kühlvorrichtung angeschlossener Wärmetauscher (13) vom umgewälzten Kraftstoff (4) aus dem Kraftstofftank (1) durchflossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlvorrichtung eine bordeigene Klimaanlage eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) die Kraftstoffförderung unterbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine beim Überschreiten einer vorgegebenen ersten Temperatur an der kritischen Stelle oder einer ersten, insbesondere zwischen der Temperatur an einer Kraftstoffhochdruckpumpe (6) und der Kraftstofftemperatur im Kraftstofftank (1) gemessenen, Temperaturdifferenz eine Kraftstoffumwälzung durch den Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffumwälzung so lange erfolgt, bis eine zweite vorgegebene Temperatur oder Temperaturdifferenz unterschritten wird, die unterhalb der ersten Temperatur liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (9) während der Kraftstoffumwälzung bei ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine umgangen wird.
Verbrennungskraftmaschine die unter anderem mindestens einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–8, 11–13) mit einer Kraftstoffrücklaufleitung (8) in den Kraftstofftank (1), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben sowie eine Steuereinheit (16) zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffrücklaufleitung (8) einen parallel zu ihr geschalteten hydraulischen Widerstand (9) aufweist, welcher so ausgelegt ist, dass er in den Kraftstoffrücklauf ein- oder ausgekoppelt werden kann.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) unter anderem dazu ausgelegt ist vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich folgende Schritte auszuführen: – ein durch einen elektrischen Verbraucher induziertes Signal durch Detektieren eines Signals, welches für einen Abfall der an der Batterie anliegenden Spannung repräsentativ ist, als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung zu nutzen und – eine Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine auszulösen.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widerstand (9) ein Kraftstoffdruckregler (11) mit innerem Verdampfungsdruckausgleich und Bypass (110) ist, welcher dazu ausgelegt ist, im Betriebsmodus den Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) durch Öffnen des Bypasses (110) zu verringern und beim Starten der Verbrennungskraftmaschine den Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–9, 11–13) durch Schließen des Bypasses (110) anzuheben.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruckregler (11) einen Steuerkolben (114) aufweist, dessen Verschiebung den Druck einer Druckfeder (113) auf den Druckregelkolben (116) erhöht.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Steuerkolbens (114) des Kraftstoffdruckreglers (11) mit dem am Eingang des Kraftstoffdruckreglers (11) anliegenden Kraftstoffdruck (120) beaufschlagt werden kann.