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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kraftstoffversorgung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindern, umfassend einen Kraftstofftank zur Speicherung eines flüssigen Kohlenwasserstoffs, eine Reformer-Einrichtung zur Herstellung eines wasserstoffhaltigen Reformat-Gases, den wenigstens zwei Zylindern zugeordnete Injektor-Einrichtungen zur Zuführung von Kraftstoff zu den Zylindern, Leitungen zur Zuführung des flüssigen Kohlenwasserstoffs zu den Injektor-Einrichtungen und Leitungen zur Zuführung des Reformat-Gases zu den Injektor-Einrichtungen.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kraftstoffversorgung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mittels einer derartigen Einrichtung.
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Zunehmend strengere Abgasgesetzgebungsvorschriften für Kraftfahrzeuge haben in den letzten Jahren nahezu weltweit dazu geführt, dass durch immer komplexere Maßnahmen am Motor und der Abgasnachbehandlung diesen Anforderungen genügt wird. Dabei richtet sich der Fokus im wesentlichen jeweils auf die beiden Systemkomponenten Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlung. Durch aufwändige und allerdings auch teuere Optimierungsmaßnahmen am Katalysatorsystem (z. B. Erhöhung, der Zellenzahl und der Edelmetallbeladung, Dünnwandstrukturen, spezielle Katalysatorgeometrien, motornahe Startkatalysatoren, elektr. beheizte Katalysatoren usw.) ist es mittlerweile gelungen, selbst die heute schärfsten Abgasvorschriften in Kalifornien (SULEV), wenn auch mit hohem Aufwand, zu erfüllen. Gleichzeitig musste allerdings auch das Emissionsverhalten der Motoren selbst essentiell verbessert werden. Dies ist durch zahlreiche Modifikationen insbesondere an der Gemischaufbereitung, der Verbrennungsführung und der Funktionalität in den Motorsteuerungen geschehen. Der heutige Stand der Technik hierzu ist der Fachwelt bekannt und soll daher hier nicht mehr näher erläutert werden.
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Weiteres Optimierungspotenzial hinsichtlich der Verringerung der Emissionen von modernen Kraftfahrzeugen sind bei dem sehr hohen Stand der Abgasnachbehandlung vorwiegend nur noch in der kurzen Zeitspanne vorhanden, bis das Katalysatorsystem auf Grund seiner Temperatur den notwendig hohen Wirkungsgrad erreicht hat. Damit sind der Motorstart und der sich daran anschließende Warmlauf als die beiden Felder identifiziert, die auch zukünftig noch hohe Optimierungspotenziale erwarten lassen. Die oben geschilderten Sachverhalte sind z. B. exemplarisch in der
WO 2004/042217 A1 sehr anschaulich beschrieben. Dort wird auch der bekannte Sachverhalt beschrieben, dass die Höhe der während des Motorstarts und Warmlaufs entstehenden Emissionen (insbesondere HC und CO) essentiell bestimmt wird durch die Güte der Aufbereitung des Luft-/Kraftstoffgemisches wobei es neben der möglichst genauen Einhaltung des sog. globalen Lambdawertes im Brennraum auch noch der Vermeidung lokaler Inhomogenitäten im Gemisch bedarf.
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Diese sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der Gemischbildungsgüte werden dramatisch erschwert durch die Tatsache, dass bei der Verwendung flüssiger Kraftstoffe diese in sehr kurzer Zeit vollständig verdampfen müssen, um mit der Verbrennungsluft zum Zeitpunkt der Selbst- oder Fremdzündung entweder ein sehr homogenes Gemisch (im Falle der gemischsaugenden Motoren und Diesel) oder eine exakt definierte Ladungsschichtung (im Falle direkteinspritzender Benzinmotoren) zu bilden. Die Kraftstoffverdampfung wird um so schwieriger und dauert um so länger, je kälter das Gemisch (z. B. bei sehr kalter Luft) und die Motorumgebung am Ort der Gemischbildung ist (Thema Wandfilmeffekte!). Der Nachteil des kalten Gemisches und seiner kalten Umgebung wird weiter dadurch verstärkt, dass der Kraftstoff bei seiner Verdampfung der Umgebung in erheblichem Maße Wärme entzieht und damit die Zeit bis zum Erreichen optimalerer Gemischbildungsbedingungen noch verlängert wird bzw. sogar u. U. bereits verdampfte, höher siedende Kraftstoffbestandteile an kalten Stellen erneut auskondensieren und damit zu erheblichen Gemischbildungsfehlern führen können. Diese Vorgänge beeinflussen das Emissionsverhalten bzw. auch Fahrverhalten des Motors signifikant und müssen durch ganz erheblichen zeit- und kostenintensiven Aufwand bei der Applikation der Motorsteuerung bestmöglich kompensiert werden.
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Es sind daher eine Vielzahl von Lösungsansätzen außerhalb und innerhalb des Brennraumes bekannt, die auf unterschiedlichste Weise versuchen, die oben beschriebenen Nachteile und Probleme zu mindern um den Anforderungen einer optimalen Gemischbildungsgüte zu genügen. Diese Ansätze lassen sich grob in mehreren Grundaktionen zusammenfassen, wobei selbstverständlich auch entsprechende Kombinationen mehrerer Aktionen möglich/üblich sind. Hierzu ist exemplarisch der jeweilige Stand der Technik vermerkt:
- 1. Verkleinerung der Kraftstofftropfen, die vom Einspritzsystem in die Verbrennungsluft eingebracht werden (z. B. durch Erhöhung der Kraftstoffdrücke in rail-Systemen, Düsengeometrien)
- 2. Vorhomogenisierung des Gemisches (z. B. Luftumfasste Einspritzdüsen gemäß DE 41 29 834 A1 )
- 3. Unterstützung Kraftstoffverdampfung durch Wärmezufuhr an den Kraftstoff
a. vor seiner Einleitung in das Einspritzsystem ( DE 1999 59 851 C2 )
b. nach seiner Einleitung in das Einspritzsystem (z. B. WO 2004/042217 A1 ; WO 03/083282 A1 ; US 2003/0178009 ; US 2003/0178010 ; US 6 481 641 B1 )
c. im Gemischbildungsraum außerhalb des Brennraumes (z. B. sog. elektr. beheizte ”Hot-spots”)
- 4. Vorfraktionierung des Kraftstoffes in leicht- und schwersiedende Bestandteile (als Start-/Warmlaufkraftstoff und Warmbetriebskraftstoff) durch
a. Wärmezufuhr (z. B. DE 199 59 851 C2 )
b. Membrane, Molekularsiebe (z. B. US 2004/0144723 A1 )
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In der Praxis konnten sich bislang lediglich die unter 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen durchsetzen. Maßnahmen wie sie unter 3, 4 und den entsprechenden Veröffentlichungen beschrieben sind, fanden bislang keinen verbreiteten Eingang in die Praxis. Maßgebliche Gründe hierfür sind u. a:
- • Hoher konstruktiver und/oder apparativer Aufwand (z. B. Injektoren zur Dosierung von zwei verschiedenen Kraftstoffen wie in DE 199 59 851 beschrieben)
- • Bedarf an zusätzlicher elektr. Energie zur Beheizung des Kraftstoffes
- • Lange Zeit bis Kraftstoff erwärmt bzw. vorfraktioniert ist
- • Komplexe Systemsteuerungen und -aufbauten
- • Gefahr der Bildung von Ablagerungen am Equipment durch Crackprodukte des Kraftstoffes infolge Wärmezufuhr (z. B. WO 2004/042217 A1 ; WO 03/083282 A1 ; US 2003/0178009 ; US 2003/0178010 )
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Eine bekannte, sehr elegante und hinsichtlich ihrer positiven Auswirkungen auf die Emissionen besonders im Kaltstart und Warmlauf von Verbrennungsmotoren optimale Alternative stellt der vollständige oder wenigstens teilweise Ersatz von flüssigen, kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen (Benzin, Diesel) durch gasförmige dar. Der Stand der Technik hierzu ist durch ausgeführte Gasfahrzeuge bzw. Wasserstofffahrzeuge hinreichend bekannt und dokumentiert. Deren wesentlicher Nachteil ist allerdings die noch vielerorts unzureichende bzw. nicht vorhandene Versorgung mit dem entsprechenden Kraftstoff.
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Daher wurde in den vergangenen Jahren zunehmend die on-board Generierung von geeigneten gasförmigen Kraftstoffen aus den flächendeckend verfügbaren und ohnehin an Bord befindlichen flüssigen Kraftstoffen Benzin und Diesel unter Einsatz sogenannter Kraftstoffreformierungssysteme (Reformer) propagiert. Der derzeitige Stand der Technik hierzu ist der Fachwelt bekannt und in zahlreichen Publikationen und Patentschriften dokumentiert.
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Reformersysteme werden in Kraftfahrzeugen generell eingesetzt, um aus flüssigen (z. B. Benzin, Diesel, Alkohole) oder gasförmigen (z. B. Methan, Endgas) kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen ein wasserstoffreiches Synthese-gas, bestehend aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Inertgas (N2, CO2, H2O) zu erzeugen. Je nach der neben dem Kohlenwasserstoff beteiligten Verbindung (O2, H2O, CO2, –) sind unterschiedliche Reformierungs-verfahren (Partielle Oxidation; Dampfreformierung; CO2-Reformierung, Cracken) oder auch Kombinationen hieraus (z. B. Autotherme Reformierung) bekannt. Während die partielle Oxidation stark exotherm verläuft, sind alle anderen Verfahren endotherm bzw. annähernd energieneutral. Zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute kann eine sog. Shift-Reaktion (Wassergasgleichgewicht) nachgeschaltet sein. Reformersysteme können entweder in Kombination mit Brennstoffzellen oder aber auch alleine in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Von besonderem Vorteil bei Reformern in Kraftfahrzeugen ist die Möglichkeit der beliebigen Kombination und Mehrfachnutzung zu unterschiedlichsten Zwecken. Mittlerweile sind zahlreiche Einsatz- und Nutzungsmöglichkeiten (auch beliebige Kombinationen) eines Reformatgases in einem Kraftfahrzeug bekannt:
- – Betrieb einer Brennstoffzelle
- – Zufuhr zum Verbrennungsmotor zur Minimierung der Rohemissionen im Kaltstart, Warmlauf und/oder auch bei betriebswarmem Motor
- – Abgasnachbehandlung (z. B. NOx-Adsorber, Partikelfilter)
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Da die vorliegende Erfindungsmeldung die vorteilhafte Einbringung von Reformatgas und die damit verbundene Verbesserung der Gemischaufbereitung für den Anwendungsfall der Nutzung als Kraftstoff oder Kraftstoffzusatz in Verbrennungsmotoren zum Gegenstand hat, wird im folgenden nicht mehr auf dessen Anwendung in Brennstoffzellen bzw. bei der Abgasnachbehandlung eingegangen.
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Ziel der Reformatnutzung im Verbrennungsmotor und heute bekannter Stand der Technik bzw. Forschung ist dabei stets die Verbesserung und Minimierung des Emissionsverhaltens des Motors während des Starts (insbesondere Kaltstart), Warmlauf und/oder auch bei Betriebtemperatur. Die hierzu gewählten Lösungsansätze und Verfahren gestalten sich dabei höchst unterschiedlich und hängen u. a. auch stark von der Art der Brennkraftmaschine und dem Brennverfahren (fremd- oder selbstzündend, luft- oder gemischverdichtend) oder neuartigen Brennverfahren wie z. B. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition).
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Es bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten von Reformatgas im Verbrennungsmotor. Je nach Anwendungsfall und Betriebspunkt wird der Motor entweder mit Reformatgas alleine (z. B.
US 6655130 B1 ), mit Gemischen aus Reformat und Normalkraftstoff (z. B.
US 6655130 B1 ;
WO 01/83364 A2 ) oder nur mit Normalkraftstoff (bei steigender Lastanforderung) betrieben. Dabei wird in aller Regel das Reformat vor der oder in die Sauganlage des Motors eingebracht (z. B.
US 2004/0144337 A1 ;
WO 01/83364 A2 ;
WO 95/12066 A1 ;
US 4 108 114 ;
US 2004/0086432 A1 ) um so, gemeinsam mit der Verbrennungsluft, auf die einzelnen Zylinder verteilt zu werden. Die Einbringung erfolgt dabei in der Regel als sog. ”Single-point-Einbringung”. Alternativ wird auch vorgeschlagen, das Gas mittels zusätzlicher (zu den Injektoren des flüssigen Kraftstoffs) Injektoren in die Saugkanäle der Zylinder einzubringen (z. B.
WO 01/83364 A2 ). Hier handelt es sich jedoch um ein Einblasesystem, das mit nicht näher quantifiziertem ”hohen Druck” arbeitet und die hierzu geeigneten Injektoren benötigt. Solche Injektoren könnten beispielsweise von der Art sein, wie sie in der
EP 0 704 611 A1 beschrieben sind. In der
WO 2004/001205 A2 ist beschrieben, wie ein konventionelles Benzinfahrzeug in ein bi-fuel Wasserstofffahrzeug konvertiert wird, ohne größere konstruktive Veränderungen am Motor vornehmen zu müssen. Dabei wird die Zündkerze des konventionellen Motors durch einen Injektor ersetzt, der eine Kombination aus Zündkerze und Einblaseventil darstellt.
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Neben den beschriebenen Nachteilen bei Verbesserung der Gemischbildungsgüte durch Maßnahmen, die kein Gas/Reformat betreffen und bei der Nutzung von Gas/Reformat ist bei Reformateinbringung in Sammler nachteilig:
- • Erschwerte/unzureichende Gleichverteilung des Reformatgases auf die einzelnen Zylinder
- • Große Totzeiten bei Gemischanpassung infolge schneller Lastwechsel und daher schwierig in eine schnelle und genaue Lambdaregelung einzubinden
- • Punktgenaue Einbringung von Wärme über das Reformatgas in ein Kraftstoff-/Luftgemisch zur Verbesserung der Gemischaufbereitung nur sehr bedingt bzw. nicht möglich.
- • Für schnellen Motorstart mit Reformat wegen langer Wege und hohen Totzeiten ungeeignet.
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Bei Reformateinbringung vor die Zylinder ergeben sich folgende Nachteile:
- • Teuere/komplexe Konstruktionen
- • Mehr Bauteile (z. B. Gasventile zusätzlich zu den Kraftstoffventilen)
- • Teuere Bauteile (z. B. Flüssigkeits-/Gas-Kombiventil gemäß EP 0 704 611 A1 )
- • Ein nennenswertes Druckgefälle ist in der Regel nach Reformer und den nachfolgenden Verteilungseinrichtungen nicht vorhanden und muss gegebenenfalls erst durch teuere/komplexe Komponenten (z. B. Kompressoren)/Verfahrensschritte erzeugt werden.
- • Ohne umfangreiche Änderungen in der Konstruktion vorhandener Motorkonzepte/Konfigurationen nicht oder nur schwer applizierbar
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Aus der
US 2004/0086432 A1 geht zwar grundsätzlich die Zuführung von reformergeneriertem Wasserstoff zu Kraftstoff-Injektoren hervor, um ein rasches Durchlaufen der Startphase der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Alleine damit kann jedoch eine bestmögliche Emissionsreduktion noch nicht erreicht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Einrichtung sowie ein eingangs genanntes Verfahren bereit zu stellen, die/das eine optimierte Emissionsreduktion insbesondere während der Startphase der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, indem eine Einrichtung zum Steuern der Reformat-Gas-Zusammensetzung und/oder eine Einrichtung zum Kühlen des Reformat-Gases und/oder eine Verteil-Einrichtung zur mengenmäßigen Aufteilung des Reformat-Gases vorgesehen ist/sind, um eine Gemisch-Aufbereitung des flüssigen Kohlenwasserstoffs insbesondere beim Start und/oder Warmlauf der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Außerdem erfolgt eine Lösung der Aufgabe mit einem Verfahren zur Kraftstoffversorgung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mittels einer derartigen Einrichtung, indem abhängig von einer maximal zulässigen Bauteiltemperatur der mit dem Reformat-Gas in thermischem Kontakt stehenden Bauteile, insbesondere der Injektor-Einrichtungen und deren Reformat-Gas-Zuleitungen, durch Wärmezufuhr über das Reformat-Gas bei einem beim Start und/oder Warmlauf der Brennkraftmaschine eine Gemisch-Aufbereitung des flüssigen Kohlenwasserstoffs verbessert wird, wobei ein Luft-Kohlenwasserstoff-Reformat-Gas-Gemisch erzeugt wird.
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Besonders zu bevorzugende Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorzugsweise sind die Injektor-Einrichtungen zur Zuführung des Reformat-Gases der erfindungsgemäßen Einrichtung geeignet, einen zentral austretenden Kohlenwasserstoff-Strahl mittels gesonderter seitlicher Gaszuführung gezielt zu zerstäuben.
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Einem besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung zufolge erfolgt die Einbringung von Reformat-Gas räumlich zumindest annähernd im Bereich der Kohlenwasserstoff-Einbringung erfolgt (8a, 8b, 8c, 8d).
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Als sehr vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Einrichtung zum Kühlen des Reformat-Gases einen Wärmetauscher umfasst.
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Weitere Vorteile ergeben sich durch eine Eignung der Verteil-Einrichtung zur mengenmäßigen Aufteilung des Reformat-Gases auf die Injektor-Einrichtungen.
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Einer sehr zweckmäßigen Ausgestaltung nach weist die Verteil-Einrichtung Segmentkammern auf, wobei die Anzahl der Segmentkammern der Anzahl der Injektor-Einrichtungen entspricht. Zudem wird es als günstig angesehen, darüber hinaus eine zusätzliche Segmentkammer zur Bereitstellung von Reformat-Gas für eine Abgasnachbehandlungs-Einrichtung vorzusehen.
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Bevorzugt ist es, wenn bei der erfindungsmäßen Einrichtung die Verteil-Einrichtung Regel-Einrichtungen in den Leitungen zur Zuführung des Reformat-Gases zu den Injektor-Einrichtungen und/oder eine Regel-Einrichtung in der Leitung zur Zuführung des Reformat-Gases zur Abgasnachbehandlungs-Einrichtung umfasst.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Zuführung von Reformat-Gas abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine, insbesondere Abhängig von der Brennkraftmaschinen-Drehzahl, einem Lastsignal, einem Luftmengensignal, einem Kraftstoffmengensignal, einem Drosselklappensignal und/oder einer Momentenanforderung, erfolgt.
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Mit der Erfindung und den bevorzugten Ausführungen und Weiterbildungen lassen sich insbesondere folgende Vorteile erreichen:
- • Punktgenaue Einbringung von Wärme über das Reformatgas in das Kraftstoff-/Luftgemisch zur Verbesserung der Verdampfung und Gemischaufbereitung und zur Verkürzung des Motorwarmlaufes
- • Gute Gleichverteilung des Reformatgases auf die einzelnen Zylinder
- • Verringerung der Start-/Warmlaufemissionen des Verbrennungsmotors
- • Kurze Totzeiten bei Motorstart mit Reformat und transienter Gemischanpassung
- • Einfache, kompakte und preiswerte Konstruktion durch Verwendung verfügbarer Serienteile
- • System funktioniert nahezu drucklos
- • Einfache Adaption an bestehende/ausgeführte Motoren ohne großen konstruktiven Änderungsaufwand
- • Die Hintereinanderschaltung von Reformersystem, Wärmetauscher und Verteilereinheit bietet die Möglichkeit einer sehr kompakten, Bauraum sparenden Einheit in einem Gehäuse, Package und Gewichtsvorteile
- • Ausnutzung der in der Regel bereits sehr guten Reformathomogenisierung nach Austritt aus dem Wärmetauscher und direkte Weiterleitung auf die Zylinder und weitere Abnehmer
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Nachfolgend sind besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
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1 eine Einrichtung zur Kraftstoffversorgung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Kraftstofftank Reformer-Einrichtung Injektor-Einrichtungen, Einrichtung zum Kühlen des Reformat-Gases und Verteil-Einrichtung,
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2a eine integrierte Wärmetauscher-Verteiler-Einheit,
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2b eine Verteiler-Einrichtung mit vier Kammern, die Brennkraftmaschinen-Zylindern zugeordnet sind und einer zusätzlichen Kammer, die einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung zugeordnet ist und
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2c eine Verteiler-Einrichtung mit sechs Kammern, die Brennkraftmaschinen-Zylindern zugeordnet sind.
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Zur Behebung der oben in der Beschreibungseinleitung unter 3a und 4 genannten Mängel/Nachteile wird zur Einbringung von Reformatgas in einer Verbrennungskraftmaschine ein Verfahren vorgeschlagen, das es ermöglicht, mit relativ geringem Aufwand/Mehrkosten nahezu jeden Motor dahingehend umzurüsten und dabei gleichzeitig die Möglichkeit erschließt, die Güte der Gemischaufbereitung aus Luft und flüssigem Kraftstoff insbesondere auch bei kaltem Motor sehr positiv zu beeinflussen. Außerdem werden unterschiedliche Alternativen und vorteilhafte Ausgestaltungen dargestellt.
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Es wird vorgeschlagen, das von einer beliebigen Reformerkonfiguration gelieferte Reformatgas direkt über entsprechende Leitungen (
1,
6a–
6d) in die Ansaugtrakte (
1,
8a–
8b) vor die Einlassventile eines jeden Zylinders der Brennkraftmaschine (
8) zu führen und dort an der gleichen Stelle in die Ansaugluft einzubringen, an der auch der flüssige ”Normalkraftstoff”, der Kohlenwasserstoff, wie Benzin oder Diesel, zugeführt wird. Die Einbringung des Reformatgases erfolgt dabei mittels sogenannter luftumfasster Einspritzventile (etwa gemäß
EP 0 704 611 B1 und
DE 41 29 834 A1 ) über den Gasweg im Ventil, in dem normalerweise ein Teil der Verbrennungsluft geführt wird. Diese luftumführten Injektoren sind seit langem bewährter Stand der Technik und für zahlreiche Anwendungen in der Serienpraxis eingesetzt. Sie funktionieren nahezu drucklos. Der Unterdruck eines ansaugenden Zylinders ist zur Gasförderung ausreichend. Daher kann der Aufbau eines teuren und u. U. komplizierten Überdruckweges für das Reformat entfallen. Der Einsatz teurer und komplexer Injektoren zur gleichzeitigen Dosierung von gasförmigem und flüssigem Kraftstoff (etwa nach
DE 199 59 851 C2 ) ist nicht notwendig.
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Die punktgenaue und zielgerichtete Einbringung von Wärme in das Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff zur Verbesserung der Gemischgüte ist mit dem vorgeschlagenen System auf elegante und wirksame Weise möglich, da das Reformergas mit einer gewünschten Temperatur exakt an der Stelle in den Motor eingebracht wird, wo für die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffes und die Homogenisierung des Gemisches der höchste Bedarf besteht.
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Da das Reformatgas den Reformer mit einer Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius verlässt, muss es vor seiner Einbringung in den Motor zum einen auf ein Niveau abgekühlt werden, das eine thermische Schädigung der Gas/Luft führenden Bauteile sicher verhindert. Zum anderen ist auch dafür Sorge zu tragen, dass wegen der Verdrängung der Verbrennungsluft durch heißes, diese dem Motor noch in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Es ist daher erforderlich, das Reformat zunächst in einem geeigneten Wärmetauscher (3) abzukühlen, bevor es den Injektoren zugeführt wird.
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Die Grundidee ist in einer möglichen Variante schematisch in 1 dargestellt. Dabei ist die Andeutung eines Vierzylindermotors nur exemplarisch, der Erfindungsgedanke ist von der Anzahl der Brennräume der Brennkraftmaschine bzw. deren Arbeitsprinzip (2-/4-takt, Wankel) unabhängig.
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Dem Verbrennungsmotor (8) wird in bekannter Weise und entsprechend dem Stand der Technik Verbrennungsluft und Kraftstoff aus dem Fahrzeugtank (1) zugeführt. Übliche und dem heutigen Stand der Technik entsprechende Bau- und Funktionselemente des Luftversorgungsweges (z. B. Luftfilter, Luftmengenmesseinrichtung und Drossel-klappe) sowie des Kraftstoffversorgungsweges (Pumpen, Aktivkohlefilter, Kraftstoffrücklauf, Druckregler usw.) sind in 1 nicht dargestellt. Mit (5) ist lediglich noch die Kraftstoffversorgungsleiste (rail) des Motors mit ihren Abzweigungen (5a bis 5d) zu den Injektoren der einzelnen Zylinder schematisch gezeigt. Dem Reformersystem (2) wird dem Stand der Technik entsprechend ebenfalls Luft, ein Luft-/Abgasgemisch oder Abgas sowie Kraftstoff aus dem Fahrzeugtank (1) zugeführt. Entsprechende eventuell vorhandene Förder-/Mengenerfass- und Regelorgane in den Versorgungswegen des Reformersystems sind ebenfalls nicht dargestellt, da sie für den Gedanken dieser Erfindung unerheblich sind. Nicht näher erläutert wird auch der Begriff Reformersystem, da er sowohl nur eine Art der Kraftstoffreformierung (z. B. Partielle Oxidation) als auch je nach Anwendungsfall die Kombination aus mehreren Reformierungsarten (z. B. Partielle Oxidation + nachgeschalteter Shift) enthalten kann. Der Grundgedanke der Idee ist auch hier prinzipiell unabhängig von der Art des Kraftstoffreformierungsprozesses.
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Die Menge und Zusammensetzung des, dem Motor zugeführten Reformats, richten sich nach den Erfordernissen der Brennkraftmaschine und den möglichen und zulässigen Randbedingungen des Reformerbetriebes und werden in einem oder mehreren miteinander kommunizierenden Steuereinheiten (in 1 nicht dargestellt) gemanagt.
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Nachdem das Reformat in einem Wärmetauschprozess auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wurde, kann es nun erfindungsgemäß den Injektoren zugeführt werden. Hierzu bietet es sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an, die mengenmäßige Aufteilung des Reformatgases auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine bereits beim Austritt aus dem Wärmetauscher mittels eines integrierten Verteilerblocks (4) vorzunehmen. Dabei wird der Reformatgesamtstrom unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Wärmetauscher mittels geeigneter Segmentierhilfen in Teilmengen aufgeteilt, deren Anzahl in der Regel der Zahl der zu versorgen-den Injektoren entspricht (2b für 4 Injektoren, 2c für 6 Injektoren). Diese Segmentierhilfen bilden dabei kleine Volumina (4a–4d), aus denen die Versorgungsleitungen zu den Injektoren abzweigen. In der Regel sind die Einzelvolumina gleich, können bei Bedarf jedoch auch in ihrem Rauminhalt unterschiedlich ausgeführt werden, um so konstruktions- und/oder strömungsmechanisch verursachte Ungleichheiten in der Luftversorgung der einzelnen Brennräume auszugleichen und letztendlich die Schwankungsbreite der -Werte der Einzelgemische zu minimieren.
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Die Abzweigungen der Versorgungsleitungen aus den Segmentkammern zu den Injektoren können dabei radial (in 2a dargestellt) oder axial (nicht dargestellt) angebracht werden. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Volumina dieser Segmentkammern nicht zu groß ausgeführt werden, um das Systemtotzeitverhalten insbesondere bei instationärem/transienten Betrieb zu minimieren.
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Weiterhin vorteilhaft ist es auch, die Lage der Segmentierhilfen so zu gestalten, dass sich davor ein möglichst homogenes Strömungsprofil im Reformatgasstrom einstellt. In der Regel wird bereits durch den Wärmetauscher die Strömung sowohl hinsichtlich ihres Profils als auch der Konzentrationsverläufe der Einzelkomponenten des Reformats gut homogenisiert. Gegebenenfalls kann eine weitere Homogenisierung auch durch bekannte strömungstechnische Maßnahmen vor der eigentlichen Segmentierung unterstützt werden (nicht dargestellt). Mögliche prinzipielle Ausgestaltungen einer solchen integrierten Wärmetauscher-/Verteilereinheit sind in den 2a–2c dargestellt. Soll neben der Versorgung der Brennräume der Kraftmaschine das Reformat auch einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt werden (7), so kann im Zentrum der Segmentierhilfe eine weitere Kammer (4e) geschaffen werden (2b). Dabei ist es nicht zwingend, jedoch u. U. von Vorteil, wenn die Kammer 4e mit mindestens einer der Kammern 4a–4d, vorzugsweise jedoch mit allen Kammern 4a–4d über Öffnungen in Verbindung steht, sodass ein ungehinderter Gasaustausch zwischen diesen Kammern stattfinden kann. Aus dieser Kammer (4e) wird dann das Reformat axial entnommen, um es der Abgasnachbehandlung zuzuführen. Das Volumen der Kammer 4e ist so zu wählen, dass der maximal benötigte Reformatvolumenstrom (7) ungehindert passieren kann. In der Ableitung des zur Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehenen Reformatvolumenstroms (7) befindet sich vorzugsweise ein Elektromagnetventil (10), das es mindestens zulässt, diesen Fluss zu unterbrechen bzw. freizugeben. Vorzugsweise wird jedoch ein Ventil benutzt, das es mittels einer geeigneten Signalansteuerung (z. B. pulsweitenmoduliert) erlaubt, die Menge dieses Volumenstroms zu regeln. Hierzu werden wiederum insbesondere Informationen über den Betriebszustand der Kraftmaschine wie Last, Drehzahl, -Wert, Medientemperaturen, Momentenanforderung, Emissionen und/oder Informationen über den Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems (z. B. Temperaturen, Alterungszustand) entsprechend verarbeitet. Eine Rückmeldung über die Menge des zur Abgasnachbehandlung eingeleiteten Reformats an die Steuerung des Reformersystems wird als vorteilhaft erachtet, da hiermit der Reformierungsprozess und die hierzu benötigten Mengen an Luft-, Luft/Abgas- und Kraftstoff geregelt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, die jeweilige Reformatmenge mittels, in einer integrierten Wärmetauscher-Verteilereinheit, ”vorportionierter” Mengeneinheiten den Injektoren zuzuführen, besteht darin, die Zuleitungen der Injektoren mit Regelorganen zu versehen (nicht dargestellt), mit deren Hilfe es möglich ist, die den einzelnen Brennräumen zugeteilten Reformatgasmengen sehr genau und individuell zu regeln. Hierzu eignen sich beispielsweise elektromagnetische Ventile, deren Öffnungs-/Schließzeitpunkt und/oder Öffnungsdauer über ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal gesteuert werden kann. Durch eine sehr schnelle und genaue Dosierung des Reformatgases auf die Brennräume der Kraftmaschine ist es dann auch möglich, auf sehr schnelle Änderungen der angeforderten Reformatmenge im reinen Reformatbetrieb oder Reformat-/Benzin-mischbetrieb genau zu reagieren, um z. B. aus Gründen minimaler Emissionen den hohen Anforderungen eines in engen Grenzen vorgesteuerten oder sogar -geregelten Luft-/Kraftstoffgemisches zu genügen. Es empfiehlt sich aus diesem Grund auch, die Regelventile zur Vermeidung unnötiger Totzeitwege möglichst nahe an den Injektoren vorzusehen. Die Generierung der PWM-Signale zur Modulation der Injektorsteuerzeiten erfolgt sinnvoller Weise mittels einer Steuerung, die alle hierzu benötigten Zustandsinformationen des Gasamtsystems Verbrennungskraftmaschine/Reformer/Abgasnachbehandlungssystem kennt. Hierzu zählen insbesondere Informationen über den Betriebszustand des Reformersystems, der verfügbaren Reformatmenge und deren Gaszusammensetzung einerseits sowie andererseits Ist- und/oder Sollbetriebzustände der Brennkraftmaschine wie Last, Drehzahl, Medientemperaturen, Luftmenge, Kraftstoffmenge, Lambdasoll- und/oder Istwerte, Momentenanforderungen vom Fahrer und/oder Subsystemen wie Schlupfregelung oder Getriebesteuerung und Temperaturen des Abgasnachbehandlungssystems.
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Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist es, die Temperatur des dem Motor zugeführten Reformatgases in Abhängigkeit mehrerer Größen und Bedingungen zu regeln um im Bedarfsfall bei Kaltstart und/oder Warmlauf des Motors mit einem Luft-/Kraftstoff-/Reformatgemisch die Verdampfung und Gemischbildung des flüssigen Kraftstoffes durch punktgenaue Wärmezufuhr über das Reformat zu verbessern. Als wichtige Führungsgrößen werden dabei einerseits die maximal zulässigen Bauteiltemperaturen jener Komponenten angesehen, die mit dem Reformat in Kontakt stehen, also primär die Injektoren und ihre Zuleitungen. Durch geeignete Regelalgorithmen in der/den Steuereinheiten kann dafür gesorgt werden, dass die Kühlleistung des Wärmetauschers (3) in 1 und/oder die Betriebsweise des Reformersystems entsprechend geregelt wird. Hierzu können insbesondere Temperaturinformationen, die an geeigneten Stellen mittels Sensoren erfasst, der Steuerung übermittelt und dort entsprechend verarbeitet werden. Als vorteilhaft wird es angesehen, die Temperatur vor Eintritt in die Injektoren zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Temperaturerfassung (T1) am Ein- und/oder Austritt aus dem Verteilerblock sinnvoll. Bei Kenntnis der Abkühlung des Reformats auf seinem weiteren Weg bis zu den Injektoren kann dann auf die Sensierung an den Injektoren selbst verzichtet werden. Temperaturerfassungen innerhalb der Reformersysteme sind nach heutigem Stand der Technik ohnehin zum deren sicheren und optimalen Betrieb erforderlich und somit vorhanden. Soweit zur Einregelung der gewünschten Reformattemperatur am Injektor sinnvoll bzw. notwendig, können auch diese Temperaturinformationen zur Regelung des Wärmetauschers herangezogen werden.
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Neben dem Aspekt der zum Bauteilschutz maximal möglichen Reformattemperatur, ist diese natürlich auch wesentlich, um insbesondere bei einer Versorgung des kalten Motors mittels flüssigem Kraftstoff dessen Verdampfung und Gemischbildungsverhalten durch möglichst warmes Reformat optimal zu unterstützen. Auch hierzu bietet es sich an, die Bauteil und/oder Gemischtemperatur an geeigneter Stelle nach der Einbringung des Reformats zu erfassen (T2) und in den Regelalgorithmus der Steuerung des Wärmemanagements einzubinden.
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Zur Vermeidung einer Verringerung der Zylinderfüllung mit Frischluft infolge des Verdrängungseffektes durch die Zufuhr von sehr warmem Reformatgas bietet es sich vorteilhafter Weise an, dessen Menge und Temperatur in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors zu regeln. Hierzu geeignete Größen können beispiels-weise Signale sein (auch in beliebigen, geeigneten Kombinationen), die hierüber Auskunft geben, wie z. B.: Motordrehzahl, Lastsignal, Luftmengensignal, Kraftstoffmengensignal, Drosselklappensignal, Momentenanforderung.
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Weitere sinnvolle Signale, die zur Regelung einer optimalen Reformattemperatur vorteilhafter Weise herangezogen werden können, sind die Kühlwassertemperatur des Motors und die Temperatur der Ansaugluft.
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Die Regelung der gewünschten Reformattemperatur kann prinzipiell auf zwei Wegen (getrennt oder in Kombination) erfolgen:
- 1. Beeinflussung der Reformattemperatur über Parameter des Reformerbetriebes wie z. B. Luft-/Kraftstoff-verhältnis, Massenströme und/oder
- 2. Regelung der Wärmemenge, die dem Reformatgas in einem, dem Reformersystem nachgeschalteten Wärmetauschersystem, entzogen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/042217 A1 [0004, 0006, 0007]
- DE 4129834 A1 [0006, 0036]
- DE 199959851 C2 [0006]
- WO 03/083282 A1 [0006, 0007]
- US 2003/0178009 [0006, 0007]
- US 2003/0178010 [0006, 0007]
- US 6481641 B1 [0006]
- DE 19959851 C2 [0006, 0036]
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