DE102010053498A1

DE102010053498A1 - Verbrennungskraftmaschinenanordnung für einen Kraftwagen sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschinenanordnung

Info

Publication number: DE102010053498A1
Application number: DE102010053498A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Rößler Klaus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-04
Filing date: 2010-12-04
Publication date: 2012-06-06
Also published as: WO2012072184A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) für einen Kraftwagen, mit einer mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine (12), mit zumindest einer Speichereinrichtung (16) zum Aufnehmen des Kraftstoffs, mit wenigstens einer zumindest bereichsweise von dem Kraftstoff durchströmbaren Einbringungseinrichtung (18), mittels welcher der Kraftstoff von der Speichereinrichtung (16) in wenigstens einen Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) zumindest mittelbar einzubringen ist, wobei zumindest eine weitere mit der Einbringungseinrichtung (18) fluidisch verbundene Speichereinrichtung (54) vorgesehen ist, in welche der Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung (18) einleitbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschineanordnung für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschinenanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
Die DE 10 2004 039 260 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffdosiersystems, mit einer Injektionseinrichtung für Kraftstoff auf Basis eines verflüssigten komprimierten Gases zum direkten oder indirekten Einspritzen des Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor mittels Injektoren, wobei der Kraftstoff mittels einer Kraftstoffförderpumpe von einem Tank zur Injektionseinrichtung gefördert wird. Nach dem Ausschalten der Zündung des Verbrennungsmotors wird der Kraftstoff entgegen seiner Förderrichtung im Normalbetrieb aus der Injektionseinrichtung wenigstens teilweise entfernt und in den Tank zurück geleitet.
Der DE 1903 49 184 A1 ist ein Kraftstofffördersystem für einen Verbrennungsmotor mit Flüssiggas-Einspritzung als bekannt zu entnehmen, wobei das System einen Mikrotubulus zum Umgehen eines in eine Kraftstoffrückführleitung montierten Druckreglers aufweist.
Aus der Entwicklung von Kraftwagen mit mit einem gasförmigen Kraftstoff zu betreibenden Verbrennungskraftmaschinen ist die Problematik bekannt, dass es nach einer Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine dazu kommen kann, dass der gasförmige Kraftstoff unerwünschterweise entweichen kann, falls keine anderweitigen Vorkehrungen getroffen sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung für einen Kraftwagen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschinenanordnung bereitzustellen, bei welchen die Gefahr eines solchen Entweichens von Kraftstoff zumindest reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschinenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung für einen Kraftwagen, welche eine mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine sowie zumindest eine Speichereinrichtung zum Aufnehmen des Kraftstoffs umfasst. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschinenanordnung wenigstens eine zumindest bereichsweise von dem Kraftstoff durchströmbare Einbringungseinrichtung, mittels welcher der Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zumindest mittelbar einzubringen ist. Die Einbringungseinrichtung umfasst beispielsweise einen Druckregler, mittels welchem der Kraftstoffdruck auf einen gewünschten Systemdruck geregelt wird.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine weitere mit der Einbringungseinrichtung fluidisch verbundene Speichereinrichtung vorgesehen, in welche der Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung einleitbar ist. Dadurch kann die Einbringungseinrichtung zumindest teilweise von dem sich in ihr befindendem Kraftstoff entleert und/oder ein aus der Förderung des Kraftstoffs resultierender Druck in der Einbringungseinrichtung beispielsweise auf Umgebungsdruck abgesenkt werden, so dass die Gefahr eines Entweichens des Kraftstoffs aus der Einbringungseinrichtung an die Umgebung zumindest reduziert oder gar vermieden ist. Dies schützt die Umwelt und vermeidet auch anderweitige Gefahren infolge eines möglichen Austretens des Kraftstoffs an die Umgebung.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinenanordnung ist es damit nicht vorgesehen und nicht vonnöten, zum zumindest teilweisen Abführen des Kraftstoffs aus der Einbringungseinrichtung den Kraftstoff zurück in die erste Speichereinrichtung zu leiten, was eine hohe Komplexität insbesondere hinsichtlich einer dazu notwendigen Pumpe bedeuten würden. Die weitere Speichereinrichtung kann in einem besonders engen Nahbereich zu der Verbrennungskraftmaschine angeordnet werden, beispielsweise in einem Motorraum, in welchem auch die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, oder in einem sich an den Motorraum anschließenden Raum, so dass ein Aufwand insbesondere hinsichtlich langer und komplexer Leitungsführungen und komplizierter Leitungsgeometrien zum Leiten des Kraftstoffs aus der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung gering gehalten werden kann. Daraus resultieren eine geringe Teileanzahl, ein geringes Gewicht, ein geringer Bauraumaufwand sowie geringe Kosten der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinenanordnung. Ferner muss der Kraftstoff zum Abführen desselbigen aus der Einbringungseinrichtung nicht entgegen einer Förderrichtung, in welche er zum Versorgen der Einbringungseinrichtung und der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird, zumindest teilweise aus der Einbringungseinrichtung entfernt werden.
Darüber hinaus können vorteilhafte Dichtungselemente aus vorteilhaften Werkstoffen eingesetzt werden, um die Speichereinrichtung sowie gegebenenfalls Leitungen zum Führen des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung zur Speichereinrichtung gegen ein unerwünschtes Austreten von Kraftstoff an die Umgebung abzudichten. Die Dichtungselemente und damit die entsprechenden Werkstoffe unterliegen dabei nicht unerwünscht hohen Temperatureinflüssen, so dass eine Dichtigkeit der weiteren Speichereinrichtung sowie gegebenenfalls vorhandener Leitungen auch über eine hohe Lebensdauer hinweg gewährleistet ist. Dies ist insbesondere der Fall bei einer sogenannten Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine, bei welcher derartige Dichtungselemente nicht eingesetzt werden können, da entsprechende Dichtungselemente aus vorteilhaften Werkstoffen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit einer zu hohen Temperatur belastet werden würden. So ermöglicht die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschinenanordnung zumindest im Wesentlichen die Vermeidung eines unerwünschten Austretens von Kraftstoff auch bei Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen der Kraftstoff, beispielsweise mittels eines entsprechenden Einblas- bzw. Einspritzventils, direkt in den Brennraum eingebracht wird.
Selbstverständlich ist jedoch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschinenanordnung auch bei solchen Verbrennungskraftmaschinen anzuwenden, bei welchen der Kraftstoff in einen Ansaugtrakt, insbesondere in ein Ansaugmodul, stromauf des Brennraums eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird, einsetzbar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftstoff bei und/oder zeitlich nach einer Deaktivierung der aktivierten Verbrennungskraftmaschine von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung einleitbar. Bei oder zeitlich nach der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine, wozu beispielsweise eine Zündung der Verbrennungskraftmaschine ausgeschaltet wird, steht die Einbringungseinrichtung, mittels welcher beispielsweise Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, zunächst noch unter einem Druck, welcher höher ist als der Umgebungsdruck. Über gegebenenfalls vorhandene Leckagepfade kann es zu einer Entleerung der Einbringungseinrichtung in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine und/oder in den zumindest einen Brennraum derselbigen kommen, woraus in der Folge Kraftstoff unerwünschter Weise an die Umgebung gelangen kann. Dies ist insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen der Fall, bei welchen der Kraftstoff direkt in den Brennraum und nicht etwa zunächst stromauf des Brennraum in den Ansaugtrakt eingebracht, insbesondere eingeblasen, wird, da bei derartigen Verbrennungskraftmaschinen eine Abdichtung mit entsprechenden, beispielsweise aus einem Elastomer ausgebildeten Dichtungselementen aufgrund hoher Temperaturen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in dem Brennraum nicht möglich ist oder die Abdichtung nicht vollständig fluiddicht erfolgen kann. Ferner können daraus Startschwierigkeiten bei einer anschließenden Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine resultieren, und es kann zu Verpuffungen im Ansaugtrakt und/oder in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine kommen.
Diese Probleme sind bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinenanordnung infolge der zumindest teilweisen Entleerung der Einbringungseinrichtung und/oder der Reduzierung des Drucks in der Einblaseinrichtung, zumindest reduziert oder vermieden. Die Reduzierung des Drucks in der Einblaseinrichtung bezieht sich dabei auf eine Reduzierung des Drucks durch Abführen des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung gegenüber einem Druck, welcher in der Einbringungseinrichtung während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine herrscht und unter welchem der Kraftstoff in den zumindest einen Brennraum eingebracht, insbesondere eingeblasen, wird.
Zum Einleiten des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung umfasst die Verbrennungskraftmaschinenanordnung beispielsweise eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, welche ein Abführen des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung bewirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Ventileinrichtung vorgesehen, welche zwischen einer das Einleiten des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung verhindernden und wenigstens einer das Einleiten des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung ermöglichenden Stellung verstellbar ist. Die Ventileinrichtung ermöglicht somit ein bedarfsgerechtes Abführen des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung und Einleiten desselbigen in die weitere Speichereinrichtung. Beim oder zeitlich nach der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine wird die Ventileinrichtung beispielsweise von der das Einleiten verhindernden in die das Einleiten ermöglichenden Stellung verstellt, so dass der insbesondere unter Druck stehende Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung zumindest im Wesentlichen selbständig infolge des Drucks in die weitere Speichereinrichtung strömt.
Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, bei welcher die Verbrennungskraftmaschine aktiviert ist, verhindert die Ventileinrichtung ein Strömen des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung in die Speichereinrichtung, so dass lediglich ein Volumen der Einbringungseinrichtung und nicht etwa auch ein Volumen der Speichereinrichtung von der Förderungseinrichtung gefüllt werden muss, um einen gewünschten Druck zum Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum aufzubauen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Speichereinrichtung fluidisch mit dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine verbunden, in welchem in der Speichereinrichtung aufzunehmender Kraftstoff einleitbar ist. Dadurch ist es möglich, dass ein Speicherinhalt der Speichereinrichtung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet werden kann, wobei dann der Speicherinhalt von dem Ansaugtrakt in dem zumindest einen Brennraum strömen und dort an einer Verbrennung teilnehmen kann. Bei dem Speicherinhalt der weiteren Speichereinrichtung handelt es sich um insbesondere zeitlich vor dem Einleiten in den Ansaugtrakt in die Speichereinrichtung aus der Einbringungseinrichtung eingeleiteten Kraftstoff. Der Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine dient dazu, von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft in den zumindest einen Brennraum zu führen, so dass in dem Brennraum durch Einbringen des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt, welches Verbrennen und infolge der Verbrennung die Verbrennungskraftmaschine antreiben kann.
Die fluidische Verbindung der weiteren Speichereinrichtung mit dem Ansaugtrakt birgt den Vorteil, dass dadurch die weitere Speichereinrichtung entleert werden kann und anschließend wieder zu einem zumindest teilweises Entleeren der Einbringungseinrichtung und/oder zu einer Reduzierung des Drucks in der Einbringungseinrichtung in der Lage ist, und das, ohne dass der Speicherinhalt der Speichereinrichtung in Form des Kraftstoffs als beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC-Emissionen) an die Umwelt abgegeben werden müsste. Vielmehr kann der Speicherinhalt der weiteren Speichereinrichtung zumindest mittelbar, d. h. über den Ansaugtrakt, dem Brennraum zugeführt werden und so an einer Verbrennung teilnehmen, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert, welches dann mittels einer geeigneten Abgasreinigungseinrichtung gereinigt und in diesem gereinigten Zustand an die Umgebung entlassen werden kann. Dies hält die schädlichen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine besonders gering.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine weitere Ventileinrichtung vorgesehen, welche zwischen einer ein Einleiten des Kraftstoff von der weiteren Speichereinrichtung in den Ansaugtrakt verhindernden und wenigstens eine das Einleiten des Kraftstoffs von der weiteren Speichereinrichtung in den Ansaugtrakt ermöglichenden Stellung verstellbar ist. So kann auch der Speicherinhalt der weiteren Speichereinrichtung bedarfsgerecht zumindest mittelbar dem Brennraum zugeführt werden und an der Verbrennung teilnehmen. Ein unkontrolliertes Strömen des Speicherinhalts in Form des Kraftstoffs von der weiteren Speichereinrichtung in den Ansaugtrakt bzw. den Brennraum ist dadurch vermieden.
Die erste und/oder weitere Ventileinrichtungen sind beispielsweise als Magnetventile ausgebildet, welche bevorzugt elektrisch zwischen den Stellungen schaltbar sind. Dadurch sind die Ventileinrichtungen besonders schnell zwischen den Stellungen verstellbar, so dass sie besonders schnell an sich ändernde Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise an den aktivierten und deaktivierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine, angepasst werden können. Bevorzugt werden die Ventileinrichtungen in Abhängigkeit von Drücken in der Einbringungseinrichtung, in der weiteren Speichereinrichtung sowie in dem Ansaugtrakt geschaltet.
Die weitere Speichereinrichtung weist bevorzugt ein Speichervolumen zum Aufnehmen des Kraftstoffs auf, wobei das Speichervolumen derart dimensioniert ist, dass bei fluidischer Verbindung der Einbringseinrichtung mit der weiteren Speichereinrichtung der Druck in der Einbringungseinrichtung zumindest im Wesentlichen auf den Umgebungsdruck reduzierbar ist. Dadurch ist zumindest nahezu unmittelbar zeitlich nach der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine in der Einbringungseinrichtung gegenüber dem Umgebungsdruck kein oder nur ein sehr geringer Überdruck gegeben, welcher ein unerwünschtes Ausströmen des Kraftstoffs aus der Einbringungseinrichtung an die Umgebung bewirken würde. Dies hält die schädlichen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering. Dazu ist beispielsweise das Speichervolumen der weiteren Speichereinrichtung auf ein zu entleerendes Volumen der Einbringungseinrichtung geeignet abzustimmen, so dass sich bei fluidischer Verbindung der Einbringungseinrichtung mit der weiteren Speichereinrichtung ein entsprechend gewünschter und niedriger Druck einstellt.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Drosseleinrichtung, beispielsweise eine Drossel oder eine Drosselklappe oder dergleichen, vorgesehen, mittels welcher eine Menge an von der weiteren Speichereinrichtung in den Ansaugtrakt bzw. zumindest mittelbar in den Brennraum einzuleitenden Kraftstoff einstellbar ist. Dadurch kann die Menge des von der weiteren Speichereinrichtung zumindest mittelbar in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzubringenden Kraftstoffs bedarfsgerecht dosiert werden, so dass in dem Brennraum ein gewünschtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis eingestellt werden kann. Dies ist von Vorteil, da der aus der weiteren Speichereinrichtung zumindest mittelbar in den Brennraum zum Entleeren der weiteren Speichereinrichtung einzubringende Kraftstoff zusätzlich zu dem Kraftstoff in den Brennraum eingebracht wird, welcher von der ersten Speichereinrichtung mittels der Fördereinrichtung in den Brennraum eingebracht wird. Dadurch entsteht eine Gesamtmenge an sich in dem Brennraum befindenden Kraftstoff, welche sich teilweise aus Kraftstoff aus der ersten sowie teilweise aus Kraftstoff aus der weiteren Speichereinrichtung zusammensetzt. Die exakte Einstellung dieser Gesamtmenge, insbesondere in Abhängigkeit von einer sich in dem Brennraum befindenden Menge an Luft, ist wünschenswert und vorteilhaft zur Darstellung eines gewünschten Drehmoments und damit einer gewünschten Leistung der Verbrennungskraftmaschine zur Realisierung eines angenehmen Fahrverhaltens derselbigen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein Druck in der weiteren Speichereinrichtung erfassbar ist. Dies ermöglicht es, die Speichereinrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten Druck zu entleeren, indem der Speicherinhalt zumindest mittelbar dem Brennraum zugeführt wird, oder gegebenenfalls die weitere Speichereinrichtung weiter mit Kraftstoff aus der Einbringungseinrichtung zu befüllen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschinenanordnung für einen Kraftwagen, bei welchem eine mit gasförmigem betreibbare Verbrennungskraftmaschine mit dem Kraftstoff versorgt wird, indem der Kraftstoff mittels einer zumindest bereichsweise von diesem durchströmbaren Einbringungseinrichtung von zumindest einer Speichereinrichtung zum Aufnehmen des Kraftstoffs zumindest mittelbar in den Brennraum eingebracht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kraftstoff teilweise wenigstens in eine weitere mit der Einbringungseinrichtung fluidisch verbundene Speichereinrichtung eingeleitet wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert zumindest die Gefahr eines unerwünschten Ausströmens von Kraftstoff aus der Einbringungseinrichtung an die Umgebung, da der Kraftstoff in der Einbringungseinrichtung zumindest teilweise in die Speichereinrichtung geleitet wird. Daraus resultiert eine Reduzierung eines Drucks in der Einbringungseinrichtung, wobei der Druck in der Einbringungseinrichtung vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen auf den Umgebungsdruck abgesenkt wird. Somit besteht zumindest im Wesentlichen keine Druckdifferenz zwischen innerhalb der Einbringungseinrichtung und dem Umgebungsdruck, welche ein Ausströmen über gegebenenfalls vorhandene Leckagepfade aus der Einbringungseinrichtung an die Umgebung bewirken würde. Vielmehr kann der Kraftstoff in der Speichereinrichtung aufgefangen und dort zwischengespeichert und gegebenenfalls dem Brennraum wieder zugeführt werden, so dass der aufgefangene und zwischengespeicherte Kraftstoff verbrannt und als Abgas der Verbrennungskraftmaschine gegebenenfalls mittels einer Abgasreinigungseinrichtung gereinigt an die Umwelt entlassen werden kann. Dadurch können die schädlichen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere die Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC-Emissionen) und insbesondere die Emissionen von Methan gering gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet es ebenso, dass der Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung unkontrolliert in einen Ansaugtrakt und/oder einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine strömen kann, woraus Verpuffungen resultieren können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten. Aspekts der Erfindung wird der Kraftstoff bei und/oder zeitlich nach einer Deaktivierung der aktivierten Verbrennungskraftmaschine von der Einbringungseinrichtung in die weitere Speichereinrichtung eingeleitet. So ist es zumindest im Wesentlichen vermieden, dass Kraftstoff unkontrolliert von der Einbringungseinrichtung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine strömen kann, was ein Startverhalten der Verbrennungskraftmaschine bei einer sich zeitlich an die Deaktivierung anschließenden Aktivierung derselbigen negativ beeinträchtigen könnte. Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Realisierung eines sehr guten Startverhaltens der Verbrennungskraftmaschine.
Bei dem Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas (CNG-compressed natural gas). Insbesondere bei CNG ist keine Pumpeinrichtung vorgesehen und vonnöten, um Kraftstoff von der Speichereinrichtung zur Einbringungseinrichtung zu fördern. Der Kraftstoff strömt vielmehr infolge eines Druckgefälles von der Speichereinrichtung zur Einbringungseinrichtung. Es kann aber durchaus eine Pumpeinrichtung vorgesehen sein, so zum Beispiel, wenn es sich bei dem Kraftstoff um Flüssiggas (LPG-liquified petroleum gas) handelt. Aber auch hierbei kann (meist) eine Pumpeinrichtung entfallen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der Figur eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschinenanordnung mit einer mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kraftstoff in Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Einbringungseinrichtung eingeblasen wird, welche mit einem Gasbehälter fluidisch verbunden ist, in den Kraftstoff aus der Einbringungseinrichtung einleitbar ist.
Die Figur zeigt eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung 10 für eine Kraftwagen, beispielsweise einen Personenkraftwagen, mit einer mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine 12. Bei dem Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas, CNG (compressed natural gas – Erdgas) oder LPG (liquified petroleum gas – Flüssiggas).
Zum Mitführen des Kraftstoffs mit dem Kraftwagen ist ein Gastank 16 einer Einbringungseinrichtung 18 der Verbrennungskraftmaschinenanordnung 10 vorgesehen, in welchem der Kraftstoff gasförmig oder flüssig unter einem hohen Druck gespeichert wird. Der Gastank 16 ist mit über eine Kraftstoffleitung 20 fluidisch mit einem Kraftstoffverteilerrohr 22, welches auch als Kraftstoffrail bezeichnet wird, der Einbringungseinrichtung 18 verbunden. Aus dem Gastank 16 wird Kraftstoff über die Kraftstoffleitung 20 zum Kraftstoffverteilerrohr 22 geleitet. Mit dem Kraftstoffverteilerrohr 22 fluidisch verbunden sind Einblasventile 26, mittels welchen der Kraftstoff unter hohem Druck in Zylinder 14 der Verbrennungskraftmaschine 12 eingeblasen werden kann.
Mit den Zylindern 14 ebenso fluidisch verbunden ist ein in einem Ansaugtrakt 28 der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnetes Ansaugmodul 30. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 saugt diese Luft aus der Umgebung gemäß einem Richtungspfeil 32 an, welche mittels entsprechender Ansaugverrohrungen 34 des Ansaugtrakts 28 zum Ansaugmodul 30 geführt wird und mittels des Ansaugmoduls 30 auf die Zylinder 14 aufgeteilt wird und über das Ansaugmodul 30 in die Zylinder 14 einströmt. Durch Beaufschlagung der in die Zylinder 14 eingeströmten Luft mit dem gasförmigen Kraftstoff entsteht ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches infolge einer Zündung (Fremdzündung oder Selbstzündung) verbrennt und die Verbrennungskraftmaschine 12 antreibt. Aus der Verbrennung resultiert ein Abgas, welches über in einem Abgastrakt 36 der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnete Abgasverrohrungen 38 aus den Zylindern 14 abgeführt wird.
Die Verbrennungskraftmaschinenanordnung 10 umfasst außerdem einen Abgasturbolader 40, welcher wiederum eine in dem Abgastrakt 36 angeordnete und von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 durchströmbare Turbine 42 umfasst. Das Abgas der Zylinder 14 wird mittels der Abgasverrohrungen 38 zu der Turbine 42 geführt und kann dadurch ein in einem Turbinengehäuse der Turbine 42 drehbar angeordnetes und mit einer Welle 48 drehfest verbundenes Turbinenrad beaufschlagen und antreiben. Nach dem Beaufschlagen und Antreiben des Turbinenrads strömt das Abgas weiter zu einer in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasverrohrungen 38 stromab der Turbine 42 angeordneten Abgasreinigungseinrichtung 44, welche beispielsweise einen Katalysator umfasst. Die Abgasreinigungseinrichtung 44 wird von dem Abgas durchströmt und reinigt das Abgas, bevor es gemäß einem Richtungspfeil 46 gereinigt an die Umgebung entlassen wird.
In dem Ansaugtrakt 28 ist ein Verdichter 50 des Abgasturboladers 40 angeordnet, welcher von der von der Verbrennungskraftmaschine 12 angesaugten Luft durchströmbar ist. Mit der Welle 48 ist ebenso drehfest ein in einem Verdichtergehäuse des Verdichters 50 drehbar aufgenommenes Verdichterrad verbunden, so dass das Verdichterrad von dem Turbinenrad infolge der Beaufschlagung mit dem Abgas angetrieben wird. Der Verdichter 50 verdichtet die der Verbrennungskraftmaschine 12 über das Ansaugmodul 30 zuzuführende Luft, so dass besonders hohe Leistungen und hohe Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine 12 realisierbar sind, während gleichzeitig ein Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine 12 gering gehalten werden kann. Dies ermöglicht die Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine 12 nach dem sogenannten Down-Sizing-Konzept, wonach die Verbrennungskraftmaschine 12 eine sehr hohe spezifische Leistung bzw. ein sehr hohes spezifisches Drehmoment sowie ein geringes Gewicht und einen besonders geringen Kraftstoffverbrauch aufweist, welcher mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
In Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 28 stromab des Verdichters 50 ist eine Drosselklappe 52 in dem Ansaugtrakt 28 angeordnet, mittels welcher ein gewünschtes Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 12, beispielsweise von einem Fahrer des Kraftwagens, einzustellen ist.
Wie der Figur zu entnehmen ist umfasst die Verbrennungskraftmaschinenanordnung 10 einen Gasbehälter 54, welcher über eine Leitung 56 fluidisch mit dem Kraftstoffverteilerrohr 22 der Einbringungseinrichtung 18 verbunden ist. In der Leitung 56 ist ein Magnetventil 58 angeordnet, welches zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung mittels eines Steuergeräts 60, mit welchem es über eine Signalleitung 65 verbunden ist, verstellbar ist. In der Schließstellung ist die Leitung 56 fluidisch versperrt, während die Leitung 56 in der Offenstellung fluidisch freigegeben ist.
Bei dem Steuergerät 60 kann es sich um ein zu einem Steuergerät zum Steuern bzw. Regeln der Verbrennungskraftmaschine 12 separates Steuergerät handeln. Ebenso möglich ist es, dass das Steuergerät 60 das Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 12 ist und auch diese bzw. den Abgasturbolader 40 steuert bzw. regelt.
Wird die Verbrennungskraftmaschine 12 von einem aktivierten Betriebszustand, in welchem Kraftstoff mittels der Einblasventile 26 in die Zylinder 14 unter hohem Druck eingeblasen wird, in einen deaktivierten Zustand überführt, indem beispielsweise eine Zündung der Verbrennungskraftmaschine 12 ausgeschaltet wird, so steht die Einbringungseinrichtung 18 und insbesondere das Kraftstoffverteilerrohr 22, welches während des Betriebs zumindest teilweise von dem Kraftstoff durchströmt wird, unter einem Druck, welcher höher ist als der Umgebungsdruck. Um nun zu vermeiden, dass es aufgrund des hohen Drucks in dem Kraftstoffverteilerrohr 22 zu einem unerwünschten Entströmen von unverbranntem Kraftstoff und damit von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Kraftstoffverteilerohr 22 an die Umgebung kommt, wird das Magnetventil 58 während oder zeitlich kurz nach dem Deaktivieren der Verbrennungskraftmaschine 12 von der Schließstellung in die Freigabestellung verstellt, so dass sich der in dem Kraftstoffverteilerrohr 22 befindende Kraftstoff zumindest teilweise in den Gasbehälter 54 einströmen kann. Dadurch wird das Kraftstoffverteilerrohr 22 sowie gegebenenfalls die Kraftstoffleitung 20 jeweils zumindest teilweise von dem Kraftstoff entleert und es wird der Druck in dem Kraftstoffverteilerrohr 22 reduziert.
Ist der Druck in der Einbringungseinrichtung 18 auf ein gewünschtes Druckniveau reduziert, so wird das Magnetventil 58 wieder geschlossen, so dass es zu keiner Rückströmung von dem Gasbehälter 54 über die Leitung 56 in die Einbringungseinrichtung 18 kommen kann.
Der Gasbehälter 54 weist dabei vorteilhafterweise ein so großes Speichervolumen zum Aufnehmen des Kraftstoffs auf, dass der Druck in dem Kraftstoffverteilerrohr 22 und gegebenenfalls in der Kraftstoffleitung 20 zumindest im Wesentlichen auf Umgebungsdruckniveau abgesenkt wird. So ist keine oder nur noch eine sehr geringe Druckdifferenz zwischen innerhalb des Kraftstoffverteilerrohrs 22 und der Umgebung gegeben, so dass die Gefahr eines Entströmens von unverbranntem Kraftstoff aus der Einbringungseinrichtung 18 an die Umgebung zumindest sehr gering ist. Ferner führt das zumindest teilweise Entleeren der Einbringungseinrichtung 18 und die Reduzierung des Drucks auch dazu, dass kein Kraftstoff unkontrolliert von dem Kraftstoffverteilerrohr 22 über die Einblasventile 26 in die Zylinder 14 strömen kann, was zu einem schlechten Start bei einer sich an die Deaktivierung anschließenden Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine führen könnte.
Darüber hinaus sind Verpuffungen im Ansaugtrakt 28 und im Abgastrakt 36 vermieden, da der Kraftstoff mittels des Gasbehälters 54 aufgefangen und dort gespeichert wird. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 befindet sich das Magnetventil 58 in der Schließstellung, so dass lediglich die Einbringungseinrichtung 18 und nicht auch der Gasbehälter 54 mit Kraftstoff gefüllt werden muss, um den Kraftstoff unter einen hohen Druck zu setzen, unter welchem er in die Zylinder 14 eingeblasen wird. Zur Einstellung eines gewünschten Drucks in dem Kraftstoffverteilerrohr 22, unter welchem der Kraftstoff in die Zylinder 14 einzublasen ist, ist in der Kraftstoffleitung 20 ein Druckregler 61 angeordnet, über welchen Kraftstoff aus dem Gastank 16 zu dem Kraftstoffverteilerrohr 22 strömt.
Der Gasbehälter 54 ist über eine weitere Leitung 62 auch mit dem Ansaugmodul 30 und damit mit dem Ansaugtrakt 28 fluidisch verbunden. In der Leitung 62 ist ein weiteres Magnetventil 64 angeordnet, welches ebenso zwischen einer Freigabestellung und einer Schließstellung mittels des Steuergeräts 60 verstellbar ist. Befindet sich das Magnetventil 64 in der Schließstellung, so ist die Leitung 62 fluidisch versperrt und es kann kein Speicherinhalt des Gasbehälters 54 in Form von aus dem Kraftstoffverteilerrohr 22 über die Leitung 56 in den Gasbehälter 54 eingeströmten Kraftstoff in das Ansaugmodul 30 und somit in den Ansaugtrakt 28 strömen. Wird das Magnetventil in die Freigabestellung geschaltet, so kann ein solches Strömen von Kraftstoff aus dem Gasbehälter 54 in das Ansaugmodul 30 erfolgen, wodurch der Gasbehälter 54 entleert wird.
Dieses Entleeren erfolgt vorteilhafterweise während des aktivierten Zustands der Verbrennungskraftmaschine 12. Bei dem Entleeren wird dann die in der Verbrennungskraftmaschine 12 angesaugte und den Ansaugtrakt 28 durchströmende Luft mit dem Kraftstoff aus dem Gasbehälter 54 beaufschlagt und strömt in die Zylinder 14 ein, so dass in den Zylindern 14 ein bestimmtes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt, wenn eine solche Entleerung des Gasbehälters 54 durchgeführt wird. Diese bereits in den Zylindern 14 infolge der Entleerung des Gasbehälters 54 vorliegende Menge an Kraftstoff ist durch eine entsprechende Regelung bzw. Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 12 zu berücksichtigen, so dass über die Einblasventile 26 lediglich noch soviel Kraftstoff aus dem Gastank 16 in die Zylinder 14 eingeblasen wird, so dass ein gewünschtes Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht zur Darstellung eines gewünschten Drehmoments und einer gewünschten Leistung der Verbrennungskraftmaschine 12. Dadurch wird ein bedarfsgerechtes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet, wobei sich der Kraftstoffanteil dieses Gemisches aus Kraftstoff aus dem Gasbehälter 54 und aus Kraftstoff aus dem Gastank 16 zusammensetzt.
Zum Schalten bzw. zum Bewirken des Schaltens des Magnetventils 64 zwischen der Freigabestellung und der Schließstellung ist das Magnetventil 64 mit dem Steuergerät 60 über eine Signalleitung 66 verbunden. Das Entleeren des Gasbehälters 54 erfolgt vorteilhafterweise erst dann, wenn eine λ-Regelung der Verbrennungskraftmaschine 12 aktiv ist und dadurch ein gewünschtes und vorteilhaftes Kraftstoff-Luft-Verhältnis in den Zylindern 14 einstellen zu können.
Daraus ist ersichtlich, dass der Speicherinhalt des Gasbehälters 54 zum Entleeren des Gasbehälters 54 nicht unverbrannt und ungereinigt an die Umwelt entlassen werden muss, sondern vielmehr den Zylindern 14 zugeführt werden und an der Verbrennung teilnehmen kann, so dass der Speicherinhalt des Gasbehälters 54 in Abgas umgewandelt wird, welches mittels der Abgasreinigungseinrichtung 44 gereinigt und anschließend gereinigt an die Umwelt entlassen wird. Dies hält die schädlichen Kohlenwasserstoff-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 12 besonders gering.
Vorteilhafterweise umfasst die Verbrennungskraftmaschinenanordnung 10 eine Drosseleinrichtung, mittels welcher eine aus dem Gasbehälter 54 zu dessen Entleerung abzuführende und in den Ansaugtrakt 28 einzuleitende Menge an Kraftstoff einstellbar ist. Damit wird sichergestellt, dass eine bedarfsgerechte und gewünschte Menge an Kraftstoff, welche insbesondere gasförmig vorliegt, in die angesaugte Luft gelangt und ein gewünschtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis in den Zylindern 14 eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise ist ein Drucksensor zur Erfassung des Drucks im Gasbehälter 54 sowie ein Drucksensor zum Erfassen des Drucks im Ansaugtrakt 28 und insbesondere im Ansaugmodul 30 vorgesehen, so dass die Magnetventile 58 und 64 in Abhängigkeit von den Drücken in der Einbringungseinrichtung 18, im Gasbehälter 54 sowie im Ansaugtrakt 28 verstellt bzw. geschaltet werden können.
Die Magnetventile 58 und 64 können dabei jeweils zumindest aus einem Elastomer ausgebildeten Dichtungselement versehen werden, so dass sie eine sehr hohe Dichtigkeit gewährleisten. Dadurch ist die Gefahr eines Ausströmens von Gas aus dem Gasbehälter 54 an die Umgebung sehr gering oder gar vermieden.
Durch die fluidische Verbindung des Gasbehälters 54 über die Leitung 62 mit dem Ansaugtrakt 28 kann, wenn das Magnetventil 58 in die Freigabestellung schaltet, in dem Gasbehälter 54 insbesondere bei Teillast der Verbrennungskraftmaschine 12 ein Unterdruck erzeugt werden. Werden dann bei oder zumindest im Wesentlichen kurz nach der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine 12 das Magnetventil 64 in die Schließstellung und das Magnetventil 58 in die Offenstellung verstellt, so wird der sich in dem Kraftstoffverteilerrohr 22 befindende Kraftstoff zumindest teilweise infolge des in dem Gasbehälter 54 eingestellten Unterdrucks in diesen eingesaugt. Eine zusätzliche Fördereinrichtung zum Fördern des Kraftstoff von dem Kraftstoffverteilerrohr 22 bzw. der Einbringungseinrichtung 18 zu und in den Gasbehälter 54 sind nicht vonnöten.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschinenanordnung
12: Verbrennungskraftmaschine
14: Zylinder
16: Gastank
18: Einbringungseinrichtung
20: Kraftstoffleitung
22: Kraftstoffverteilerrohr
26: Einblasventil
28: Ansaugtrakt
30: Ansaugmodul
32: Richtungspfeil
34: Ansaugverrohrungen
36: Abgastrakt
38: Abgasverrohrungen
40: Abgasturbolader
42: Turbine
44: Abgasreinigungseinrichtung
46: Richtungspfeile
48: Welle
50: Verdichter
52: Drosselklappe
54: Gasbehälter
56: Leitung
58: Magnetventil
60: Steuergerät
61: Druckregler
62: Leitung
64: Magnetventil
65: Signalleitung
66: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004039260 A1 [0002]
DE 190349184 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) für einen Kraftwagen, mit einer mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine (12), mit zumindest einer Speichereinrichtung (16) zum Aufnehmen des Kraftstoffs, mit wenigstens einer zumindest bereichsweise von dem Kraftstoff durchströmbaren Einbringungseinrichtung (18), mittels welcher der Kraftstoff von der Speichereinrichtung (16) in wenigstens einen Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) zumindest mittelbar einzubringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere mit der Einbringungseinrichtung (18) fluidisch verbundene Speichereinrichtung (54) vorgesehen ist, in welche der Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung (18) einleitbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff bei und/oder zeitlich nach einer Deaktivierung der aktvierten Verbrennungskraftmaschine (12) von der Einbringungseinrichtung (18) in die weitere Speichereinrichtung (54) einleitbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ventileinrichtung (58) vorgesehen ist, welche zwischen einer das Einleiten des Kraftstoff von der Einbringungseinrichtung (18) in die weitere Speichereinrichtung (54) verhindernden und wenigstens einer das Einleiten des Kraftstoffs von der Einbringungseinrichtung (18) in die weitere Speichereinrichtung (54) ermöglichenden Stellung verstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Speichereinrichtung (54) fluidisch mit einem Ansaugtrakt (28) der Verbrennungskraftmaschine (12) verbunden ist, in welchen in der Speichereinrichtung (54) aufzunehmender Kraftstoff einleitbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ventileinrichtung (64) vorgesehen ist, welche zwischen einer ein Einleiten des Kraftstoff von der weiteren Speichereinrichtung (54) in den Ansaugtrakt (28) verhindernden und wenigstens einer das Einleiten des Kraftstoffs von der weiteren Speichereinrichtung (54) in den Ansaugtrakt (28) ermöglichenden Stellung verstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Drosseleinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Menge an von der weiteren Speichereinrichtung (54) in den Ansaugtrakt (28) einzuleitendem Kraftstoff einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Speichereinrichtung (54) ein Speichervolumen zum Aufnehmen des Kraftstoffs aufweist, mittels welchem bei fluidischer Verbindung mit der Einbringungseinrichtung (18) ein Druck in dem Einbringungseinrichtung (18) einstellbar ist, der zumindest im Wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck ist.
Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Druck in der weiteren Speichereinrichtung (54) erfassbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschinenanordnung (10) für einen Kraftwagen, bei welchem eine mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine (12) mit dem Kraftstoff versorgt wird, indem der Kraftstoff mittels einer zumindest bereichsweise von diesem durchströmbaren Einbringungseinrichtung (18) von zumindest einer Speichereinrichtung (16) zum Aufnehmen des Kraftstoffs zumindest mittelbar in einen Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zumindest teilweise in wenigstens eine weitere mit der Einbringungseinrichtung (18) fluidisch verbundene Speichereinrichtung (54) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff bei und/oder zeitlich nach einer Deaktivierung der aktvierten Verbrennungskraftmaschine (12) von der Einbringungseinrichtung (18) in die weitere Speichereinrichtung (54) eingeleitet wird.