DE102013220479A1

DE102013220479A1 - Mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013220479A1
Application number: DE102013220479.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kramer; Martin Wirth; Carsten Weber
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US9631548B2; US20140102405A1; CN103726899B; CN103726899A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), die in einem ersten Betriebsmodus mit flüssigem Kraftstoff und in einem zweiten Betriebsmodus mit gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist und bei der der mindestens eine Zylinder (2) mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (3) zum Zuführen von Ladeluft via einem Ansaugsystem (3a) anschließt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine (1). Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehend genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens optimiert ist und mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme und Nachteile eliminiert werden können. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art, bei der – eine Direkteinspritzung (6) zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder (2) vorgesehen ist, – eine Saugrohreinspritzung (5) zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in das Ansaugsystem (3a) vorgesehen ist, und – das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) veränderbar und damit an den jeweiligen Kraftstoff anpassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, die in einem ersten Betriebsmodus mit flüssigem Kraftstoff und in einem zweiten Betriebsmodus mit gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist und bei der der mindestens eine Zylinder mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via einem Ansaugsystem anschließt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 048 823 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der gleichzeitig flüssiger Kraftstoff und gasförmiger Kraftstoff in den Zylinder eingebracht werden, wobei eine Schichtung der unterschiedlichen Kraftstoffe im Brennraum angestrebt wird. Die eingangs beschriebene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 soll hingegen wechselweise bzw. wahlweise mit einem der beiden Kraftstoffe betreibbar sein bzw. betrieben werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere fremdgezündete Ottomotoren.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für den Betrieb von Brennkraftmaschinen, werden zunehmend alternative Kraftstoffe eingesetzt.
Der Marktanteil an Brennkraftmaschinen, die alternative Kraftstoffe verwenden, nimmt stetig zu. Verstärkt und unterstützt wird diese Entwicklung durch den Gesetzgeber, insbesondere durch steuerliche Vergünstigungen und gesetzliche Vorschriften.
So wird bei Ottomotoren neben Benzin als dem traditionellen Ottokraftstoff beispielsweise auch Flüssiggas (LPG – Liquified Petroleum Gas), ein Propan/Butan-Gemisch, welches auch als Autogas bezeichnet wird, oder Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas), vornehmlich Methan, als Kraftstoff eingesetzt. Wasserstoff (H₂), Ethanol oder Kraftstoffmischungen aus Benzin und Ethanol sind weitere Beispiele für alternative Kraftstoffe.
Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird neben einem flüssigen Kraftstoff, beispielsweise dem traditionellen Ottokraftstoff, ein gasförmiger Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, als Kraftstoff für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem gasförmigen Kraftstoff die Rede ist, wenn der Kraftstoff bei Umgebungsbedingungen in der gasförmigen Phase vorliegt.
Da unterschiedliche Kraftstoffe unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, muß die Brennkraftmaschine spezifisch auf den verwendeten Kraftstoff ausgelegt werden.
Dabei kann eine Anpassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise des Zündzeitpunktes und des Einspritzzeitpunktes, erforderlich werden. Auch die Steuerzeiten, der Ladedruck, die Kühlwassertemperatur, die Einspritzdauer, die Ladeluftmenge und/oder dergleichen, aber auch konstruktive Parameter, beispielsweise das Kompressionsverhältnis, können und werden häufig auf den Betrieb mit einem bestimmten Kraftstoff ausgelegt.
Der verwendete Kraftstoff hat auch Einfluß auf die konstruktive Auslegung des Kraftstoffversorgungssystems der Brennkraftmaschine, insbesondere auf das Einspritzsystem, welches dem Einbringen des Kraftstoffes dient.
Dabei sind grundsätzlich zwei Konzepte der Kraftstoffeinspritzung zu unterscheiden, nämlich die Saugrohreinspritzung und die Direkteinspritzung.
Bei der Saugrohreinspritzung arbeitet der Ottomotor mit einem im Wesentlichen homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die mindestens eine Ansaugleitung des Ansaugsystems Kraftstoff in die angesaugte Ladeluft eingebracht wird. Die Einstellung der Last erfolgt durch Verändern der Füllmenge des Zylinders, d. h. mittels der bei Ottomotoren üblicherweise angewendeten Quantitätsregelung, und zwar in der Regel mittels einer in der Ansaugleitung vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark vermindert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr die Ansaugleitung versperrt wird, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe vor dem Einlaß in den Zylinder. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität, eingestellt werden. Diese Art der Laststeuerung erweist sich im Teillastbereich als besonders nachteilig, denn geringe Lasten erfordern eine starke Drosselung und große Druckabsenkung in der angesaugten Luft. Hohe Ladungswechselverluste sind die Folge. Um diese Drosselverluste, d. h. diese Ladungswechselverluste, zu reduzieren, wurden verschiedene Konzepte entwickelt.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des mindestens einen Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, die Brennkraftmaschine zu entdrosseln und den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Mittels Direkteinspritzung kann eine geschichtete Brennraumladung und damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung realisiert werden. Des Weiteren ergibt sich durch Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie des direkt in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffes ein Zylinderinnenkühlungseffekt, der eine weitere Wirkungsgradsteigerung durch Erhöhung des Kompressionsverhältnisses ermöglicht.
Nachteilig an einer Direkteinspritzung ist, dass für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Aufbereitung des Kraftstoffes, gegebenenfalls durch Verdampfung, und die Durchmischung von Ladeluft und Kraftstoff, sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung steht. Direkteinspritzende ottomotorische Verfahren sind daher wesentlich empfindlicher gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung, und bei der Zündung als ottomotorische Verfahren mit Saugrohreinspritzung.
Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen eine Saugrohreinspritzung zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in das Ansaugsystem und eine Direkteinspritzung zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder vorgesehen sind. Ein derartiges Einspritzkonzept für eine Brennkraftmaschine, welche wahlweise mittels flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden kann, hat eine Vielzahl von Nachteilen, auf die im Folgenden kurz eingegangen wird.
Unterschiedliche Kraftstoffsorten weisen unterschiedliche Klopffestigkeiten auf, welche durch die Oktanzahlen RON bzw. MON angegeben werden. Daher ist das Verdichtungsverhältnis ε des Ottomotors, d. h. das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders, auf den Kraftstoff mit der geringeren Klopffestigkeit auszulegen. In der Regel ist der flüssige Kraftstoff der Kraftstoff mit der geringeren Klopffestigkeit. Ein vergleichsweise hohes Verdichtungsverhältnis, das einen problemlosen Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem gasförmigen Kraftstoff zuläßt, kann dann bei einem Betrieb mit flüssigem Kraftstoff zum Klopfen führen. Da Klopfen bzw. Selbstzündungen sicher zu vermeiden sind, ist die Brennkraftmaschine auf den Kraftstoff mit der geringeren Klopffestigkeit auszulegen.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass der Wirkungsgrad η der Brennkraftmaschine mit dem Verdichtungsverhältnis ε mehr oder weniger korreliert, d. h. der Wirkungsgrad η bei einem größeren Verdichtungsverhältnis ε höher ist und bei einem kleineren Verdichtungsverhältnis ε niedriger ist. Der Umstand, dass die Brennkraftmaschine entsprechend dem Kraftstoff mit der geringeren Klopffestigkeit mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis ε auszustatten ist, führt dazu, dass der Wirkungsgrad, welcher theoretisch bei Einsatz des gasförmigen Kraftstoffes realisierbar wäre, nicht erreichbar ist, d. h. das eigentliche Wirkungsgradpotential des gasförmigen Kraftstoffes nicht ausgeschöpft wird.
Das Einbringen des gasförmigen Kraftstoffes mittels Saugrohreinspritzung in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine, bringt es mit sich, dass sich das unter Hochdruck stehende Gas im Ansaugsystem entspannt bevor bzw. während es im Rahmen des Ladungswechsels in den mindestens einen Zylinder eingeleitet wird. Insbesondere bei mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen hat dies den nachteiligen Effekt, dass der Turbolader zusätzliche Volumenänderungsarbeit verrichten muß, um das sich im Ansaugsystem entspannende Gas wieder zu komprimieren. Um eine gleichgroße Gemischmasse in den Zylinder einzuleiten, ist daher auch ein höherer Ladedruck erforderlich.
Da die Brennkraftmaschine bevorzugt mit gasförmigem Kraftstoff betrieben wird bzw. immer dann mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden sollte, sobald und solange gasförmiger Kraftstoff verfügbar ist, ist der zweite Betriebsmodus der bevorzugte Betriebsmodus und damit der Betriebsmodus, der im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine häufiger angewendet werden sollte.
Dies führt dazu, dass die im Brennraum des mindestens einen Zylinders zum Einbringen des flüssigen Kraftstoffes angeordnete Einspritzvorrichtung, beispielweise eine Einspritzdüse, über längere Phasen nicht genutzt wird. Ohne einen ständigen Gebrauch der Einspritzdüse zum Zwecke der Kraftstoffeinspritzung kann es infolge der fehlenden Kühlung, die in der Regel durch den eingebrachten Kraftstoff hervorgerufenen wird, zu hohen Temperaturen in Bereichen der Einspritzdüse kommen, die dem Brennraum zugewandt bzw. benachbart sind. Die hohen Temperaturen können zu einer thermischen Überbeanspruchung der Düse führen und auch zu Verkokungen, wobei kleinste Mengen an Kraftstoff, die beim Einspritzen an der Einspritzvorrichtung haften geblieben sind, unter Sauerstoffmangel unvollständig verbrennen.
An der Einspritzvorrichtung bilden sich Ablagerungen von Verkokungsrückständen. Zum einen können diese Verkokungsrückstände die Geometrie der Einspritzvorrichtung nachteilig verändern und die Ausbildung des Einspritzstrahls beeinflussen bzw. behindern und auf diese Weise die Gemischaufbereitung empfindlich stören. Zum anderen lagert sich im ersten Betriebsmodus eingespritzter Kraftstoff in den porösen Verkokungsrückständen ein, der dann häufig unter Sauerstoffmangel unvollständig verbrennt und Ruß bildet, welcher wiederum zur Erhöhung der Partikelemissionen beiträgt.
Zudem können sich Verkokungsrückstände ablösen, beispielsweise infolge mechanischer Beanspruchung, bedingt durch eine sich im Brennraum ausbreitende Druckwelle oder Einwirkung des Einspritzstrahls. Die auf diese Weise abgelösten Rückstände können zu Beschädigungen im Abgasabführsystem führen und beispielsweise die Funktionstüchtigkeit von im Abgasabführsystem vorgesehenen Systemen zur Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
Aufgrund der hohen Temperaturen können sich auch Verkokungen im Inneren der Düse bilden, welche nicht nur die Ausbildung des Einspritzstrahls beeinflussen bzw. behindern und die Gemischaufbereitung stören können, sondern vielmehr die Funktionstüchtigkeit der Düse insgesamt gefährden.
Die vorstehend beschriebenen Effekte und Wirkungen führen dazu, dass die Brennkraftmaschine regelmäßig im ersten Betriebsmodus zu betreiben ist, um einer Schädigung der Düse bzw. Problemen infolge einer Verkokung entgegen zu wirken. Dies steht einem möglichst häufigen und lang andauernden Betrieb der Brennkraftmaschine im zweiten Betriebsmodus entgegen. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens optimiert ist und mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme und Nachteile eliminiert werden können.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, die in einem ersten Betriebsmodus mit flüssigem Kraftstoff und in einem zweiten Betriebsmodus mit gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist und bei der der mindestens eine Zylinder mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via einem Ansaugsystem anschließt, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– eine Direkteinspritzung zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder vorgesehen ist,
– eine Saugrohreinspritzung zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in das Ansaugsystem vorgesehen ist, und
– das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders veränderbar und damit an den jeweiligen Kraftstoff anpassbar ist.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß bei einer im zweiten Betriebsmodus befindlichen Brennkraftmaschine der gasförmige Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt, wohingegen der flüssige Kraftstoff mittels Saugrohreinspritzung in das Ansaugsystem eingebracht wird, falls die Brennkraftmaschine im ersten Betriebsmodus betrieben wird.
Das erfindungsgemäße Einspritzkonzept weist gleich mehrere Vorteile auf. Zum einen sorgt die Saugrohreinspritzung des flüssigen Kraftstoffes dafür, dass die zum Einbringen des flüssigen Kraftstoffes vorzusehende Einspritzvorrichtung nicht mehr den im Brennraum auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Gefahr der thermischen Überbeanspruchung der Einspritzvorrichtung, d. h. der Überhitzung, insbesondere infolge eines Nichtgebrauches während des zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und der dann fehlenden Kühlung, besteht nicht mehr. Die gesamte Problematik betreffend die Verkokung der Einspritzvorrichtung entfällt ebenfalls durch die Anordnung der Einspritzvorrichtung im Bereich des Ansaugsystems stromaufwärts des mindestens einen Zylinders.
Zum anderen gestattet die Saugrohreinspritzung des flüssigen Kraftstoffes im ersten Betriebsmodus einen möglichst häufigen und lang andauernden, d. h. umfangreichen Betrieb der Brennkraftmaschine im bevorzugten zweiten Betriebsmodus. Die Brennkraftmaschine kann uneingeschränkt mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden, ohne dass eine Überhitzung oder Verkokung der Einspritzvorrichtung zu befürchten wäre.
Zudem führt die Direkteinspritzung des gasförmigen Kraftstoffes in den mindestens einen Zylinder dazu, dass das Wirkungsgradpotential des gasförmigen Kraftstoffes voll ausgeschöpft und genutzt werden kann, indem das geometrische Verdichtungsverhältnis ε der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinders auf den gasförmigen Kraftstoff und damit auf den Kraftstoff mit der höheren Klopffestigkeit ausgelegt wird und gleichzeitig Maßnahmen vorgesehen und angeboten werden, mit denen das Verdichtungsverhältnis im ersten Betriebsmodus dem flüssigen Kraftstoff bzw. dessen Klopffestigkeit angepaßt werden kann.
Wie weiter unten noch im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine beschrieben werden wird, kann das Verdichtungsverhältnis ε sowohl durch Verändern des geometrischen Verdichtungsverhältnisses als auch durch Einstellen, d. h. Verändern des effektiven Verdichtungsverhältnisses angepaßt, d. h. variiert werden.
Dadurch, dass der gasförmige Kraftstoff direkt in den mindestens einen Zylinder eingespritzt wird, kann die Expansion des unter Hochdruck stehenden Gases, insbesondere in das Ansaugsystem hinein, abgeschwächt bzw. vollständig unterbunden werden, wenn beispielweise die Einlaßseite des Zylinders vor Einbringen des gasförmigen Kraftstoffes in der Zylinder geschlossen wird. Das unter Hochdruck stehende Gas entspannt sich im Zylinder und unterstützt auf diese Weise die Gemischbildung und Gemischaufbereitung. Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung entfällt damit die vom Turbolader nach dem Stand der Technik zusätzlich zu leistende Volumenänderungsarbeit.
In der Praxis erfolgt ein Wechsel der Einspritzverfahren in der Regel durch Verwendung unterschiedlicher Kennfelder für die Direkteinspritzung einerseits und die Saugrohreinspritzung andererseits. Mit dem Wechsel kann insbesondere eine Änderung des Zündzeitpunktes bzw. Einspritzbeginns, aber auch eine Anpassung der Einspritzdauer verbunden sein bzw. werden.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders veränderbar. Ein variables Verdichtungsverhältnis ε gestattet eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses ε an den jeweiligen Kraftstoff und damit einerseits einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit höherem Verdichtungsverhältnis, um das Wirkungsgradpotential des gasförmigen Kraftstoffes voll ausnutzen zu können, und andererseits einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit geringerem Verdichtungsverhältnis, um eine klopfende Verbrennung bei Verwendung des – flüssigen – Kraftstoff mit der geringeren Klopffestigkeit sicher zu verhindern.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens optimiert ist und mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme und Nachteile eliminiert werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Ventiltrieb umfassend mindestens ein Einlaßventil für die mindestens eine Einlaßöffnung und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung dieses mindestens einen Einlaßventils vorgesehen ist, wobei der Ventiltrieb in der Art verstellbar ausgeführt ist, dass die Steuerzeit, zu der das mindestens eine Einlaßventil schließt, veränderbar ist.
Ein solcher Ventiltrieb ist beispielsweise der VALVETRONIC Ventiltrieb von BMW, wie er in der Motortechnischen Zeitung, Jahrgang 2001, Heft 6, Seite 18 beschrieben wird. Bei diesem Ventiltrieb können die Schließzeit des Einlaßventils und der Einlaßventilhub variiert werden. Hierdurch wird eine entdrosselte und damit verlustarme Laststeuerung möglich. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse wird dabei nicht wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe gesteuert, d. h. bemessen, sondern über den Einlaßventilhub und die Öffnungsdauer des Einlaßventils.
Ein nur teilweise variabler Ventiltrieb, bei dem lediglich die Schließzeit des Einlaßventils veränderbar ist, kann nicht nur zur Entdrosselung der Brennkraftmaschine genutzt werden, sondern auch zur Veränderung des effektiven Verdichtungsverhältnisses ε des mindestens einen Zylinders und damit zur Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an den jeweiligen Kraftstoff bzw. dessen Klopffestigkeit.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ventiltrieb in der Art verstellbar ausgeführt ist, dass die Steuerzeit, zu der das mindestens eine Einlaßventil schließt, veränderbar ist, ohne die Öffnungszeit, zu der dieses Einlaßventil öffnet, zu ändern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 10 < ε < 16.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 11 < ε < 15, vorzugsweise: 12 < ε < 14.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 13 < ε < 16.
Hinsichtlich der vorstehenden Ausführungsformen ist zu berücksichtigen, dass der Wirkungsgrad η der Brennkraftmaschine mit dem Verdichtungsverhältnis ε in der Art korreliert, d. h. der Wirkungsgrad η mit größer werdendem Verdichtungsverhältnis ε ebenfalls zunimmt. Hinsichtlich des Wirkungsgrades η ist ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis ε vorteilhaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das geometrische Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders veränderbar ist.
Eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε, insbesondere bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, kann durch unterschiedlichste Konzepte realisiert werden.
Eine Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Pleuelstange als zweiteilige Pleuelstange auszuführen. Dabei umfaßt die Pleuelstange ein oberes Pleuel, das mit dem Kolben gelenkig verbunden ist, und ein unteres Pleuel, das an der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das obere Pleuel und das untere Pleuel ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sind, um auf diese Weise gegeneinander verschwenkt werden zu können. Die Pleuellänge wird durch Verschwenken der beiden Pleuel gegeneinander verändert. Die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε erfolgt dabei mittels einer Anlenkstange, die gelenkig mit dem oberen Pleuel verbunden ist und drehbar auf einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle aufgenommen wird. Durch ein Verdrehen der Exzenterwelle und der sich daraus ergebenden Veränderungen der Kolbentotpunktlagen kann das Verdichtungsverhältnis in weiten Grenzen, beispielweise zwischen ε_min ≈ 8 bis ε_max ≈ 15, variiert werden.
Eine andere Möglichkeit, ein variables Verdichtungsverhältnis ε zu realisieren, besteht darin, die Kurbelwelle in Exzenterbuchsen zu lagern. Durch Verdrehung der Exzenterbuchsen wird die Position der Kurbelwelle gegenüber dem Zylinderkopf variiert, was zu einer Variation des geometrischen Verdichtungsverhältnisses führt.
Vorteilhaft sind Konzepte, bei denen im kleinen oder großen Pleuelauge eine Exzenterbuchse als Zwischenelement der Lagerung vorgesehen wird. Die Exzenterbuchse ist verdrehbar, beispielsweise zwischen verschiedenen Arbeitspositionen stufig schaltbar, wobei die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse ε aus den verschiedenen Totpunktlagen des Kolbens in den verschiedenen Arbeitspositionen der Exzenterbuchse resultieren.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders veränderbar ist.
Wie im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungsformen deutlich ersichtlich wird, kann eine Veränderung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses ε sehr aufwendig und komplex und somit auch kostenintensiv sein. Daher kann es vorteilhaft sein, nicht das geometrische Verdichtungsverhältnis, sondern vielmehr das effektive Verdichtungsverhältnis zu verändern, d. h. der Klopffestigkeit des momentan verwendeten Kraftstoffes anzupassen.
Dies kann, wie bereits erwähnt, beispielweise durch die Variation der Schließzeit mindestens eines Einlaßventils erfolgen, wobei sowohl ein Verschieben der Schließzeit nach früh als auch ein Verschieben nach spät für eine Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses durch Verkleinern des effektiven Hubvolumens sorgen kann bzw. genutzt werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfaßt. Die dazugehörige Turbine ist im Abgasabführsystem angeordnet.
Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft. Die Kühlung trägt auf diese Weise zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Zylinder bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypaßleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Häufig wird ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
Kraftstoffversorgungssysteme für Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung umfassen als wesentliche Komponenten neben dem Kraftstofftank, den Einspritzdüsen und einer Kraftstoffpumpe zur Förderung des Kraftstoffes und zur Generierung des notwendigen Einspritzdrucks eine Kraftstoffversorgungsleitung, die die verschiedenen Komponenten miteinander verbindet und zwar ausgehend vom Kraftstofftank bis hin zu den Einspritzdüsen.
Kraftstoffversorgungssysteme für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen verfügen neben der eigentlichen Niederdruck-Kraftstoffpumpe über eine zweite Pumpe, nämlich eine Hochdruckpumpe. Während die Hochdruckpumpe für die erforderlichen hohen Einspritzdrücke sorgt, dient die eigentliche Kraftstoffpumpe als sogenannte Vorförderpumpe zur Befüllung der Hochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpe erfordert zusätzliche, von der Brennkraftmaschine bereitzustellende Antriebsleistung, die den effektiven Wirkungsgrad mindert. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann diese Hochdruckpumpe entfallen, da der flüssige Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt wird, wozu die vorstehend als Vorförderpumpe bezeichnete Kraftstoffpumpe ausreicht. Der gasförmige Kraftstoff wird unter Ausnutzung des im Gastank vorherrschenden Drucks in den Zylinder direkteingespritzt.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine Einlaßöffnung des mindestens einen Zylinders geschlossen wird, bevor der gasförmige Kraftstoff im zweiten Betriebsmodus in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Verfahrensvarianten erfordern eine entsprechende Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem variablen Ventiltrieb auf der Einlaßseite, mittels dem die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils veränderbar ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils verändert wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zu verändern.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem variablen Ventiltrieb auf der Einlaßseite, mittels dem die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils veränderbar ist, sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils verändert wird, um die Brennkraftmaschine zu entdrosseln.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils nach spät verschoben wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zu verkleinern und/oder die Brennkraftmaschine zu entdrosseln.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils nach früh verschoben wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders zu verkleinern und/oder die Brennkraftmaschine zu entdrosseln.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen als gasförmiger Kraftstoff für die Brennkraftmaschine Erdgas verwendet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das als gasförmiger Kraftstoff für die Brennkraftmaschine dienende Gas in gasförmiger Phase unter Ausnutzung des im Gastank vorhandenen Drucks mittels Direkteinspritzung in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird.
Die Direkteinspritzung des Gases in den mindestens einen Zylinder hat gegenüber der Saugrohreinspritzung grundsätzliche Vorteile im Hinblick auf die maximal erzielbare Leistung, wenn der Turbolader nur die für die Zylinderfrischladung erforderliche Ladeluft verdichten muß und der gasförmige Kraftstoff erst nach dem Schließen des Einlasses eingespritzt bzw. eingeblasen wird.
Nichtsdestotrotz können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft sein, bei denen das als gasförmiger Kraftstoff für die Brennkraftmaschine dienende Gas in flüssiger Phase mittels Direkteinspritzung in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird.
In diesem Fall wird dem Gemisch beim Verdampfen des Kraftstoffes zusätzlich Wärme entzogen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Klopfempfindlichkeit aus und damit auf den einzustellenden Zündzeitpunkt, wodurch wiederum der erzielbare Wirkungsgrad angehoben werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1, die wahlweise mit flüssigem Kraftstoff oder mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden kann. Es handelt sich um einen Drei-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die drei Zylinder 2 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe, angeordnet sind.
Zum Abführen der heißen Abgase via Abgasabführsystem 4a ist eine Abgasleitung 4 und zur Versorgung der drei Zylinder 2 mit Ladeluft bzw. Frischgemisch via Ansaugsystem 3a ist eine Ansaugleitung 3 vorgesehen. Zur Einstellung der Last ist in der Ansaugleitung 3 eine Drosselklappe 8 vorgesehen, die mittels Motorsteuerung gesteuert bzw. geregelt wird (nicht dargestellt).
Die Brennkraftmaschine 1 ist zum Zwecke der Aufladung mit einem Abgasturbolader 7 ausgestattet, wobei in der Abgasleitung 4 des Abgasabführsystems 4a die Turbine 7a und in einer Ansaugleitung 3 des Ansaugsystems 3a der Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 angeordnet sind. Die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Ladeluft wird im Verdichter 7b komprimiert, wozu die Enthalpie des Abgases in der Turbine 7a genutzt wird.
Zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff direkt in die Zylinder 2, d. h. zur Ausbildung einer Direkteinspritzung 6, ist jeder Zylinder 2 mit einem eigenen Injektor ausgestattet, die mittels Motorsteuerung aktiviert, d. h. gesteuert, werden (nicht dargestellt). Die eingespritzte Gasmenge dient der Einstellung des Luftverhältnisses λ.
Die Brennkraftmaschine 1 ist des Weiteren mit einer Saugrohreinspritzung 5 zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in das Ansaugsystem 3a ausgestattet, mit der flüssiger Kraftstoff stromaufwärts der Zylinder 2 in die Ansaugleitung 3 eingebracht wird. Die eingespritzte Kraftstoffmenge dient wiederum der Einstellung des Luftverhältnisses λ.
Für die Bevorratung des gasförmigen Kraftstoffes und des flüssigen Kraftstoffes sind jeweils separate Tanks 5a, 6a vorgesehen.
Das Verdichtungsverhältnis ε der Zylinder 2 ist veränderbar und kann an den jeweiligen Kraftstoff angepasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine, Drei-Zylinder-Reihenmotor
2: Zylinder
3: Ansaugleitung
3a: Ansaugsystem
4: Abgasleitung
4a: Abgasabführsystem
5: Saugrohreinspritzung
5a: Tank für flüssigen Kraftstoff
6: Direkteinspritzung
6a: Tank für gasförmigen Kraftstoff
7: Abgasturbolader
7a: Turbine
7b: Verdichter
8: Drosselklappe
LPG: Flüssiggas, Liquified Petroleum Gas
CNG: Erdgas, Compressed Natural Gas
LNG: Erdgas, Liquid Natural Gas
H₂: Wasserstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010048823 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

VALVETRONIC Ventiltrieb von BMW, wie er in der Motortechnischen Zeitung, Jahrgang 2001, Heft 6, Seite 18 [0039]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), die in einem ersten Betriebsmodus mit flüssigem Kraftstoff und in einem zweiten Betriebsmodus mit gasförmigem Kraftstoff betreibbar ist und bei der der mindestens eine Zylinder (2) mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (3) zum Zuführen von Ladeluft via einem Ansaugsystem (3a) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Direkteinspritzung (6) zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder (2) vorgesehen ist, – eine Saugrohreinspritzung (5) zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in das Ansaugsystem (3a) vorgesehen ist, und – das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) veränderbar und damit an den jeweiligen Kraftstoff anpassbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventiltrieb umfassend mindestens ein Einlaßventil für die mindestens eine Einlaßöffnung und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung dieses mindestens einen Einlaßventils vorgesehen ist, wobei der Ventiltrieb in der Art verstellbar ausgeführt ist, dass die Steuerzeit, zu der das mindestens eine Einlaßventil schließt, veränderbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb in der Art verstellbar ausgeführt ist, dass die Steuerzeit, zu der das mindestens eine Einlaßventil schließt, veränderbar ist, ohne die Öffnungszeit, zu der dieses Einlaßventil öffnet, zu ändern.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 10 < ε < 16.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 11 < ε < 15.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zumindest im zweiten Betriebsmodus gilt: 12 < ε < 14.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) veränderbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) veränderbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist, der einen im Ansaugsystem (3a) angeordneten Verdichter (7b) umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einlaßöffnung des mindestens einen Zylinders (2) geschlossen wird, bevor der gasförmige Kraftstoff im zweiten Betriebsmodus in den mindestens einen Zylinder (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils verändert wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils verändert wird, um die Brennkraftmaschine (1) zu entdrosseln.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils nach spät verschoben wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zu verkleinern und/oder die Brennkraftmaschine (1) zu entdrosseln.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit des mindestens einen Einlaßventils nach früh verschoben wird, um das effektive Verdichtungsverhältnis ε des mindestens einen Zylinders (2) zu verkleinern und/oder die Brennkraftmaschine (1) zu entdrosseln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiger Kraftstoff für die Brennkraftmaschine (1) Erdgas verwendet wird.