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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von CNG in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, sowie ein Computerprogrammprodukt und eine Brennkraftmaschine.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem kombinierten Einspritzsystem für Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung für einen Kraftstoff, wie Benzin, Alkohol oder Diesel, in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein solches kombiniertes Einspritzsystem wird Doppeleinspritzsystem oder Dual-Injection-System genannt. Die genutzten Betriebsstrategien sehen hierbei jedoch einen Volllastbetrieb nur mit überwiegendem Anteil an Direkteinspritzung vor. Beispielsweise zeigt 1 ein Diagramm einer Betriebsstrategie einer dritten Generation einer 1,8 l Brennkraftmaschine eines deutschen Premiumautomobilherstellers. Auf der y-Achse ist der effektive Mitteldruck in bar und auf der x-Achse die Motordrehzahl in 1/min angegeben. Der geschwärzte Bereich im Diagramm zeigt dabei den Bereich der Saugrohreinspritzung und der schattierte Bereich den Bereich der Direkteinspritzung an. Wie in 1 erkennbar ist, gibt es keine Saugrohreinspritzung beim Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine. Ein weiteres Beispiel einer Betriebsstrategie des Standes der Technik ist in 2 dargestellt. Die 2 zeigt ein Diagramm für eine Betriebsstrategie einer Brennkraftmaschine aus dem Jahr 2007 eines japanischen Premiumautomobilherstellers. Auf der y-Achse ist der effektive Mitteldruck in bar und auf der x-Achse die Motordrehzahl in 1/min angegeben. Der schräg nach rechts schraffierte Bereich in dem Diagramm zeigt an, dass eine Saugrohreinspritzung unter Volllast lediglich bis 1500 1/min erfolgt. Weiterhin ist bekannt, dass CNG, die Abkürzung steht für Compressed Natural Gas, also ein komprimiertes Erdgas, in Kombination mit anderen Kraftstoffen, wie Benzin, Diesel oder Alkohol, mittels einer Direktrohreinspritzung oder einer Saugrohreinspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeführt werden kann. Weiterhin wird beim Stand der Technik bei einer einzudüsenden CNG-Menge direkt in den Brennraum ein höherer CNG-Raildruck, beispielsweise um die 20 bar, benötigt. Dies führt dazu, dass der Tank des Kraftfahrzeugs nicht so leer gefahren werden kann, wodurch sich die Reichweite des Kraftfahrzeugs verringert. Demgegenüber wird gemäß des Standes der Technik bei einer einzudüsenden CNG-Menge in das Saugrohr zwar ein niedriger Druck benötigt, beispielsweise 5 bis 9 bar verwendet, jedoch muss auf Scavenging, also eine hohe Ventilüberschneidung bei niedrigen Drehzahlen, verzichtet werden, da ansonsten unverbrannter Kraftstoff ins Abgassystem gelangt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einbringen von CNG in einen Brennraum mit gutem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.
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Es wird ein Verfahren zum Einbringen von CNG in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren, wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merkmale aus einer Ausgestaltung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale aus einer Ausgestaltung mit ein oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Auch dienen die Formulierungen der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 in ihrer angemeldeten Form nur als ein erster Entwurf der Formulierungen der zu beanspruchenden Gegenstände. Ein oder mehrere Merkmale der Formulierungen können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert beziehungsweise bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von CNG in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Doppeleinspritzsystem, wobei eine einzudüsende CNG-Menge jeweils über eine erste CNG-Injektorvorrichtung in ein Saugrohr eines Zylinders der Brennkraftmaschine und/oder über eine zweite CNG-Injektorvorrichtung in einen Brennraum des jeweiligen Zylinders eingedüst wird, mit folgenden Schritten:
- – Erfassen eines Betriebsparameters des CNG,
- – Auswerten des Betriebsparameters des CNG,
- – Eindüsen der einzudüsenden CNG-Menge in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter des CNG über die erste CNG-Injektorvorrichtung und/oder über die zweite CNG-Injektorvorrichtung.
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Der Begriff Brennkraftmaschine kann hierbei einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs beschreiben. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor ein Ottomotor, ein Dieselmotor, ein Erdgasmotor oder auch ein Verbrennungsmotor sein, der die Möglichkeit aufweist, zwischen zwei oder mehreren Arbeitsprinzipien umzuschalten, zum Beispiel zwischen Diesel- und Otto-Prinzip.
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Der Begriff Saugrohr umfasst hierbei die Einlasskanäle, die Saugrohrarme und das Saugrohr eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
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Der Begriff Brennraum bezeichnet in einem Verbrennungsmotor den während der Zündung an den Kolben grenzende gasgefüllte Raum, in dem die Verbrennung beginnt.
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Durch eine Anwendung des Verfahrens in einer Brennkraftmaschine mit einem Doppeleinspritzsystem oder Dual-Injection-System, wobei eine einzudüsende CNG-Menge jeweils über eine erste CNG-Injektorvorrichtung in ein Saugrohr eines Zylinders der Brennkraftmaschine und/oder über eine zweite CNG-Injektorvorrichtung in einen Brennraum des jeweiligen Zylinders eingedüst wird, kann eine einzudüsende CNG-Menge in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine direkt in den Brennraum und/oder in das Saugrohr eines Zylinders eingedüst werden. Gegenüber dem alleinigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit Eindüsung ins Saugrohr kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein schnellerer Aufbau des Drehmomentes hin zum maximalen Drehmoment erreicht werden, in dem der Kraftstoff zusätzlich oder auch alternativ direkt eingedüst wird und eine Ventilsteuerzeitenstrategie mit großer Überschneidung, das sogenannte Scavenging, verwendet wird. Gegenüber dem alleinigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit Eindüsung in den Brennraum kann insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine auch bei geringem Tankdruck, beispielsweise nur 5–9 bar statt zum Beispiel 16–200 bar, noch eine konstante Maximalleistung abgeben kann, indem der Kraftstoff zusätzlich ins Saugrohr eingedüst wird.
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Weiterhin kann das Verfahren auch für einen Kraftstoff, beispielsweise Benzin, Diesel, Alkohol, LPG, die Abkürzung steht für Liquified Petroleum Gas, also für Flüssiggas oder Autogas, in Kombination mit CNG verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird als Betriebsparameter des CNG ein Tankvorrat und/oder ein Betriebsdruck verwendet. Mit Hilfe des Betriebsparameters des CNG kann die vorhandene Menge an CNG überprüft werden, da sich bei einem leerenden Tankvorrat auch der Betriebsdruck des CNG verringern kann. Beispielsweise kann mit dem Verfahren bei einer Brennkraftmaschine mit einem Doppeleinspritzsystem oder Dual-Injection-System eine Betriebsstrategie derart ausgelegt werden, dass in Abhängigkeit des Betriebsparameters des CNG, beispielweise in Abhängigkeit vom Tankdruck, das einzudüsende CNG entweder über die erste CNG-Injektorvorrichtung und/oder der zweiten CNG-Injektorvorrichtung in die Brennkammer der Brennkraftmaschine erfolgt.
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Es ist gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine bei einer Eindüsung einer einzudüsende CNG-Menge über die zweite CNG-Injektorvorrichtung zum Beispiel mit einer Mindestansteuerdauer gefahren wird, wobei die zweite CNG-Injektorvorrichtung von dem einzudüsenden CNG gekühlt wird. Die Mindestansteuerdauer der zweiten CNG-Injektorvorrichtung kann gemäß einer Ausgestaltung ungefähr 0.05 ms bis etwa 0.7 ms betragen. Gemäß einer Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die zweite CNG-Injektorvorrichtung bei einer einzudüsenden CNG Menge direkt in den Brennraum ausreichend gekühlt wird, um eine Überhitzung und dadurch eine Beschädigung des zweiten die CNG-Injektorvorrichtung zu vermeiden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei einem unteren Drehzahl- und einem oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine die einzudüsende CNG-Menge über die zweite CNG-Injektorvorrichtung alleine eingedüst, wobei eine teilweise Überschneidung von Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil des jeweiligen Zylinders ermöglicht wird. Gemäß einer Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass im Bereich des Scavenging, also bei einer hohen Ventilüberschneidung bei niedrigen Drehzahlen die einzudüsende CNG-Menge nur über die zweite CNG-Injektorvorrichtung erfolgt.
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Vorteilhafterweise wird die einzudüsende CNG-Menge über die erste CNG-Injektorvorrichtung und die zweite Injektorvorrichtung eingedüst, insbesondere bei hoher Last und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann eine Reichweite eines Kraftfahrzeugs wie bei einer Eindüsung der einzudüsende CNG-Menge über die erste CNG-Injektorvorrichtung alleine erreicht werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit vom Betriebsparameter des CNG die einzudüsende CNG-Menge folgendermaßen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingedüst werden: bei einem Betriebsparameter des CNG in einem normalen Niveau, beispielsweise bei einem Tankdruck von ungefähr 16 bar oder mehr, kann die einzubringende CNG-Menge über die erste CNG-Injektorvorrichtung und/oder die zweite CNG-Injektorvorrichtung in den Brennraum eingebracht werden. Beispielsweise kann eine Eindüsung der einzudüsenden CNG-Menge vom Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine abhängen. Wenn sich der Betriebsparameter des CNG unterhalb des normalen Niveaus befindet, beispielsweise bei einem Tankdruck zwischen 5 bar und 15 bar, vorzugsweise bei einem Tankdruck, als Referenzdruck zum Beispiel 16 bar oder weniger, kann die einzubringende CNG-Menge geändert eingebracht werden, zum Beispiel über die erste CNG-Injektorvorrichtung und/oder die zweite CNG-Injektorvorrichtung in den Brennraum eingebracht werden. Auch hier kann eine Eindüsung der einzudüsenden CNG-Menge beispielsweise vom Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine abhängen. Eine Ausgestaltung sieht zum Beispiel vor, dass die einzudüsende CNG-Menge bei einem abnehmenden Tankdruck und/oder einer Verringerung des Tankvorrats mit einem abnehmenden, zuerst aber noch überwiegenden Anteil über die zweite CNG-Injektorvorrichtung in den Brennraum eingedüst wird. Die direkt in den Brennraum eindüsbare Kraftstoffmenge wird zum Beispiel bei abnehmenden Druck jedoch geringer werden und würde irgendwann nicht mehr ausreichen, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine konstant zu halten. Es besteht die Möglichkeit, in einem gewissen Spielraum durch eine Änderung der Einspritzdauer einen Ausgleich zu schaffen. Zum Beispiel kann aber auch die Eindüsmenge über die zweite CNG-Injektorvorrichtung mit abnehmenden Tankdruck geringer werden, hingegen die der ersten CNG-Injektorvorrichtung ansteigen. Somit kann bei auch bei einem geringer werdenden Druck, insbesondere geringer werdendem Tankdruck die Grundlast der Brennkraftmaschine auch von der ersten CNG-Injektorvorrichtung immer stärker, insbesondere schließlich gemäß einer Ausgestaltung auch allein übernommen werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt umfassend mindestens einen Programmteil, welcher, wenn in einer Motorsteuerung geladen, zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist. Hierbei weist das Computerprogramm vorzugsweise die Möglichkeit auf, als selbstlernendes Programm zu agieren. Dadurch kann zum Beispiel auf den jeweiligen Benutzer des Kraftfahrzeugs, auf die Umgebungsbedingungen für das Kraftfahrzeug aber auch auf die Brennkraftmaschine selbst und deren Zustand in einzelnen Programmschritten und/oder Programmblöcken angepasst reagiert werden.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung vorgeschlagen, die in einem Steuergerät, vorzugsweise in einem Motorsteuergerät das oben beschriebene Verfahren implementiert aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer oben beschriebenen Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung hervor. Die aus den Figuren und der Beschreibung hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können aus ein oder mehreren Figuren ein oder mehrere Merkmale mit anderen Merkmalen aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale nicht beschränkend sondern beispielhaft angegeben. Es zeigen:
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1 ein Diagramm einer Betriebsstrategie einer Brennkraftmaschine gemäß des Standes der Technik;
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2 ein Diagramm einer Betriebsstrategie einer anderen Brennkraftmaschine gemäß des Standes der Technik;
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3 einen Halbschnitt eines Ausschnitts einer Brennkraftmaschine;
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4 ein Diagramm einer Betriebsstrategie zum Einbringen von CNG in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß 3; und
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5 eine schematische Zeichnung eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Motorsteuerung.
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1 und 2 sind jeweils im Stand der Technik ausführlich gewürdigt worden, worauf im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird.
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3 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, die beispielsweise als Erdgasmotor, Ottomotor oder als Dieselmotor ausgebildet sein kann. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen oder mehrere Zylinder 12, von denen in 1 beispielhaft einer abgebildet ist. Einem Brennraum 14 des Zylinders 12 ist über ein Saugrohr 16 Frischluft zuführbar. Ferner ist über eine erste CNG-Injektorvorrichtung 18 dem Saugrohr 16 Kraftstoff in Form von CNG zuführbar. Das auf diese Weise im Saugrohr 5 erzeugte Luft-Kraftstoffgemisch wird über ein Einlassventil 20 in einen Ansaugtrakt des Zylinders 12 dem Brennraum 14 zugeführt. Über eine zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 lässt sich dem Brennraum 14 Kraftstoff in Form von CNG auch direkt zuführen. Das bei einer Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches im Brennraum 14 gebildete Abgas wird über ein Auslassventil 24 in einen Abgasstrang 26 während eines Ausschiebetaktes ausgestoßen. Durch die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches im Brennraum 14 wird ein Kolben 28 des Zylinders 12 in Bewegung versetzt. Ein Sensor 30 erfasst einen Betriebsparameter des CNG. Der Betriebsparameter kann beispielsweise ein Tankvorrat und/oder ein Betriebsdruck sein. Der erfasste Betriebsparameter wird einer Motorsteuerung 32 zugeführt. Die Motorsteuerung 32 steuert die erste CNG-Injektorvorrichtung 18 und die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 zur Eindüsung von Kraftstoff. Diese Ansteuerung erfolgt abhängig von der Motorlast und der Motordrehzahl. Weiterhin erfolgt eine Ansteuerung der ersten CNG-Injektorvorrichtung 18 und der zweiten CNG-Injektorvorrichtung 22 in Abhängigkeit des Betriebsparameters des CNG. Ferner werden der Motorsteuerung 32 beispielsweise auch ein Verbrauch des CNG, eine Emission der Brennkraftmaschine und/oder eine Fahrstreckeninformation zugeführt, beispielsweise werden der Verbrauch des CNG, die Emission der Brennkraftmaschine und/oder Fahrstreckeninformationen ebenfalls durch den Sensor 30 erfasst, bevor eine einzudüsende CNG-Menge über die erste CNG-Injektorvorrichtung 18 und/oder über die zweite Injektorvorrichtung 22 eingedüst wird.
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Durch Verwendung der ersten CNG-Injektorvorrichtung 18 und der zweiten CNG-Injektorvorrichtung 22 wird ein so genanntes Doppeleinspritzsystem oder Dual-Injection-System ausgebildet. Dies ermöglicht es, dass eine für eine Verbrennung notwendige CNG-Menge sowohl ins Saugrohr 16 mittels der ersten CNG-Injektorvorrichtung 18, als auch in den Brennraum 14 direkt mittels der zweiten CNG-Injektorvorrichtung 22 eingedüst werden. Üblicherweise wird bei so einem System die erste CNG-Injektorvorrichtung 18 als eine Niederdruckinjektorvorrichtung ausgebildet, und wie in 1 dargestellt, vor dem Einlassventil 20 im Saugrohr 16 angeordnet. Die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 ist beispielsweise als Hochdruck-Injektorvorrichtung ausgebildet. Die einzudüsende CNG-Menge kann entweder durch die erste CNG-Injektorvorrichtung 18, durch die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 oder durch beide CNG-Inkjektorvorrichtungen 18, 20 in den Brennraum 14 eingedüst werden.
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Die Brennkraftmaschine 10 wird bei einer Eindüsung einer einzudüsende CNG-Menge über die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 vorzugsweise mit einer Mindestmenge an CNG und/oder einer Mindestansteuerdauer gefahren. Dadurch wird die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 von dem einzudüsenden CNG gekühlt.
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4 zeigt ein Diagramm einer Betriebsstrategie für eine Brennkraftmaschine 10 gemäß 3. Auf der y-Achse ist der effektive Mitteldruck in bar und auf der x-Achse die Motordrehzahl in 1/min angegeben. In 3 ist erkennbar, dass in einem unteren Drehzahlbereich und einem oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine die einzudüsende CNG-Menge über die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 eingedüst wird, wobei eine teilweise Überschneidung von Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil des jeweiligen Zylinders ermöglicht wird. Dies ist beispielsweise auch bei niedrigen Betriebsdrücken des CNG möglich, da die zur Verfügung stehende Eindüsdauer lang genug ist. Weiterhin ist in 4 erkennbar, dass die einzudüsende CNG-Menge über die erste CNG-Injektorvorrichtung 18 und/oder über die zweite Injektorvorrichtung 22 eingedüst wird, insbesondere bei hoher Last und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. In anderen Betriebsbereichen wird in Abhängigkeit des Betriebsparameters des CNG folgendermaßen verfahren: Bei einem normalen Betriebsparameter des CNG, beispielsweise bei einem Tankdruck von ungefähr 16 bar als Referenzdruck und mehr, erfolgt eine Eindüsung in den Brennraum 14 vorzugsweise über die zweite CNG-Injektorvorrichtung 18 oder mittels einer Kombination der beiden CNG-Injektorvorrichtungen 18, 22, zum Beispiel in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Bei einem niedrigen Betriebsparameter des CNG, beispielsweise unterhalb von einem Referenzdruck des Tankdrucks, zum Beispiel 16 bar Tankdruck, wie zum Beispiel zwischen 5 bar bis 15 bar, erfolgt eine Eindüsung in den Brennraum 14 über die erste CNG-Injektorvorrichtung 18, über die zweite CNG-Injektorvorrichtung 22 oder mittels einer Kombination der beiden CNG-Injektorvorrichtungen 18, 22, zum Beispiel in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Jedoch wird dabei eine größere Menge des einzudüsenden CNGs über die erste CNG-Injektorvorrichtung 18 eingedüst, weil beispielsweise durch einen niedrigen Betriebsdrucks des CNG die Eindüsdauer durch den zweiten CNG-Injektor 22 länger wird. Durch eine derartige Betriebsstrategie der Brennkraftmaschine 10 wird ein gutes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und ein guter transienter Lastaufbau ermöglicht. Gleichzeitig erreicht ein Kraftfahrzeug durch die Verwendung des Verfahrens eine Reichweite wie bei einem Kraftfahrzeug, bei dem eine einzudüsende CNG Menge lediglich nur in das Saugrohr erfolgt.
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5 zeigt eine schematische Zeichnung eines Kraftfahrzeugs 34. Das Kraftfahrzeug 34 umfasst eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 weist eine Motorsteuerung 36 auf. In der Motorsteuerung 36 ist eine Computereinheit mit einem Speichermedium 38. Das Speichermedium 38 kann beispielsweise ein Random Access Memory Modul, abgekürzt RAM, einem Read-Only Memory Modul, abgekürzt ROM, eine CD, eine DVD eine Festplatte oder ähnliches sein. Auf dem Speichermodul 38 ist ein Computerprogrammprodukt 40 gespeichert. Das Computerprogrammprodukt 40 kann Programmteile umfassen, welche eine Betriebsstrategie gemäß 4 umfassen. Somit kann mit Hilfe des Programmprodukts 40 die Motorsteuerung 36 die Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des CNG steuern.
