DE102014218739B4

DE102014218739B4 - Verfahren zum Betrieb eines DME-Verbrennungsmotors mit Dieselkraftstoff sowie Kraftfahrzeug mit DME-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102014218739B4
Application number: DE102014218739.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Winge Vigild; Werner Willems
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: DE102014218739A1; CN104612840A

Abstract

Verfahren, einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, der für Verbrennung von DME-Kraftstoff und für Zylinderabschaltung eingerichtet ist, mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff zu betreiben,dadurch gekennzeichnet, dassder Verbrennungsmotor für Verbrennung von DME-Kraftstoff, aber nicht für Verbrennung von Dieselkraftstoff optimiert ist und dass die Zylinderabschaltung dann und nur dann aktiv ist, wenn der Verbrennungsmotor ausnahmsweise mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, einen für Verbrennung von DME eingerichteten Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff statt mit DME zu betreiben, sowie ein Kraftfahrzeug mit DME-Verbrennungsmotor gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 11 2007 000 515 T5 bekannt.
DME (Dimethylether) ist ein Biodiesel der zweiten Generation, der ähnlich handhabbar ist wie Flüssiggas für Ottomotoren, aber mit Cetan-Zahlen zwischen 55 und 60 optimal für Dieselmotoren geeignet ist. DME kann aus Biomasse erzeugt werden und ist dann bis auf den Prozess zu seiner Herstellung CO₂-neutral. Mit seiner geringen Molekülgröße verbrennt DME im Motor sehr leise und vor allem schadstoffarm. Um einen konventionellen Dieselmotor mit DME betreiben zu können, das einen nur halb so großen Heizwert wie fossiler Dieselkraftstoff hat, muss man lediglich die Einspritzdüsen und die Motorsteuersoftware entsprechend modifizieren, und man benötigt einen Drucktank mit entsprechend größerem Volumen.
Aus den obigen Gründen hat sich DME als ein attraktiver Kraftstoffersatz für fossilen Dieselkraftstoff erwiesen. Doch ist DME-Kraftstoff nicht überall verfügbar. Daher ist es wünschenswert, einen DME-Verbrennungsmotor nötigenfalls auch mit fossilem Dieselkraftstoff betreiben zu können. Weil die physikalischen Eigenschaften von DME und fossilem Dieselkraftstoff nicht sehr verschieden sind, wäre dies nicht grundsätzlich unmöglich. Es wäre denkbar, die Motorsteuersoftware und nötigenfalls auch die Einspritzdüsen so modifizieren, dass zumindest ein Notbetrieb mit fossilem Dieselkraftstoff möglich ist, wenn einmal kein DME getankt werden kann. Doch wäre es dann nicht möglich, den Dieselkraftstoff ebenso schadstoffarm zu verbrennen wie bei einem nur für fossilen Dieselkraftstoff ausgelegten Verbrennungsmotor, und auch der Wirkungsgrad könnte leiden, d. h., eine gegebene Menge Dieselkraftstoff liefert möglicherweise weniger mechanische Leistung als in einem reinen Dieselmotor. Stattdessen würde tendenziell mehr Wärmeenergie im Verhältnis zur mechanischen Leistung produziert, was nicht nur den Wirkungsgrad verringert, sondern auch das Kühlsystem überfordern kann.
Die gattungsbildende DE 11 2007 000 515 T5 offenbart Energiemanagementstrategien für Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, der mit Ethanol und/oder Benzin und/oder DME und/oder Dieselkraftstoff betrieben werden kann. Es sind verschiedene mögliche Betriebsarten des Verbrennungsmotors angegeben, zu denen ein aktives Kraftstoffmanagement gehört, das auch als bedarfsabhängiger Hubraum oder Zylinderabschaltung bekannt ist. Zylinderabschaltung ermöglicht eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren. Dazu wird bei geringer Leistungsanforderung die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe unterbrochen, die aus einem oder mehreren Zylindern bestehen kann. Zusätzlich kann die Luftzufuhr z. B. durch Deaktivieren der Ventile der abgeschalteten Zylinder unterbrochen werden, um Gaswechselverluste zu vermeiden, doch gibt es hierfür auch andere Lösungen.
Die DE 10 2005 040 551 B4 betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Biodieselanteils im Kraftstoff eines Dieselmotors und offenbart, dass wegen unterschiedlicher stöchiometrischer Faktoren von Biodiesel und fossilem Diesel für eine vollständige Verbrennung des Biodiesels im Vergleich zu einer vollständigen Verbrennung von fossilem Diesel weniger Luftmasse benötigt wird.
Die DE 100 42 490 A1 offenbart, die Zusammensetzung eines Kraftstoffs vor der Verbrennung zu ermitteln und die Einspritzmenge und/oder den Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung zu steuern.
Der aus der gattungsbildenden DE 11 2007 000 515 T5 bekannte Verbrennungsmotor ist nicht wie üblich für Betrieb nur mit einem ganz bestimmten Kraftstoff ausgelegt und entsprechend optimiert, sondern soll offenbar mit beliebigen Kraftstoffmischungen betrieben werden können. Dazu muss die Kraftstoffzusammensetzung ermittelt werden oder dem Motorsteuersystem beim Betanken mitgeteilt werden, und das Motorsteuersystem muss die Motorsteuerparameter entsprechend adaptieren. Das Letztere ist keine einfache Angelegenheit, und wenn zusätzlich Zylinderabschaltung verwendet werden soll, wird es noch komplizierter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen für Verbrennung von DME-Kraftstoff eingerichteten Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff betreiben zu können, ohne die vorgenannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist der Verbrennungsmotor für Verbrennung von DME-Kraftstoff, aber nicht für Verbrennung von Dieselkraftstoff optimiert, d. h., insbesondere hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionen, und die Zylinderabschaltung ist dann und nur dann aktiv, wenn der Verbrennungsmotor ausnahmsweise mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff betrieben wird. Somit werden nur einige der Zylinder des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff versorgt, während die anderen abgeschaltet sind, wenn der Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff betrieben wird.
Auf diese Weise kann ein vorhandener, für DME-Kraftstoff optimierter Verbrennungsmotor auf sehr einfache Weise für ausnahmsweise Verbrennung von Dieselkraftstoff umgerüstet werden, wobei nicht einmal die Einspritzdüsen gewechselt werden müssen.
In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung bleibt die Zylinderabschaltung bei DME-Verbrennung stets inaktiv, und bei Dieselverbrennung sind einige Zylinder ständig abgeschaltet. Wegen des größeren Heizwerts von Dieselkraftstoff würde damit auch im Dieselbetrieb ungefähr oder fast die volle Motorleistung erreicht. Doch wäre es mit wenig Mehraufwand möglich, bei Dieselverbrennung kurzzeitig sämtliche Zylinder arbeiten zu lassen, wenn der Fahrer Maximalleitung abruft. In einer derartigen Ausführungsform würde sich der Verbrennungsmotor bei Dieselverbrennung jedenfalls viel häufiger in einem Zylinderabschaltbetrieb befinden als im Falle eines ausschließlich für Diesel oder ausschließlich für DME ausgelegten Verbrennungsmotors mit aktivem Kraftstoffmanagement.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden stets alle Zylinder eines Verbrennungsmotors mit n Zylindern zu gleichen Teilen mit Kraftstoff versorgt, wenn der Verbrennungsmotor mit DME-Kraftstoff betrieben wird, und wenn er mit Dieselkraftstoff betrieben wird, werden n/2 oder n/4 Zylinder (falls dies eine ganze Zahl ergibt) oder eine dazwischen liegende ganze Zahl von Zylindern mit Kraftstoff versorgt und die übrigen Zylinder nicht.
Zum Beispiel, wenn der Verbrennungsmotor über vier Zylinder verfügt, werden vorzugsweise zwei oder drei der Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt, während der Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dies korrespondiert gut mit dem geringeren Heizwert von DME und dem geringeren Einspritzdruck bei DME-Verbrennung gegenüber Dieselverbrennung. So können die Einspritzdüsen der gefeuerten Zylinder, die für DME-Verbrennung größer sein müssen als für Dieselverbrennung, für jede gegebene Leistungsanforderung ungefähr dieselbe Menge Dieselkraftstoff einspritzen wie bei DME-Verbrennung. D. h., jedem mit Dieselkraftstoff versorgten Zylinder kann pro Takt ungefähr die gleiche Kraftstoffmenge (nach Volumen oder Gewicht, mit entsprechend größerem Heizwert) zugeführt werden wie ihm in einem DME-Betrieb bei der gleichen Leistungsanforderung zugeführt würde. Auf diese Weise können die gefeuerten Zylinder eher in Lastbereichen mit geringem Schadstoffausstoß und gutem Wirkungsgrad laufen.
Dies ermöglicht es, die für Dieselmotoren bestehenden Abgasnormen mit wenig Aufwand auch dann einzuhalten, wenn ein für Verbrennung von DME-Kraftstoff eingerichteter und hinsichtlich der Einhaltung der Abgasnormen optimierter Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff läuft. Ein Betrieb mit Dieselkraftstoff ist dann nicht nur als reiner Notbetrieb möglich, der so bald wie möglich beendet werden muss, sondern kann wesentlich länger fortgesetzt werden als für Notfälle erlaubt. Lediglich ein etwas unruhigerer Lauf ist hinzunehmen.
Ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Kraftfahrzeug benötigt außer geringen Modifikationen der Motosteuersoftware lediglich einen Umschalter zum Umschalten zwischen Betrieb mit DME-Kraftstoff und mit ausnahmsweisem Betrieb mit Dieselkraftstoff. Ein derartiger Umschalter kann sehr einfach aufgebaut sein. Zum Beispiel kann man einen manuellen Umschalter vorsehen, der vom Fahrer betätigt wird, oder es wird automatisch auf Dieselbetrieb umgeschaltet, sobald ein Füllstandsensor anzeigt, dass ein DME-Kraftstofftank leer ist.
Ein 4-Zylinder-Kraftfahrzeug-Dieselmotor ist für Verbrennung von DME-Kraftstoff eingerichtet, indem die Einspritzventile und ggf. die Einspritzpumpe gegen solche mit größerer Fördermenge ausgetauscht wurden und die Motorsteuersoftware geeignet modifiziert wurde. Der Motor ist in einem Kraftfahrzeug mit einem für DME-Kraftstoff geeigneten Tank eingebaut.
Der Verbrennungsmotor kann auch mit konventionellem Dieselkraftstoff betrieben werden, der sich z. B. in einem separaten Tank befinden kann. Es wäre auch denkbar, dass der Dieselkraftstoff in den für DME-Kraftstoff geeigneten Tank gefüllt werden kann, wenn dieser leer und drucklos ist.
Im Betrieb mit konventionellem Dieselkraftstoff werden nur einer oder zwei Zylinder des Verbrennungsmotors mit Dieselkraftstoff versorgt, während die anderen abgeschaltet sind, indem deren Kraftstoffzufuhr und ggf. auch Luftzufuhr unterbrochen wird. Bei gleicher Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor erhält jeder gefeuerte Zylinder mengenmäßig ungefähr ebenso viel Kraftstoff wie im Betrieb mit DME-Kraftstoff, aber mehr Frischluft, und liefert dementsprechend mehr Leistung, so dass die Gesamtleistung des Verbrennungsmotors ungefähr gleich bleibt.
Für den Fall, dass im Dieselbetrieb mehr Leistung abgerufen wird als die gerade gefeuerten Zylinder liefern können, kann vorgesehen werden, dass mehr als der eine oder die zwei Zylinder mit Dieselkraftstoff versorgt werden, z. B. zwei oder drei oder eventuell alle vier Zylinder.

Claims

Verfahren, einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, der für Verbrennung von DME-Kraftstoff und für Zylinderabschaltung eingerichtet ist, mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor für Verbrennung von DME-Kraftstoff, aber nicht für Verbrennung von Dieselkraftstoff optimiert ist und dass die Zylinderabschaltung dann und nur dann aktiv ist, wenn der Verbrennungsmotor ausnahmsweise mit Dieselkraftstoff statt mit DME-Kraftstoff betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor n Zylinder hat, dadurch gekennzeichnet, dass stets alle n Zylinder zu gleichen Teilen mit Kraftstoff versorgt werden, wenn der Verbrennungsmotor mit DME-Kraftstoff betrieben wird, und dass n/2 oder n/4 Zylinder oder eine dazwischen liegende ganze Zahl von Zylindern mit Kraftstoff versorgt werden und die übrigen Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt werden, während der Verbrennungsmotor mit Dieselkraftstoff betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der mit Dieselkraftstoff versorgten Zylinder pro Takt ungefähr die gleiche Kraftstoffmenge zugeführt wird wie ihm in einem DME-Betrieb bei der gleichen Leistungsanforderung zugeführt würde.
Kraftfahrzeug mit einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, der für Verbrennung von DME-Kraftstoff und/oder Dieselkraftstoff und für Zylinderabschaltung eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor und dessen Einspritzanlage für Verbrennung von DME-Kraftstoff, aber nicht für Verbrennung von Dieselkraftstoff optimiert sind und dass das Kraftfahrzeug einen Umschalter zum Umschalten zwischen Betrieb mit DME-Kraftstoff und ausnahmsweisem Betrieb mit Dieselkraftstoff aufweist, welcher Umschalter die Zylinderabschaltung dann und nur dann aktiviert, wenn er auf Betrieb mit Dieselkraftstoff geschaltet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug, der Verbrennungsmotor und die Einspritzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 eingerichtet sind.