DE102014224149A1

DE102014224149A1 - Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014224149A1
Application number: DE102014224149.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kellner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-02
Also published as: CN105804890A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine, umfassend einen Kraftstoffbehälter (1) zur Bevorratung von flüssigem Erdgas sowie eine elektrisch antreibbare Kraftstoffpumpe (2) zur Förderung des flüssigen Erdgases auf Hochdruck, wobei die Kraftstoffpumpe (2) als Radialkolbenpumpe ausgeführt ist, die mindestens ein Pumpenelement (3) mit einem Pumpenkolben (4) besitzt, der einen Pumpenarbeitsraum (5) begrenzt und über eine mit einem Elektromotor (6) verbundene Welle (7) in einer Hubbewegung antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine, umfassend einen Kraftstoffbehälter zur Bevorratung von flüssigem Erdgas sowie eine elektrisch antreibbare Kraftstoffpumpe zur Förderung des flüssigen Erdgases auf Hochdruck.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 088 795 A1 geht ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine hervor, die mit mindestens zwei Kraftstoffarten betrieben werden kann und eine elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe für mindestens eine der beiden Kraftstoffarten umfasst. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist ausgangsseitig mit einer für die zwei Kraftstoffarten gemeinsamen Hochdruckleitung verbunden, über welche eine Einspritzeinrichtung mit verdichtetem Kraftstoff der ersten oder der zweiten Art versorgbar ist. Der erste Kraftstoff kann insbesondere Benzin oder Dieselkraftstoff sein, während als zweiter Kraftstoff Flüssiggas oder ein sonstiger Kraftstoff mit einem vergleichsweise hohen Dampfdruck vorgeschlagen wird. Als zweiter Kraftstoff wird demnach ein Gas, wie beispielsweise Autogas (LPG, d. h. "Liquefied Petroleum Gas"), vorgeschlagen, das auch bei Normaltemperaturen unter Druck noch flüssig bleibt, so dass die Nutzung einer gemeinsamen Hochdruckleitung für beide Kraftstoffarten überhaupt möglich ist.
Erdgas (NG, d. h. "Natural Gas") ist bei Normaltemperaturen selbst unter hohem Druck gasförmig (CNG, d. h. "Compressed Natural Gas"). Um verdichtetes Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzublasen sind daher spezielle Einblasventile erforderlich, die sich von denen zur Direkteinspritzung von Benzin oder Dieselkraftstoff unterscheiden. Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. "Liquefied Natural Gas") ein deutlich geringeres Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendung in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa –160 °C heruntergekühlt.
Der Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Erdgas erfordert demnach ein speziell an diese Kraftstoffart angepasstes Kraftstoffversorgungssystem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine anzugeben, das zudem einfach aufgebaut und kostengünstig umsetzbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Kraftstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffversorgungssystem umfasst einen Kraftstoffbehälter zur Bevorratung von flüssigem Erdgas sowie eine elektrisch antreibbare Kraftstoffpumpe zur Förderung des flüssigen Erdgases auf Hochdruck. Die Kraftstoffpumpe ist als Radialkolbenpumpe ausgeführt und besitzt mindestens ein Pumpenelement mit einem Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt und über eine mit einem Elektromotor verbundene Welle in einer Hubbewegung antreibbar ist.
Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffversorgungssystem kommt demnach eine Kraftstoffpumpe zum Einsatz, die ähnlich der eines Einspritzsystems für Dieselkraftstoffe aufgebaut ist. Entsprechend können bereits vorhandene Komponenten einer solchen Radialkolbenpumpe verwendet werden, was den Aufbau vereinfacht und sich zudem kostenmindernd auswirkt. Im Unterschied zu den bekannten Radialkolbenpumpen wird die Kraftstoffpumpe des vorgeschlagenen Kraftstoffversorgungssystems jedoch über einen Elektromotor angetrieben, was weitere Vorteile mit sich bringt.
Denn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Förderleistung der Kraftstoffpumpe des vorgeschlagenen Kraftstoffversorgungssystems über die Drehzahl des Elektromotors steuerbar. Die Kraftstoffpumpe kann demnach räumlich entfernt von der Brennkraftmaschine angeordnet werden, so dass sie dem Temperatureinfluss der Brennkraftmaschine entzogen ist.
Bevorzugt ist bzw. sind der Elektromotor außerhalb des Kraftstoffbehälters und/oder die Kraftstoffpumpe ganz oder teilweise innerhalb des Kraftstoffbehälters angeordnet. Das heißt, dass vorzugsweise die mit dem Elektromotor verbundene Welle für den Antrieb der Kraftstoffpumpe vergleichsweise lang ausgeführt ist. Die Anordnung des Elektromotors außerhalb des Kraftstoffbehälters besitzt den Vorteil, dass in den im Kraftstoffbehälter bevorrateten Kraftstoff kaum Verlustwärme des Elektromotors eingetragen wird.
Des Weiteren bevorzugt besitzt die Kraftstoffpumpe einen mit flüssigem Erdgas befüllbaren Triebwerksraum, über den der Pumpenarbeitsraum des Pumpenelements mit flüssigem Erdgas versorgbar ist. Der im Kraftstoffbehälter bevorratete Kraftstoff wird demnach über den Triebwerksraum dem Pumpenarbeitsraum des Pumpenelements zugeführt. Dadurch wird der Wärmeeintrag der Kraftstoffpumpe über den Kraftstoff in den Tank vermieden, da die Verlustwärme erzeugenden Komponenten der Kraftstoffpumpe vorrangig im Bereich des Triebwerksraums angeordnet sind, wie beispielsweise das Triebwerk selbst, das beispielsweise als Nocken- oder Exzentertriebwerk ausgestaltet sein kann, sowie die Lager der Welle. Der Triebwerksraum ist weiterhin bevorzugt in einem Pumpengehäuse ausgebildet, in dem ferner zumindest abschnittsweise die mit dem Elektromotor verbundene Welle aufgenommen ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Pumpenelement saugseitig ein Einlassventil besitzt, über welches der Pumpenarbeitsraum mit dem Triebwerksraum verbindbar ist. Das Einlassventil kann beispielsweise als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein, das ein Rückströmen des Kraftstoffs entgegen der Förderrichtung verhindert, so dass im Förderbetrieb der Kraftstoffpumpe Druck im Pumpenarbeitsraum aufgebaut werden kann.
Druckseitig besitzt das Pumpenelement bevorzugt ein Auslassventil, über welches der Pumpenarbeitsraum mit einer Hochdruckleitung verbindbar ist. Das Auslassventil kann ebenfalls als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein, das öffnet, wenn der Druck im Pumpenarbeitsraum einen vorgegebenen Öffnungsdruck des Auslassventils übersteigt. Bevorzugt ist die an das Auslassventil anschließende Hochdruckleitung über ein Druckbegrenzungsventil mit dem Triebwerksraum verbindbar. Das Druckbegrenzungsventil verhindert, dass der Druck in der Hochdruckleitung über einen vorgegebenen Grenzwert steigt, da es zuvor öffnet und einen Teil des zuvor auf Hochdruck geförderten Kraftstoffs zurück in den Triebwerksraum führt.
Ferner bevorzugt weist das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem einen Verdampfer auf, der in Förderrichtung des Erdgases stromabwärts der Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Die Anordnung des Verdampfers erfolgt außerhalb des Kraftstoffbehälters, wobei der Verdampfer über die Hochdruckleitung mit der Druckseite der Kraftstoffpumpe verbunden ist. Im Verdampfer wird das verdichtete Erdgas vollständig in einen gasförmigen Zustand überführt.
In Förderrichtung des Erdgases stromabwärts der Kraftstoffpumpe und/oder des Verdampfers ist weiterhin bevorzugt ein Hochdruckspeicher angeordnet. Im Hochdruckspeicher wird das verdichtete, nunmehr gasförmige Erdgas gespeichert und für eine Einblasvorrichtung vorgehalten. Das Einblasen des verdichteten gasförmigen Erdgases in den Brennraum der Brennkraftmaschine kann beispielsweise mittels eines Saugrohrs erfolgen. Wird die Brennkraftmaschine ausschließlich mit Erdgas betrieben (Mono-Fuel-System), erfolgt die Zündung unter Zuhilfenahme einer Zündkerze. Sofern die Brennkraftmaschine mit einem weiteren Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, betreibbar ist (Dual-Fuel-System), kann die Zündung mittels Dieseleinspritzung bewirkt werden. Ferner kann bei einem Dual-Fuel-System das Erdgas auch direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen werden. Die Direkteinblasung erfordert zwingend den Einsatz einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, da diese nur unter hohem Druck erfolgen kann.
Vorteilhafterweise besitzt die Kraftstoffpumpe des vorgeschlagenen Kraftstoffversorgungssystems mindestens zwei, vorzugsweise drei Pumpenelemente. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Förderung von Erdgas auf Hochdruck bei zugleich niedrigem Antriebsmoment erzielt. Ferner kann druckseitig vorgesehene Speichervolumen des Hochdruckspeichers reduziert werden. Weiterhin vorzugsweise werden sämtliche Pumpenelemente über den Triebwerksraum mit flüssigem Erdgas versorgt, so dass das Druckniveau im Triebwerksraum gering ist. Dies hat den Vorteil, dass die Druckbelastung der Dichtelemente im Bereich der Wellendurchführung zum Elektromotor hin gering ist und die Abdichtung verbessert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das schematisch dargestellte Kraftstoffversorgungssystem umfasst einen Kraftstoffbehälter 1 zur Bevorratung des flüssigen Erdgases. Indem Kraftstoffbehälter 1 ist eine als Radialkolbenpumpe ausgebildete Kraftstoffpumpe 2 angeordnet. Die Kraftstoffpumpe 2 besitzt mehrere Pumpenelemente 3, die radial um eine Welle 7 angeordnet sind. In der Darstellung ist der Einfachheit halber lediglich ein Pumpenelement 3 dargestellt. Jedes Pumpenelement 3 besitzt einen Pumpenkolben 4, dessen erstes Ende einen Pumpenarbeitsraum 5 begrenzt und dessen zweites Ende an einem Nocken 15 der Welle 7 abgestützt ist. Die Welle 7 ist über Wellenlager 16 drehbar gelagert und mit einem Elektromotor 6, der außerhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet ist, verbunden. Über den Elektromotor 6 ist die Welle 7 in einer Drehbewegung antreibbar. Der Nocken 15 wandelt die Drehbewegung der Welle 7 in eine Hubbewegung der hieran abgestützten Pumpenkolben 4 um. Die Welle 7 ist zur Verbindung mit dem Elektromotor 6 nach Außen geführt, wobei im Bereich der Durchführung ein Wellendichtring 17 angeordnet ist. Der Elektromotor 6 besitzt einen Drehzahlmesser 18, da die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 2 über die Drehzahl des Elektromotors 6 steuerbar ist.
Die Welle 7 ist in einem Pumpengehäuse 19 aufgenommen, das einen Triebwerksraum 8 ausbildet. Der Triebwerksraum 8 ist mit flüssigem Erdgas gefüllt. Über ein Einlassventil 9 wird das im Triebwerksraum 8 vorhandene flüssige Erdgas den Pumpenarbeitsräumen der Pumpenelemente 3 zugeführt. Dort wird das flüssige Erdgas verdichtet und anschließend über ein Auslassventil 10 in eine Hochdruckleitung 11 entlassen.
Steigt der Druck in der Hochdruckleitung 11 über einen zulässigen Grenzwert an, wird eine Teilmenge des verdichteten Erdgases über ein Druckbegrenzungsventil 12 zurück in den Triebwerksraum 8 geführt.
Die Hochdruckleitung 11 verbindet die Druckseite der Kraftstoffpumpe 2 mit einem Verdampfer 13. Dort wird das verdichtete noch flüssige Erdgas vollständig in den gasförmigen Zustand überführt. Das gasförmige Erdgas wird dann einem Hochdruckspeicher 14 zugeführt, der der Versorgung einer nicht näher dargestellten Einblasvorrichtung mit dem gasförmigen Erdgas dient. Zur Überwachung des Drucks und der Temperatur im Hochdruckspeicher 14 ist am Hochdruckspeicher 14 ein Druck- und Temperatursensor 20 angeordnet. Übersteigt der Druck einen vorgegebenen Grenzwert, kann eine Entlastung über ein Druckbegrenzungsventil 21 erreicht werden, das ebenfalls am Hochdruckspeicher 14 angeordnet ist. Des Weiteren sind im Bereich des Hochdruckspeichers 14 ein Druckregelventil 22 sowie ein Absperrventil 23 angeordnet.
Ein weiteres Druckbegrenzungsventil 24 ist vorliegend am Kraftstoffbehälter 1 angeordnet.
Das dargestellte Kraftstoffversorgungssystem ermöglicht die Verwendung von Komponenten, die bereits in ähnlicher Art aus Einspritzsystemen für Dieselkraftstoffe bekannt sind. Dies wirkt sich kostenmindernd aus. Ferner zeichnet sich das dargestellte System durcheinen einfachen Aufbau aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011088795 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Erdgas betreibbare Brennkraftmaschine, umfassend einen Kraftstoffbehälter (1) zur Bevorratung von flüssigem Erdgas sowie eine elektrisch antreibbare Kraftstoffpumpe (2) zur Förderung des flüssigen Erdgases auf Hochdruck, wobei die Kraftstoffpumpe (2) als Radialkolbenpumpe ausgeführt ist, die mindestens ein Pumpenelement (3) mit einem Pumpenkolben (4) besitzt, der einen Pumpenarbeitsraum (5) begrenzt und über eine mit einem Elektromotor (6) verbundene Welle (7) in einer Hubbewegung antreibbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Kraftstoffpumpe (2) über die Drehzahl des Elektromotors (6) steuerbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) außerhalb des Kraftstoffbehälters (1) und/oder die Kraftstoffpumpe (2) ganz oder teilweise innerhalb des Kraftstoffbehälters (1) angeordnet ist bzw. sind.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (2) einen mit flüssigem Erdgas befüllbaren Triebwerksraum (8) besitzt, über den der Pumpenarbeitsraum (5) des Pumpenelements (3) mit flüssigem Erdgas versorgbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenelement (3) saugseitig ein Einlassventil (9) besitzt, über welches der Pumpenarbeitsraum (5) mit dem Triebwerksraum (8) verbindbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenelement (3) druckseitig ein Auslassventil (10) besitzt, über welches der Pumpenarbeitsraum (5) mit einer Hochdruckleitung (11) verbindbar ist, die vorzugsweise über ein Druckbegrenzungsventil (12) mit dem Triebwerksraum (8) verbindbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung des Erdgases stromabwärts der Kraftstoffpumpe (2) ein Verdampfer (13) angeordnet ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung des Erdgases stromabwärts der Kraftstoffpumpe (2) und/oder des Verdampfers (13) ein Hochdruckspeicher (14) angeordnet ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (2) zwei oder drei Pumpenelemente (3) besitzt.