DE102015211589A1

DE102015211589A1 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem für Erdgas und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015211589A1
Application number: DE102015211589.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem Ansaugsystem (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Zylinder und einem Kraftstoffversorgungssystem (1) zur Versorgung jedes Zylinders mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzvorrichtung (2) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung (3) mit einem Kraftstoffspeicher (4) zumindest verbindbar ist, der zum Bevorraten von als Kraftstoff dienendem komprimiertem Erdgas (CNG) eingerichtet ist, und ein mit der Versorgungsleitung (3) zumindest verbindbares Ausgleichsbehältnis (5) vorgesehen ist, wobei ein 3/3-Wege-Ventil (7) vorgesehen ist, welches über einen ersten Anschluss mit der Versorgungsleitung (3), über einen zweiten Anschluss mit dem Ansaugsystem (6) und über einen dritten Anschluss mit dem Ausgleichsbehältnis (5) zumindest verbindbar ist, und – in einer ersten Schaltposition (A) die Versorgungsleitung (3) mit dem Ausgleichsbehältnis (5) verbindet, – in einer zweiten Schaltposition (B) das Ausgleichsbehältnis (5) mit dem Ansaugsystem (6) verbindet, und – in einer dritten Schaltposition (C) das Ausgleichsbehältnis (5) von dem Ansaugsystem (6) und der Versorgungsleitung (3) trennt, wobei – das Ausgleichsbehältnis (5) in der Art dimensioniert ist, dass das von der Versorgungsleitung (3) in das Ausgleichsbehältnis (5) strömende Gas nicht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt, sondern flüssig bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem Ansaugsystem zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Zylinder und einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung jedes Zylinders mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, der zum Bevorraten von als Kraftstoff dienendem komprimiertem Erdgas (CNG) eingerichtet ist, und ein mit der Versorgungsleitung zumindest verbindbares Ausgleichsbehältnis vorgesehen ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl für die Gewinnung von Kraftstoffen, werden zunehmend alternative Kraftstoffe zum Betrieb von Brennkraftmaschinen 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 werden bei Ottomotoren neben Benzin als dem traditionellen Ottokraftstoff beispielsweise auch Flüssiggas (LPG – Liquified Petroleum Gas), ein Propan-/Butangemisch, welches auch Autogas genannt wird, oder Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas), vornehmlich Methan, oder Wasserstoff (H₂), Ethanol oder Kraftstoffmischungen aus Benzin und Ethanol als Kraftstoff verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Gas als Kraftstoff für die Brennkraftmaschine eingesetzt.
Da unterschiedliche Kraftstoffe unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, muss die Brennkraftmaschine auf den konkret eingesetzten Kraftstoff ausgelegt werden.
Dabei ist eine Anpassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise des Zündzeitpunktes und des Einspritzzeitpunktes, erforderlich. 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.
Die kraftstoffspezifische Auslegung beispielsweise des Kompressionsverhältnisses trägt bei Ottokraftstoffen dem Umstand Rechnung, dass unterschiedliche Kraftstoffsorten eine unterschiedliche Klopffestigkeit, welche durch die Oktanzahlen RON bzw. MON angegeben wird, aufweisen. D. h. ein konkretes Kompressionsverhältnis, welches einen problemlosen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem spezifischen Kraftstoff zulässt, kann bei einem anderen Kraftstoff bereits zum Klopfen oder zur Selbstzündung vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt führen, was in der Folge häufig eine klopfende Verbrennung nach sich zieht. Da Klopfen und Selbstzündung zu verhindern sind, um Beschädigungen an der Brennkraftmaschine zu vermeiden, sind der eingesetzte Kraftstoff bzw. dessen Klopffestigkeit bei der Auslegung der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen.
Der verwendete Kraftstoff hat auch Einfluss auf die konstruktive Auslegung des Kraftstoffversorgungssystems der Brennkraftmaschine, insbesondere auf das Einspritzsystem, welches als Nebenaggregat der Brennkraftmaschine dem Einbringen des Kraftstoffes dient.
Dabei sind grundsätzlich zwei Konzepte zur Kraftstoffeinspritzung zu unterscheiden, nämlich die Saugrohreinspritzung und die Direkteinspritzung.
Bei der Saugrohreinspritzung arbeitet der Ottomotor mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in das Ansaugsystem Kraftstoff in die angesaugte Luft eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllmenge des Zylinders, so dass dem Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem 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 hinter der Drosselklappe und 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.
Um die beschriebenen Drosselverluste, d. h. Ladungswechselverluste, zu reduzieren, wurden verschiedene Konzepte entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens basiert auf der Übernahme technischer Merkmale des traditionellen dieselmotorischen Verfahrens, das charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung, bei der die Last über die direkt in den mindestens einen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert wird. Eine Drosselung der angesaugten Luft entfällt prinzipbedingt.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Wirkungsgradverbesserung kann bei geschichteter Brennraumladung durch Entdrosselung erreicht werden, so dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. Des Weiteren ergibt sich - durch die Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie des direkt im Brennraum verdampfenden Kraftstoffes - ein Zylinderinnenkühlungseffekt, der eine weitere Wirkungsgradsteigerung durch Erhöhung des Kompressionsverhältnisses ermöglicht. Dieser Effekt führt auch bei homogener Direkteinspritzung zur Verbrauchsabsenkung. Die homogene Direkteinspritzung arbeitet dabei wie die Saugrohreinspritzung mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
Nachteilig an der Direkteinspritzung ist, dass für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Aufbereitung des Kraftstoffes, gegebenenfalls durch Verdampfung, und die Durchmischung von Luft 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 herkömmliche ottomotorische Verfahren. Dabei erschwert die Inhomogenität des Gemisches und dessen zyklische Veränderlichkeit eine sichere und definierte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Die vorstehenden Ausführungen zur Direkteinspritzung gelten sowohl für die Verwendung von Benzin als dem traditionellen Ottokraftstoff als auch bei Einsatz von Gas als einem alternativen Kraftstoff.
Bei der Verwendung von Gas als Kraftstoff ergibt sich ein zusätzliches Problem, dass nämlich die Einspritzvorrichtung nicht völlig leckagefrei ist und ein Eintrag von Gas in den mindestens einen Zylinder unmittelbar nach Abschalten der Brennkraftmaschine aufgrund des unverändert hohen Drucks in der Versorgungsleitung nicht vollständig verhindert werden kann; zumindest nicht bis sich der Druck in der Versorgungsleitung genügend reduziert hat.
Dieses gasspezifische Phänomen ist nachteilig sowohl hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs als auch hinsichtlich der Rohemissionen der Brennkraftmaschine und gewinnt zunehmend an Bedeutung, denn ein weiteres Konzept zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs besteht darin, die Brennkraftmaschine, anstatt sie im Leerlauf weiter zu betreiben, abzuschalten, wenn kein Leistungsbedarf besteht. In der Praxis bedeutet dies, dass zumindest bei Fahrzeugstillstand die Brennkraftmaschine ausgeschaltet wird. Ein Anwendungsfall ist der sogenannte Stopp-and-Go-Verkehr, wie er sich beispielsweise im Stau auf Autobahnen und Landstraßen einstellt. Innerstädtisch ist der Stopp-and-Go-Verkehr infolge der vorhandenen und nicht aufeinander abgestimmten Ampelanlagen nicht mehr die Ausnahme, sondern die Regel. Weitere Anwendungsfälle bieten beschrankte Bahnübergänge und dergleichen.
Das Abschalten der Brennkraftmaschine bei fehlender Leistungsanforderung, beispielsweise beim Stopp-and-Go-Verkehr, führt zu einem Start-Stop-Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. zu einem häufigen Abschalten und Starten bzw. Neustarten der Brennkraftmaschine, und damit zu einer Verschärfung des oben beschriebenen Leckageproblems.
Um dem Problem der Leckage entgegen zu wirken, wird gemäß dem Stand der Technik ein Ausgleichsbehältnis vorgesehen, welches mit der Versorgungsleitung verbunden werden kann, um den Druck in der Versorgungsleitung abzubauen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 053 498 A1 beschreibt ein Kraftstoffversorgungssystem, welches zusätzlich zu dem originären Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten des komprimiertem Erdgases dient, mit einer weiteren Speichereinrichtung ausgestattet ist, die durch Öffnen eines ersten Magnetventils mit der Versorgungsleitung und durch Öffnen eines zweiten Magnetventils mit dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine verbindbar ist und dem Druckabbau in der Versorgungsleitung beim Abschalten der Brennkraftmaschine dient. Diese weitere Speichereinrichtung weist vorzugsweise ein so großes Speichervolumen auf, dass der Druck in der Versorgungsleitung im Wesentlichen auf Umgebungsdruck abgebaut werden kann. Dabei geht das von der Versorgungsleitung in die Speichereinrichtung strömende Gas in den gasförmigen Zustand über, weshalb ein vergleichsweise großes Speichervolumen benötigt wird. Letzteres ist ein wesentlicher Nachteil des beschriebenen Konzepts. Ein großes Speichervolumen erschwert die motornahe Anordnung der Speichereinrichtung und steht einem dichten Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum entgegen.
Die JP H11-107 795 A offenbart ebenfalls ein Kraftstoffversorgungssystem der eingangs genannten Art. Dabei wird als Druck im Ausgleichsbehältnis wiederum Umgebungsdruck angestrebt. Die Nachteile sind die vorstehend Beschriebenen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzu- stellen, die hinsichtlich des aus dem Stand der Technik bekannten Leckageproblems verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem Ansaugsystem zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Zylinder und einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung jedes Zylinders mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, der zum Bevorraten von als Kraftstoff dienendem komprimiertem Erdgas (CNG) eingerichtet ist, und ein mit der Versorgungsleitung zumindest verbindbares Ausgleichsbehältnis vorgesehen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein 3/3-Wege-Ventil vorgesehen ist, welches über einen ersten Anschluss mit der Versorgungsleitung, über einen zweiten Anschluss mit dem Ansaugsystem und über einen dritten Anschluss mit dem Ausgleichsbehältnis zumindest verbindbar ist, und

– in einer ersten Schaltposition (A) die Versorgungsleitung mit dem Ausgleichsbehältnis verbindet,
– in einer zweiten Schaltposition (B) das Ausgleichsbehältnis mit dem Ansaugsystem verbindet, und
– in einer dritten Schaltposition (C) das Ausgleichsbehältnis von dem Ansaugsystem und der Versorgungsleitung trennt, wobei
– das Ausgleichsbehältnis in der Art dimensioniert ist, dass das von der Versorgungsleitung in das Ausgleichsbehältnis strömende Gas nicht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt, sondern flüssig bleibt.

Das Kraftstoffversorgungssystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einem Ausgleichsbehältnis ausgestattet, das im Bedarfsfall mittels 3/3-Wege-Ventil mit der Versorgungsleitung verbindbar ist. Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine kann das Ventil in eine erste Schaltposition überführt werden, um die Versorgungsleitung mit dem Ausgleichsbehältnis zu verbinden und den Kraftstoffdruck in der Versorgungsleitung zu reduzieren.
Der unmittelbar nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine in der Versorgungsleitung vorliegende hohe Kraftstoffdruck muss nicht via Einspritzvorrichtung unter Einbringen von Kraftstoff in einen Zylinder abgebaut werden, sondern kann durch Überleiten von Kraftstoff aus der Versorgungsleitung in das Ausgleichsbehältnis reduziert werden.
Das auf diese Weise in das Ausgleichsbehältnis gelangte Gas kann wiederum dem Ansaugsystem zugeführt werden, sobald der Betrieb der Brennkraftmaschine dies zulässt bzw. ermöglicht. Hierzu wird das 3/3-Wege-Ventil in eine zweite Schaltposition überführt und das Ausgleichsbehältnis mit dem Ansaugsystem verbunden. Das der Versorgungsleitung via Ausgleichsbehältnis entnommene Gas wird auf diese Weise der Verbrennung zugeführt und damit seiner originären Aufgabe. Das zwischen dem Ausgleichsbehältnis und dem Ansaugsystem bestehende Druckgefälle dient der Förderung des Gases in das Ansaugsystem und die Zylinder.
Das Ausgleichsbehältnis ist aber kein zweiter Kraftstoffspeicher zum Bevorraten von Kraftstoff, sondern dient lediglich dem Druckabbau in der Versorgungsleitung.
Der Druck im Ausgleichsbehältnis soll erfindungsgemäß so hoch sein bzw. gehalten werden, dass das von der Versorgungsleitung in das Ausgleichsbehältnis strömende Gas nicht in den gasförmigen Zustand wechselt, sondern flüssig bleibt. Das Ausgleichsbehältnis ist entsprechend zu dimensionieren und damit im Vergleich zum Stand der Technik kleiner auszulegen, d. h. mit einem wesentlich kleineren Volumen V_A auszustatten. Ein Fachmann wird dies im Einzelfall, abhängig von der Anzahl der zu versorgenden Zylinder und dem Leitungsvolumen der relevanten Kraftstoffleitungen, bewerkstelligen; gegebenenfalls unter Durchführung einer Testreihe. Ein Verdampfen, d. h. ein Übergang in die gasförmige Phase erfolgt erst beim Evakuieren des Ausgleichsbehältnisses und dem Einleiten des Gases in das Ansaugsystem. Dies ist aufgrund des im Ansaugsystem regelmäßig vorliegenden Unterdrucks dann auch unvermeidbar.
Infolge des leckagefreien Betriebs der Einspritzvorrichtung ermöglicht das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem einen kraftstoffsparenden und schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich des aus dem Stand der Technik bekannten Leckageproblems verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem Kraftstoffspeicher und der Versorgungsleitung mindestens ein Absperrelement angeordnet ist, welches zum Befüllen der Versorgungsleitung mit Erdgas geöffnet ist.
Einerseits muss die Verbindungsleitung zwischen dem Kraftstoffspeicher und der Versorgungsleitung geöffnet werden können, um die Versorgungsleitung mit Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher versorgen und befüllen zu können. Andererseits muss die Verbindungsleitung aber auch geschlossen werden können, damit die Versorgungsleitung mit dem Ausgleichsbehältnis verbunden werden kann, um den Kraftstoffdruck in der Versorgungsleitung zu reduzieren, ohne dass Gas aus dem Kraftstoffspeicher via Versorgungsleitung in das Ausgleichsbehältnis gelangt.
Das Anordnen mindestens eines Absperrelements in der Verbindungsleitung zwischen dem Kraftstoffspeicher und der Versorgungsleitung ermöglicht es, beide Anforderungen zu erfüllen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Absperrelement ein aktiv gesteuertes Ventil ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung für einen Kraftstoffdruck p_fuel eingerichtet ist mit: 21bar < p_fuel < 15bar.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das 3/3-Wege-Ventil das Ausgleichsbehältnis in der ersten Schaltposition (A) von dem Ansaugsystem trennt.
Es ist vorteilhaft, das Ausgleichsbehältnis in der ersten Schaltposition vom Ansaugsystem zu trennen, damit das aus der Versorgungsleitung stammende Gas nicht direkt und unkontrolliert via Ausgleichsbehältnis in das Ansaugsystem strömt. Vielmehr ist es sinnvoll, den Druckausgleich zwischen Versorgungsleitung und Ausgleichsbehältnis einerseits und das Evakuieren des Ausgleichsbehältnisses andererseits unabhängig, d. h. getrennt voneinander durchzuführen.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das 3/3-Wege-Ventil die Versorgungsleitung in der zweiten Schaltposition (A) von dem Ausgleichsbehältnis trennt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ausgleichsbehältnis ein Volumen V_A kleiner 0,1dm³ aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ausgleichsbehältnis ein Volumen V_A kleiner 0,05dm³ aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ausgleichsbehältnis ein Volumen V_A kleiner 0,025dm³ aufweist.
Das Ausgleichsbehältnis dient nicht dem Bevorraten von Kraftstoff, sondern dem Druckabbau in der Versorgungsleitung und dem Druckausgleich zwischen Versorgungsleitung und Ausgleichsbehältnis, weshalb das Ausgleichsbehältnis auch wesentlich kleiner ausgeführt werden kann als der Kraftstoffspeicher.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder eine Einspritzdüse ist.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Versorgungsleitung bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine mittels 3/3-Wege-Ventil von dem Ausgleichsbehältnis getrennt wird.
Insofern sind bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine grundsätzlich die zweite Schaltposition, in der das Ausgleichsbehältnis mit dem Ansaugsystem verbunden ist, sowie die dritte Schaltposition, in der das Ausgleichsbehältnis von dem Ansaugsystem und der Versorgungsleitung getrennt ist, mögliche Schaltpositionen.
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.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das 3/3-Wege-Ventil nach Abschalten der Brennkraftmaschine in die erste Schaltposition (A) überführt wird, in der die Versorgungsleitung mit dem Ausgleichsbehältnis verbunden wird, um den Kraftstoffdruck in der Versorgungsleitung zu reduzieren.
Damit der in der Versorgungsleitung herrschende Kraftstoffdruck sich nicht via Einspritzvorrichtung in den nicht befeuerten Zylinder abbaut, ist es sinnvoll, die Versorgungsleitung unmittelbar nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine mit dem Ausgleichsbehältnis zu verbinden, so dass ein Druckabbau unter Ausnutzung des Volumens des Ausgleichsbehältnisses erfolgen kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einer abgeschalteten Brennkraftmaschine und einem in der ersten Schaltposition (A) befindlichen 3/3-Wege-Ventil die Versorgungsleitung vor dem Starten der Brennkraftmaschine mittels 3/3-Wege-Ventil von dem Ausgleichsbehältnis getrennt wird.
Dies ist notwendig, damit in der Versorgungsleitung der erforderliche Kraftstoffdruck aufgebaut werden kann, um mittels Direkteinspritzung Kraftstoff in den mindestens einen Zylinder einbringen zu können.
Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen das 3/3-Wege-Ventil vor dem Starten der Brennkraftmaschine in die dritte Schaltposition (C) überführt wird, in der das Ausgleichsbehältnis von dem Ansaugsystem und der Versorgungsleitung getrennt wird.
Grundsätzlich könnte das 3/3-Wege-Ventil vor dem Starten der Brennkraftmaschine auch in die zweite Schaltposition überführt werden, in der die Versorgungsleitung ebenfalls vom Ausgleichsbehältnis getrennt ist. Dann ist aber gleichzeitig das Ausgleichsbehältnis mit dem Ansaugsystem verbunden. Das Evakuieren des Ausgleichsbehältnisses wird jedoch vorzugsweise nicht vor dem Starten der Brennkraftmaschine durchgeführt, sondern vielmehr bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine, wenn das aus dem Ausgleichsbehältnis stammende Gas sinnvollerweise einer Verbrennung zugeführt werden kann.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen sich das 3/3-Wege-Ventil bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine in der dritten Schaltposition (C) befindet, in der das Ausgleichsbehältnis von dem Ansaugsystem und der Versorgungsleitung getrennt wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen das 3/3-Wege- Ventil ausgehend der dritten Schaltposition (C) bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitdauer in die zweite Schaltposition (B) überführt wird, in der das Ausgleichsbehältnis mit dem Ansaugsystem verbunden wird, um den Kraftstoffdruck im Ausgleichbehältnis zu reduzieren.
Das im Ausgleichsbehältnis gesammelte Gas kann in regelmäßigen Abständen bzw. im Bedarfsfall dem Ansaugsystem und damit dem mindestens einen Zylinder zugeführt werden. Das Evakuieren muss nicht mit jedem Start bzw. Neustart der Brennkraftmaschine erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch als Prinzipskizze das Kraftstoffversorgungssystem einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Ventil in der dritten Schaltposition.
1 zeigt schematisch als Prinzipskizze die Kraftstoffversorgung 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Ventil 7 in der dritten Schaltposition C.
Das Kraftstoffversorgungssystem 1 dient der Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff. Jedem Zylinder ist eine Einspritzdüse 2 zugeordnet. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine werden die Einspritzdüsen 2 der Zylinder aus einem Kraftstoffspeicher 4 via Versorgungsleitung 3 mit Kraftstoff versorgt. Hierzu verbindet die Versorgungsleitung 3 die Einspritzdüsen 2 mit dem Kraftstoffspeicher 4, der zum Bevorraten von als Kraftstoff dienendem komprimiertem Erdgas (CNG) eingerichtet ist, wobei zwischen dem Kraftstoffspeicher 4 und der Versorgungsleitung 3 ein Absperrelement 8 angeordnet ist, welches zum Befüllen der Versorgungsleitung 3 mit Erdgas geöffnet ist.
Ein 3/3-Wege-Ventil 7 ist vorgesehen, welches über einen ersten Anschluss mit der Versorgungsleitung 3, über einen zweiten Anschluss mit dem Ansaugsystem 6 der Brennkraftmaschine und über einen dritten Anschluss mit einem Ausgleichsbehältnis 5 verbunden ist.
Das Ventil 7 verbindet in einer ersten Schaltposition A die Versorgungsleitung 3 mit dem Ausgleichsbehältnis 5, verbindet in einer zweiten Schaltposition B das Ausgleichsbehältnis 5 mit dem Ansaugsystem 6 und trennt in einer dritten Schaltposition C das Ausgleichsbehältnis 5 von dem Ansaugsystem 6 und der Versorgungsleitung 3.
Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die zweite und dritte Schaltposition mögliche Schaltpositionen, um in der Versorgungsleitung 3 den erforderlichen Kraftstoffdruck aufbauen und mittels Direkteinspritzung Kraftstoff in die Zylinder einbringen zu können.
Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine wird das Ventil 7 in die erste Schaltposition A überführt und die Versorgungsleitung 3 mit dem Ausgleichsbehältnis 5 verbunden, um den Kraftstoffdruck in der Versorgungsleitung 3 zu reduzieren, damit der in der Versorgungsleitung 3 vorliegende Kraftstoffdruck sich nicht via Einspritzdüsen 2 in die unbefeuerten Zylinder abbaut.
Vor dem erneuten Starten der Brennkraftmaschine wird die Versorgungsleitung 3 dann mittels 3/3-Wege-Ventil 7 wieder von dem Ausgleichsbehältnis 5 getrennt, vorzugsweise in die dritte Schaltposition C überführt, in der das Ausgleichsbehältnis 5 von dem Ansaugsystem 6 und der Versorgungsleitung 3 getrennt wird.
Das in das Ausgleichsbehältnis 5 gelangte Gas kann dem Ansaugsystem 6 und auf diese Weise der Verbrennung zugeführt werden, wozu das 3/3-Wege-Ventil 7 in die zweite Schaltposition B überführt und das Ausgleichsbehältnis 5 mit dem Ansaugsystem 6 verbunden wird.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffversorgungssystem, Kraftstoffversorgung
2: Einspritzvorrichtung, Einspritzdüse
3: Versorgungsleitung
4: Kraftstoffspeicher
5: Ausgleichbehältnis
6: Ansaugsystem
7: 3/3-Ventil
8: Absperrelement
p_fuel: Druck in der Versorgungsleitung
A: erste Schaltposition des 3/3-Ventils
B: zweite Schaltposition des 3/3-Ventils
C: dritte Schaltposition des 3/3-Ventils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010053498 A1 [0025]
JP 11-107795 A [0026]

Claims

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem Ansaugsystem (6) zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Zylinder und einem Kraftstoffversorgungssystem (1) zur Versorgung jedes Zylinders mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzvorrichtung (2) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung (3) mit einem Kraftstoffspeicher (4) zumindest verbindbar ist, der zum Bevorraten von als Kraftstoff dienendem komprimiertem Erdgas (CNG) eingerichtet ist, und ein mit der Versorgungsleitung (3) zumindest verbindbares Ausgleichsbehältnis (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein 3/3-Wege-Ventil (7) vorgesehen ist, welches über einen ersten Anschluss mit der Versorgungsleitung (3), über einen zweiten Anschluss mit dem Ansaugsystem (6) und über einen dritten Anschluss mit dem Ausgleichsbehältnis (5) zumindest verbindbar ist, und – in einer ersten Schaltposition (A) die Versorgungsleitung (3) mit dem Ausgleichsbehältnis (5) verbindet, – in einer zweiten Schaltposition (B) das Ausgleichsbehältnis (5) mit dem Ansaugsystem (6) verbindet, und – in einer dritten Schaltposition (C) das Ausgleichsbehältnis (5) von dem Ansaugsystem (6) und der Versorgungsleitung (3) trennt, wobei – das Ausgleichsbehältnis (5) in der Art dimensioniert ist, dass das von der Versorgungsleitung (3) in das Ausgleichsbehältnis (5) strömende Gas nicht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt, sondern flüssig bleibt.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kraftstoffspeicher (4) und der Versorgungsleitung (3) mindestens ein Absperrelement (8) angeordnet ist, welches zum Befüllen der Versorgungsleitung (3) mit Erdgas geöffnet ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (8) ein aktiv gesteuertes Ventil ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (3) für einen Kraftstoffdruck p_fuel eingerichtet ist mit: 21bar < p_fuel < 15bar.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/3-Wege-Ventil (7) das Ausgleichsbehältnis (5) in der ersten Schaltposition (A) von dem Ansaugsystem (6) trennt.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/3-Wege-Ventil (7) die Versorgungsleitung (3) in der zweiten Schaltposition (A) von dem Ausgleichsbehältnis (5) trennt.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsbehältnis (5) ein Volumen V_A kleiner 30,1dm aufweist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsbehältnis (5) ein Volumen V_A kleiner 30,05dm aufweist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsbehältnis (5) ein Volumen V_A kleiner 30,025dm aufweist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (2) zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder eine Einspritzdüse (2) ist.
Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (3) bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine mittels 3/3-Wege-Ventil (7) von dem Ausgleichsbehältnis (5) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/3-Wege-Ventil (7) nach Abschalten der Brennkraftmaschine in die erste Schaltposition (A) überführt wird, in der die Versorgungsleitung (3) mit dem Ausgleichsbehältnis (5) verbunden wird, um den Kraftstoffdruck in der Versorgungsleitung (3) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer abgeschalteten Brennkraftmaschine und einem in der ersten Schaltposition (A) befindlichen 3/3-Wege-Ventil (7) die Versorgungsleitung (3) vor dem Starten der Brennkraftmaschine mittels 3/3-Wege-Ventil (7) von dem Ausgleichsbehältnis (5) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/3-Wege-Ventil (7) vor dem Starten der Brennkraftmaschine in die dritte Schaltposition (C) überführt wird, in der das Ausgleichsbehältnis (5) von dem Ansaugsystem (6) und der Versorgungsleitung (3) getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich das 3/3-Wege-Ventil (7) bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine in der dritten Schaltposition (C) befindet, in der das Ausgleichsbehältnis (5) von dem Ansaugsystem (6) und der Versorgungsleitung (3) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/3-Wege-Ventil (7) ausgehend der dritten Schaltposition (C) bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitdauer in die zweite Schaltposition (B) überführt wird, in der das Ausgleichsbehältnis (5) mit dem Ansaugsystem (6) verbunden wird, um den Kraftstoffdruck im Ausgleichbehältnis (5) zu reduzieren.