DE102016001360A1

DE102016001360A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Kraftstoff von Verbrennungskraftmaschinen bei gleichzeitiger Konditionierung ihrer Verbrennungsluft

Info

Publication number: DE102016001360A1
Application number: DE102016001360.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-02-06
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (1) mit direkter Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffes in den Brennraum, aufgeladen vorzugsweise durch Abgasturbolader (2) und Ladeluftkühler (3) dadurch gekennzeichnet, dass der angesaugten Verbrennungsluft (12) LPG in Gasphase (6) zugemischt werden kann, das aus der LPG-Gasphase (6) eines druckfesten Kraftstofftanks (4) entnommen wird der LPG in Flüssigphase (5) oder einen Mischkraftstoff mit Anteilen von LPG in Flüssigphase (5) enthält.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Kraftstoff von Verbrennungskraftmaschinen bei gleichzeitiger Konditionierung ihrer Verbrennungsluft.
Bei ungünstigen Voraussetzungen und entsprechenden Lastfällen können besonders im Kraftstoffsystem von Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen Betriebszustände erreicht werden in denen der Kraftstoff über seine zulässige Grenztemperatur hinaus erhitzt wird. Das führt zur Zersetzung des Kraftstoffes, reduziert dessen Schmierfähigkeit und führt als Folge dessen zu erhöhtem Verschleiß. Zusätzlich erfordern höhere Temperaturen widerstandsfähigere Materialien für die Rücklaufleitungen, die entsprechenden Mehraufwand bedingen.
Dies versucht man durch konstruktive Maßnahmen zu vermeiden.
In der DE 10 2014 17401 A1 wird vorgeschlagen, zum Kraftstoff Propan in kritischen Phasen Benzin zuzumischen um dessen Betriebsbereich zu erweitern.
In der DE 10 2011 102 651 A1 wird der zurückfließende Kraftstoff durch eine Kühlvorrichtung gekühlt, die Bauraum und zusätzliche Kosten benötigt.
In der DE 10331849.6 ist ein Kraftstoffkühler vorgeschlagen der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine platziert ist.
Auch die KR 717316 B1 schlägt vor die Kraftstofferwärmung durch einen Kühler im Kraftstoffrücklauf zu begrenzen.
Die WO 2011/012363 schlägt vor, durch Mischen von kühlerem Kraftstoff aus dem Kraftstofftank die Temperatur im Kraftstoffrücklauf zu erniedrigen.
In der DE 10 2014 216 176 A1 wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass ein Verdampfer die Kraftstoffhochdruckpumpe umgibt und diese durch verdampfendes LPG (Liquefied Petroleum Gas) gekühlt wird, welches verdampfte LPG anschließend über Saugrohr-Injektoren der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
Die WO 002014 041 038A1 schlägt vor, den Verdampfer eines kompressorbetriebenen Kühlsystems im Kraftstofftank zu platzieren um die Kraftstofftemperaturen zu begrenzen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die mit einfachen und kostengünstigen Mitteln den Kraftstoff im Kraftstofftank kühlen und dadurch die Nachteile ungekühlten Kraftstoffrücklaufs aus dem Kraftstoffzuführungssystems der Verbrennungskraftmaschine in den Kraftstofftank aufheben und die zugeführte Verbrennungsluft mit gasförmigem Kraftstoff zu konditionieren und damit eine vollständigere Verbrennung mit weniger Abgasschadstoffen zu bewirken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass aus der Gasphase eines mit LPG, oder einem LPG enthaltenden Mischkraftstoff, gefüllten Kraftstofftanks gasförmiges LPG durch seinen eigenen Verdampfungsdruck in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine gedrückt wird. Dort mischt sich das gasförmige LPG mit Verbrennungsluft und wird in deren Brennräumen zusammen mit dem, durch Injektoren flüssig in den Brennraum eingespritzten, Kraftstoff verbrannt.
Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zuströmende Volumen des gasförmige LPGs so geregelt wird, dass es sich bei Einbringung in einen Dieselmotor in den Grenzen unterhalb seiner spezifischen Zündfähigkeit und oberhalb seines spezifischen Siedepunktes bewegt oder, wenn LPG in einem Ottomotor wahlweise alternativ, beispielsweise zum Kraftstoff Benzin, direkt in den Brennraum eingespritzt wird, dass es den Unterschied an eingespritzter Kraftstoffmasse, bedingt durch den Dichteunterschied zwischen dem Kraftstoff Benzin und dem Kraftstoff LPG in Flüssigphase, ausgleicht.
Das hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass durch die Verdampfungskälte des, aus der Flüssigphase, nachverdampfenden LPGs der Kraftstoff im Kraftstofftank gekühlt wird. Ein weiterer daraus resultierender erfindungsgemäßer Vorteil des kühleren Kraftstoffs ist der sich dadurch reduzierende Dampfdruck des LPGs, und damit einhergehend auch eine Reduzierung des ungeregelten Überdrucks im Niederdruckkraftstoffsystem.
Indem erfindungsgemäß das LPG in Gasphase vorzugsweise vor dem Abgasturbolader der Verbrennungsluft der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, wird es durch den Verdichter des Abgasturboladers besonders intensiv mit der angesaugten Verbrennungsluft vermischt und diese dadurch hervorragend konditioniert, wodurch sich der im Brennraum anschließende Verbrennungsvorgang der Verbrennungsluft zusammen mit den eingebrachten flüssigen Kraftstoffphasen dem idealen Homogenen Kompressionszündungsbrennverfahren (HCCI) mit dessen bekannten Vorteilen, wie Senkung des Schadstoffausstoßes, niedrigere Verbrennungstemperatur, nähert.
Besonders beim Dieselmotor wird die unzureichende Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum durch das gasförmige LPG-Luftgemisch verbessert, wodurch schädliche Abgasbestandteile wie NOx, CO, HC und Rußpartikel schon bei seinen Abgasrohemissionen verringert werden. Daher kann man gegebenenfalls die Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen nach dem Stand der Technik durch Abgasnachbehandlungssysteme wie Oxidationskatalysator, Rußpartikelfilter und geregelte Abgasrückführung mit Abgaskühlung, und notfalls in Verbindung mit einem SCR-Katalysator (Selektive Catalytische Reduktion), der etwa 2 bis 8% der Menge des eingesetzten Dieselkraftstoffs an Harnstoff-Wasser-Lösung verbraucht, weniger aufwendig gestalten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die vollständigere Verbrennung des zugeführten Kraftstoffs. Das erhöht den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen, vermindert damit den Kraftstoffeinsatz und verringert zusätzlich schädliche Abgase.
Die 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführung einer Verbrennungskraftmaschine 1 nach dem Stand der Technik mit, hier nicht gezeigter, gekühlter Abgasrückführung und direkter Einspritzung von Kraftstoff in Flüssigphase durch ein, hier aus Gründen der Vereinfachung ebenfalls nicht gezeigtes, Common-Rail-System. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist aufgeladen, wofür exemplarisch ein Abgasturbolader 2 eingezeichnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1 erhält ihren Kraftstoff über das Common-Rail-System aus einem druckfesten Kraftstofftank 4, der mit der, hier ebenfalls nicht gezeigten, erforderlichen Sicherheitseinrichtung ausgerüstet ist. Außer mit einer nicht gezeigten Fördervorrichtung für den Kraftstoff in Flüssigphase, ist der druckfeste Kraftstofftank 4 erfindungsgemäß mit einer geregelten Zuführungseinrichtung für LPG in Gasphase 7, 11, 13, 17 versehen, die der Verbrennungskraftmaschine 1 LPG in Gasphase 6 zuführt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführung der Erfindung mit einem Verbrennungsluftzuführungssystem 20 einer Verbrennungskraftmaschine 1, einem Abgasturbolader 2 und einer Ladeluftkühlung 3 an deren Verbrennungsluftzuführungsleitung 8 eine Zuführungsleitung 7 für LPG in Gasphase 6 angekoppelt ist. Das LPG in Gasphase 6 bildet sich aus LPG in Flüssigphase 5, das in einem druckfesten Kraftstofftank 4, ausgerüstet mit hier nicht gezeigter Sicherheitsarmatur und Zuleitungsvorrichtung für das Betanken, bevorratet ist. Das LPG in Flüssigphase 5 kann mit Kraftstoffen die bei Normaldruck flüssig sind, insbesondere mit Dieselkraftstoff, einen Mischkraftstoff bilden. Über eine Zuführungsleitung 7 kann das LPG in Gasphase 6 durch seinen Dampfdruck in die Verbrennungsluftzuführungsleitung 8 strömen, die in das Verdichtergehäuse 9 des Abgasturboladers 2 mündet. Eine Zuführungsvorrichtung 11 erhält ihre Signale von einer Regeleinheit zur Berechnung der gasförmigen Kraftstofmasse 17 und regelt den Volumenstrom des LPG in Gasphase 6 bei seinem Eintritt in die Zuführungsleitung für Verbrennungsluft 8. Die Regeleinheit zur Berechnung der gasförmigen Kraftstoffnasse 17 kommuniziert mit der Motorsteuerung zwecks Berechnung und Einbringung einer abgasoptimalen Gesamtmasse der verschiedenen Teilkraftstoffmassen in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine 1. Ein Ventil 13, vorzugsweise ein Magnetventil, verschließt im Ruhezustand die Verbindungsleitung 7 zum Kraftstofftank 4 hin. Durch die Entnahme von LPG in Gasphase 6 wird der Kraftstoff mit LPG in Flüssigphase 5 im Kraftstofftank 4 durch die Verdampfungskälte des nachverdampfenden LPGs gekühlt. Das Signal des Luftmassensensors 10 dient zusammen mit den Werten weiterer Sensoren für Druck und Temperatur 14, 15, 16, 18 auch der Regeleinheit zur Berechnung der gasförmigen Kraftstoffmasse 17 zur Berechnung der, in vorgegebenen Grenzen, zulässigen Masse von LPG in Gasphase 6, die dann über die Zuführungsvorrichtung 11 dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10201417401 A1 [0004]
DE 102011102651 A1 [0005]
DE 10331849 [0006]
KR 717316 B1 [0007]
WO 2011/012363 [0008]
DE 102014216176 [0009]
WO 002014041038 A1 [0010]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (1) mit direkter Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffes in den Brennraum, aufgeladen vorzugsweise durch Abgasturbolader (2) und Ladeluftkühler (3) dadurch gekennzeichnet, dass der angesaugten Verbrennungsluft (12) LPG in Gasphase (6) zugemischt werden kann, das aus der LPG-Gasphase (6) eines druckfesten Kraftstofftanks (4) entnommen wird der LPG in Flüssigphase (5) oder einen Mischkraftstoff mit Anteilen von LPG in Flüssigphase (5) enthält.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das LPG in Gasphase (6) an unterschiedlichen Stellen in das Verbrennungsluftzuführungssystem (20) zugeführt werden kann, vorzugsweise hinter dem Luftmassensensor und vor dem Verdichter (9) des Abgasturboladers (2).
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Masse des zugemischten LPGs in Gasphase (6) bei Dieselmotoren unter der spezifischen Zündgrenze eines LPG-Luftgemisches liegt.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischung von LPG in Gasphase (6) bei direkt einspritzenden Ottomotoren, die mit einem bei Normaldruck flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise Benzin und/oder LPG in Flüssigphase betrieben werden, die, durch die unterschiedlichen Dichten der beiden Kraftstoffe bewirkte, verringerte Kraftstoffmasseneinbringung in den Brennraum, bei Betrieb des Motors im Flüssiggasmodus, ausgleicht, insbesondere dann, wenn der Ottomotor in einem Modus operiert, in dem er ausschließlich mit LPG in Flüssigphase betrieben wird.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des zuzuführenden LPGs in Gasphase (6) durch eine Zuführungsregelung (17) berechnet und durch eine Vorrichtung (7, 11, 13) in das Verbrennungsluftzuführungssystem (20) der Verbrennungskraftmaschine (1) eingebracht wird.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass über die Zuführungsregelung (11) die Kraftstofftemperatur beeinflußt werden kann.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsregelung für LPG in Gasphase (6) in das Ansaugsystem (20) der Brennkraftmaschine (1) einer Hierarchie folgt, die der Verringerung von Schadstoffen im Abgas Priorität vor der Einstellung einer vorgegebenen Kraftstofftemperatur einräumt.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsregelung für das LPG in Gasphase (6) in die Motorsteuerung integriert ist.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Einbringung von LPG in Gasphase (6) aufweist, bestehend aus einem druckfesten Kraftstofftank (4) mit LPG in Flüssigphase (5) oder einem LPG in Flüssigphase (5) enthaltenden Mischkraftstoff (5), einer in die LPG-Gasphase (6) hineinragende Entnahmeleitung (7) mit einem Absperrmittel (13) das ein unbeabsichtigtes Entweichen des LPG in Gasphase (6) aus dem druckfesten Kraftstofftank (4) verhindert, welche Entnahmeleitung (7) in die Zuführungsleitung für Verbrennungsluft (8) mündet und dort eine Zuführungseinrichtung (11) aufweist, die von der Regeleinheit zur Berechnung des gasförmigen Kraftstoffmasse (17), vorzugsweise durch ein PWM-Signal, gesteuert wird.