DE102016219152B4 - Internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Verbrennungskammer (70) und einer Kraftstoffeinspritzleiste (40) zur direkten Einspritzung von Gas-Kraftstoff in die Verbrennungskammer (70) mittels wenigstens einer Einspritzdüse (60;61) an der Kraftstoffeinspritzleiste (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzleiste (40) an zwei Tanks (10;20) für Gas-Kraftstoff angeschlossen ist, in denen sich jeweils Flüssiggas (LPG) und komprimiertes Erdgas (CNG) befinden, wobei der Kraftstoffeinspritzleiste (40) und damit der Verbrennungskammer (70) wahlweise ein Gas-Kraftstoff aus einem der beiden Tanks (10;20) zuführbar ist, und die Kraftstoffeinspritzleiste (40) für jede Gas-Kraftstoffart wenigstens eine für diese Gas-Kraftstoffart ausgelegte Einspritzdüse (60;61) aufweist, mittels welcher der Verbrennungskammer (70) durch Direkteinspritzung die jeweilige Gas-Kraftstoffart zuführbar ist, wobei die beiden Einspritzdüsen (60;61) in ihrem Einspritzwinkel unterschiedlich angeordnet sind und eine Einspritzdüse (61) für das Flüssiggas (LPG) eine seitliche Einspritzposition hat, während eine Einspritzdüse (60) für das komprimierte Erdgas (CNG) eine zentrale Einspritzposition hat.Internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle with at least one combustion chamber (70) and a fuel injection rail (40) for direct injection of gaseous fuel into the combustion chamber (70) by means of at least one injection nozzle (60; 61) on the fuel injection rail (40), characterized that the fuel injection rail (40) is connected to two tanks (10;20) for gas fuel, in which respectively liquefied petroleum gas (LPG) and compressed natural gas (CNG) are located, the fuel injection rail (40) and thus the combustion chamber (70 ) a gaseous fuel can optionally be supplied from one of the two tanks (10; 20), and the fuel injection rail (40) has for each gaseous fuel type at least one injection nozzle (60; 61) designed for this gaseous fuel type, by means of which the combustion chamber (70) the respective type of gas fuel can be supplied by direct injection, the two injection nozzles (60; 61) differing in their injection angle are arranged in a straight line and an injector (61) for the liquefied petroleum gas (LPG) has a lateral injection position, while an injector (60) for the compressed natural gas (CNG) has a central injection position.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle according to the preamble of claim 1.

In der Automobiltechnik sind sogenannte Bifuel-Kraftfahrzeuge bzw. Multifuel- oder Vielstoffmotoren bekannt, die mit unterschiedlichen Kraftstoffen wie Benzin (oder Diesel) und Erdgas betrieben werden können. Dabei wird Benzin typischerweise als Reservekraftstoff eingesetzt, so dass der Motor weiter betrieben werden kann, wenn das Erdgas verbraucht ist. Ein Fahrzeug kann dabei auch mit Benzin (oder Diesel) und einem Gas wie LPG (Liquefied Petroleum Gas) oder CNG (Compressed Natural Gas) betrieben werden.So-called bi-fuel motor vehicles or multi-fuel or multi-fuel engines are known in automotive engineering, which can be operated with different fuels such as petrol (or diesel) and natural gas. Gasoline is typically used as a reserve fuel so that the engine can continue to run when the natural gas is exhausted. A vehicle can also be operated with petrol (or diesel) and a gas such as LPG (Liquefied Petroleum Gas) or CNG (Compressed Natural Gas).

Bei solchen Bifuel-Fahrzeugen bringt oftmals der Wechsel zwischen den Kraftstoffarten Probleme mit sich, die für einen sicheren und komfortablen Betrieb der Fahrzeuge gelöst werden müssen. Beispielsweise offenbart die US 6 591 817 B2 ein Verfahren und ein System für den Betrieb eines Bifuel-Kraftfahrzeugs, das insbesondere einen problemlosen Wechsel zwischen den beiden Kraftstoffarten ermöglichen soll. Dabei wird bei einem solchen Wechsel ein Ventil für die Zuführung eines zweiten Kraftstoffs wie beispielsweise LPG angesteuert, indem nach dem Kraftstoffwechsel der Sauerstoffgehalt im Abgas gemessen und ausgewertet wird. Daraus wird ein gefiltertes Signal erzeugt, auf dessen Basis das Ventil angesteuert wird. Das Ventil wird geöffnet, wenn das gefilterte Signal abfällt, nachdem zu dem zweiten Kraftstoff gewechselt wurde, während das Ventil geschlossen wird, wenn das gefilterte Signal ansteigt, nachdem zu dem ersten Kraftstoff gewechselt wurde.In such bi-fuel vehicles, switching between the types of fuel often entails problems that have to be solved for safe and comfortable vehicle operation. For example, the U.S. 6,591,817 B2 a method and a system for the operation of a bi-fuel motor vehicle, designed in particular to enable a smooth switch between the two types of fuel. In such a change, a valve for the supply of a second fuel such as LPG is activated by measuring and evaluating the oxygen content in the exhaust gas after the fuel change. A filtered signal is generated from this, on the basis of which the valve is controlled. The valve is opened when the filtered signal decreases after switching to the second fuel, while the valve is closed when the filtered signal increases after switching to the first fuel.

Die US 9 046 049 B2 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum wechselseitigen Betrieb eines Motors mit Benzin und LPG. Dabei werden bei einem Kraftstoffwechsel Einspritzmenge, Einspritzverhältnis und Einspritzzeit angepasst, um das Luft-KraftstoffVerhältnis beim Kraftstoffwechsel möglichst konstant zu halten. Dabei kann ein Steuergerät die Einspritzung beider Kraftstoffarten steuern. Auch aus der US 5 450 832 sind ein Verfahren und ein System zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Benzin und einem Alternativkraftstoff wie beispielsweise Flüssiggas bekannt. Dabei soll ein vorhandenes elektronisches Einspritzsystem für Benzin auch für die Zuführung des Flüssiggases genutzt werden.the U.S. 9,046,049 B2 also discloses a method of operating an engine alternately with gasoline and LPG. When changing fuel, the injection quantity, injection ratio and injection time are adjusted in order to keep the air-fuel ratio as constant as possible when changing fuel. A control unit can control the injection of both types of fuel. Also from the U.S. 5,450,832 a method and a system for operating a motor vehicle with gasoline and an alternative fuel such as liquid gas are known. An existing electronic injection system for petrol is also to be used to supply the liquid gas.

Doch auch der Betrieb eines Fahrzeugs mit Flüssiggas kann Probleme mit sich bringen. Aus der US 2015 / 0 047 590 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Kraftstoffzuführung eines Bi-Fuel-Kraftfahrzeugs bekannt, bei denen Benzin und LPG in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Fahrzeugs verwendet werden. Üblicherweise wird beim Start des Fahrzeugs Benzin eingesetzt und dann für den Fahrbetrieb auf LPG umgestellt. Um im Fahrbetrieb schwerwiegende Sicherheitsprobleme aufgrund von Fehlfunktionen zu verhindern, ist es vorgesehen, dass bei einer solchen Fehlfunktion in ein Notbetrieb umgeschaltet wird. In diesem Notbetrieb wird beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt und die Drehzahl in einem bestimmten Bereich gehalten, der oberhalb einer Leerlaufdrehzahl liegt. Hierdurch wird die Fahrt jedoch beeinträchtigt. Es kann daher vorgesehen sein, dass eine Steuereinheit im Notbetrieb zu einem Betrieb des Fahrzeugs mit Benzin schaltet, wenn eine Fehlfunktion des LPG-Kraftstoffsystems festgestellt wurde.However, running a vehicle on LPG can also cause problems. A method and a system for controlling the fuel supply of a bi-fuel motor vehicle are known from US 2015/0 047 590 A1, in which petrol and LPG are used depending on the operating mode of the vehicle. Gasoline is usually used to start the vehicle and then switched to LPG for driving. In order to prevent serious safety problems when driving due to malfunctions, provision is made for a switchover to emergency operation in the event of such a malfunction. In this emergency mode, for example, the vehicle speed is limited and the engine speed is kept in a specific range that is above an idle speed. However, this will affect the ride. Provision can therefore be made for a control unit to switch to operating the vehicle with petrol in emergency operation if a malfunction in the LPG fuel system has been detected.

Die US 2015 / 0 159 570 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zur Sicherheitssteuerung von Bifuel-Fahrzeugen bei Unfällen. Verwendet ein Fahrzeug beispielsweise Benzin und Flüssiggas, wird verflüssigtes Flüssiggas im Inneren eines Behälters verdampft, um dann im Motor verbrannt zu werden. Bei einem Unfall kann es jedoch zu einem sehr hohen oder sehr niedrigen Druck in diesem Verdampfer kommen, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Daher wird im Gas-Betrieb der Druck im Verdampfer überwacht und wenn dieser zu hoch oder zu niedrig ist und gleichzeitig ein Airbag des Fahrzeugs aufgeblasen wurde, wird von Gas-Betrieb auf Benzin-Betrieb umgeschaltet.US 2015/0 159 570 A1 discloses a method and a system for safety control of bi-fuel vehicles in the event of an accident. For example, if a vehicle uses gasoline and LPG, liquefied LPG is vaporized inside a container to be burned in the engine. However, in the event of an accident, a very high or very low pressure can occur in this evaporator, which poses a safety hazard. Therefore, the pressure in the evaporator is monitored in gas mode and if this is too high or too low and at the same time an airbag of the vehicle has been inflated, the system switches from gas mode to petrol mode.

Die WO 2003 / 036 073 A1 offenbart ein Kraftstoffverteilsystem mit einer Einspritzvorrichtung, welche sich zur Einspritzung beispielsweise von LPG in einen Motor eignet. Dabei ist eine Einspritzrampe vorgesehen, die mit mindestens einem Einspritzelement durch eine Durchgangsöffnung für den Treibstoff mit einer Treibstoffzuleitung, durch eine erste Öffnung und mit einer Treibstoffrückleitung und durch eine zweite Öffnung in Verbindung steht. Weiterhin ist in der Einspritzrampe ein Dehnungselement vorgesehen, das in einer aktiven Dehnungsposition die Durchgangs-WO 2003/036 073 A1 discloses a fuel distribution system with an injection device which is suitable for injecting LPG, for example, into an engine. An injection ramp is provided, which communicates with at least one injection element through a passage opening for the fuel with a fuel supply line, through a first opening and with a fuel return line and through a second opening. Furthermore, an expansion element is provided in the injection ramp, which in an active expansion position

Öffnung und/oder die beiden übrigen Öffnungen verschließt. Auf diese Weise sollen insbesondere Leckageaustritte des LPG vermieden werden.Opening and / or the other two openings closed. In this way, in particular, leakage of the LPG should be avoided.

Ferner weisen die verschiedenen Kraftstoffe bei Bifuel-Kraftfahrzeugen unterschiedliche Klopffestigkeiten auf, die zu berücksichtigen sind. Insbesondere treten bei solchen Kraftfahrzeugen üblicherweise Leistungsverluste auf, da der Motor des Fahrzeugs auch mit dem jeweiligen „schlechteren“ Kraftstoff akzeptable Leistungslevel liefern muss. Beispielsweise kann das Verdichtungsverhältnis nicht auf Bifuel-Kraftfahrzeuge mit CNG oder LPG erhöht werden, weil Benzin als Reservekraftstoff wesentlich anfälliger für Klopfen des Motors ist als die beiden Gase. Der Motor kann daher nicht optimal für einen Kraftstoff konstruiert und eingestellt werden. Eine mögliche Lösung des Problems sind Monofuel-Kraftfahrzeuge, die nur mit einer Gasart betrieben werden. Derartige Fahrzeuge sind aber realistisch gesehen nicht verkäuflich, da die Verfügbarkeit der Gase in verschiedenen Regionen stark variiert.Furthermore, the different fuels in bi-fuel motor vehicles have different anti-knock properties, which must be taken into account. In particular, power losses usually occur in such motor vehicles, since the engine of the vehicle has to deliver acceptable power levels even with the respective “poorer” fuel. For example, the compression ratio cannot be increased on bi-fuel vehicles using CNG or LPG because gasoline, as a reserve fuel, is significantly more prone to engine knock than the two gases. The engine can therefore not be optimally designed and adjusted for one fuel. One possible solution to the problem are mono-fuel vehicles that only run on one type of gas. Realistically, however, such vehicles cannot be sold because the availability of the gases varies greatly in different regions.

Im Stand der Technik wurde daher bereits vorgeschlagen, ein Kraftstoffdosierungssystem in Abhängigkeit vom Kraftstofftyp einzustellen, um so einen Motor mit verschiedenen Kraftstoffen unterschiedlicher Klopffestigkeit betreiben zu können. Um die Art eines Kraftstoffs festzustellen, schlägt beispielsweise die DE 10 2010 045 593 A1 ein System zum Erfassen der Art eines gasförmigen Kraftstoffs und ein Verfahren zum Regeln eines Verbrennungsmotors vor, der mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden kann. Dabei wird ein gasförmiger Kraftstoff zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Saugrohr und zumindest einem Zylinder verwendet. Zum Betreiben des Motors können wenigstens zwei unterschiedliche gasförmige Kraftstoffe im Zylinder verbrannt werden. Mit einem Sensorsystem können Parameter des jeweiligen gasförmigen Kraftstoffs ermittelt werden, aus denen wiederum die Art des gasförmigen Kraftstoffs bestimmt wird, der sich im Saugrohr des Motors befindet. Auch das Mischungsverhältnis von zwei gasförmigen Kraftstoffen kann auf diese Weise bestimmt werden. So muss dem System die Art des aktuell verwendeten gasförmigen Kraftstoffs nicht bekannt sein, sondern wenn ein Kraftstoff nicht mehr vorhanden ist, kann auf einen anderen Kraftstoff umgestellt werden, ohne dass der Verbrennungsmotor und/oder sein Regelungssystem zuvor auf den neuen Kraftstoff eingestellt werden müssen. Folglich kann die Verbrennung im Motor während des Betriebs kontinuierlich geregelt und optimiert werden. Als Parameter können insbesondere der Luftmassenstrom im Saugrohr, der Lambda-Wert und/oder der Kraftstoffinjektordruck herangezogen werden.It has therefore already been proposed in the prior art to adjust a fuel metering system as a function of the fuel type in order to be able to operate an engine with different fuels with different anti-knock properties. For example, to determine the type of fuel, the DE 10 2010 045 593 A1 proposes a system for detecting the nature of a gaseous fuel and a method for controlling an internal combustion engine that can be operated with different fuels. A gaseous fuel is used to operate an internal combustion engine with an intake manifold and at least one cylinder. At least two different gaseous fuels can be combusted in the cylinder to operate the engine. A sensor system can be used to determine parameters of the respective gaseous fuel, from which the type of gaseous fuel that is in the intake manifold of the engine is determined. The mixing ratio of two gaseous fuels can also be determined in this way. The system does not have to know the type of gaseous fuel currently being used, but if a fuel is no longer available, it can be switched to another fuel without having to first adjust the internal combustion engine and/or its control system to the new fuel. Consequently, combustion in the engine can be continuously controlled and optimized during operation. In particular, the air mass flow in the intake manifold, the lambda value and/or the fuel injector pressure can be used as parameters.

Die US 2014 / 0 034 023 A1 bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug, in dem sowohl ein gasförmiger als auch ein flüssiger Kraftstoff verbrannt werden kann. Hierzu sind zwei getrennte Kraftstoffleisten vorgesehen, eine für den Gas-Kraftstoff und eine für den Flüssigkraftstoff. Jede an diese Kraftstoffleisten angeschlossene Verbrennungskammer weist eine einzige Einspritzdüse auf, die zentral von oben in die jeweilige Verbrennungskammer einspritzt. Gas-Kraftstoff wird somit ausschließlich in die Zylinder der einen Kraftstoffleiste eingespritzt, während Flüssigkraftstoff ausschließlich in die Zylinder der anderen Kraftstoffleiste eingespritzt wird.US 2014/0 034 023 A1 relates to an internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle in which both a gaseous and a liquid fuel can be burned. Two separate fuel rails are provided for this purpose, one for the gaseous fuel and one for the liquid fuel. Each combustion chamber connected to these fuel rails has a single injection nozzle which injects centrally into the respective combustion chamber from above. Gaseous fuel is thus injected exclusively into the cylinders of one fuel rail, while liquid fuel is injected exclusively into the cylinders of the other fuel rail.

Die DE 10 2004 043 143 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entflammung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Gas-Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung, wobei über ein Ventil Kraftstoff von der Seite in einen Brennraum eingespritzt wird.the DE 10 2004 043 143 A1 discloses a device for igniting fuel-air mixtures in a gas internal combustion engine with pre-chamber ignition, with fuel being injected from the side into a combustion chamber via a valve.

Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Bifuel-Kraftfahrzeuge jedoch noch Raum für Verbesserungen.In view of the state of the art shown, however, the field of bi-fuel vehicles still offers room for improvement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug bereitzustellen, mit dem die genannten Probleme vermieden werden können.The object of the invention is to provide an internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle with which the problems mentioned can be avoided.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Aufgezeigt wird ein Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Verbrennungskammer und einer Kraftstoffeinspritzleiste zur direkten Einspritzung von Gas-Kraftstoff in die Verbrennungskammer mittels wenigstens einer Einspritzdüse an der Verbrennungskammer.The object is achieved by an internal combustion engine with the features of claim 1. An internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle is disclosed with at least one combustion chamber and a fuel injection rail for direct injection of gaseous fuel into the combustion chamber by means of at least one injection nozzle on the combustion chamber.

Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffeinspritzleiste an zwei Tanks für Gas-Kraftstoff angeschlossen ist, in denen sich jeweils Flüssiggas (LPG) und komprimiertes Erdgas (CNG) befinden, wobei der Kraftstoffeinspritzleiste und damit der Verbrennungskammer wahlweise ein Gas-Kraftstoff aus einem der beiden Tanks zuführbar ist, und die Kraftstoffeinspritzleiste für jede Gas-Kraftstoffart wenigstens eine für diese Gas-Kraftstoffart ausgelegte Einspritzdüse aufweist, mittels welcher der Verbrennungskammer durch Direkteinspritzung die jeweilige Gas-Kraftstoffart zuführbar ist, wobei die beiden Einspritzdüsen in ihrem Einspritzwinkel unterschiedlich angeordnet sind und eine Einspritzdüse für das Flüssiggas (LPG) eine seitliche Einspritzposition hat, während eine Einspritzdüse für das komprimierte Erdgas (CNG) eine zentrale Einspritzposition hat.According to the invention, the fuel injection rail is connected to two tanks for gaseous fuel, in each of which liquid gas (LPG) and compressed natural gas (CNG) are located, with the fuel injection rail and thus the combustion chamber being able to be supplied with a gaseous fuel from one of the two tanks, and the fuel injection rail has for each type of gas fuel at least one injection nozzle designed for this type of gas fuel, by means of which the respective gas fuel type can be supplied to the combustion chamber by direct injection, the two injection nozzles being arranged differently in their injection angle and one injection nozzle for the liquid gas ( LPG) has a side injection position, while a compressed natural gas (CNG) injector has a center injection position.

Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.Further, particularly advantageous configurations of the invention are disclosed in the dependent subclaims.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der Figur zusätzlich.It should be pointed out that the features and measures listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful way and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figure.

Der Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug weist wenigstens eine Verbrennungskammer und eine Kraftstoffeinspritzleiste zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in diese Verbrennungskammer auf. Bei der Verbrennungskammer handelt es sich um den an einen Kolben angrenzenden Brennraum innerhalb eines Zylinders, in dem die Verbrennung beginnt. Der Motor kann verschiedene Anzahlen von Zylindern und somit auch von Verbrennungskammern aufweisen. Die Kraftstoffeinspritzleiste ist an zwei Tanks angeschlossen, in denen sich jeweils unterschiedliche Gas-Kraftstoffe befinden. Der Verbrennungskammer ist wahlweise ein Gas-Kraftstoff aus einem der beiden Tanks zuführbar, wobei die Kraftstoffeinspritzleiste für jede Gas-Kraftstoffart wenigstens eine für diese Gas-Kraftstoffart ausgelegte Einspritzdüse aufweist. Bei den zwei Gas-Kraftstoffen handelt es sich vorzugsweise um Flüssiggas (LPG) und komprimiertes Erdgas (CNG).The internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle has at least one combustion chamber and a fuel rail for injecting fuel directly into this combustion chamber. At the combustion chamber it is the combustion chamber adjacent to a piston within a cylinder where combustion begins. The engine can have different numbers of cylinders and thus also of combustion chambers. The fuel injection rail is connected to two tanks, each containing different gas fuels. A gaseous fuel can be supplied to the combustion chamber from one of the two tanks, with the fuel injection rail having at least one injection nozzle designed for this gaseous fuel type for each gaseous fuel type. The two gaseous fuels are preferably liquefied petroleum gas (LPG) and compressed natural gas (CNG).

Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es so möglich, ein Fahrzeug mit zwei verschiedenen Gas-Kraftstoffen wie LPG und CNG zu betreiben, wobei die zwei Gas-Kraftstoffe beide direkt einer Verbrennungskammer zugeführt werden. Hierdurch kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, ohne dass sich das Risiko des Klopfens erhöht. Es handelt sich somit nicht um ein Bifuel-Fahrzeug, welches wahlweise mit Benzin (oder Diesel) und einem Gas-Kraftstoff betrieben wird, sondern das Fahrzeug wird wahlweise mit einem von zwei Gas-Kraftstoffen betrieben. Wenn das Fahrzeug beide Gas-Kraftstoffe in verschiedenen Tanks mit sich führt, verbessert sich die Versorgungssituation erheblich, denn bei erforderlichen Tankvorgängen kann sowohl auf LPG- als auch auf CNG-Tankstellen zurückgegriffen werden. Ferner können beide Gas-Kraftstoffe als Reservekraftstoff verwendet werden, wenn einer der beiden Gas-Kraftstoffe nicht mehr zur Verfügung steht. Hierdurch werden auch die Betriebskosten des Fahrzeugs reduziert.With the internal combustion engine according to the invention it is thus possible to operate a vehicle with two different gaseous fuels such as LPG and CNG, the two gaseous fuels both being fed directly to a combustion chamber. This allows the compression ratio to be increased without increasing the risk of knocking. It is therefore not a bifuel vehicle, which is operated with either petrol (or diesel) and one gaseous fuel, but rather the vehicle is operated with one of two gaseous fuels. If the vehicle carries both gaseous fuels in different tanks, the supply situation improves considerably, because when refueling is required, both LPG and CNG filling stations can be used. Furthermore, both gaseous fuels can be used as reserve fuel if one of the two gaseous fuels is no longer available. This also reduces the operating costs of the vehicle.

Ferner hat der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor den Vorteil, dass sein Starten unter jeder Bedingung gewährleistet werden kann. Für die Direkteinspritzung von LPG ist dies normalerweise ein Problem, aber da parallel auch CNG als Alternativkraftstoff und auch CNG-Einspritzdüsen zur Verfügung stehen, treten beispielsweise keine Probleme beim Heißstart auf. Darüber hinaus sind vor einer Hochdruckpumpe keine hohen Einlassdrücke der LPG-Direkteinspritzdüsen erforderlich, da der Motor auch unter Gasbedingungen läuft. Auch werden die CO2-Emissionen gegenüber Motoren reduziert, die z.B. Benzin als Reservekraftstoff verwenden.Furthermore, the internal combustion engine according to the invention has the advantage that its starting can be guaranteed under any condition. This is usually a problem for direct injection of LPG, but since CNG is also available as an alternative fuel and CNG injectors are also available, there are no problems with hot starts, for example. In addition, high inlet pressures of the LPG direct injectors are not required in front of a high-pressure pump, since the engine also runs under gas conditions. The CO 2 emissions are also reduced compared to engines that use petrol as reserve fuel, for example.

Um die Direkteinspritzung beider Gas-Kraftstoffe zu ermöglichen, kann der Verbrennungsmotor ein spezielles Kraftstoffeinspritzsystem aufweisen. Hierzu ist eine gemeinsame Kraftstoffeinspritzleiste vorgesehen, über welche beide Gas-Kraftstoffarten den Verbrennungskammern des Motors zugeführt werden können. Dabei werden für jede Gas-Kraftstoffart besondere Einspritzdüsen eingesetzt, wobei sich wenigstens die Positionen der Einspritzdüsen voneinander unterscheiden.In order to enable direct injection of both gaseous fuels, the internal combustion engine can have a special fuel injection system. For this purpose, a common fuel injection rail is provided, via which both types of gaseous fuel can be supplied to the combustion chambers of the engine. In this case, special injection nozzles are used for each type of gas fuel, with at least the positions of the injection nozzles differing from one another.

In einer erfindungsgemäßer Ausführungsform der Erfindung hat wenigstens eine Einspritzdüse für komprimiertes Erdgas CNG eine zentrale Einspritzposition, d. h. das komprimierte Erdgas CNG wird einer Verbrennungskammer des Motors von oben an einer zentralen Position zugeführt. Eine Einspritzdüse für Flüssiggas LPG kann hingegen eine seitliche Einspritzposition haben, d. h. das Flüssiggas wird einer Verbrennungskammer von der Seite zugeführt. Diese jeweilige Position stellt die ideale Ausgestaltung dar. Idealer Weise wird das komprimierte Erdgas CNG zentral von oben in den Brennraum eingeleitet, da dies über einen außen öffnenden Injektortyp zugeführt wird, wobei der daraus resultierende Kegelstrahl ideal für diese zentrale Lage ist. Der Injektor für Flüssiggas LPG ist bzw. kann als Mehrlochdüse ausgelegt sein, und ist somit auch für die seitliche Lage einsetzbar. Eine Verbrennungskammer weist somit wenigstens zwei verschiedene Einspritzdüsen auf, um ihr wahlweise beide Gas-Kraftstoffe zuführen zu können, wobei die beiden Einspritzdüsen in ihrem Einspritzwinkel unterschiedlich angeordnet sind. Selbstverständlich sind die jeweiligen Einspritzdüsen über Steuerleitungen mit einer Steuereinheit, idealer Weise mit einer zentralen Steuereinheit (CPU) des Fahrzeuges verbunden, so dass die Einspritzdüsen jeweils dem betreffenden Kraftstoff, also LPG oder CNG angesteuert werden.In an inventive embodiment of the invention, at least one compressed natural gas (CNG) injector has a central injection position, i. H. the compressed natural gas CNG is supplied to a combustion chamber of the engine from above at a central position. An LPG injector, on the other hand, can have a lateral injection position, i.e. H. the liquid gas is fed to a combustion chamber from the side. This respective position represents the ideal configuration. Ideally, the compressed natural gas CNG is introduced centrally from above into the combustion chamber, since this is fed in via an injector type that opens to the outside, with the resulting cone jet being ideal for this central location. The injector for liquid gas LPG is or can be designed as a multi-hole nozzle and can therefore also be used for the lateral position. A combustion chamber thus has at least two different injection nozzles in order to be able to selectively supply both gas fuels, the two injection nozzles being arranged differently in their injection angle. Of course, the respective injection nozzles are connected via control lines to a control unit, ideally to a central control unit (CPU) of the vehicle, so that the injection nozzles are controlled by the relevant fuel, i.e. LPG or CNG.

Um der Kraftstoffeinspritzleiste wahlweise beide Gas-Kraftstoffarten zuführen zu können, können die beiden Tanks für die Gas-Kraftstoffe ferner an ein 2-Wege-Ventil angeschlossen sein. Je nach Ansteuerung dieses 2-Wege-Ventils wird der Kraftstoffeinspritzleiste der eine oder andere Gas-Kraftstoff zugeführt, um dann mit der jeweils zugeordneten Einspritzdüse in die Verbrennungskammern des Motors eingespritzt zu werden. Dabei stehen die beiden Tanks für die Gas-Kraftstoffe über jeweilige Zuleitungen mit dem 2-Wege-Ventil in Verbindung, wobei das 2-Wege-Ventil wiederum über eine Zuleitung mit der Kraftstoffeinspritzdüse in Verbindung steht.In order to be able to selectively supply both types of gaseous fuel to the fuel injection rail, the two tanks for the gaseous fuels can also be connected to a 2-way valve. Depending on the activation of this 2-way valve, one or the other gaseous fuel is supplied to the fuel injection rail, in order to then be injected into the combustion chambers of the engine with the respectively assigned injection nozzle. The two tanks for the gaseous fuels are connected to the 2-way valve via respective feed lines, with the 2-way valve in turn being connected to the fuel injection nozzle via a feed line.

Der Tank mit dem komprimierten Erdgas ist vorzugsweise über ein Druckbegrenzungsventil mit der Kraftstoffeinspritzleiste verbunden. Ferner ist der Tank mit Flüssiggas über eine Hochdruckpumpe mit der Kraftstoffeinspritzleiste verbunden. Ab einem gewissen Druck kann das gasförmige Flüssiggas zwischen seinem Tank und dem 2-Wege-Ventil in die Zuleitung des komprimierten Erdgases überführt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung sind daher eine Zuleitung zwischen dem Tank mit Flüssiggas und der Kraftstoffeinspritzleiste und eine Zuleitung zwischen dem Tank mit komprimiertem Erdgas und der Kraftstoffeinspritzleiste über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden, wobei ein Ventil in der Verbindungsleitung vorgesehen ist. So kann das LPG bei Bedarf in die CNG-Zuleitung überführt werden.The tank with the compressed natural gas is preferably connected to the fuel injection rail via a pressure relief valve. Furthermore, the tank with liquid gas is connected to the fuel injection rail via a high-pressure pump. Above a certain pressure, the gaseous liquid gas can be transferred between its tank and the 2-way valve into the compressed natural gas supply line. In one embodiment of the invention, therefore, there is a supply line between the tank with liquid gas and the fuel injection rail and a supply line between the tank with compressed natural gas and the fuel injection rail are connected to each other via a connecting pipe, a valve being provided in the connecting pipe. In this way, the LPG can be transferred to the CNG supply line if required.

Vorzugsweise sind an wenigstens einer Zuleitung von einem Tank zur Kraftstoffeinspritzleiste Sensormittel zur Erfassung von Parametern des jeweiligen Gas-Kraftstoffs vorgesehen. Die erfassten Parameter beinhalten wenigstens den Druck und die Temperatur des Gas-Kraftstoffs. Auch an der gemeinsamen Kraftstoffeinspritzleiste kann ein Sensormittel zur Erfassung von Parametern des jeweiligen Gas-Kraftstoffs vorgesehen sein. Die erfassten Parameter beinhalten ebenfalls wenigstens den Druck und die Temperatur des Gas-Kraftstoffs.Sensor means for detecting parameters of the respective gaseous fuel are preferably provided on at least one feed line from a tank to the fuel injection rail. The detected parameters include at least the pressure and the temperature of the gaseous fuel. A sensor means for detecting parameters of the respective gaseous fuel can also be provided on the common fuel injection rail. The sensed parameters also include at least the pressure and temperature of the gaseous fuel.

Zielführend ist, wenn der Steuereinheit, bzw. der zentralen Steuereinheit Daten der genannten Elemente zugeführt werden, so dass die entsprechenden Parameter auch zu deren Steuerung zur Verfügung stehen. Dazu können Steuer- bzw. Verbindungsleitungen vorgesehen sein, welche auch drahtlos ausgestaltet sein können.It is expedient if the control unit or the central control unit is supplied with data from the elements mentioned, so that the corresponding parameters are also available for controlling them. For this purpose, control or connecting lines can be provided, which can also be designed to be wireless.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung der einzigen 1 offenbart.

  • 1 zeigt ein Kraftstoffsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
Further advantageous refinements of the invention are contained in the subclaims and the following description of the only ones 1 disclosed.
  • 1 shows a fuel system for an internal combustion engine of a motor vehicle.

Der Verbrennungsmotor ist lediglich schematisch mit vier Zylindern dargestellt, d. h. es liegen vier Verbrennungskammern 70 vor, in denen ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt wird. Die Verbrennungskammern 70 sind an eine gemeinsame Kraftstoffeinspritzleiste 40 angeschlossen, über welche allen Verbrennungskammern 70 Kraftstoff zugeführt wird. Hierzu sind mehrere Einspritzdüsen 60, 61 jeweils für eine Direkteinspritzung vorgesehen.The internal combustion engine is only shown schematically with four cylinders, i. H. there are four combustion chambers 70 in which a mixture of fuel and air is combusted. The combustion chambers 70 are connected to a common fuel rail 40 through which fuel is supplied to all of the combustion chambers 70 . For this purpose, several injection nozzles 60, 61 are each provided for direct injection.

Das Kraftstoffsystem weist ferner zwei Tanks 10 und 20 auf, die mit zwei unterschiedlichen Gas-Kraftstoffen befüllt werden können. Dabei ist der Tank 10 insbesondere für LPG vorgesehen, während der zweite Tank 20 für CNG vorgesehen ist. Die beiden Tanks 10, 20 sind über jeweilige Zuleitungen und ein 2-Wege-Ventil 30 mit der Kraftstoffeinspritzleiste 40 verbunden.The fuel system also has two tanks 10 and 20, which can be filled with two different gaseous fuels. The tank 10 is provided in particular for LPG, while the second tank 20 is provided for CNG. The two tanks 10, 20 are connected to the fuel injection rail 40 via respective feed lines and a 2-way valve 30.

Dabei weist eine erste Zuleitung 11 vom LPG-Tank 10 zum 2-Wege-Ventil 30 eine Hochdruckpumpe 14 auf. In bzw. an dieser Zuleitung 11 sind ferner Sensormittel 13 zur Erfassung des Drucks und/oder der Temperatur des LPGs vorgesehen. Eine zweite Zuleitung 21 vom CNG-Tank 20 zum 2-Wege-Ventil 30 weist ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.A first supply line 11 from the LPG tank 10 to the 2-way valve 30 has a high-pressure pump 14 . Sensor means 13 for detecting the pressure and/or the temperature of the LPG are also provided in or on this supply line 11 . A second supply line 21 from the CNG tank 20 to the 2-way valve 30 has a pressure-limiting valve 22 .

Durch eine entsprechende Ansteuerung des 2-Wege-Ventils 30 kann der Kraftstoffeinspritzleiste 40 wahlweise LPG oder CNG zugeführt werden. Für diese Ansteuerung ist das 2-Wege-Ventil mit einer Steuereinheit verbunden (nicht dargestellt). Ab einem gewissen Druck kann gasförmiges LPG auch von der Zuleitung 11 über eine Verbindungsleitung 12 in die Zuleitung 21 für CNG überführt werden. Hierzu ist in der Verbindungsleitung 12 ein weiteres Ventil 15 vorgesehen.Appropriate activation of the 2-way valve 30 allows the fuel injection rail 40 to be supplied either with LPG or CNG. For this control, the 2-way valve is connected to a control unit (not shown). Above a certain pressure, gaseous LPG can also be transferred from the feed line 11 via a connecting line 12 into the feed line 21 for CNG. A further valve 15 is provided in the connecting line 12 for this purpose.

Nach Zuführung des jeweiligen Gas-Kraftstoffs zur Kraftstoffeinspritzleiste 40 wird der Gas-Kraftstoff den zugehörigen Einspritzdüsen 60, 61 für diese Kraftstoffart zugeführt. Dabei sind für das LPG mehrere Direkteinspritzdüsen 61 und für das CNG mehrere Direkteinspritzdüsen 60 vorhanden. Die Direkteinspritzdüsen 60 für das CNG sind so angeordnet, dass sie den Kraftstoff zentral von oben in eine Verbrennungskammer 70 einspritzen, während die Direkteinspritzdüsen 61 für das LPG so angeordnet sind, dass sie den Kraftstoff von der Seite in eine Verbrennungskammer 70 einspritzen.After the respective gaseous fuel has been supplied to the fuel injection rail 40, the gaseous fuel is supplied to the associated injection nozzles 60, 61 for this type of fuel. There are several direct injection nozzles 61 for the LPG and several direct injection nozzles 60 for the CNG. The direct injectors 60 for the CNG are arranged to inject the fuel centrally into a combustion chamber 70 from above, while the direct injectors 61 for the LPG are arranged to inject the fuel into a combustion chamber 70 from the side.

In 1 sind noch Steuer- bzw. Verbindungsleitungen 80 angedeutet, welche von dem jeweiligen Element zu der Steuereinheit bzw. zu der zentralen Steuereinheit führen, so dass auch Parameter der entsprechenden Elemente aufnehmbar sind, wobei die entsprechenden Elemente so ansteuerbar sind. Die Steuere- bzw. Verbindungsleitungen 80 können auch drahtlos ausgeführt sein. Auch an der gemeinsamen Kraftstoffeinspritzleiste 40 kann ein Sensormittel 50 zur Erfassung von Parametern des jeweiligen Gas-Kraftstoffs vorgesehen sein. Die erfassten Parameter beinhalten ebenfalls wenigstens den Druck und die Temperatur des Gas-Kraftstoffs.In 1 control or connecting lines 80 are also indicated, which lead from the respective element to the control unit or to the central control unit, so that parameters of the corresponding elements can also be recorded, with the corresponding elements being controllable in this way. The control or connecting lines 80 can also be wireless. A sensor means 50 for detecting parameters of the respective gaseous fuel can also be provided on the common fuel injection rail 40 . The sensed parameters also include at least the pressure and temperature of the gaseous fuel.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Tank mit Flüssiggas (LPG)Tank with liquefied petroleum gas (LPG)
1111
Zuleitung LPGLPG supply line
1212
Verbindungsleitungconnection line
1313
Sensormittelsensor means
1414
Hochdruckpumpehigh pressure pump
1515
VentilValve
2020
Tank mit komprimierten Erdgas (CNG)Compressed natural gas (CNG) tank
2121
Zuleitung CNGSupply CNG
2222
Druckbegrenzungsventilpressure relief valve
3030
Gasumschaltventilgas switching valve
4040
Kraftstoffeinspritzleistefuel rail
5050
Sensormittelsensor means
6060
Einspritzdüse CNGInjector CNG
6161
Einspritzdüse LPGInjector LPG
7070
Verbrennungskammer, Zylindercombustion chamber, cylinder
8080
Steuer- bzw. VerbindungsleitungenControl or connecting lines

Claims (7)

Verbrennungsmotor für ein Bifuel-Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Verbrennungskammer (70) und einer Kraftstoffeinspritzleiste (40) zur direkten Einspritzung von Gas-Kraftstoff in die Verbrennungskammer (70) mittels wenigstens einer Einspritzdüse (60;61) an der Kraftstoffeinspritzleiste (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzleiste (40) an zwei Tanks (10;20) für Gas-Kraftstoff angeschlossen ist, in denen sich jeweils Flüssiggas (LPG) und komprimiertes Erdgas (CNG) befinden, wobei der Kraftstoffeinspritzleiste (40) und damit der Verbrennungskammer (70) wahlweise ein Gas-Kraftstoff aus einem der beiden Tanks (10;20) zuführbar ist, und die Kraftstoffeinspritzleiste (40) für jede Gas-Kraftstoffart wenigstens eine für diese Gas-Kraftstoffart ausgelegte Einspritzdüse (60;61) aufweist, mittels welcher der Verbrennungskammer (70) durch Direkteinspritzung die jeweilige Gas-Kraftstoffart zuführbar ist, wobei die beiden Einspritzdüsen (60;61) in ihrem Einspritzwinkel unterschiedlich angeordnet sind und eine Einspritzdüse (61) für das Flüssiggas (LPG) eine seitliche Einspritzposition hat, während eine Einspritzdüse (60) für das komprimierte Erdgas (CNG) eine zentrale Einspritzposition hat.Internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle with at least one combustion chamber (70) and a fuel injection rail (40) for direct injection of gaseous fuel into the combustion chamber (70) by means of at least one injection nozzle (60; 61) on the fuel injection rail (40), characterized that the fuel injection rail (40) is connected to two tanks (10;20) for gas fuel, in which respectively liquefied petroleum gas (LPG) and compressed natural gas (CNG) are located, the fuel injection rail (40) and thus the combustion chamber (70 ) a gaseous fuel can optionally be supplied from one of the two tanks (10; 20), and the fuel injection rail (40) has for each gaseous fuel type at least one injection nozzle (60; 61) designed for this gaseous fuel type, by means of which the combustion chamber (70) the respective type of gas fuel can be supplied by direct injection, the two injectors (60; 61) differing in their injection angle are arranged neatly and an injector (61) for the liquefied petroleum gas (LPG) has a lateral injection position, while an injector (60) for the compressed natural gas (CNG) has a central injection position. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tanks (10;20) an ein 2-Wege-Ventil (30) angeschlossen sind, mit dem die Gas-Kraftstoffe der Verbrennungskammer (70) wahlweise zuführbar sind.combustion engine after claim 1 , characterized in that the two tanks (10; 20) are connected to a 2-way valve (30) with which the gaseous fuels can be supplied to the combustion chamber (70) selectively. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuleitung (11) zwischen dem Tank (10) mit Flüssiggas und der Kraftstoffeinspritzleiste (40) und eine Zuleitung (21) zwischen dem Tank (20) mit komprimiertem Erdgas und der Kraftstoffeinspritzleiste (40) über eine Verbindungsleitung (12) miteinander verbunden sind, wobei ein Ventil (15) in der Verbindungsleitung (12) vorgesehen ist.Internal combustion engine according to one of Claims 1 and 2 , characterized in that a supply line (11) between the tank (10) with liquid gas and the fuel injection rail (40) and a supply line (21) between the tank (20) with compressed natural gas and the fuel injection rail (40) via a connecting line (12 ) are connected to one another, a valve (15) being provided in the connecting line (12). Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (20) mit komprimiertem Erdgas über ein Druckbegrenzungsventil (22) mit der Kraftstoffeinspritzleiste (40) verbunden ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the tank (20) with compressed natural gas is connected to the fuel injection rail (40) via a pressure-limiting valve (22). Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (10) mit Flüssiggas über eine Hochdruckpumpe (14) mit der Kraftstoffeinspritzleiste (40) verbunden ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the tank (10) with liquid gas is connected to the fuel injection rail (40) via a high-pressure pump (14). Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Zuleitung (11;21) von dem Tank (10;20) zur Kraftstoffeinspritzleiste (40) Sensormittel (13) zur Erfassung von Parametern des jeweiligen Gas-Kraftstoffs vorgesehen sind.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that sensor means (13) for detecting parameters of the respective gaseous fuel are provided on at least one supply line (11; 21) from the tank (10; 20) to the fuel injection rail (40). Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Parameter wenigstens den Druck und die Temperatur des Gas-Kraftstoffs beinhalten.combustion engine after claim 6 , characterized in that the detected parameters include at least the pressure and the temperature of the gaseous fuel.
DE102016219152.7A 2016-10-04 2016-10-04 Internal combustion engine for a bi-fuel motor vehicle Active DE102016219152B4 (en)

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