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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum direkten Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Gastank, eine Pumpe zur Förderung des Brennstoffs in einen Speicher und zumindest einen mit dem Speicher verbundenen Injektor zum gesteuerten Einblasen des aus dem Speicher zugeführten Brennstoffs in den Brennraum.
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Stand der Technik
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Eine derartige Vorrichtung zum direkten Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2014 208 767 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist neben weiteren Komponenten einen Gastank, eine Pumpe zur Förderung des Brennstoffs in einen Speicher und mehrere mit dem Speicher verbundene Injektoren zur gesteuerten Einblasung des aus dem Speicher zugeführten Brennstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine auf. Zwischen dem Gastank und dem Speicher ist ein Druckregelventil angeordnet und dem Speicher ist ein Zwischenspeicher nachgeschaltet, der ausschließlich mit dem Speicher verbunden ist. Der Zwischenspeicher ist vorgesehen, um beim Abschalten der Brennkraftmaschine das Druckniveau insbesondere in einem Bereich des Leitungssystems an den Injektoren soweit abzusenken, dass keine beziehungsweise nur eine vernachlässigbare Leckage über die Injektoren in die Brennräume zu befürchten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum direkten Einblasen von gasförmigem Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit der die Dynamik des Systems insbesondere bei Lastwechseln verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Zweitspeicher vorgesehen ist, in dem der gasförmige Brennstoff unter einem anderen Druckniveau als in dem als Erstspeicher ausgebildeten Speicher bevorratbar ist, und dass der Injektor wechselweise mit dem Erstspeicher und/oder Zweitspeicher verbindbar ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei modernen mit einem gasförmigen Brennstoff betriebenen Brennkraftmaschinen Einblasvorrichtungen verwendet werden, die ähnlich zu einem Common-Rail-System für Dieselkraftstoff aufgebaut sind. Die Injektoren blasen den gasförmigen Brennstoff direkt in den Brennraum und werden über einen gemeinsamen vorzugsweise als Rohr ausgebildeten Speicher und ein entsprechendes Leitungssystem mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Für eine genaue Dosierung ist es üblich, den Druck in dem Speicher entsprechend der Last (der Brennkraftmaschine) dynamisch anzupassen. Anders als bei flüssigen Brennstoffen (Diesel) führt eine kleine Entnahmemenge bei gasförmigem Brennstoff nur zu einer geringen Druckänderung. Um den in dem Speicher vorhandenen Druck von Volllast auf Leelaufniveau (der Brennkraftmaschine) abzusenken, dauert es eine längere Zeitspanne von bis zu einigen Minuten. Eine Dynamik des Systems ist somit nicht gegeben. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ausgeschaltet beziehungsweise verbessert, indem nunmehr der Injektor mit unter unterschiedlichem Druck stehendem gasförmigem Brennstoff beschickt werden kann. Dadurch kann beispielsweise direkt auf das Volllastniveau und das Leerlaufniveau bezüglich einer optimalen Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine eingegangen werden und dadurch das Betriebsverhalten, der Kraftstoffverbrauch und die emittierten Abgase der Brennkraftmaschine verbessert werden. Denkbar ist auch, den Injektor gesteuert mit dem Erstspeicher und gleichzeitig dem Zweitspeicher zu verbinden, um ein drittes Druckniveau zu erreichen, das zwischen dem Druckniveau des Erstspeichers und dem des Zweitspeichers liegt. Dadurch kann beispielsweise auch der Teillastbereich der Brennkraftmaschine optimal abgedeckt werden. Gegebenenfalls ist auch eine stufenlose Verstellung des dem Injektor zugeführten Druckniveaus zwischen dem Druckniveau des Erstspeichers und dem des Zweitspeichers sinnvoll, was durch eine stufenlose Umschaltung zwischen dem Erstspeicher und dem Zweitspeicher realisierbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Schaltventil zur Verbindung des Injektors mit dem Erstspeicher oder dem Zweitspeicher vorgesehen. Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung das Schaltventil ein 3/3-Wegeventil. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltung, bei dem die Brennstoffverbindung des Injektors mit dem Erstspeicher und dem Zweitspeicher von einem Ventil schaltbar ist. Dabei definieren Schaltstellungen 1, 2 die jeweilige Verbindung des Injektors mit dem Erstspeicher oder dem Zweitspeicher und eine Schaltstellung 0 eine komplette Absperrung des Injektors von dem Erstspeicher und dem Zweitspeicher beispielsweise beim Stillstand der Brennkraftmaschine. Denkbar ist aber auch, das Schaltventil aus Einzelventilen aufzubauen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Schaltventil hydraulisch, pneumatisch, elektrisch, elektro-magnetisch, mechanisch oder in einer Kombination davon zu betätigen. Beispielsweise kann bei einer hydraulischen Betätigung die Stellenergie aus einem angeschlossenen Fluid-Hydraulikkreis kommen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der Erstspeicher und der Zweitspeicher von einer gemeinsamen Pumpe mit Brennstoff befüllbar. Dabei sind wiederum in weiterer Ausgestaltung zur Befüllung des Erstspeichers und des Zweitspeichers getrennte Druckregler zwischen der Pumpe und dem Erstspeicher und dem Zweitspeicher vorgesehen. Die Druckregler ermöglichen in einfacher Weise die Befüllung des Erstspeichers und des Zweitspeichers mit unterschiedlichen Druckniveaus. Alternativ dazu ist wiederum in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Befüllung des Zweitspeichers kaskadiert von dem das höhere Druckniveau aufweisenden Erstspeicher erfolgt. Das heißt mit anderen Worten, zunächst wird der Erstspeicher von der Pumpe mit dem höheren Druckniveau befüllt und dann aus dem Erstspeicher der Zweitspeicher beispielsweise über einen Druckregler mit dem geringeren Druckniveau befüllt. Gegebenenfalls kann auch der erste Druckregler eingespart werden, wenn die Pumpe regelbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der Erstspeicher und der Zweitspeicher nebeneinander angeordnet. Dabei können der Erstspeicher und Zweitspeicher eine Baueinheit bilden, die platzsparend an der Brennkraftmaschine anbaubar ist. Weiterhin lassen sich durch diese Ausgestaltung kurze, gleichlange Einspritzleitungen zu dem jeweiligen Injektor realisieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Erstspeicher und der Zweitspeicher ineinander integriert ausgebildet. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine platzsparende Montage an der Brennkraftmaschine, wobei bei dieser Ausgestaltung zudem das Schaltventil vorteilhaft in die Baueinheit bestehend aus Erstspeicher und Zweitspeicher integriert sein kann und somit der zugehörige Injektor über eine Einspritzleitung direkt wie bei einem herkömmlichen System mit der Baueinheit bestehend aus dem Erstspeicher und dem Zweitspeicher verbunden werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum direkten Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine in einer ersten Ausgestaltung,
- 2 eine Vorrichtung zum direkten Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausgestaltung,
- 3a bis 3c eine Schnittdarstellung eines Erstspeichers, der neben einem Zweitspeicher angeordnet ist und die beide über ein Schaltventil mit einer Hochdruckleitung zu einem Injektor verbunden sind, in verschiedenen Schaltstellungen des Schaltventils und
- 4 einen Erstspeicher und einen Zweitspeicher, die unter Einbezug eines Schaltventils ineinander integriert angeordnet sind.
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1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum direkten Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den für die Darstellung der Erfindung notwendigen Komponenten. Neben diesen nachfolgend beschriebenen Komponenten können selbstverständlich noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Steuergerät, Sensoren, Filter usw. als Bestandteile der Vorrichtung vorhanden sein. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist einen Gastank 1 auf, in dem ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Methan, bevorratet ist. In eine in den Gastank 1 hineinragende Versorgungsleitung 2 ist eine Pumpe 3 eingeschaltet, die gasförmigen Brennstoff in einen Erstspeicher 4 fördert. Zur Einstellung des gewünschten Druckniveaus in dem Erstspeicher 4 ist in die Versorgungsleitung 2 ein erster Druckregler 5a eingebaut. Der Erstspeicher 4 ist über eine Verbindungsleitung 6 mit einem eingebauten zweiten Druckregler 5b mit einem Zweitspeicher 7 verbunden. Der Zweitspeicher 7 ist mit aus dem Erstspeicher 4 entnommenen gasförmigen Brennstoff unter einem niedrigeren Druckniveau, das durch den zweiten Druckregler 5b eingestellt wird, befüllbar.
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An dem Erstspeicher 4 ist eine erste Druckleitung 8a und an dem Zweitspeicher 7 eine zweite Druckleitung 8b angeschlossen. Beide Druckleitungen 8a, 8b sind zu einem als 3/3-Wegeventil ausgebildeten Schaltventil 9 geführt und bilden dessen Schalteingänge. Ein Schaltausgang des Schaltventils 9 ist mit einer Hochdruckleitung 10 verbunden, die mit einem Brennstoffeingang eines Injektors 11 verbunden ist. Der Injektor 11 wird von einem Aktor gesteuert und bläst gasförmigen Brennstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ein. Dazu ist der Injektor 11 beispielsweise direkt in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine im Bereich eines zugeordneten Brennraums eingebaut. Bei Ausgestaltung der Brennkraftmaschine als mehrzylindrige Brennkraftmaschine ist eine entsprechende Anzahl von Injektoren 11 vorgesehen, die mit den einzelnen Brennräumen zusammenwirken. Dazu können die Injektoren 11 über jeweils eine Hochdruckleitung 10 alle mit dem Schaltventil 9 beziehungsweise mit dessen Schaltausgang verbunden sein.
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Die dargestellte Schaltposition des Schaltventils 9 zeigt eine Sperrstellung 0, bei dem eine Verbindung der Schalteingänge zu dem Schaltausgang gesperrt ist. In einer Schaltstellung 1 ist die zweite Druckleitung 8b des Zweitspeichers 7 mit der Hochdruckleitung 10 zu dem Injektor 11 verbunden, während in einer Schaltstellung 2 die erste Druckleitung 8a des Erstspeichers 4 mit der Hochdruckleitung 10 zu dem Injektor 11 verbunden ist. Selbstverständlich können die Schaltstellungen 1 und 2 auch vertauscht sein, so dass nach der Sperrstellung 0 in der Schaltstellung 1 zunächst die Verbindung der Hochdruckleitung 10 mit der Druckleitung 8a und dann in der Schaltstellung 2 mit der Hochdruckleitung 8b eingestellt ist. Das Schaltventil 9 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel hydraulisch betätigt, wobei eine Fluidpumpe 12 Hydraulikfluid aus einem Fluidtank 13 zur Verstellung des Schaltventils 9 fördert.
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Durch die dargestellte Ausgestaltung der Vorrichtung mit einem Erstspeicher 4 und einem Zweitspeicher 7, die über das Schaltventil 9 mit dem Injektor 11 verbindbar sind, kann nunmehr der Injektor 11 mit unter unterschiedlichem Druck stehendem gasförmigen Brennstoff beschickt werden. Dadurch kann beispielsweise direkt auf das Volllastniveau und das Leerlaufniveau bezüglich einer optimalen Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine eingegangen werden und dadurch das Betriebsverhalten, der Kraftstoffverbrauch und die emittierten Abgase der Brennkraftmaschine verbessert werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass hier die Verbindungsleitung 6a zur Befüllung des Zweitspeichers 7 an der Versorgungsleitung 2 ausgangsseitig der Pumpe 3 und vor dem ersten Druckregler 5 angeschlossen ist. Wie in der Ausführung gemäß 1 wird auch hier der Zweitspeicher 7 - geregelt durch den zweiten Druckregler 5 - mit einem niedrigeren Druckniveau des gasförmigen Brennstoffs befüllt. Die Verbindungsleitung 6a kann auch hinter dem ersten Druckregler 5a in die Versorgungsleitung 2 eingebunden sein. Diese Ausgestaltung entspricht dann wieder weitgehend der der 1.
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Die 3a, 3b, 3c zeigen eine Anordnung des Erstspeichers 4 und des Zweitspeichers 7 nebeneinander liegend, wobei das Schaltventil 9 hierbei beispielsweise als Kugelventil ausgebildet ist und die zuvor erläuterten Schaltstellungen 0, 1 oder 2 einnehmen kann. 3a zeigt das Schaltventil 9 in der Sperrstellung 0, bei der eine wechselweise oder gemeinsame Verbindung der ersten Druckleitung 8a und der zweiten Druckleitung 8b mit der Hochdruckleitung 10 unterbunden ist. 3b zeigt die Schaltstellung 1, bei der der Zweitspeicher 7 über die zweite Druckleitung 8b mit der Hochdruckleitung 10 verbunden ist, während 3c die Schaltstellung 2 zeigt, bei der der Erstspeicher 4 über die erste Druckleitung 8a mit Hochdruckleitung 10 verbunden ist.
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4 zeigt eine integrale Anordnung des Erstspeichers 4 in dem Zweitspeicher 7. Direkt zwischen dem Erstspeicher 4 und dem Zweitspeicher 7 ist unter Einsparung der zuvor beschriebenen Druckleitungen das Schaltventil 9 angeordnet. Die dargestellte Schaltstellung 2 entspricht der der 3c.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208767 A1 [0002]
