DE102017205916A1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur Förderung von Kraftstoff in einer Kraftstofffördereinrichtung - Google Patents

Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur Förderung von Kraftstoff in einer Kraftstofffördereinrichtung Download PDF

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Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Tank (5) zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit, einer Pumpe (7) zur Förderung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank (5) auf ein erstes Druckniveau, einen Speicher (9) zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, einen Gas-Hochdruckbereich (11) für den gasförmigen Kraftstoff, welcher mit dem Speicher (9) und mindestens einem Injektor (13) verbunden ist. Der Speicher (9) umfasst einen Gasraum (20) zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum (22) zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper (26).

Description

  • Stand der Technik
  • Erdgas ist bei Normaltemperaturen selbst unter hohem Druck in guter Näherung als gasförmig zu betrachten (CNG, d. h. „Compressed Natural Gas“). Um verdichtetes Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzublasen sind spezielle Einblas- bzw. Einspritzventile erforderlich, die sich von denen zur Direkteinspritzung von Benzin oder Dieselkraftstoff in vielerlei Hinsicht (z.B. im Spritzlochdurchmesser) unterscheiden. Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringeres Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa - 160°C herunter gekühlt.
  • Das in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebrachte Erdgas wird durch ein Hilfsmittel oder ein Hilfsmedium zum Zünden gebracht. Beispielsweise kann flüssiger Dieselkraftstoff als Hilfsmedium verwendet werden, da dieser im Unterschied zu Erdgas bei den üblicherweise gegebenen Bedingungen selbstzündend ist. In diesem Fall gilt es zwei unterschiedliche Kraftstoffarten in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen.
  • Zur Einbringung zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann ein sogenannter Zweistoffinjektor verwendet werden. In einem solchen Zweistoffinjektor werden die beiden Kraftstoffe getrennt geführt, um eine Vermischung außerhalb des Brennraums zu verhindern.
  • Aus der Schrift EP 2622190 B2 ist eine Fördereinrichtung für einen gasförmigen Kraftstoff bekannt. Ein thermisch isolierter Tank zur Aufnahme von verflüssigten Gas ist über einen ersten Ausgang mit einer Kyro-Pumpe verbunden. Ein Verdampfer ist mit einem Ausgang der Kyro-Pumpe verbunden; und ein erster Injektor spritzt das verdampfte Gas in einen Brennraum eines Motors ein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung und das Verfahren zur Förderung von Kraftstoff mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass keine komplexe und kostenintensive Kyrotechnik für die Speicherung und die Förderung von dem verflüssigten Gas für einen Gasantrieb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden muss.
  • Bei unzureichender Kühlung oder längeren Stillstand kann es durch einen Phasenübergang von flüssigem zu gasförmigen Kraftstoff zu einer ungewollten Druckerhöhung kommen, so dass im schlimmsten Fall schädliche Gase in die Umgebung abgegeben werden müssten.
  • Ein weiterer Vorteil ist eine Verlagerung der hohen Aufwendungen an Energie für die Druckerzeugung und Kühlung des Gases weg vom Fahrzeug hin zu einer stationären Einrichtung, wie beispielsweise einer Tankstelle, wo die Bereitstellung von mechanischer und elektrischer Energie und die Abfuhr von Prozesswärme viel einfacher und kostengünstiger erfolgen kann.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung angegeben.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Hydraulikflüssigkeit flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, ist, da dieser meist als alternativer Antrieb oder zur Zündung im Brennraum bereits mitgeführt wird. Durch die Nutzung von Diesel als Hydraulikflüssigkeit muss keine weitere Flüssigkeit im Fahrzeug mitgeführt werden.
  • Vorteilhaft ist ein erstes Ventil zwischen Speicher und Gas-Hochdruckbereich, da dieses eine Kontrolle der Zuströmmenge von Gas aus dem Speicher in den Gas-Hochdruckbereich ermöglicht. Die Anforderungen an die Dynamik sind gering, weil die entnommene Gasmasse kontinuierlich langsam verändert wird.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch ein zweites Ventil, welches in der hydraulischen Verbindung zwischen Pumpe und Speicher angeordnet ist, da dieses Ventil es ermöglicht die Menge an Hydraulikflüssigkeit, die in den Speicher strömt, zu kontrollieren. Der Druck im Gasraum wird jeweils durch eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum verändert.
  • Vorteilhaft ist aufgrund ihrer einfachen Ansteuerung eine kontrollierte Veränderung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum durch Ansteuerung des zweiten Ventils und/oder durch Ansteuerung der Pumpe.
  • Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe, welche durch mindestens einen Speicher-Kolben flüssigen Kraftstoff in den Hydraulikraum transportiert und durch mindestens einen Rail-Kolben flüssigen Kraftstoff in einen Hochdruckbereich, insbesondere ein Rail fördert, wobei das Rail mit mindestens einem Rail-Injektor verbunden ist, da dies kostengünstig ist. Anstelle von zwei Hochdruckpumpen, welche einen Druck in einem Common-Rail-Kraftstoffsystem und einem Gas-Kraftstoffsystem aufbauen, kann auf diese Weise nur eine Hochdruckpumpe verbaut werden.
  • Ausführungsbeispiele
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
    • 2 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist einen Tank 5 zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit auf. Der Tank ist über eine Leitung mit einer Pumpe 7 verbunden. Die Pumpe 7 fördert die Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 über hydraulische Leitungen auf ein erstes Druckniveau in einen Hydraulikraum 22 eines Speichers 9.
  • Der Speicher 9 ist als Kolbenspeicher ausgeführt und weist einen Gasraum 20 zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes und einen Hydraulikraum 22 zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit auf, sowie einen beweglichen Trennkörper 26 auf.
  • Ein Kolbenspeicher 9 besteht vereinfacht beschrieben aus einem Rohr, welches beispielsweise zylindrisch ausgestaltet sein kann, und einem beweglichen Kolben zur Trennung von Hydraulikflüssigkeit und Gas. Im Einsatz des Speichers 9 wird die Hydraulikflüssigkeit gegen ein Gas gepresst. Gas und Hydraulikflüssigkeit sind dabei durch den frei beweglichen Kolben mit Dichtung getrennt. Im typischen Arbeitsbereich mit geringer Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand und ohne Endanschlag entsteht keine Druckdifferenz zwischen Gas- und Ölseite.
  • Der Gasraum 20 kann über eine Tankleitung 15 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt werden. Die durch die Pumpe 7 in den Hydraulikraum 22 geförderte Hydraulikflüssigkeit setzt den bewegliche Trennkörper 26 in Bewegung, so dass gasförmiger Kraftstoff über eine Leitung in einen Gas-Hochdruckbereich 11 für den gasförmigen Kraftstoff gelangt. Der Gas-Hochdruckbereich 11 ist mit mindestens einem Injektor 13 verbunden. Der Injektor 13 kann ein reiner Gas-Injektor 13 sein, welcher nur gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzt oder auch ein Dual-Fluid-Injektor 34 sein, welcher sowohl flüssigen, als auch gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann.
  • In der Leitung zwischen dem Speicher 9 und dem Gas-Hochdruckbereich 11 kann ein erstes Ventil 19 angeordnet sein. Dieses erste Ventil 19 kann über eine Steuereinheit so angesteuert werden, dass es den gasförmigen Kraftstoff bei Bedarf in den Gas-Hochdruckbereich 11 strömen lässt. Mit Hilfe des ersten Ventils 19, kann der Druck im Gas-Hochdruckbereich 11 auf einen gewünschten Druck angepasst werden, indem eine gewünschte Gasmenge aus dem Gasraum 20, welche sich auf einem höheren Druck als das Gas im Gas-Hochdruckbereich 11 befindet, in Richtung des Gas-Hochdruckbereiches 11 strömt.
  • In der hydraulischen Verbindung 18 zwischen der Pumpe 7 und dem Hydraulikraum 22 des Speichers 9 kann ein zweites Ventil 17 angeordnet sein. Dieses zweite Ventil 17 kann über die Steuereinheit so angesteuert werden, dass es die Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5, die durch die Pumpe 7 in Richtung Speicher 9 gefördert wird, bei Bedarf in den Hydraulikraum 22 strömen lässt. Überschreitet die Fördermenge der Pumpe 7 den Bedarf an Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum 22 kann überschüssige Hydraulikflüssigkeit über eine Bypassleitung 16, in der sich ein Rückschlagventil 12 oder ein elektrisch ansteuerbares Ventil befindet, in den Tank 5 zurückgeleitet werden.
  • Die Hydraulikflüssigkeit kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, sein.
  • Bei einem frisch betankten Fahrzeug ist der Speicher 9 fast vollständig durch das Gasvolumen im Gasraum 20 ausgefüllt, während der Hydraulikraum 22 annährend leer ist. Indem durch die Pumpe 7 Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 in Hydraulikraum 22 des Speichers 9 gefördert wird, bewegt sich der bewegliche Trennkörper 26 in Richtung des in der 1 ein eingezeichneten Pfeiles. Durch die Bewegung des Trennkörpers 26 wird der gasförmiger Kraftstoff komprimiert, so dass sich der Druck im Gasraum 20 erhöht. Der Druck im Gasraum 20 wird durch Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 kontrolliert. Handelt es sich bei der Pumpe 7 um eine elektrisch ansteuerbare Pumpe 7, so kann der Druck im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung der Pumpe 7, welche eine Veränderung der Fördermenge der Pumpe 7 zur Folge hat, verändert werden.
  • Alternativ kann bei einer konstant betriebenen Pumpe 7, eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung des zweiten Ventils 17 erreicht werden.
  • In einer weiteren Alternative ist eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 durch eine Ansteuerung des zweiten Ventils 17 und eine Ansteuerung der Pumpe 7 möglich.
  • Der Druck im Gasraum 20 ändert sich abhängig vom jeweiligen Druck im Hydraulikraum 22, so dass über eine Ansteuerung des zweiten Ventils 17 und/oder Ansteuerung der Pumpe 7 auch der Druck im Gasraum 20 verändert werden kann.
  • Der Druck im Gas-Hochdruckbereich 11 wird durch Ansteuerung des ersten Ventils 19 kontrolliert. Im Speicher 9 herrscht unter normalen Betriebsbedingungen ein höherer Druck als im Gas-Hochdruckbereich 11, so dass durch ein Öffnen des ersten Ventils 19 gasförmiger Kraftstoff aus dem Gasraum 20 in Richtung des Gas-Hochdruckbereiches 11 strömt, so dass sich der Druck des gasförmigen Kraftstoffes im Gas-Hochdruckbereich 11 erhöht. Auf diese Weise kann der jeweils benötigte Einspritzdruck für den mindestens einen Injektor 13 eingestellt werden.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, welches in Bezug auf die Elemente Kraftstofffördereinrichtung zur Förderung von gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 einer Kraftstofffördereinrichtung identisch mit dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist. Der Tank 5 ist ein Tank 5 für flüssigen Kraftstoff, insbesondere Diesel. Die Pumpe 7 ist eine Hochdruckpumpe 7, welche mehrere Kolben aufweist. Mindestens ein erster Kolben der Pumpe 7 fördert den flüssigen Kraftstoff in den Hydraulikraum 22 des Speichers 7. Mindestens ein zweiter Kolben der Pumpe 7 fördert den flüssigen Kraftstoff in den Hochdruckbereich, insbesondere ein Rail 30, welches mit mindestens einen Rail-Injektor 32 verbunden ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das Rail 30 für den flüssigen Kraftstoff mit einem Dual-Fluid Injektor 34 verbunden, welcher sowohl gasförmigen als auch flüssigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann. Der Dual Fluid- Injektor 34 ist sowohl mit dem Gas-Hochdruckbereich 11, als auch mit dem Rail 30 verbunden.
  • 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
    • EP 2622190 B2 [0004]

Claims (10)

  1. Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine umfassend: a) einen Tank (5) zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit b) eine Pumpe (7) zur Förderung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank (5) auf ein erstes Druckniveau c) einen Speicher (9) zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes d) einen Gas-Hochdruckbereich (11) für den gasförmigen Kraftstoff, welcher mit dem Speicher (20) und mindestens einem Injektor (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (9) einen Gasraum (20) zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum (22) zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper (26) umfasst.
  2. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, ist.
  3. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (9) als Kolbenspeicher (9) ausgeführt ist.
  4. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Speicher (9) und Gas-Hochdruckbereich (11) ein erstes Ventil (19) angeordnet ist.
  5. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer hydraulischen Verbindung zwischen Pumpe (7) und Speicher (9) ein zweites Ventil (17) angeordnet ist.
  6. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pumpe (7), eine Hochdruckpumpe 7 ist, welche durch mindestens einen Speicher-Kolben flüssigen Kraftstoff in den Hydraulikraum (22) transportiert und durch mindestens einen Rail-Kolben flüssigen Kraftstoff in einen Hochdruckbereich 30, insbesondere ein Rail (30) fördert, wobei das Rail 30 mit mindestens einem Rail-Injektor (32) verbunden ist.
  7. Verfahren zur Förderung von Kraftstoff in einer Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenspeicher (9), welcher einen Gasraum (20) zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum (22) zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper (26) umfasst, wobei die Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank (5) durch eine Pumpe(7) in den Kolbenspeicher (9) gefördert wird und der gasförmige Kraftstoff durch die Bewegung des Trennkörpers (26) aus dem Kolbenspeicher (9) in einen Gas-Hochdruckbereich gefördert wird, wobei der Gas-Hochdruckbereich (11) mit mindestens einem Injektor (13) verbunden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Druck im Gasraum (20) durch eine Veränderung des Druckes im Hydraulikraum (22) kontrolliert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Druck der Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikraum (22) durch Ansteuerung des zweiten Ventils (17) und/oder durch Ansteuerung der Pumpe (7) kontrolliert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Druck im Gas-Hochdruckbereich (11) durch Ansteuerung des ersten Ventils (19) kontrolliert wird.
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