DE102017209311A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff, bei dem der gasförmige Brennstoff direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingeblasen und mittels Dieselkraftstoff gezündet wird. Erfindungsgemäß wird der vorhandene Gasdruck erfasst und in Abhängigkeit vom vorhandenen Gasdruck zwischen zwei unterschiedlichen Brennverfahren gewählt.Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor, der mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor, der mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff betreibbar ist.
  • Stand der Technik
  • Insbesondere im Bereich der Nutzfahrzeuge finden vorrangig monovalente Verbrennungsmotoren Einsatz, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Derartige Motoren weisen einen hohen Wirkungsgrad auf. Die Verbrennung von Dieselkraftstoff geht jedoch mit vergleichsweise hohen Schadstoffemissionen einher, so dass nach alternativen Konzepten gesucht wird. Besondere Beachtung finden in diesem Zusammenhang Gasmotoren, da die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, weniger belastend für die Umwelt ist. Der Wechsel vom Dieselmotor zum Gasmotor führt jedoch in der Regel zu einem Wirkungsgradverlust sowie einem Leistungs- und Drehmomentnachteil.
  • Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden u.a. bereits Gasmotoren mit Diffusionsverbrennung nach dem Dieselprinzip vorgeschlagen. Hierbei erfolgt die Gaseinblasung - analog dem Dieselmotor - innerhalb eines kleinen Kubelwinkelbereichs direkt in die Verbrennung. Der Gasdruck muss dabei deutlich über dem Verbrennungsdruck liegen, so dass insbesondere Gasventile für die Hochdruck-Direkteinblasung („high pressure - direct injection“ bzw. HP-DI-Injektoren) Verwendung finden. Derartige Gasmotoren weisen im Vergleich zu anderen Gasmotoren einen hohen Wirkungsgrad, kurze Reaktionszeiten hinsichtlich Dynamik und eine erhöhte Robustheit gegenüber kleinen Methanzahlwerten (geringere Klopfneigung bei Varianz der Gasqualität) auf. In einigen Betriebspunkten, insbesondere im Startfall, kann der Gasdruck nicht ausreichend sein, um den gasförmigen Brennstoff gegen den im Brennraum vorherrschenden Druck einzublasen. In diesen Betriebspunkten wird daher anstelle des gasförmigen Brennstoffs Dieselkraftstoff eingespritzt, der im Normalbetrieb der Einleitung der Verbrennung des nicht selbstzündenden bzw. schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoffs dient. Häufig lässt die Zertifizierung eines Gasmotors jedoch nur einen eingeschränkten Dieselbetrieb zu.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem nicht selbstzündenden bzw. schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff anzugeben, das eine Ausweitung der Nutzung des Gases als Brennstoff auch bei niedrigem Gasdruck ermöglicht.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Verbrennungsmotor angegeben, der mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff betreibbar ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der gasförmige Brennstoff direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingeblasen und mittels Dieselkraftstoff gezündet. Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der vorhandene Gasdruck erfasst und in Abhängigkeit vom vorhandenen Gasdruck zwischen zwei unterschiedlichen Brennverfahren gewählt wird. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom vorhandenen Gasdruck lediglich das Brennverfahren, nicht jedoch der Brennstoff geändert wird. Auf diese Weise kann die Nutzung des gasförmigen Brennstoffs ausgeweitet werden. Ferner kann die Nutzung des Dieselkraftstoffs darauf beschränkt werden, den gasförmigen Brennstoff zu zünden.
  • Gewählt wird vorzugsweise zwischen einem ersten Brennverfahren, bei dem der gasförmige Brennstoff diffusiv verbrannt wird, und einem zweiten Brennverfahren, bei dem der gasförmige Brennstoff vorgemischt verbrannt wird. Bei der diffusiven Verbrennung
    • - analog dem Dieselmotor - findet im Unterschied zur vorgemischten Verbrennung
    • - analog dem Ottomotor - keine Vormischung des gasförmigen Brennstoffs mit der im Brennraum vorhandenen Luft statt.
  • Bevorzugt wird der gasförmige Brennstoff diffusiv verbrannt, wenn der Gasdruck oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, und vorgemischt verbrannt, wenn der Gasdruck unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Die vorgemischte Verbrennung wird demnach bevorzugt in Betriebspunkten angewandt, in denen (noch) kein ausreichender Gasdruck zur Verfügung steht, wie beispielsweise beim Starten des Verbrennungsmotors. Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, wenn der Gasdruck ausreichend hoch ist, wird vorzugsweise die Diffusionsverbrennung eingesetzt, da sich diese insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
  • Zur diffusiven Verbrennung wird bevorzugt der gasförmige Brennstoff gegen maximalen Brennraumdruck eingeblasen und mittels einer zuvor eingespritzten Dieselkraftstoffmenge gezündet. Der Dieselkraftstoff wird demnach über eine Piloteinspritzung vor dem gasförmigen Brennstoff in den Brennraum eingebracht, und zwar bevorzugt kurz bevor ein den Brennraum begrenzender Kolben seine obere Totpunktlage erreicht hat. An die Piloteinspritzung des Dieselkraftstoffs schließt sich die Einblasung des gasförmigen Brennstoffs an, die unter hohem Druck erfolgen muss, um den Brennraumdruck zu überwinden.
  • Zur vorgemischten Verbrennung wird vorzugsweise der gasförmige Brennstoff gegen minimalen Brennraumdruck eingeblasen und mittels einer nachträglich eingespritzten Dieselkraftstoffmenge gezündet. Da im Brennraum minimaler Druck herrscht, kann der gasförmige Brennstoff auch dann eingeblasen werden, wenn der Gasdruck niedrig ist. Der Dieselkraftstoff wird in diesem Fall nach dem gasförmigen Brennstoff in den Brennraum eingebracht, so dass sich der gasförmige Brennstoff vor seiner Entzündung mit der im Brennraum vorhandenen Luft vermischen kann.
  • Bevorzugt wird der gasförmige Brennstoff zur vorgemischten Verbrennung während eines Saughubs eines den Brennraum begrenzenden Kolbens des Verbrennungsmotors eingeblasen. Denn dann ist der im Brennraum herrschende Brennraumdruck minimal, so dass ein niedriger Gasdruck zur Überwindung des Brennraumdrucks ausreicht.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Dieselkraftstoffmenge zur Zündung des vorgemischten gasförmigen Brennstoffs eingespritzt wird, nachdem der Kolben seine obere Totpunktlage erreicht hat, das heißt kurz nach Erreichen der oberen Totpunktlage, so dass der gasförmige Brennstoff zur Optimierung der Verbrennung bei maximalem oder zumindest annähernd maximalem Brennraumdruck gezündet wird.
  • Vorteilhafterweise wird der Gasdruck mittels einer geeigneten Sensorik erfasst und die erfassten Daten werden an eine Steuereinheit zur Auswertung weitergeleitet, so dass das Brennverfahren nach Maßgabe der Steuereinheit gewählt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf diese Weise automatisiert werden.
  • Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Erdgas als gasförmiger Brennstoff verwendet, da sich dieser Brennstoff bereits als gasförmiger Brennstoff für Verbrennungsmotoren bewährt hat. Insofern kann hinsichtlich der zur Durchführung des Verfahrens notendigen Systemkomponenten auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden.
  • Darüber hinaus wird ein Verbrennungsmotor vorgeschlagen, der mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff betreibbar ist und eine Sensorik zur Gasdruckmessung sowie eine mit der Sensorik verbundene Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Im Übrigen können Komponenten verwendet werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wobei es sich insbesondere um Komponenten handeln kann, mittels welcher der gasförmige Brennstoff und/oder der Dieselkraftstoff einblasbar bzw. einspritzbar sind. Beispielsweise kann ein aus dem Stand der Technik bekannter Injektor, vorzugsweise ein Injektor zur Hochdruck-Direkteinspritzung (HP-DI-Injektor), zum Einblasen bzw. Einspritzen verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. 1 zeigt die Ansteuerung mindestens eines Injektors zum Einblasen des gasförmigen Brennstoffs und/oder zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs im Normalbetrieb. 2 zeigt die Ansteuerung des mindestens einen Injektors bei niedrigem Gasdruck.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Normalbetrieb eines mit einem gasförmigen Brennstoff, insbesondere mit Erdgas, betreibbaren Verbrennungsmotors wird der gasförmige Brennstoff nach einem ersten Brennverfahren diffusiv verbrannt. Hierzu wird der gasförmige Brennstoff mittels eines Injektors in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gegen den Brennraumdruck eingeblasen, und zwar dann, wenn der Brennraumdruck maximal ist. Dies ist der Fall, wenn ein den Brennraum begrenzender, sich hin und her bewegender Kolben des Verbrennungsmotors seine obere Totpunktlage erreicht hat (siehe 1). Kurz zuvor wird eine kleine Menge Dieselkraftstoff in den Brennraum eingespritzt, der als Zündkraftstoff dient. Der Zeitraum der Einspritzung des Dieselkraftstoffs wird durch die Kurve 1 angegeben. Die Kurve 2 zeigt den Zeitraum der Einblasung des gasförmigen Brennstoffs an. Da der Brennraumdruck während der Einblasung des gasförmigen Brennstoffs sein Maximum erreicht, muss der gasförmige Brennstoff unter hohem Druck eingeblasen werden, um den Brennraumdruck zu überwinden. Dies setzt einen ausreichend hohen Gasdruck zum Zeitpunkt der Einblasung des gasförmigen Brennstoffs voraus. Dieser ist jedoch nicht immer gegeben.
  • Bei niedrigem Gasdruck, beispielsweise im Startfall, wird daher ein zweites Brennverfahren gewählt, bei dem der gasförmige Brennstoff vorgemischt verbrannt wird (siehe 2). Der gasförmige Brennstoff wird hierzu während eines Saughubs des den Brennraum begrenzenden Kolbens eingeblasen (Kurve 1), das heißt während der Brennraumdruck minimal ist. Das Einblasen des gasförmigen Brennstoffs erfordert somit keinen hohen Gasdruck. Der Dieselkraftstoff wird erst eingespritzt (Kurve 2), nachdem der Kolben seine obere Totpunktlage erreicht hat, so dass der vorgemischte gasförmige Brennstoff, das heißt nachdem er sich mit der im Brennraum vorhandenen Luft vermischt hat, bei maximalem Brennraumdruck gezündet und verbrannt wird.
  • Das Zünden des gasförmigen Brennstoffs ist in den 1 und 2 jeweils durch einen Blitz 3 angedeutet.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff, bei dem der gasförmige Brennstoff direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingeblasen und mittels Dieselkraftstoff gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der vorhandene Gasdruck erfasst und in Abhängigkeit vom vorhandenen Gasdruck zwischen zwei unterschiedlichen Brennverfahren gewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff diffusiv verbrannt wird, wenn der Gasdruck oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, und vorgemischt verbrannt wird, wenn der Gasdruck unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff zur diffusiven Verbrennung gegen maximalen Brennraumdruck eingeblasen und mittels einer zuvor eingespritzten Dieselkraftstoffmenge gezündet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff zur vorgemischten Verbrennung gegen minimalen Brennraumdruck eingeblasen und mittels einer nachträglich eingespritzten Dieselkraftstoffmenge gezündet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff zur vorgemischten Verbrennung während eines Saughubs eines den Brennraum begrenzenden Kolbens des Verbrennungsmotors eingeblasen wird.
  6. Verfahren nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dieselkraftstoffmenge zur Zündung des vorgemischten gasförmigen Brennstoffs eingespritzt wird, nachdem der Kolben seine obere Totpunktlage erreicht hat.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck mittels einer geeigneten Sensorik erfasst wird und die erfassten Daten an eine Steuereinheit zur Auswertung weitergeleitet werden, so dass nach Maßgabe der Steuereinheit das Brennverfahren gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiger Brennstoff Erdgas verwendet wird.
  9. Verbrennungsmotor, der mit einem nicht selbstzündenden oder schwer zündbaren, gasförmigen Brennstoff betreibbar ist und eine Sensorik zur Gasdruckerfassung sowie eine mit der Sensorik verbundene Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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