DE102017215651A1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur zur Verbesserung der Startfähigkeit für eine Kraftstofffördereinrichtung - Google Patents

Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur zur Verbesserung der Startfähigkeit für eine Kraftstofffördereinrichtung Download PDF

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Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Gas-Tank (2) zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, wobei der gasförmige Kraftstoff durch eine Pumpe (3) aus dem Gas-Tank (2) in einen Hochdruckbereich (8), welcher einen Buffertank (7) und ein Hochdruckrail (11) umfasst, förderbar ist, wobei das Hochdruckrail (11) mit mindestens einem Injektor (13) und der Hochdruckbereich (8) mit mindestens einem Gasspeicher (20) verbunden ist.

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 spezifisches 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 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 Verbesserung der Kaltstartfähigkeit für eine Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass der Druck im Hochdruckbereich bei Bedarf durch gasförmigen Kraftstoff aus dem Gasspeicher innerhalb kurzer Zeit erhöht werden kann. Dies reduziert die Zeit bis die Kraftstoffeinspritzeinrichtung Betriebsbereit ist und Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eintespritzt werden kann.
  • Die heute bekannten Nutzfahrzeugmotoren mit LNG (Erdgas in flüssigem Aggregatszustand, Liquid Natural Gas) benötigen bei einem Kaltstart bis zur Betriebsbereitschaft der Pumpe einen Zeitraum in der Größenordnung von Minuten. In dieser Einschwingzeit, in der die Pumpe und das Medium LNG „kaltgefahren“ wird, ist wahlweise ein reiner Dieselbetrieb des Dual-Fuel-Motors möglich oder es wird eine Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit (z.B. auf 10 mph = 16 km/h) vorgenommen. Beide Vorgehensweisen können erhöhte Abgasemissionen hervorrufen.
  • Aufgabe der Erfindung das existierende LNG-System so zu verändern, dass es ausreichend schnell bei einen Kaltstart einen transienten Fahrbetrieb eines LKWs bis hin zum Teillastbetrieb mit 90 km/h sicherstellt.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung angegeben.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Gasspeicher mit gasförmigen Kraftstoffes bei einem Druck von 200 bar bis 300 bar bei Umgebungstemperatur befüllt ist, da dies der Druckanforderung im Hochdruckrail für einen transienten Fahrbetrieb eines LKWs bis hin zum Teillastbetrieb mit 90 km/h entspricht.
  • Ein Ventil, welches den Hochdruckspeicher mit dem Hochdruckbereich verbundet, ist vorteilhaft, da es schnelle Öffnungs- und Schließzeiten ermöglicht und eine kostengünstige Komponente darstellt. Das Ventil wird abhängig von der jeweiligen Betriebsbedingung durch eine Steuereinheit so angesteuert, dass die benötigte Menge von Kraftstoff im gasförmigen Aggregatszustand aus dem Gasspeicher in den Hochdruckbereich strömen kann.
  • Eine direkte Verbindung zwischen Gasspeicher und Hochdruckrail ist dagegen aufgrund der schnellen Reaktionszeit vorteilhaft.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ventil mit einem Buffertank verbunden ist, da dies eine weitere Regelung des Druckes im Hochdruckrail ermöglicht. Diese Regelung des Druckes erfolgt über den Druckregler, welcher sich zwischen Buffertank und Hochdruckrail befindet und eine Regelung des Druckes im Hochdruckrail ermöglicht.
  • Vorteilhaft ist ein Gasspeicher mit einen Gasraum zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper, da innerhalb dieses Gasspeicher aufgrund der Hydraulikflüssigkeit der Druck des gasförmigen Kraftstoffes variabel veränderbar ist.
  • Ein Volumen des Gasspeichers, welches so gewählt ist, dass ein Motorbetrieb in Teillast, insbesondere bei einer Motordrehzahl von 800 rpm bis 1100 rpm mit einem indizierten Mitteldruck von 4 bar 10 bar, über einen Zeitraum von 5 bis 10 Minuten möglich ist, ist von Vorteil, da nach diesem Zeitraum das Hochdruckrail über die Pumpe, den Verdapfer und die weiteren Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung mit gasförmigen Kraftstoff, welcher die Randbedingungen für eine Einspritzung erfüllt, befüllt werden kann.
  • Figurenliste
  • 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 Gas-Tank 2 zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes auf. Der Gas-Tank 2 kann beispielsweise als wärmeisolierter Tank ausgebildet sein, um Liquified Natural Gas (LNG) aufzunehmen. Der verflüssigte gasförmige Kraftstoff wird durch eine Pumpe 3 aus dem Gas-Tank 2 in einen Hochdruckbereich 8 gefördert.
  • Zwischen Pumpe 3 und Gas-Tank 2 kann mindestens eine weitere Niederdruckpumpe angeordnet sein, so dass der gasförmige Kraftstoff über mehrere Stufen auf Hochdruck verdichtet und in den Hochdruckbereich 8 gefördert wird.
  • Der Hochdruckbereich 8 umfasst den Bereich stromaufwärts der Pumpe 3 und weist mindestens einen Bufferspeicher 7 und ein Hochdruckrail 11 auf, welche durch mindestens eine hydraulische Leitung miteinander verbunden sind.
  • In der hydraulischen Leitung zwischen Buffertank 7 und Hochdruckrail 11 ist ein Druckregler 9 angeordnet. Durch den Druckregler 9 kann Kraftstoff vom Bufferspeicher 7 in das Hochdruckrail 11 strömen oder durch eine Rückströmleitung 10 zurück in den Gas-Tank 2 strömen.
  • In der hydraulischen Leitung zwischen Pumpe 3 und Bufferspeicher 7 kann ein Verdampfer 5 angeordnet. Der Verdampfer 5 kann den gasförmigen Kraftstoff, insbesondere den cryogenen verflüssigten gasförmigen Kraftstoff, erwärmen, so dass dieser in einem gasförmigen Aggregatszustand umgewandelt wird.
  • Das Hochdruckrail 11 ist mit mindestens einen Injektor 13 verbunden. Über den mindestens einen Injektor 13 gelangt Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform weist die Kraftstofffördereinrichtung einen Gasspeicher 20 auf, der mit dem Hochdruckrail 11 verbunden ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann der Gasspeicher 20 auch mit dem Buffertank 7 verbunden sein. Dies ist in 1 durch die gestrichelte Linie zwischen Gasspeicher 20 und Bufferspeicher 7 dargestellt. Es ist auch eine Verbindung des Gasspeichers 20 mit der hydraulischen Leitung, die zwischen Buffertank 7 und Hochdruckrail 11 angeordnet ist, möglich.
  • In der Leitung zwischen Gasspeicher 20 und dem Hochdruckrail 11 bzw. dem Bufferspeicher 7 ist ein Ventil 19 angeordnet. Bei dem Ventil 19 handelt es sich um ein Double-Lock-Ventil, welches im geschlossenen Zustand beide Seiten vollständig abdichtet.
  • Der Gasspeicher 20 ist mit gasförmigen Kraftstof bei einem Druck von 200 bar bis 300 bar bei Umgebungstemperatur befüllt.
  • Das Volumen des Gasspeichers 20 ist so gewählt ist, dass ein Motorbetrieb in Teillast, insbesondere bei einer Motordrehzahl von 800 rpm bis 1100 rpm mit einem indizierten Mitteldruck von 4 bar bis 10 bar, über einen Zeitraum von 5 bis 10 Minuten möglich ist.
  • Das minimale Volumen des Gasspeichers 20 kann bei 0.5L/Zylinder und das maximale Volumen des Gasspeichers 20 kann bei 2.5L/Zylinder liegen. Als bevorzugte Lösung wird ein Volumen des Gasspeichers 20, welches ungefähr dem Motorhubraum entspricht, vorgeschlagen.
  • Der Gasspeicher 20 wird bei einer ersten Inbetriebnahme der Kraftstofffördereinrichtung 1 mit Gas bei einem Druck von 200 bar bis 300 bar bei Umgebungstemperatur befüllt und danach durch Schließen des Ventils 19 von der restlichen Kraftfördereinrichtung 1 gasdicht getrennt.
  • Beim einem Kaltstart wird das Hochdruckrail 11 aus diesem zusätzlichen Gasspeicher 20 befüllt. Damit wird der initiale Kraftstoffbedarf des Motors, bis die normalen Betriebsbedingungen der Kraftstofffördereinrichtung 1 erreicht sind, überbrückt.
  • Eine Kaltstart liegt vor, wenn in der Kraftstofffördereinrichtung 1 nicht die Randbedingungen gegeben sind, um den verfllüssigten gasförmigen Kraftstoff auf ein erhöhtes Druckniveau und/oder in einen gasförmigen Zustand in den Buffertank 7 zu fördern.
  • Ein Kaltstart kann bispielsweise vorliegen, wenn sich die Kühlwassertemperatur noch unterhalb der Temperaturschwelle befindet, die benötigt wird um im Verdampfer 5 den verflüssigten gasförmigen Kraftstoff vollständig zu verdampfen. Diese Temperaturschwelle kann beispielsweise bei einer Kühlwassertemperatur von 60 Grad liegen. Unter einer normalen Betriebsbedingung sollte sichergestellt werden, dass in den Buffertank 7 kein verflüssigter gasförmiger Kraftstoff (LNG) gefördert wird.
  • Ein Kaltstart kann auch vorliegen, wenn die Pumpe 3 noch nicht den Betriebszustand erreicht hat, um den gasförmigen Kraftstoff auf ein Druckniveau zu verdichten, welches für eine Einspritzung benötigt wird.
  • Um bei einem Kaltstart die Kraftstofffördereinrichtung 1 schneller in einen Zustand zu versetzen, in dem eine Einspritzung von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum möglich ist, wird der Hochdruckbereich 8 mit gasförmigen Kraftstoff aus dem Gasspeicher 20 befüllt bis die gewünschten bzw. normalen Betriebsbedingungen erreicht sind.
  • Bei einem Kaltstart wird das Ventil 19 zwichen Gasspeicher 20 und Hochdruckrail 11 bzw. Bufferspeicher 7 geöffnet, so das gasförmiger Krafstoff aus dem Gasspeicher 20 in den Hochdruckbereich 8 strömen kann.
  • Je nach Ausführungsform strömt der gasförmige Krafftstoff in das Hochdruckrail 11 oder in den Buffertank 7.
  • Sobald die gewünschten bzw. normalen Betriebsbedingungen der Kraftstofffördereinrichtung 1 erreicht sind und durch die mindestens eine Pumpe 3 und den Verdampfer 5 das Hochdruckrail 11 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt werden kann, wird der Gasspeicher 20 der Kraftstoffördereinrichtung 1 durch das Schließen des Ventils 19 vom Hochdruckbereich 8 gasdicht getrennt.
  • Vor dem Abstellen des Motors wird der Gasspeicher 20 erneut mit gasförmigen Kraftstoff eines Druckes zwischen 200 bar und 300 bar befüllt, so dass bei dem nächsten Kaltstart des Motors gasförmiger Kraftstoff aus dem Gasspeicher 20 zur Verfügung gestellt werden kann.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungbeispiel gezeigt. Hierbei ist der Gasspeicher 20 als Kolbenspeicher ausgebildet. Der Kolbenspeicher weist einen Gasraum 22 zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum 21 zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper 23 auf.
  • Ein Kolbenspeicher 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 Kolbenspeichers wird die Hydraulikflüssigkeit gegen den gasförmigen Kraftstoff gepresst. Gasförmiger Kraftstoff und Hydraulikflüssigkeit sind dabei durch den frei beweglichen Trennkörper getrennt. Im typischen Arbeitsbereich mit geringer Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand und ohne Endanschlag entsteht keine Druckdifferenz zwischen Gas- und Hydraulikseite.
  • Durch eine weitere Pumpe 25 wird Hydraulikflüssigkeit aus einem Hydrauliktank 27 in den Hydraulikraum 21 gefördert und setzt den beweglichen Trennkörper 23 in Bewegung, so dass der gasförmige Kraftstoff im Gasraum 22 komprimiert wird. Ein Rückströmen der Hydraulikflüssigkeit ist über ein Hydraulikventil 28 möglich. Der Druck des gasförmigen Kraftstoffes im Gasraum 22 ist durch die Hydraulikflüssigkeit kontrollierbar.
  • Die Hydraulikflüssigkeit kann ein Hydrauliköl oder ein flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, sein.
  • Der Injektor 13 kann in den beschriebenen Ausführungsbeispielen auch als Dual-Fuel-Injektor ausgebildet sein. In diesem Fall wird ist der Dual-Fuel-Injektor auch mit einem weiteren Rail verbunden, welches flüssigen Kraftstoff beinhaltet. Der Dual-Fuel-Injektor wird mit flüssigen Kraftstoff, insbesondere Diesel unter Hochdruck, aus dem weiteren Rail versorgt. Der flüssige Kraftstoff kann zum Zünden des gasförmigen Kraftstoff genutzt werden oder steht für einen reinen Betrieb der Brennkraftmaschine mit flüssigen Kraftstoff zur Verfügung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2622190 B2 [0004]

Claims (10)

  1. Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Gas-Tank (2) zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, wobei der gasförmige Kraftstoff aus dem Gas-Tank (2) durch eine Pumpe (3) in einen Hochdruckbereich (8), welcher einen Buffertank (7) und ein Hochdruckrail (11) umfasst, förderbar ist, wobei das Hochdruckrail (11) mit mindestens einem Injektor (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbereich (8) mit mindestens einem Gasspeicher (20) verbunden ist.
  2. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (20) mit gasförmigen Kraftstoffes bei einem Druck von 200 bar bis 300 bar bei Umgebungstemperatur befüllbar ist.
  3. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (20) durch ein Ventil (19) mit dem Hochdruckspeicher (11) verbunden ist.
  4. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (20) durch ein Ventil (19) mit einem Buffertank (7) verbunden ist.
  5. Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Gasspeicher (20) einen Gasraum (22) zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum (21) zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper (23) umfasst.
  6. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Volumen des Gasspeichers (20) so gewählt ist, dass ein Motorbetrieb in Teillast, insbesondere bei einer Motordrehzahl von 800 rpm bis 1100 rpm mit einem indizierten Mitteldruck von 4 bar 10 bar, über einen Zeitraum von 5 bis 10 Minuten möglich ist.
  7. Verfahren zur Verbesserung der Startfähigkeit, insbesondere der Kaltstartfähigkeit, für eine Kraftstofffördereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart der Kraftstofffördereinrichtung der Hochdruckbereich (8) aus dem Gasspeicher (20) befüllt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei nach einem Kaltstart ein Motorbetrieb in Teillast, insbesondere bei einer Motordrehzahl von 800 rpm bis 1100 rpm mit einem indizierten Mitteldruck von 4 bar 10 bar, über einen Zeitraum von 5 bis 10 Minuten möglich ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Gasspeicher (20) bei voller Betriebsfähigkeit der Kraftstoffördereinrichtung durch das Schließen des Ventils (19) vom Hochdruckbereich (8) gasdicht getrennt ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Gasspeicher (20) vor Abstellen des Motors mit gasförmigen Kraftstoff eines Druckes zwischen 200 bar und 300 bar befüllt wird.
DE102017215651.1A 2017-09-06 2017-09-06 Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur zur Verbesserung der Startfähigkeit für eine Kraftstofffördereinrichtung Withdrawn DE102017215651A1 (de)

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