DE102018008681A1

DE102018008681A1 - Hot start of petrol engines with LPG direct injection

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Publication number: DE102018008681A1
Application number: DE102018008681.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Fahrzeuge mit LPG-Direkteinspritzung haben Startprobleme wenn sie nach einer Betriebsunterbrechung zwischen 10 - 120 Minuten wieder gestartet werden. Ursache ist die Dampfblasenbildung des LPGs in der Kraftstoffhochdruckpumpe (HDP) durch Erwärmung der HDP in diesem Zeitraum durch Wärmeleitung aus dem betriebswarmen Zylinderkopf. Thermische Isolierung der HDP, bedarfsgesteuerte Kraftstoffvordrücke und Verdampfungskühlung der HDP durch das LPG im Heißstartprozess werden zur Lösung des Problems beschrieben.Zwischen Zylinderkopf und HDP wird eine isolierende Schicht angebracht. Diese verzögert die Erwärmung und verringert die Spitzentemperatur und damit den Verdampfungsspitzendruck. Zusätzlich passt die Regeleinheit der Kraftstoffzuführung den LPG-Vordruck durch Pulsweitenmodulation der LPG-Kraftstoffpumpe und des hydraulischen Widerstandes in der Kraftstoffrücklaufleitung dem, durch Sensoren ermittelten, Differenzdruck zwischen Tank und Niederdruckbereich der HDP an. Eine kurzzeitige Minimierung des hydraulischen Widerstands im Startprozess erlaubt dem LPG in den Rücklauf zu verdampfen. Dies reduziert HDP-Temperatur und Verdampfungdruck zusätzlich.Vehicles with LPG direct injection have starting problems if they are started again after an interruption of operation between 10 - 120 minutes. The cause is the vapor bubble formation of the LPG in the high-pressure fuel pump (HDP) due to the heating of the HDP during this period by heat conduction from the warm cylinder head. Thermal insulation of the HDP, demand-controlled fuel admission pressures and evaporative cooling of the HDP by the LPG in the hot start process are described to solve the problem. An insulating layer is applied between the cylinder head and the HDP. This delays heating and reduces the peak temperature and thus the evaporation peak pressure. In addition, the fuel supply control unit adjusts the LPG upstream pressure by pulse width modulation of the LPG fuel pump and the hydraulic resistance in the fuel return line to the differential pressure between the tank and the low-pressure area of the HDP, determined by sensors. Briefly minimizing the hydraulic resistance in the start-up process allows the LPG to evaporate in the return. This further reduces the HDP temperature and evaporation pressure.

Description

Heißstart von Ottomotoren mit LPG-Direkteinspritzung. Otto-Motoren (Motoren) nach dem Stand der Technik werden in der Regel für den Betrieb mit dem Kraftstoff Benzin ausgelegt. Dementsprechend sind die Steuerungs- und Regelungsstrategien des Motormanagements und die von ihm verwendeten Kennfelder auf dessen physikalische Eigenschaften abgestellt, auch auf dessen Verdampfungscharakteristik.Hot start of petrol engines with LPG direct injection. State-of-the-art petrol engines are usually designed for operation with petrol. Accordingly, the control and regulation strategies of engine management and the maps used by it are based on its physical properties, including its evaporation characteristics.

Die Verdampfungscharakteristik des Kraftstoffs LPG unterscheidet sich jedoch erheblich von der Verdampfungscharakteristik des Kraftstoffs Benzin. Während Benzin nach DIN-Norm einen Siedebereich von 25°C-215 °C aufweist und sein Dampfdruck sich zwischen 0,45 (Sommerbenzin) und 0,9 (Winterbenzin) bar bewegt, weist LPG mit 60% Propan und 40% Butan bei einem Druck von 1013 mbar eine Siedetemperatur von -30°C und einen Dampfdruck von ungefähr 6 bar auf.However, the vaporization characteristic of the LPG fuel differs significantly from the vaporization characteristic of the gasoline fuel. While gasoline according to the DIN standard has a boiling range of 25 ° C to 215 ° C and its vapor pressure is between 0.45 (summer gasoline) and 0.9 (winter gasoline) bar, LPG with 60% propane and 40% butane has one Pressure of 1013 mbar a boiling temperature of -30 ° C and a vapor pressure of about 6 bar.

Aus diesem Unterschied der Verdampfungscharakteristiken und der Dampfdrücke ergeben sich beim Betrieb eines Motors mit dem Kraftstoff LPG in Flüssigphase (LPG) spezifische Probleme, besonders beim Kalt- als auch beim Heißstart.This difference in evaporation characteristics and vapor pressures gives rise to specific problems when operating an engine with LPG fuel in liquid phase (LPG), especially during cold and hot starts.

Dank seines breiten Siedebereichs und seines geringen Verdampfungsdrucks haben Einspritzsysteme die den Kraftstoff Benzin direkt einspritzen so gut wie kein Temperatur- oder Druckproblem. Anders Einspritzsysteme die LPG einspritzen. Sie haben prinzipiell das Problem, dass der Betriebsdruck an jeder Stelle im Vorlauf des Kraftstoffzuführungssystems, vom Kraftstofftank bis zu den Kraftstoffeinspritzventilen, über dem, mit der Kraftstofftemperatur stark schwankenden, Verdampfungsdruck des LPGs liegen muss, damit der Motor störungsfrei arbeiten kann. Dafür sorgen in bekannten Einspritzsystemen, die LPG einspritzen, im LPG-Tank positionierte Kraftstoffpumpen in Kombination mit, in einer Kraftstoffrücklaufleitung positionierten, hydraulischen Widerständen.Thanks to its wide boiling range and low evaporation pressure, injection systems that inject petrol directly have virtually no temperature or pressure problems. Different injection systems that inject LPG. In principle, they have the problem that the operating pressure at every point in the supply line of the fuel supply system, from the fuel tank to the fuel injection valves, must be higher than the vapor pressure of the LPG, which fluctuates strongly with the fuel temperature, so that the engine can work properly. In known injection systems that inject LPG, this is ensured by fuel pumps positioned in the LPG tank in combination with hydraulic resistors positioned in a fuel return line.

Nicht problemlos beherrscht wird von Motoren, die LPG über eine Rail mit Hochdruck flüssig in ihren Brennraum (LPG-Direkteinspritzung) einspritzen, der Heißstart, wenn der betriebswarme Motor zuvor einige Zeit abgestellt war. Ursache für dieses Phänomen ist die Erwärmung des temperatursensiblen LPGs in der Hochdruckkraftstoffpumpe (HDP) nach Abstellen des Motors, bedingt durch das Fehlen des kühlenden Kraftstoffdurchflusses. Innerhalb eines Zeitfensters zwischen Aufheizung der HDP durch Wärmeübergang aus dem bis zu 90 °C warmen Zylinderkopf und der gegenläufigen Abkühlung des Motors im gleichen Zeitraum, das ungefähr nach 10 Minuten beginnt und 120 Minuten dauert, steigt mit der Erwärmung der HDP der Dampfdruck des darin befindlichen LPGs. Beim Neustart des Motors innerhalb diese Zeitfensters springt dieser zwar an und läuft noch einen kurzen Moment, weil er noch den unter Hochdruck befindlichen flüssigen Kraftstoff in der Rail verbraucht, stirbt aber dann nach kurzer Zeit auf Grund sich bildender Dampfblasen ab. Erst wenn die HDP wieder so weit abgekühlt ist, dass der Dampfdruck des LPGs im Niederdruckbereich der HDP geringer ist als der anliegende Kraftstoffvorförderdruck, werden die LPG-Dampfblasen in der HDP wieder in die Flüssigphase zurückgeführt und ein Neustart ist möglich.Engines that inject liquid LPG into their combustion chamber (LPG direct injection) at high pressure via a rail at high pressure are not easily mastered, the hot start if the warm engine has been switched off for some time. The cause of this phenomenon is the heating of the temperature-sensitive LPG in the high-pressure fuel pump (HDP) after the engine has been switched off, due to the lack of a cooling fuel flow. Within a time window between the heating of the HDP due to heat transfer from the cylinder head, which is up to 90 ° C warm, and the opposite cooling of the engine in the same period, which begins after about 10 minutes and lasts 120 minutes, the steam pressure of the inside increases with the heating of the HDP LPGs. When the engine is restarted within this time window, it starts and runs for a short moment because it still consumes the liquid fuel in the rail under high pressure, but then dies after a short time due to the formation of vapor bubbles. Only when the HDP has cooled down again enough that the vapor pressure of the LPG in the low-pressure area of the HDP is lower than the prevailing fuel feed pressure, are the LPG vapor bubbles in the HDP returned to the liquid phase and a restart possible.

In anderen Patentschriften vorgeschlagene Problemlösungen wie zeitweise erhöhter Kraftstoffdruck im Kraftstoffvorlauf, auch in Verbindung mit abgestuften hydraulischen Widerständen in einem Kraftstoffrücklauf, oder Kühlung der HDP durch Spülung mit kühlerem Kraftstoff aus dem Kraftstofftank vor oder nach Start des Motors, oder Kühlung der HDP durch Verdampfung abgezweigten LPGs, oder Umschalten auf den Kraftstoff Benzin führten nicht zu zuverlässigen und überzeugend praktischen Lösungen.Problem solutions proposed in other patents, such as temporarily increased fuel pressure in the fuel supply, also in connection with graduated hydraulic resistances in a fuel return, or cooling of the HDP by flushing with cooler fuel from the fuel tank before or after starting the engine, or cooling the HDP by evaporation branched off LPGs , or switching to petrol did not lead to reliable and convincingly practical solutions.

Aufgabe der hier vorgestellten Erfindung ist es daher eine Problemlösung zu beschreiben, die den Heißstart eines Otto-Motors mit LPG-Direkteinspritzung jederzeit sicher stellt, indem sie mit möglichst geringem Aufwand Kraftstoffdampfblasen im gesamten LPG-Kraftstoffzuführungssystem des Motors vermeidet oder beim Startprozess wieder in die Flüssigphase zurückführt.The object of the invention presented here is therefore to describe a problem solution which ensures the hot start of a gasoline engine with LPG direct injection at any time by avoiding fuel vapor bubbles in the entire LPG fuel supply system of the engine with as little effort as possible or in the starting process again in the liquid phase leads back.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.This object is achieved according to the invention by a device according to claim 1 and a method according to claim 5. Advantageous embodiments of the invention are described in the further claims.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass damit für den Kraftstoff LPG ein stabiles und zuverlässiges, in allen Betriebszuständen allzeit betriebsbereites Kraftstoffzuführungssystem geschaffen wird, wodurch die technologischen Vorteile des Kraftstoffs LPG, die da wären

→ Verringerung der CO2-Emission
→ Verringerung der unverbrannten Kohlenwasserstoffemissionen
→ vorteilhafte Verbrennungsparameter hinsichtlich Kaltstart und Volllast
→ robust gegen Vorentflammungen und Glühzündungen
→ geringerer Eintrag von Kraftstoff in das Schmieröl
→ geringere Schwefelemission
→ die Verminderung der Abgaskomponenten, die für Smog verantwortlich sind, um bis zu 80 % im Vergleich zum Benzinmotor
→ die Verminderung des Ausstoßes von Substanzen, die für den Treibhauseffekt relevant sind, um bis zu 20 % im Vergleich zum Benzinmotor
→ die Verminderung toxischer und gesundheitsschädlicher Emissionen, wie z. B. von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Aldehyden, Benzolen, Toluolen etc..
→ ruhigerer und leiserer Motorlauf
→ höherer Füllgrad in der Brennkammer
→ Verringerung der Stickoxidemission
→ kein Ausdampfen aus dem Kraftstofftank, da ein geschlossenes System
→ gasdichte Verbindung beim Tanken des Kraftstoffes
→ keine Gefährdung des Grundwasser
→ keine Verschmutzung des Untergrundes

ohne jegliche Einschränkung jederzeit genutzt werden können, womit sich die Nachteile des Kraftstoffs LPG wie

→ volumenbezogener Kraftstoffmehrverbrauch
→ höheres Gewicht des LPG-Kraftstofftankes

im Vergleich zum Kraftstoff Benzin deutlich relativieren.The advantages achieved by the invention are that it creates a stable and reliable fuel supply system for the fuel LPG, which is always ready for operation in all operating states, thereby bringing about the technological advantages of the LPG fuel that would be there

→ Reduction of CO2 emissions
→ Reduction of unburned hydrocarbon emissions
→ advantageous combustion parameters with regard to cold start and full load
→ robust against pre-ignition and glow ignition
→ lower entry of fuel into the lubricating oil
→ lower sulfur emissions
→ the reduction of the exhaust components responsible for smog by up to 80% compared to the petrol engine
→ reduction of emissions of substances relevant to the greenhouse effect by up to 20% compared to the petrol engine
→ the reduction of toxic and harmful emissions, such as B. of polycyclic aromatic hydrocarbons, aldehydes, benzenes, toluenes etc.
→ quieter and quieter engine running
→ higher filling level in the combustion chamber
→ Reduction of nitrogen oxide emissions
→ no evaporation from the fuel tank as a closed system
→ gas-tight connection when refueling
→ no danger to the groundwater
→ no contamination of the surface

can be used at any time without any restriction, which means the disadvantages of LPG fuel such as

→ Volume-related additional fuel consumption
→ higher weight of the LPG fuel tank

compared to petrol as a fuel.

Nachfolgend wird in 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Form prinzipiell dargestellt und erläutert. Es werden dabei in der Prinzipskizze ausschließlich die Elemente dargestellt, die für die Erfindung notwendig sind.

1 zeigt eine LPG-Direkteinspritzung in Otto-Motoren nach den Ansprüchen 1- 4 die bei einem Heißstart nach den Verfahren der Ansprüche 5 - 7 arbeitet. Heißstart ist hier definiert als erneutes Starten nach einer Betriebsunterbrechung des zuvor betriebswarmen Motors, mit einer Temperatur der HDP die die, vom hydraulischen Widerstand im Motorbetrieb bestimmte, Verdampfungsgrenze des LPGs übersteigt.

Below is in 1 an embodiment of the invention shown in principle in a simplified form and explained. Only the elements that are necessary for the invention are shown in the schematic diagram.

1 shows an LPG direct injection in Otto engines according to claims 1-4 which works with a hot start according to the method of claims 5-7. Hot start is defined here as a restart after an interruption of the previously warm engine, with a temperature of the HDP that exceeds the vaporization limit of the LPG, which is determined by the hydraulic resistance during engine operation.

In 1 drückt eine Kraftstoffvorförderpumpe 2 im Motorbetrieb aus dem, mit, hier nicht gezeigten, vorschriftsmäßigen Sicherheitsarmaturen versehenen LPG-Tank 1 LPG 3 in die Kraftstoffvorlaufleitung 4 zur HDP 5 hin. Die HDP 5 ist erfindungsgemäß gegen den Zylinderkopf 6 durch mindestens eine druckfeste Scheibe 7 thermisch isoliert. Diese druckfeste(n), wärmeisolierende(n) Scheibe(n) verzögert(n) den Wärmeübergang 13 aus dem Zylinderkopf 6 in die HDP 5 erheblich. Das ist bei Betrieb des Motors unerheblich, denn durch den hindurchströmenden kühlen Kraftstoff 11 wird die HDP 5 sowohl beim Betrieb mit Superbenzin als auch beim Betrieb mit LPG 3 hinreichend gekühlt. Beim Betrieb mit LPG 3 stellt sich dieses dynamische Gleichgewicht, aufgrund zusätzlichen Kraftstoffflusses, bedingt durch den LPG-Kraftstoffkreislauf über die Kraftstoffrücklaufleitung 8 und den hydraulischen Widerstand 9 und das Rückschlagventil 12 zurück in den LPG-Tank 1, schon bei Temperaturen ein, die nur geringfügig über der Temperatur des LPGs 3 im LPG-Tank 1 liegen.In 1 presses a fuel feed pump 2nd in engine operation from the LPG tank provided with, not shown here, correct safety fittings 1 LPG 3rd into the fuel feed line 4th to the HDP 5 there. The HDP 5 is according to the invention against the cylinder head 6 by at least one pressure-resistant washer 7 thermally insulated. This pressure-resistant, heat-insulating disc (s) delays the heat transfer 13 from the cylinder head 6 into the HDP 5 considerably. This is irrelevant when the engine is running, because of the cool fuel flowing through it 11 becomes the HDP 5 both when operating with premium petrol and when operating with LPG 3rd adequately chilled. When operating with LPG 3rd this dynamic equilibrium arises due to additional fuel flow caused by the LPG fuel circuit via the fuel return line 8th and hydraulic resistance 9 and the check valve 12th back to the LPG tank 1 , even at temperatures that are only slightly above the temperature of the LPG 3rd in the LPG tank 1 lie.

Anders jedoch nach dem Abstellen des Motors nachdem er Betriebswärme erreicht hatte. Es fehlt nun der kühlende Kraftstoffstrom 11 durch die HDP 5. Der Wärmestrom 13 durch Wärmeleitung aus dem Zylinderkopf 6 in die HDP 5 wird zudem noch durch Wärmeübergang 14 in die HDP 5 aus der erhitzten Luft des Motorraums verstärkt. In Folge dessen steigt die Temperatur der HDP 5 und nähert sich der Temperatur des Zylinderkopfes 6. Die wärmeisolierende(n) Scheibe(n) 7 verzögert(n) diesen Temperaturanstieg wesentlich, wodurch die Temperaturspitze und damit auch der Verdampfungshöchstdruck des LPGs 3 im Niederdruckbereich der HDP 5 sich stark verringern. Ein Rückschlagventil 15 am Eingang der Kraftstoffvorlaufleitung 4 in die HDP 5 verhindert, dass der erhöhte Verdampfungsdruck im Niederdruckbereich der HDP 5 das LPG 3 in Richtung Kraftstoffvorförderpumpe 2 zurück drückt. Zusammen mit dem hydraulischen Widerstand 9 in der Kraftstoffrücklaufleitung 8 sorgt es dafür, dass das LPG 3 im Niederdruckbereich der HDP 5 in Flüssigphase verharrt.It is different, however, after the engine has been switched off after it has reached operating heat. The cooling fuel flow is now missing 11 through the HDP 5 . The heat flow 13 through heat conduction from the cylinder head 6 into the HDP 5 is also due to heat transfer 14 into the HDP 5 amplified from the heated air of the engine compartment. As a result, the temperature of the HDP rises 5 and approaches the temperature of the cylinder head 6 . The heat insulating disc (s) 7 delays this increase in temperature significantly, causing the temperature peak and thus the maximum evaporation pressure of the LPG 3rd in the low pressure area of the HDP 5 decrease significantly. A check valve 15 at the entrance of the fuel feed line 4th into the HDP 5 prevents the increased evaporation pressure in the low pressure area of the HDP 5 the LPG 3rd towards the fuel feed pump 2nd pushes back. Along with the hydraulic resistance 9 in the fuel return line 8th it ensures that the LPG 3rd in the low pressure area of the HDP 5 remains in the liquid phase.

Soll der Motor innerhalb des Heißstartzeitfensters wieder gestartet werden wird der erhöhte Verdampfungsdruck des erhitzten LPGs 3 im Niederdruckbereich der HDP 5 vor dem Motorstart reduziert, indem beim Öffnen der Fahrertür eines Kraftfahrzeuges und beim Aktivieren der Zündung des Motors die Kraftstoffvorförderpumpe 2 für eine definierte Zeitspanne aktiviert wird und gleichzeitig der hydraulische Widerstand 9 von der Regelungseinheit der Kraftstoffzuführung (Regeleinheit) 10 für diese Zeitspanne auf einen Minimalwert zurückgefahren wird. Aufgrund minimalen hydraulischen Widerstands kann das im Niederdruckbereich der HDP 5 unter erhöhtem Druck stehende LPG 3 in den LPG-Tank 1 verdampfen, wobei es durch seine Verdampfungskälte die HDP 5 kühlt und dort den Verdampfungsdruck reduziert. Wird anschließend der Starter des Motors betätigt, fährt die Regeleinheit 10 den hydraulischen Widerstand 9 vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM) auf einen Wert hoch, den sie aus der Differenz der, von den beiden Sensoren 16 und 17, gemessenen Drücke gebildet hat. Gleichzeitig steuert die Regeleinheit 10 die Kraftstoffvorförderpumpe 2 vorzugsweise durch PWM so an, dass diese den Kraftstoffdruck erzeugt, der das LPG 3 im Niederdruckbereich der HDP 5 in die Flüssigphase zurückführt und der Motor starten kann.If the engine is to be started again within the hot start time window, the increased evaporation pressure of the heated LPG is used 3rd in the low pressure area of the HDP 5 reduced before starting the engine by opening the driver's door of a motor vehicle and activating the engine's fuel feed pump 2nd is activated for a defined period of time and at the same time the hydraulic resistance 9 from the fuel supply control unit (control unit) 10th is reduced to a minimum value for this period. Due to minimal hydraulic resistance, this can be done in the low pressure range of the HDP 5 LPG under pressure 3rd in the LPG tank 1 evaporate, with its evaporative cooling, the HDP 5 cools and reduces the evaporation pressure there. If the engine starter is then actuated, the control unit moves 10th hydraulic resistance 9 preferably using pulse width modulation ( PWM ) high to a value obtained from the difference between the two sensors 16 and 17th , measured pressures. At the same time, the control unit controls 10th the fuel feed pump 2nd preferably through PWM so that it generates the fuel pressure that the LPG 3rd in the low pressure area of the HDP 5 returns to the liquid phase and the engine can start.

Claims

Device for preventing fuel vapor bubbles in the fuel supply system of Otto engines (engine) according to the current state of the art, with high-pressure direct injection of LPG in liquid phase (LPG) 3 into the combustion chamber, comprising an LPG fuel tank (LPG tank) 1 with a fuel feed pump 2 placed in it, which feeds a high-pressure fuel pump (HDP) 5 with LPG 3 via a fuel feed line 4, during a hot start, characterized in that the HDP 5 is thermally insulated from the cylinder head 6 of the engine by an insulating layer 7, which reduces and delays the heat transfer 13 from the cylinder head 6 into the HDP 5.

Device after Claim 1 characterized in that in the LPG tank 1 and in the low pressure area of the HDP 5 sensors 16, 17 detect the pressure and / or the temperature and transmit this to the control unit of the fuel supply (control unit) 10.

Device after Claim 1 and 2nd characterized in that a fuel boost pump outside the LPG tank 3 in the fuel supply 2, 4 to the HDP 5 can be attached.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a fuel return line 8, having a hydraulic resistance 9, leads back into the LPG tank 1 from the low-pressure region of the HDP 5.

Method for preventing fuel vapor bubbles in the fuel supply system of engines according to the current state of the art, with high-pressure direct injection of LPG 3 into the combustion chamber, comprising an LPG tank 1 with a fuel feed pump 2 placed therein, which has an HDP via a fuel feed line 4 5 charged with LPG 3 during a hot start, characterized in that the control unit 10 uses these to generate the appropriate control values from the evaporation pressure difference from the local pressure and / or temperature values of the LPG 3 in the low pressure range of the HDP 5 and in the LPG tank 1 a hydraulic resistance 9 in the fuel return 8 of the low-pressure fuel system is regulated so that its opening pressure at any time, even after the engine is warmed up, is a defined amount higher than this differential pressure and thereby causes a fuel pressure in the low-pressure region of the HDP 5, which causes evaporation of the liquid LPGs 3 prevented in this critical area also in this phase.

Procedure according to Claim 5 characterized in that the hydraulic resistance 9 and also the fuel feed pump 2, including a possible boost pump in the LPG fuel feed line 4, are regulated by the control unit 10, preferably by pulse width modulation (PWM).

Procedure according to Claim 6 characterized in that when the driver's door of a motor vehicle is opened and when the ignition of the engine is activated, the fuel feed pump (s) 2 is (are) activated for a defined period of time and at the same time the hydraulic resistance 9 is regulated to a minimum value for this period of time.