DE102018203122A1

DE102018203122A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018203122A1
Application number: DE102018203122.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Viereck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-05
Also published as: WO2019166184A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff mittels einer Kraftstofffördereinrichtung mit Hochdruck beaufschlagt und einem Hochdruckspeicher zugeführt wird, der eine Einblaseinrichtung mit mindestens einem Injektor zum Einblasen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff versorgt. Erfindungsgemäß wird während einer Schub- oder Bremsphase des Verbrennungsmotors ein Förderbetrieb der Kraftstofffördereinrichtung aufrechterhalten, bis im Hochdruckspeicher ein zuvor definierter maximaler Speicherdruck erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“) handeln.
Stand der Technik
Entwicklungen in der Motorentechnik beschäftigen sich mit der Direkteinblasung von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungsmotoren und der Zündung des Erdgas-Luft-Gemischs mit Dieselkraftstoff. Diese Art der Verbrennung verspricht Vorteile im Hinblick auf eine Reduzierung der CO₂-Emissionen sowie der Kosten.
Für die Direkteinblasung von Erdgas in den Brennraum eines Verbrennungsmotors wird typischerweise ein Druck von etwa 300-400 bar benötigt (nachfolgend als „Hochdruck“ bezeichnet). Je nach Tank bzw. Speicher, in dem der Kraftstoff an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt wird, kann der Speicherdruck stark variieren. Bei einem NG-Druckspeicher beträgt beispielsweise der Speicherdruck 30-200 bar, während ein Flüssiggasspeicher zur Bevorratung flüssigen Erdgases (LNG, d. h. „Liquid Natural Gas“) nur einen Speicherdruck von etwa 8 bar aufweist. Vor dem Einblasen des Kraftstoffs in den Brennraum muss demnach der Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt bzw. komprimiert werden. Als Nachteil erweist sich dabei, dass die benötigte Kompressionsleistung den Kraftstoffverbrauch spürbar erhöht. Ferner reduziert sich das eingangs genannte CO₂-Einsparpotential.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, zu senken.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Verfahren wird der Kraftstoff mittels einer Kraftstofffördereinrichtung mit Hochdruck beaufschlagt und einem Hochdruckspeicher zugeführt, der eine Einblaseinrichtung mit mindestens einem Injektor zum Einblasen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff versorgt. Erfindungsgemäß wird während einer Schub- oder Bremsphase des Verbrennungsmotors ein Förderbetrieb der Kraftstofffördereinrichtung aufrechterhalten, bis im Hochdruckspeicher ein zuvor definierter maximaler Speicherdruck erreicht ist.
Unter „aufrechterhalten“ des Förderbetriebs wird dabei allgemein ein Förderbetrieb mit einer Förderleistung größer null verstanden. Das heißt, dass der Förderbetrieb nicht eingestellt wird.
Bevorzugt wird bei fehlendem Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung nicht mehr abgesenkt, sondern zumindest auf gleichem Niveau gehalten oder sogar erhöht. Das heißt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung nicht mehr näherungsweise proportional zur Motorleistung geregelt wird. Auf diese Weise wird eine Erhöhung des Speicherdrucks im Hochdruckspeicher erreicht, der es erlaubt, zu einem späteren (im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch günstigeren) Zeitpunkt die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung zu senken. In dieser Phase kann dann Kraftstoff eingespart werden.
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt dabei das Speichervermögen des Hochdruckspeichers, um den für den Kraftstoffverbrauch relevanten Betriebsanteil der Kraftstofffördereinrichtung zu reduzieren. Zur Erhöhung des Kraftstoffeinsparpotentials kann das Speichervermögen des Hochdruckspeichers entsprechend angepasst werden.
Bevorzugt wird mit Erreichen des zuvor definierten maximalen Speicherdrucks im Hochdruckspeicher die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung zurückgefahren, vorzugsweise auf null zurückgefahren. Dies ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Speichervermögens des Hochdruckspeichers. Während die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung abgesenkt oder auf null zurückgefahren ist - bei gleichzeitig „befeuertem“ Betrieb des Verbrennungsmotors -, wird Kraftstoff eingespart.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass vor dem Zurückfahren der Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung kurzzeitig angehoben wird, vorzugsweise zu Beginn einer Schub- oder Bremsphase des Verbrennungsmotors. Durch kurzzeitiges Anheben der Förderleistung kann der maximale Speicherdruck im Hochdruckspeicher schneller erreicht werden. Die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung verhält sich in diesem Fall gegenläufig zur Motorleistung.
Vorteilhafterweise wird nicht nur ein maximaler Speicherdruck des Hochdruckspeichers definiert, sondern ferner ein minimaler Speicherdruck. Bis dieser erreicht ist, kann die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung abgesenkt oder auf null zurückgefahren werden, so dass der Kraftstoffverbrauch weiter optimiert wird. Spätestens mit Erreichen des zuvor definierten minimalen Speicherdrucks im Hochdruckspeicher wird dann die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung wieder angehoben, um eine Druckabsenkung unter den Mindestwert zu verhindern.
Da der Speicherdruck im Hochdruckspeicher bis zur Lastaufnahme des Verbrennungsmotors - bei nicht fördernder Kraftstofffördereinrichtung - weitgehend konstant ist, kann auch ein im Hochdruckspeicher erreichter maximaler Speicherdruck bis zur Lastaufnahme auf diesem Niveau gehalten werden. Die Nullförderphase der Kraftstofffördereinrichtung kann damit über den Zeitpunkt der Lastaufnahme des Verbrennungsmotors hinaus erstreckt werden, was zu der gewünschten Senkung des Kraftstoffverbrauchs führt.
Demgegenüber kann - während einer Schub- oder Bremsphase - die Bremsenergie des Verbrennungsmotors bzw. der Bremsleistungsbedarf des Kraftfahrzeugs zum Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung genutzt werden. Daraus ergibt sich ein weiteres Einsparpotential.
In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass prädiktive Steuerungssysteme, vorzugsweise in Kombination mit verfügbaren Navigations- und/oder Topographieinformationen, zur Druck- und Mengenregelung beim Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung verwendet werden. Auf diese Weise kann eine angepasste, kraftstoffverbrauchsoptimierte „vorausschauende“ Druck- und Mengenregelung realisiert werden.
Mittels der vorgeschlagenen Regel-Strategie lassen sich Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen reduzieren. Ferner können die Gesamtkosten beim Betrieb eines Verbrennungsmotors gesenkt werden. Einen bevorzugten Anwendungsbereich stellt der Betrieb von Nutzkraftwagen (NKW) dar, da hier die Einsparpotentiale größer als bei Personenkraftwagen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen verbrauchsoptimierten Regel-Strategie und
2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Regel-Strategie.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die schematische Darstellung der 1 dient der Erläuterung einer erfindungsgemäßen verbrauchsoptimierten Regel-Strategie beim Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. In der Darstellung gibt die Kurve 1 die Motorlast des Verbrennungsmotors wieder, Kurve 2 die Förderleistung einer Kraftstofffördereinrichtung zur Förderung des gasförmigen Kraftstoffs auf Hochdruck und Kurve 3 den Speicherdruck in einem Hochdruckspeicher, welcher der Aufnahme des auf Hochdruck geförderten Kraftstoffs dient. Über den Hochdruckspeicher ist eine Einblaseinrichtung mit Kraftstoff versorgbar, die mindestens einen Injektor zum Einblasen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors umfasst.
Wird - wie in der 1 dargestellt - die Motorleistung von einer Schub-/Bremsphase unterbrochen (negative Leistungsanforderung), wird die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung kurzzeitig angehoben, um auf diese Weise den Speicherdruck im Hochdruckspeicher schneller auf einen vorgegebenen Maximalwert zu steigern. Da sich der Verbrennungsmotor im „unbefeuerten“ Betriebsmodus befindet, kann die Bremsenergie für die zu erbringende Kompressionsleistung genutzt werden, ohne dass dabei Kraftstoff verbraucht wird. Ist der maximale Speicherdruck im Hochdruckspeicher erreicht, wird die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung auf null heruntergefahren. Während dieser Nullförderphase der Kraftstofffördereinrichtung bleibt der Speicherdruck im Hochdruckspeicher zunächst konstant, da der Verbrennungsmotor keinen Kraftstoff benötigt. Mit Lastaufnahme des Verbrennungsmotors steht daher der maximale Speicherdruck zur Verfügung. Dies ermöglicht es, die Kraftstofffördereinrichtung erst dann wieder hochzufahren, wenn der Speicherdruck im Hochdruckspeicher einen vorgegebenen Mindestwert erreicht hat. Bis zu diesem Zeitpunkt kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Kraftstoff eingespart werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach das Speichervermögen des Hochdruckspeichers genutzt, um die verbrauchsrelevante Kompressionsleistung der Kraftstofffördereinrichtung zu senken.
Zum Vergleich ist in der 2 eine Regel-Strategie schematisch dargestellt, die dem Stand der Technik entspricht. Die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung verhält sich in diesem Fall näherungsweise proportional zur Motorleistung. Das heißt, dass während einer Schub-/Bremsphase des Verbrennungsmotors auch die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung abgesenkt bzw. auf null heruntergefahren wird. Der Speicherdruck im Hochdruckspeicher bleibt demnach unverändert. Mit Lastaufnahme des Verbrennungsmotors wird auch die Kraftstofffördereinrichtung wieder hochgefahren, um den Speicherdruck im Hochdruckspeicher auf dem Niveau zu halten. Das heißt, dass die Kraftstofffördereinrichtung immer dann fördert, wenn der Verbrennungsmotor im „befeuerten“ Betriebsmodus ist. Die benötigte Kompressionsarbeit ist demnach zu 100% verbrauchsrelevant.
Eine kurzzeitige Überhöhung der Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung im Schub-/Bremsfall gemäß der Darstellung der 1 ist zur Einsparung von Kraftstoff nicht zwingend erforderlich. Alternativ kann die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung einfach beibehalten (statt abgesenkt) werden. Der maximale Speicherdruck im Hochdruckspeicher wird dann ggf. zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Nullförderphase über den Zeitpunkt der Lastaufnahme hinaus beibehalten wird. Beispielsweise kann die Kraftstofffördereinrichtung bei Lastaufnahme auf einem geringen Leistungsniveau betrieben werden, bis der vorgegebene minimale Speicherdruck erreicht ist. Spätestens dann jedoch muss die Förderleistung wieder soweit angehoben werden, dass ein oberhalb des minimalen Speicherdrucks liegender, konstanter Speicherdruck im Hochdruckspeicher gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff mittels einer Kraftstofffördereinrichtung mit Hochdruck beaufschlagt und einem Hochdruckspeicher zugeführt wird, der eine Einblaseinrichtung mit mindestens einem Injektor zum Einblasen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Schub- oder Bremsphase des Verbrennungsmotors ein Förderbetrieb der Kraftstofffördereinrichtung aufrechterhalten wird, bis im Hochdruckspeicher ein zuvor definierter maximaler Speicherdruck erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Erreichen des zuvor definierten maximalen Speicherdrucks im Hochdruckspeicher die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung zurückgefahren, vorzugsweise auf null zurückgefahren, wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zurückfahren der Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung kurzzeitig angehoben wird, vorzugsweise zu Beginn einer Schub- oder Bremsphase des Verbrennungsmotors.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Speicherdruck definiert wird und spätestens mit Erreichen des zuvor definierten minimalen Speicherdrucks im Hochdruckspeicher die Förderleistung der Kraftstofffördereinrichtung wieder angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Schub- oder Bremsphase die Bremsenergie des Verbrennungsmotors zum Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass prädiktive Steuerungssysteme, vorzugsweise in Kombination mit verfügbaren Navigations- und/oder Topographieinformationen, zur Druck- und Mengenregelung beim Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung verwendet werden.