DE102018220566A1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Regelung des Druckes in einer Kraftstofffördereinrichtung - Google Patents

Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Regelung des Druckes in einer Kraftstofffördereinrichtung Download PDF

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Abstract

Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Gas-Pumpe (10), wobei durch die mindestens eine Gas-Pumpe (10) Kraftstoff, welcher als Gas in einer flüssigen Phase in einem Vorratsbehälter (4) vorliegt, über eine Gasleitung (22) aus dem Vorratsbehälter (4) in einen Buffertank (18) gefördert wird, wobei der Buffertank über ein schalbares Ventil (19) mit einem Gas-Rail verbunden ist, wobei ein Dual-Fluid-Injektor (21) mit dem Gas-Rail (20) und einem Kraftstoff-Rail (26) verbunden ist. Das Gas-Rail (20) und das Kraftstoff-Rail (26) stehen über einen gemeinsamen Speicher (30) mit beweglichen Trennelement (31) zur Medientrennung miteinander in Verbindung.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Regelung des Druckes in einer Kraftstofffördereinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen.
  • Aus der deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102017221329.9 ist ein Gasdruckregler zur Regelung des Drucks eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem Gehäuse, in dem ein längsbeweglicher Gaskolben angeordnet ist, der einen Gasraum und einen mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbaren Druckraum begrenzt, bekannt. Durch das Zusammenwirken des Gaskolbens mit einem Ventilsitz wird ein Steuerventil gebildet, über das Gas aus dem Gasraum in einen Rücklauf abgeleitet werden kann. An der Außenseite des Gaskolbens ist eine zweite umlaufende Dichtung ausgebildet, mit der der Gaskolben ebenfalls dichtend im Gehäuse geführt ist, wobei der Gaskolben zumindest abschnittsweise von einem Niederdruckgasraum umgeben ist und die zweite Dichtung den Niederdruckgasraum von einem Gasrücklaufraum trennt, wobei der Gasraum über das Absteuerventil mit dem Gasrücklaufraum verbindbar ist. Ein System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigen Kraftstoff weist einen Zwischentank und einen solchen Gasdruckregler auf. In einem Verfahren zum Betreiben dieses Systems ist darüber hinaus ein Rücklaufspeicher vorhanden, dessen Druck zwischen dem Druck im Gasraum und im Gastank eingestellt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Kraftstofffördereinrichtung zu finden, welche einen Gasdruckregler aufweist, der ohne Gasrücklauf betrieben werden kann.
  • Der Gasrücklauf in der Kraftstofffördereinrichtung, kann zu negativen Effekten führen. Wenn der Gasrücklauf in den Vorratsbehälter geführt wird, kommt es zu einem unerwünschten Wärmeeintrag in den Vorratsbehälter. Der Wärmeeintrag führt zu einer Temperaturerhöhung und Druckerhöhung im Vorratsbehälter, so dass im schlimmsten Fall Gas in die Umwelt abgelassen werden muss.
  • Eine alternative Lösung, bei der der Gasrücklauf in das Leitungssystem der Kraftstofffördereinrichtung eingespeist wird, ist aufgrund von zusätzlichen kostenaufwendigen Komponenten, wie z.B. weiteren Speichern, Ventilen und Sensoren nachteilig. Des Weiteren kann es zu einer Schädigung der Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung aufgrund einer aus dem Wärmeeintrag resultierenden Druckerhöhung kommen.
  • Die Kraftstofffördereinrichtung und das Verfahren mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass ein Gasrücklauf und die daraus resultierenden Probleme vollständig vermieden werden.
  • Da innerhalb der erfinderischen Kraftstofffördereinrichtung kein Gasrücklauf auftritt, kann auf aufwendige Maßnahmen verzichtet werden, diesen in den Vorratsbehälter oder in das Leitungssystem einzuspeisen, so dass der gesamte Aufbau der Kraftstofffördereinrichtung vereinfacht wird und kostengünstiger ist.
  • Des Weiteren wird durch die direkte Kopplung zwischen dem Druck im Gas-Rail und Kraftstoff-Rail die Genauigkeit der Druckregelung verbessert. Der Dual-Fluid-Injektor sieht im dynamischen Betrieb eine geringere Druckdifferenz zwischen dem gasförmigen und hydraulischen Kraftstoff, wodurch das Problem der internen Dichtung zwischen den unterschiedlichen Medien deutlich reduziert wird.
  • Durch die direkte Kopplung zwischen dem Druck im Gas-Rail und im Kraftstoff-Rail kann die für die Erhöhung des Druckes im Gas-Rail erforderliche Verschiebearbeit wahlweise über die Gas-Pumpe oder über die Kraftstoff-Pumpe oder über beide Pumpen gemeinsam geliefert werden.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
  • Es ist von Vorteil, wenn der gemeinsame Speicher als Kolbenspeicher oder Membranspeicher ausgebildet ist, da sich diese kostengünstig in die Kraftstofffördereinrichtung integrieren lassen.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Kraftstoff-Rail ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil aufweist, über welches Kraftstoff in eine Rücklaufleitung absteuerbar ist, da sich durch das elektrisch ansteuerbare Ventil eine Druckreduzierung im Kraftstoff-Rail und damit auch im Gas-Rail genau und auf einfache Weise regeln lässt.
  • Ein Druckbegrenzungsventil, welches am Kraftstoff-Rail ist vorteilhaft, da dieses auf zuverlässige Weise öffnet, wenn der Druck im Kraftstoff-Rail einen Maximalwert überschreitet und dadurch eine Schädigung des Kraftstoff-Rails und damit verbundener Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung vermeidet.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Position des Trennelementes durch einen Positionssensor erfassbar ist, da auf diese Weise durch eine geeignete Regelstrategie das Trennelement eine Position einnehmen kann, um sowohl eine Bewegungsreserve für eine Erhöhung des Druckes als auch für eine Reduzierung des Druckes im Gas-Rail zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise kann der Druck im Gas-Rail jederzeit zuverlässig der Veränderung des Druckes im Kraftstoff-Rail angepasst werden.
  • Eine Reduzierung des Druckes im Gas-Rail, indem das schaltbare Ventil geschlossen wird und/oder Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail über das elektrisch ansteuerbares Druckregelventil abgesteuert wird, ist vorteilhaft da in der Kraftstofffördereinrichtung für den gasförmigen Kraftstoff kein Rücklauf entsteht und abhängig von der gewünschten Höhe der Druckreduzierung entweder das schaltbare Ventil geschlossen werden kann oder Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail über das elektrisch ansteuerbares Druckregelventil abgesteuert werden kann oder beide Möglichkeiten zur Druckreduzierung eingesetzt werden können.
  • Es ist von Vorteil, wenn zur Erhöhung des Druckes im Gas-Rail das schaltbare Ventil geöffnet wird und/oder die Fördermenge der Kraftstoff-Pumpe erhöht wird, da dies die Flexibilität bei der Regelung des Druckes erhöht.
  • Ausführungsbeispiele
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der Figur ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung weist mindestens eine Gas-Pumpe 10 auf, die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 4 ansaugt und über eine Gasleitung 22 aus dem Vorratsbehälter 4 in einen Buffertank 18 fördert.
  • Der Vorratsbehälter 4 ist zur Aufnahme von gasförmigen Kraftstoff, welcher als verflüssigtes Gas (LNG) bzw. Gas in der flüssigen Phase vorliegt, ausgebildet. Im Vorratsbehälter 4 wird das verflüssigte Gas (LNG) bzw. das Gas in der flüssigen Phase bei sehr niedrigen Temperaturen aufgenommen.
  • Durch einen Wärmeeintrag oder eine Druckänderung kann der gasförmige Kraftstoff einen Phasenwechsel erfahren, so dass das Gas eine Zustandsänderung von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase erfährt. Im Folgenden wird der Begriff Gas in der flüssigen Phase oder Gas in der gasförmigen Phase genutzt, um zu unterscheiden, welchen Aggregatszustand der gasförmige Kraftstoff vornehmlich hat.
  • Der gasförmige Kraftstoff bzw. das Gas kann innerhalb der Kraftstofffördereinrichtung einen Phasenwechsel von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase erfahren.
  • Um das Gas in der flüssigen Phase zu halten, muss der gasförmige Kraftstoff unter sehr niedrigen Temperaturen im Vorratsbehälter 4 aufbewahrt werden. Der Vorratsbehälter 4 weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Isolierung auf, um einen Wärmeeintrag von außen in den gasförmigen Kraftstoff zu vermeiden.
  • Zwischen der mindestens einen Gas-Pumpe 10 und dem Buffertank 18 ist ein Wärmetauscher 31 angeordnet. Der Wärmetauscher 31 überträgt thermische Energie auf den gasförmigen Kraftstoff, so dass das Gas zum Teil oder vollständig einen Phasenwechsel von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase erfährt.
  • Durch die mindestens eine Gas-Pumpe 10 wird das Gas auf ein erhöhtes Druckniveau verdichtet. Im Ausführungsbeispiel nach Figur ist nur eine einzige Gas-Pumpe 10 gezeigt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können auch mehrere Gas-Pumpen 10 hintereinander oder parallel zueinander angeordnet sein, um das Gas auf das gewünschte Druckniveau zu verdichten.
  • Der Buffertank 18 ist als Speicher für den unter erhöhten Druck stehenden Kraftstoff ausgebildet und kann mittelbar oder unmittelbar an der Gasleitung 22 angeordnet sein. Der Buffertank 18 ist über ein schalbares Ventil 19 mit einem Gas-Rail 20 verbunden.
  • Das schalbares Ventil 19 ermöglicht eine Einstellung der gewünschten Druckverhältnisse im Hochdruckspeicher 20, indem es die Kraftstoffstoffmenge, die aus dem Buffertank 18 in den Hochdruckspeicher 20 strömt, regelt.
  • Mindestens ein Dual-Fluid-Injektor 21 wird über das Gas-Rail 20 mit gasförmigen Kraftstoff (Gas)versorgt. Der mindestens eine Dual-Fluid-Injektor 21 ist zusätzlich mit einem Kraftstoff-Rail 26 verbunden. Über das Kraftstoff-Rail 26 wird der mindestens eine Dual-Fluid-Injektor 21 mit hydraulischen Kraftstoff, insbesondere Diesel, versorgt.
  • Das Kraftstoff-Rail 26 ist über eine hydraulische Leitung 23 mit einem Kraftstofftank 14 verbunden. Der Kraftstofftank 14 ist zur Aufnahme eines hydraulischen Kraftstoffes, insbesondere Diesel, ausgebildet. In der hydraulischen Leitung 23 ist mindestens eine Kraftstoff-Pumpe 25 angeordnet, wobei die mindestens eine Kraftstoff-Pumpe 25 hydraulischen Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 14 in das Kraftstoff-Rail 26 fördert. In der hydraulischen Leitung 23 können weitere Komponenten, wie z.B. Filter, Sensoren oder Ventile, angeordnet sein.
  • Das Kraftstoff-Rail 26 weist ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 28 auf, über welches Kraftstoff in eine Rücklaufleitung 27 absteuerbar ist. Das elektrische ansteuerbare Druckregelventil 28 kann abhängig von dem gewünschten Druck im Kraftstoff-Rail 26 geöffnet oder geschlossen werden, so dass überschüssiger hydraulischen Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail 26 in die Rücklaufleitung 27 abgesteuert wird und der Druck im Kraftstoff-Rail 26 reduziert wird.
  • Das Kraftstoff-Rail 26 kann ein Druckbegrenzungsventil 29 aufweisen, welches öffnet sobald eine maximal zulässige Druckschwelle überschritten wird. Das Druckbegrenzungsventil 29 ist mit der Rücklaufleitung 27 verbunden.
  • Die Rücklaufleitung 27 ist mit dem Kraftstofftank 14 verbunden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Rücklaufleitung 27 auch mit einem Leitungsabschnitt der hydraulischen Leitung 23, insbesondere einem Leitungsabschnitt zwischen dem Kraftstofftank 14 und der mindestens einen Kraftstoff-Pumpe 25, verbunden sein.
  • Das Gas-Rail 20 und das Krafstoff-Rail 26 stehen über einen gemeinsamen Speicher 30 mit beweglichen Trennelement 31 zur Medientrennung miteinander in Verbindung.
  • Durch den gemeinsamen Speicher 30 mit beweglichen Trennelement 31 erfolgt eine automatische Anpassung des Druckes im Gas-Rail 20 und Krafstoff-Rail 26, da bei einer Veränderung des Druckes im Gas-Rail 20 und/oder Krafstoff-Rail 26 das bewegliche Trennelement 31 durch die beiden Kraftstoffe (Gas und hydraulischer Kraftstoff) so verschoben wird, dass ein Druckausgleich erzielt wird.
  • Der gemeinsame Speicher kann 30 als Kolbenspeicher oder Membranspeicher ausgebildet sein. Der Kolbenspeicher weist als bewegliche Trennelement 31 einen Kolben bzw. eine Scheibe auf durch die das Gas und der hydraulische Kraftstoff voneinander getrennt werden. Der Membranspeicher kann eine flexible Membran aufweisen.
  • Die Position des Trennelementes 31 ist durch einen Positionssensor 32 erfassbar.
  • Durch den gemeinsamen Speicher 30 wird der Druck im Gas-Rail 20 dem Druck im Kraftstoff-Rail 26 angeglichen. Eine Druckänderung im Kraftstoff-Rail 26 hat demzufolge auch immer eine Druckänderung im Gas-Rail 26 zur Folge.
  • Um den Druck im Gas-Rail 20 zu reduzieren, muss auch der Druck im Kraftstoff-Rail 26 reduziert werden. Zur Reduzierung des Druckes im Gas-Rail 20 kann der Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail 26 über das elektrisch ansteuerbare Druckregelventil 28 abgesteuert werden. Dies bewirkt eine Absenkung des Druckes im Kraftstoff-Rail 26, welche sich über den gemeinsamen Speicher 30 auch auf das Gas-Rail 20 auswirkt, so dass der Druck im Gas-Rail 20 abgesenkt wird.
  • Des Weiteren oder alternativ kann das schaltbare Ventil 19 geschlossen werden, so dass über die Gasleitung 22 kein Gas aus dem Buffertank 18 in das Gas-Rail 20 gelangen kann.
  • Um den Druck im Gas-Rail 20 zu erhöhen, muss auch der Druck im Kraftstoff-Rail 26 erhöht werden. Zur Erhöhung des Druckes im Gas-Rail 20 kann Fördermenge der Kraftstoff-Pumpe 25 erhöht wird. Dies bewirkt eine Erhöhung des Druckes im Kraftstoff-Rail 26, welche sich über den gemeinsamen Speicher 30 auch auf das Gas-Rail 20 auswirkt, so dass der Druck im Gas-Rail 20 erhöht wird.
  • Des Weiteren oder alternativ kann auch das schaltbare Ventil 19 geöffnet werden. Durch das Öffnen des schaltbaren Ventils 19 strömt gasförmiger Kraftstoff bzw. Gas aus dem Buffertank 18 in das Gas-Rail 20, so dass sich der Druck im Gas-Rail 20 erhöht wird.
  • Das Trennelement 31 kann durch eine geeignete Regelstrategie eine Position einnehmen, um eine Reduzierung des Druckes im Gas-Rail 20 über eine Absenkung des Druckes im Kraftstoff-Rail 26 jederzeit sicherstellen zu können. Um beispielsweise die Position des Trennelementes 31 zu variieren, kann das schaltbare Ventil 19 geöffnet werden, so dass sich das Volumen von Gas erhöht. Gleichzeitig kann über das elektrisch ansteuerbare Druckregelventil 28 hydraulischer Kraftstoff in die Rücklaufleitung 27 abgesteuert werden. Bei einem konstanten Druck im Gas-Rail 20 bzw. Kraftstoff-Rail 26 verändert sich auf diese Weise der Anteil von gasförmigen Kraftstoff (Gas) und hydraulischen Kraftstoff im gemeinsamen Speicher, so dass das Trennelement 31 eine Position einnehmen kann, um im Bedarfsfall eine Reduzierung des Druckes im Gas-Rail 20 über eine Absenkung des Druckes im Kraftstoff-Rail 26 sicherstellen zu können.

Claims (10)

  1. Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Gas-Pumpe (10), wobei durch die mindestens eine Gas-Pumpe (10) Kraftstoff, welcher als Gas in einer flüssigen Phase in einem Vorratsbehälter (4) vorliegt, über eine Gasleitung (22) aus dem Vorratsbehälter (4) in einen Buffertank (18) gefördert wird, wobei der Buffertank über ein schalbares Ventil (19) mit einem Gas-Rail (20) verbunden ist, wobei ein Dual-Fluid-Injektor (21) mit dem Gas-Rail (20) und einem Kraftstoff-Rail (26) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas-Rail (20) und das Kraftstoff-Rail (26) über einen gemeinsamen Speicher (30) mit beweglichen Trennelement (31) zur Medientrennung miteinander in Verbindung stehen.
  2. Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den gemeinsamen Speicher (30) der Druck im Gas-Rail (20) dem Druck im Kraftstoff-Rail (26) angeglichen wird.
  3. Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Speicher (39) als Kolbenspeicher oder Membranspeicher ausgebildet ist.
  4. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Rail (26) über mindestens eine Kraftstoff-Pumpe (25) mit einem Kraftstofftank (14) verbunden ist, wobei durch die Kraftstoff- Pumpe (25) ein hydraulischer Kraftstoff, insbesondere Diesel, aus dem Kraftstofftank (14) gefördert wird.
  5. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dass das Kraftstoff-Rail (26) ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil (28) aufweist, über welches Kraftstoff in eine Rücklaufleitung (27) absteuerbar ist.
  6. Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Rail (26) ein Druckbegrenzungsventil (29) aufweist, über welches Kraftstoff in die Rücklaufleitung (27) absteuerbar ist.
  7. Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Trennelementes (31) durch einen Positionssensor (32) erfassbar ist.
  8. Verfahren zur Regelung des Druckes in einer Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Druckes im Gas-Rail (20) das schaltbare Ventil (19) geschlossen wird und/oder Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Rail (26) über das elektrisch ansteuerbare Druckregelventil (28) abgesteuert wird.
  9. Verfahren zur Steuerung des Druckes nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Druckes im Gas-Rail (20) das schaltbare Ventil (19) geöffnet wird und/oder die Fördermenge der Kraftstoff-Pumpe (25) erhöht wird.
  10. Verfahren zur Steuerung des Druckes nach einem der Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (31) durch eine geeignete Regelstrategie eine Position einnimmt, um eine Reduzierung des Druckes im Gas-Rail (20) über eine Absenkung des Druckes im Kraftstoff-Rail (26) und ein Öffnen des elektrisch ansteuerbaren Druckregelventils (28) sicherstellen zu können.
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