DE102019201703A1 - Method for operating a fuel system, control unit and fuel system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Gas-Rail (1) für einen gasförmigen ersten Kraftstoff und ein Flüssigkraftstoff-Rail (2) für einen flüssigen zweiten Kraftstoff sowie mindestens einen an das Gas-Rail (1) und an das Flüssigkraftstoff-Rail (2) angeschlossenen Zweistoffinjektor (3) zum Einblasen bzw. Einspritzen der Kraftstoffe in einen Brennraum des Verbrennungsmotors, wobei der flüssige Kraftstoff zugleich als Steuermedium verwendet wird. Erfindungsgemäß wird zur betriebspunktabhängigen Formung der Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs der Druck im Flüssigkraftstoff-Rail (2) verändert, während der Druck im Gas-Rail (1) im Wesentlichen konstant auf einem Druckniveau gehalten wird.Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit (9) und ein Kraftstoffsystem mit einer solchen Steuereinheit (9).The invention relates to a method for operating a fuel system of an internal combustion engine, comprising a gas rail (1) for a gaseous first fuel and a liquid fuel rail (2) for a liquid second fuel and at least one to the gas rail (1) and the two-fuel injector (3) connected to the liquid fuel rail (2) for blowing or injecting the fuels into a combustion chamber of the internal combustion engine, the liquid fuel also being used as a control medium. According to the invention, the pressure in the liquid fuel rail (2) is changed to shape the injection rate of the gaseous fuel as a function of the operating point, while the pressure in the gas rail (1) is kept essentially constant at a pressure level. The invention also relates to a control unit (9) and a fuel system with such a control unit (9).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuereinheit sowie ein Kraftstoffsystem mit einer solchen Steuereinheit. Das Kraftstoffsystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar.The invention relates to a method for operating a fuel system of an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a control unit and a fuel system with such a control unit. The fuel system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated according to the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Bei der Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“), werden zunehmend höhere Einblasdrücke verwirklicht, um bei Volllast Anforderungen zu erfüllen, wie sie an die Verbrennung von Dieselkraftstoff gestellt werden. Hohe Einblasdrücke führen jedoch zu Einblasraten, die bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors zu groß sind und bei der Umsetzung häufig mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung und/oder erhöhten Emissionen einhergehen. Dies gilt es zu vermeiden.In the combustion of gaseous fuels, such as natural gas (NG, ie “natural gas”), increasingly higher injection pressures are realized in order to meet requirements at full load that are made of the combustion of diesel fuel. However, high injection pressures lead to injection rates which are too high when the internal combustion engine is operating at part load and which are often associated with undesirable noise development and / or increased emissions during implementation. This must be avoided.
Als Lösungsansatz kann ein Druckregelventil zur Gasdruckregelung an einem Gas-Rail für den gasförmigen Kraftstoff vorgesehen werden, über den mindestens ein Kraftstoffinjektor mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgbar ist. Die Gasdruckregelung über einen solchen Druckregler erfolgt jedoch aufgrund der hohen Kompressibilität des gasförmigen Kraftstoffs sehr langsam. Ferner fallen große Steuermengen an, die dem System verloren gehen. Denn wegen des niedrigen Druckniveaus können sie weder in den Gastank zurückgeführt, noch der Verbrennung zugeführt werden. Ein Abblasen der anfallenden Steuermengen in die Umgebung ist aufgrund des hohen Erwärmungspotenzials („global warming“) ebenfalls nicht möglich.As a solution, a pressure regulating valve for regulating the gas pressure can be provided on a gas rail for the gaseous fuel, via which at least one fuel injector can be supplied with the gaseous fuel. The gas pressure regulation via such a pressure regulator takes place very slowly due to the high compressibility of the gaseous fuel. There are also large amounts of tax that are lost to the system. Because of the low pressure level, they can neither be returned to the gas tank nor supplied to combustion. It is also not possible to blow off the resulting tax amounts into the environment due to the high warming potential ("global warming").
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Druck im Gas-Rail bzw. die Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs betriebspunktabhängig zu regeln, jedoch unter Verzicht auf einen Gasdruckregler, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.The present invention is therefore based on the object of regulating the pressure in the gas rail or the injection rate of the gaseous fuel as a function of the operating point, but dispensing with a gas pressure regulator in order to avoid the disadvantages mentioned above.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Steuereinheit mit dem Merkmalen des Anspruchs 9 sowie das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object, the method with the features of claim 1, the control unit with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Gas-Rail für einen gasförmigen ersten Kraftstoff und ein Flüssigkraftstoff-Rail für einen flüssigen zweiten Kraftstoff sowie mindestens einen an das Gas-Rail und an das Flüssigkraftstoff-Rail angeschlossenen Zweistoffinjektor zum Einblasen bzw. Einspritzen der Kraftstoffe in einen Brennraum des Verbrennungsmotors, wobei der flüssige Kraftstoff zugleich als Steuermedium verwendet wird. Erfindungsgemäß wird zur betriebspunktabhängigen Formung der Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs der Druck im Flüssigkraftstoff-Rail verändert, während der Druck im Gas-Rail im Wesentlichen konstant auf einem Druckniveau gehalten wird.A method is proposed for operating a fuel system of an internal combustion engine, comprising a gas rail for a gaseous first fuel and a liquid fuel rail for a liquid second fuel as well as at least one dual-fuel injector connected to the gas rail and to the liquid fuel rail for injection or injection Injection of the fuels into a combustion chamber of the internal combustion engine, the liquid fuel also being used as a control medium. According to the invention, the pressure in the liquid fuel rail is changed to shape the injection rate of the gaseous fuel as a function of the operating point, while the pressure in the gas rail is kept essentially constant at a pressure level.
Die Veränderung des Drucks im Flüssigkraftstoff-Rail führt zu einer Veränderung des Differenzdrucks Flüssigkraftstoff zu Gas im Zweistoffinjektor, so dass hierüber das Öffnungsverhalten des Zweistoffinjektors beeinflussbar ist. Auf diese Weise kann die Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs auch ohne Veränderung des Gas- bzw. Einblasdrucks betriebspunktabhängig geformt werden. Eine Gasdruckreglung bzw. ein Gasdruckregler zur Einstellung des Gasdrucks kann somit entfallen. Folglich fallen auch keine Steuermengen an, die dem System verloren gehen.The change in the pressure in the liquid fuel rail leads to a change in the pressure difference between liquid fuel and gas in the dual-fuel injector, so that the opening behavior of the dual-fuel injector can be influenced by this. In this way, the rate of injection of the gaseous fuel can also be shaped as a function of the operating point without changing the gas or injection pressure. A gas pressure regulator or a gas pressure regulator for setting the gas pressure can thus be omitted. As a result, there are no tax amounts that are lost to the system.
Zur betriebspunktabhängigen Formung der Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs wird vorgeschlagen, dass bei einer Lastabsenkung des Verbrennungsmotors der Druck im Flüssigkraftstoff-Rail erhöht wird. Damit steigt der Differenzdruck im Zweistoffinjektor, was zur Folge hat, dass dieser weniger schnell öffnet. Im Ergebnis wird somit weniger Gas eingeblasen. Das heißt, dass bei unverändertem Einblasdruck die Einblasmenge abnimmt.To shape the injection rate of the gaseous fuel as a function of the operating point, it is proposed that the pressure in the liquid fuel rail be increased when the load on the internal combustion engine is reduced. This increases the differential pressure in the dual-fuel injector, which means that it opens less quickly. As a result, less gas is blown in. This means that if the injection pressure remains unchanged, the injection quantity decreases.
Mit dem Verzicht auf einen Gasdruckregler fallen keine Steuermengen an, die abgeführt werden müssen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Druckniveau im Gas-Rail in Gänze rücklaufmengenfrei gehalten wird, so dass eine an das Gas-Rail angeschlossene Rücklaufleitung entfallen kann. Auf diese Weise kann der Aufbau des Kraftstoffsystems weiter vereinfacht werden.By doing without a gas pressure regulator, there are no control quantities that have to be discharged. In addition, it is proposed that the pressure level in the gas rail is kept entirely free of return flow, so that a return line connected to the gas rail can be omitted. In this way, the structure of the fuel system can be further simplified.
Der Druck im Gas-Rail wird vorzugsweise auf einem Druckniveau gehalten, der einem vorab bestimmten Maximaldruck, beispielsweise 500 bar, entspricht. Der Einblasdruck entspricht demnach ebenfalls dem Maximaldruck, was die Einblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors begünstigt.The pressure in the gas rail is preferably kept at a pressure level which corresponds to a predetermined maximum pressure, for example 500 bar. The injection pressure therefore also corresponds to the maximum pressure, which favors the injection of gaseous fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
Der Druck im Flüssigkraftstoff-Rail wird vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der stets über dem Druck im Gas-Rail liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass gasförmiger Kraftstoff im Wege der Leckage in den Bereich des Flüssigkraftstoffs gelangt.The pressure in the liquid fuel rail is preferably set to a value that is always above the pressure in the gas rail. This prevents gaseous fuel from leaking into the area of the liquid fuel.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Druck im Gas-Rail über die Fördermenge einer Kraftstoffpumpe eingestellt wird, mittels welcher dem Gas-Rail gasförmiger Kraftstoff aus einem Tank zugeführt wird, in dem der gasförmige Kraftstoff, vorzugsweise in flüssiger Form, bevorratet wird. Durch die vorzugsweise kontinuierliche Zuführung von Kraftstoff kann eine durch die Entnahme von Kraftstoff im Gas-Rail bewirkte Druckabsenkung sofort ausgeglichen werden, so dass der Druck im Gas-Rail im Wesentlichen konstant auf einem Druckniveau gehalten wird.It is also proposed that the pressure in the gas rail be adjusted via the delivery rate of a fuel pump, by means of which the gas rail is supplied with gaseous fuel from a tank in which the gaseous fuel, preferably in liquid form, is stored. Due to the preferably continuous supply of fuel, a pressure drop caused by the withdrawal of fuel in the gas rail can be compensated immediately, so that the pressure in the gas rail is kept essentially constant at a pressure level.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Volumen des Gas-Rails und das Volumen einer an das Gas-Rail angeschlossenen Gasversorgungsleitung zum Ausgleich von Förderschwankungen der Kraftstoffpumpe genutzt werden. Damit kann ein üblicherweise dem Gas-Rail vorgeschalteter Zwischenspeicher entfallen, so dass das Kraftstoffsystems weiter vereinfacht wird. Zusätzlich wird Bauraum eingespart, der für andere Komponenten zur Verfügung steht. Zur Optimierung der Schwingungseigenschaften des Systems kann die Gasversorgungsleitung zumindest abschnittsweise mit einem vergrößerten Strömungsdurchmesser versehen werden. Diese Maßnahme ist vergleichsweise einfach umsetzbar.In a further development of the invention, it is proposed that the volume of the gas rail and the volume of a gas supply line connected to the gas rail are used to compensate for delivery fluctuations of the fuel pump. An intermediate storage device, which is usually connected upstream of the gas rail, can thus be dispensed with, so that the fuel system is further simplified. In addition, installation space is saved that is available for other components. To optimize the vibration properties of the system, the gas supply line can be provided with an enlarged flow diameter, at least in sections. This measure is comparatively easy to implement.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Gas-Rail bei Bedarf, insbesondere bei abgestelltem Verbrennungsmotor, über ein Druckentlastungsventil entlastet wird. Bei abgestelltem Verbrennungsmotor erfolgt keine Entnahme von Kraftstoff aus dem Gas-Rail, so dass es nicht zu einer Druckabsenkung kommt. Um das Überschreiten eines maximal zulässigen Drucks zu verhindern, kann in diesem Fall das Druckentlastungsventil geöffnet werden, so dass hierüber das Gas-Rail entlastet wird. Das Druckentlastungsventil erfüllt somit eine reine Sicherheitsfunktion und ist nicht mit einem Gasdruckregler gleichzusetzen.As an alternative or in addition, it is proposed that the gas rail be relieved via a pressure relief valve if necessary, in particular when the internal combustion engine is switched off. When the internal combustion engine is switched off, no fuel is withdrawn from the gas rail, so that there is no pressure drop. In order to prevent a maximum permissible pressure from being exceeded, the pressure relief valve can be opened in this case, so that the gas rail is relieved through this. The pressure relief valve thus fulfills a pure safety function and cannot be equated with a gas pressure regulator.
Vorteilhafterweise wird der Druck im Gas-Rail mit Hilfe eines Drucksensors überwacht und als Steuergröße bei der Einstellung des Drucks im Flüssigkraftstoff-Rail genutzt. Die Messdaten des Drucksensors werden hierzu bevorzugt an eine Steuereinheit übermittelt, mittels welcher der Flüssigkraftstoffdruck im Flüssigkraftstoff-Rail einstellbar ist. Beispielsweise kann am Flüssigkraftstoff-Rail ein Druckregelventil angeordnet sein, das mittels der Steuereinheit entsprechend angesteuert wird.The pressure in the gas rail is advantageously monitored with the aid of a pressure sensor and used as a control variable when setting the pressure in the liquid fuel rail. For this purpose, the measurement data of the pressure sensor are preferably transmitted to a control unit, by means of which the liquid fuel pressure in the liquid fuel rail can be set. For example, a pressure control valve can be arranged on the liquid fuel rail, which is controlled accordingly by means of the control unit.
Die Steuereinheit kann ferner mit der Kraftstoffpumpe verbunden sein, mittels welcher dem Gas-Rail gasförmiger Kraftstoff aus dem Tank zugeführt wird. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe kann auf diese Weise derart eingestellt werden, dass der Druck im Gas-Rail auf ein Druckniveau gehalten wird, das im Wesentlichen konstant ist.The control unit can also be connected to the fuel pump, by means of which gaseous fuel is supplied from the tank to the gas rail. In this way, the delivery rate of the fuel pump can be adjusted in such a way that the pressure in the gas rail is kept at a pressure level that is essentially constant.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere Erdgas als gasförmigen Kraftstoff und Dieselkraftstoff als flüssiger Kraftstoff verwendet werden. Der Dieselkraftstoff kann in diesem Fall zugleich zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs eingesetzt werden. Der Dieselkraftstoff wird hierzu im Wege einer Piloteinspritzung in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingebracht.In the method according to the invention, in particular, natural gas can be used as the gaseous fuel and diesel fuel as the liquid fuel. In this case, the diesel fuel can also be used to ignite the gaseous fuel. For this purpose, the diesel fuel is introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine by way of a pilot injection.
Darüber hinaus wird eine Steuereinheit vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. In der Steuereinheit ist hierzu bevorzugt ein Computerprogramm mit einem entsprechenden Programmcode hinterlegt.In addition, a control unit is proposed which is set up to carry out the method according to the invention described above. For this purpose, a computer program with a corresponding program code is preferably stored in the control unit.
Ferner wird ein Kraftstoffsystem für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, das ein Gas-Rail für einen gasförmigen ersten Kraftstoff und ein Flüssigkraftstoff-Rail für einen flüssigen zweiten Kraftstoff sowie mindestens einen an das Gas-Rail und an das Flüssigkraftstoff-Rail angeschlossenen Zweistoffinjektor zum Einblasen bzw. Einspritzen der Kraftstoffe in einen Brennraum des Verbrennungsmotors umfasst. Das Kraftstoffsystem weist darüber hinaus eine erfindungsgemäße Steuereinheit auf, so dass es nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.Furthermore, a fuel system for an internal combustion engine is proposed, which has a gas rail for a gaseous first fuel and a liquid fuel rail for a liquid second fuel and at least one dual-fuel injector connected to the gas rail and the liquid fuel rail for blowing in or injecting which includes fuels in a combustion chamber of the internal combustion engine. The fuel system also has a control unit according to the invention, so that it can be operated according to the method according to the invention described above.
Der Zweistoffinjektor des Kraftstoffsystems kann insbesondere zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln aufweisen, deren Bewegungen über den Druck im Flüssigkraftstoff-Rail steuerbar sind. Über den Flüssigkraftstoffdruck kann somit das Öffnungsverhalten des Zweistoffinjektors beeinflusst werden.The dual-fuel injector of the fuel system can in particular have two coaxially arranged nozzle needles guided one inside the other, the movements of which can be controlled via the pressure in the liquid fuel rail. The opening behavior of the two-fuel injector can thus be influenced via the liquid fuel pressure.
Des Weiteren bevorzugt weist das Kraftstoffsystem einen Tank für den gasförmigen Kraftstoff und eine Kraftstoffpumpe auf, mittels welcher dem Gas-Rail gasförmiger Kraftstoff aus dem Tank zuführbar ist. Der Tank ist hierzu mit dem Gas-Rail über eine Gasversorgungsleitung verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Gasversorgungsleitung zumindest abschnittsweise einen vergrößerten Strömungsdurchmesser auf, so dass das Volumen der Gasversorgungsleitung vergrößert wird. Auf diese Weise kann das Schwingungsverhalten des Kraftstoffsystems verbessert werden. Dies wiederum ermöglicht den Wegfall eines dem Gas-Rail vorgeschalteten Zwischenspeichers, der üblicherweise dem Ausgleich von Förderschwankungen der Kraftstoffpumpe dient. Mit dem Wegfall des Zwischenspeichers entfallen auch die damit verbundenen Sensoren und Sicherheitseinrichtungen, beispielsweise Ventile. Wird das Kraftstoffsystem rücklaufmengenfrei betrieben, kann zudem eine Rücklaufleitung entfallen, die das Gas-Rail mit dem Tank verbindet.Furthermore, the fuel system preferably has a tank for the gaseous fuel and a fuel pump, by means of which gaseous fuel can be fed from the tank to the gas rail. For this purpose, the tank is connected to the gas rail via a gas supply line. According to a preferred embodiment of the invention, the gas supply line has an enlarged flow diameter, at least in sections, so that the volume of the gas supply line is increased. In this way, the vibration behavior of the fuel system can be improved. This in turn makes it possible to dispense with an intermediate store connected upstream of the gas rail, which is usually used to compensate for fluctuations in the delivery of the fuel pump. With the elimination of the intermediate storage The associated sensors and safety devices, such as valves, are also omitted. If the fuel system is operated with no return flow, a return line that connects the gas rail with the tank can also be omitted.
Vorteilhafterweise umfasst das Kraftstoffsystem ein Druckentlastungsventil, über welches das Gas-Rail bei Bedarf, insbesondere bei abgestelltem Verbrennungsmotor, entlastbar ist. Das Druckentlastungsventil besitzt eine Sicherheitsfunktion und ist daher vorzugsweise druckgesteuert.The fuel system advantageously includes a pressure relief valve, via which the gas rail can be relieved when required, in particular when the internal combustion engine is switched off. The pressure relief valve has a safety function and is therefore preferably pressure-controlled.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems und -
2 eine graphische Darstellung einer Regelstrategie ohne Gasdruckregelung bzw. Gasdruckregler zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a fuel system according to the invention and -
2 a graphic representation of a control strategy without gas pressure control or gas pressure regulator for implementing the method according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in der
Das dargestellte Kraftstoffsystem umfasst gasseitig einen Tank
Am Gas-Rail
Auf der Seite des Flüssigkraftstoffs ist ein Tank
Das in der
In der
Der Differenzdruck Δp ist stets größer Null. Das heißt, dass der Flüssigkraftstoffdruck stets oberhalb des Gasdrucks liegt, um eine Gasleckage in den Flüssigkraftstoffbereich zu verhindern.The differential pressure Δp is always greater than zero. This means that the liquid fuel pressure is always above the gas pressure in order to prevent gas leakage into the liquid fuel area.
Claims (10)
Priority Applications (2)
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