DE102022130125A1 - Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor - Google Patents

Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor, die einen Kraftstofftank, der den Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, vorzugsweise mit mehr als 5 bar, bevorzugterweise mit mehr als 7 bar speichert, ein stromabwärts zum Kraftstofftank angeordnetes Druckregelventil, das dazu ausgelegt ist, den von dem Kraftstofftank stammenden Kraftstoff auf ein gleichbleibendes, stationäres Druckniveau abzusenken, ein erstes Rail mit mindestens einem Kraftstoffinjektor zum direkten Einbringen des Kraftstoffs in einen Brennraum eines Motorzylinders, und ein zweites Rail mit mindestens einem Kraftstoffinjektor zum Einbringen des Kraftstoffs in einen Ansaugbereich des Motorzylinders umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Rail als auch das zweite Rail stromabwärts zu dem Druckregelventil angeordnet sind und jeweils ihren über ihren jeweiligen mindestens einen Kraftstoffinjektor abzugebenden Kraftstoff über das Druckregelventil beziehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor. Weiter umfasst die Erfindung auch einen Gasmotor mit einer solchen Vorrichtung.
  • Ein Gasmotor ist dabei eine Brennkraftmaschine, die dazu in der Lage ist, einen bei Umgebungsdruck gasförmigen Kraftstoff zu verbrennen. In den letzten Jahren haben hauptsächlich Verbrennungskraftmaschinen den Markt dominiert, die durch flüssige Kraftstoffe aus Benzin und Diesel betrieben werden. Dabei hat es zahlreiche Versuche in dem Bereich von Verbrennungskraftmaschinen gegeben, die einen Betrieb mittels gasförmiger Kraftstoffe wie kompressiertes Erdgas (CNG; englisch für: compressed natural gas) oder verflüssigten Erdgas (LNG; englisch für: liquefied natural gas) nutzen. Dabei wurde für die Serienproduktion solcher Brennkraftmaschinen das indirekte Mehrpunkt-Einspritzsystem mit Funkenzündung genutzt, bei dem das Gas in das zur Brennkammer führende Saugrohr injiziert wurde, sodass das Gas mit einem niedrigen Druck von typischerweise weniger als 15 bar in das Saugrohr eingeführt werden konnte.
  • Einer der Hauptnachteile einer solchen Technologie zur Verbrennung von gasförmigen Kraftstoffen ist die Verbrennungsstabilität, das Klopfverhalten, die erhöhten Stickstoffemissionen sowie das langsame Ansprechverhalten des Motors.
  • Die Forschungen der Erfinder zu gasbetriebenen Verbrennungsmotoren (CNG. LNG oder auch H2), die darauf abzielen, die Motorleistung zu maximieren und gleichzeitig niedrige NOx-Emissionen einzuhalten, zeigen, dass die Direkteinspritzungstechnologie für die Pilot- bzw. Voreinspritzung (mit Funkenzündung) in Verbindung mit einer Kraftstoffeinspritzung in Saugrohr für die tatsächliche Leistungserzeugung eine äußerst vielversprechende Lösung darstellt, um eine stabile und kontrollierte Verbrennung zu erreichen.
  • Da aber die Pilot-Einspritzung und die Haupteinspritzung mit unterschiedlichen Druckniveaus erfolgen müssen, führt dies zur Verwendung von zwei unabhängigen, parallel arbeitenden Einspritzsystemen, bei dem ein System die Direkteinspritzdüsen (LPDI; englisch für: liqufied petroleum direct injection) mit einem typischen Druck zwischen 20 und 60 bar und das andere die Saugrohreinspritzdüsen (PFI; englisch für: port fuel injection) mit einem typischen Druck zwischen 3 und 20 bar - je nach Motorlastpunkt - speist.
  • Dies bedingt eine komplexe Druckregelungslösung, da zwei Systeme parallel vorliegen und angesteuert werden müssen. Aus demselben Grund ergibt sich auch eine besonders hohe Komplexität des Systems aufgrund des begrenzten Raumvolumens, das zur Anordnung zur Verfügung steht, was sich wiederum negativ auf die Kosten auswirkt.
  • Das Ziel dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Einbringen des Kraftstoffs in den Gasmotor vorzuschlagen, um die richtigen Druckniveaus für die direkt in den Brennraum einspritzenden Kraftstoffdüsen (also die LPDI-Injektoren) und gleichzeitig auch für die in das Saugrohr einspritzenden Kraftstoffdüsen (also die PFI-Injektoren) zu gewährleisten, wobei Redundanz von Komponenten vermieden und der in Anspruch zu nehmende Bauraum am Motor verringert wird.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor, umfasst einen Kraftstofftank, der den Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, vorzugsweise mit mehr als 5 bar, bevorzugterweise mit mehr als 7 bar speichert, ein stromabwärts zum Kraftstofftank angeordnetes Druckregelventil, das dazu ausgelegt ist, den von dem Kraftstofftank stammenden Kraftstoff auf ein gleichbleibendes, stationäres Druckniveau abzusenken, ein erstes Rail mit mindestens einem Kraftstoffinjektor zum direkten Einbringen des Kraftstoffs in einen Brennraum eines Motorzylinders, und ein zweites Rail mit mindestens einem Kraftstoffinjektor zum Einbringen des Kraftstoffs in einen Ansaugbereich des Motorzylinders. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Rail als auch das zweite Rail stromabwärts zu dem Druckregelventil angeordnet sind und jeweils ihren über ihren jeweiligen mindestens einen Kraftstoffinjektor abzugebenden Kraftstoff über das Druckregelventil beziehen.
  • Die Erfindung sieht die Implementierung eines einzigen bzw. gemeinsam genutzten Kraftstoffpfads vor, der die Möglichkeit bietet, den Kraftstoff in zwei Stufen mit unterschiedlichen und kontrollierten Druckniveaus auszustoßen, wie es für eine ordnungsgemäße Funktionalität erforderlich ist.
  • Dies ist vorteilhafter Weise möglich, weil der Einspritzdruck für die Direkteinspritzung in der Regel immer höher ist als der Einspritzdruck für die Saugrohreinspritzung. Dies ermöglicht eine kombinierte und kaskadierte Druckregelung.
  • Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik werden also nicht mehr zwei separate Kraftstoffzuführungssysteme bzw. Kraftstoffpfade genutzt, von denen ein erstes die Kraftstoffinjektoren für die Direkteinspritzung und ein zweites Kraftstoffeinspritzung für die Saugrohreinspritzung umsetzt.
  • Die Erfindung sieht vielmehr vor, dass mindestens eine Komponente für die unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzungen gemeinsam genutzt werden, wie sich bspw. durch die gemeinsame Nutzung des Druckregelventils zeigt.
  • Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Rail und das zweite Rail in Reihe zueinander angeordnet sind, sodass der Kraftstoff zum Erreichen des zweiten Rails zunächst durch das erste Rail hindurchströmen muss.
  • Durch die Reihenanordnung der beiden Rails ist es möglich, Verbindungsleitungen einzusparen und das Gewicht sowie die Herstellkosten der Vorrichtung zusätzlich abzusenken.
  • Weiter kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass stromaufwärts des zweiten Rails ein Durchflussregelventil angeordnet ist, um eine Druckvariation des in den zweiten Rail einströmenden Kraftstoffs zu ermöglichen, vorzugsweise wobei das Druckregelventil unmittelbar stromaufwärts zu dem zweiten Rail angeordnet ist.
  • Sind die beiden Rails in Reihe zueinander angeordnet, kann vorgesehen sein, dass stromaufwärts des zweiten Rails ein Durchflussregelventil vorgesehen ist, das zwischen dem ersten Rail und dem zweiten Rail angeordnet ist, um eine Druckvariation des in den zweiten Rail einströmenden Kraftstoffs zu ermöglichen.
  • Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da das erste Rail, welches die Injektoren für die Direkteinspritzung aufweist, mit einem konstanten Druck von Kraftstoff versorgt wird, der unabhängig von einem Betriebspunkt eines Motors ist. Anders verhält sich dies bei dem zweiten Rail, das die Injektoren für die Saugrohreinspritzung aufweist, da der Sollwert des Kraftstoffdrucks abhängig von der Maschinenlast und dem Betriebspunkt des mit dem Kraftstoff zu versorgenden Motors ist. Es ist daher von Vorteil, wenn ein Durchflussregelventil, das den Druck des Kraftstoffs variieren kann, stromaufwärts vor dem zweiten Rail, vorzugsweise direkt unmittelbar stromaufwärts vor dem zweiten Rail angeordnet ist, damit in Abhängigkeit des geforderten Solldrucks der Kraftstoffdruck für das zweite Rail angepasst werden kann. So ist ausgehend von dem Kraftstofftank zuerst das Druckregelventil, dann das erste Rail, dann das Durchflussregelventil und abschließend das zweite Rail in einer Reihe angeordnet. Es ergibt sich demnach nur ein Kraftstoff-Zuführungspfad, der gegenüber der Umsetzung mit zwei parallelen Pfaden deutlich weniger störanfällig ist.
  • Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Durchflussregelventil stromaufwärts zu dem ersten Rail vorgesehen ist, vorzugsweise wobei das Durchflussregelventil unmittelbar stromaufwärts zu dem ersten Rail angeordnet ist.
  • Ein Durchflussregelventil ist dabei in der Lage, den am Eingang des Durchflussregelventils herrschenden Druck des Kraftstoffs variabel auf einen Sollwert einzustellen. Dabei liegt der Sollwert typischerweise unterhalb des Eingangsdrucks, der am Eingang des Durchflussregelventils herrscht. Das schnelle Ändern des Drucks ermöglicht eine effiziente Einspritzung von Kraftstoff über die Kraftstoffinjektoren, sodass ein Brennvorgang möglichst optimal initiiert bzw. durchgeführt wird.
  • Ein Durchflussregelventil ist dabei ein Bauteil, welches aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung dazu in der Lage ist, den zugeführten Kraftstoff in seinem Druckniveau entsprechend der Ansteuersignale auf ein davon abweichendes Druckniveau abzusenken.
  • Durch das Vorsehen eines Durchflussregelventils stromaufwärts des ersten Rails ist es möglich, auch das erste Rail mit einem variablen Druckzustand des Kraftstoffs zu versorgen.
  • Nach einer vorteilhaften Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein erstes Durchflussregelventil stromaufwärts zu dem ersten Rail und ein zweites Durchflussregelventil stromaufwärts zu dem zweiten Rail vorgesehen ist, wobei vorzugsweise das erste Durchflussregelventil unmittelbar stromaufwärts zu dem ersten Rail und das zweite Durchflussregelventil unmittelbar stromaufwärts zu dem zweiten Rail angeordnet ist. Dadurch sind die beiden Rails, die in Reihe zueinander geschaltet sein können, unabhängig voneinander in Bezug auf den Sollwert des Kraftstoffs in dem jeweiligen Rail. Die Feinanpassung des gewünschten Sollwerts des Kraftstoffdrucks erfolgt dann in dem jeweiligen stromaufwärts angeordneten Durchflussregelventil für das stromabwärts angeordnete Rail.
  • Von Vorteil hierbei ist, dass das erste Rail zur Versorgung der Injektoreinheiten für die Direkteinspritzung einen höheren Druck des Kraftstoffs erfordert als das zweite Rail, welches die Injektoreinheiten für die Saugrohreinspritzung mit Kraftstoff versorgt.
  • Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kraftstofftank dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Füllstand mit einem variablen Druck abzugeben, vorzugsweise wobei der minimale Druckwert eines von dem Kraftstofftank abgegebenen Kraftstoffs das gleichbleibende, stationäre Druckniveau des Druckregelventils nicht unterschreitet. So kann mit einem Absinken des Füllstands in dem Tank auch der Ausgabedruck des Kraftstoffs aus dem Kraftstofftank absinken.
  • Nach der Erfindung kann zu dem vorgesehen sein, dass diese ferner eine Motorsteuereinheit umfasst, die mit einem Öffnungs- bzw. Schließmechanismus für die Kraftstoffinjektoren des ersten Rails und des zweiten Rails zu deren Steuerung verknüpft ist.
  • Die Motorsteuereinheit ist demnach dazu ausgelegt, den Öffnungs- und Schließzeitpunkt der mehreren Kraftstoffinjektoren des ersten Rails und des zweiten Rails zu koordinieren und umzusetzen.
  • Vorzugsweise kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Motorsteuereinheit mit dem mindestens einen Durchflussregelventil verknüpft ist, um das mindestens eine Durchflussregelventil zu steuern.
  • Die Motorsteuereinheit kann also demnach auch das Durchflussregelventil ansteuern, um den tatsächlich in dem ersten Rail und/oder dem zweiten Rail herrschenden Kraftstoffdruck zu variieren. Der Solldruck des Kraftstoffs hängt aber insbesondere auch vom Timing des Betriebs der Kraftstoffinjektoren des ersten Rails und/oder des zweiten Rails ab.
  • Weiter kann nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass sowohl das erste Rail und/oder das zweite Rail einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor zum Erfassen von Temperatur und/oder des in dem jeweiligen Rail herrschenden Drucks aufweist.
  • Vorzugsweise ist die Motorsteuereinheit mit dem Temperatursensor und/oder dem Drucksensor des ersten Rails bzw. des zweiten Rails verknüpft, um in Abhängigkeit davon die Kraftstoffinjektoren des ersten Rails und des zweiten Rails und/oder das mindestens eine Durchflussregelventil anzusteuern.
  • Die Informationen über die Temperatur und den Druckwert in dem ersten Rail und/oder dem zweiten Rail dienen ebenfalls dazu, dass Durchflussregelventil bzw. das Timing im Betrieb der Kraftstoffinjektoren anzupassen, um eine optimale Versorgung der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff bereitzustellen.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Gasmotor, der eine Verkörperung einer Brennkraftmaschine darstellt, mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in den Gasmotor nach einer der vorstehenden Varianten.
  • Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Gasmotor mit einem Brennraum, in dem eine Entzündung eines darin eingebrachten Kraftstoffs zu einer Bewegung eines Kolbens führt, und einem Ansaugbereich zum Einbringen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum versehen ist.
  • In anderen Worten ist also der mindestens eine Kraftstoffinjektor des ersten Rails so angeordnet, dass dieser dazu ausgelegt ist, Kraftstoff direkt in den Brennraum des Gasmotors einzubringen. Der mindestens eine Kraftstoffinjektor des zweiten Rails ist hingegen an einer anderen Stelle des Gasmotors angeordnet und bringt Kraftstoff in einen Ansaugbereich der Brennkammer ein. So wird bereits während eines Ansaugens von Luft (während des Ansaugtakts des Gasmotors) über den mindestens einen Kraftstoffinjektor des zweiten Rails Kraftstoff abgegeben, sodass sich der abgegebene Kraftstoff im Ansaugbereich bereits mit Luft mischt und dann durch die Ansaugbewegung in den Brennraum eingesogen wird.
  • Da bspw. das so eingesogene Luft-Brennstoff-Gemisch nicht mit der gewünschten Qualität entflammbar ist (da bspw. die Mischung zu mager ist), kann während der Kompressionsphase oder kurz danach über den Kraftstoffinjektor des ersten Rails eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erfolgen, die sehr viel besser entzündbar (eventuell auch nur lokal in dem Brennraum) als das zuvor über den Ansaugbereich eingesogene Luft-Brennstoff-Gemisch ist. Durch das Entflammen des sehr viel satteren mittels der Direkteinspritzung erhaltenen Gemisches, kann sich eine gleichmäßige Flammenfront ausbilden, die zu einem guten Verbrennen des in den Brennraum eingeführten Kraftstoffs führt.
  • Dabei ist von der Erfindung auch umfasst, dass der Kraftstoff, welcher über die Direkteinspritzung in die Brennkammer eingeführt wird, in eine Vorkammer des Gasmotors eingeführt wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kraftstoffinjektor des ersten Rails und der mindestens eine Kraftstoffinjektor des zweiten Rails jeweils dazu ausgelegt sind, im Betrieb des Motors, insbesondere während eines mehrere Motortakte umfassenden Arbeitszyklus des Motors, Kraftstoff abzugeben, vorzugsweise derart, dass in den Brennraum des Motors über den mindestens einen Kraftstoffinjektor des ersten Rails direkt Kraftstoff eingeführt wird, sodass ein Kraftstoff direkt in den Brennraum des Motors einführbar ist, und über den mindestens einen Kraftstoffinjektor des zweiten Rails eine Einspritzung von Kraftstoff in den Ansaugbereich erfolgt, sodass eine Kraftstoff-Luft-Mischung während des Ansaugtakts des Motors in den Brennraum einführbar ist.
  • Nach der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass die Motorsteuereinheit dazu ausgelegt ist, das Einführen von Kraftstoff über den mindestens einen Kraftstoffinjektor des ersten Rails während eines Kompressionstaktes des Motors und/oder das Einführen von Kraftstoff über den mindestens einen Kraftstoffinjektor des zweiten Rails während eines Ansaugtakts des Motors durchzuführen.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
    • 1: eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach dem Stand der Technik,
    • 2: eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach der Erfindung,
    • 3: eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach einer weiteren Ausführungsform,
    • 4: eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach einer weiteren Ausführungsform, und
    • 5: eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach einer weiteren Ausführungsform.
  • 1 zeigt dabei eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach dem Stand der Technik.
  • Man erkennt, dass sowohl das erste Rail 4 wie auch das zweite Rail 5 jeweils einen separaten Zuführpfad für Kraftstoff aufweisen, der jeweils separat für sich genommen zum Kraftstofftank 2 führt. Hieraus ergeben sich gerade in Bezug auf die Notwendigkeit mehrerer Komponenten erhebliche Nachteile, da auch der von den mehreren Komponenten in Anspruch genommene Bauraum großvolumig zu dimensionieren ist.
  • 2 zeigt eine Strukturdarstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor nach der vorliegenden Erfindung.
  • Man erkennt, dass gegenüber dem in 1 dargestellten Stand der Technik deutlich weniger Bauteile erforderlich sind, da das erste Rail 4 und das zweite Rail 5 in Reihe zueinander geschaltet sind.
  • Der in einem Kraftstofftank 2 gespeicherte Kraftstoff, der bei Umgebungsdruck einen gasförmigen Zustand einnimmt (bspw. LNG, CNG oder H2) wird somit sowohl für das erste Rail 4 wie auch das zweite Rail 5 über das gleiche Druckregelventil 3 geführt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform entspricht der Ausgangsdruck am Ausgang des Druckregelventils 3 dem Solldruck für das erste Rail 4, das für eine Direkteinspritzung in einem Brennraum eines Gasmotors dient. So sind an dem ersten Rail 4 mehrere Kraftstoffinjektoren 6 vorgesehen, die über Steuerbefehle einer Motorsteuereinheit 10 den Kraftstoff zu einem entsprechenden Zeitpunkt und für eine bestimmte Dauer in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine direkt Einspritzen.
  • Als Brennraum kann nach der Erfindung auch eine Vorkammer angesehen werden, die fluidisch mit einem Hauptbrennraum des Gasmotors verbunden ist
  • In Reihe dazu ist weiter stromabwärts das zweite Rail 5 angeordnet, sodass Kraftstoff, der in das zweite Rail 5 eingeführt wird, bereits durch das Druckregelventil 3 und das erste Rail 4 geströmt ist. Die an dem zweiten Rail 5 angeordneten Kraftstoffinjektoren 7 dienen dazu, Kraftstoff in einen Ansaugbereich (bspw. ein Saugrohr einer Brennkammer eines Gasmotors einzuführen, damit dieser sich bereits vor einer Brennkammer mit angesaugter Luft vermischen kann, bevor das Luft-Brennstoff-Gemisch vorzugsweise während eines Ansaugtakts des Motors in den Brennraum eingesaugt wird.
  • Um einen vom Druckregelventil 3 variierenden Druck in dem zweiten Rail 5 erreichen zu können, ist zwischen dem ersten Rail 4 und dem zweiten Rail 5 ein Durchflussregelventil 8 vorgesehen, das von der Motorsteuereinheit 10 angesteuert werden kann, um einen entsprechenden Soll-Druckwert des in das zweite Rail 5 einströmenden Kraftstoffs einzustellen. In der Regel ist es so, dass das zweite Rail 5, das für die Saugrohreinspritzung herangezogen wird, einen Kraftstoff mit niedrigerem Druck erfordert wie das erste Rail 5, welches für die Direkteinspritzung in den Brennraum eines Gasmotors herangezogen wird.
  • Der in Abhängigkeit von dem Füllstandsniveau des Kraftstofftanks 2 variable Druck am Ausgang des Kraftstofftank 2 wird über das Druckregelventil 3 über bspw. eine mechanische Druckregeleinheit auf einen konstanten Druckwert herab geregelt. Dieser konstante Druckwert ist ausreichend hoch, damit die Kraftstoffinjektoren 6 an dem ersten Rail 4 ihre Aufgabe zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs übernehmen können. Dabei wird eine Pilotmenge, die über einen Zündfunken entzündet wird, in den Brennraum direkt injiziert. Sowohl die Pilotmenge an einzuspritzenden Kraftstoff wie auch der dabei erforderliche Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs sind im Wesentlichen konstant und unabhängig von einer Arbeitslast des mit Kraftstoff zu versorgenden Gasmotors.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind etwaige Sicherheits- und Servoventile in sämtlichen Figuren nicht dargestellt. Dem Fachmann ist aber bewusst, dass diese vorteilhafter Weise vorgesehen werden können, um einen sicheren Betrieb gewährleisten zu können.
  • Der von dem ersten Rail 4 nicht injizierte, sondern weitergereichte Kraftstoff wird dann mithilfe eines Durchflussregelventils 8 in einen Kraftstoff mit variablem Druck gewandelt, der je nach Anforderung mit einem unterschiedlichen Druck bereitgestellt wird. Die Injektionsmenge ist genau wie der Solldruck des Kraftstoffs zeitabhängig zu variieren, wobei dies unter anderem von der aktuellen Arbeitslast und der gewünschten Motorleistung des mit Kraftstoff zu beschickenden Gasmotors abhängt.
  • Das Durchflussregelventil 8 passt dabei den Druckwert des Kraftstoffs an den gewünschten Sollwert an, falls dieser hiervon abweichen sollte. Da in der Regel der erforderliche Druckwert für die Kraftstoffinjektoren 7 des zweiten Rails 5 niedriger liegt als für die Kraftstoffinjektoren 6 des ersten Rails 4, ist das Durchflussregelventil 8 ein variabler Druckminderer. Gesteuert wird das Durchflussregelventil 8 ebenfalls über die Motorsteuereinheit 10, die auch die Kraftstoffinjektoren 7 des zweiten Rails 5 in Bezug auf die auszugebende Menge an Kraftstoff und das Timing der Einspritzung ansteuert.
  • 3 zeigt eine weitere Modifikation der grundlegenden Erfindungsidee, bei der nun in Abweichung zu 2 auch das erste Rail 4 ein stromaufwärts angeordnetes Durchflussregelventil 9 aufweist. Dies ermöglicht es auch den Druck des Kraftstoffs in dem ersten Rail 4 zu variieren, damit auch die Direkteinspritzung bei unterschiedlichen Druckverhältnissen des einzuspritzenden Kraftstoffs erfolgen kann.
  • 4 zeigt eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung bei dem das erste Rail 4 und das zweite Rail 5 nicht mehr in Reihe hintereinandergeschaltet sind, sondern gemeinsam nur noch das Druckregelventil 3 verwenden. Stromabwärts des Druckregelventils 3 teilt sich der Pfad zum Führen des Kraftstoffs auf und verläuft dann entweder zu dem ersten Rail 4 oder zu dem zweiten Rail 5. Bevor der Kraftstoff zu einem jeweiligen Rail 4, 5 kommt, durchströmt es aber dabei noch ein jeweiliges Durchflussregelventil 8, 9, das eine Variation des Kraftstoffdrucks auf das nachfolgend angeordnete Rail 4, 5 ermöglicht. Jedes der Durchflussregelventile 8, 9 wird dabei durch die Motorsteuereinheit 10 gesteuert. Die parallele Anordnung von dem ersten Rail 4 und dem zweiten Rail 5 ist gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der gemeinsamen Nutzung des Druckregelventils 3 von Vorteil. Zudem werden auch stromabwärts des Druckregelventils 3 Leitungsabschnitte gemeinsam genutzt, sodass auch hier ein vorteilhafter Effekt in Bezug auf die Kosten und den beanspruchten Platz erreichbar ist.
  • 5 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Systems, die in ihrer Grundstruktur auf die vorhergehende 4 zurückgeht. In Abweichung dazu wird dort das zweite Rail 5, welches für die Saugrohreinspritzung genutzt wird, mit konstantem Kraftstoffdruck beaufschlagt, nämlich mit einem Kraftstoffdruck wie er von dem Druckregelventil 3, das ein mechanisches Druckregelventil sein kann, bereitgestellt wird. Das erste Rail 5 hingegen besitzt ein Durchflussregelventil, welches stromaufwärts des ersten Rails 4 angeordnet ist aber nicht in einem gemeinsamen Kraftstoffpfad angeordnet ist, durch welchen sowohl das erste Rail 4 wie auch das zweite Rail 5 mit Kraftstoff versorgt wird.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der besseren Kosteneffizienz, der geringeren Packungsdichte, einer verbesserten Sicherheitsstruktur, einer höheren Verlässlichkeit und einem verbesserten Ansprechverhalten.
  • Dem Fachmann ist klar, dass das vorgestellte Konzept auf alle Verbrennungskraftmaschinen übertragbar ist, bei der sowohl eine Saugrohreinspritzung wie auch eine Direkteinspritzung erfolgt, die auf unterschiedlichen Druckniveaus basieren können. Beispiele hierfür sind Schwerlastmotoren für mobile Arbeitsmaschinen, die eine hohe Leistungsdichte und hohe dynamische Anforderungen besitzen. Zudem würde sich die vorliegende Erfindung auch hervorragend für große Motoren eignen, die typischerweise im Minenbau Verwendung finden.
  • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Vorrichtung zum Einbringen eines Kraftstoffs in einem Gasmotor
    2
    Kraftstofftank
    3
    Druckregelventil
    4
    erstes Rail für Direkteinspritzung
    5
    zweites Rail für Saugrohreinspritzung
    6
    Kraftstoffinjektor des ersten Rails
    7
    Kraftstoffinjektor des zweiten Rails
    8
    Durchflussregelventil
    9
    Durchflussregelventil
    10
    Motorsteuereinheit
    11
    Temperatursensor
    12
    Drucksensor

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zum Einbringen eines Kraftstoffs in einen Gasmotor, umfassend: einen Kraftstofftank (2), der den Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, vorzugsweise mit mehr als 5 bar, bevorzugterweise mit mehr als 7 bar speichert, ein stromabwärts zum Kraftstofftank (2) angeordnetes Druckregelventil (3), das dazu ausgelegt ist, den von dem Kraftstofftank (2) stammenden Kraftstoff auf ein gleichbleibendes, stationäres Druckniveau abzusenken, ein erstes Rail (4) mit mindestens einem Kraftstoffinjektor (6) zum direkten Einbringen des Kraftstoffs in einen Brennraum eines Motorzylinders, und ein zweites Rail (5) mit mindestens einem Kraftstoffinjektor (7) zum Einbringen des Kraftstoffs in einen Ansaugbereich des Motorzylinders, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Rail (4) als auch das zweite Rail (5) stromabwärts zu dem Druckregelventil (3) angeordnet sind und jeweils ihren über ihren jeweiligen mindestens einen Kraftstoffinjektor (6, 7) abzugebenden Kraftstoff über das Druckregelventil (3) beziehen.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Rail (4) und das zweite Rail (5) in Reihe zueinander angeordnet sind, sodass der Kraftstoff zum Erreichen des zweiten Rails (5) zunächst durch das erste Rail (4) hindurchströmen muss.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromaufwärts des zweiten Rails (5) ein Durchflussregelventil (8; 9) angeordnet ist, um eine Druckvariation des in den zweiten Rail (5) einströmenden Kraftstoffs zu ermöglichen, vorzugsweise wobei das Durchflussregelventil (8) unmittelbar stromaufwärts zu dem zweiten Rail (5) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei stromaufwärts des zweiten Rails (5) ein Durchflussregelventil (8) vorgesehen ist, das zwischen dem ersten Rail (4) und dem zweiten Rail (5) angeordnet ist, um eine Druckvariation des in den zweiten Rail (5) einströmenden Kraftstoffs zu ermöglichen.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Durchflussregelventil (9) stromaufwärts zu dem ersten Rail (4) vorgesehen ist, vorzugsweise wobei das Durchflussregelventil (9) unmittelbar stromaufwärts zu dem ersten Rail (4) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Durchflussregelventil (9) stromaufwärts zu dem ersten Rail (4) und ein zweites Durchflussregelventil (8) stromaufwärts zu dem zweiten Rail (5) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise das erste Durchflussregelventil (9) unmittelbar stromaufwärts zu dem ersten Rail (4) und das zweite Durchflussregelventil (8) unmittelbar stromaufwärts zu dem zweiten Rail (5) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstofftank (2) dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Füllstand mit einem variablen Druck abzugeben, vorzugsweise wobei der minimale Druckwert eines von dem Kraftstofftank (2) abgegebenen Kraftstoffs das gleichbleibende, stationäre Druckniveau des Druckregelventils (3) nicht unterschreitet.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Motorsteuereinheit (10), die mit einem Öffnungs- bzw. Schließmechanismus für die Kraftstoffinjektoren (6) des ersten Rails (4) und des zweiten Rails (5) zu deren Steuerung verknüpft ist.
  9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, fortgebildet mit den Merkmalen des Anspruchs 3, 4, 5 und/oder 6, wobei die Motorsteuereinheit (10) mit dem mindestens einen Durchflussregelventil (8; 9) verknüpft ist, um das mindestens eine Durchflussregelventil (8; 9) zu steuern.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl das erste Rail (4) und/oder das zweite Rail (5) einen Temperatursensor (11) und/oder einen Drucksensor (12) zum Erfassen von Temperatur und/oder des in dem jeweiligen Rail (4, 5) herrschenden Drucks aufweist.
  11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, fortgebildet mit den Merkmalen des Anspruchs 10, wobei die Motorsteuereinheit (10) mit dem Temperatursensor (11) und/oder dem Drucksensor (12) des ersten Rails (4) bzw. des zweiten Rails (5) verknüpft ist, um in Abhängigkeit davon die Kraftstoffinjektoren (6) des ersten Rails (4) und des zweiten Rails (5) und/oder das mindestens eine Durchflussregelventil (8; 9) anzusteuern.
  12. Gasmotor mit einer Vorrichtung (1) zum Zuführen von Kraftstoff in den Gasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Gasmotor nach dem vorhergehenden Anspruch 12, mit einem Brennraum, in dem eine Entzündung eines darin eingebrachten Kraftstoffs zu einer Bewegung eines Kolbens führt, und einem Ansaugbereich zum Einbringen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum.
  14. Gasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei der mindestens eine Kraftstoffinjektor (6) des ersten Rails (4) und der mindestens eine Kraftstoffinjektor (7) des zweiten Rails (5) jeweils dazu ausgelegt sind, im Betrieb des Motors, insbesondere während eines mehrere Motortakte umfassenden Arbeitszyklus des Motors, Kraftstoff abzugeben, vorzugsweise derart, dass in den Brennraum des Motors über den mindestens einen Kraftstoffinjektor (6) des ersten Rails (4) direkt Kraftstoff eingeführt wird, sodass ein Kraftstoff direkt in den Brennraum des Motors einführbar ist, und über den mindestens einen Kraftstoffinjektor (7) des zweiten Rails (5) eine Einspritzung von Kraftstoff in den Ansaugbereich erfolgt, sodass eine Kraftstoff-Luft-Mischung während des Ansaugtakts des Motors in den Brennraum einführbar ist.
  15. Gasmotor nach dem vorhergehenden Anspruch 14, fortgebildet mit den Merkmalen des Anspruchs 8, wobei die Motorsteuereinheit (10) dazu ausgelegt ist, das Einführen von Kraftstoff über den mindestens einen Kraftstoffinjektor (6) des ersten Rails (4) während eines Kompressionstaktes des Motors und das Einführen von Kraftstoff über den mindestens einen Kraftstoffinjektor (7) des zweiten Rails (5) während eines Ansaugtakts des Motors durchzuführen.
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