DE10310147A1

DE10310147A1 - Verfahren zum Zuführen von Flüssiggas zu einer Brennkraftmaschine, Kraftstoffversorgungssystem sowie Kraftstoffzufuhraggregat

Info

Publication number: DE10310147A1
Application number: DE10310147A
Authority: DE
Inventors: Paul Uitenbroek
Original assignee: GET Gas Engine Tech BV
Current assignee: PAUL UITENBROEK HOLDING B.V., NL
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: US6953029B2; KR20040079319A; DE10310147B9; KR101133015B1; US20040173191A1; DE10310147B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Zuführen von Flüssiggas als Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine wird aus dem wenigstens einen Flüssiggaseinspritzventil 6 der Brennkraftmaschine 8 zugeführten Flüssiggasstrom ein Teil abgezweigt und expandiert. Der der Brennkraftmaschine zugeführte Flüssiggasstrom wird durch die beim Expandieren entstehende Kälte abgekühlt, so dass gewährleistet ist, dass der dem Flüssiggaseinspritzventil zugeführte Flüssiggasstrom zumindest weitgehend flüssig ist. Das expandierte Flüssiggas der Brennkraftmaschine wird in dampfförmigem Zustand zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen von Flüssiggas als Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Flüssiggas betriebene Brennkraftmaschine sowie ein Kraftstoffzufuhraggregat für ein solches Kraftstoffversorgungssystem.
Mit Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen finden insbesondere wegen der gegenüber konventionellen, fossilen flüssigen Kraftstoffen besseren Umweltverträglichkeit zunehmend Verwendung. Unter Flüssiggas wird im Folgenden verflüssigtes Gas, beispielsweise Liquid Natural Gas oder Liquid Petroleum Gas verstanden, das sind vor allem auf Kohlenwasserstoffen basierende Gase, die unter höherem als Atmosphärendruck und/oder unter niedrigerer als der normalen Umgebungstemperatur liegender Temperatur flüssig sind.

Bei der Zufuhr solcher Flüssiggase zu den Gemischbildungssystemen von Verbrennungsmotoren, die im Allgemeinen über gezielt angesteuerte Einspritzventile erfolgt, tritt das Problem auf, dass sich in der Flüssiggaszufuhrleitung Dampfblasen bilden, die beispielsweise auftreten, wenn bei Öffnung des Einspritzventils der Systemdruck unter den Druck absinkt, bei dem das Flüssiggas bei der vorhandenen Temperatur flüssig ist. Die Blasen aus verdampftem Flüssiggas bilden mit der flüssigen Phase des flüssigen Gases eine Zwei-Phasen-Strömung, die nur schwer oder kaum genau dosierbar ist, da während einer vorgegebenen Einspritzzeitdauer je nach Dampf- und Flüssiggehalt die Masse des Flüssiggases unterschiedlich ist. Zur Lösung dieses Problems wird im Stand der Technik vorgesehen, den Systemdruck deutlich über den Zwei-Phasen-Gleichgewichtsdruck zu erhöhen, wodurch die Dampfblasenbildung verhindert wird und der Kraftstoff vollständig in der flüssigen Phase bleibt. Mit einer Erhöhung des Systemdrucks ist ein erheblicher technischer Aufwand für die Pumpe verbunden, da Flüssiggas schlechte Schmiereigenschaften besitzt. Außerdem muss das Kraftstoffsystem über eine Rücklaufleitung verfügen, da bei geringen Kraftstoffdurchsätzen die durch die Pumpe bewirkte Druckerhöhung nicht ausreicht, um die erwärmungsbedingte Neigung zu Dampfblasenbildung zu kompensieren.

Eine wichtige Eigenschaft der Flüssiggaseinspritzung besteht darin, dass die im flüssigen Zustand eingespritzte Kraftstoffmasse bei ihrer Verdampfung rasch Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann. Dies verhilft dem Motor, wenn er unter hoher Last läuft, zu verbesserter Füllung, da die durch die Abkühlung erzielten niedrigeren Ansaugtemperaturen bzw. die erhöhte Gemischdichte die je Zyklus angesaugte Gemischmasse vergrößern. Zusätzlich wird durch die Abkühlung der Abstand zur Klopfgrenze vergrößert. Bei Teillast hat die geschilderte Eigenschaft den Nachteil, dass infolge der erhöhten Gemischdichte und/oder der niedrigeren Ansaugtemperatur stärker gedrosselt werden muss, was zu Ansaugverlusten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abhilfe für die vorstehend geschilderten Probleme zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Demnach wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der zu dosierende Flüssiggasmassenstrom elektronisch gesteuert in einen gas- bzw. dampfförmigen und einen flüssigen Teilmassenstrom aufgeteilt. Die für die Erzeugung des gasförmigen Teilmassenstroms benötigte Verdampfungsenthalpie wird dabei dem flüssigen Teilmassenstrom entzogen. Die damit verbundene Temperaturabsenkung verhindert die Entstehung von Dampfblasen in der Flüssiggasströmung und damit auch die vorstehend geschilderten Dosierungsprobleme infolge einer Zwei-Phasen-Strömung. Die elektronisch geregelte Aufteilung des Kraftstoffmassenstroms ermöglicht weiter bei Teillastbetrieb des Motors einen größeren Prozentsatz (bis zu 100 %) dem Motor gasförmig zuzuführen und bei Volllast einen größeren Prozentsatz in flüssiger Phase zuzuführen. Hierdurch werden bei geringer Last die Drosselverluste vermindert und an der Volllast die Füllung vergrößert.

Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.

Der Anspruch 6 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau eines Kraftstoffversorgungssystems zur Lösung der Erfindungsaufgabe.

Das System gemäß dem Anspruch 6 wird mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 11 in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Der Anspruch 12 ist auf ein Kraftstoffzufuhrsystem für das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem gerichtet, mit der die Erfindung in kostengünstiger Weise an jedem mit Flüssiggas betriebenen Motor applizierbar ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems und
2 schematisch ein Kraftstoffzufuhraggregat.
Gemäß 1 ist ein fahrzeugfester, an sich bekannter Flüssiggastank 2 über eine Flüssiggasleitung 3, 4 mit Flüssiggaseinspritzventilen 6 verbunden, die in einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine 8 zugeordneten Saugrohren angeordnet sind. Die Flüssiggasleitung 3, 4 führt durch einen Kühlungswärmetauscher 10 hindurch. Dem Kühlungswärmetauscher 10 ist eine Expansionseinrichtung 12 zugeordnet, die über eine strömungsabwärts des Kühlungswärmetauschers von der Flüssiggasleitung 4 abzweigende Zweigleitung 14 mit der Flüssiggasleitung 4 verbunden ist. Vom Kühlungswärmetauscher führt eine Dampfleitung 16 durch einen Heizungswärmetauscher 18 hindurch in einen Pufferbehälter 20 und von dort zu einer Dampfzufuhreinrichtung 22, die strömungsoberhalb einer Drosselklappe 24 in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine 8 führt.
Der Heizungswärmetauscher 18 ist über eine Zulaufleitung 26 und eine Ablaufleitung 28 mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine 8 verbunden.
Das im Flüssiggastank 2 befindliche, den Kraftstoff für die Brennkraftmaschine 8 bildende Flüssiggas ist mittels einer Temperiereinrichtung 30 temperierbar, insbesondere aufheizbar, um einen erforderlichen Systemdruck in der Flüssiggasleitung 4 zu gewährleisten.
Zur Steuerung der Temperiereinrichtung 30, der Expansionseinrichtung 12, der Flüssiggaseinspritzventile 6 und/oder der Dampfzufuhreinrichtung 22 ist ein in an sich bekannter Weise einen Mikroprozessor mit zugehöriger Programm- und Datenspeichereinrichtung enthaltendes elektronisches Steuergerät 32 vorgesehen, dem als Eingangsgrößen von entsprechenden, nicht dargestellten Sensoren der Druck und die Temperatur des Dampfes in dem Pufferbehälter 20, der Druck und die Temperatur im Saugrohr der Brennkraftmaschine 8 stromabwärts der Drosselklappe 24, der Druck und die Temperatur des in der Flüssiggasleitung 4 befindlichen Flüssiggases, bevorzugt möglichst nahe vor dem Saugrohr der Brennkraftmaschine 8 gemessen, zugeführt werden. Es versteht sich, dass dem Steuergerät 32 weitere Größen, wie die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Kühlwassertemperatur usw. zugeführt werden können. Anhand der Eingangsgrößen werden im Steuergerät 32 Größen errechnet, die die Leistung bestimmen, die der Temperiereinrichtung 30 zugeführt wird, die Funktion der Expansionseinrichtung 12 und/oder der Dampfzufuhreinrichtung 22, sowie die Einspritzzeitdauern und vorteilhafterweise deren Phase relativ zur Stellung der Kolben der Flüssiggaseinspritzventile 6.
Die Funktion des beschriebenen Systems ist folgende:
Durch die Temperierung des Flüssiggases im Tank 2 mittels der Temperiereinrichtung 30 ist sichergestellt, dass in der Flüssiggasleitung 4 jeweils ein vorbestimmter Systemdruck verfügbar ist. Die von der Flüssiggasströmung in der Leitung 4 durch die Zweigleitung 14 hindurch abgezweigte Flüssiggasströmung verdampft nach Durchströmen der Expansionseinrichtung 12, wobei die notwendige Verdampfungsenthalpie der durch die Flüssiggasleitung 4 strömenden Flüssiggasströmung entzogen wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass zu den Flüssiggaseinspritzventilen 6 nur oder zumindest im Wesentlichen nur flüssiger Kraftstoff gelangt. Dadurch, dass die Zweigleitung 14 stromabwärts des Kühlungswärmetauschers 10 von der Leitung 4 abzweigt, ist sichergestellt, dass der Expansionseinrichtung 12 im Wesentlichen nur flüssiges Gas zugeführt wird, werden für die Expansionseinrichtung wohl definierte Betriebsbedingungen erzielt. Der expandierte Flüssigdampf, der den Kühlungswärmetauscher 10 durch die Dampfleitung 16 hindurch verlässt, wird im Heizungswärmetauscher 18 weiter erwärmt, so dass sichergestellt ist, dass sich in einem Pufferbehälter 20 auch bei erneuter Druckzunahme nur dampfförmiger Kraftstoff befindet. Dieser dampfförmige Kraftstoff wird durch die Dampfzufuhreinrichtung 22 hindurch der Brennkraftmaschine zugeführt. Die Gesamtmasse des der Brennkraftmaschine 8 zugeführten Kraftstoffs, die von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Stellung der Drosselklappe 24 abhängt, wird je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine durch entsprechende Ansteuerung der Flüssiggaseinspritzventile 6 und der Expansionseinrichtung 12 sowie ggf. der Dampfzufuhreinrichtung 22 in flüssiger oder dampfförmiger Form zugeführt, wobei mit zunehmender Last der Anteil des flüssig zugeführten Kraftstoffes zunimmt.
Die Steuerung des der Brennkraftmaschine 8 zugeführten verdampften Flüssiggases erfolgt bevorzugt in zwei Ausführungen:
Bei der ersten Ausführung ist die Expansionseinrichtung 12 durch ein von dem Steuergerät 32 angesteuertes Taktventil gebildet, das derart angesteuert wird, dass sich im Pufferbehälter 20 ein von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängiger Gasdruck einstellt. Die Dampfzufuhreinrichtung 22 ist in diesem Fall ein Zumischventil mit konstanter Öffnung, so dass die Menge des in die Brennkraftmaschine gelangenden Gases in hohem Maße durch den Druck im Pufferbehälter 20 gegeben ist.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die Expansionseinrichtung 12 durch ein Druckregelventil gegeben, beispielsweise ein einfaches Membranventil, so dass sich im Pufferbehälter 20 ein konstanter Dampf- bzw. Gasdruck einstellt. Die Dosierung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gases erfolgt über die Dampfzufuhreinrichtung 22, die als ein elektrisch steuerbares Ventil ausgebildet ist, dessen effektiver Durchströmquerschnitt vom Steuergerät 32 gesteuert wird.
Es versteht sich, dass auch kombinierte Steuerungen verwendet werden können, bei denen sowohl der Druck im Pufferbehälter über die vom Steuergerät 32 gesteuerte Expansionseinrichtung (getaktet oder proportional steuerbares Ventil) veränderbar ist, als auch der effektive Durchströmquerschnitt der Dampfzufuhreinrichtung 22 vom Steuergerät 32 her veränderbar ist. Beispielsweise kann die Expansionseinrichtung 12 als eine elektrisch steuerbare Druckregeleinrichtung ausgebildet sein. Die Dampfzufuhreinrichtung 22 kann als Dosierventil mit veränderbarem Querschnitt oder konstantem Querschnitt, der getaktet geöffnet und geschlossen wird, ausgebildet sein.
Das beschriebene System kann in unterschiedlichster Weise abgeändert werden.
Der Druck in der Flüssiggasleitung 3 muss mittels der Temperiereinrichtung 30 nicht zwingend auf einen vorbestimmten Druck geregelt werden. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass der Druck in der Leitung 3 mindestens so hoch ist, wie für die einwandfreie Funktion der nachgeschalteten Bauelemente erforderlich, beispielsweise wie es für den Mindestvordruck eines Taktventils erforderlich ist, wenn die Expansionseinrichtung 12 als Taktventil ausgebildet ist oder für den Fall, dass die Expansionseinrichtung nicht elektrisch angesteuert wird, es für einen ausreichenden Druck im Pufferbehälter 20 erforderlich ist. Es versteht sich, dass auch die Flüssiggaseinspritzventile 6 einen vorbestimmten Mindestdruck erfordern.
Der Heizungswärmetauscher 18 kann im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 8 zusätzlich elektrisch beheizt werden. Weiter kann im Heizungswärmetauscher 18 zusätzlich zur Energie des Kühlwassers die des Abgases zum Aufheizen des Flüssiggasdampfes verwendet werden.
Der Pufferbehälter 20 ist nicht zwingend erforderlich. Er hat jedoch den Vorteil, dass jeweils ein ausreichendes Volumen an Flüssiggasdampf verfügbar ist und sich der Druck des Dampfes nicht bei jeder kurzzeitigen Änderung des Durchströmquerschnitts der Expansionseinrichtung 12 oder der Dampfeinblaseinrichtung 22 sprungartig ändert.
Die Zweigleitung 14 kann strömungsoberhalb des Kühlungswärmetauschers 10 von der Flüssiggasleitung 4 abzweigen. Die Flüssiggaseinspritzventile 6 müssen nicht zwangsläufig jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 8 einzeln zugeordnet sein. Umgekehrt können jedem Zylinder zugeordnete Dampfzufuhreinrichtungen 22 vorgesehen sein. Die Dampfzufuhreinrichtung kann bei entsprechender Ansteuerung der Dampfzufuhreinrichtung 22 strömungsabwärts der Drosselklappe 24 vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass das beschriebene System auch für Brennkraftmaschinen geeignet ist, deren Laststeuerung ohne eine Drosselklappe 24 oder ein ähnliches Drosselventil erfolgt.
Die beschriebenen Bauteile sind vorteilhafterweise innerhalb eines Gehäuses zu einem kompakten Aggregat zusammengefasst, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist. Ein Gehäuse 40 weist Anschlüsse 42, 44, 46, 48 und 50 zum Anschluss der Flüssiggaszuleitung 3, der Flüssiggasableitung 4, der Dampfleitung 16, der Zulaufleitung 26 für Kühlwasser und der Ablaufleitung 28 für Kühlwasser auf. Innerhalb des Gehäuses 40 sind der Kühlungswärmetauscher 10 und der Heizungswärmetauscher 18 angeordnet. Oberhalb des Kühlungswärmetauschers 10 weist das Gehäuse 40 einen Sitz 52 zum Einsetzen der Expansionseinrichtung 12 auf, beispielsweise eines Expansionsventils, dessen Auslassdüse 54 in seinem eingebauten Zustand in einen Kanal 56 des Kühlungswärmetauschers 10 einragt. Das verdampfte bzw. gasförmige Flüssiggas durchströmt den Kühlungswärmetauscher 10 und anschließend den Heizungswärmetauscher 18 und verlässt das Aggregat durch den Anschluss 46. Das dem Anschluss 42 zugeführte Flüssiggas durchströmt den Kühlungswärmetauscher 10 im Gegenstrom und verlässt das Aggregat durch den Anschluss 44. Das in den Sitz 52 eingesetzte Expansionsventil 12 wird von dem gekühlten Flüssiggas nach dessen Durchströmung durch den Kühlungswärmetauscher 10 durch eine im Sitz ausgebildete und mit einer entsprechenden seitlichen Öffnung des Expansionsventils 12 fluchtende Öffnung hindurch mit gekühltem Flüssiggas gespeist. Mit 58 ist ein elektrischer Anschluss des Expansionsventils 12 bezeichnet, der mit dem Steuergerät 32 verbindbar ist.
Das Gehäuse 40 ist vorteilhafterweise zweiteilig aufgebaut und besteht in seinem oberen Teil mit den Anschlüssen 42 und 44 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise Kunststoff, und in seinem unteren, die Wärmetauscher enthaltenden Teil aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Al.
Das in 2 dargestellte Aggregat, das ein Kraftstoffversorgungsmodul bildet, enthält vorteilhafterweise nicht dargestellte Sensoren sowie ggf. Aktoren zum Erfassen der jeweiligen Betriebsparameter und zum Verstellen steuerbarer Größen, beispielsweise die Öffnung des Expansionsventils 12.
Es versteht sich, dass auch der Pufferbehälter 20 und die Dampfzufuhreinrichtung 22 in das Aggregat bzw. Gehäuse 40 integriert sein kann.

2: Flüssiggastank
3: Flüssiggasleitung
4: Flüssiggasleitung
6: Flüssiggaseinspritzventil
8: Brennkraftmaschine
10: Kühlungswärmetauscher
12: Expansionseinrichtung
14: Zweigleitung
16: Dampfleitung
18: Heizungswärmetauscher
20: Pufferbehälter
22: Dampfzufuhreinrichtung
24: Drosselklappe
26: Zulaufleitung
28: Ablaufleitung
30: Temperiereinrichtung
32: Steuergerät
40: Gehäuse
42: Anschluss
44: Anschluss
46: Anschluss
48: Anschluss
50: Anschluss
52: Sitz
54: Auslassdüse
56: Kanal
58: Anschluss

Claims

Verfahren zum Zuführen von Flüssiggas als Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine, bei welchem Verfahren aus dem wenigstens einem Flüssiggaseinspritzventil (6) der Brennkraftmaschine (8) zugeführten Flüssiggasstrom ein Teil abgezweigt und expandiert wird, der der Brennkraftmaschine zugeführte Flüssiggasstrom durch die beim Expandieren entstehende Kälte abgekühlt wird, so dass der dem Flüssiggaseinspritzventil zugeführte Flüssiggasstrom zumindest weitgehend flüssig ist, und das expandierte Flüssiggas der Brennkraftmaschine in dampfförmigem Zustand zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abzweigung des Teils des Flüssiggasstroms erst nach Abkühlung des Flüssiggasstroms durch die beim Expandieren entstehende Kälte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem expandierten Flüssiggas Wärme zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wärme der Abwärme der Brennkraftmaschine entzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mit fallender Last der Brennkraftmaschine ein höherer Anteil des Kraftstoffes als Flüssiggasdampf zugeführt wird.
Kraftstoffversorgungssystem für eine mit Flüssiggas betriebene Brennkraftmaschine, enthaltend einen Flüssiggastank (2) zur Aufnahme von Flüssiggas, eine Temperiereinrichtung (30) zur Zufuhr von Wärme zu dem im Tank befindlichen Flüssiggas, eine vom Flüssiggas zu einem Flüssiggaseinspritzventil (6) der Brennkraftmaschine (8) führende Flüssiggasleitung, die durch einen Kühlungswärmetauscher (10) führt, eine von der Flüssiggasleitung abzweigende Zweigleitung (14), die zu einer Expansionseinrichtung (12) führt, welche in eine Dampfleitung (16) mündet, die durch den Kühlungswärmetauscher (10) und anschließend einen Heizungswärmetauscher (18) zu einer Dampfzufuhreinrichtung (22) zum Zuführen von Dampf zu der Brennkraftmaschine führt, und ein mit Sensoren zum Erfassen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffes verbundenes elektronisches Steuergerät (32), das die Heizeinrichtung, das Flüssiggaseinspritzventil, sowie wenigstens die Expansionseinrichtung oder die Dampfzufuhreinrichtung abhängig von den Betriebsparametern derart steuert, dass das zu dem Flüssiggaseinspritzventil gelangende Flüssiggas zumindest weitgehend in flüssiger Form vorliegt.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 6, wobei strömungsoberhalb der Dampfzufuhreinrichtung (22) ein Pufferbehälter (20) angeordnet ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Expansionseinrichtung (12) ein mit dem Steuergerät (32) verbundenes Taktventil und die Dampfzufuhreinrichtung (22) ein Zumischventil enthält.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Expansionseinrichtung (12) ein Druckregelventil und die Dampfzufuhreinrichtung (22) ein mit dem Steuergerät (32) verbundenes Dosierventil enthält.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Heizungswärmetauscher (18) vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine durchströmt ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Zweigleitung (14) strömungsabwärts des Kühlungswärmetauschers (10) von der Flüssiggasleitung (4) abzweigt.
Kraftstoffzufuhraggregat für ein Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11 mit einem Gehäuse (40), das einen Sitz (52) zum Einsetzen der Expansionseinrichtung (12) aufweist und den Kühlungswärmetauscher (10), den Heizungswärmetauscher (18) sowie Anschlüsse (42, 44, 46, 48, 50) für die Zufuhr von Flüssiggas, die Ableitung von gekühltem Flüssiggas, die Ableitung von gasförmigem Flüssiggas, das Einleiten von Kühlwasser und das Ausleiten von Kühlwasser aufweist.