DE19905346A1 - Dampfrückgewinnungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfrückgewinnungs­ vorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit Direkteinsprit­ zung.

Dampfrückgewinnungsvorrichtungen werden bei Motorfahrzeugen verwendet, um Kohlenwasserstoffemissionen in die Atmosphäre durch Speichern der Kohlenwasserstoffe in einem Behältnis bzw. einem Kanister zu reduzieren. In dem Kanister, der mit dem Kraftstofftank verbunden ist, wird zum Absorbieren der Kohlenwasserstoffe üblicherweise Aktivkohle verwendet. Der Kanister wird in periodischen Abständen mittels durch die Aktivkohle durchtretender und die Kohlenwasserstoffe desor­ bierender Umgebungsluft entleert. Das so entstehende Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoff gelangt üblicherweise über den Motoreingang (engine port) in den Motor und unterstützt das normale Gemisch aus Luft vom Ansaugstutzen und aus Kraftstoff vom Kraftstoffversorgungssystem. Der Kanister ist danach erneut bereit, Kohlenwasserstoffe zu speichern, wor­ auf der Prozeß wiederholt wird.

Um Umgebungsluft durch den Kanister zu führen, wird herkömm­ licherweise der Unterdruck im Ansaugstutzen benutzt. Hierbei ist der Unterdruck eine Funktion der Betriebsbedingungen des Motors. Unter bestimmten Bedingungen kann es vorkommen, daß der Unterdruck im Ansaugstutzen nicht ausreicht, um die Luft durch den Kanister zu führen. Ferner muß der Dampfrückgewin­ nungsprozeß in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß der Kanister nicht gesättigt ist. Aus diesem Grunde wird bei Dampfrückgewinnungsvorrichtungen häufig eine Pumpe oder einen Kompressor eingesetzt, um ein Entleeren des Kanisters unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 50 54 454 bekannt.

Die vorstehend genannten Ansätze weisen jedoch Nachteile auf: Beispielsweise können bei Verwendung von Dampfrückge­ winnungsvorrichtungen bei Motoren mit Direkteinspritzung die Bedingungen zum Entleeren des Kanisters in regelmäßigen In­ tervallen nicht einfach durch die Verwendung einer Pumpe oder eines Kompressors gewährleistet werden. Bei Verbren­ nungsmotoren mit Direkteinspritzung kann der Motor durch das Motorsteuersystem sowohl in einem Schichtlademodus als auch in einem homogenen Modus betrieben werden. Im Schichtlademo­ dus ist ein lokales Volumen eines Zylinders, das ein Luft- /Kraftstoffgemisch enthält, von einem Zylindervolumen mit einer nicht entzündbaren Mischung, wie beispielsweise Luft, umgeben. Im homogenen Modus ist dagegen ein vergleichsweise konstantes Luft-/Kraftstoffgemisch im Zylindervolumen ver­ teilt. Herkömmliche, durch Einspritzen in den Motoreingang arbeitende Entleerungssysteme können nur eine homogene Mi­ schung erzeugen, weil bei diesen keine Möglichkeit besteht, eine Schichtladung zu bilden, wenn der Verbrennungsmotor ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff von der Dampfrückgewinnungs­ vorrichtung ansaugt. Anders ausgedrückt: Eine Schichtladung bedeutet, daß ein isolierter Bereich mit einem gewünschten Luft-/Kraftstoffgemisch vorliegt, wohingegen der verbleiben­ de Bereich mit Luft gefüllt ist. Folglich ist ein Betrieb mit Schichtladung - welcher im Hinblick auf die Kraftstoff­ ausnutzung vorteilhaft ist - durch die Notwendigkeit behin­ dert, den Kanister zu reinigen, was zu einer nicht optimalen Kraftstoffausnutzung führt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementspre­ chend darin, eine Dampfrückgewinnungsvorrichtung bereitzu­ stellen, die ein Entleeren der gespeicherten Kohlenwasser­ stoffe während des Betriebs in allen Motorzuständen gestat­ tet, einschließlich des Schichtladebetriebs eines mit Di­ rekteinspritzung arbeitenden Verbrennungs- bzw. Otto-Motors.

Diese Aufgabe wird durch eine Dampfrückgewinnungsvorrichtung für den Schichtladebetrieb eines Verbrennungsmotors mit Di­ rekteinspritzung bzw. durch eine Dampfrückgewinnungssteue­ rungsvorrichtung bzw. ein Verfahren zur Steuerung einer Dampfrückgewinnungsvorrichtung gelöst. Die Vorrichtung weist mehrere druckluftunterstützte (air assisted) Düsen zum Ein­ spritzen von Kraftstoff und Luft in den Motor auf. Die Vor­ richtung weist weiterhin einen Kompressor zur Kompression einer Mischung aus Kraftstoffdampf und Luft auf, der mit der Luftversorgung zu jeder der druckluftunterstützten Düsen verbunden ist. Ein Steuerventil dient zur Einstellung des Mischungsverhältnisses von Kraftstoffdampf zu Luft abhängig von einer angestrebten Dampfentleerungsrate. Das Steuerven­ til wird durch eine Kraftstoffdampfquelle mit Kraftstoff­ dampf versorgt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Zylinder mit einer Frischluftladung gefüllt und die geschichtete Zone besteht aus Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgungseinrichtung, wo­ bei das Gemisch aus Luft und Kraftstoff aus der Dampfrückge­ winnungsvorrichtung und die Umgebungsluft aus dem Frisch­ lufteinlaß stammt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Motor mit einer höheren Kraftstoffwirtschaftlichkeit betrieben werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Mo­ tor mit verminderten Emissionen betrieben werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Dampfrückgewinnungsvorrichtung mit einer niedrigen Speicher­ kapazität betrieben werden kann, was das Fahrzeuggewicht und die Fahrzeugkosten reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Motors mit einer erfin­ dungsgemäßen Dampfrückgewinnungsvorrichtung.

Ein in Fig. 1 dargestellter Mehrzylinder-Hubkolben-Verbren­ nungsmotor 10 weist mehrere elektronisch gesteuerte, druck­ luftunterstützte Kraftstoffeinspritzdüsen 12 auf. Die Luft­ versorgungsseite der Einspritzdüsen 12 steht mit einer Luft­ leitung 14 in Verbindung, um eine Schichtladungsmischung oder eine homogene Mischung - wie jeweils benötigt - in den Motorzylindern (nicht dargestellt) bereitzustellen. Die Luftleitung 14 steht parallel mit dem Auslaß eines Kompres­ sors 16 und einem Sicherheitsventil 18 in Verbindung. Eine Kraftstoffleitung 15, welche in Verbindung mit der Kraft­ stoffversorgungsseite der Einspritzdüsen 12 steht, steht mit einem Kraftstofftank 28 in Verbindung, um Flüssigkraftstoff 30 durch eine Kraftstoffversorgungseinrichtung 31 mit zuge­ hörigen Versorgungsleitungen aufzunehmen. Weiterhin stehen die Einlässe des Kompressors 16 und das Sicherheitsventil 18 miteinander in Verbindung. Weiterhin stehen ein Umgebungs­ luft-Steuerventil 20, welches ein einfaches Auf/Zu-Ventil oder ein linear gesteuertes Ventil sein kann, und ein Kani­ sterentleerungsventil 22, welches ebenfalls eine einfaches Auf/Zu-Ventil oder ein linear gesteuertes Ventil sein kann, mit den Eingängen des Kompressors 16 und dem Sicherheitsven­ til 18 in Verbindung. Der Einlaß des Umgebungsluft-Steuer­ ventils 20 steht mit der Umgebungsluft in Verbindung. Der Einlaß des Kanisterventils 22 zum Entleeren eines Kanisters 24 steht mit diesem in Verbindung. Der Kanister 24 steht über ein Kanistersicherheitsventil 26 mit der Umgebungsluft in Verbindung. Der Kanister 24 steht weiterhin mit einem Kraftstofftank 28 in Verbindung. Der Kraftstofftank 28 spei­ chert flüssigen Kraftstoff 30 und ein Gemisch 32 aus Luft und Kraftstoff. Der Kraftstofftank 28 weist weiterhin einen (nicht dargestellten) Einfüllstutzen zum Nachfüllen von Kraftstoff auf. Alternativ kann das Ventil 22 auch direkt mit dem Tank 28 verbunden sein, wenn kein Kanister verwendet wird.

Eine weiterhin in Fig. 1 dargestellte Steuereinrichtung 40, welche eine Speichereinrichtung 42 enthält, empfängt mittels mehrerer Sensoren 46 Informationen zu unterschiedlichen Pa­ rametern des Motorbetriebs, wie beispielsweise die Motorge­ schwindigkeit, die Motorlast, die Zündungseinstellung, den absoluten Druck im Einlaßstutzen und die Motortemperatur so­ wie Betriebsparameter des Kraftstoffsystems, wie die Tempe­ ratur des Kraftstofftanks, den Druck im Kraftstofftank, die Kraftstoffversorgungsrate, den Kompressorzustand, den Füll­ stand des Kraftstofftanks und andere, den Fachleuten bekann­ te Parameter. Die Steuereinrichtung 40 steuert die druckluftunterstützten Einspritzdüsen 12, den Kompressor 16, das Umgebungsluft-Steuerventil 20, das Kanisterleerungsven­ til 22, das Kanistersicherheitsventil 26 sowie andere Stell­ organe, wie beispielsweise Zündspule, Abgasrückführventile oder eine elektronische Drosselklappe.

Die Steuereinrichtung 40, die wahlweise einen bekannten her­ kömmlichen Mikroprozessor zur Motorsteuerung oder einen ei­ genständigen (stand-alone) Prozessor aufweisen kann, kann den Motor 10 sowohl in einem Schichtlademodus als auch in einem homogenen Modus steuern. Wenn kein Entleeren des Kani­ sters und Schichtladebetrieb oder homogener Betrieb erfor­ derlich ist, dann stellt die Steuereinrichtung 40 das Kani­ sterlüftungsventil 26 auf "geschlossen", das Kanisterentlee­ rungsventil 22 auf "geschlossen" und das Umgebungsluft- Steuerventil 20 auf "geöffnet". Der Kompressor 16 kompri­ miert die durch das Umgebungsluft-Steuerventil 20 tretende Luft auf einen vorbestimmten Druck, der durch das Sicher­ heitsventil 18 geregelt wird. Die von dem Kompressor 16 kom­ primierte Luft wird über die Luftleitung 14 zur Verwendung in die Einspritzdüsen 12 geleitet, um die Kraftstoffeigen­ schaften in den (nicht dargestellten) Motorzylindern, wie beispielsweise die Zerstäubung, zu verbessern. Gleichzeitig wird flüssiger Kraftstoff 30 aus dem Tank 28 an die Kraft­ stoffleitung 15 geliefert, um durch die Einspritzdüsen 12 eingespritzt zu werden.

Wenn ein Entleeren des Kanisters 24 erforderlich ist, stellt die Steuereinrichtung 40 das Kanisterlüftungsventil 16, das Kanisterleerungsventil 22 und das Umgebungsluft-Steuerventil 20 abhängig von einer vorbestimmten und angestrebten Dampf­ entleerungsrate ein. Während des Entleerungsvorgangs ist das Kanisterleerungsventil 22 geöffnet; dabei können das Kani­ sterentlüftungsventil 26 und das Umgebungsluft-Steuerventil 20 beide geöffnet, beide geschlossen oder eines geöffnet und eines geschlossen sein. Beispielsweise kann das Umgebungs­ luft-Steuerventil 20 geöffnet sein, um den Dampfstrom zu verdünnen, wenn die angestrebte Dampfentleerungsrate niedri­ ger als die aus dem Kanisterentleerungsventil 22 austretende liegt. Speziell wird der Prozentsatz des Dampfstroms an dem Gesamtfluß durch Einstellen des Verhältnisses der Ventil­ flächen, welche als die Durchflußfläche des Umgebungsluft- Steuerventils 20 geteilt durch die Durchflußfläche des Kani­ sterentleerungsventils 22 definiert ist, gesteuert. Alterna­ tiv kann der Prozentsatz des Dampfflusses auch durch das Verhältnis der Arbeitszyklen der in der Pulsbreite modulier­ ten Signale gesteuert werden, wenn die Ventile unter Verwen­ dung von pulsbreitenmodulierten Signalen gestellt werden. Das Kanisterentlüftungsventil 26 darf nur während der Ent­ leerung geöffnet werden und nur dann, wenn der Kanisterdruck geringer als der Atmosphärendruck ist, da ansonsten Kraft­ stoffdampf in die Atmosphäre entweichen könnte. Weiterhin ist es ohne weiteres möglich, das Umgebungsluft-Steuerventil 20 und das Entleerungsventil 22 zu einem gemeinsamen Ventil zu kombinieren.

Weiterhin wird im Entleerungsbetrieb die Mischung aus Dampf und Umgebungsluft durch den Kompressor 16 komprimiert und an die Luftleitung 14 weitergeleitet. Die Einspritzdüsen 12 verwenden die komprimierte Mischung, um die Eigenschaften des Kraftstoffs in den (nicht dargestellten) Motorzylindern zu verbessern. Während des Betriebes der Einspritzdüsen 12 treten sowohl Kraftstoff als auch die Mischung aus Dampf und Umgebungsluft in den (nicht dargestellten) Motorzylinder ein.

Die Verwendung einer komprimierten Mischung aus Dampf und Luft in den Einspritzdüsen 12 gestattet es, daß der in dem Kanister 24 gespeicherte Kraftstoffdampf in jedem Modus des Motorbetriebes verwendet werden kann, wobei es vermieden wird, die Kraftstoffdämpfe in den (nicht dargestellten) Mo­ toreingang einzuleiten, so daß sich die Dämpfe nicht mit der Frischluftladung, die in den Motor 10 über die Luftansauge­ inrichtung eingeführt wurden, mischen. Dadurch, daß die Frischluftladung von dem Luftansaugeinrichtung ohne "Konta­ minationen" in den Motor 10 eingetreten kann, wird die Mög­ lichkeit geschaffen, wunschgemäß entweder im Schichtladebe­ trieb oder im homogenen Betrieb zu arbeiten. Beispielsweise leiten herkömmliche Dampfrückgewinnungsvorrichtungen den in dem Kanister gespeicherten Kraftstoffdampf zu dem Motor durch Einleiten des Dampfs in den Ansaugstutzen (nicht dar­ gestellt). Dort mischt sich der Dampf mit der Frischluft und bildet eine Mischung aus Dampf und Frischluft. Diese Mi­ schung aus Luft und Kraftstoffdampf wird anschließend in den Motor eingeleitet, wobei die Einspritzdüsen der Mischung zu­ sätzlichen Kraftstoff zuführen. Folglich kann nur eine homo­ gene Mischung erzeugt werden. Durch das Bereitstellen des Kanisterdampfs an den Einspritzdüsen wird reine Frischluft eingeleitet, um den (nicht dargestellten) Motorzylinder zu füllen. Anschließend verwenden die Einspritzdüsen den kom­ primierten Dampf aus Kraftstoff und Luft, um den einge­ spritzten flüssigen Kraftstoff zu zerstäuben, wobei trotz der Verwendung der Kanisterdämpfe weiterhin eine Schichtla­ dung erzeugt werden kann.

Claims (11)

1. Dampfrückgewinnungsvorrichtung zur Aufrechterhaltung ei­ ner Schichtladung bei einem Verbrennungsmotor (10) mit Direkteinspritzung mit
mehreren druckluftunterstützten Düsen (12) zum Einsprit­ zen von Kraftstoff und Luft in den Motor,
einem Kompressor (16) zur Kompression einer Mischung aus Kraftstoffdampf und Luft, der mit einer Luftversorgung zu jeder der druckluftunterstützten Düsen (12) verbunden ist, einem Steuerventil zur Steuerung eines Verhältnisses von Kraftstoffdampf zu Luft in der Mischung abhängig von einer angestrebten Dampfentleerungsrate und
mit einer Kraftstoffdampfquelle zur Versorgung des Steu­ erventils mit Kraftstoffdampf.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffdampfquelle einen mit dem Kraftstofftank (28) verbundenen Kohlenstoffkanister (24) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kompressor (16) ein Ventil zur Regelung des Kompressorauslaßdrucks aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftstoffdampfquelle einen Kraft­ stofftank (28) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Steuerventil zwei separate Ventile (20, 22) zur Steuerung des Verhältnisses von Kraftstoff­ dampf und Luft in der Mischung abhängig von der ange­ strebten Dampfentleerungsrate aufweist.

6. Dampfrückgewinnungssteuervorrichtung zur Aufrechterhal­ tung einer Schichtladung bei einem Verbrennungsmotor (10) mit Direkteinspritzung mit
mehreren druckluftunterstützten Düsen (12) zum Einsprit­ zen von Kraftstoff und Luft in den Motor (10),
einem Kompressor (16), der mit einer Luftversorgung jeder der druckluftunterstützten Düsen (12) verbunden ist, zur Versorgung mit einer komprimierten Mischung aus Kraft­ stoffdampf und Luft,
einem mit dem Kompressor verbundenen ersten Steuerventil zur Einstellung einer angestrebten Dampfentleerungsrate, einem mit dem Kompressor verbundenen zweiten Steuerventil zur Steuerung eines Frischluftanteils an Frischluft,
einer Dampfquelle, die mit dem ersten Steuerventil zur Versorgung des ersten Steuerventils mit Kraftstoffdampf verbunden ist, und
einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Dampfentlee­ rungsrate durch Einstellen des ersten und zweiten Steuer­ ventils abhängig von der angestrebten Dampfentleerungsra­ te.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Dampfentleerungsrate durch eine Veränderung des Verhältnisses von einer ersten Fläche des ersten Steuerventils (22) zu einer zweiten Fläche des zweiten Steuerventils (20) steuert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Entlüftungsventil (26) vorgesehen ist, das den Eintritt von Frischluft in die Dampfquelle und da­ durch das Entlüften der Kraftstoffdampfquelle zuläßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftstoffdampfquelle einen mit dem Kraftstofftank verbundenen Kohlenstoffkanister (24) auf­ weist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffdampfquelle einen Kraftstofftank aufweist.

11. Verfahren zur Steuerung eines Dampfrückgewinnungsvor­ richtung zur Aufrechterhaltung einer Schichtladung bei einem Verbrennungsmotor (10) mit Direkteinspritzung mit mehreren druckluftunterstützten Düsen (12) zum Einsprit­ zen von Kraftstoff und Luft in den Motor, mit einem Kom­ pressor (16), der mit einer Luftversorgung jeder der druckluftunterstützten Düsen (12) verbunden ist, zur Kompression einer Mischung aus Kraftstoffdampf und Luft, mit einem mit dem Kompressor verbundenen ersten Steuer­ ventil, das den Eintritt des Kraftstoffdampfes in den Kompressor zuläßt, mit einem mit dem Kompressor verbun­ denen zweiten Steuerventil, das den Eintritt von Frisch­ luft in den Kompressor zuläßt, mit einer Dampfquelle, die mit dem ersten Steuerventil zur Versorgung des er­ sten Steuerventils mit Kraftstoffdampf verbunden ist, und mit einem dritten mit der Dampfquelle verbundenen Steuerventil, das den Eintritt von Frischluft in die Dampfquelle zuläßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einstellen der Dampfentleerungsrate durch Veränderung eines Verhältnisses von einer ersten Fläche des ersten Steuerventils zu einer zweiten Fläche des zweiten Steuer­ ventils abhängig von einer angestrebten Entleerungsrate und
Veränderung einer dritten Fläche des dritten Steuerven­ tils abhängig von der angestrebten Entleerungsrate.