Titel

Gas-Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gas-Brennkraftmaschine für gasförmige Brennstoffe wie z. B. Erdgas oder Wasserstoff mit einer reduzierten Leckage und einem reduzierten Verbrauch sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- Brennkraftmaschine.

Gas-Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit ergibt sich eine erhöhte Nachfrage nach mobilen Gas-Brennkraftmaschinen, beispielsweise in Fahrzeugen, welche andere Problematiken als beispielsweise stationäre Gasmotoren aufweisen. Ein Problemkreis bei mobilen Gas-Brennkraftmaschinen liegt darin, dass beim Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine ein relativ hoher Einblasdruck für den gasförmigen Brennstoff von ca. 15 bis 20 x 10 ⁵ Pa an einem Einblasinjektor anliegt. Wenn beispielsweise der Einblasinjektor hier eine Undichtigkeit aufweisen würde, würde bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine der gasförmige Brennstoff über den Brennraum in die Umgebung gelangen können. Dies ist sowohl aus Umweltgesichtspunkten als auch hinsichtlich eines

Durchschnittsverbrauchs der Gas-Brennkraftmaschine zu vermeiden. Tendenziell reduziert sich jedoch aufgrund der im Betrieb ständigen Betätigung des

Gasinjektors eine Dichtigkeit des Gasinjektors über die Lebensdauer, sodass hier Undichtigkeiten nicht vollständig vermieden werden können.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Gas-Brennkraftmaschine für gasförmige Brennstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass eine Leckage bei abgestellter Gas-Brennkraftmaschine vermieden werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Gasdruck des gasförmigen Brennstoffs beim Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine im Vergleich mit dem Stand der Technik stark reduziert ist. Bevorzugt ist der Gasdruck beim Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine im Bereich des Injektors gleich dem

Umgebungsdruck oder liegt darunter. Dadurch kann beim Abstellen der Gas- Brennkraftmaschine selbst bei einem etwas undichten Gasinjektor eine Leckage über den Gasinjektor aufgrund der zum Umgebungsdruck angeglichenen oder reduzierten Druckverhältnisse vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Gas-Brennkraftmaschine einen Tank zur Speicherung des gasförmigen Brennstoffs und eine Gaszuleitung zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff vom Tank zu einem Gasinjektor aufweist. Hierbei ist ferner ein Druckregler in der Gaszuleitung vorgesehen, um einen Druck des gasförmigen Brennstoffs für eine Einblasung zu regeln. Ferner umfasst die Gas- Brennkraftmaschine einen Saugbereich zum Ansaugen von Verbrennungsluft. Weiterhin ist eine Abzweigleitung vorgesehen, welche von einem Abzweigpunkt an der Gaszuleitung die Gaszuleitung mit dem Saugbereich verbindet. In der Abzweigleitung ist ein Zwischenspeicher angeordnet, wobei ein erstes

Schaltventil in der Abzweigleitung zwischen dem Zwischenspeicher und dem Abzweigpunkt von der Gaszuleitung vorgesehen ist und ein zweites Schaltventil zwischen dem Zwischenspeicher und dem Saugbereich vorgesehen ist. Ferner umfasst die Gas-Brennkraftmaschine eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das erste und zweite Schaltventil zu steuern. Somit kann im Betrieb der Gas- Brennkraftmaschine im Zwischenspeicher durch Öffnen des zweiten Schaltventils eine Verbindung des Zwischenspeichers zum Saugbereich hergestellt werden, sodass im Zwischenspeicher ein Druck unter dem Umgebungsdruck,

entsprechend dem Druck im Saugbereich, herrscht. Beim Abstellen der Gas- Brennkraftmaschine wird dann das zweite Schaltventil geschlossen, sodass im Zwischenspeicher der Unterdrück verbleibt und das erste Schaltventil geöffnet. Dadurch ergibt sich ein Druckausgleich des gasförmigen Brennstoffs, welcher von dem Bereich zwischen dem Druckregler und dem Einblasinjektor in den Zwischenspeicher aufgrund des dort vorhandenen Unterdrucks strömt.

Vorzugsweise ist der Zwischenspeicher dabei derart gewählt, dass nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine und dem Druckausgleichsvorgang ein Druck am Gasinjektor ungefähr gleich dem Umgebungsdruck oder unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Dies kann einfach durch eine Wahl des Volumens des Zwischenspeichers realisiert werden. Sollte dann eine Undichtigkeit am

Gasinjektor vorhanden sein, würde aufgrund der annähernd gleichen Drücke im Bereich des Gasinjektors im Brennraum und in der Gaszuleitung kein

gasförmiger Brennstoff im Brennraum und damit weiter in die Umgebung austreten. Wenn vorzugsweise ein Unterdrück durch Öffnen der Verbindung zum Zwischenspeicher vorhanden wäre, würde im Gegenteil sogar Luft aus dem Brennraum über den undichten Gasinjektor in die Gaszuleitung strömen und überhaupt kein gasförmiger Brennstoff austreten können. Von daher ist es bevorzugt, dass das Volumen des Zwischenspeichers derart gewählt wird, dass nach dem Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine immer ein Unterdrück in der Gaszuleitung am Gasinjektor vorhanden ist.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtet, das erste und zweite Schaltventil derart zu steuern, dass im Betrieb der Gas-Brennkraftmaschine das erste Schaltventil geschlossen ist und das zweite Schaltventil geöffnet ist. Beim Abschalten der Gas-Brennkraftmaschine wird dann das erste Schaltventil geöffnet und das zweite Schaltventil geschlossen, sodass ein Druckausgleich zwischen dem Bereich der Gaszuleitung und dem Zwischenspeicher, in welchem ein Unterdrück unterhalb des Umgebungsdrucks herrscht, erfolgt.

Vorzugsweise umfasst die Gas-Brennkraftmaschine ferner einen Drucksensor, welcher eingerichtet ist, einen Druck im Zwischenspeicher zu ermitteln und diesen Druck der Steuereinheit zu übermitteln. Vorzugsweise ist die

Steuereinheit eingerichtet, beim Unterschreiten eines vorbestimmten

Schwellendrucks das zweite Schaltventil welches die Verbindung zwischen Zwischenspeicher und Saugbereich freigibt oder verschließt, zu verschließen.

Um zu verhindern, dass ein Druckausgleich zwischen dem Tank und dem Zwischenspeicher erfolgt, ist der Druckregler zur Regelung des Einblasdrucks des gasförmigen Brennstoffs vorzugsweise in der Gaszuleitung vor dem

Abzweigpunkt der Abzweigleitung zum Zwischenspeicher angeordnet. Der Druckregler ist dabei derart ausgelegt, dass dieser absperrbar ist, d. h. eine Verbindung zum Tank unterbrechen kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein erstes Volumen zwischen dem ersten und zweiten Schaltventil einschließlich des Zwischenspeichers größer oder gleich einem zweiten Volumen zwischen dem Einblasinjektor, dem Druckregler und dem ersten Schaltventil. Ein Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Volumen ist vorzugsweise derart gewählt, dass nach dem Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine im ersten und zweiten Volumen, welche nach dem Abstellen durch das geöffnete Schaltventil verbunden sind, ein Unterdrück unterhalb des Umgebungsdrucks herrscht.

Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, nach dem Abstellen der Gas- Brennkraftmaschine und dem Öffnen des ersten Schaltventils und dem

Schließen des zweiten Schaltventils nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit das erste Schaltventil wieder zu schließen. Dadurch kann ein schneller Wiederstart der Gas-Brennkraftmaschine erreicht werden. Weiter bevorzugt wird dadurch verhindert, dass im Abstellfall eine vollständige Durchmischung zwischen dem gasförmigen Brennstoff und der trotz Unterdrück noch im Zwischenspeicher vorhandenen Luft aus dem Saugbereich, auftritt. Dadurch wird eine Zündfähigkeit des eingeblasenen Gases in den Brennraum nicht nachteilig beeinflusst.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- Brennkraftmaschine mit einem Gasinjektor, einer Gaszuleitung, einer von einem Abzweigpunkt an der Gaszuleitung abzweigenden Abzweigleitung zu einem Saugbereich der Gas-Brennkraftmaschine und einem in der Abzweigleitung angeordnetem Zwischenspeicher. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte, dass im Betrieb der Gas-Brennkraftmaschine eine Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und dem Saugbereich geöffnet wird und eine Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und der Gaszuleitung unterbrochen wird, sodass im Zwischenspeicher ein Unterdrück unterhalb des Umgebungsdruck, entsprechend dem Druck im Saugbereich eingestellt wird. Anschließend wird nach dem Abschalten der Gas-Brennkraftmaschine die Gaszuleitung mit dem Zwischenspeicher verbunden, um einen Druck des gasförmigen Brennstoffs in der Gaszuleitung und dabei am Gasinjektor zu reduzieren. Dabei wird die Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und dem Saugbereich beim

Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine unterbrochen, sodass ein Druckausgleich zwischen dem Unterdrück in Zwischenspeicher und dem Gasdruck im Bereich vor dem Gasinjektor möglich wird. Alternativ kann auch schon vor dem Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine beim Erreichen eines vorbestimmten Unterdrucks im Zwischenspeicher die Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und dem Saugbereich noch während des Betriebs der Gasbrennkraftmaschine

unterbrochen werden.

Vorzugsweise erfolgt die Unterbrechung der Verbindung zwischen dem

Zwischenspeicher und der Gaszuleitung sowie dem Saugbereich mittels

Schaltventilen.

Weiter bevorzugt wird beim Wiederstarten der Brennkraftmaschine die

Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und der Gaszuleitung unterbrochen und die Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher und dem Saugbereich wiederhergestellt. Dadurch wird zwar beim Öffnen der Verbindung zum

Saugbereich etwas gasförmiger Brennstoff, welcher sich durch den

Ausgleichsvorgang auch im Zwischenspeicher befindet, in den Saugbereich angesaugt. Diese angesaugte Menge von gasförmigem Brennstoff ist jedoch relativ klein und wird einfach mit der Verbrennungsluft während des

Ansaugtraktes in die Brennammer der Gas-Brennkraftmaschine angesaugt und dort verbrannt.

Um beim Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine einen Druckausgleich zwischen dem Tank und dem Zwischenspeicher zu vermeiden, wird beim

erfindungsgemäßen Verfahren der Druckregler vorzugsweise vollständig geschlossen. Alternativ ist ein zusätzliches Schaltventil am Tank oder in der Gaszuleitung angeordnet, welches eine Verbindung zwischen dem Tank und der Gaszuleitung unterbricht.

Die Erfindung betrifft ferner Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge,

Lastkraftwagen oder Züge oder dergleichen, welche eine Gas- Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung umfasst. Hierbei sei angemerkt, dass erfindungsgemäß unter dem Begriff Gas-Brennkraftmaschine nicht nur übliche Brennkraftmaschinen nach dem Otto-Prinzip verstanden werden, sondern auch Brennstoffzellen oder dergleichen. Weiterhin sei angemerkt, dass der Brennstoff im Tank beispielsweise auch flüssig gespeichert werden kann und auf dem Weg vom Tank zum Gasinjektor durch Erwärmung gasförmig werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gas-Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Betriebszustand und

Figur 2 eine schematische Darstellung der Gas-Brennkraftmaschine von Figur 1 im abgestellten Zustand.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Gas- Brennkraftmaschine 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Gas-Brennkraftmaschine 1 einen Tank 7, in welchem ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, welcher auch flüssig gespeichert sein kann, speichert. Der Tank 7 ist über eine Gaszuleitung 4 mit einem Gasinjektor 2 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist schematisch nur ein Gasinjektor in einem Rail 14 angedeutet, vorzugsweise sind jedoch mehrere Gasinjektoren am Rail angeordnet.

Der Gasinjektor 2 bläst den gasförmigen Brennstoff dabei direkt in einen Brennraum 12 der Gas-Brennkraftmaschine ein.

In der Gaszuleitung 4 ist ein Druckregler 8 angeordnet, welcher im Betrieb der Gas-Brennkraftmaschine den im Tank 7 unter sehr hohem Druck gespeicherten Brennstoff reduziert, vorzugsweise auf einen Bereich von 15 bis 20 x 10 ⁵ Pa.

Weiterhin umfasst die Gas-Brennkraftmaschine 1 einen Saugbereich 3 in Form eines Ansaugrohrs, über welchen Verbrennungsluft zum Brennraum 12 angesaugt wird. Im Saugbereich 3 ist dabei eine Drosselklappe 9 angeordnet. Ferner ist eine Abzweigleitung 5 vorgesehen, welche die Gaszuleitung 4 mit dem Saugbereich 3 verbindet. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, zweigt die

Abzweigleitung 5 an einem Abzweigpunkt 50 von der Gaszuleitung 4 ab. Der Abzweigpunkt 50 ist dabei zwischen dem Druckregler 8 und dem Gasinjektor 2 vorgesehen.

In der Abzweigleitung 5 ist ein Zwischenspeicher 6 angeordnet. Weiter ist in der Abzweigleitung 5 ein erstes Schaltventil 11 im Bereich zwischen dem

Zwischenspeicher 6 und dem Abzweigpunkt 50 angeordnet sowie ein zweites Schaltventil 12 im Bereich zwischen dem Zwischenspeicher 6 und dem

Saugbereich 3.

Die beiden Schaltventile 11 , 12 sind 2/2 -Wegeventile und weisen eine offene und eine geschlossene Stellung auf. Die Schaltventile sind vorzugsweise

Magnetventile, können jedoch auch als andere Ventile ausgebildet sein.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, welche mit den beiden Schaltventilen 11 , 12 verbunden ist. Die Steuereinheit 10 ist dabei angeordnet, das erste und zweite Schaltventil 11 , 12 zu öffnen bzw. zu schließen. Vorzugsweise wird eine der Stellungen der Schaltventile durch ein Rückstellelement eingenommen.

Die Steuereinheit 10 ist dabei derart eingerichtet, dass im Betrieb der Gas- Brennkraftmaschine das erste Schaltventil 11 geschlossen ist und das zweite Schaltventil 12 geöffnet ist. Dadurch ist eine Verbindung zwischen dem

Zwischenspeicher 6 und dem Saugbereich 3 offen, sodass im Betrieb in

Zwischenspeicher 6 ein Unterdrück entsprechend dem Saugdruck an einer Mündung 51 der Abzweigleitung 5 am Saugbereich 3 vorhanden ist. Es herrscht im Betrieb der Brennkraftmaschine bei geschlossenem ersten Schaltventil und geöffnetem zweiten Schaltventil 12 im Zwischenspeicher 6 ein Unterdrück unterhalb des Umgebungsdruck entsprechend dem Druck im Saugbereich 3 der Brennkraftmaschine. Im Betrieb liegt dabei ein Gasdruck in der Gaszuleitung 4 zwischen dem Druckregler 8 und dem Gasinjektor 2 vorzugsweise im Bereich von 15 bis 20 x 10 ⁵ Pa.

Beim Abschalten der Gas-Brennkraftmaschine soll nun verhindert werden, dass beispielsweise bei einem etwas leckenden Gas-Injektor gasförmiger Brennstoff in den Brennraum 12 durch Leckage gelangen kann und vom Brennraum 12 in die Umgebung gelangen kann. Hierzu wird das zweite Schaltventil 12 geschlossen und im Abstellfall das erste Schaltventil 11 geöffnet. Da sich im

Zwischenspeicher 6 ein Unterdrück unterhalb des Umgebungsdrucks befindet erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem Zwischenspeicher 6 und dem Bereich der Gaszuleitung 4, zwischen dem Druckregler 8 und dem Gasinjektor 2. Der Druckregler 8 ist hierbei ebenfalls geschlossen, sodass kein Druckausgleich zum Tank 7 erfolgt. Dadurch wird ein Druck des gasförmigen Brennstoffs im Bereich des Gasinjektors 2 signifikant reduziert. Abhängig von der Größe des Volumens des Zwischenspeichers 6 wird der Druck hierbei auf den Umgebungsdruck oder sogar unter den Umgebungsdruck reduziert, sodass kein gasförmiger Brennstoff selbst über einen in geschlossenem Zustand undichten Gasinjektor 2 in den Brennraum 12 gelangen würde. Das Volumen des Zwischenspeichers 6 ist vorzugsweise derart gewählt, dass in jedem Fall ein Unterdrück beim Abstellen der Gas-Brennkraftmaschine im Bereich am Gasinjektor 2 herrscht. Dadurch kann mit Sicherheit eine Leckage von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum 12 vermieden werden.

Beim Wiederstarten der Gas-Brennkraftmaschine wird dann das erste

Schaltventil 11 wieder geschlossen und das zweite Schaltventil 12 wieder geöffnet, sodass im Zwischenspeicher 6 wieder nach kurzem Betrieb ein entsprechender Unterdrück hergestellt ist. Es kann sich während des Abstellens der Gas-Brennkraftmaschine etwas gasförmiger Brennstoff über das geöffnete Schaltventil 11 aufgrund des Druckausgleichs auch im Zwischenspeicher 6 befinden, allerdings wird während des Wiederstartens der Gas- Brennkraftmaschine dieser gasförmige Brennstoff mitsamt der Verbrennungsluft über den Saugbereich 3 in den Brennraum 12 angesaugt und dort entsprechend verbrannt. Dadurch wird auch eine Erhöhung eines durchschnittlichen

Brennstoffverbrauchs der Gas-Brennkraftmaschine vermieden.