| JP2005188506 | INTAKE DEVICE FOR ENGINE |
| JP06066149 | CONTROL METHOD AND DEVICE FOR ENGINE EQUIPPED WITH SUPERCHARGER |
| JP2004360483 | AIR INTAKE STRUCTURE OF ENGINE |
WINKELMANN, Karlheinrich (Am Lothberg 5, Bielefeld, 33617, DE)
Patentansprüche
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1. Verfahren zur Beförderung von Kraftstoff, insbesondere Flüssiggas (3) oder einer seiner Komponenten oder einer Mischung seiner Komponenten aus einem Kraftstofftank (1) in das Kraftstoffzuführungssystem (7-11 )
245 einer Verbrennungskraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass an einei geeigneten Stelle im Kraftstoffzuführungssystem (7 -11) ein
Teil des Kraftstoffs als Kältemittel zur Kühlung der Verbrennungsluft (27) abgezweigt wird. 250
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die als Kältemittel im Kreislauf verbleibende Kraftstoffmenge verdampft wird und die dadurch erzeugte Kälte auf die Verbrennungsluft des Motors übertragen wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine abgezweigte Kraftstoffmenge (3) im Falle von Kanaleinspritzung dem Kraftstoffeinspritzsystem (10,11) direkt, im Falle der Direkteinspritzung über eine Hochdruckkraft-
260 stoffpumpe (8) zugeführt wird, bei der insbesondere die überschüssige
Kraftstoffmenge durch den Niederdruckteil der Kraftstoffhochdruckpumpe (8) hindurchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn- 265 zeichnet, dass ein Kraftstoffvorrat in flüssigem Aggregatzustand (4) für den Start der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung steht, der in einem Vorrats- und Ausdehnungsgefäß (14) gespeichert wird, welcher Kraftstoffvorrat (4) durch mindestens ein Ventil (13) daran gehindert wird aus dem Kraftstoffzuführungssystem in den Kühlkreislauf zurückzuflie- 270 ßen.
5. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass, alternativ oder ergänzend zu dem Kraftstoffvorrat in flüssigem Aggregatzustand (4), ein Kompressor (2) durch Vorlauf vor dem Start der Verbrennungskraftma- 275 schine den zur Verbrennung notwendigen Kraftstoff in Flüssigphase (4) überführt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Verbrennungsluft (27) in mindestens zwei 280 Stufen erfolgt, wenn die Verbrennungsluft (27) unter den Gefrierpunkt des in ihr enthaltenen Wasserdampfes gekühlt werden soll, wobei die Temperatur der ersten Kühlstufe (25) durch eine Steuerung beziehungsweise Regelung so begrenzt wird, dass sich der in der Verbrennungsluft (27) enthaltene Wasserdampf als Tauwasser und nicht als Eis 285 niederschlägt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf zur Klimatisierung eines Innenraumes (22,23) von dem Kraftstoff-Kälte-Kreislauf mit Kälte versorgt wird, vor- 290 zugsweise über einen Wärmetauscher (20,21).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der zur Kraftstoffrail (10) fließende Kraftstoff zusätzlich gekühlt wird, im Falle von Hochdruckdirekteinspritzung vor dem Eintritt in 295 die Kraftstoffhochdruckpumpe (8).
9. Verfahren zur Beförderung von Kraftstoff, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, für den Kraft erzeugenden Verbrennungsprozess verbrauchte Kraftstoff an einer ge- 300 eigneten Stelle des Kältekreislaufs aus dem Kraftstofftank (1 ) ergänzt wird, durch Verdampfung zur Kühlung beiträgt, um anschließend angesaugt, verdichtet und durch Kühlung verflüssigt in das Kraftstoffzuführungssystem befördert zu werden.
305 10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kraftstoffzuführungssystem und einer Kälteeinrichtung zur Kühlung der Verbrennungsluft dadurch gekennzeichnet, dass das Krεftstoffzuführungssystem eine Abzweigung (18) aufweist, die das Kraftstoffzuführungssystem mit der Kälteeinrichtung verbindet, so
310 dass ein Teil des Kraftstoffs durch die Kälteeinrichtung geführt wird und dass der Kraftstofftank (1) durch eine Leitung (12) mit der Kälteeinrichtung verbunden ist, sodass der Ergänzungskraftstoff durch die Kälteeinrichtung geführt wird.
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Verfahren und Vorrichtung zur Beförderung von Kraftstoff
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff in Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
Stand der Technik
Ottomotoren, die den Kraftstoff Flüssiggas dem Brennraum indirekt über die Ansaugleitung der Verbrennungsluft zuführen, nutzen überwiegend das Verdampfungsverfahren um das Flüssiggas in den Zuführungskanal für die Verbrennungsluft einzubringen. Hierbei drückt sich das Flüssiggas aus dem Tank durch seinen eigenen Dampfdruck in einen kühlwasserbeheizten Verdampfer in dem es aus der Mischphase vollständig in die Gasphase überführt wird. Vom Verdampfer aus wird das gasförmige Flüssiggas unter überdruck einer eigenen Verteilerleiste zugeführt, von der aus jedem Zylinder, rechnergesteuert über getaktete Elektromagnetventile, für jeden Verbrennungstakt die passende Menge gasförmigen Kraftstoffes in die einströmende Verbrennungsluft eingeblasen wird. Diese Systeme können nur bivalent betrieben werden, denn sie benötigen neben dem Flüssiggas, zum Starten der Verbrennungskraftmaschine einen weiteren Kraftstoff, vorzugsweise Benzin. Erst wenn die Verbrennungskraftmaschine ausreichend Wärme für den Verdampfer abgibt kann dieser auf den Betrieb mit Flüssiggas umgestellt werden. Es existieren ebenfalls Einspritzsysteme, die das Flüssiggas über eine Pumpe im Flüssiggastank flüssig bis zu den Einspritzventilen für das Flüssiggas führen und das Flüssiggas flüssig in den Zuführungskanal für die Verbrennungsluft vor die Einlassventile spritzen. In der Literatur, so in US 5 857 448 A, EP 1 010 886 A, DE 196 11381 A, Pa- tent Abstracts of Japan JP 2001 349256 A 1 DE 201 01 475 U, DE 101 46 051 ,
sind Einspritzsysteme beschrieben, die ebenfalls über eine In-Tank- Kraftstofffördereinheit und meist auch noch über eine weitere, außerhalb des Flüssiggastankes liegende, Vorrichtung zur Druckerhöhung, das Flüssiggas einer Einspritzvorrichtung zuführen. Allen erwähnten Systemen gemeinsam ist, dass sie die besondere Eigenschaft des Kraftstoffs Flüssiggas in einem Temperatur-Druckbereich aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand überzugehen, der sich technisch relativ einfach beherrschen lässt und dabei durch seine Verdampfungskälte eine Kühlwirkung zu entfalten, entweder gar nicht oder, im oben erwähnten Falle des Verdampfers, ohne zusätzlichen Gewinn nutzen.
In der DE 201 01 672.9 wird vorgeschlagen über einen Klopfsensor oder eine Temperatursonde im Abgaskanal die bordeigenen Klimaanlage zu aktivieren, wenn ein Temperaturgrenzwert überschritten wird. Die Klimaanlage versorgt einen von der Ansaugluft durchströmten Verdampfer mit Kühlmittel. Zur Ver- meidung von Eisbildung begrenzt die bordeigene Klimaanlage die Kühltemperatur auf ca.5 0 C. Damit kann mit dieser Konfiguration nur bis zu dieser Temperatur gekühlt werden. Weiter arbeitet die Anlage mit herkömmlichen Kältemittel und nicht mit Flüssiggas, nutzt also nicht den Doppelcharakter als Kraftstoff und Kühlmedium. Dem vorliegenden Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, den Kraftstoffzufüh- rungsprozess thermisch stabiler und den thermodynamischen Kreisprozess thermodynamisch effizienter zu gestalten.
Die Erfindung Diese Probleme werden durch das in den Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Varianten finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das vorliegende Verfahren besitzt Vorteile auf mehreren Ebenen. Es spart Bauteile ein, macht die Kraftstoffzuführung des Kraftstoffes Flüssiggas ther-
misch robuster und erhöht die Effizienz des thermodynamischen Kreisprozesses.
Es wird weder ein Kraftstoffverdampfer noch eine Kraftstoffpumpe im Flüssiggastank benötigt, weil der Klimakompressor das Flüssiggas, das in dem hier beschriebenen Verfahren sowohl Kraftstoff als auch Kältemittel ist, gasförmig ansaugt. Dadurch gewinnt das Kraftstoffzuführungssystem an thermischer Stabilität. Gerade in Systemen mit flüssiger Einspritzung des Flüssiggases musste jeder Wärmeeintrag in den Kraftstoff auf seinem Weg aus dem Flüssiggastank zu den Einspritzventilen durch erhöhten Druck oder zusätzlichen Kühlaufwand kompensiert werden, während an dieser Stelle des Kältekreis- laufs zusätzliche Erwärmung willkommen ist, da sie die Gasphase des Kraftstoffes stabilisiert und sicherstellt, dass dem Kompressor ausschließlich Flüssiggas in der Gasphase zugeführt wird.
Der überwiegende Teil der Kraftfahrzeuge die neu auf den Markt kommen, ist mittlerweile mit einer Klimaanlage ausgerüstet. Damit ist die Voraussetzung gegeben, ohne wesentlichen Kostenaufwand an Stelle des Kältekreislaufes mit dem bisher üblichen Kältemittel R134a einen Kältekreislauf mit dem Kraftstoff Flüssiggas als Kältemittel zu etablieren. Wesentlich ist der dadurch mögliche Gewinn an thermodynamischer Effizienz, den die Kühlung der Ansaugluft durch den Kühleffekt des im Kältekreislauf verdampfenden Flüssiggases be- wirkt. Berechnungen zeigen, dass eine Verringerung der Anfangstemperatur im thermodynamischen Kreisprozess der Verbrennung im Vergleich zu einer Erhöhung der Endtemperatur um den gleichen Temperaturbetrag die Effizienz des Prozesses um das Dreifache erhöht. Der Kältekreislauf des Flüssiggases erlaubt nun eine Abkühlung der Verbren- nungsluft unter die Umgebungstemperatur und unter den Gefrierpunkt des Wassers. Dies macht es möglich, die Verdichtung der Verbrennungskraftmaschine erheblich zu erhöhen ohne die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffes Flüssiggas zu überschreiten. In Folge dessen lassen sich auch beim Otto-Motor Verdichtungsverhältnisse darstellen, die ihre Grenze nicht
90 mehr, wie zur Zeit, durch das Erreichen der Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffes, sondern in der mechanischen und thermischen Belastbarkeit des Materials finden. Es können dadurch thermodynamische Wirkungsgrade realisiert werden, die dem Wirkungsgrad des Dieselverfahrens ebenbürtig sind o- der ihn sogar übertreffen und weit über die Grenzen der bisher bei Ottomoto- 95 ren erreichbaren hinausgehen. Das wiederum hat zur Folge, dass Drehmoment und Leistung wesentlich steigen, während sich gleichzeitig der spezifische Verbrauch ähnlich deutlich verringert und parallel dazu der CO2- Ausstoss des Verbrennungsprozesses. Nach einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass strom-
100 abwärts des Kraftstofftanks eine Vorrichtung existiert, in der einströmende, noch nicht verdampfte, flüssige Kühlkraftstoffanteile vollständig verdampft werden, bevor sie in den Klima-Kraftstoff-Kompressor gelangen. Weiterhin ist in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens vorgesehen, dass eine Dosiervorrichtung das durch den Verbrennungsprozess dem Kühlkraft-
105 stoff entzogene Kompressorschmiermittel ergänzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Figur 1 bildet ein Kraftstoff-Kälte-System mit Direkteinspritzung des
110 Kraftstoffs in einen (hier nicht gezeigten) Ottomotor ab, Figur 2 ein Kraftstoff- Kälte-System mit Einspritzung des Kraftstoffs in den Ansaugkanal des Ottomotors, wobei sich Figur 2 von der Figur 1 im Wesentlichen durch den Wegfall der Hochdruckkraftstoffpumpe unterscheidet. Es wird aus diesem Grunde im Folgenden Figur 1 näher beschrieben.
115 Es zeigt die Figur 1 ein schematisch dargestelltes Kraftstoff-Kälte-System dessen Komponenten Kraftstofftank, Vorrichtung zur Kraftstofferwärmung, Kompressor, Kondensator, Kraftstoffhochdruckpumpe, Expansionsventil des Kältekreislaufes, zwei parallel geschaltete Verdampfer durch Kraftstoff leitun- gen zu einem Kreislauf verbunden sind. Sie zeigt weiter eine Abzweigung von
120 Kraftstoff in der Kraftstoffhochdruckpumpe die zu der Kraftstoffrail mit den Einspritzventilen eines (hier nicht gezeigten) Ottomotors hin führt, wo der Kraftstoff direkt in dessen Brennraum einspritzt wird.
Figur 1 zeigt weiterhin schematisch die Anbindung eines Klimakreislaufes, mit dem zum Beispiel die Kabine eines Kraftfahrzeuges klimatisiert werden kann.
125 Nicht gezeigt wird eine mögliche Variante, die den Kraftstoff vor dem Kondensator des Kältekreislaufes in der Gasphase abzweigt und ihn Einblasventilen gasförmig zuführt.
Bester Weg zur Durchführung der Erfindung
130 Der Kompressor 2 des Kraftstoff-Kälte-Kreislaufs saugt gasförmiges Flüssiggas an und verdichtet es. In einer bevorzugten Ausführung wird er unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, vorzugsweise elektrisch. Dies hat den Vorteil, dass der Kompressor 2 schon vor dem Motorstart anlaufen kann und dadurch dem Kraftstoffzuführungssystem (7 - 11) beim Starten
135 des Motors flüssiger Kraftstoff zur Verfügung steht. Das ist notwendig, wenn im Stillstand über den Kühlkreislauf ein Druckausgleich stattfindet, so dass dem Kraftstoffeinspritzsystem ohne Kompressorvorlauf bei Startbeginn kein Kraftstoff in flüssiger Phase zur Verfügung stünde. Bevor das Flüssiggas 3 in den Kompressor 2 eintritt durchströmt es zuerst die
140 Vorrichtung zur Nachverdampfung des Flüssiggases 5, die, falls notwendig, durch zusätzliches Erwärmen des Flüssiggases sicherstellt, dass auch bei Volllastdurchsatz kein Flüssiggas in flüssigem Aggregatzustand in den Kompressor 2 gelangt. Anschließend wird, sollte sich in der praktischen Erprobung die Notwendigkeit zeigen, dem Flüssiggas zur Schmierung des Kompressors 2
145 ein Schmiermittel beizumischen, das dem Flüssiggas durch die Verbrennung entzogene Kompressorschmiermittel durch eine Dosiervorrichtung 15 dem Kraftstoff-Klima-System wieder zugemischt. Der Kompressor 2 drückt das komprimierte Flüssiggas 3 anschließend über die Leitung 7 zum Kondensator 6, wo das, durch die Verdichtung erhitzte, Flüssiggas 3 abgekühlt wird und
150 sich dabei verflüssigt. Nach dem Kondensator 6 verzweigt sich die Kraftstoffleitung 7. Im Falle der Hochdruckdirekteinspritzung wird der zur Verbrennung benötigte Teil des Kraftstoffs von der Kraftstoffhochdruckpumpe 8 noch einmal unter erhöhten Druck gesetzt und gelangt über eine Hochdruckleitung 9 zu der Kraftstoffrail 10, von wo aus der Kraftstoff über Einspritzventile 11 in den (hier
155 nicht gezeigten) Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
Der für die Verbrennung nicht abgezweigte, überschüssige flüssige Kraftstoff fließt durch den Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe hindurch und verbleibt im Kältekreislauf und passiert das Expansionsventil 17, wo er
160 verdampft wird.
Hinter dem Expansionsventil 17 verzweigt sich die Leitung 18. Der eine Strang 19 versorgt einen Wärmetauscher 20, durch den ein Wärmeträgermedium, vorzugsweise ein Wasser-Frostschutzmittelgemisch, strömt, welches die Kälte des verdampfenden Flüssiggases aufnimmt, von wo aus es zu einem weiteren
165 Wärmetauscher 22 im Inneren der Kabine durch eine Umwälzpumpe 23 gepumpt wird. Durch geeignete Ankopplung an den Heizkreislauf kann dann durch Mischung der Wärmeträgermedien die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Der andere Strang 24 führt zu zwei Verdampfern 25,26 die von dem Kühlmittel
170 parallel aber nacheinander von der Verbrennungsluft 27 durchströmt werden. Dabei wird die Verbrennungslufttemperatur des zuerst von der Verbrennungsluft durchströmten Verdampfers 25 so geregelt, dass sich an ihm die in ihr enthaltene Feuchtigkeit niederschlägt und in flüssiger Form nach unten abgeführt wird 28. In dem nachfolgenden Verdampfer 26 kann die trockene Verbren-
175 nungsluft 29 bis unter den Gefrierpunkt weiter abgekühlt werden. Von den Verdampfern 25,26 aus führt stromabwärts eine Kältemittelleitung 30 weiter in Richtung des Kompressors 2, nachdem zuvor die Kältemittelleitung 19 des Wärmetauschers hinzugekommen ist.
An einer geeigneten Stelle zwischen dem Expansionsventil 17 und den Ver- 180 dampfern 25,26 ist der Kraftstofftank 1 durch eine Leitung 12 angebunden. Aus dem Kraftstofftank 1 wird über ein Expansionsventil 16 der im Verbren- nungsprozess verbrauchte Kraftstoff ergänzt, wobei er durch Verdampfen zur Kühlung der Verbrennungsluft 27.
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Liste der Bezugszeichen
1 Flüssiggastank
2 Kompressor
190 3 Flüssiggas (LPG) in der Gasphase
4 Flüssiggas (LPG) in der Flüssigphase
5 Vorrichtung zur Nachverdampfung des Flüssiggases
6 Kondensator
7 Kraftstoff-Kältemittelleitung 195 8 Kraftstoffhochdruckpumpe
9 Kraftstoffhochdruckleitung
10 Kraftstoffrail
11 Einspritzventile
12 Kraftstoffleitung 00 13 Rückschlagventil
14 Vorrats- und Ausdehnungsgefäß
15 Schmiermitteldosiervorrichtung
16 Expansionsventil
17 Expansionsventil 05 18 Kältemittelleitung
19 Kältemittelleitung
20 Wärmetauscher
21 Wärmeträgermedium
22 Wärmetauscher Innenraum 23 Umwälzpumpe
24 Kraftstoff-Kältemittelleitung
25 Verdampfer Stufe 1
26 Verdampfer Stufe 2
27 Verbrennungsluft feucht 28 Kondenswasserabfluss
29 Verbrennungsluft trocken
30 Kraftstoff-Kältemittelleitung