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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/170366
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating an internal combustion engine (1) with a cryogenic fuel, in particular with natural gas, in the case of which method the cryogenic fuel is stored in a pressure container (2) and is injected into a combustion chamber (4) of the internal combustion engine (1) with the use of at least one injector (3). According to the invention, in order to prevent an overpressure in the pressure container (2), fuel is discharged from the pressure container (2) and is injected into an intake pipe (7) of the internal combustion engine (1) with the use of at least one further injector (6). Furthermore, the invention relates to a device for operating an internal combustion engine (1).

Inventors:
BARTSCH, Andreas (Eschenweg 20, Leonberg, 71229, DE)
Application Number:
EP2019/053243
Publication Date:
September 12, 2019
Filing Date:
February 11, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F02M21/02; F02D41/00; F02D41/30
Domestic Patent References:
WO2017097333A12017-06-15
Foreign References:
DE102013012700A12014-02-13
DE102016208166A12017-11-16
DE102007036958A12009-02-12
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) mit einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der kryogene Kraftstoff in einem Druck behälter (2) bevorratet und unter Verwendung mindestens eines Injektors (3) in einen Brennraum (4) des Verbrennungsmotors (1) eingeblasen wird,

dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung eines Überdrucks im Druckbehäl ter (2) Kraftstoff aus dem Druckbehälter (2) abgelassen und unter Verwendung mindes tens eines weiteren Injektors (6) in ein Saugrohr (7) des Verbrennungsmotors (1) ein geblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Druckbehälter (2) abgelassene Kraftstoff zunächst einem Zwischenspeicher (5) zugeführt wird, an den der mindestens eine wei tere Injektor (6) angeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Druckbehälter (2) abgelassene Kraftstoff gezielt zu Zeitpunkten in das Saugrohr (7) des Verbrennungsmotors (1) eingeblasen, in denen die Einblasung den motorischen Verbrennungsprozess fördert, beispielsweise bei Leerlauf, Teillast und/oder Volllast des Verbrennungsmotors (1).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Einblasung des aus dem Druckbe hälter (2) abgelassenen Kraftstoffs in das Saugrohr (7) des Verbrennungsmotors (1) eine Motorsteuereinheit verwendet wird, mittels welcher für die Einblasung geeignete Motorbetriebspunkte identifiziert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass zum Ablassen des Kraftstoffs aus dem Druckbehäl ter (2) ein ansteuerbares Ventil (8) verwendet wird, das vorzugsweise über eine Entlas tungsleitung (24) mit dem Druckbehälter (2) verbunden ist, die den Druckbehälter (2) zudem mit einem Überdruckventil (23) verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenspeicher (5) ein Druck eingestellt wird, der unterhalb des Öffnungsdrucks des Überdruckventils (23) liegt.

7. Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) mit einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend einen Druckbehälter (2) zur Bevorra tung des kryogenen Kraftstoffs sowie mindestens einen Injektor (3) zur Einblasung des Kraftstoffs in einen Brennraum (4) des Verbrennungsmotors (1),

dadurch gekennzeichnet, dass an den Druckbehälter (2) mindestens ein weiterer In jektor (6) angeschlossen ist, mittels dessen aus dem Druckbehälter (2) zur Druckab senkung abgelassener Kraftstoff in ein Saugrohr (7) des Verbrennungsmotors (1) ein- blasbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckbehälter (2) und dem mindestens einen weiteren Injektor (6) ein Zwischenspeicher (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass am Druckbehälter (2) ein ansteuerbares Ventil (8) zum Ablassen von Kraftstoff angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Ventil (8) über ei ne Entlastungsleitung (24) mit dem Druckbehälter (2) verbunden ist, die den Druckbe hälter (2) zudem mit einem Überdruckventil (23) verbindet.

Description:
Beschreibung

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit kry ogenem Kraftstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfin dung eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit kryogenem Kraft stoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Bei dem kryogenem Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h.„Natu ral Gas“) handeln.

Stand der Technik

Entwicklungen in der Motorentechnik beschäftigen sich mit der Direkteinblasung von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungsmotoren und einer Zündung des Gas-Luft- Gemischs mit Dieselkraftstoff. Diese Art der Verbrennung verspricht Vorteile in Bezug auf geringere Schadstoffemissionen, insbesondere CO2- Emissionen, und geringere Kosten aufgrund der Verwendung von Erdgas als Kraftstoff.

Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h.„Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringes Volu men als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C heruntergekühlt und in einem speziellen Druckbehälter („Kryotank“) bevorratet. Der ini tiale Druck im Druckbehälter wird beim Betanken durch den an der Tankstelle vorhan denen Druck festgelegt. Aufgrund externer Wärmezufuhr kann im Druckbehälter vor handenes flüssiges Erdgas verdampfen, so dass sich oberhalb der Flüssigphase eine Gasphase ausbildet. Zugleich steigt der Druck im Druckbehälter an. Um einen Über druck im Druckbehälter zu verhindern, wird üblicherweise der Druckbehälter mit einem Überdruckventil abgesichert. Dieses öffnet, wenn der Druck im Druckbehälter einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Das überschüssige Gas, bei dem es sich über wiegend um Methan (CH 4 ) handelt, wird dann an die Umwelt abgegeben G,Boil-off“).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Be treiben eines Verbrennungsmotors mit einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, anzugeben, das eine effiziente Nutzung des Kraftstoffs ermöglicht und zu gleich schonend für die Umwelt ist.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit ei nem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, wird der kryogene Kraftstoff in ei nem Druckbehälter bevorratet und unter Verwendung mindestens eines Injektors in ei nen Brennraum des Verbrennungsmotors eingeblasen. Zur Verhinderung eines Über drucks im Druckbehälter wird erfindungsgemäß Kraftstoff aus dem Druckbehälter abge lassen und unter Verwendung mindestens eines weiteren Injektors in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors eingeblasen.

Das heißt, dass die zur Vermeidung eines Überdrucks im Druckbehälter aus dem Druckbehälter abgelassene Kraftstoffmenge nicht an die Umwelt abgegeben wird, son dern indirekt über das Saugrohr der Verbrennung zugeführt wird. Auf diese Weise kann zum einen der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, zum anderen kann die Belastung der Umwelt reduziert werden. Insbesondere können Methanemissionen in die Umwelt vermieden werden, wenn Erdgas als Kraftstoff verwendet wird.

Im Saugrohr vermischt sich die zur Druckabsenkung aus dem Druckbehälter abgelas sene Kraftstoffmenge mit der Luft, die über das Saugrohr dem Verbrennungsmotor als Verbrennungsluft zugeführt wird. Somit geht diese Kraftstoffmenge nicht verloren, son dern wird einer sinnvollen Verwendung zugeführt. Bevorzugt wird der aus dem Druckbehälter zur Druckabsenkung abgelassene Kraftstoff zunächst einem Zwischenspeicher zugeführt, an den der mindestens eine weitere In jektor angeschlossen ist. Im Zwischenspeicher kann überschüssiger Kraftstoff zunächst gesammelt werden, um die Einblasung in das Saugrohr zu einem möglichst günstigen Zeitpunkt vorzunehmen.

Vorzugsweise wird der aus dem Druckbehälter abgelassene Kraftstoff gezielt zu Zeit punkten in das Saugrohr des Verbrennungsmotors eingeblasen, in denen die Einbla sung den motorischen Verbrennungsprozess fördert, beispielsweise bei Leerlauf, Teil last und/oder Volllast des Verbrennungsmotors. Darüber hinaus können weitere Motor betriebspunkte festgelegt werden, in denen eine Einblasung vorgenommen wird.

Vorteilhafterweise wird zur Steuerung der Einblasung des aus dem Druckbehälter ab gelassenen Kraftstoffs in das Saugrohr des Verbrennungsmotors eine Motorsteuerein heit verwendet, mittels welcher für die Einblasung geeignete Motorbetriebspunkte iden tifiziert werden. Das Verfahren kann somit automatisiert werden.

Bei Bedarf, beispielsweise zur Einhaltung der notwendigen Motorlaufruhe, können mehrere Injektoren zum Einblasen von Kraftstoff aus dem Zwischenspeicher in das Saugrohr verwendet werden. Aus ökonomischen Gründen sollte die Anzahl der Injekto ren jedoch so klein wie möglich sein. Im Extremfall entspricht die Anzahl der Injektoren für die Saugrohreinblasung der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors.

Zum Ablassen des Kraftstoffs aus dem Druckbehälter wird vorzugsweise ein ansteuer bares Ventil verwendet, das vorzugsweise über eine Entlastungsleitung mit dem Druckbehälter verbunden ist, die den Druckbehälter zudem mit einem Überdruckventil verbindet. Durch Verwendung eines ansteuerbaren Ventils kann das Ventil aktiv geöff net werden, um Kraftstoff aus dem Druckbehälter anzulassen. Das heißt, dass das ak tive Öffnen in Abhängigkeit von den motorischen Randbedingungen erfolgen kann. Zur Sicherstellung, dass ein Überdruck im Druckbehälter vermieden wird, ist vorzugsweise ferner ein Überdruckventil gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik vorge sehen. Das Überdruckventil öffnet, wenn der Druck im Druckbehälter einen vorgege benen Grenzwert erreicht hat. Über den Öffnungsdruck des Überdruckventils kann demnach der Druck im Druckbehälter auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt werden.

Bei dem aus dem Druckbehälter abgelassenen Kraftstoff handelt es sich vorzugsweise um gasförmigen Kraftstoff. Das heißt, dass das ansteuerbare Ventil bzw. die Entlas tungsleitung bevorzugt in einem Bereich am Druckbehälter angeordnet wird, in dem sich gasförmiger Kraftstoff bzw. die Gasphase befindet. Da die Gasphase oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, ist das Ventil bzw. die Entlastungsleitung bevorzugt an einer geodätisch hoch gelegenen Stelle am Druckbehälter anzuordnen, so dass sicherge stellt ist, dass nur gasförmiger Kraftstoff über das Ventil entweicht.

Bevorzugt wird im Zwischenspeicher ein Druck eingestellt, der unterhalb des Öff nungsdrucks des Überdruckventils liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Über druckventil nicht unbeabsichtigt öffnet, wenn das ansteuerbare Ventil aktiv geöffnet wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zwischenspeicher um einen Niederdruck speicher. Da mit jeder Saugrohreinblasung das Druckniveau im Zwischenspeicher ge senkt wird, ist ein Überdruck im Zwischenspeicher nicht zu befürchten. Im Übrigen kann über die Dimensionierung des Zwischenspeichers das gewünschte Druckniveau eingestellt werden.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zum Betrei ben eines Verbrennungsmotors mit einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erd gas, vorgeschlagen. Diese Vorrichtung umfasst einen Druckbehälter zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs sowie mindestens einen Injektor zur Einblasung des Kraft stoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors. Erfindungsgemäß ist an den Druckbehälter mindestens ein weiterer Injektor angeschlossen, mittels dessen aus dem Druckbehälter zur Druckabsenkung abgelassener Kraftstoff in ein Saugrohr des Ver brennungsmotors einblasbar ist.

Die Vorrichtung besitzt den Vorteil, dass aus dem Druckbehälter abgelassener Kraft stoff nicht in die Umwelt abgegeben, sondern indirekt über das Saugrohr der Verbren nung zugeführt wird. Das heißt, dass der zur Verfügung stehende Kraftstoff effizient genutzt und die Umwelt geschont wird. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist somit insbesondere zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Bevorzugt ist zwischen dem Druckbehälter und dem mindestens einen weiteren Injek tor ein Zwischenspeicher angeordnet. Im Zwischenspeicher kann der zur Druckabsen kung aus dem Druckbehälter abgelassene Kraftstoff gesammelt werden, um ihn dann zu einem geeigneten Zeitpunkt in das Saugrohr einzublasen.

Des Weiteren bevorzugt ist am Druckbehälter der Vorrichtung ein ansteuerbares Ventil zum Ablassen von Kraftstoff angeordnet. Durch eine entsprechende Ansteuerung kann das Ventil aktiv geöffnet werden, wenn es die motorischen Randbedingungen zulas sen. Weiterhin vorzugsweise ist das Ventil über eine Entlastungsleitung mit dem Druckbehälter verbunden, die den Druckbehälter zudem mit einem Überdruckventil verbindet. Der Öffnungsdruck des Überdruckventils ist derart gewählt, dass dieses öff net, wenn das Druckniveau im Druckbehälter einen vorgegebenen Maximalwert er reicht hat. Da zur Druckabsenkung im Druckbehälter idealerweise gasförmiger Kraft stoff entnommen wird, sind die Ventile bzw. die Entlastungsleitung bevorzugt in einem geodätisch hoch liegenden Bereich am Druckbehälter angeordnet. Dadurch ist sicher gestellt, dass der Kraftstoff aus einer sich im Druckbehälter befindenden Gasphase entnommen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem kryogenen Kraftstoff.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Druckbehälter 2 zur Be vorratung eines kryogenen Kraftstoffs, wobei es sich vorliegend um Erdgas in flüssiger Form (LNG) handelt. Ferner sind mehrere Injektoren 3 zum Einblasen des Kraftstoffs in einen Brennraum 4 eines Verbrennungsmotors 1 vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorliegend in Verbindung mit weiteren Komponenten eines Kraft stoffversorgungssystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors 1 mit einem kryo- genen Kraftstoff dargestellt, die wahlweise Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrich tung sein können.

Zu diesen weiteren Komponenten zählt eine Pumpe 9, mittels welcher der Kraftstoff vor dem Einblasen mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Ferner ist eine Heizvorrichtung 10 vorgesehen, die zwischen der Pumpe 9 und einem Hochdruckspeicher 11 angeordnet ist. Der Hochdruckspeicher 11 ist mit einem Rail 12 verbunden, an das die Injektoren 3 angeschlossen sind.

Der in den Brennraum 4 des Verbrennungsmotors 1 eingeblasene kryogene Kraftstoff bzw. das Erdgas wird unter Zuhilfenahme eines zweiten Kraftstoffs gezündet. Hierbei handelt es sich um Dieselkraftstoff, der in einem Tank 13 bevorratet wird. Mittels einer Vorförderpumpe 14 wird der Dieselkraftstoff aus dem Tank 13 entnommen, unter Ver wendung einer Hochdruckpumpe 15 mit Hochdruck beaufschlagt und einem Rail 16 zugeführt. Das Rail 16 ist ebenfalls mit den Injektoren 3 verbunden, die vorliegend als Dual-Fuel-Injektoren ausgeführt sind und sowohl das Einblasen von Erdgas als auch das Einspritzen von Dieselkraftstoff ermöglichen. Der Druck im Rail 12 sowie im Rail 16 wird jeweils mittels eines Drucksensors 17 überwacht. Übersteigt der Druck einen zu lässigen Grenzwert, wird Kraftstoff aus dem jeweiligen Rail 12, 16 über eine Rücklauf leitung 18, 19 in den Druckbehälter 2 bzw. in den Tank 13 zurückgeführt. Das Rail 12 und das Rail 16 sind hierzu jeweils über ein Ventil 20, 21 mit der jeweiligen Rücklauflei tung 18, 19 verbunden.

Am Druckbehälter 2 sowie am Hochdruckspeicher 11 ist jeweils ein weiterer Druck sensor 17 vorgesehen. Steigt der Druck im Druckbehälter 2 über einen vorgegebenen Grenzwert an, wird über eine Entlastungsleitung 24 und ein Überdruckventil 23 Kraft stoff abgelassen. Der über das Überdruckventil 23 abgelassene Kraftstoff gelangt in die Umwelt. Um die Umwelt weniger stark zu belasten, ist an die Entlastungsleitung 24 ein weiteres Ventil 8 angeordnet, das ansteuerbar ist. Das Ventil 8 kann demnach aktiv geöffnet werden, um Kraftstoff aus dem Druckbehälter 2 abzulassen. Der über das Ventil 8 abgelassene Kraftstoff wird einem Zwischenspeicher 5 zugeführt, an den min destens ein weiterer Injektor 6 angeschlossen ist, mittels dessen der zwischengespei cherte Kraftstoff in ein Saugrohr 7 einblasbar ist, das der Versorgung des Verbren- nungsmotors 1 mit Verbrennungsluft dient. Über das Saugrohr 7 wird demnach der ab gelassene Kraftstoff ebenfalls der Verbrennung zugeführt.

Der in der Figur dargestellte Zwischenspeicher 5 ist optional. Das heißt, dass in Ab wandlung der dargestellten Ausführungsform auch Vorrichtungen ohne Zwischenspei cher erfindungsgemäß sind bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.