Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.

Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich um einen Gasmotor, der mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Methan, betreibbar ist, wobei dem gasförmigen Kraftstoff vor der Verbrennung Luft zugegeben wird. Derartige Gasmotoren finden beispielsweise in Personenkraft- oder Nutzfahrzeugen Einsatz.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 014 225 AI ist ein Verfahren zum Betreiben einer mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine be- kannt, bei dem der gasförmige Kraftstoff unter Bildung eines vorgegebenen Kraftstoff-

Luft-Gemisches in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, wobei der Druck, mit dem der gasförmige Kraftstoff eingebracht wird, mittels einer Einsteileinrichtung variabel eingestellt wird. Vorzugsweise wird der gasförmige Kraftstoff mittels eines in den Brennraum mündenden Gaseinblaseventils direkt in den Brennraum eingeblasen. Dadurch erhöht sich die Gasleckage. Über die vorgeschlagene Einsteileinrichtung zur variablen Einstellung des Einblasedrucks kann dieser jedoch in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine so niedrig wie möglich eingestellt werden, so dass die Gasleckage reduziert wird. Bei einem Gasmotor der vorstehend genannten Art dient die dem gasförmigen Kraftstoff zugeführte Luft als Verbrennungsluft. Sie wird in der Regel einem Ansaugtrakt entnommen, in der eine Drosselklappe zur Steuerung der Luftmenge angeordnet ist.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das eine möglichst vollständige Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs gewährleistet und somit den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine effizienter gestaltet. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagenen Verfahren wird ein gasförmiger Kraftstoff, insbesondere Methan, mit Luft gemischt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine verbrannt. Der gasförmige Kraftstoff wird über ein Gasventil eingeblasen. Die Luftzufuhr wird über eine Drosselklappe gesteuert. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei einem Lastwechsel, die Luftmenge erhöht, indem zusätzlich über ein separat ansteuerbares Luftventil Luft eingeblasen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach die Luftzufuhr zum Einen über die Drosselklappe, zum Anderen über das zusätzlich vorgesehene Luftventil gesteuert. Während die über die Drosselklappe zugeführte Luft eine Art„Grundversorgung" gewährleistet, kann das Luftventil im Bedarfsfall gezielt dazu eingesetzt werden, die Luftmenge temporär zu erhöhen. Auf diese Weise kann auch eine deutliche Anhebung der Luftmenge erreicht werden. Der Bedarf an Verbrennungsluft steigt mit der Kraftstoffmenge. Wird der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise bei einem Lastsprung, mehr Kraftstoff zugeführt, muss die Luftmenge ebenfalls erhöht werden, um eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu gewährleisten. Der zusätzliche Luftbedarf kann dabei ein Vielfaches der zusätzlich eingeblasenen Kraftstoffmenge betragen.

Handelt es sich bei dem gasförmigen Kraftstoff beispielsweise um Methan, steigt der für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erforderliche Luftbedarf um den Faktor 8. Denn für die Verbrennung von Methan gilt:

CH ₄ + 20 ₂ — > C0 ₂ + 2H ₂ 0

Über das zusätzlich vorgesehene Luftventil kann eine genau definierte Luftmenge zugeführt werden. Da das Luftventil separat ansteuerbar ist, kann die Ansteuerdauer zudem unabhängig von der Ansteuerdauer des Gasventils gewählt werden. Dadurch ist eine gezielte Erhöhung der zugeführten Luftmenge möglich, die eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs und damit einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet.

Soll das Verfahren dem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dienen, das einen Turbolader aufweist, kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene gezielte Erhöhung der Luftmenge ferner dazu eingesetzt werden, ein Turboloch zu vermeiden.

Bevorzugt wird die zusätzlich über das Luftventil eingeblasene Luft einer Druckluftquelle entnommen. Das heißt, dass die Luft unter Druck bzw. Druckluft eingeblasen wird. Die Druckluftquelle kann beispielsweise eine an Bord eines Kraftfahrzeugs vorhandene Druckluftleitung sein. Die Luft kann ferner mit einem Ladedruck beaufschlagt sein, beispielsweise kann es sich um Ladeluft handeln, die einem Bereich stromabwärts eines Turboladers entnommen wurde. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Luft mit einem gegenüber dem Druck des gasförmigen Kraftstoffs erhöhten Druck eingeblasen wird. Der erhöhte Druck bewirkt einen erhöhten Massenstrom, so dass hierüber die Luftmenge deutlich anhebbar ist. Des Weiteren bevorzugt wird die zusätzlich über das Luftventil eingeblasene Luft stromabwärts der Drosselklappe in ein Ansaugrohr eingeblasen, das mit dem Brennraum verbunden bzw. verbindbar ist. Im Ansaugrohr, das üblicherweise der Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine dient, werden demnach die beiden Luftströme zusammengeführt. Erfolgt zudem die Gemischbildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Ansaugrohr, kann die zusätzlich über das Luftventil eingeblasene und vorzugsweise unter einem höheren Druck stehende Luft zur Optimierung der Gemischbildung eingesetzt werden.

Die Anordnung des Gasventils zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs erfolgt daher bevorzugt in der Weise, dass der Kraftstoff in das Ansaugrohr eingeblasen wird. Das heißt, dass die Gemischbildung außerhalb des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Dies hat ferner den Vorteil, dass das Gasventil einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt ist, da es weiter entfernt vom Brennraum angeordnet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der gasförmige Kraftstoff über das Gasventil direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeblasen wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Luftventil elektromagnetisch betrieben. Die Ansteuerdauer bzw. der Haltestrom können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gering gehalten werden, so dass der Energiebedarf kaum steigt. Bevorzugt wird ein zweites Gasventil, das baugleich mit dem ersten Gasventil zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs ist, als Luftventil verwendet wird. Durch den Stückzahleffekt können die Kosten gesenkt werden, und zwar unabhängig davon, ob die Gasventile selbst gefertigt oder zugekauft werden.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, das einen gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Methan, enthält. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Gasventil zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs sowie eine Drosselklappe zur Steuerung der Luftzufuhr. Erfindungsgemäß ist ein separat ansteuerbares Luftventil zur Erhöhung der Luftmenge in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Über das zusätzlich vorgesehene Luftventil kann demnach die Luftmenge gezielt erhöht werden, um im Bedarfsfall, beispielsweise bei einem mit einem erhöhten Kraftstoffbe- darf einhergehenden Lastwechsel oder Lastsprung, eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu gewährleisten. Die Zuführung der zusätzlichen Verbrennungsluft über ein separat ansteuerbares Luftventil ermöglicht eine Ansteuerung unabhängig vom Gasventil, das der Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs dient. Die An- steuerparameter können somit an den jeweiligen Luftbedarf genau angepasst werden.

Vorteilhafterweise besitzt das Luftventil einen Anschluss zur Verbindung mit einer Druckluftquelle. Die über das Luftventil zugeführte Luft steht demnach unter Druck, so dass ein größerer Massenstrom erreichbar ist. Die Druckluftquelle kann insbesondere eine an Bord des Kraftfahrzeugs vorhandene Druckluftleitung sein. Alternativ kann das

Luftventil an einen Bereich stromabwärts eines Turboladers angeschlossen sein, so dass es sich bei der unter einem erhöhten Druck stehenden Luft um Ladeluft handelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung öffnet das Luftventil in ein Ansaugrohr, das vorzugsweise einerseits mit dem Brennraum und andererseits mit einem Luftkanal verbindbar ist, in dem die Drosselklappe angeordnet ist. Auf diese Weise können die beiden Luftströme zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine mit Verbrennungsluft im Ansaugrohr, d. h. außerhalb des Brennraums, zusammengeführt werden. Ist ferner vorgesehen, dass auch das Gasventil in das Ansaugrohr öffnet, fin- det auch die Gemischbildung außerhalb des Brennraums statt. Der vorzugsweise erhöhte Druck der über das Luftventil zugeführten Luft unterstützt eine optimale

Gemischbildung.

Alternativ kann das Gasventil derart angeordnet sein, dass es direkt in den Brennraum öffnet.

Bevorzugt ist das Luftventil als elektromagnetisch betätigbares Ventil ausgeführt. Als solches kann das Ventil ein elektromagnetisch betätigbares Stellelement aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff umfassen, so dass der Energiebedarf des Ven- tils sinkt. Das eingangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann somit besonders energieeffizient durchgeführt werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Luftventil ein weiteres Gasventil ist, das baugleich mit dem Gasventil zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs ausgeführt ist. Das heißt, dass das Gasventil in hohen Stückzahlen gefertigt oder gekauft werden kann, so dass die Kosten zur Herstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung sinken. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Brennraum 1 zur Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs. Vor der Verbrennung wird der gasförmige Kraftstoff mit Luft gemischt, so dass der gasförmige Kraftstoff als Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 1 gelangt. Die Luft fördert die

Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs.

Die Luft wird dem Brennraum 1 der Verbrennungskraftmaschine 10 über ein Ansaugrohr 5 zugeführt. Andernends ist das Ansaugrohr 5 mit einem Luftkanal 7 verbunden, in dem eine Drosselklappe 3 zur Steuerung eines ersten Luftstroms angeordnet ist. Ein zweiter Luftstrom ist über ein Luftventil 4 Steuer- bzw. regelbar, das als elektromagnetisch betätigbares Ventil ausgeführt und am Ansaugrohr 5 angeordnet ist. Beide Luftströme werden demnach im Ansaugrohr 5 zusammengeführt. Stromabwärts des Luftventils 4 ist ein Gasventil 2 am Ansaugrohr 5 angeordnet, über welches der gasförmige Kraftstoff eingeblasen wird.

Das Luftventil 4 ist vorliegend baugleich mit dem Gasventil 2 ausgeführt, das heißt, dass nur einem Ventiltyp Verwendung findet, was sich kostensenkend auswirkt. Das in der Figur dargestellte Gasventil 2 weist einen Anschluss 8 zur Verbindung mit einer Kraftstoffleitung (nicht dargestellt) auf, über welcher dem Gasventil 2 der gasförmige Kraftstoff zugeführt wird. Ferner besitzt das Gasventil 2 einen Anschluss 9, der dem elektrischen Anschluss des Gasventils 2 dient. Gleiches gilt für das Luftventil 4, das jedoch anstelle des Anschlusses 8 einen Anschluss 6 zur Verbindung mit einer Druckluftleitung (nicht dargestellt) aufweist.

Das Luftventil 4 wird lediglich dann geöffnet, wenn ein deutlich erhöhter Bedarf an Ver- brennungsluft besteht. Dies ist beispielsweise bei einem Lastwechsel bzw. Lastsprung der Fall. Das das Luftventil 4 separat ansteuerbar ist, können die Ansteuerparameter unabhängig von denen des Gasventils 2 gewählt werden. Da die Luft über das Luftventil 4 unter einem erhöhten Druck eingeblasen wird, kann aufgrund des erhöhten Massenstroms die Ansteuerdauer reduziert werden. Der zusätzliche Energiebedarf für das Luftventil 4 fällt demnach kaum ins Gewicht. Zugleich verbessert der erhöhte Druck die

Gemischbildung.

Die Funktionsweise der in der Figur dargestellten Vorrichtung ist wie folgt: Um das Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Brennraum 1 zuzuführen, muss ein Ventil 11 geöffnet werden, das den Zugang des Ansaugrohrs 5 zum Brennraum 1 versperrt. Das Öffnen des Ventils 11 erfolgt mittels eines Nockentriebs 12. Bei geöffnetem Ventil 11 strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Ansaugrohr 5 in den Brennraum 1, wo die Entzündung über eine dem Brennraum 1 zugeordnete Zündkerze 13 erfolgt.