Stand der Technik
Die Erfindung beschreibt ein Kraftstoffdirekteinspritzsystem, insbesondere Common-Rail-
Direkteinspritzsystem zur direkten Einspritzung von Flüssiggas (LPG) oder anderer flüssigen
Kraftstoffen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Flüssiggas, auch LPG (Liquified-Petroleum-Gas) oder auch Autogas bezeichnet, ist ein Pro
pan-Butan-Gemisch mit von Region zu Region unterschiedlichen Gemischanteilen, das auf
grund von Speicherung unter relativ geringem Überdruck (ca. 7-8 bar bei Raumtemperatur) in
flüssiger Form im Kraftstofftank vorliegt (aus diesem Grunde hier des weiteren mit "Mittel
druckkraftstoff" bezeichnet, in Abgrenzung zu den bei Raumtemperatur und Atmosphären
druck flüssigen Kraftstoffen ["Niederdruckkraftstoffe"], wie Benzin, Diesel oder ähnliche),
bei Atmosphärendruck aber gasförmig ist.
Bei den bisher bekannten und auf dem Markt erhältlichen Systemen zur Zuführung von Flüs
siggas in den Brennraum einer Brennkraftmaschine drückte sich das Flüssiggas aus dem spe
ziellen, druckfesten Flüssiggastank (Abblasüberdruck des Drucksicherheitsventils: 30 bar)
durch den eigenen Überdruck flüssig in einen Verdampfer-Druckregler, wo er, durch Redu
zierung des Überdrucks und unter Zuführung von Wärmeenergie zum Ausgleich der Ver
dampfungskälte, aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt und in diesem gas
förmigen Aggregatzustand dem Ansaugtrakt des Motors zugeführt wurde. Entweder ange
saugt durch den Unterdruck der im Ansaugtrakt strömenden Verbrennungsluft oder durch,
über eine Regelung geregeltes, aktives Einblasen vor die Einlaßventile der Brennkraftmaschi
ne.
Den aktuellen Stand der Technik bei der Zuführung von Flüssiggas repräsentiert die Zufüh
rung des Flüssiggases in den Ansaugtrakt in flüssigem Zustand, wobei eine Pumpe in Verbin
dung mit einem Druckregler den konstanten Druck der Flüssigphase vor den Einspritzventilen
sichert. (http:/ / www.gas-autogasanlagen.de/Autogasanlagen/autogasanlage.html und
http:/ / www.autogastechnik.de/technik.html). (EP 0 725 208 B1)
Stand der Technik bei der Zuführung von Benzin oder Diesel oder ähnlicher, bei Atmospä
rendruck und Raumtemperature flüssigen, Kraftstoffen (hier des weiteren deshalb in Abgren
zung zum Flüssiggas als "Niederdruckkraftstoff" bezeichnet) ist die Direkteinspritzung, bei
der der Kraftstoff mit Hochdruck in den Brennraum der Brennkraftmaschine direkt einge
spritzt wird, mit geschichteter Ladung bei Teillast. ("Innovationen für sicheres, sauberes und
sparsames Autofahren [Komponenten, Module, Systeme]", Informationsbroschüre der Firma
Bosch mit der Nummer 1 987 485-ZVW2-0100-D, Seite 4-8). Deren Technik ist be
kannt und wird hier deshalb nicht weiter erläutert. Allerdings können Direkteinspritzmotoren
mit den bisher verwendeten Kraftstoffzuführungkonfigurationen nicht als direkteinspritzendes
System mit Flüssiggas betrieben werden, weil sie die dafür notwendigen Betriebsdrücke und
Kraftstofftemperaturen am Hochdruckpumpeneingang nicht erreichten.
Für den bivalenten Betrieb von Brennkraftmotoren mit Benzin oder Diesel oder ähnlichen, in
Kombination mit Flüssiggas werden bisher für jeden Kraftstoff ein eigenes Kraftstoffzufüh
rungssystem benutzt. Dies hat einen relativ hohen Bauaufwand zur Folge.
Weiter führt die Einspritzung von Flüssiggas vor die Einlaßventile nach wie vor zur Verdrän
gung von angesaugter Luft durch das verdampfende Brenngas und damit zur Verringerung
der zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Gemischmasse.
Außerdem ist mit der Einspritzung von Kraftstoff vor die Einlaßventile kein Betrieb mit ge
schichteter Ladung möglich.
Vorteile der Erfindung
Diese Probleme werden durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst,
indem die vorliegende Erfindung bewirkt, daß
- a) auch Flüssiggas direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden
kann und daß,
- b) durch das Zusammenführen der Benzin- und Flüssiggaskraftstoffleitungen vor der Hoch
druckpumpe des Einspritzsystems, mit einem einzigen Einspritzsystem wahlweise sowohl
Niederdruckkraftstoffe (Benzin oder Diesel oder ähnliches), als auch Mitteldruckkraftstoff
(Flüssiggas = Autogas = LPG = Liquified-Petroleum-Gas) oder ein Gemisch aus beidem
direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Die Vorteile der Erfindung
- a) Flüssiggas ist ein Produkt, welches bei der Herstellung von Benzin oder Diesel automa
tisch anfällt. Seine Nutzung erhöht somit die Ausnutzung des Rohöls.
- b) gegenüber Systemen mit Benzindirekteinspritzung:
- 1. die höhere Energiedichte (ca. 2%) des LPG-Luft-Gemisches steigert die Leistung
- 2. die höhere Oktanzahl von LPG und die bessere innere Gemischkühlung erlauben eine
höhere Verdichtung, die wiederum auch bei Volllast den Wirkungsgrad, das Drehmo
ment und die Leistung steigert.
- 3. die Rohemmissionen von umweltbelastenden Schadstoffen verringert sich, insbesonde
re beim Kaltstart, weil eine Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches nicht nötig ist.
- 4. die CO2-Emission verringert sich um bis zu 20%
- 5. da Flüssiggas so gut wie kein Schwefel enthält wird die Abgasreinigung vereinfacht
- 6. gesundheitsschädliche toxische Emissionen von Pak, Aldehyden, Benzol, Toluol ver
mindern sich
- 7. keine Grundwassergefährdung durch LPG, da es nicht wasserlöslich ist
- 8. die Lebensdauer von Motor und Zündkerzen verlängert sich durch die Verminderung
aggresiver Säuren und Kohlenstoffablagerungen und geringere Verwässerung des
Schmieröls
- c) Gegenüber Flüssiggassystemen mit Saugrohreinspritzung:
- 1. reduzierter Kraftstoffverbrauch durch die Direkteinspritzung. Im europäischen Fahrzyklus
(NEFZ) beträgt die Einsparung gegenüber Motoren mit herkömmlichen Einspritzverfah
ren 15-20% Kraftstoff. Hinzu kommt noch die Kraftstoffeinsparung durch die vollständi
ge Füllung der Zylinder mit Verbrennungsluft, so daß Kraftstoffeinsparungen bis zu 30%
möglich sind.
- 2. es wird kein zweites Einspritzsystem benötigt und auch keine zusätzliche Regelfunktion
für den Mitteldruckkraftstoff, wie in EP 0 725 208 B1 beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die Systembereiche der Brennstoffdirekteinspritzung, Fig. 2 eine mono
valente Ausführung des Brennstoffdirekteinspritzsystems für den Mitteldruckkraftstoff Flüs
siggas in der Variante mit zwei Kraftstoffrückführungsleitungen aus dem Hochdruckbereich,
die den unverbrauchten Kraftstoff in den Tank zurückführen, Fig. 3 eine monovalente Aus
führung des Brennstoffdirekteinspritzsystem für den Mitteldruckkraftstoff Flüssiggas in der
Variante mit der Kraftstoffrückführung in die Kraftstoffzuführungsleitung vor der Hoch
druckpumpe, Fig. 4 eine bivalente Variante für Mitteldruck- und Niederdruckkraftstoffe.
Diese Variante ist gekennzeichnet durch zwei Kraftstoffrückführungsleitungen im Nieder
drucksystem, die im Niederdruckkraftstofftank enden. Fig. 5 zeigt ebenfalls eine bivalente
Ausführung. Sie unterscheidet sich in der Anordnung von Hochdruckpumpe und Hochdruck
regler im Hochdruckteil von der in Fig. 4 dargestellten Variante. Außerdem besitzt sie nur
eine Kraftstoffrückführungsleitung die zudem nicht im Tank endet, sondern vor der Hoch
druckpumpe in die Kraftstoffzuführungsleitung mündet.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung basiert auf am Markt käuflichen Brennkraftmaschinen mit einem Direktein
spritzsystem für Niederdruckkraftstoffe. Aus diesem Grunde wird in Fig. 1 nur das, bei die
sen Brennkraftmaschinen übliche, prinzipielle Zusammenwirken der Systembereiche Kraft
stoffversorgung A (bestehend aus einer Mitteldruckkraftstoffversorgung A1 oder einer Mit
teldruckkraftstoffversorgung A1 und einer Niederdruckkraftstoffversorgung A2), Hoch
druckteil B, der elektronischen Regelung C und der Peripherie D dargestellt und auf die wei
tere Erläuterung der Bereiche B, C und D verzichtet, da einer der Vorteile der hier beschrie
benen Erfindung es ja ist, daß zur direkten Einspritzung nicht in diese Bereiche eingegriffen
werden muß, um Flüssiggas direkt einzuspritzen.
In Fig. 2 ist eine monovalente Ausführung des Kraftstoffdirekteinspritzsystems gezeigt, bei
der das Niederdruckkraftstoffsystem A2 durch ein Mitteldruckkraftstoffsystem A1 ersetzt ist.
Aus einem mitteldruckfesten Kraftstofftank 10 (Abblasdruck 30 bar), der über eine Fülllei
tung 11 befüllt wird, drückt nach Öffnen des Magnetventils 3 Flüssiggas 18 in die Zuleitung
12 durchfließt den Kraftstoffkühler 14 und gelangt anschließend an den Eingang der Mittel
druchkraftstoffpumpe 4. Die Kraftstoffpumpe 4 erhöht den Druck des Flüssiggases 18 und
sorgt zusammen mit dem Niederdruck-Druckregler 6 dafür, daß das Flüssiggas 18 in flüssi
gem Zustand zum Eingang der Hochdruckpumpe 5 gelangt. Diese drückt das Flüssiggas mit
einem um den Kraftstoffdichtefaktor (Dichte Niederdruckkraftstoff zu Dichte Flüssiggas)
erhöhten Druck in den Brennraum der Brennkraftmaschine, geregelt von der elektronischen
Regelung C. Nicht verbrauchter, überschüssiger Kraftstoff wird über die Rückführungsleitun
gen 16 und 19 in den Flüssiggastank 10 zurückgeführt.
Fig. 3 zeigt ebenfalls eine monovalente Ausführung der Flüssiggasdirekteinspritzung aber
mit einer anderen Konfiguration des Hochdruckteils B. Hier sind Rail 7 und Hochdruck
druckregler 8 miteinander verbunden und der überschüssige Kraftstoff wird hier nicht in den
Kraftstofftank, sondern vor der Hochdruckpumpe 5 wieder in die Zuführungsleitung zurück
geführt.
Die Fig. 4 erläutert den hydraulischen Schaltplan einer Kraftstoffdirekteinspritzanlage nach
Anspruch 7-24 mit einer von der gemeinsamen Kraftstoffzuleitung 20 abzweigenden Kurz
schlußleitung 13 und zwei separaten Kraftstoffrückleitungen 16 zum Niederdruckkraftstoff
tank.
Abgebildet ist das Mitteldruckkraftstoffsystem A1 mit einer Zuführungsleitung 1 aus dem
Niederdruckkraftstofftank (nicht abgebildet), die zu einer Hochdruckkraftstoffpumpe 5 führt.
Über das Kraftstoffverteilerrohr (Common-Rail) 7 führt die Kraftstoffhochdruckleitung zum
Kraftstoffhochdruckregler 8. Sowohl vom Hochdruckregler 8 als auch von der Hochdruck
kraftstoffpumpe 5 führt eine Kraftstoffrücklaufleitung 16 zurück in den Niederdruckkraft
stofftank.
An die Niederdruckkraftstoffleitung 1 wird mit einem T-Stück die Zuleitung für das Flüssig
gas angeschlossen, die aus dem Drucktank 10 für das Flüssiggas kommt. Durch Magnetven
tile 3 in Kombination mit Rückschlagventilen 2 wird sichergestellt, daß nur aus einem der
beiden Kraftstofftanks Kraftstoff zur Hochdruckpumpe 5 fließt und das Flüssiggas mit seinem
höheren Druckniveau nicht in den Niederdruckkraftstofftank drückt.
Die zweite Kraftstoffpumpe 9 in dieser Leitung dient zur kurzzeitigen Druckerhöhung im
Niederdruckkraftstoffsystem in der Phase des Umschaltens aus dem Flüssiggasmodus in den
Niederdruckkraftstoffmodus. Ohne diese zweite Kraftstoffpumpe 9 würde sich nach dem Ab
schalten der Mitteldruckkraftstoffpumpe 4 das Druckniveau in den Kraftstoffzuführungslei
tungen 1 und 20 auf das Druckniveau des Niederdruckkreislaufs sinken, also unter den Druck,
der das Flüssiggas daran hindert zu verdampfen. Es befinden sich aber zum Zeitpunkt des
Umschaltens und auch noch einige Weile danach Flüssiggasreste im Einspritzsystem, die
durch den erhöhten Druck am Verdampfen gehindert werden. Der erhöhte Druck wird im
Niederdruckbetriebsmodus von der zweiten Niederdruckkraftstoffpumpe 9 so lange aufrecht
erhalten, bis sämtliches Flüssiggas im gesamten Leitungssystem durch Niederdruckkraftstoff
ersetzt ist.
Die Kraftstoffpumpe 4 erhöht bei Betrieb im Flüssiggasmodus den Druck des Flüssiggases
und sorgt dadurch dafür, daß das Flüssiggas, auch bei Erwärmung, die HD-Pumpe 5 im flüs
sigen Zustand erreicht. Dem gleichen Zweck dient ein Kraftstoffkühler 14, der vor der Kraft
stoffpumpe 4 angebracht ist. Überschreitet die Kraftstofftemperatur einen kritischen Wert
(ca. 30°C), dann wird über den Temperaturfühler 17 der Kühlprozeß gestartet, bei dem Küh
lung durch ein verdampfendes Medium, entweder durch das Kältemittel des Kühlkreislaufes
der Klimaanlage oder einen abgezweigten Teil Flüssiggas 18 bewirkt wird. Abgebildet ist die
Variante mit abgezweigtem Flüssiggas 18, das anschließend über den Kreislauf für ver
dampften Niederdruckkraftstoff dem Ansaugtrakt des Motors zugeführt wird.
Die zusätzliche Kraftstoffpumpe 9 eröffnet gleichzeitig die Möglichkeit über eine weitere
Abzweigleitung 13, die in die Rücklaufleitung 16 mündet und zusammen mit dieser in die
Füllleitung 11 für das Flüssiggas geführt wird, Niederdruckkraftstoff in den Flüssiggastank zu
pumpen, wodurch ein Niederdruckkraftstoff-Flüssiggasgemisch mit frei wählbaren Gemisch
anteilen erzeugt werden kann. Durch die Beimischung von Niederdruckkraftstoff zum Flüs
siggas wird möglichen Schmierungsproblemen im System vorgebeugt. Gesteuert wird dieser
Prozeß über ein separat schaltbares Magnetventil 15.
Das Druckregelventil 6 sorgt für konstanten Druck am Eingang der Hochdruckkraftstoffpum
pe 5 auch im Mitteldruckbetriebsmodus.
Von der Kraftstoffzuführungsleitung 20 zweigt vor der Hochdruckpumpe 5 eine Steuerleitung
22 ab, die den Steuerkolben des Hochdruckreglers 8 bei Betrieb mit Flüssiggas mit einem
Druck beaufschlagt, der sich zu der vorhandenen Federspannung hinzuaddiert und dadurch
den notwendigen höheren Einspritzdruck im Flüssiggasmodus erzeugt.
Im Flüssiggasbetriebsmodus wird das überschüssige Flüssiggas über die Rückleitung für den
Mitteldruckkraftstoff 19 in die Flüssiggasfüllleitung 11 geführt und gelangt von dort zurück in
den Flüssiggastank 10. Rückschlagventile 2 verhindern ein Ausströmen des Flüssiggases 18.
Die Erfindung hat Vorteile auf mehreren Ebenen. Weil das Flüssiggas nun direkt und flüssig
in den Brennraum eingespritzt wird, verdrängt es keine Ansaugluft mehr. Dadurch erhöht sich
der Füllungsgrad der Zylinder gegenüber Einspritzung in den Ansaugtrakt und damit auch die
Leistung des Motors. Gleichzeitig bleiben alle Vorteile des Direkteinspritzverfahrens erhalten.
Die zweite Vorteilsebene ist die bauliche Vereinfachung beim Flüssiggassystem. Gas-
Luftmischer, Verdampfer-Druckregler, und separate Einspritzdüsen für das Flüssiggas fallen
weg. Auch ein eigenes Meß- und Regelsystem für das Flüssiggas ist entbehrlich, da durch den
flüssigen Aggregatzustand beider Kraftstoffe das vorhandene System für den Niederdruck
kraftstoff für beide Kraftstoffe genutzt werden kann.
Fig. 5 zeigt ebenfalls eine bivalente Ausführung der Kraftstoffdirekteinspritzung aber mit
einer anderen Konfiguration des Hochdruckteils B. Hier sind Rail 7 und Hochdruckdruck
regler 8 miteinander verbunden und der überschüssige Kraftstoff wird hier nicht über die
Kraftstoffrückleitung 16 in den Kraftstofftank, sondern vor der Hochdruckpumpe 5 wieder in
die Zuführungsleitung 20 zurückgeführt.
Abgebildet ist ein Kraftstoffbehälter für Flüssiggas 10, von dem eine Kraftstoffleitung 12
wegführt und ein Direkteinspritzsystem B, bestehend aus einer Hochdruckpumpe 5, einem
Verteilerrohr 7 mit zu Hochdruckeinspritzventilen führenden Hochdruckleitungen 21 und
einem Drucksteuerventil 8, von dem aus eine Kraftstoffrückleitung 16 vor der Hochdruck
pumpe in die gemeinsam Kraftstoffzuführungsleitung 20 mündet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitungen 1 und 12, die die
Tanks der beiden Kraftstoffarten mit dem Direkteinspritzsystem B verbinden, vor der Hoch
druckpumpe 5 in eine gemeinsame Leitung 20 zusammengeführt werden. Durch ein Magnet
ventil 3 in Kombination mit einem Rückschlagventil 2 in den Zuführungsleitungen 1 und 12
wird sichergestellt, daß immer nur einer der beiden Kraftstoffe zur Hochdruckpumpe 5 fließen
kann und das Flüssiggas 18 mit seinem höheren Druckniveau nicht in den Niederdruckkraft
stofftank drückt. Eine Kraftstoffpumpe 4 erhöht den Druck des Flüssiggases und sorgt da
durch dafür, daß das Flüssiggas 18, auch bei Erwärmung, die Hochdruckpumpe 5 im flüssigen
Zustand erreicht.
Dem gleichen Zweck dient ein Kraftstoffkühler 14, der vor der Kraftstoffpumpe 4 in die Zu
leitung 12 eingebaut ist. Überschreitet die Kraftstofftemperatur einen kritischen Wert
(ca. 30°C), dann wird über den Temperaturfühler 17 der Kühlprozeß gestartet, bei dem Küh
lung durch ein verdampfendes Medium, entweder Kältemittel des Kühlkreislaufes der Klima
anlage oder ein abgezweigter Teil Flüssiggas 18, bewirkt wird. Abgebildet ist die Variante mit
dem Anschluß an den Klimaanlagenkreislauf.
Um bei einem bivalentem Benzin-Flüssiggassystem im Betrieb mit Flüssiggas die geringere
Dichte dieses Kraftstoffes gegenüber Benzin zu kompensieren, muß die Hochdruckpumpe 5
für die gleiche Menge Verbrennungsluft ein größeres Volumen an Flüssiggas 18 im Vergleich
zu z. B. Benzin in die Brennräume einspritzen. Dies geschieht durch die den reziproken
Dichten entsprechende Erhöhung des Einspritzdruckes, gesteuert durch das Druckregelventil
8.
Liste der Bezugszeichen
1
Niederdruckkraftstoffleitung
2
Rückschlagventil
3
Magnetventil
4
Kraftstoffpumpe der Mitteldruckkraftstoffversorgung (LPG-System)
5
Hochdruckpumpe
6
Niederdruck-Druckregler
7
Kraftstoffverteilerrohr (Common-Rail)
8
Hochdruckregler
9
2. Kraftstoffpumpe der Niederdruckkraftstoffversorgung
10
Druckfester Tank für den Mitteldruckkraftstoff (LPG)
11
Füllleitung der Mitteldruckkraftstoffversorgung
12
Zuleitung für den Mitteldruckkraftstoff
13
Kurzschlußleitung
14
Kraftstoffkühler
15
Magnetventil in der Kurzschlußleitung
16
Rückleitung für den Niederdruckkraftstoff
1
17
Temperaturfühler für die Mitteldruckkraftstofftemperatur
18
Flüssiggas (LPG)
19
Rückleitung für den Mitteldruckkraftstoff
20
Gemeinsame Kraftstoffleitung
21
Magnetventil für die Kühlmittelzuführung
22
Steuerleitung