DE102008024561B4

DE102008024561B4 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008024561B4
Application number: DE200810024561
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Dipl. - Ing. ( TH ) Winkelmann
Original assignee: Vialle Alternative Fuel Systems BV
Current assignee: Vialle Group Bv Nl
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: DE102008024561A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, welche unter anderem einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine folgende Schritte ausgeführt werden: a) Detektieren eines durch einen elektrischen Verbraucher induzierten Signals durch Detektieren eines Signals, welches für einen Abfall der an der Batterie anliegenden Spannung aufgrund der Aktivierung des elektrischen Verbrauchers repräsentativ ist, b) Beginn einer Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) im Ansprechen auf das detektierte Signal, wobei dieses als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung eingesetzt wird

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Otto-Motoren werden nach dem Stand der Technik für den Betrieb mit dem Kraftstoff Benzin ausgelegt. Dementsprechend sind die Steuerungs- und Regelstrategien des Motormanagements des Motorsteuergerätes und die von ihm verwendeten Kennfelder auf die physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs Benzin abgestellt, insbesondere auf dessen Verdampfungscharakteristik.
Die Verdampfungscharakteristik des Kraftstoffs Benzin unterscheidet sich aber erheblich von der Verdampfungscharakteristik des Kraftstoffs LPG. Während Benzin einen Siedebereich von 25°C–210°C aufweist und sein Dampfdruck im Betrieb ungefähr bei 0,5 bar liegt, beträgt die Siedetemperatur von LPG bei einem Druck von 1013 mbar –30°C (Gilt für LPG-Kraftstoff bestehend aus 60% Propan und 40% Butan) und der Dampfdruck ungefähr 6 bar.
Aus diesem Unterschied der Kraftstoffverdampfungscharakteristika ergeben sich beim Betrieb eines Otto-Motors mit dem Kraftstoff LPG in Flüssigphase spezifische Probleme, besonders beim Start des Motors sowohl in kaltem (Kaltstart) als auch warmem Betriebszustand (Warmstart).
Einspritzsysteme, die LPG in flüssiger Phase einspritzen, haben prinzipiell das Problem, dass der Betriebsdruck an jeder Stelle im Kraftstoffvorlauf des Kraftstoffzuführungssystems vom Kraftstofftank bis zu den Kraftstoffeinspritzventilen über dem Verdampfungsdruck des verwendeten LPG liegen muss, damit die Verbrennungskraftmaschine störungsfrei arbeiten kann. Dafür sorgt in bekannten Einspritzsystemen, die LPG in Flüssigphase einspritzen, eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe im LPG-Tank in Kombination mit einem Druckregler in der Kraftstoffrücklaufleitung. Eine Kraftstoffverdampfungsdruckkompensation des Druckreglers gewährleistet, dass die wechselnden Verdampfungsdrücke infolge unterschiedlicher Kraftstofftemperaturen des LPG im LPG-Tank nicht durch einen, von der Kraftstoffpumpe zu erzeugenden, Überdruck kompensiert werden müssen. Die Kraftstoffverdampfungsdruckkompensation des Druckreglers kompensiert jedoch nicht die lokale Verdampfungsdruckerhöhung, die sich durch Erwärmung des LPG auf seinem Weg vom LPG-Tank zu den Einspritzventilen durch Wärmeeintrag aus Wärmequellen, wie Wicklung der Kraftstoffpumpe, Magnetventil der Absperrvorrichtung am LPG-Tank, Wärmeleitung aus dem betriebswarmen Motor und der durch ihn erhitzten Luft im Motorraum, Kraftstoffkompression in der Hochdruckpumpe, Magnetventile zur Verriegelung der Kraftstoffe gegeneinander bei bivalentem Betrieb, einstellt. Bei laufendem Motor wird dieses Problem durch einen kontinuierlichen, kühlenden Kraftstoffumlauf im Kraftstoffversorgungssystem und durch den kühlenden Kraftstoffdurchsatz durch die Kraftstoffeinspritzdüsen gelöst.
Bekannte Systeme, die LPG in flüssiger Phase in den Ansaugkanal eines Otto-Motors einspritzen, haben einen geringeren Wärmeeintrag in das LPG als Systeme, die LPG in Flüssigphase direkt in den Brennraum einspritzen. Deshalb genügt ihnen in diesem Betriebszustand normalerweise ein permanenter Überdruck von 3–5 bar, um die den Verdampfungsdruck erhöhenden Wärmeeinträge auf dem Weg des LPG in Flüssigphase vom Tank zu den Einspritzventilen so abzupuffern, dass das LPG in Flüssigphase bleibt. Allerdings bleibt auch bei dieser Konfiguration das Restrisiko, dass bei länger andauerndem, ununterbrochenem Motorbetrieb und einem daraus resultierenden geringen Tankinhalt im LPG-Tank sich das LPG im LPG-Tank so stark erwärmt, dass sein Verdampfungsdruck höher ist als der Druck, den eine Pumpe an einer LPG-Tanksäule erzeugt, so dass ein Nachtanken von LPG erst nach einer Abkühlungsphase möglich ist.
Direkteinspritzsysteme, wie sie in der DE 101 46 051 beschrieben sind, die LPG in flüssiger Phase in den Brennraum des Otto-Motors einspritzen, haben durch die Kraftstoffhochdruckpumpe und die Magnetventile, die die Umschaltung der Kraftstoffsorten steuern, einen zusätzlichen, höheren Wärmeeintrag in den Kraftstoff.
In der DE 101 46 051 wird deshalb ein Kraftstoffzuführungssystem für LPG beschrieben, das in der Kraftstoffzuführungsleitung eine an eine Klimaanlage angeschlossene Kraftstoffkühlvorrichtung aufweist. Mit dieser Konfiguration werden alle Wärmeeinträge in das LPG bei laufendem Motor beherrscht.
Nicht beherrscht wird mit dem in der DE 101 46 051 beschriebenen Kraftstoffdirekteinspritzsystem der rasche Warmstart nach längerem Abstellen eines betriebswarmen Motors, wenn sich Bauteile des Kraftstoffzuführungssystems, hier besonders die Kraftstoffhochdruckpumpe, stark erwärmt haben. Ursache ist die aus dem Motorblock in die Bauteile einströmende Wärme, die nicht mehr durch den im Kraftstoffniederdruckkreislauf umgewälzten oder in den Brennraum des Otto-Motors eingespritzten Kraftstoff abgeführt wird. Wird dann der Motor erneut gestartet, kann das Anspringen des Motors daran scheitern, dass kein flüssiger Kraftstoff zur Verfügung steht, weil dieser zwischenzeitlich verdampfte und sein Verdampfungsdruck höher ist als der von der Kraftstoffvorförderpumpe im LPG-Tank erzeugte Kraftstoffüberdruck.
Otto-Motoren, die mit Benzin betrieben werden, genügt ein kurzer Vorlauf der Benzinpumpe vor dem Motorstart mit kurzzeitiger Erhöhung des Kraftstoffdruckes, um Kraftstoffblasen im Niederdruckkraftstoffzuführungssystem, die eventuell durch Erwärmung entstanden sind, zu beseitigen. Dieser Benzinpumpenvorlauf wird bei Kraftfahrzeugen z. B. durch das Öffnen der Fahrertür gestartet.
Otto-Motoren, die als Kraftstoff LPG in Flüssigphase einspritzen, haben das Problem, dass das LPG im Verlaufe dieses Erwärmungsprozesses innerhalb der Bauteile des Einspritzsystems aus der Flüssigphase in die Dampfphase übergehen. Werden diese Kraftstoffdampfblasen im Einspritzsystem vor Startbeginn des Motors nicht beseitigt, ist der Motor nicht startfähig.
Ein Start mit LPG bei warmem Motor ohne kraftstoffkühlende Maßnahmen wäre bei Otto-Motoren, die mittlerweile ausschließlich mit ”top-feeded” Einspritzventilen flüssig und intermittierend in den Ansaugkanal einspritzen (Kanaleinspritzung) und in der neuesten Generation zunehmend ohne Kraftstoffrücklauf von der Kraftstoffrail in den Kraftstofftank auskommen, nur mit einem sehr hohen Kraftstoffpumpendruck zu realisieren.
Diese Probleme beim Starten des Motors mit LPG werden bei bekannten Systemen dadurch umgangen, dass der Otto-Motor mit zwei vollständigen Kraftstoffzuführungssystemen, in der Regel mit den Kraftstoffen Benzin und LPG in Flüssigphase, betrieben wird, wobei das LPG-System mit ”bottom-feeded” Einspritzventilen und einem Kraftstoffrücklauf in den LPG-Kraftstofftank arbeitet und die Möglichkeit besteht, zwischen den Kraftstoffen hin und her zu schalten. Diese Motoren werden in der Regel auch im LPG-Betriebsmodus mit Benzin gestartet. Nach erfolgreichem Motorstart schaltet die Steuerung des Motors nach einer mehr oder weniger langen Warmlaufphase von dem Kraftstoff Benzin auf den Kraftstoff LPG um.
In der EP 1 095 214 B1 wird ein Kraftstoffsystem zur Kanaleinspritzung von Flüssiggas beschrieben, welches mit variablen Pumpendrücken zwischen 8 bar und 4 bar operiert, wobei mit zunehmender Temperatur des LPGs im Kraftstofftank der Pumpendruck von 8 bar bis auf 4 bar zurückgeht, wenn der Druck im LPG-Tank auf 25 bar ansteigt. Für ein Einspritzsystem, welches LPG mit ”bottom-feeded” Einspritzventilen in den Ansaugkanal einspritzt, sind diese Pumpendrücke ausreichend, um Gasblasenbildung auch beim Warmstart zu unterdrücken, weil hier nur, wie in der DE 103 60 977 angeführt, Temperaturdifferenzen von etwa 12–16°C zu überdrücken sind, wofür Drücke über 4 bar sicher genügen. Nachteilig ist hier jedoch der hohe Druck, der von der In-Tank-Pumpe im LPG-Tank permanent erzeugt werden muss, was erhöhten Pumpenverschleiß, erhöhten Wärmeeintrag in den Kraftstoff und erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.
In der DE 103 60 977 A1 wird für einen Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung von LPG in Flüssigphase vorgeschlagen, den Motorstart um vorgegebene Zeitabschnitte zu verzögern, wenn eine vorgegebene Kraftstofftemperatur in der Treibstoffleitung nicht unterschritten ist, währenddessen die Kraftstoffpumpe im LPG-Tank bis kurz nach dem Motorstart mit maximaler Leistung pumpt. Der infrage kommende Zeitabschnitt wird mit 15 bis 30 Sekunden angegeben. Diese Lösung setzt ”bottom-feeded” Einspritzventile und einen Kraftstoffrücklauf in den Tank voraus. Andernfalls müsste sie mit so hohem Druck der In-Tank-Pumpe im LPG Tank operieren, dass sich dadurch die Wartezeit erübrigen würde.
Bei Otto-Motoren, die LPG direkt einspritzen, ist zwar der Kraftstoffhochdruckbereich aufgrund der dort herrschenden hohen Drücke dampfblasenunkritisch, jedoch genügen im Niederdruckbereich der hochdruckerzeugenden Kraftstoffhochdruckpumpe auch die in der EP 1 095 214 B1 genannten, für Vorförderpumpen im Kraftstofftank hohen, Drücke von 8 bar nicht, um beim Warmstart die Dampfblasen, die sich aufgrund der Temperaturen von über 70°C, auf die sich das Hochdruckpumpengehäuse im Stillstand nach einer längeren Betriebsphase aufheizen kann, bilden, in die Flüssigphase zurückzuführen.
In der EP 06 023 298.0 ist vom Autor des Antrages beschrieben, dass bei Otto-Motoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung ein Betrieb mit LPG in Flüssigphase bei warmem Motor, je nach Aufbau der Kraftstoffhochdruckpumpe, mit vertretbarem technischen Aufwand nur möglich ist, wenn eine Niederdruckkraftstoffrückführungsleitung, vorzugsweise durch einen zusätzlichen Adapter oder eine zusätzliche Bohrung, so mit dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe verbunden ist, dass ein Niederdruckkraftstoffkreislauf entsteht, der den Eingang zur Hochdruckpumpenkammer der Kraftstoffhochdruckpumpe als thermisch kritische Stelle des LPG-Kraftstoffzuführungssystems gut umspült, unabhängig von der Menge des für die Verbrennung abgezweigten Kraftstoffes.
Ein Warmstart ohne inakzeptable zeitliche Verzögerung durch den Abkühlungsprozess der Kraftstoffhochdruckpumpe ist jedoch allein durch diese Konfiguration nicht bei allen Bauformen der Kraftstoffhochdruckpumpe gewährleistet. Als inakzeptabel wird hier ein Zeitraum definiert, der grösser als 30 s ist. Der Zeitraum von 30 s wurde in Versuchen als der Zeitraum ermittelt, der von der Betätigung der Funkentriegelung bis zum Starten des Motors normalerweise benötigt wird, vorausgesetzt die Sicherheitsgurte werden vor dem Motorstart angelegt.
Unter der Nummer DE 3231881 wurde ein Patent zur Kraftstoffkühlung angemeldet, in dem vorgeschlagen wird, insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen einen Kraftstoff durchflossenen Wärmetauscher in den Kühlmittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage einzubinden. Kraftstoffkühlung wird bei den Stand der Technik repräsentierenden Otto-Motoren mit Kraftstoffeinspritzung normalerweise nicht benötigt und angewendet, ebenso bei Kanaleinspritzung von Otto-Motoren im bivalenten Betrieb mit den Kraftstoffen Benzin und LPG.
Das US-Patent 5,775,281 offenbart ein Verfahren zur Verhinderung des unerwünschten Verdampfens von LPG in einer Kraftstoffanlage aufgrund von Hitzestauungen. Werden diese beim Betätigen des Anlassers detektiert, wird das Starten des Motors verzögert und die Kraftstoffanlage zunächst nur mit Kraftstoff gefüllt und/oder gespült, bis diese abgekühlt ist. Alternativ wird der Motor zunächst mit einem alternativen Kraftstoff versorgt und gestartet.
Die DE 103 10 151 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffanlage für einen LPG-Motor, bei dem das Starten des Motors nach der Betätigung des Anlassers durch den Fahrer verzögert wird und zunächst mit einer Heizeinrichtung das LPG aufgeheizt wird. Dadurch soll sichergestellt werden, dass das dem Motor zugeführte LPG annähernd vollständig verdampft ist. Dabei wird der Heizbedarf bei jedem Start ermittelt und die Kraftstoffzufuhr zum Motor beim Starten um die ermittelte Heizdauer verzögert.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine entsprechend arbeitende Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit denen die erwähnten Nachteile beim Motorstart vermieden werden.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird vor dem Starten des Motors zunächst über eine elektronische Steuereinheit ein Signal erfasst, welches auf einen Batteriespannungsabfall zurückzuführen ist, zum Beispiel durch Betätigen eines Fernentrieglers. Dieses Signal wird als Startimpuls für den Beginn einer Kraftstoffumwälzung eingesetzt. Hierdurch wird insbesondere beim Warmstart eine Kühlung des zu zündenden Kraftstoffs vor dem Starten des Motors erreicht.
Zudem wird durch die Erfindung erreicht, dass

– die Direkteinspritzung von LPG möglich wird, die sonst aus Platzgründen und auch aus Kostengründen scheitern würde,
– die Vorhaltung eines zweiten Kraftstoffzuführungssystems für die Zuführung eines Normaldruck-Ottokraftstoffes, einschließlich des geschlossenen Kraftstoffsystems, das das Austreten von Kraftstoffdämpfen aus dem Kraftstofftank verhindert, aus technischen Gründen überflüssig wird,
– ein Betrieb eines Otto-Motors ausschließlich mit LPG möglich ist,
– kein teurer Normaldruck-Ottokraftstoff, vorzugsweise Benzin, zum Starten des Motors mehr benötigt wird, was besonders beim Einsatz von Start-Stopp-Systemen enorm an Bedeutung gewinnt,
– durch das Vorgenannte CO2-Emission in einer Größenordnung von 15% und mehr vermieden wird,
– der von der Kraftstoffpumpe im LPG-Tank im Betrieb vorzuhaltende Druck über dem LPG-Verdampfungsdruck gering sein kann,
– die Kraftstoffpumpe im LPG-Tank keiner die Pumpenlebensdauer vermindernde Kavitation durch verdampfendes LPG ausgesetzt ist,
– dass ein dem Betrieb mit dem Kraftstoff Benzin vergleichbar, sicherer Betrieb des Otto-Motors ausschließlich mit dem Kraftstoff LPG möglich wird (auch bei einem Betriebszustand mit hohen Außentemperaturen und geringem Kraftstoffinhalt im Tank, der sogar beim Betrieb mit Benzin einen kritischen Zustand darstellt).

Es werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt und erläutert.
1 – zeigt die monovalente Version einer LPG-Direkteinspritzung in Otto-Motoren, die mit dem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 betrieben wird.
2 – zeigt eine bivalente Version einer LPG-Direkteinspritzung in Otto-Motoren, bei der im Betriebsmodus LPG ebenfalls das Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 genutzt wird.
Die 3a, b – zeigen einen Druckregler mit innerer Verdampfungsdruckkompensation, Bypass und drei Varianten einer Vorrichtung in dem Druckregler, die eine kurzzeitige Druckerhöhung ermöglichen.
In 1 drückt eine, in einem Catch-Tank 3 untergebrachte Kraftstoffpumpe 2 aus dem mit den vorschriftsmäßigen Sicherheitsarmaturen versehenen, druckfesten LPG-Tank 1, LPG in Flüssigphase 4 in die Kraftstoffvorlaufleitung 5 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 hin. In einer bevorzugten Ausführung durchströmt das LPG in Flüssigphase 4 auf dem Weg zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 einen an eine bordeigene Klimaanlage angeschlossenen Wärmetauscher 13, wo es zusätzlich gekühlt wird. Eine Bohrung 7, die an einer speziellen Stelle der Hochdruckpumpe 6 angebracht ist, ermöglicht es dem LPG in Flüssigphase 4 aus der Kraftstoffvorlaufleitung 5 am Eingang der Hochdruckpumpenkammer in der Hochdruckpumpe vorbei in die Kraftstoffrücklaufleitung 8 hin zum LPG-Tank 1 zu fließen. Ein von der Motorsteuerung angesteuertes Ventil in der Hochdruckpumpe 6 ermöglicht es dem für die Verbrennung benötigten Kraftstoff, aus dem vorbeiströmenden Kraftstoffstrom in die Hochdruckpumpenkammer der Hochdruckpumpe 6 abzufließen, wo der Kraftstoff 4 durch den Pumpenkolben unter Hochdruck gesetzt und über die Hochdruckkraftstoffleitung 9 zur Kraftstoffrail 10 gedrückt wird. Die Kraftstoffrail 10 versorgt die Kraftstoffeinspritzventile 20 mit dem notwendigen Kraftstoff, den diese mit Hochdruck (40–200 bar) in die Brennkammer des (hier nicht gezeigten) Motors einspritzen. Auf dem Weg von der Hochdruckpumpe 6 zurück zum LPG-Tank 1 durchströmt der Kraftstoff 4 einen mit einem Bypass 12 versehenen Druckregler 11 und einen an die Klimaanlage angeschlossenen Wärmetauscher 13, wo der Kraftstoff 4 nochmals gekühlt wird, damit er, trotz des in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 erfolgten Wärmeintrags, in flüssiger Phase zurück in den Catch-Tank des Tankmoduls 3 im LPG-Tank gelangt. Das vermeidet Kavitation durch verdampfendes LPG im Catch-Tank 3 und die damit verbundene Belastung der Kraftstoffpumpe 2.
Aus Sicherheitsgründen detektiert die Steuereinheit 16 über den Drucksensor 14 in allen Betriebsphasen einschließlich der Vorlaufphase und der Nachlaufphase bei stehendem Motor den Druck im Kraftstoffniederdruckkreislauf. Wird von der Steuereinheit 16 kein Druck im System festgestellt, dann unterbindet die Steuereinheit 16 den Betrieb der LPG-Kraftstoffpumpe 2 und schließt das Magnetventil 18 im Kraftstoffvorlauf. Ein Ausströmen von LPG 4 aus dem LPG-Tank 1 wird damit sowohl bei undichter als auch bei abgerissener Kraftstoffleitung 5/8 unterbunden.
Die Steuereinheit 16 detektiert bei Stillstand des Motors einen durch einen elektrischen Verbraucher induzierten Spannungsabfall der Batterie und nutzt diesen als Steuerimpuls, um die Kraftstoffpumpe 2 in Gang zu setzen. Damit wird erreicht, dass eine kühlende Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf schon dann in Gang gesetzt wird, wenn z. B. die Verriegelung eines Kraftfahrzeuges entsperrt wird, also noch vor dem Öffnen einer Fahrzeugtür. Gleichzeitig öffnet die Steuereinheit 16 den Bypass 12 des Druckreglers 11, was den hydraulischen Widerstand in der Kraftstoffleitung um den hydraulischen Widerstand des Druckreglers 11 verringert. Das vergrößert den Kraftstoffvolumenstrom und damit die Kühlwirkung.
Nach dem Abstellen des Motors registriert die Steuereinheit 16 über den Temperaturfühler 15 die Temperatur der Hochdruckpumpe 6. Überschreitet diese einen festgelegten ersten Wert, setzt die Steuereinheit 16 mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 einen kühlenden Kraftstoffumlauf in Gang. Zur Entlastung der Batterie und zur Verstärkung der Kühlwirkung öffnet dabei die Steuereinheit 16 den Bypass 12 des Druckreglers 11, damit dessen hydraulischer Widerstand umgangen wird. Der kühlende Kraftstoffumlauf wird so lange aufrechterhalten, bis eine niedrigere zweite definierte Temperatur an der Hochdruckpumpe 6 unterschritten wird. Diese Regelschleife wird so lange durchlaufen, bis das Steuergerät 16 keinen Temperaturanstieg über die erste definierte Temperatur hinaus feststellt. Bei einer Regelungsvariante des kühlenden Kraftstoffpumpennachlaufs im Kraftstoffniederdruckkreislauf werden die temperaturabhängig wechselnden Verdampfungsdrücke im LPG-Tank berücksichtigt. Die Steuereinheit 16 registriert nach dem Abstellen des Motors über den Temperaturfühler 15 die Temperatur der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 und vergleicht sie mit der Kraftstofftemperatur im LPG-Tank 1, die ein Temperaturfühler 17 am oder im LPG-Tank 1 ermittelt. Steigt die Temperatur an der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 über eine erste definierte, an der Dampfdruckkurve des LPGs orientierte Differenz zur Temperatur des Kraftstoffes 4 im LPG-Tank 1, setzt die Steuereinheit 16 mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 einen kühlenden Kraftstoffumlauf in Gang. Zur Entlastung der Batterie und zur Verstärkung der Kühlwirkung öffnet dabei die Steuereinheit 16 den Bypass 12 des Druckreglers 11, damit dessen hydraulischer Widerstand umgangen wird. Der kühlende Kraftstoffumlauf wird so lange aufrechterhalten, bis eine zweite definierte Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der Hochdruckpumpe 6 und der Temperatur des Kraftstoffes 4 im LPG-Tank 1 unterschritten wird. Diese Regelschleife wird so lange durchlaufen, bis das Steuergerät 16 keinen Temperaturanstieg über die erste definierte Temperaturdifferenz hinaus feststellt.
In 2 ist die entsprechende bivalente Version einer Direkteinspritzung von LPG in Flüssigphase 4 in Otto-Motoren abgebildet. Es gibt eine Kraftstoffzuführungsleitung im Niederdruckbereich 24 für den bei Normaldruck und Normaltemperatur flüssigen Kraftstoff (Normaldruckkraftstoff) 21, vorzugsweise Benzin, die von einer In-Tank-Kraftstoffpumpe 12 im Normaldruckkraftstofftank 20 beschickt wird und eine entsprechende Kraftstoffzuführungsleitung im Niederdruckbereich 5 für LPG. Die Kraftstoffzuführungsleitungen 5/24 für die beiden Kraftstoffe 4/21 werden stromaufwärts der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 gekoppelt und durch ein Rückschlagventil 31 und zwei Magnetventile 25/32 gegeneinander verriegelt. Damit wird sichergestellt, dass immer nur einer der beiden Kraftstoffe 4/21 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 6 gefördert wird. Zusätzlich wird im Niederdruckbereich der Kraftstoffzuführung des Normaldruckkraftstoffes eine zweite Kraftstoffpumpe 23 benötigt, um beim Umschalten von LPG in Flüssigphase 4 auf den Normaldruckkraftstoff 21 die Verdampfung von LPG in Flüssigphase 4 zu verhindern.
Gesteuert wird dieser Ablauf ebenfalls von dem Steuergerät 16. Im Detail wird der Umschaltprozess in der DE 101 46 051 beschrieben.
Ein wichtiger Unterschied in der Kraftstoffzuführung der beiden Kraftstoffe 4/21 liegt auch darin, dass der Normaldruckkraftstoff 21 ohne Rücklauf auskommt, während der Kraftstoff LPG in Flüssigphase 4 mit einem Kraftstoffrücklauf 8 aus der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 in den LPG-Tank 1 als Kraftstoffkreislauf betrieben wird, ohne den er nicht betriebssicher wäre.
Dieser Unterschied der Kraftstoffe 4/21 im Betrieb wird ebenfalls von der Steuerung 16 organisiert, indem sie kraftstoffspezifisch das Rücklaufventil 30 stromabwärts des Ausgangs des Niederdruckbereichs der Kraftstoffhochdruckpumpe öffnet oder geschlossen hält, und zwar geöffnet beim Kraftstoff LPG in Flüssigphase 4, wodurch hier ein Kraftstoffkreislauf erzeugt wird und geschlossen beim Normaldruckkraftstoff 21. Das EP 06 023 298.0 nennt die Anforderungen, die der Anschluss der Rücklaufleitung 8 an die Kraftstoffhochdruckpumpe 6 erfüllen muss, damit sie ihre Funktion erfüllt.
Bei dem in den 3a, b dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Kraftstoffdruckreglers 11 für eine Kraftstoffeinspritzanlage zur Einspritzung von LPG in Flüssigphase 4 in einen Ottomotor, stellt ein in einem Reglergehäuse 112 verschiebbarer Druckregelkolben 111 das druckregelnde Bauteil dar. Die kegelförmige Spitze 117 des Druckregelkolbens 111 setzt sich in eine entsprechende kegelförmige Aufnahme des Reglergehäuses 112 und dichtet dadurch ab. Die Dichtkraft wird durch eine Feder 113 bestimmt, die auf die Rückseite des Druckregelkolbens 111 drückt. Der Druckregelkolben 111 ist axial mit einer Durchflussbohrung 115 versehen. Sie bewirkt, dass der Verdampfungsdruck des LPGs 4 im Flüssiggastank 1 auch auf der Rückseite des Druckregelkolbens 111 wirksam wird. Das dadurch erzielte Druckgleichgewicht zwischen Vorderseite und Rückseite des Druckregelkolbens 111 hat zur Folge, dass die Kraft der Feder 113 nicht auch noch den Verdampfungsdruck des LPGs 4 vorhalten muss (innere Verdampfungsdruckkompensation). Durch diesen inneren Druckausgleich wird der im LPG-Tank 1 herrschende Verdampfungsdruck kompensiert, sodass der Überdruck, den die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 aufbringen muss, um das LPG am Verdampfen zu hindern, von dem Verdampfungsdruck des LPGs 4 im LPG-Tank 1 und damit auch von dessen aktueller Temperatur, unabhängig wird.
Der von der Kraftstoffpumpe 2 erzeugte Überdruck hat jetzt nur noch die Funktion, die Erhöhung des Verdampfungsdruckes zu überkompensieren, welche das LPG in Flüssigphase 4 auf seinem Weg vom LPG-Tank 1 zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 11 durch Wärmeeintrag aus verschiedenen Quellen, wie die Kraftstoffpumpe 2 selbst, das elektromagnetische Absperrventil 18 am Ausgang des LPG-Tanks 1 oder die Kraftstoffhochdruckpumpe 6 erfährt. Dazu bedarf es, solange im Niederdruckkraftstoffkreislauf 1–13 Kraftstoff 4 umgewälzt wird, bei günstiger Gestaltung des Niederdruckkraftstoffkreislaufes 1–13 nur einer geringen Druckerhöhung gegenüber dem Kraftstoffdruck im LPG-Tank 1.
Ganz anders verhält es sich bei Motorstillstand nach Betrieb des Motors. Der fehlende Kraftstoffumlauf bewirkt einen großen Druckunterschied zwischen dem Verdampfungsdruck des Kraftstoffs 4 im LPG-Tank 1 und, für den Betrieb des Motors entscheidend, dem Verdampfungsdruck des Kraftstoffs 4 am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ausführung des Druckreglers müsste die Federkraft der Feder 113 so bemessen sein, dass sie die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 zwingt, permanent einen Überdruck zu erzeugen, der höher ist als diese Verdampfungsdruckdifferenz bei Motorstillstand mit betriebswarmem Motor, damit der Kraftstoff 4 auch am Eingang zur Hochdruckpumpenkammer in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 in der Flüssigphase verbleibt. Infolgedessen müsste die Kraftstoffpumpe 2 im LPG-Tank 1 auch in den weitaus überwiegenden, unkritischen Betriebszuständen permanent einen unnötig hohen Druck erzeugen mit allen damit verbundenen Nachteilen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems in 3a besteht darin, dass die Druckfeder 113 gegen einen zweiten, verschiebbaren Kolben 114 (Druckerhöhungskolben) gelagert ist. Im Falle des Warmstarts wird dieser Druckerhöhungskolben 114 nun so verschoben, dass er die Druck erzeugende Feder 113 um ein vorgegebenes Maß zusammendrückt und dadurch eine höhere Federspannung erzeugt, was wiederum über den Druckregelkolben 111 einen höheren Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckreislauf 120 bewirkt.
3a zeigt zwei Varianten der Druckerhöhung durch Verschiebung des Druckerhöhungskolbens 114. In der einen Variante wird die Verschiebung des Druckerhöhungskolbens 114 durch die Bestromung einer außen liegende Magnetspule 119 und in der anderen durch den am Eingang des Druckregelventils 11 abgezweigten und auf die Rückseite des Druckerhöhungskolbens 114 geführten Kraftstoffdruck des Kraftstoffniederdruckkreislaufs 120 bewirkt. Durch die positive Rückkoppelung des Regelkreises erhöht sich der Kraftstoffdruck 120 im Kraftstoffniederdruckkreislauf sehr schnell. Eine Druckbegrenzung verhindert, dass die Druckerhöhung ein vorgegebenes, die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 2 im Kraftstofftank 1 übersteigendes Niveau überschreitet. Die Dauer der Druckerhöhung wird durch das von der Steuereinheit 16 angesteuerte Ventil 19 bestimmt, indem es die Beaufschlagung des Druckerhöhungskolbens 114 mit dem Kraftstoffdruck des Kraftstoffniederdruckkreislaufs 120 beendet. Über die Leckage am Druckerhöhungskolben 114 findet anschließend ein allmählicher Abbau der Druckerhöhung im Druckregler 11 statt, der parallel zu der Verringerung der Kraftstofftemperatur in der Kraftstoffhochdruckpumpe 6 verläuft.
Die erfindungsgemäße Lösung des Problems in 3b besteht darin, die Rückseite des Druckregelkolbens 111 zusätzlich zu dem Druck der Feder 113 mit einem definierten Druck zu beaufschlagen, der höher ist als der Verdampfungsdruck des LPG 4 im LPG-Tank 1.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, welche unter anderem einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine folgende Schritte ausgeführt werden: a) Detektieren eines durch einen elektrischen Verbraucher induzierten Signals durch Detektieren eines Signals, welches für einen Abfall der an der Batterie anliegenden Spannung aufgrund der Aktivierung des elektrischen Verbrauchers repräsentativ ist, b) Beginn einer Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) im Ansprechen auf das detektierte Signal, wobei dieses als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung eingesetzt wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff Flüssiggas und als Verbrennungskraftmaschine ein Ottomotor eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen ersten Temperatur oder einer ersten, insbesondere zwischen der Temperatur an einer Kraftstoffhochdruckpumpe (6) und der Kraftstofftemperatur im Kraftstofftank (1) gemessenen Temperaturdifferenz eine Kraftstoffumwälzung durch den Kraftstoffniederdruckkreislauf gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffumwälzung so lange erfolgt, bis eine zweite vorgegebene Temperatur oder Temperaturdifferenz erreicht ist, die unterhalb der ersten Temperatur liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) rücklaufseitig vorgesehener Druckregler (11) während der Kraftstoffumwälzung bei ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine umgangen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Stelle im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13), vorzugsweise in einer Rücklaufleitung (8) desselben, ein an eine Kühlvorrichtung angeschlossener Wärmetauscher (13) vom umgewälzten Kraftstoff (4) durchflossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlvorrichtung eine bordeigene Klimaanlage eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl bevorzugt in einem Bauteil zusammengefasste Wärmetauscher eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten der Verbrennungskraftmaschine der Druck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) entsprechend einem systemspezifisch vorgegebenen Kraftstoffverdampfungsdruck angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung des aus dem Kraftstofftank (1) geförderten Kraftstoffs (4) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes im Kraftstoffniederdruckkreislauf die Kraftstoffförderung unterbunden wird.
Verbrennungskraftmaschine, welche unter anderem einen Kraftstofftank (1), einen Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13), ein elektrisches System und eine Batterie zur Versorgung desselben sowie eine Steuereinheit (16) zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) dazu ausgelegt ist, vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine folgende Schritte auszuführen: ein durch einen elektrischen Verbraucher induziertes Signal durch Detektieren eines Signals, welches für einen Abfall der an der Batterie anliegenden Spannung aufgrund der Aktivierung des elektrischen Verbrauchers repräsentativ ist, als Startimpuls für den Beginn der Kraftstoffumwälzung zu nutzen und eine Kraftstoffumwälzung im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) als Vorlauf vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine auszulösen.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) ein Druckregler (11) vorgesehen ist, welcher dazu ausgelegt ist, bei der Kraftstoffumwälzung vor dem Startvorgang den Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) zu verringern und beim Starten den Kraftstoffdruck im Kraftstoffniederdruckkreislauf (1–13) anzuheben.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruckregler (11) einen Druckregelkolben (111) aufweist, welcher zusätzlich zum Druck einer Druckfeder (113) beim Starten mit einem vorgegebenen hydraulischen Druck beaufschlagbar ist, der größer ist als der Verdampfungsdruck des Kraftstoffes (4) im Kraftstofftank (1).
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruckregler (11) einen Druckregelkolben mit innerem Verdampfungsdruckausgleich (111) aufweist, welcher beim Starten mit einem Druck beaufschlagbar ist, indem auf den Druckregelkolben mit innerem Verdampfungsdruckausgleich (111) ein Federdruck von einer Druckfeder (113) ausgeübt wird.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruckregler (11) einen Steuerkolben (114) aufweist, dessen Verschiebung den Druck der Druckfeder (113) auf den Druckregelkolben (111) verändert.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (114) auf seiner Rückseite mit dem am Eingang des Kraftstoffdruckreglers (11) anliegenden Kraftstoffniederdruck (120) beaufschlagt werden kann.