DE102004060905A1

DE102004060905A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine der ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird und Vorrichtung zur Druckreduzierung eines Gases

Info

Publication number: DE102004060905A1
Application number: DE102004060905A
Authority: DE
Inventors: Winfried Langer; Juergen Foerster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29
Also published as: ITMI20052380A1; FR2879663A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, der ein gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, bzw. eine Vorrichtung zur Druckreduzierung eines Gases zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem ein Druckminderer den gasförmigen Kraftstoff von einem ersten hohen Druck auf einen zweiten niedrigen Druck reduziert. Der zweite niedrige Druck wird dabei durch ein elektrisches Signal vorgegeben.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine der ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird bzw. einer Vorrichtung zur Druckreduzierung eines Gases nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits Brennkraftmaschinen bekannt, denen ein gasförmiger Brennstoff, insbesondere CNG (Compressed Natural Gas) zugeführt wird. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 295 20 410 ist bereits eine Gemischaufbereitungsanlage bekannt, bei der durch mehrere nacheinander angeordnete Druckregler der in dem Tank mit 200 Bar komprimierte gasförmige Brennstoff auf einen geringeren Druck gebracht wird, der dann für die Einspritzung in die Brennkraftmaschine geeignet ist. Diese Druckregler sind jedoch rein mechanisch aufgebaut. Der endgültige Druck, mit dem dann in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wird durch einen Druckregler erzeugt, der vom Unterdruck in Ansaugtrakt angesteuert wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung haben demgegenüber den Vorteil, dass der endgültige Druck, mit dem der gasförmige Brennstoff in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird, durch ein elektrisches Signal vorgebbar ist. Es können durch dieses elektrische Signal dann entsprechende angepasste Strategien für den Einspritzdruck realisiert werden. Es kann so der Druck mit dem der Brennstoff in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird optimal geregelt werden.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Das elektrische Ansteuersignal, durch das der zweite Druck vorgegeben wird, wird sinnvollerweise von einem elektronischen Motorsteuergerät zur Verfügung ge stellt. Dadurch kann der Druck das gasförmigen Brennstoffs Teil einer Ansteuerstrategie des Motors sein. Insbesondere kann der Druck an die Last, die Drehzahl und gegebenenfalls die Batteriespannung angepasst werden. In Abhängigkeit vom gewählten Druck wird dann auch die Einspritzdauer für das Einspritzventil entsprechend ausgelegt. Besonderheiten ergeben sich bei einem Start der Brennkraftmaschine da durch die Betätigung des Starters die Batteriespannung soweit verringert wird, dass ein Öffnen des Einspritzventils gegen einen höheren Gasdruck nicht möglich ist. Entsprechend kann bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine der Gasdruck verringert werden oder aber vor der Betätigung des Starters erfolgen bereits Einspritzungen des gasförmigen Betriebsstoffes, um den Druck zu verringern.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Brennkraftmaschine und ein Kraftstoffsystem für gasförmigen Kraftstoff und
2 eine Detailansicht des Druckminderers.
Beschreibung
In der 1 wird ein Brennraum 1 einer herkömmlichen Ottobrennkraftmaschine gezeigt. Dieser Brennkraftmaschine wird ein gasförmiger Kraftstoff zugeführt. Dazu ist ein Kraftstoffspeicher 2 vorgesehen, in dem der gasförmige Kraftstoff beispielsweise Erdgas mit einem Druck von 20 MPa gespeichert ist. Durch eine Hochdruckgasleitung 3 wird der gasförmige Kraftstoff zu einem Druckminderer 4 geleitet. In dem Druckminderer 4 wird der hohe Druck des gasförmigen Kraftstoffs von ca. 20 MPa auf einen Niederdruck in der Größenordnung von 0,5 bis 0,8 MPa verringert. Der gasförmige Kraftstoff, der nun auf diesen zweiten niedrigeren Druck gebracht ist wird in einem dem Druckminderer 4 nachgeordneten Speichervolumen 5 gespeichert. An das Speichervolumen 5 sind ein oder mehrere Einspritzventile 6 angeschlossen. Hier wird exemplarisch nur ein einzelnes Einspritzventil 6 gezeigt. Bei der überwiegenden Anteil der Brennkraftmaschinen sind aber mehrere Einspritzventile, insbesondere vier Einspritzventile vorgesehen, um eine entsprechende Anzahl von Brennräumen mit dem gasförmigen Brennstoff zu versorgen.
Der Brennraum 1 ist hier nur sehr schematisch dargestellt. In den Brennraum 1 hinein ragt eine Zündkerze 7, die zur Entzündung eines in den Brennraum 1 eingebrachten Luftkraftstoffgemisches dient. Die Zuführung dieses Kraftstoffluftgemisches erfolgt indem durch das Einspritzventil 6 in ein Ansaugrohr 8 gasförmiger Brennstoff eingespritzt wird. Durch das Ansaugrohr 8 fließt eine Luftströmung, die in den Brennraum 1 mündet. Durch entsprechende Ein- und Auslassventile, die hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind, wird das Einbringen des Kraftstoffluftgemisches in den Brennraum 1 gesteuert. Durch einen Zündfunken an der Kerze 7 wird dann das Kraftstoffluftgemisch im Brennraum 1 verbrannt und durch einen hier nicht dargestellten Kolben in eine Bewegung umgesetzt. Nach der Verbrennung wird das Verbrennungsprodukt durch ein Abgasrohr 9 aus dem Brennraum 1 abtransportiert. Es handelt sich hierbei um eine normale Ottobrennkraftmaschine, wie sie insbesondere für Benzin, aber eben auch für einen Gasbetrieb dem Fachmann allgemein bekannt ist.
Das Einspritzventil 6 für die Einspritzung in das Ansaugrohr 8 wird von einem elektronischen Motorsteuergerät 10 angesteuert. Durch Beeinflussung der Einspritzdauer, d.h. der Zeitdauer für die das Einspritzventil 6 geöffnet wird um den gasförmigen Brennstoff in das Ansaugrohr 8 abzugeben, wird die für den jeweiligen Verbrennungsvorgang erforderliche Kraftstoffmenge dosiert. Mit steigender Last der Brennkraftmaschine, d.h. mit der Höhe der von der Brennkraftmaschine 1 abzugebenden Leistung ist auch entsprechend die Menge an Kraftstoff zu verändern. Insbesondere bei einer sehr hohen Last, d.h. bei einem Vollgasbetrieb der Brennkraftmaschine kann dabei der Fall auftreten, dass bei einem konstanten Druck im Speichervolumen 5 die für die Einspritzung zur Verfügung stehende Zeit nicht ausreicht. Erfindungsgemäß wird daher vorgesehen, dass durch das Steuergerät 10 der Ausgangsdruck des Druckminderers 4, d.h. der dann im Speichervolumen 5 zur Verfügung stehende Druck veränderbar ist. Durch eine Erhöhung des Druckes im Speichervolumen 5 wird dann erreicht, dass pro Zeiteinheit eine größere Menge an Kraftstoff in das Saugrohr 8 eingespritzt wird. Für die Steuerstrategie die durch das Steuergerät 10 umgesetzt wird, steht damit ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Verfügung durch den die in dem Brennraum 1 eingebrachte Kraftstoffmenge beeinflussbar ist. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn noch weitere Vorrichtungen vorgesehen sind, die die Ladung des Brennraums 1, d.h. die Menge an eingebrachter Luft, beeinflussen. Insbesondere bei einem Lader, insbesondere einem Abgasturbolader, kann die Luftmenge die in den Brennraum 1 eingebracht wird, über einen sehr breiten Bereich beeinflusst werden. Da in so einem Fall ein besonders breiter Bereich hinsichtlich der Einspritzmenge abgedeckt werden muss. Das Steuergerät 10 kann dann in Abhängigkeit der in den Brennraum 1 eingebrachten Luftmenge einen optimalen Druck im Speichervolumen und eine entsprechend angepasste Einspritzdauer für die Verbrennungsvorgänge wählen.
In dem Speichervolumen 5 ist eine Menge an Kraftstoff gespeichert, der für einige Einspritzvorgänge ausreicht. Vorteil des Speichervolumens ist, dass kleine Druckschwankungen des Druckminderers 4, die sich beim realen Betrieb nicht vermeiden lassen, ausgeglichen werden. Da ein in dem Speichervolumen 5 gespeicherter Druck nur durch entsprechende Einspritzungen am Einspritzventil 6 abgebaut werden kann bleibt bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine der Druck im Speichervolumen 5 über eine sehr lange Zeit erhalten. Problematisch kann dies bezüglich eines erneuten Starts der Brennkraftmaschine sein. Die Einspritzventile 6 sind so ausgelegt, dass sie im stromlosen Zustand geschlossen sind. Beim Start der Brennkraftmaschine muss daher ein entsprechendes Ansteuersignal an die Einspritzventile 6 angelegt werden, um ein Öffnen der Ventile zu bewirken. Dies ist während der Startphase in der der Starter des Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, die Batterie stark belastet problematisch. Durch die starke Stromaufnahme durch den Starter sinkt die Batteriespannung ab, sodass es schwierig ist, ein entsprechend starkes Ansteuersignal für das Einspritzventil 6 zu erzeugen, welches in der Lage ist das Einspritzventil 6 gegen den Druck im Speichervolumen 5 zu öffnen. Für einen Start der Brennkraftmaschine ist es daher vorteilhaft, wenn beim Start der Druck im Speichervolumen 5 vergleichsweise gering ist. Wenn beim Abstellen jedoch ein vergleichsweise hoher Druck im Speichervolumen 5 vorliegt, so kann dies dazu führen, dass sich die Einspritzventile 6 nicht zuverlässig öffnen lassen.
Eine Möglichkeit den Druck im Speichervolumen für den Fall des Starts entsprechend einzustellen kann darin bestehen, bei einem Nachlauf der Brennkraftmaschine noch einige Einspritzungen vorzunehmen, die den Druck im Speichervolumen 5 verringern. Als Nachlauf wird dabei die Phase nach dem Befehl zum Abstellen der Brennkraftmaschine bis zum tatsächlichen Stillstand der Brennkraftmaschine bezeichnet. Durch entsprechende Einspritzungen im Nachlauf wird zwar das Auslaufen der Brennkraftmaschine ein wenig verzögert. Dies ist jedoch für einen Fahrer eines Kraftfahrzeuges, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, kaum wahrnehmbar, da es sich hier nur um einige wenige Einspritzungen in etwa in der Größenordnung einer Kurbelwellenumdrehung handelt.
Eine weitere Möglichkeit zur Behebung des Problems eines zu hohen gespeicherten Drucks im Speichervolumen für einen Start der Brennkraftmaschine besteht darin, vor der Betätigung des Anlassers das Einspritzventil 6 kurz zu öffnen und einen Teil des Drucks durch eine Voreinspritzung in das Ansaugrohr 8 abzubauen. Da vor der Betätigung des Anlassers noch eine ausreichend hohe Batteriespannung zur Verfügung steht, erfolgt dieses Öffnen des Einspritzventils 6 problemlos, auch gegen den erhöhten Druck im Speichervolumen 5. Die eingespritzte Menge an Kraftstoff kann dann bei Betätigung des Anlassers zur Verbrennung in den ersten Zyklen genutzt werden, d.h. die Kraftstoffmenge, die in das Ansaugrohr 8 eingespritzt wurde wird gleich für die ersten Verbrennungsvorgänge genutzt.
In der 2 wird noch eine Detailansicht des Druckminderers 4 gezeigt. In einem Querschnitt durch den Druckminderer 4 ist ein Ventilkolben 22 gezeigt, der durch eine Feder 23 mit einem auf der Stirnfläche des Ventilkolbens 22 angeordneten Dichtelement 24 gegen einen Ventilsitz 25 gedrückt wird. Durch das Dichtelement 24 wird so die Hochdruckleitung 3 gegenüber der Niederdruckleitung 23 abgedichtet. Der Ventilkolben 22 ist ebenso wie das Dichtelement und der Ventilsitz als rotationssymmetrisches Bauelement ausgebildet, durch das hier nur ein Querschnitt gezeigt ist. Der Ventilkolben 22 ist in einem Gehäuse 27 angeordnet. Auf der Stirnseite des Gehäuses 27 mündet die Hochdruckleitung 3. Auf der Seite des Gehäuses 27 ist die Niederdruckleitung 28, die den Druckminderer 4 mit dem Speichervolumen 5 verbindet angeordnet. Um das Gehäuse 27 herum ist eine elektromagnetische Spule 26 angeordnet. Die Spule ist dabei so ausgebildet, dass die Windungen um das Gehäuse 27 herum gewickelt sind. Wenn ein entsprechender Stromfluss durch die Spule 26 hindurchgeschickt wird, so wird der Ventilkolben 22, der aus einem magnetischen Material besteht, in die Spule 26 hineingezogen. Dadurch kann der Abstand zwischen Dichtelement 24 und Ventilsitz 25 vergrößert werden, sodass ein Strömungspfad zwischen der Hochdruckleitung 3 und der Niederdruckleitung 23 freigegeben wird. Aufgrund des geringen Querschnitts fällt dabei relativ viel Druck ab, sodass die Niederdruckleitung 23 mit einem entsprechend verringerten Druck beaufschlagt wird. Durch eine Regelung des Stromflusses durch die Spule 26 kann so der gewollte verringerte Druck in der Niederleitung 28 realisiert werden.
Zur Regelung des Stromflusses durch die Spule 26 sind ein Hochdrucksensor 20 und ein Niederdrucksensor 21 vorgesehen. Der Hochdrucksensor 20 ist an die Hochdruckleitung 3 angeschlossen und misst den Druck in der Hochdruckleitung. Der Niederdrucksensor 21 ist an die Niederdruckleitung 23 angeschlossen und misst den Druck in der Niederdruckleitung 23. Die Messsignale der beiden Sensoren werden dem in der 1 gezeigten Steuergerät 10 zugeführt, welches daraus entsprechende Ansteuersignale berechnet, mit denen dann die Spule 26 angesteuert wird. Da die Bewegung des Ventilkolbens 22 über das Steuergerät 10 angesteuert wird, lässt sich auch der Druck auf der Niederdruckseite im Speichervolumen 5 beliebig einstellen. Es kann daher im Rahmen einer Gesamtsteuerstrategie für die Brennkraftmaschine ein gewünschter Einspritzdruck vorgegeben werden.
Im Ruhezustand, d.h. wenn von dem Steuergerät 10 keinerlei Stromfluss durch die Spule 26 geschickt wird, schließt das Ventil aufgrund der Kraft der Feder 23.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1), der ein gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, wobei durch einen Druckminderer (4) der gasförmige Kraftstoff von einem ersten hohen Druck auf einen zweiten niedrigeren Druck reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite niedrigere Druck durch ein elektrisches Signal einstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal von einem elektronischem Motorsteuergerät (10) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite niedrigere Druck bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit geringer Last geringer gewählt wird als bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit hoher Last.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff durch ein Einspritzventil (6) der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird und dass eine Einspritzdauer, für die das Einspritzventil (6) geöffnet wird, in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine (1) und dem zweiten niedrigen Druck gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in Abhängigkeit von einer Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs in welches die Brennkraftmaschine (1) eingebaut ist, ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff mit dem zweiten niedrigen Druck in einem Druckspeicher (5) gespeichert wird und dass bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine der Druck in dem Druckspeicher (5) durch Einspritzen von Kraftstoff in einem Nachlauf der Brennkraftmaschine (1) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff mit dem zweiten niedrigen Druck in einem Druckspeicher (5) gespeichert wird und dass bei einem Start der Brennkraftmaschine (1) der Druck in dem Druckspeicher (5) ermittelt wird und bei einem für den Startvorgang zu hohen Druck in dem Druckspeicher (5) der Druck durch Einspritzung von Kraftstoff verringert wird, bevor ein Starter der Brennkraftmaschine (1) betätigt wird.
Vorrichtung zur Druckreduzierung eines Gases zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Ausgangsdruck durch ein elektrisches Signal vorgebbar ist.