DE102006042054A1

DE102006042054A1 - Verfahren zur Einspritzung von Flüssiggas

Info

Publication number: DE102006042054A1
Application number: DE102006042054A
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Winkelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008028609A1

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt, das den, unter den gängigen Kraftstoffen einzigartigen, Doppelcharakter von Flüssiggas, sowohl als Kraftstoff für eine Verbrennungskraftmaschine als auch als Kältemittel in einem Kühlkreislauf genutzt werden zu können, in einem einzigen gekoppelten System gleichzeitig nutzt. Durch Koppelung der Kraftstoffzuführung zu den Einspritzventilen an der passenden Stelle des Klimakreislaufes wird ein Teil des Klimakreislaufes gleichzeitig als Zuführungsgruppe der Kraftstoffeinspritzung genutzt. Zusätzlich werden Verdampfer des Klimakreislaufes nicht nur für die Klimatisierung eines Innenraumes, z. B. eines Kraftfahrzeuges, genutzt, sondern auch für die Kühlung der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft bis unter den Gefrierpunkt von Wasser. Dadurch verbessert sich der thermodynamsiche Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses weit über die Grenzen des bisher bei Ottomotoren Erreichbaren hinaus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung von Flüssiggas oder einer seiner Komponenten oder einer Mischung seiner Komponenten in das Kraftstoffzuführungssystem einer Verbrennungskraftmaschine mit innerer zyklischer Verbrennung.
Stand der Technik
Verbrennungskraftmaschinen, die den Kraftstoff Flüssiggas dem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine indirekt über die Ansaugleitung der Verbrennungsluft zuführen, nutzen überwiegend das Verdampfungsverfahren um das Flüssiggas in den Zuführungskanal für die Verbrennungsluft einzubringen. Hierbei drückt sich das Flüssiggas aus dem Tank durch seinen eigenen Dampfdruck in einen kühlwasserbeheizten Verdampfer in dem es aus der Mischphase vollständig in die Gasphase überführt wird. Vom Verdampfer aus wird das gasförmige Flüssiggas unter Überdruck einer eigenen Verteilerleiste zugeführt, von der aus jedem Zylinder, rechnergesteuert über getaktete Elektromagnetventile, für jeden Verbrennungstakt die passende Menge gasförmigen Kraftstoffes in die einströmende Verbrennungsluft eingeblasen wird. Diese Systeme können nur bivalent betrieben werden, denn sie benötigen neben dem Flüssiggas, zum Starten der Verbrennungskraftmaschine einen weiteren Kraftstoff, vorzugsweise Benzin. Erst wenn die Verbrennungskraftmaschine ausreichend Wärme für den Verdampfer abgibt kann dieser auf den Betrieb mit Flüssiggas umgestellt werden.
Einspritzsysteme, die das Flüssiggas über eine Pumpe im Flüssiggastank flüssig bis zu den Einspritzventilen für das Flüssiggas führen und das Flüssiggas flüssig in den Zuführungskanal für die Verbrennungsluft vor die Einlassventile spritzen, existieren ebenfalls, konnten sich bisher aber am Markt nicht durchsetzen.
In der Literatur, so in US 5 857 448 A , EP 1 010 886 A , DE 196 11381 A , Patent Abstracts of Japan JP 2001 349256 A , DE 201 01 475 U , DE 101 46 051 , sind Einspritzsysteme beschrieben, die ebenfalls über eine In-Tank-Kraftstofffördereinheit und meist auch noch über eine weitere, außerhalb des Flüssiggastankes liegende, Vorrichtung zur Druckerhöhung, das Flüssiggas einer Einspritzvorrichtung zuführen. Allen erwähnten Systemen gemeinsam ist, dass sie die besondere Eigenschaft dieser Gruppe von Kohlenwasserstoffen, aus denen sich der Kraftstoff Flüssiggas zusammensetzt, nämlich in einem Temperatur-Druckbereich aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand überzugehen, der sich technisch relativ einfach beherrschen lässt und dabei durch ihre Verdampfungskälte eine Kühlwirkung zu entfalten, entweder gar nicht oder, im oben erwähnten Falle des Verdampfers, ohne zusätzlichen Gewinn nutzen.
Genutzt wird diese Eigenschaft der Bestandteile von Flüssiggas hingegen in der Kältetechnik, beispielsweise im Kältekreislauf von Haushaltskühlschränken.
Dem in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahren liegt das Problem zugrunde, den Kraftstoffzuführungsprozess thermisch stabiler zu gestalten und durch die Nutzung der Kühlwirkung der Flüssiggasverdampfung die Effizienz des thermodynamischen Kreisprozesses zu erhöhen, die sich in Leistungserhöhung bei verringertem spezifischem Verbrauch niederschlägt.
Vorteile der Erfindung
Diese Probleme werden durch das in den Patenansprüchen beschriebene Verfahren gelöst. Das vorliegende Verfahren besitzt Vorteile auf mehreren Ebenen. Es spart Bauteile ein, macht die Kraftstoffzuführung des Kraftstoffes Flüssiggas thermisch robuster und erhöht die Effizienz des thermodynamischen Kreisprozesses.
Im überwiegenden Teil der Kraftfahrzeuge, die neu auf den Markt kommen, sind Klimaanlagen eingebaut. Damit ist die Voraussetzung vorhanden, ohne wesentlichen zusätzlichen Kostenaufwand an Stelle des Kältekreislaufes mit dem bisher üblichen Kältemittel R134a einen Kältekreislauf mit dem Kraftstoff Flüssiggas als Kältemittel zu etablieren. In diesem Falle erübrigt sich eine Pumpe im Flüssiggastank und auch der Verdampfer, weil der Klimakompressor das Flüssiggas, das in dem hier beschriebenen Verfahren sowohl Kraftstoff als auch Kältemittel ist, gasförmig aus der Gasphase im Kraftstofftank ansaugt, unabhängig davon, welche Temperatur das Flüssiggas momentan besitzt. Dadurch gewinnt das Kraftstoffzuführungssystem an thermischer Stabilität. Gerade in Systemen mit flüssiger Einspritzung des Flüssiggases musste jeder Wärmeeintrag in den Kraftstoff auf seinem Weg aus dem Flüssiggastank zu den Einspritzventilen durch erhöhten Druck oder zusätzlichen Kühlaufwand kompensiert werden, während an dieser Stelle des Kältekreislaufs zusätzliche Erwärmung willkommen ist, da sie die Gasphase des Kraftstoffes stabilisiert und sicherstellt, dass dem Kompressor ausschließlich Flüssiggas in der Gasphase zugeführt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Klimatisierung des Innenraumes an Stelle des Verdampfers nur einen Wärmetauscher benötigt.
Wesentlich ist auch der Gewinn an thermodynamischer Effizienz bewirkt durch die Kühlung der Ansaugluft durch den Kühleffekt des im Kältekreislauf verdampfenden Flüssiggases. Berechnungen zeigen, dass eine Verringerung der Anfangstemperatur im thermodynamischen Kreisprozesses der Verbrennung im Vergleich zu einer Erhöhung der Endtemperatur um den gleichen Temperaturbetrag, die Effizienz des Prozesses um beinahe das Dreifache erhöht.
Der Kältekreislauf des Flüssiggases, erlaubt eine Abkühlung der Verbrennungsluft unter die Umgebungstemperatur und unter den Gefrierpunkt des Wassers. Dies macht es möglich, die Verdichtung des Motors erheblich zu erhöhen. Da die Endtemperatur des Verbrennungsprozesses dabei nicht erhöht wird, lassen sich auch beim Otto-Motor Verdichtungsverhältnisse darstellen, die ihre Grenze nicht mehr in der Temperatur, sondern in der mechanischen Belastbarkeit des Materials finden, wodurch thermodynamische Wirkungsgrade realisiert werden können, die dem Wirkungsgrad des Dieselverfahrens ebenbürtig sind oder ihn sogar übertreffen und weit über die Grenzen des bisher bei Ottomotoren erreichbaren thermodynamischen Wirkungsgrade hinaus.
Das wiederum hat zur Folge, dass Drehmoment und Leistung wesentlich steigen, während sich gleichzeitig der spezifische Verbrauch ähnlich deutlich verringert.
Ausführungsbeispiel
Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in den 1 und 2 schematisch dargestellt. 1 bildet ein Kälte-Kraftstoffsystem mit Hochdruckdirekteinspritzung ab, 2 ein Kälte-Kraftstoffsystem mit Kanaleinspritzung, wobei sich 2 von der 1 im Wesentlichen durch den Wegfall der druckerhöhenden Hochdruckkraftstoffpumpe unterscheidet. Es wird aus diesem Grunde im Folgenden 1 näher beschrieben.
Es zeigt die 1 einen schematisch dargestellten Kraftstoff-Kältekreislauf mit den Komponenten Kompressor, Kondensator, einer Abzweigung von Kraftstoff aus der Flüssigphase hinter dem Kondensator und vor dem Expansionsventil des Kältekreislaufes, zu der Hochdruckkraftstoffpumpe hin und von dort weiter zu der Kraftstoffrail mit den Einspritzventilen einer (hier nicht gezeigten) Verbrennungskraftmaschine mit innerer zyklischer Verbrennung, die den Kraftstoff flüssig direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzt.
1 zeigt weiterhin schematisch die Anbindung eines Klimakreislaufes, mit dem zum Beispiel die Kabine eines Kraftfahrzeuges klimatisiert werden kann.
1 zeigt weiterhin schematisch eine Variante mit zwei parallel geschalteten Verdampfern, die nacheinander die durchströmende Verbrennungsluft kühlen und den Flüssiggastank, der gleichzeitig die Akkumulatorenfunktion des Kältekreislaufs erfüllt, mit einer angekoppelten Vorrichtung zur Verdampfung flüssiger Kraftstoffreste.
Nicht gezeigt wird eine mögliche Variante, die den Kraftstoff vor dem Kondensator des Kältekreislaufes in der Gasphase abzweigt und ihn Einblasventilen gasförmig zuführt.
Der Kompressor 2 des Kältekreislaufs saugt aus dem Flüssiggastank 1 gasförmiges Flüssiggas aus der Gasphase 3 und verdichtet es. In einer bevorzugten Ausführung wird er unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, vorzugsweise elektrisch. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Kompressor 2 schon vor dem Motorstart anlaufen kann und dadurch dem Kraftstoffzuführungssystem beim Starten des Motors Kraftstoff in der Flüssigphase zur Verfügung steht. Das ist notwendig, weil im Stillstand über den Kühlkreislauf ein Druckausgleich stattfindet, so dass der Kraftstoffhochdruckpumpe 8 ohne Kompressorvorlauf bei Startbeginn kein Kraftstoff in flüssiger Phase zur Verfügung stünde. Zum anderen hat es den Vorteil, dass nach dem Abstellen des betriebswarmen Motors eine Nachkühlung des Kraftstoffes einfach zu realisieren ist, wodurch ein Restart ohne zeitliche Verzögerung möglich ist. Bevor das Flüssiggas 3 in den Kompressor 2 eintritt durchströmt es die Vorrichtung 5, die durch zusätzliches Erwärmen des Flüssiggases sicherstellt, dass auch bei Volllastdurchsatz kein Flüssiggas in flüssigem Aggregatzustand in den Kompressor 2 gelangt. Der Kompressor 2 drückt das komprimierte Flüssiggas 3 anschließend über eine Leitung 7 zum Kondensator 6, wo das, durch die Verdichtung erhitzte, Flüssiggas 3 abgekühlt wird und sich dabei verflüssigt. Nach dem Kondensator 6 verzweigt sich die Kraftstoffleitung 7. Im Falle der Hochdruckdirekteinspritzung wird der zur Verbrennung benötigte Teil des Kraftstoffs von der Kraftstoffhochdruckpumpe 8 noch einmal unter erhöhten Druck gesetzt und gelangt über eine Hochdruckleitung 9 zu der Kraftstoffrail 10, von wo aus der Kraftstoff über elektromagnetische Einspritzventile 11 in den (hier nicht gezeigten) Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
Ein Ausgleichsreservoir 12 vermeidet Abblasen von Kraftstoff aus der Kraftstoffrail 10 auf Grund von Überdruck durch Erwärmen nach Abstellen des Motors. Es muss so abgestimmt sein, dass es kurz über dem maximalen Raildruck aber noch unterhalb dem Abblasdruck des Überdruckventils in der Kraftstoffrail 10 öffnet und schließt. Der für die Verbrennung nicht abgezweigte, überschüssige flüssige Kraftstoff verbleibt im Kältekreislauf und passiert das Verdampfungsventil 17, wo er verdampft wird. Hinter dem Verdampfungsventil 17 verzweigt sich die Leitung 18. Der eine Strang 19 versorgt einen Wärmetauscher 20, durch den ein Wärmeträgermedium, vorzugsweise ein Wasser-Frostschutzmittelgemisch, strömt, welches die Kälte des verdampfenden Flüssiggases aufnimmt, von wo aus es zu einem weiteren Wärmetauscher 22 im Inneren der Kabine durch eine Umwälzpumpe 23 gepumpt wird.
Durch geeignete Ankopplung an den Heizkreislauf kann dann durch Mischung der Wärmeträgermedien die gewünschte Temperatur eingestellt werden.
Der andere Strang 24 führt zu zwei Verdampfern 25, 26 die nacheinander von der Verbrennungsluft 27 durchströmt werden. Dabei wird die Temperatur des zuerst durchströmten Verdampfers 25 so geregelt, dass sich an ihm die in der Verbrennungsluft enthaltene Feuchtigkeit niederschlägt und nach unten abgeführt wird 28. In dem nachfolgenden Verdampfer 26 kann dann die trockene Luft 29 bis unter den Gefrierpunkt weiter abgekühlt werden. Von den Verdampfern 25, 26 aus führt eine weitere Leitung 30 zurück in den Kraftstofftank 1, nachdem zuvor die Leitung 19 des Wärmetauschers hinzugekommen ist.
Das dem Flüssiggas durch die Verbrennung entzogene Kompressorschmiermittel wird entweder beim Tanken oder durch eine separate Vorrichtung dem Kühlsystem wieder zugemischt.

1: Flüssiggastank mit den vorgeschriebenen Armaturen
2: Kompressor
3: Flüssiggas (LPG) in der Gasphase
4: Flüssiggas (LPG) in der Flüssigphase
5: Vorrichtung zur Nachverdampfung des Flüssiggases
6: Kondensator
7: Klimakraftstoffleitung
8: Kraftstoffhochdruckpumpe
9: Kraftstoffhochdruckleitung
10: Kraftstoffrail
11: Einspritzventile
12: Ausgleichsreservoir
13: Rückschlagventil
14: Kraftstoffleitung
15
16
17: Expansionsventil
18: Kältemittelleitung
19: Kältemittelleitung
20: Wärmetauscher
21: Wärmeträgermedium
22: Wärmetauscher Innenraum
23: Umwälzpumpe
24: Kältemittelleitung
25: Verdampfer
26: Verdampfer
27: Verbrennungsluft feucht
28: Kondenswasserabfluss
29: Verbrennungsluft trocken
30: Kaltemittelleitung

Claims

Verfahren zur Einbringung von Flüssiggas oder einer seiner Komponenten oder einer Mischung seiner Komponenten in das Kraftstoffzuführungssystem einer Verbrennungskraftmaschine mit innerer zyklischer Verbrennung dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssiggas in einem Kreislauf, analog einer Kraftfahrzeugklimaanlage, geführt wird, bei dem zwischen Kondensator und Expansionsventil die zur Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine notwendige Kraftstoffmenge als Flüssigphase abgezweigt und, im Falle von Kanaleinspritzung, dem Kraftstoffeinspritzsystem direkt, im Falle der Hochdruckdirekteinspritzung über eine Hochdruckkraftstoffpumpe zugeführt wird, während die restliche, überschüssige Kraftstoffmenge im Falle von Kanaleinspritzung direkt in Richtung Expansionsventil geführt wird, im Falle der Hochdruckdirekteinspritzung mittels einer Kraftstoffleitung so an die Hochdruckkraftstoffpumpe angeschlossen wird, dass ein kontinuierlicher, kühlender Kraftstofffluss durch den Niederdruckbereich der Hochdruckkraftstoffpumpe zustande kommt, welche Kraftstoffmenge aus einem Flüssiggastank ergänzt wird, der gleichzeitig im Kältekreislauf als Akkumulator dient und dass über die zur Krafterzeugung in der Verbrennungskraftmaschine notwendige Kraftstoffmenge hinaus Flüssiggas in dem gekoppelten Kältekreislauf umgewälzt wird, der mindestens einen Verdampfer oder Wärmetauscher aufweist, der Kühlungszwecken dient, wobei das Flüssiggas hier als Kältemittel fungiert.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakraftstoffkompressor unabhängig vom Verbrennungsmotor, vorzugsweise elektrisch angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei Antrieb des Klimakraftstoffkompressors durch den Verbrennungsmotor, bei Motorstillstand ein Kraftstoffvorrat in flüssigem Aggregatzustand für den Restart zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffvorrat in einem als Druckspeicher ausgelegten Vorrats- und Ausdehnungsgefäß gespeichert wird, das an die Kraftstoffzuführung zu dem Kraftstoffsammler angebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass Ventile den Rückfluss von Kraftstoff aus dem Kraftstoffzuführungssystem in den Kühlkreislauf verhindern.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssiggastank von einer angekoppelten Vorrichtung ergänzt wird, in der, aus dem Tank einströmende, noch nicht verdampfte, flüssige Kühlkraftstoffanteile durch Erwärmung vollständig verdampft werden, bevor sie in den Kompressor gelangen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Verbrennungsprozess dem Kühlkraftstoff entzogene Kompressorschmiermittel ergänzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die im Kältekreislauf erzeugte Kälte für die Kühlung der Verbrennungsluft genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Verbrennungsluft durch Verdampfer des Kraftstoffkältekreislaufs in mindestens zwei Stufen erfolgt, wenn die Verbrennungsluft unter den Gefrierpunkt des in ihr enthaltenen Wasserdampfes gekühlt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der ersten Kühlstufe durch eine Steuerung beziehungsweise Regelung so begrenzt wird, dass sich der in der Verbrennungsluft enthaltene Wasserdampf als Tauwasser und nicht als Eis an dem Verdampfer niederschlägt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf zur Klimatisierung eines Innenraumes über einen Wärmetauscher von dem Kraftstoffkältekreislauf mit Kälte versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kraftstoffsammler verbundenes Ausgleichsreservoir Abblasen von Kraftstoff durch Überdruck vermeidet.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass über einen Wärmetauscher der vom Kondensator zur Kraftstoffverteilerleiste fließende Kraftstoff gekühlt wird, im Falle von Hochdruckdirekteinspritzung vor dem Eintritt in die Kraftstoffhochdruckpumpe.