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DE102007050305A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zwei Kraftstoffarten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit zwei Kraftstoffarten Download PDF

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DE102007050305A1
DE102007050305A1 DE102007050305A DE102007050305A DE102007050305A1 DE 102007050305 A1 DE102007050305 A1 DE 102007050305A1 DE 102007050305 A DE102007050305 A DE 102007050305A DE 102007050305 A DE102007050305 A DE 102007050305A DE 102007050305 A1 DE102007050305 A1 DE 102007050305A1
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internal combustion
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combustion chamber
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Winfried Langer
Thorsten Allgeier
Juergen Foerster
Juergen Raimann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), wobei der Verbrennungsmotor (1) in einer ersten Betriebsart betreibbar ist, bei der ein erster Kraftstoff in ein Saugrohr (5) eingespritzt wird und ein Gemisch aus erstem Kraftstoff und Luft einem Brennraum (3) zugeführt wird, um den Verbrennungsmotor (1) gemäß einem vorgegebenen Sollmoment zu betreiben, wobei in einer Ventilschutzbetriebsart die Menge des ersten Kraftstoffes um einen Anteil reduziert wird und eine Menge eines zweiten Kraftstoffs über ein Direkteinspritzventil (9), das unmittelbar an dem Brennraum (3) angeordnet ist, eingespritzt wird, wobei die Menge des zweiten Kraftstoffs so gewählt ist, dass das Sollmoment beibehalten wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotoren, die im Wechsel mit mehreren Kraftstoffarten betrieben werden können und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik
  • Fahrzeughersteller wollen vermehrt Erdgas (CNG: Compressed Natural Gas) als alternative Kraftstoffart für ihre Fahrzeuge anbieten. Da die Versorgung mit Erdgas noch nicht flächendeckend möglich ist, besteht ein Ansatz darin, Verbrennungsmotoren so auszugestalten, dass sie sowohl in herkömmlicher Weise mit Benzin als auch mit Erdgas als alternativem Kraftstoff betrieben werden können. Die Verbrennungsmotoren zum Antreiben dieser Fahrzeuge sehen dann z. B. eine Benzindirekteinspritzung und eine Gas-Saugrohreinspritzung vor. D. h., bei einem Benzinbetrieb wird der Kraftstoff vor der Zündung direkt in die Zylinder eingespritzt, während bei einem Gasbetrieb das Gas in das Saugrohr eingespritzt wird. Das ins Saugrohr eingespritzte Gas wird dort verwirbelt, und das entstehende Gas-Luft-Gemisch wird über das Einlassventil in den Zylinder geleitet.
  • Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass beim Gasbetrieb des Verbrennungsmotors das Direkteinspritzventil, das direkt am Brennraum angeordnet ist, den heißen Verbrennungsgasen im Gasbetrieb unmittelbar ausgesetzt ist, ohne eine Kühlung durch einen Kraftstoffdurchfluss, der normalerweise bei einer Direkteinspritzung im Benzinbetrieb vorhanden ist, zu erfahren. Zusätzlich kann es durch eine minimale Leckage der Direkteinspritzventile zu einer Verkokung von Benzin kommen, die die Lebensdauer dieser Ventile erheblich reduziert.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschädigung der Direkteinspritzventile durch eine zu hohe Temperatur und/oder durch Verkokung im Gasbetrieb des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Bei dem Verfahren ist der Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart betreibbar, bei der ein erster Kraftstoff in ein Saugrohr eingespritzt wird und ein Gemisch aus erstem Kraftstoff und Luft einem Brennraum zugeführt wird, um den Verbrennungsmotor gemäß einem vorgegebenen Sollmoment zu betreiben. In einer Ventilschutzbetriebsart wird die Menge des ersten Kraftstoffes um einen Anteil reduziert und eine Menge von zweitem Kraftstoff über ein Direkteinspritzventil, das unmittelbar an dem Brennraum angeordnet ist, eingespritzt, wobei die Menge des zweiten Kraftstoffs so gewählt ist, dass das Sollmoment beibehalten wird.
  • Das Verfahren hat den Vorteil, dass eine Übertemperatur und Verkokung der Direkteinspritzventile vermieden werden kann, indem zusätzlich zum Zuführen des Gemisches aus erstem Kraftstoff und Luft über das Saugrohr in der ersten Betriebsart zweiter Kraftstoff über das Direkteinspritzventil direkt in die Zylinder eingespritzt wird. Dadurch kann eine Kühlung der Einspritzventile erreicht und eine Verkokung vermieden werden.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, bei der nur der zweite Kraftstoff direkt über ein Direkteinspritzventil eingespritzt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Ventilschutzbetriebsart zu vorbestimmten Zeitpunkten oder in periodischen oder regelmäßigen Zeitabständen jeweils für eine vorbestimmte Zeitdauer eingenommen. Insbesondere kann die Ventilschutzbetriebsart abhängig von einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, insbesondere einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment eingenommen werden.
  • Weiterhin kann die Ventilschutzbetriebsart abhängig von dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors entweder in regelmäßigen oder in periodischen Abständen oder permanent eingenommen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Menge des zweiten Kraftstoffes unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt, größtenteils während einer Kompressionsdauer des Brennraums und/oder bis zu Kurbelwellenwinkeln zwischen 5° und 10° vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Motorsteuerung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Motorsteuerung ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart zu betreiben, wobei bei der ersten Betriebsart die Motorsteuerung ein an einem Saugrohr des Verbrennungsmotors angeordnetes Einspritzventil ansteuert, um gemäß einem vorgegebenen Sollmoment ersten Kraftstoff einzuspritzen, so dass über das Saugrohr ein Gemisch aus erstem Kraftstoff und Luft einem Brennraum zugeführt wird. Die Motorsteuerung kann weiterhin ausgebildet sein, so dass in einer Ventilschutzbetriebsart das Einspritzventil angesteuert wird, um eine um einen Anteil reduzierte Menge des ersten Kraftstoffes einzuspritzen und um eine Menge eines zweiten Kraftstoffs über ein Direkteinspritzventil, das unmittelbar an dem Brennraum angeordnet ist, einzuspritzen, wobei die Menge des zweiten Kraftstoffs so gewählt ist, dass das Sollmoment beibehalten wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer obigen Motorsteuerung und dem Verbrennungsmotor, der mithilfe der Motorsteuerung betrieben wird, vorgesehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, eines der obigen Verfahren ausführt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die einzige Figur zeigt einen Verbrennungsmotor 1 für den Betrieb mit mehreren Kraftstoffarten. Zur vereinfachten Darstellung ist der Verbrennungsmotor 1 nur mit einem Zylinder 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 kann jedoch eine beliebige Anzahl von Zylindern umfassen.
  • Der Zylinder 2 umfasst einen Brennraum 3 mit einem Kolben 4. Dem Brennraum 3 wird über ein Saugrohr 5 Luft für die Verbrennung zugeführt. In dem Saugrohr 5 ist eine Drosselklappe 6 angeordnet, um die in den Brennraum eingeleitete Luftmenge einzustellen. Der Zylinder 2 ist ebenfalls mit einem Abgasrohr 7 verbunden, über das Verbrennungsgase aus dem Brennraum 3 abgeleitet werden können.
  • Der Verbrennungsmotor 1 ist ausgebildet, sowohl mit einem ersten Kraftstoff, wie z. B. komprimierten Erdgas (CNG: Compressed Natural Gas), betrieben zu werden als auch mit einem zweiten Kraftstoff, wie z. B. Benzin und dergleichen. Im Folgenden wird beispielhaft von Erdgas als dem ersten Kraftstoff und Benzin als dem zweiten Kraftstoff ausgegangen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieser Kraftstoffe beschränkt.
  • Ein solcher Verbrennungsmotor 1 kann sowohl mit Erdgas als auch mit Benzin betrieben werden. In einem Gasbetrieb kann das Erdgas in das Saugrohr 5 eingespritzt werden, so dass es sich mit der dort befindlichen Luft vermischt und als Gas-Luft-Gemisch über das Saugrohr 5 dem Brennraum 3 des Zylinders 2 zugeführt wird. Bei einem Benzinbetrieb wird der Verbrennungsmotor 1 über ein Direkteinspritzventil 8 betrieben, über das das Benzin direkt in den Brennraum 3 eingespritzt wird.
  • Das Direkteinspritzventil 8 wird über eine Motorsteuereinheit 10 angesteuert. Die Motorsteuereinheit 10 steuert weiterhin die Stellung der Drosselklappe 6 und das Einspritzventil 9 im Saugrohr 5 zum Einspritzen von Erdgas. Ferner bestimmt die Motorsteuereinheit 10 den Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 3 mithilfe einer Zündeinheit, wie z. B. einer Zündkerze 11.
  • Beim Betrieb mit Erdgas sind die Direkteinspritzventile 8 zum Einspritzen von Benzin bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren in der Regel inaktiv. Jedoch sind sie der Verbrennungswärme im Brennraum 3 unmittelbar ausgesetzt und werden daher in entsprechender Weise stark aufgeheizt. Da im Gegensatz zum Benzinbetrieb im Gasbetrieb kein oder im Wesentlichen kein Kraftstoff durch die Direkteinspritzventile hindurchfließt, entfällt eine dadurch bewirkte Kühlung der Direkteinspritzventile 8, so dass sich diese im Gasbetrieb deutlich stärker aufheizen als bei der Benzindirekteinspritzung im Benzinbetrieb. Die erhöhte Erwärmung kann zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Direkteinspritzventile 8 führen. Durch unvermeidlichen geringen Leckfluss von Benzin durch die Direkteinspritzventile 8 in den Brennraum auch im reinen Gasbetrieb kann zusätzlich eine Verkokung des Benzins erfolgen.
  • Um die obigen Nachteile zu vermeiden, ist vorgesehen, die Temperatur der Direkteinspritzventile 8 zu senken, indem bei einem Gasbetrieb eine zusätzliche Einspritzung von Benzin vorgesehen wird, d. h. es ist ein Betrieb vorgesehen, bei dem sowohl ein Gas-Luft-Gemisch aus dem Saugrohr 5 in den Brennraum geleitet wird, als auch eine vorbestimmte Menge Benzin über die Direkteinspritzventile eingespritzt wird. Dabei wird vorgesehen, den Anteil des Erdgases im Brennraum zu reduzieren und eine entsprechende Menge Benzin durch die Direkteinspritzventile 8 in den Brennraum einzuspritzen. Die Menge, um die das in den Brennraum 3 eingelassene Erdgas reduziert wird, und die Menge des Benzins, die vor der Zündung in den Brennraum 3 eingespritzt wird, sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ohne Verstellung des Zündwinkels das gleiche Drehmoment wie im reinen Gasbetrieb ergibt bzw. ein Drehmoment ergibt, das im Wesentlichen dem Sollmoment entspricht. Beispielsweise beträgt der Anteil, um den bei gleich bleibendem Drehmoment die Menge des ersten Kraftstoffs reduziert wird, zwischen 5% bis 30%, vorzugsweise zwischen 10% und 20%.
  • Das zusätzliche Einspritzen von Benzin über die Direkteinspritzventile 8 führt zu einer Kühlung der Direkteinspritzventile durch die niedrigere Temperatur des Benzins sowie durch eine Kühlung aufgrund der Verdampfung des Benzins.
  • Insbesondere sollte die Einspritzung des Benzins unmittelbar vor der Zündung, d. h. mit einem Kurbelwellenwinkel 5° bis 10° vor dem Zündzeitpunkt erfolgen, so dass die eingespritzte Benzinmenge nur minimal durch das aufgrund der Kompression erwärmte Gas-Luft-Gemisch aufgeheizt wird. Durch die Verdampfung des Benzins wird eine niedrige Temperatur des Benzinanteils zusätzlich unterstützt. Ein möglichst kühler Anteil des Benzin-Luft-Gemisches im Zylinder ist bei dieser Verbrennungsart besonders wichtig, um die Klopfneigung durch den Benzinanteil nicht zu erhöhen. Dadurch ist es möglich, dass die hohe Klopffestigkeit des Erdgas-Luft-Gemischs nicht reduziert wird. Dadurch bleibt auch der Vorteil eines erhöhten Wirkungsgrades durch eine höhere Kompression und/oder Aufladung erhalten. Eine Zundwinkelspätverstellung aufgrund des Einspritzens des Benzins im Gasbetrieb ist nicht notwendig.
  • Das zusätzliche Einspritzen von Benzin über die Direkteinspritzventile 8 kann begonnen werden, wenn der Verbrennungsmotor 1 bzw. die Direkteinspritzventile 8 eine erste Temperaturschwelle erreicht, und entsprechend bei Unterschreiten derselben oder einer darunter liegenden zweiten Temperaturschwelle wieder beendet werden. Alternativ ist es möglich, wenn keine Temperaturerfassung unmittelbar in Nähe der Direkteinspritzventile 8 vorgesehen ist, die Einspritzung des Benzinanteils im Gasbetrieb in regelmäßigen Abständen, d. h. entsprechend einem periodischen Betrieb, vorzunehmen, z. B. in Abständen in einem Bereich von 30 Sekunden bis 3 Minuten, vorzugsweise in Abständen von 1 Minute bis 2 Minuten. Die Abstände können entsprechend Betriebsparametern, wie z. B. Drehmoment bzw. Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 variieren. Die Dauer, während der die Benzineinspritzung im Gasbetrieb erfolgt, hängt von dem Anteil des Erdgases ab, der im Gasbetrieb durch das Benzin ersetzt wird, und beträgt z. B. zwischen 10 Sekunden und 30 Sekunden.
  • Auch kann abhängig von den Betriebsparametern eine Umschaltung von oben beschriebenem periodischen Betrieb zu einem kontinuierlichen Betrieb vorgenommen werden, bei dem permanent ein Anteil des ersten Kraftstoffes, d. h. des Erdgases, durch einen zweiten Kraftstoff, d. h. durch Benzin, ersetzt wird. Insbesondere wenn die Betriebsparameter auf eine erhöhte Wärmeentwicklung im Gasbetrieb schließen lassen, wie z. B. unter Volllast, kann permanent ein Anteil des Erdgases durch Benzin ersetzt werden.
  • Das zusätzliche Einspritzen von Benzin im Gasbetrieb hat weiterhin den Vorteil, dass die Direkteinspritzventile 8 regeneriert werden können, da durch Verkokung entstandene Ablagerungen beseitigt werden können. Weiterhin hat dieses Verfahren keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad, den Kraftstoffverbrauch oder das Motorengeräusch und es sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich, da diese Betriebsart durch eine entsprechende Programmierung als eine zusätzliche Funktion der Motorsteuereinheit 10 realisiert werden kann.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), wobei der Verbrennungsmotor (1) in einer ersten Betriebsart betreibbar ist, bei der ein erster Kraftstoff in ein Saugrohr (5) eingespritzt wird und ein Gemisch aus erstem Kraftstoff und Luft einem Brennraum (3) zugeführt wird, um den Verbrennungsmotor (1) gemäß einem vorgegebenen Sollmoment zu betreiben; dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ventilschutzbetriebsart die Menge des ersten Kraftstoffes um einen Anteil reduziert wird und eine Menge eines zweiten Kraftstoffs über ein Direkteinspritzventil (8), das unmittelbar an dem Brennraum (3) angeordnet ist, eingespritzt wird, wobei die Menge des zweiten Kraftstoffs so gewählt ist, dass das Sollmoment beibehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, bei der nur der zweite Kraftstoff direkt über ein Direkteinspritzventil (8) eingespritzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschutzbetriebsart zu vorbestimmten Zeitpunkten oder in periodischen oder regelmäßigen Zeitabständen jeweils für eine vorbestimmte Zeitdauer eingenommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschutzbetriebsart abhängig von einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1), insbesondere einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment eingenommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschutzbetriebsart abhängig von dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1) und/oder abhängig von einer Temperatur des Direkteinspritzventils (8) entweder in regelmäßigen Abständen oder in periodischen Abständen oder permanent eingenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des zweiten Kraftstoffes unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt, größtenteils während einer Kompressionsdauer des Brennraums (3) und/oder bis zu Kurbelwellenwinkeln zwischen 5° und 10° vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt wird.
  7. Motorsteuerung (10) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1); wobei die Motorsteuerung (10) ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor (1) in einer ersten Betriebsart zu betreiben, wobei bei der ersten Betriebsart die Motorsteuerung (10) ein an einem Saugrohr (5) des Verbrennungsmotors (2) angeordnetes Einspritzventil (9) ansteuert, um gemäß einem vorgegebenen Sollmoment ersten Kraftstoff einzuspritzen, so dass über das Saugrohr (5) ein Gemisch aus erstem Kraftstoff und Luft einem Brennraum (3) zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (10) weiterhin ausgebildet ist, um in einer Ventilschutzbetriebsart das Einspritzventil (9) anzusteuern, um eine um einen Anteil reduzierte Menge des ersten Kraftstoffes einzuspritzen und um eine Menge eines zweiten Kraftstoffs über ein Direkteinspritzventil (8), das unmittelbar an dem Brennraum (3) angeordnet ist, einzuspritzen, wobei. die Menge des zweiten Kraftstoffs so gewählt ist, dass das Sollmoment beibehalten wird.
  8. Motorsystem mit einer Motorsteuerung nach Anspruch 7 und dem Verbrennungsmotor (1), der mit Hilfe der Motorsteuerung betrieben wird.
  9. Computerprogramm, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.
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