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DE102009014796A1 - Bivalente Brennkraftmaschine sowie Brennstoffzuführmodul - Google Patents

Bivalente Brennkraftmaschine sowie Brennstoffzuführmodul Download PDF

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DE102009014796A1
DE102009014796A1 DE102009014796A DE102009014796A DE102009014796A1 DE 102009014796 A1 DE102009014796 A1 DE 102009014796A1 DE 102009014796 A DE102009014796 A DE 102009014796A DE 102009014796 A DE102009014796 A DE 102009014796A DE 102009014796 A1 DE102009014796 A1 DE 102009014796A1
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Germany
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Jens Dipl.-Ing. Bieler
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bivalente Brennkraftmaschine (100) sowie ein Brennstoffzuführmodul (120). Um lange Gasbetriebsphasen einer bivalenten Brennkraftmaschine (100) mit einfachen Mitteln zu ermöglichen, ist bei einer bivalenten Brennkraftmaschine (100), mit mindestens einem ersten Brennraum (110), mindestens einem Flüssigbrennstoffpfad (124) für flüssigen Brennstoff sowie mindestens einem Gasbrennstoffpfad (122) für gasförmigen Brennstoff eine Wärmetransfereinrichtung (140) vorgesehen, mit welcher Wärme aus dem Flüssigbrennstoffpfad (124) abgeleitet wird, wobei die dazu erforderliche Kühlleistung durch den Gasbrennstoffpfad (122) bereitgestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine bivalente Brennkraftmaschine sowie ein Brennstoffzuführmodul.
  • Erdgasmotoren für Pkw-Antriebe werden heute meist als bivalente Motoren konzipiert, d. h. sie sind sowohl für den Betrieb mit Erdgas als auch für den Betrieb mit Benzin geeignet. Dadurch ergibt sich für den Nutzer eine geringe Abhängigkeit von Erdgastankstellen. Üblicherweise wird heute sowohl für den Gas – als auch für den Benzinbetrieb die äußere Gemischbildung gewählt. Daneben ist aus der Praxis aber auch eine zunehmende Tendenz zu Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung festzustellen.
  • Um den beiden zuvor genannten Gesichtspunkten gerecht zu werden, ist aus der Praxis bekannt, Brennkraftmaschinen mit einer Benzin-Direkteinspritzung im Wesentlichen beizubehalten und zusätzlich eine Gas-Saugrohreinblasung zu adaptieren. Eine solche Brennkraftmaschine ist auch aus der DE 10 2006 054 463 A1 bekannt, wobei es sich bei dieser Brennkraftmaschine um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit bivalenter Betriebsweise handelt, welche mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betrieben werden kann. Diese Brennkraftmaschine weist je Brennraum (Zylinder) mindestens einen Benzin-Injektor auf, der als Einspritzdüse für Ottokraftstoff bezeichnet wird, sowie mindestens ein Gas-Einblasventil, welches als Gasinjektor für Erdgas (CNG) bezeichnet wird, wobei die Gasinjektoren an den einzelnen Ansaugrohren für die Brennräume angeordnet sind.
  • Bei der aus der DE 10 2006 054 463 A1 bekannte, bivalente Brennkraftmaschine ist eine Betriebsweise vorgesehen, bei der flüssiger und gasförmiger Brennstoff sowohl einzeln als auch in Kombination verwendbar sind. Insbesondere ist vorgesehen, bei einem längeren reinen Gasbetrieb zusätzlich oder ausschließlich kurzzeitig flüssigen Brennstoff zu verwenden, so dass die Einspritzdüsen für den flüssigen Brennstoff durch diesen gekühlt und somit vor Überhitzungsschäden bewahrt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, lange Gasbetriebsphasen einer bivalenten Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer bivalenten Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Brennstoffzuführmodul gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3.
  • Gemäß der Erfindung ist bei einer bivalenten Brennkraftmaschine mit mindestens einem ersten Brennraum, mindestens einem Flüssigbrennstoffpfad für flüssigen Brennstoff sowie mindestens einem Gasbrennstoffpfad für gasförmigen Brennstoff eine Wärmetransfereinrichtung vorgesehen, mit welcher Wärme aus dem Flüssigbrennstoffpfad abgeleitet wird, wobei die dazu erforderliche Kühlleistung durch dem Gasbrennstoffpfad bereitgestellt wird. Mit der Erfindung wird gewährleistet, dass der flüssige Brennstoff und damit auch die diesen umgebenden Bauelemente gekühlt werden, wodurch lange Gasbetriebsphasen möglich sind, ohne dass der flüssige Brennstoff geschädigt wird und ohne dass sich Ablagerungen, beispielsweise Verkokungen an einem Injektor für eine Flüssigbrennstoff-Direkteinspritzung bilden. Für die Kühlung wird dabei der gasförmige Brennstoff, der entweder in gekühlter Form oder unter Druck zur Verfügung steht und damit Wärme aufnehmen muss, um seine Verbrennungsparameter zu erhalten, genutzt, wodurch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine aus einfachen Mitteln aufgebaut werden kann. Mit der Erfindung kann insbesondere der Systemdruck im Flüssigkraftstoffsystem, insbesondere einem Benzineinspritzsystem in einfacher Weise aufrecht erhalten werden.
  • Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass das die Kühlwirkung automatisch eintritt, wenn diese benötigt wird, nämlich bei einer Umschaltung von Flüssigbrennstoff auf Gasbrennstoff, insbesondere Benzin auf Erdgas. Ein im Stand der Technik bestehendes Problem, das nämlich sich die Komponenten des Gasbrennstoffpfades stark abkühlen, wird mit der Erfindung ebenfalls gemindert.
  • Die vorgenannten Wirkungsweisen und Vorteile der Erfindung zeigen sich bereits in einem Brennstoffzuführmodul mit einem Gasbrennstoffpfad und einem Flüssigbrennstoffpfad, wenn bei diesem – wie gemäß der Erfindung vorgesehen – eine Wärmetransfereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher Wärme aus dem Flüssigbrennstoffpfad abgeleitet wird, wobei die dazu erforderliche Kühlleistung durch dem Gasbrennstoffpfad bereitgestellt wird. Daher wird auch für ein Brennstoffzuführmodul selbstständig Schutz beansprucht.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasbrennstoffpfad einen Druckwandler zur Wandlung des Gasdrucks von einem Speicherdruck auf einen Verbrauchsdruck aufweist, dessen Heizleistungsbedarf mindestens teilweise von der Wärmetransfereinrichtung bereitgestellt wird. Mit der Erfindung wird auf diese Weise der Joule-Thompson Effekt genutzt, um die Kühlleistung zur Verfügung zu stellen. Dementsprechend ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Gasbrennstoffpfad als CNG-Pfad (Compressed Natural Gas Pfad) ausgebildet ist.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasbrennstoffpfad als LNG-Pfad (Liquified Natural Gas Pfad) ausgebildet ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Gasbrennstoff in der vorliegenden Anmeldung einen Brennstoff bezeichnet, der bei Umgebungstemperaturen gasförmig ist, im Rahmen der Verwendung in einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung jedoch auch in flüssiger Form gespeichert und verteilt werden kann.
  • Ein besonders einfacher Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführvorrichtung ergibt sich, wenn – wie gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen – die Wärmetransfereinrichtung als Trennwand einer Zwei-Medienleitung ausgebildet ist, wobei eine erste Oberfläche der Trennwand dem Gasbrennstoff und eine zweite Oberfläche dem Flüssigbrennstoff ausgesetzt ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn – wie gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen – die Zwei-Medienleitung als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransfereinrichtung mindestens einen Gasbrennstoff-Leitungsabschnitt aufweist, der als Kühlmantelabschnitt oder nach Art einer Kühlschlange um einen hitzebelastete Komponente des Flüssigbrennstoffpfads geführt ist. Durch eine solche gezielte Kühlung besonders kritischer Komponenten des Flüssigbrennstoffpfads sind die Vorteile der Erfindung besonders deutlich. Dies gilt insbesondere dann, wenn – wie gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen – die hitzebelastete Komponente des Flüssigbrennstoffpfad ein Injektor für eine Flüssigbrennstoff-Direkteinspritzung (Einspritzdüse) ist, der in einer Wand eines Brennraums angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmetransfereinrichtung einer erfindungsgemäßen bivalenten Brennkraftmaschine als Teil eines Brennstoffzuführmoduls nach einem der Ansprüche 3 bis 10 ausgeführt ist.
  • Die Gaszuführung kann auch in Motorbauteile integriert werden, die die Komponenten der Flüssigbrennstoffeinspritzung aufnehmen (z. B. Zylinderkopf). Eine räumlich nahe Anordnung der „Gasleitung” zur Injektorspitze verbessert den Wärmeübergang des Flüssigbrennstoffinjektors.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer bivalenten Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzuführmoduls gemäß der Erfindung, in einem vereinfachten Schnitt, und
  • 2 einen Schnitt durch das Brennstoffzuführmodul in 1 gemäß der Linie II-II in 1.
  • Die in 1 gezeigte besonders bevorzugte Ausführungsform einer bivalenten Brennkraftmaschine 100 ist als PKW-Motor für eine Benzin-Direkteinspritzung und Erdgaseinblasung ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 100 weist in einem Motorblock 102 auf, der einen Zylinderkopf 104 und ein Kurbelgehäuse 106 umfasst. In dem Motorblock sind mehrere, insbesondere vier Zylinder 108 ausgebildet. Die Zylinder 108, in denen Hubkolben (nicht gezeigt) angeordnet sind, bestimmen zusammen mit dem Zylinderkopf 104 vier Brennräume. Im folgenden wird die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Situation des in 1 gezeigten Brennraums 110 erläutert, wobei diese Beschreibung entsprechend für die weiteren Brennräume, die nicht gezeigt sind, gilt.
  • An der Brennkraftmaschine 100 sind je Brennraum 110 ferner ein oder mehrere Saugrohre 112 sowie ein oder mehrere Abgasrohre 114 vorgesehen, deren Verbindung mit dem jeweiligen Brennraum 110 durch Einlass- bzw. Auslassventile 116, 118 gesteuert wird. Die Einlass- und Auslassventile 116, 118 sind in 1 lediglich schematisch dargestellt.
  • Zur Versorgung des Brennraums 110 mit Brennstoffen ist ein Brennstoffzuführmodul 120 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen. Dieses Brennstoffzuführmodul 120 definiert einen Abschnitt eines Gasbrennstoffpfads 122 sowie einen Abschnitt eines Flüssigbrennstoffpfads 124.
  • Zu dem Gasbrennstoffpfad 122 gehören noch ein Gasdruckregler (nicht gezeigt), eine den Gasdruckregler mit einem Erdgastank verbindende Hochdruck-Versorgungsleitung (nicht gezeigt) sowie Einblasventile 124, wobei die Einblasventile 124 an eine Niederdruckleitung 126 angeschlossen sind, welche an dem Brennstoffzuführmodul 120 ausgebildet ist.
  • Zu dem Flüssigbrennstoffpfad 124 gehören noch ein Verteilerrohr (nicht gezeigt) sowie Verteilerleitungen 128, die zu den Injektoren 130 für eine Flüssigbrennstoff-Direkteinspritzung (Einspritzdüsen) führen, wobei die Injektoren 130 in die Brennräume 110 münden. Ein letzter Abschnitt der Verteilerleitungen 128 ist an dem Brennstoffzuführmodul 120 ausgebildet.
  • Die Niederdruckleitungen 126 und die Verteilerleitungen 128 sind an dem Brennstoffzuführmodul 120 als doppelwandiges Rohr 132 derart ausgebildet, dass der in diesem Bereich liegende Abschnitt des Gasbrennstoffpfads 122 einen entsprechenden Abschnitt des Flüssigbrennstoffpfads 124 umschließt. Das doppelwandige Rohr 132 kann auch als Zwei-Medienleitung bezeichnet werden, und es weist eine Trennwand 134 auf, wobei eine erste Oberfläche 136 der Trennwand 134 dem Gasbrennstoff und eine zweite Oberfläche 138 dem Flüssigbrennstoff ausgesetzt ist.
  • Die Trennwand 134 ist derart ausgebildet, dass über diese ein Wärmetransfer von dem Flüssigbrennstoff auf den Gasbrennstoff erfolgt. Mit eine solchen, wärmeleitenden Trennwand 134 weist das Brennstoffzuführmodul 120 eine Wärmetransfereinrichtung 140 auf.
    • 100
    Brennkraftmaschine
    102
    Motorblock
    104
    Zylinderkopf
    106
    Kurbelgehäuse
    108
    Zylinder
    110
    Brennraum
    112
    Saugrohr
    114
    Abgasrohr
    116
    Einlassventil
    118
    Auslassventile
    120
    Brennstoffzuführmodul
    122
    Gasbrennstoffpfad
    124
    Flüssigbrennstoffpfad
    126
    Niederdruckleitung
    128
    Verteilerleitung
    130
    Injektor
    132
    doppelwandiges Rohr
    134
    Trennwand
    136
    erste Oberfläche
    138
    zweite Oberfläche
    140
    Wärmetransfereinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006054463 A1 [0003, 0004]

Claims (10)

  1. Bivalente Brennkraftmaschine, mit mindestens einem ersten Brennraum (110), mindestens einem Flüssigbrennstoffpfad (124) für flüssigen Brennstoff sowie mindestens einem Gasbrennstoffpfad (122) für gasförmigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmetransfereinrichtung (140) vorgesehen ist, mit welcher Wärme aus dem Flüssigbrennstoffpfad (124) abgeleitet wird, wobei die dazu erforderliche Kühlleistung durch dem Gasbrennstoffpfad (122) bereitgestellt wird.
  2. Bivalente Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransfereinrichtung (140) als Teil eines Brennstoffzuführmoduls (120) nach einem der Ansprüche 3 bis 10 ausgeführt ist.
  3. Brennstoffzuführmodul mit einem Gasbrennstoffpfad (122) und einem Flüssigbrennstoffpfad (124), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmetransfereinrichtung (140) vorgesehen ist, mit welcher Wärme aus dem Flüssigbrennstoffpfad (124) abgeleitet wird, wobei die dazu erforderliche Kühlleistung durch dem Gasbrennstoffpfad (122) bereitgestellt wird.
  4. Brennstoffzuführmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbrennstoffpfad (122) einen Druckwandler zur Wandlung des Gasdrucks von einem Speicherdruck auf einen Verbrauchsdruck aufweist, dessen Heizleistungsbedarf mindestens teilweise von der Wärmetransfereinrichtung bereitgestellt wird.
  5. Brennstoffzuführmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbrennstoffpfad (122) als CNG-Pfad (Compressed Natural Gas Pfad) ausgebildet ist.
  6. Brennstoffzuführmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbrennstoffpfad als LNG-Pfad (Liquified Natural Gas Pfad) ausgebildet ist.
  7. Brennstoffzuführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransfereinrichtung (140) als Trennwand (134) einer Zwei-Medienleitung ausgebildet ist, wobei eine erste Oberfläche (136) der Trennwand dem Gasbrennstoff und eine zweite Oberfläche (138) dem Flüssigbrennstoff ausgesetzt ist.
  8. Brennstoffzuführeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwei-Medienleitung als doppelwandiges Rohr (132) ausgebildet ist.
  9. Brennstoffzuführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransfereinrichtung mindestens einen Gasbrennstoff-Leitungsabschnitt, der als Kühlmantelabschnitt oder nach Art einer Kühlschlange um einen hitzebelastete Komponente des Flüssigbrennstoffpfads geführt ist.
  10. Brennstoffzuführeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebelastete Komponente des Flüssigbrennstoffpfads (124) ein Injektor (130) für eine Flüssigbrennstoff-Direkteinspritzung (Einspritzdüse) ist, die in einer Wand eines Brennraums (110) angeordnet ist.
DE102009014796A 2009-03-25 2009-03-25 Bivalente Brennkraftmaschine sowie Brennstoffzuführmodul Withdrawn DE102009014796A1 (de)

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