DE19535703C2 - Brennstoffeinspritzsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für einen Dieselmotor mit einer durch eine Hochdruckpumpe über einen Vorspeicher mit einem ersten Brennstoff versorgten Einspritzdüse, die ein inneres Volumen hat, in welches der Brennstoff zugeführt wird, wobei der Motor anstelle mit dem ersten Brennstoff mit einem zweiten Brennstoff in Form von reinem Brennstoff oder einer Emulsion aus Brennstoff und einem gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoff betrieben werden kann.

Eine wesentliche Möglichkeit zur Verminderung der Abgasemissionswerte, insbesondere an Stickoxiden, und zur Verringerung des spezifischen Brennstoffverbrauchs von Dieselmotoren, insbesondere von Großdieselmotoren besteht darin, den Motor mit einem Emulsionskraftstoff zu betreiben. Darunter ist ein Kraftstoff zu verstehen, bei dem Brennstoff und ein gegenüber dem Brennstoff unlösbarer weiterer Stoff in einer Emulsion vorliegen, zum Beispiel Wasser und Dieselkraftstoff, Wasser und Schweröl oder Methanol und Dieselkraftstoff, wobei am häufigsten eine Emulsion aus Wasser und leichtem oder schwerem Dieselöl verwendet wird.

Ein Nachteil bei einem Betrieb mit einem Emulsionskraftstoff besteht darin, daß bei einer längeren Betriebspause des Motors eine Trennung der beiden gegeneinander nicht lösbaren Bestandteile der Emulsion stattfindet, so daß beim nächsten Startvorgang des Motors anstelle Emulsion nur Wasser eingespritzt wird und sich die Starteigenschaften des Motors somit stark verschlechtern.

Ein anderer Nachteil des Betriebs mit Emulsionskraftstoff besteht darin, daß wegen der in der Emulsion vorhandenen sehr feinen Wassertröpfchen durch verminderte Schmierung und Korrosion die Lebensdauer der Einspritzpumpe verkürzt wird.

Brennstoffeinspritzsysteme, bei denen mittels einer Hochdruckpumpe Brennstoff kontinuierlich in einen Vorspeicher gepumpt und der Brennstoff diesem von den Einspritzdüsen des Motors entsprechend den Einspritzvorgängen diskontinuierlich entnommen wird, sogenannte Common-Rail-Systeme, finden zunehmende Verbreitung. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Common-Rail-Systems besteht in deren freier Wählbarkeit von Beginn und Ende des Einspritzvorgangs.

Aus der DE 43 37 048 C2 geht bereits ein Common-Rail-Einspritzsystem als bekannt hervor, das die Einspritzung einer in einem Kraftstoff eingelagerten Zusatzflüssigkeit zusammen mit dem Kraftstoff erlaubt. Hierzu ist ein den Einspritzöffnungen vorgelagerter Raum im Injektor sowohl mit einer Einspritzleitung für den Kraftstoff als auch mit einer Zuleitung für die Zusatzflüssigkeit verbunden. Damit die Einlagerung der Zusatzflüssigkeit, vornehmlich Wasser, auf niedrigem Druckniveau erfolgen kann, ist eine Ventilanordnung in der Einspritzleitung vorgesehen, die die Verbindung der Einspritzleitung mit einem unter hohem Druck stehenden Druckspeicher unterbricht und eine Verbindung des den Einspritzöffnungen vorgelagerten Raums mit einer Leckageleitung herstellt, über die ein entsprechend der Wassermenge gefördertes äquivalentes Kraftstoffvolumen in den Einspritzpausen aus dem Injektor abgeführt wird. Die Einspritzung erfolgt dann durch den unter dem Druck des Druckspeichers stehenden Kraftstoff, der nach Umschaltung der Ventilanordnung vor den Einspritzöffnungen ansteht. Ein Rückschlagventil verschließt die Zuleitung für Zusatzflüssigkeit.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffeinspritzsystem für den Betrieb eines Dieselmotors mit einem Emulsionsbrennstoff anzugeben, das zuverlässige Wiederstarteigenschaften des Motors nach einer längeren Betriebspause und einen geringen Verschleiß des Einspritzsystems gewährleistet.

Bei einem Brennstoffeinspritzsystem der vorausgesetzten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einspritzdüse Mittel aufweist, mit welchen der zweite Brennstoff in einem Kreislauf durch das innere Volumen der Einspritzdüse geführt und bei Betätigung der Einspritzdüse durch den unter Hochdruck stehenden, in das innere Volumen der Einspritzdüse nachgeförderten ersten Brennstoff in den Motor eingespritzt wird, und daß Mittel vorgesehen sind, durch die der Kreislauf des zweiten Brennstoffs durch die Einspritzdüse aufrechterhalten und das Mischungsverhältnis des Brennstoffs und des gegenüber dem Brennstoff unlösbaren Stoffs in dem zweiten Brennstoff eingestellt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des Brennstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, daß es zum Starten des Dieselmotors möglich ist, reinen Brennstoff allein zu verwenden, da das Mischungsverhältnis des Brennstoffs und des gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoffs in dem zweiten Brennstoff in dem Kreislauf sehr schnell geändert und an die jeweiligen Betriebszustände des Motors angepaßt werden kann. Daher ist es auch möglich, vor der Außerbetriebsetzung des Dieselmotors vom Betrieb mit Emulsionsbrennstoff auf den Betrieb mit reinem Brennstoff kurzfristig umzustellen, so daß das Brennstoffeinspritzsystem des Motors in der Betriebspause vollständig mit reinem Brennstoff gefüllt und somit unanfällig gegen Korrosion ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert werden.

Die Figur zeigt ein schematisiertes Blockdiagramm eines Brennstoffeinspritzsystems für einen Dieselmotor, bei dem die vorliegende Erfindung in einem Ausführungsbeispiel verwirklicht ist.

Bei dem in der Figur dargestellten Brennstoffeinspritzsystem wird eine Einspritzdüse 1 aus einem Vorspeicher 2 mit einem ersten Brennstoff versorgt, der durch eine Hochdruckpumpe 3 unter Druck gesetzt wird. Die Einspritzdüse 1 enthält ein als Steuermittel wirkendes Magnetventil 4, von dem ein Kanal A-B zu einem die Düsennadel 5 am Ende der Einspritzdüse 1 umgebenden Injektorvolumen V führt. Die Düsennadel 5 wird durch eine Einspritzventilfeder 6 gegen ihren Ventilsitz gedrückt.

Beim Schalten des Magnetventils 4 zu Beginn des Einspritzvorgangs wird eine Verbindung der Punkte A und D am Magnetventil 4 hergestellt, so daß der Weg für den ersten Brennstoff von dem Vorspeicher 2 durch das Magnetventil 4 zu dem Injektorvolumen V freigegeben wird. Gleichzeitig wird mit dem Schalten des Magnetventils 4 am Beginn des Einspritzvorgangs aufgrund der Änderung der Druckverhältnisse in der Einspritzdüse 1 die Düsennadel 5 durch einen an sich bekannten Mechanismus dazu veranlaßt, sich von ihrem Ventilsitz zu lösen, und der in dem Injektorvolumen V vorhandene Brennstoff wird durch den aus dem Vorspeicher 2 über den Kanal A-B nachgeförderten Brennstoff in den Dieselmotor eingespritzt. Am Ende des Einspritzvorgangs wird durch Zurückschalten des Magnetventils 4 die Verbindung der Punkte A und D unterbrochen, und aufgrund der Wirkung der Einspritzventilfeder 6 die Düsennadel 5 in ihren Ventilsitz gedrückt und die Einspritzdüse 1 geschlossen.

Insoweit entspricht das beschriebene Brennstoffeinspritzsystem einem bekannten Common-Rail-System, wobei zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit in der Figur nur eine Einspritzdüse 1 dargestellt ist. Tatsächlich existieren Einspritzdüsen entsprechend der Anzahl der Zylinder des Motors.

Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch die ein zweiter Brennstoff, der entweder in reinem Brennstoff oder einer Emulsion aus Brennstoff und einem gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoff, beispielsweise Wasser, besteht, in einem Kreislauf durch das aus dem Injektorvolumen V und dem Kanal A-B bestehende innere Volumen der Einspritzdüse 1 geführt werden kann.

Dazu ist das Magnetventil 4 als ein Zweiwegeventil ausgebildet, welches alternativ zu dem Strömungsweg A-D einen Strömungsweg A-C freizugeben in der Lage ist. Von dem Punkt C am Magnetventil 4 führt eine Leitungsverbindung über die Punkte E und F zu einem Zulaufkanal 12, welcher in das Injektorvolumen V mündet. In die Leitungsverbindung E-F sind eine als Fördermittel wirkende Pumpe 9 mit Dosiermitteln 10 zur Wasserzumischung geschaltet, durch welche die genannte Emulsion für den zweiten Brennstoff hergestellt werden kann. Die Pumpe 9 wird mittels eines Drehantriebs von dem nur angedeuteten Dieselmotor 11 angetrieben.

In dem Zulaufkanal 12 zu dem Injektorvolumen V ist ein als Steuermittel wirkendes Rückschlagventil 7 angeordnet, durch welches der Zulaufkanal 12 beim Einspritzvorgang aufgrund des dann anliegenden Hochdrucks geschlossen und damit der Kreislauf des zweiten Brennstoffs von dem inneren Volumen der Einspritzdüse 1 getrennt wird. Von den Punkten H und G des Kreislaufs für den zweiten Brennstoff führen Verbindungen zu weiteren entsprechend ausgebildeten Einspritzdüsen 1 des Dieselmotors.

Beim Betrieb des Brennstoffeinspritzsystems ist in den Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen die Verbindung A-D im Magnetventil 4 unterbrochen und die Verbindung A-C hergestellt, so daß der zweite Brennstoff mittels der Pumpe 9 im Kreislauf durch das innere Volumen V, A-B der Einspritzdüse 1 gepumpt und somit dieses innere Volumen vollständig mit dem zweiten Brennstoff gespült und gefüllt wird.

Zu Beginn des Einspritzvorgangs wird durch Schalten des Magnetventils 4 die Verbindung A-C in demselben unterbrochen und die Verbindung A-D hergestellt, wodurch der im Vorspeicher 2 befindliche erste Brennstoff in dem Kanal A-B nachströmt und den dort und in dem Injektorvolumen V befindlichen zweiten Brennstoff aus der von der zurückgezogenen Düsennadel 5 geöffneten Einspritzdüse 1 in den Dieselmotor einspritzt. Dabei ist der Zulaufkanal 12 zum Injektorvolumen V durch das Rückschlagventil 7 geschlossen, so daß der im Injektorvolumen V vorhandene zweite Brennstoff dort nicht entweichen kann.

Der durch den Kanal A-B gebildete Teil des inneren Volumens der Einspritzdüse 1 ist größer als die von der Einspritzdüse bei einem Einspritzvorgang maximal eingespritzte Brennstoffmenge, so daß stets nur der in dem durch das Injektorvolumen V und dem Kanal A-B gebildeten inneren Volumen der Einspritzdüse 1 vorhandene zweite Brennstoff eingespritzt wird, nicht aber der aus dem Vorspeicher 2 nachströmende erste Brennstoff. Mit anderen Worten, eine zu Beginn des Einspritzvorgangs beim Herstellen der Verbindung A-D im Magnetventil 4 vorliegende Grenzfläche 1 zwischen dem von dem Vorspeicher 2 geförderten ersten Brennstoff und dem im Kanal A-B der Einspritzdüse 1 vorhandenen zweiten Brennstoff wird durch den aus dem Vorspeicher 2 nachströmenden ersten Brennstoff in dem Kanal A-B vom Punkt A in Richtung auf den Punkt B verschoben, nicht jedoch soweit, daß der in dem Kanal A-B nachströmende erste Brennstoff mit in den Motor eingespritzt wird.

Am Ende des Einspritzvorgangs wird durch Unterbrechen der Verbindung A-D und Herstellen der Verbindung A-C im Magnetventil 4 der Kreislauf für den zweiten Brennstoff wiederhergestellt und das innere Volumen der Einspritzdüse 1 von dem unter Hochdruck stehenden ersten Brennstoff im Vorspeicher 2 getrennt. Dabei öffnet sich das Rückschlagventil 7 im Zulautkanal 12 und der zweite Brennstoff strömt in das Injektorvolumen V ein und von dort vom Punkt B her durch den Kanal A-B, so daß der jenseits der Grenzfläche 1 befindliche erste Brennstoff auf dem Weg A-C durch das Magnetventil 4 in den Kreislauf des zweiten Brennstoffs geschoben und dem dort zirkulierenden zweiten Brennstoff beigemischt wird. Auf diese Weise gelangt der von der Hochdruckpumpe 3 geförderte und über den Vorspeicher 2 zugeführte erste Brennstoff bei dem geschilderten Betriebsmodus nur auf dem Umweg über den im Kreislauf strömenden zweiten Brennstoff zur Verbrennung, wogegen der Hochdruck des im Vorspeicher 2 gespeicherten ersten Brennstoffs beim Einspritzvorgang voll zur Geltung kommt.

Um den Motor mit reinem Brennstoff zu betreiben, etwa bei der Inbetriebnahme oder vor dem Abstellen oder bei die Verwendung von reinem Brennstoff erfordernden Betriebszuständen, kann entweder die Pumpe 9 unwirksam gemacht und der Motor allein mit dem aus dem Vorspeicher 2 geförderten ersten Brennstoff betrieben werden oder die Zuführung des gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoffs (Wassers) aus den Dosiermitteln 10 kann unterbrochen und der Motor mit dem zweiten Brennstoff in Form von reinem Brennstoff betrieben werden.

Claims (5)

1. Brennstoffeinspritzsystem für einen Dieselmotor mit einer durch eine Hochdruckpumpe (3) über einen Vorspeicher (2) mit einem ersten Brennstoff versorgten Einspritzdüse (1), die ein inneres Volumen (V, A-B) hat, in welches der Brennstoff zugeführt wird, wobei der Motor anstelle mit dem ersten Brennstoff mit einem zweiten Brennstoff in Form von reinem Brennstoff oder einer Emulsion aus Brennstoff und einem gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoff betreibbar ist, wobei der zweite Brennstoff bei Betätigung der Einspritzdüse durch den unter Hochdruck stehenden, in das innere Volumen (V, A-B) der Einspritzdüse nachgeförderten ersten Brennstoff in den Motor eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (1) Steuermittel (7, 4) aufweist, mit welchen das innere Volumen (V, A-B) der Einspritzdüse (1) in einen Kreislauf des zweiten Brennstoffs einbezogen werden kann, und daß Förder- und Dosiermittel (9, 10) vorgesehen sind, durch die der Kreislauf des zweiten Brennstoffs durch die Einspritzdüse (1) aufrechterhalten und das Mischungsverhältnis des Brennstoffs und des gegenüber dem Brennstoff unlösbaren Stoffs in dem zweiten Brennstoff eingestellt wird.

2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (A-B) des inneren Volumens (V, A-B) der Einspritzdüse, durch welchen der erste Brennstoff von dem Vorspeicher (2) nachgefördert und durch welchen der zweite Brennstoff im Kreislauf geführt wird, größer als die maximal eingespritzte Brennstoffmenge ist.

3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Steuermittel (7, 4) ein Magnetventil (4) ist, daß die Einspritzdüse (1) durch das Magnetventil (4) gesteuert wird, daß das Magnetventil (4) ein Zweiwegeventil ist, das in einer ersten Stellung (A-D) für den unter Hochdruck stehenden Brennstoff einen Weg von dem Vorspeicher (2) in das innere Volumen (V, A-B) der Einspritzdüse (1) freigibt, und in einer zweiten Stellung (A-C) eine Verbindung des inneren Volumens (V, A-B) der Einspritzdüse (1) mit den den Kreislauf des zweiten Brennstoffs durch die Einspritzdüse (1) aufrechterhaltenden Förder- und Dosiermitteln (9, 10) herstellt.

4. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem zweiten Brennstoff durchströmte innere Volumen (V, A-B) der Einspritzdüse (1) durch ein die Düsennadel (5) umgebendes Injektorvolumen (V) und einen das Injektorvolumen (V) mit dem Magnetventil (4) verbindenden Kanal (A-B) gebildet ist.

5. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des die Düsennadel (5) der Einspritzdüse (1) umgebenden Injektorvolumens (V) ein Zulaufkanal (12) vorgesehen ist, durch welchen der zweite Brennstoff in das Injektorvolumen (V) einströmen kann, und daß eines der Steuermittel (7, 4) ein Rückschlagventil (7) ist, das in dem Zulaufkanal (12) vorgesehen ist, und welches beim Druckanstieg im Injektorvolumen (V) aufgrund des vom Vorspeicher (2) nachgeförderten ersten Brennstoffs eine Strömung des Brennstoffs von dem Injektorvolumen (V) durch den Zulaufkanal (12) verhindert.