AT1623U1

AT1623U1 - Einspritzsystem für eine insbesondere mit flüssiggas als kraftstoff oder kraftstoffkomponente betriebene brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT1623U1
Application number: AT0027495U
Authority: AT
Inventors: Denis Walter Dipl Ing Gill; Herwig Dipl Ing Dr Ofner
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1997-08-25
Also published as: DE19620005A1; DE19620005B4; US5678524A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine insbesondere mit Flüssiggas als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung (2) pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffzufuhrsystem (16), welches zumindest einen Kraftstoffbehälter (4) und ein als Verdränger ausgebildetes, schwingendes Pumpelement (10) zur Förderung des Kraftstoffes aufweist. Um eine zuverlässige Abdichtung des Kraftstoffes im Bereich des Pumpelementes (10) gegenüber anderen Betriebsmedien oder der Umgebung zu erreichen, ist vorgesehen, daß das Pumpelement (10) ein elastisches, gehäusefest eingespanntes Dichtelement (15) aufweist, welches einen Pumpenraum (14) in einen ersten (14a) und einen zweiten Teilraum (14b) dicht trennt, wobei der erste Teilraum (14a) über eine Kraftstoffzufuhrleitung (16b) des Kraftstoffzufuhrsystems (16) mit Kraftstoff und der zweite Teilraum (14b) mit einem Sekundärmedium beaufschlagbar ist.

Description

AT 001 623 Ul

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine insbesondere mit Flüssiggas als Kraftstoff oder Kraftstoffkom-ponente betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffzufuhrsystem, welches zumindest einen Kraftstoffbehälter und ein als Verdränger ausgebildetes, schwingendes Pumpelement zur Förderung des Kraftstoffes aufweist.

Kommerzielle Einspritzsysteme sind entweder für die Einspritzung von selbstzündenden oder fremdgezündeten Flüssiggaskraftstoffen konzipiert. Derartige Kraftstoffe liegen bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur in flüssiger Form vor, weshalb die Speicherung im Tank drucklos erfolgt. Üblicherweise wird dabei der flüssige Kraftstoff gleichzeitig als Schmiermedium für bewegliche Teile im Ein-spritzsystem verwendet, weshalb Leckagen zum Tank zurückführende Leckölleitungen vorgesehen sind. Es ist bekannt, als Kraftstoff ein unter Druck gelagertes Flüssiggas zu verwenden. Herkömmliche Flüssiggase wie Propan oder Buthan sind fremdgezündete Kraftstoffe, welche gasförmig und mit Luft vorgemischt in den Brennraum eingebracht werden (Otto-Motoren-Kraftstoff).

Neu entwickelte Flüssiggaskraftstoffe mit hoher Ce-tanzahl, beispielsweise Dimethylether, weisen bei Umgebungstemperatur einen Dampfdruck unter 30 bar auf und können als selbstzündende Kraftstoffe eingesetzt werden. Aufgrund des hohen Dampfdruckes derartiger Flüssigggase besteht bei deren Verwendung in herkömmlichen Diesel-Einspritzsystemen, insbesondere in Bereichen lokaler Druckabsenkung, erhöhte Kavitationsgefahr, was zu Förderproblemenen und verstärktem Verschleiß führt. Aus diesem Grund muß das Flüssiggas immer wesentlich über dem Dampfdruck gehalten werden. Kraftstoff-Leckagen aus dem System in die Umgebung müssen dabei in jedem Fall unterbunden werden, da der Kraftstoff bei Umgebungsbedingungen verdampft, und mit Luft entzündbare oder explosive Gemische bilden könnte. Das Unterbinden von Leckagen wird dadurch erschwert, daß im System ein hoher Standdruck herrschen muß, um den Kraftstoff in flüssigem Zustand zu halten. Leckagen treten insbesondere bei Aggregatteilen des Einspritzsystemes auf, welche einen in einem Zylinder verschiebbaren Schaft aufweisen, beispielsweise bei Hochdruckkolbenpumpen, Pumpenelementen 2 AT 001 623 Ul der Einspritzeinrichtung, hydraulischer Übersetzung sowie bei der Nadelführung der Ventilnadel der Einspritzeinrichtung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem Einspritzsystem der eingangs genannten Art im Bereich des Pumpelementes eine zuverlässige Abdichtung gegenüber der Umgebung oder anderen Betriebsmedien zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß das Pumpelement ein elastisches, gehäusefest eingespanntes Dichtelement aufweist, welches einen Pumpenraum in einen ersten und einen zweiten Teilraum dicht trennt, wobei der erste Teilraum über eine Kraftstoffzufuhrleitung des Kraftstoffzufuhrsystems mit Kraftstoff und der zweite Teilraum mit einem Sekundärmedium beaufschlagbar ist. Dabei ist vorgesehen, daß beidseits des Dichtelementes, also sowohl im ersten Teilraum als auch im zweiten Teilraum gleicher Druck herrscht, wodurch das Dichtelement möglichst gering belastet wird. Das Dichtelement dient dabei zur Medientrennung zwischen Kraftstoff und Sekundärmediem.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Sekundärmedium mit einer externen oszillierenden Druckerzeugungseinrichtung in WirkVerbindung steht. Die Druckbeaufschlagungseinrichtung kann dabei beispielsweise eine Reihenpumpe, Verteilerpumpe oder Einzelpumpe eines konventionellen Einspritzsystemes sein.

Das Dichtelement kann dabei entweder als Membran oder als Faltenbalg ausgebildet sein. Membranausführungen erlauben kürzere, allerdings breitere Bauweise, bei einem Faltenbalg ist eine schmälere Bauweise realisierbar.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Pumpenraum zumindest teilweise einen axial in einem Zylinder längsverschiebbaren Schaft ringförmig umgibt, der mit dem Dichtelement in mechanischer Verbindung steht. Die Pumpkraft wird somit rein mechanisch auf das Dichtelement übertragen. Das Sekundärmedium beaufschlagt einerseits den als Übertragungskolben wirkenden Schaft und andererseits den zweiten Teilraum, um einen Druckausgleich für das Dichtelement zu schaffen. Durch den längsverschiebbaren Schaft können außerdem die Schadräume möglichst klein gehalten werden. 3 AT 001 623 Ul

Dabei kann vorgesehen sein, daß das Dichtelement den Schaftmantel dichtend umschließt. Das Dichtelement weist dabei eine axiale Bohrung auf, deren Rand den Schaft dichtend umgibt . Der Schaft durchdringt dabei das Dichtelement und kann somit einteilig ausgeführt sein.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Schaft zweiteilig ausgeführt ist und die beiden Schaftteile zumindest teilweise axial durch das Dichtelement voneinander getrennt sind. Die beiden Schaftteile können dabei durch einen das Dichtelement durchdringenden Bolzen miteinander verbunden sein. Vorteilhafter ist es aber, wenn das Dichtelement bohrungslos ausgeführt ist und die beiden Schaftteile durch das Dichtelement vollkommen voneinander getrennt sind, wobei vorzugsweise jeweils zwischen Dichtelement und Schaftteil eine federbelastete Druckplatte angeordnet ist. Das Dichtelement kann dabei ohne eine axiale Bohrung ausgeführt sein, wodurch Abdichtflächen eingespart werden. Da beidseits des Dichtelementes ein Schaftteil angreift, können die Schaftteile unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, wodurch auf einfache Weise eine hydraulische Über- bzw. Untersetzung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Problem der Doppelpassungen dabei vermieden wird.

In einer sehr vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, daß der zweite Teilraum durch das Sekundärmedium, vorzugsweise Hydrauliköl, mit dem Druck des Kraftstoffzufuhrsy-stems beaufschlagt ist.

Das Pumpelement kann dabei Teil einer Hochdruckpumpe für ein Speichereinspritzsystem sein oder einem Pumpe-Düse-element angehören.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Beispiel eines Einspritzsystems mit dem erfindungsgemäßen Pumpelement, Fig. 2a das Pumpelement aus Fig. 1 im Detail, in einer schaftlosen, Fig. 2b in einer Ausführungsvariante mit Schaft, Fig. 3 ein zweites Beispiel eines Einspritzsystems mit dem erfindungsgemäßen Pumpelement, Fig. 4 das Pumpelement aus Fig. 3 im Detail, Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsvarianten von Pumpelementen.

Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Einspritzsystem 1 mit einer Einspritzeinrichtung 2 zur direkten Einspritzung von Flüssiggas- 4 AT 001 623 Ul kraftstoff in den nicht weiter dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Einspritzeinrichtung 2 wird Flüssiggaskraftstoff über die Kraftstofffördereinrichtung 3 zugeführt, welcher Flüssiggaskraftstoff einem Kraftstoffbehälter 4 entnommen wird. Die Einspritzeinrichtung 2 ist als Pumpe-Düseelement mit einem erfindungsgemäßen Pumpenelement 10 ausgebildet .

Das Pumpe-Düseelement 5 wird über eine einen eigenen Hydraulikkreislauf aufweisende Betätigungseinheit 6, welcher aus einem Tank 7, einer Vorpumpe 8a und einer Hauptpumpe 8b besteht, betätigt. Die Hauptpumpe 8b kann z. B. eine Reihen-Verteiler- oder Einzelpumpe sein. Mit 9 ist eine Leckölleitung zwischen Pumpeneinheit 5 und dem Tank 7 bezeichnet. Der Druck im Kraftstoffbehälter 4 wird über die Druckregeleinheit 4a auf einen konstanten Druck über dem Dampfdruck, bei der Verwendung von Dimethylether, beispielsweise zwischen 6 bis 30 bar, gehalten. Die Druckregeleinheit 4a weist eine Gasfördereinrichtung 4b auf, welche beispielsweise Luft- oder Stickstoff über ein Rückschlagventil 4c in den Innenraum des Flüssiggasspeichers 4 fördert. Ggf. kann auch ein Druckbehälter 4d zwischen Gasfördereinrichtung 4b und Flüssiggasspeicher 4 angeordnet sein. Mit 16 ist das Kraftstoffzufuhrsystem, mit 17 das Ausgleichssystem bezeichnet.

Fig. 2a zeigt ein schaftlos ausgeführtes Pumpelement 10. In einem Pumpraum 14 eines Gehäuses 13 ist ein elastisches Dichtelement 15 gehäusefest eingespannt. Das Dichtelement 15 teilt den Raum 14 in einen ersten 14a und einen zweiten Teilraum 14b. Über eine Kraftstoffzufuhrleitung 16a des Kraftstoffzufuhrsystems 16 und ein Rückschlagventil 21 wird Kraftstoff dem ersten Teilraum 14a des Pumpelementes 10 zugeführt. Andererseits wird ein Sekundärmedium, beispielsweise Motoröl, Dieselöl oder Hydrauliköl, von einem externen Betätigungssystem 6 über eine Hydraulikleitung 6a dem zweiten Teilraum 14b oszillierend zugeführt. Die Druckpulsationen werden über die Membran 15 direkt an den Kraftstoff im Teilraum 14a übertragen. Weiters steht der zweite Teilraum 14b, vorzugsweise über eine Drosselstelle 17a mit einem Druckausgleichssystem 17, welche im schaftlosen Ausführungsbeispiel des Pumpelementes 13 durch eine einfache Leckölleitung 9 gebildet sein kann, in Verbindung. Die Begrenzungswände 14' und 14" der Teilräume 14a und 14b sind vorteilhafterweise überwie- 5 AT 001 623 Ul gend konkav entsprechend der maximalen Verformung des Dicht-elementes 15 ausgebildet. Dadurch wird ein Endanschlag für das elastische Element 15 realisiert und maximal mögliche Verformung begrenzt.

In Fig. 2b ist das Pumpelement 10 in Schaftausführung im Detail gezeigt. Das Pumpelement 10 besteht aus einem axial in einer Zylinderbohrung 11 verschiebbaren Schaft 12 zur Kraftübertragung, einem Gehäuse 13, welches einen teilweise den Schaft 12 umgebenden ringförmigen Pumpraum 14 bildet, welcher durch ein elastisches Dichtelement 15 in einen ersten Teilraum 14a und einen zweiten Teilraum 14b geteilt ist. Der erste Teilraum 14a steht mit einem Kraftstoffzufuhrsystem 16, der zweite Teilraum 14b über das Sekundärmedium mit einem Ausgleichssystem 17, beispielsweise der Leckölleitung 9, in Verbindung .

Der Schaft 12 besteht aus einem ersten 12a und einem zweiten Schaftteil 12b, welche beidseits des als Membran ausgebildeten Dichtelementes 15 angeordnet sind. Das Dichtelement 15 wird mittig von einem Bolzen 18 durchdrungen, welcher die beiden Schaftteile 12a und 12b miteinander verbindet. Der an den ersten Teilraum 14a grenzende erste Schaftteil 12a bildet beispielsweise den Arbeitskolben einer Kolbenpumpe oder einer hydraulischen Übersetzungseinrichtung, kann aber auch als Nadelschaft der Einspritzeinrichtung 2 ausgebildet sein. Die vom Dichtelement 15 abgewandte Stirnseite 19a grenzt an einen Arbeitsraum 20a, welcher eingangsseitig über ein Rückschlagventil 21 mit dem Flüssiggaszufuhrsystem 16 verbunden ist. Die Ausgangsöffnung 22 des Arbeitsraumes 20a liegt in einem der Stirnseite 19a gegenüberliegenden Bereich des Gehäuses 13. Je nachdem, ob der Schaft 12 Teil einer Kolbenpumpe oder einer hydraulischen Übersetzungseinrichtung oder der Nadelschaft der Einspritzeinrichtung ist, führt die Austritts-Öffnung 22 entweder zu einem Flüssiggashochdruckspeicher, zum Düsenraum der Einspritzeinrichtung oder direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine.

In dem in Fig. 2b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schaftteil 12b als hydraulischer Betätigungskolben ausgebildet, dessen vom Dichtelement 15 abgewandte Stirnseite 19b an einen Betätigungsraum 20b grenzt, in welchen die Hydraulikleitung 6a eines externen Betätigungssystems 6 einmündet. Wesentlich ist dabei, daß im ersten Teilraum 14a und im zweiten 6 AT 001 623 Ul

Teilraum 14b der gleiche Druck herrscht, sodaß das Dichtelement 15 minimaler mechanischer Belastung unterliegt.

Fig. 3 zeigt ein als Speichereinspritzsystem ausgebildetes Einspritzsystem 1, bei dem über die als Hochdruckpumpe ausgebildete Fördereinrichtung 3 Flüssiggas einem Flüssiggasspeicher 4 entnommen und einem Hochdruckverteilerspeicher 23 zugeführt wird. Vom Hochdruckverteilerspeicher 23 führt jeweils eine Einspritzleitung 24 zu einer Einspritzeinrichtung 2. Mit 25 ist ein Einspritzsteuerorgan bezeichnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Fördereinrichtung 3 ein erfindungsgemäßes Pumpelement 10 auf-weist.

Fig. 4 zeigt eine als Pumpelement 10 ausgebildete Fördereinrichtung 3 aus Fig. 3 im Detail. Zum Unterschied zu Fig. 2b wird der den Betätigungskolben bildende Schaftteil 12b mechanisch angetrieben, was durch Nocken 26 und Stößel 27 angedeutet ist. Der Flüssiggaskraftstoff gelangt über das Kraftstof fzufuhrsystem 16 einerseits über das Rückschlagventil 21 in den Arbeitsraum 20a und andererseits in den ersten Teil-raum 14a, welcher durch das Dichtelement 15 vom zweiten Teil-raum 14b getrennt ist. Der zweite Teilraum 14b ist mit einem Ausgleichssystem 17 verbunden. Das Ausgleichssystem 17 kann dabei in einfacher Weise durch einen Hydraulikspeicher gebildet sein, der auf gleichem Druck p wie der Flüssiggasspeicher 4 gehalten wird. Das in Fig. 4 gezeigte System zur Dichtung und Trennung des Flüssiggases von der Umgebung hat den Vorteil, daß der Schaftteil 12b nur in bezug auf das Hydrauliköl des Ausgleichssystems 17, dessen Zähigkeit relativ frei bestimmt werden kann, abgedichtet und somit die Dichtung 28 nicht unbedingt leckagefrei ausgeführt sein muß. Dies erleichtert den Abdichtaufwand für das eigentliche Flüssiggas erheblich und erhöht die Betriebssicherheit des Systems.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Pumpelement 10, bei dem die beiden Schaftteile 12a und 12b vollkommen durch das als Membran ausgebildete Dichtelement 15 voneinander getrennt sind. Zwischen der Membran 15 und jedem Schaftteil 12a, 12b sind Druckplatten 29 angeordnet, welche über Federn 30 an das Dichtelement 15 gepreßt werden. Dadurch, daß bei dieser Anordnung das Dichtelement 15 mittig nicht durchbohrt ist, tritt keine mechanische Schwächung der Membran zufolge der Bohrung auf und es können Dichtflächen eingespart werden. Wei- 7 AT 001 623 Ul ters kann auf diese Weise sehr einfach eine hydraulische Über-bzw. Untersetzung erreicht werden, wenn die Durchmesser Di und D2 ungleich dimensioniert werden, da keine Doppelpassung notwendig ist.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Pumpelementes 10 mit einem als Balg ausgebildeten Dichtelement 15. Eine derartige Ausführung hat den Vorteil, daß eine schlankere Bauweise des Pumpelementes 10 möglich ist und damit Baugröße eingespart werden kann.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Pumpelementes 10 ist die Umrüstung einer herkömmlichen Dieselbrennkraftmaschine auf ein KraftstoffSystem, welches mit Flüssiggas, vorzugsweise mit Dimethylether, betrieben wird. Ein herkömmliches Einspritzsystem kann dabei als Betätigungs-system für das Pumpelement verwendet werden. Das Sekundärmedium, beispielsweise Dieselöl oder Motoröl, wird dabei als Betätigungsmedium bzw. als Ausgleichsmedium eingesetzt. Dies ermöglicht es, ein herkömmliches Einspritzsystem mit geringem Aufwand und unter Verwendung von möglichst vielen konventionellen Bauteilen auf ein Flüssiggaseinspritzsystem umzurüsten.

Darüberhinaus ist man durch das erfindungsgemäße Pumpelement flexibel hinsichtlich der externen Antriebsart, sodaß sowohl hydraulisch als auch mechanisch betätigte Flüssiggaseinspritzung in einfacher Weise realisiert werden kann.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung beschränkt sich keineswegs auf FlüssiggaskraftstoffSysteme. Vielmehr kann die Erfindung vorzüglich überall dort eingesetzt werden, wo Kraftstoffe mit problematischen Eigenschaften hinsichtlich material- und Umweltverträglichkeit oder gefährliche Stoffe vorliegen. 8

Claims

AT 001 623 Ul SCHUTZANSPRÜCHE 1. Einspritzsystem für eine insbesondere mit Flüssiggas als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffzufuhrsystem, welches zumindest einen Kraftstoffbehälter und ein als Verdränger ausgebildetes, schwingendes Pumpelement zur Förderung des Kraftstoffes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpelement (10) ein elastisches, gehäusefest eingespanntes Dichtelement (15) aufweist, welches einen Pumpenraum (14) in einen ersten (14a) und einen zweiten Teilraum (14b) dicht trennt, wobei der erste Teilraum (14a) über eine KraftstoffZufuhrleitung (16b) des Kraftstoffzufuhrsy- stems (16) mit Kraftstoff und der zweite Teilraum (14b) mit einem Sekundärmedium beaufschlagbar ist.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärmedium mit einer oszillierenden Druckerzeugungseinrichtung (8b) in Wirkverbindung steht.
3. Einspritzsystem nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (15) als Membran ausgebildet ist.
4. Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (15) als Faltenbalg ausgebildet ist.
5. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenraum (14) zumindest teilweise einen axial in einem Zylinder (11) längsverschiebbaren Schaft (12; 12a, 12b) ringförmig umgibt, der mit dem Dichtelement (15) in mechanischer Verbindung steht.
6. Einspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (15) den Schaftmantel dichtend umschließt . 9 AT 001 623 Ul
7. Einspritzsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schaft (12) zweiteilig ausgeführt ist und die beiden Schaftteile (12a, 12b) axial zumindest teilweise durch das Dichtelement (15) voneinander ge trennt sind.
8. Einspritzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaftteile (12a, 12b) durch einen das Dichtelement (15) durchdringenden Bolzen (18) miteinander verbunden sind.
9. Einspritzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (15) bohrungslos ausgeführt ist und die beiden Schaftteile (12a, 12b) durch das Dichtelement (15) vollkommen voneinander getrennt sind, wobei vorzugsweise jeweils zwischen Dichtelement (15) und Schaftteil (12a, 12b) eine federbelastete Druck platte (29) angeordnet ist.
10. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilraum durch das Sekundärmedium, vorzugsweise Hydrauliköl, mit dem Druck des KraftstoffZufuhrsystems (16) beaufschlagt ist.
11. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß das Pumpelement (10) eine Hochdruckpumpe (3) ist.
12. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß das Pumpelement (10) Teil eines Pumpe-Düselementes (5, 2) ist. 10