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Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil zur wahlweisen Versorgung einer Einspritzpumpe mit einem flüssigen und einem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid. Das Umschaltventil umfasst ein Umschaltelement, das zwischen einer ersten Endposition für den Betrieb der Einspritzpumpe mit dem flüssigen Verbrennungsfluid und einer zweiten Endposition für den Betrieb der Einspritzpumpe mit dem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid umschaltbar ist. Die Erfindung umfasst weiterhin eine Einspritzpumpe mit dem Umschaltventil und einen Verbrennungsmotor mit der Einspritzpumpe.
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Das Umschalten von einem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsstoff, beispielsweise Erdgas, LPG, Butan, Propan oder Autogas, auf einen flüssigen Verbrennungsstoff, beispielsweise Benzin, Diesel oder Flugbenzin, hat ein Ausgasen des verflüssigten gasförmigen Verbrennungsstoffs zur Folge, da der Förderdruck der Benzin-Vorförderpumpe in der Regel unterhalb dem Dampfdruck des verflüssigten gasförmigen Verbrennungsstoffes liegt. Dadurch saugt die Einspritzpumpe, bei der es sich bevorzugt um eine Hochdruck-Pumpe handelt, statt Flüssigkeit ein Gas an, das durch die Einspritzpumpe nicht auf den erforderlichen Systemdruck verdichtet werden kann. Durch den auftretenden Druckabfall im System der zum Beispiel Hochdruck-Einspritzung kommt es zu Fehlern bei der Verbrennungsstoffeinspritzung, die zu einzelnen Verbrennungsaussetzern des Verbrennungsmotors bis hin zu einem Absterben des Motors führen können.
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Bisher wird dieses Problem durch den Einbau von separaten Kraftstoff-Misch-Einheiten gelöst, die ein Umschaltventil umfassen, um zwischen der Zuführung von Benzin und LPG zu der Einspritzpumpe umschalten zu können. Diese separaten Kraftstoff-Misch-Einheiten sind aufwändig herzustellende und somit teure Zusatzaggregate, die in den ohnehin knappen Einbauraum für die Antriebseinheit zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs eingepasst werden müssen.
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Aus der
DE 10 2010 050 560 A1 ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit einem Niederdruckkraftstoffanschluss für einen flüssigen Kraftstoff und einem Mitteldruckkraftstoffanschluss für einen verflüssigten gasförmigen Kraftstoff. Die Pumpe umfasst eine erste Vordruckkammer für den flüssigen Kraftstoff und eine zweite Vordruckkammer für den verflüssigten gasförmigen Kraftstoff, ein Umschaltventil, das wahlweise den flüssigen oder den verflüssigten gasförmigen Kraftstoff über einen Auslass mit einem Einlass in den Pumpenraum verbindet. Das Umschaltventil handelt umfasst ein es sich um ein Magnetsteuerventil, bei dem der Magnet (Umschaltelement) wahlweise das Umschaltventil mit der Vordruckammer oder der Vordruckkammer verbindet. Die beiden Vordruckkammern umfassen jeweils wenigstens ein Ventil, das durch jeweils ein Federelement in eine Verschlussposition vorgespannt ist.
US 8 180 556 B2 beschreibt ein System, mit dem ein verflüssigtes gasförmiges Verbrennungsfluid einem Direkteinspritzungssystem für Benzin oder Diesel zugeführt werden kann, wobei eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, die eine Leitung, welche die Verbrennungsfluide zu den Injektoren zuführt, wahlweise mit einer Hochdruckpumpe für Benzin bzw. Diesel oder mit einer Zuführeinrichtung für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid verbindet. Die Umschalteinrichtung ist getrennt von der Hochdruckpumpe für das verflüssigtes Verbrennungsfluid und auch getrennt für die Versorgungseinrichtung für Benzin bzw. Diesel angeordnet.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine weiterentwickelte Einspritzpumpe für flüssiges und verflüssigtes gasförmiges Verbrennungsfluid, ein geeignetes Umschaltventil für die Einspritzpumpe, sowie einen Verbrennungsmotor bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine Einspritzpumpe mit einem Umschaltventil und ein Umschaltventil zur wahlweisen Versorgung einer Einspritzpumpe mit einem flüssigen und einem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid, wobei das Umschaltventil einen Einlass für das flüssige Verbrennungsfluid und einen Einlass für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid umfasst und einen Auslass für das flüssige und das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid, wobei der Auslass des Umschaltventils mit einem Einlass der Einspritzpumpe direkt verbunden oder verbindbar ist, und wobei das Umschaltventil ein Umschaltelement umfasst, das zwischen einer ersten Endposition für den Betrieb der Einspritzpumpe mit dem flüssigen Verbrennungsf luid und einer zweiten Endposition für den Betrieb der Einspritzpumpe mit dem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid umschaltbar ist.
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Dabei kann es sich bei dem flüssigen Verbrennungsfluid zum Beispiel um Benzin, Flugbenzin, Diesel oder Methylalkohol (Biotreibstoff) handeln, bei dem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid um beispielsweise Erdgas, LPG, Butan, Propan oder Autogas. Auch andere für den Betrieb von Verbrennungsmotoren geeignete flüssige oder verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluide sind vom Umfang der Erfindung mit umfasst.
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Bei der Einspritzpumpe kann es sich um eine Hochleistungs- oder Hochdruck-Einspritzpumpe handeln, die das Verbrennungsfluid zur Einspritzung auf bis zu 200 bar oder Werte weit darüber verdichten.
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Das Umschaltelement kann ein Schalter, ein Dreh-, Kipp- oder Druckschalter sein oder ein Umschalt-Pin, der entlang einer Längsachse bewegt oder um eine Kippachse verkippt oder verschwenkt, oder um eine Drehachse verdreht werden kann. Das Umschaltelement kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch verstellbar sein, zum Beispiel mittels wenigstens eines Magneten oder einem Verstellkolben.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Umschaltelement um einen Umschalt-Pin, der mittels eines Bi-stabilen Schaltelements, zum Beispiel einem Schaltelement mit zwei Dauermagneten oder Elektromagneten, in die erste Endposition bewegt und dort gehalten wird oder in die zweite Position bewegt und dort gehalten wird.
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Auch eine Lösung mit einem Dauermagneten ist denkbar, wobei der Dauermagnet einen Nordpol und einen Südpol aufweist und 180° verdreht werden kann, und wenigstens das dem Dauermagneten gegenüberliegende Ende des Umschalt-Pin als Nord- oder Südpol ausgebildet ist. Ist der Umschalt-Pin als Südpol ausgebildet, so wird dieser vom Nordpol des Dauermagneten angezogen und nach einer Drehung des Dauermagnets um 180° vom Südpol des Dauermagneten abgestoßen.
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Das Umschaltventil weist eine erste Ventilkammer für das flüssige Verbrennungsfluid und eine zweite Ventilkammer für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid auf.
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Dabei kann die erste Ventilkammer bevorzugt den Einlass für das flüssige Verbrennungsfluid ausweisen und ein Ventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsleitung, die den Auslass der ersten Ventilkammer mit dem Einlass in die Einspritzpumpe verbindet. Bei dem Ventil handelt es sich bevorzugt um ein Rückschlagventil das ein Auslassventil aus der ersten Ventilkammer bildet.
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Die zweite Ventilkammer kann den Einlass für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid aufweisen und ein Ventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsleitung, die die zweite Ventilkammer mit dem Einlass in die Einspritzpumpe verbindet. Bei diesem Ventil handelt es sich demnach um das Auslassventil aus der zweiten Ventilkammer. Bevorzugt umfasst der Einlass in die zweite Verbrennungskammer ebenfalls ein Ventil zum Öffnen und Schließen einer Zuführungsleitung für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid von einem Reservoir in die zweite Ventilkammer. Folglich handelt es sich bei diesem Ventil um ein Einlassventil in die Ventilkammer. Wenigstens eines der Ventile, bevorzugt beide Ventile können als Rückschlagventile ausgebildet sein.
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Die Ventile in der zweiten Ventilkammer sind so angeordnet, dass ein Vorförderdruck des durch das geöffnete Einlassventil einströmenden verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids das Auslassventil aus der zweiten Ventilkammer in seine Verschlussposition drückt. Das heißt, wenn das Einlassventil in die zweite Ventilkammer geöffnet ist, kann das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid in die zweite Ventilkammer einströmen, nicht jedoch das Auslassventil der zweiten Ventilkammer öffnen.
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Bei den Verbindungsleitungen, die die erste bzw. die zweite Ventilkammer mit dem Einlass der Einspritzpumpe verbinden, kann es sich um zwei separate Verbindungsleitungen handeln. Bevorzugt handelt es sich aber um verbundene Verbindungsleitungen oder um eine gemeinsame Verbindungsleitung.
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Das Ventil in der ersten Ventilkammer und wenigstens eines, bevorzugt beide Ventile in der zweiten Ventilkammer werden durch Federelemente in die jeweilige Verschlussposition vorgespannt. Das heißt, es handelt sich um Rückschlagventile, die durch die Federelemente in die Verschlussposition gedrückt werden, wenn ein an den Ventilen anliegender Öffnungsdruck kleiner ist, als die Schließkraft der Federelemente. Dabei können die Ventile in der zweiten Ventilkammer gleichzeitig von einem einzigen Federelement in die Verschlussposition gedrückt und dort gehalten werden. Bei den Federelementen kann es sich zum Beispiel um Spiralfedern, einen Körper aus einem elastischen Material andere dem Fachmann wohl bekannte für den beschriebenen Anwendungsfall geeignete Federelemente handeln.
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Das heißt, dass die Ventile solange verschlossen bleiben, bis ein Druck anliegt, der größer ist als wenigstens die von dem Federelement erzeugte Schließkraft. Dabei kann dieser Öffnungsdruck bei dem Auslassventil der ersten Ventilkammer durch den Vorförderdruck des flüssigen Verbrennungsfluids erzeugt werden, und bei dem Einlassventil in die zweite Ventilkammer durch den Vorförderdruck des zuströmenden verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids. Dabei ist der Vorförderdruck des verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids höher als der Vorförderdruck des flüssigen Verbrennungsfluids. Der Öffnungsdruck für das Auslassventil aus der zweiten Ventilkammer wird bevorzugt durch das Umschaltelement erzeugt.
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Das Umschaltelement muss eine Druckkraft aufbringen, die höher ist, als die Summe der auf das Auslassventil der zweiten Ventilkammer wirkenden Federkraft plus der Druckkraft des Vorförderdrucks des in die zweite Ventilkammer einströmenden verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids.
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Weisen jetzt, wie oben beschrieben, beide Ventilkammern eine gemeinsame Verbindungsleitung zum Einlass der Einspritzpumpe auf, wird die Schließkraft für das Auslassventil aus der ersten Ventilkammer durch das durch das Auslassventil der zweiten Ventilkammer in die Verbindungsleitung strömende verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid unterstützt.
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Mit dem Umschaltventil können je ein Dämpfer für das flüssige Verbrennungsfluid und das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid verbunden sein, um Druckschwankungen in den jeweiligen Fluidsystemen auszugleichen oder zumindest abzumildern. Die Dämpfer können direkt an zwei Seiten des Umschaltventils befestigt, oder zumindest teilweise mit dem Umschaltventilkörper einstückig, zum Beispiel in einem Druckgussverfahren, gebildet sein.
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Weiterhin kann das Umschaltventil zusätzlich wenigstens ein Überdruckventil aufweisen, das einen Bypass für das in der Verbindungsleitung strömende Verbrennungsfluid bilden kann. Durch dieses Überdruckventil kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzdrucks in der Verbindungsleitung vor dem Eintritt des Verbrennungsfluids in den Einlass der Einspritzpumpe Verbrennungsfluid abgelassen werden, zum Beispiel zurück in ein Reservoir oder in die Umgebung, um eine Beschädigung oder Zerstörung der Einspritzpumpe zu verhindern. Bei einer Rückführung in ein Reservoir sind Maßnahmen vorgesehen, dass das Überdruckventil die Verbindungsleitung immer mit dem Reservoir für das Verbrennungsfluid verbindet, das gerade in der Verbindungsleitung ansteht.
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Auch wenn das Überdruckventil in bevorzugten Ausführungen in das Umschaltventil integriert sein kann, so kann es auch an anderer Stelle des Fluidsystems für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid angeordnet sein, beispielsweise in einer Zuleitung von dem Reservoir oder Tank für das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid zu dem Umschaltventil oder in einer kurzen Verbindungsleitung, die den Ausgang aus dem Umschaltventil mit dem Einlass in die Einspritzpumpe verbindet.
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Bei der Einspritzpumpe handelt es sich bevorzugt um eine Einspritzpumpe für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Durch den Einbau des Umschaltventils direkt an der Einspritzpumpe oder Hochdruck-Einspritzpumpe kann das Volumen zwischen dem Ausgang aus der jeweiligen Ventilkammer und dem Einlass in die Einspritzpumpe sehr geringgehalten werden. Dadurch wird der Druckabfall im System bei einer Umschaltung von verflüssigtem gasförmigen Verbrennungsfluid auf flüssiges Verbrennungsfluid vermindert, was zu einer Reduzierung der Systemdruck-Einbrüche auf ein vertretbares Maß führt. Mit anderen Worten, der Druckabfall im Rail kann durch das geringe Volumen auf ein vertretbares Maß beschränkt werden, eine gemeinsame Nutzung von Hochdruckpumpe, Rail und Injektoren für zum Beispiel LPG und Benzin wird möglich. Es wird folglich keine zusätzliche Umschalteinheit benötigt, was zur Einsparung von Kosten, Gewicht und Raum führt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Verbrennungsmotor, der eine erfindungsgemäße Einspritzpumpe aufweist, sowie ein Umschaltventil zur wahlweisen Versorgung der Einspritzpumpe mit einem flüssigen und einem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid.
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Im Folgenden wird eine exemplarische Ausführung eines Umschaltventils anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 perspektivische Sicht auf eine Hochdruckpumpe mit Umschaltventil und Dämpfern von außen
- 2 Schnitt durch das Umschaltventil
- 3 schematische Darstellung des Umschaltventils
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Die 1 zeigt ein Teil eines Fluidsystems 1, umfassend eine Hochdruck-Einspritzpumpe 6 mit einem Umschaltventil 2 und zwei mit dem Umschaltventil verbundenen Dämpfern 3 für ein flüssiges Verbrennungsfluid und 4 für ein verflüssigtes gasförmiges Verbrennungsfluid.
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Die Verbrennungsfluide werden den Dämpfern 3, 4 über Zuleitungen 3a, 4a unter einem vorgegebenen Vorförderdruck zugeführt. Eventuelle Druckschwankungen in den Verbrennungsfluiden werden in den Dämpfern 3, 4 zumindest teilweise ausgeglichen, bevor sie in das Umschaltventil 2 einströmen. Das Umschaltventil 2 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Umschalt-Pin 5 auf, mit dem das Umschaltventil 2 umgeschaltet werden kann, um die Hochdruck-Einspritzpumpe 6 wahlweise mit dem flüssigen Verbrennungsfluid oder dem verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluid zu versorgen.
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Das Umschaltventil 2 ist direkt an die Hochdruck-Einspritzpumpe 6 angebaut. Die Hochdruck-Einspritzpumpe 6 weist einen Hochdruck-Ausgang 7 auf, das Umschaltventil 2 einen Überdruckauslass 8, der als Bypass für eine Zuleitung dient, die wahlweise das flüssige oder verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid aus dem Umschaltventil 2 in einen Einlass der Hochdruck-Einspritzpumpe 6 leitet.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch das Umschaltventil 2 der 1. Zu sehen ist der Dämpfer 3 und der Überdruckauslass 8.
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Das Umschaltventil 2 weist eine erste Ventilkammer 9 und eine zweite Ventilkammer 10 auf. Die erste Ventilkammer 9 ist über den Dämpfer 3 mit der Zuleitung 3a für das flüssige Verbrennungsfluid verbunden. Die Ventilkammer 9 weist einen Ventilkammereinlass 11 und einen Ventilkammerauslass 12 auf. Der Ventilkammereinlass 11 ist im Ausführungsbeispiel eine einfache Öffnung, durch die der flüssige Verbrennungsstoff in die Ventilkammer 9 einströmen kann.
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Der Ventilkammerauslass 12 umfasst einen Ventilsitz 12a, einen Ventilkörper 12b und ein Federelement 12c. Das Federelement 12c stützt sich an einer Wand der Ventilkammer 9 ab und drückt den Ventilkörper 12b in den Ventilsitz 12a, das heißt schließt den Ventilkammerauslass 12.
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Strömt jetzt durch den Ventilkammereinlass 11 flüssiges Verbrennungsfluid in die Ventilkammer 9 ein, so wirkt der Vorförderdruck des flüssigen Verbrennungsfluids auf den Ventilkörper 12b gegen die Kraft des Federelements 12c. Überschreitet die Kraft des Vorförderdrucks die Federkraft des Federelements 12c, wird der Ventilkammerauslass 12 geöffnet und das flüssige Verbrennungsfluid kann aus der Ventilkammer 9 ausströmen und durch die Verbindungsleitung 13, die den Ventilkammerauslass 12 mit dem Ausgang 2a aus dem Umschaltventil 2 verbindet, in die Hochdruck-Einspritzpumpe 6 einströmen.
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Die Ventilkammer 10 weist einen Ventilkammereinlass 14 und einen Ventilkammerauslass 15 auf. Der Ventilkammereinlass 14 umfasst einen Ventilsitz 14a und eine Ventilkörper 14b, der Ventilkammerauslass 15 umfasst einen Ventilsitz 15a und einen Ventilkörper 15b. Zwischen den Ventilkörpern 14b und 15b ist ein Federelement 16 angeordnet, dass sich an beiden Ventilkörpern 14b, 15b abstützt und beide Ventilkörper 14b, 15b in den jeweiligen Ventilsitz 14a, 15a drückt.
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Um in die Ventilkammer 10 einströmen zu können, muss das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid einen Vorförderdruck aufweisen, der größer ist, als die Federkraft des Federelements 16. Wenn der Ventilkörper 14b aus dem Ventilsitz 14a gedrückt wurde, das heißt, das Rückschlagventil 14a, 14b zumindest teilweise geöffnet ist, kann das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid in die Ventilkammer 10 einfließen. Der Ventilkammerauslass 15 bleibt aber weiterhin verschlossen, da nicht nur das vorkomprimierte Federelement 16 mit einer erhöhten Kraft auf den Ventilkörper 15b drückt, sondern auch die Kraft des Vorförderdrucks des verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids den Ventilkörper 15b in den Ventilsitz 15a drückt.
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Um den Ventilkammerauslass 15 zu öffnen, umfasst das Umschaltventil 2 einen Umschalt-Pin 5, der auf den Ventilkörper 15b gegen die Kraft des Federelements 16 und der Kraft des Vorförderdrucks des verflüssigten gasförmigen Verbrennungsfluids einwirken kann, um den Ventilkammerauslass 15 zu öffnen und die Ventilkammer 10 über die Verbindungsleitung 13 mit dem Ausgang 2a aus dem Umschaltventil 2 zu verbinden, so dass das verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid in die Hochdruck-Einspritzpumpe 6 einströmen kann.
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Dazu kann der Umschalt-Pin 5 aus der gezeigten ersten Endposition, in der der Ventilkammerauslass 15 geschlossen ist, durch eine Vorrichtung in eine zweite Endposition bewegt werden, in der der Ventilauslass 15 geöffnet ist. Über die gemeinsame Verbindungsleitung 13 kann das aus der Ventilkammer 10 ausströmende verflüssigte gasförmige Verbrennungsfluid, das immer einen höheren Vorförderdruck hat, als das aus der Ventilkammer 9 ausströmende flüssige Verbrennungsfluid, auf den Rest des in der Verbindungsleitung 13 verblieben flüssigen Verbrennungsfluids wirken, und den Ventilkörper 12b zusammen mit dem Federelement 12c fest in den Ventilsitz 12a drücken, so dass das Rückschlagventil 12a,12b fest verschlossen ist.
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Die Umschaltung des Umschaltventils 2 kann zum Beispiel durch eine Motorsteuerung geregelt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von Daten des Motormanagements, wie Temperatur des Motors, Last, Laständerung, Verbrauch und Restmenge der Verbrennungsfluids, um nur einige Parameter zu nennen.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des Umschaltventils 2 der 2. Anders als die in der 2 gezeigte Ausführungsform des Umschaltventils 2 zeigt das Umschaltventil 2 der 3 je ein Federelement für den Ventilkörper 15a und den Ventilkörper 14b. Die zweite Ventilkammer 10 muss dann so gestaltet sein, dass die sich die beiden Federelemente zum Beispiel an einer Schulter oder einem anderen Abstützelement abstützen können.
