DE102013011345A1

DE102013011345A1 - Dieselbrennstoff-Leckagesteuersystem für eine Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102013011345A1
Application number: DE201310011345
Authority: DE
Inventors: Mark F. Sommars; Hoisan Kim
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-01-23
Also published as: CN103573516A; US20140020773A1; CN103573516B; US8905059B2

Abstract

Ein System zum Steuern einer Leckage von Dieselbrennstoff in die Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung während Bedingungen mit niedrigem Erdgasdruck weist ein Leckagesteuerventil auf, welches die Dieselbrennstoffleitung während Bedingungen mit sehr niedrigem Erdgasdruck blockiert, was Bedingungen während des Starts und während eines Notlaufmodus einschließt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Dual-Brennstoffmotoren und insbesondere auf ein System zum Steuern einer Leckage von Dieselbrennstoff auf eine Erdgasseite einer Dual-Endstoffeinspritzvorrichtung.
Hintergrund
In einem Verbrennungsmotor für Dieselbrennstoff wird Luft in jede Brennkammer (Zylinder) während eines Lufteinlasshubes eingelassen und dann während eines Kompressions- bzw. Verdichtungshubes komprimiert. Die Kompression bzw. Verdichtung vergrößert die Lufttemperatur so, dass wenn Dieselbrennstoff in den Zylinder am oberen Punkt des Kompressionshubes eingeleitet wird, der Dieselbrennstoff verdampft und in einem Prozess zündet, der Kompressionszündung bzw. Verdichtungszündung genannt wird. Der gezündete Brennstoff unterläuft einer schnellen Expansion, was den Kolben während des Leistungshubes nach unten treibt. Abgase werden während eines Auslasshubes ausgestoßen und der 4-Takt-Dieselzylkus beginnt wieder.
Dieselbrennstoffmotoren weisen hohe Zuverlässigkeit auf, in erster Line aufgrund der Abwesenheit des elektrischen Zündsystems, welches bei ihren mit Benzin angetriebenen Gegenstücken erforderlich ist, und sie weisen im Allgemeinen eine bessere Brennstoffausnutzung als mit Benzin angetriebene Motoren auf. In den letzten Jahren ist jedoch Erdgas eine wünschenswerte Brennstoffquelle für Verbrennungsmotoren geworden, und zwar aufgrund der niedrigeren Kosten und der beträchtlich geringeren Emissionen. Große Dieselmotoren können umgebaut werden, um mit Erdgas zu laufen, wobei Dieselbrennstoff als ein Pilot- bzw. Vorbrennstoff (Zündbrennstoff) eingesetzt wird. Diese „Dual-Brennstoffmotoren” erfordern an Bord Liefersysteme für Erdgas und Dieselbrennstoff (Dual-Brennstoffliefersysteme). Das Erdgas kann an Bord in einem unter Druck stehenden Temperatur gesteuerten Tank als verflüssigtes Erdgas oder LNG (liquefied natural gas) gespeichert werden. Das Erdgas wird über eine Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung in die Brennkammer eingeleitet, wo das Erdgas durch die getrennte Einspritzung des Dieselbrennstoffs durch die gleiche Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung gezündet wird.
Zusätzlich dazu, dass der Dieselbrennstoff als Vorbrennstoff dient, kann der Dieselbrennstoff verwendet werden, um die Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung zu schmieren, insbesondere die obere Führung und den Nadelventilsitz der Erdgasseite. Dies erfordert eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Dieselbrennstoffleitung und der Erdgasseite der Einspritzvorrichtung. Um die Wanderung bzw. das Durchsickern von Erdgas von der Einspritzvorrichtung zurück in die Dieselbrennstoffleitung zu urinieren, wird eine Druckdifferenz zwischen der Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung und der Dieselbrennstoffleitung aufrecht erhalten. Eine Hydraulikdichtung dient dazu, diese Druckdifferenz während des Motorbetriebs aufrecht zu erhalten, wobei der Druck auf der Dieselbrennstoffseite den Druck auf der Erdgasseite um ungefähr 5 Megapascal (MPa) überschreitet.
Bei Motorstartbedingungen und bei Notlaufmodusbedingungen kann der Erdgasleitungsdruck deutlich unter den normalen Betriebsdruck abfallen, sogar auf Null. Ein niedriger Erdgasleitungsdruck kann einen inakzeptabel hohen Fluss von Dieselbrennstoff auf die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung und zurück in die Erdgasleitung zur Folge haben.
Die vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme gerichtet.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein System zum Steuern der Leckage von Dieselbrennstoff in eine Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung während Bedingungen mit niedrigem Erdgasdruck vorgesehen. Das System weist eine Erdgasleitung mit einem Erdgasleitungsdruck auf, weiter eine Dieselbrennstoffleitung mit einem Dieselbrennstoffleitungsdruck, und ein Leckagesteuerventil in Strömungsmittelverbindung mit sowohl der Erdgasleitung als auch der Dieselbrennstoffleitung stromaufwärts der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung. Das Leckagesteuerventil ist zwischen einer offenen Position, in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung eintreten kann und einer geschlossenen Position bewegbar, in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung einzutreten. Das Leckagesteuerventil spricht auf den Erdgasleitungsdruck an, so dass, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt, das Leckagesteuerventil schließt, wodurch verhindert wird, dass Dieselbrennstoff zur Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung fließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Leckagesteuerventil zum Steuern des Flusses von Dieselbrennstoff von einer Dieselbrennstoffleitung zur Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung vorgesehen. Das Leckagesteuerventil ist in Strömungsmittelverbindung mit einer Erdgasleitung mit einem Erdgasleitungsdruck und mit der Dieselbrennstoffleitung stromaufwärts der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung. Das Leckagesteuerventil weist einen Körper, ein Ventilglied, welches innerhalb des Körpers angeordnet ist und in hin- und herbewegbarer Weise zwischen einer offenen Position, in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung eintreten kann, und einer geschlossenen Position bewegbar ist, in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung einzutreten und eine Feder auf, die innerhalb des Körpers angeordnet ist, und das Leckagesteuerventil in die geschlossene Position vorspannt. Das Leckagesteuerventil bewegt sich in die geschlossene Position wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Verhindern einer Leckage von Dieselbrennstoff auf eine Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung vorgesehen. Dieselbrennstoff wird mit einem Dieselbrennstoffleitungsdruck von einer Dieselbrennstoffleitung durch ein Leckagesteuerventil zu der Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung bewegt. Erdgas wird mit einem Erdgasleitungsdruck von einer Erdgasleitung durch das Leckagesteuerventil zu der Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung bewegt. Der Erdgasleitungsdruck wird überwacht. Wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt, wird der Dieselbrennstoff davon abgehalten, zur Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung zu fließen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Darstellung eines Erdgas- und Dieselbrennstoffliefersystems zur Verwendung bei einem Dual-Brennstoffmotor.
2 ist ein Phasendiagramm, welches typische Temperaturen und Drücke für Erdgas bei verschiedenen Stufen entlang des Erdgasliefersystems zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung.
4 ist eine schematische Darstellung eines Dieselbrennstoff-Leckagesteuersystems, welches in der geschlossenen Position gezeigt ist.
5 ist eine schematische Darstellung eines Dieselbrennstoff-Leckage-Steuersystems, welches in der offenen Position gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung
Ein System zum Verhindern einer Leckage von übrigem Dieselbrennstoff auf die Erdgasseite eines Dual-Brennstoffeinspritzsystems wird vorgesehen. Das System setzt ein Ventil ein, welches sich ansprechend auf den Druck von einer Erdgasleitung öffnet und schließt, welches eine Dieselbrennstoffleitung schließt, wenn der Druck auf der Erdgasleitung unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt.
1 ist eine schematische Darstellung eines Erdgas- und Dieselbrennstoffliefersystems 10 zur Anwendung bei einem Dual-Brennstoffmotor. Das veranschaulichte System 10 weist ein Erdgasliefersystem auf, welches im Allgemeinen mit 12 bezeichnet wird, weiter ein Dieselbrennstoffliefersystem, welches im Allgemeinen mit 14 bezeichnet wird, und mehrere koaxiale Stegleitungsanordnungen 16 in Strömungsmittelverbindung mit einer entsprechenden Anzahl von Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen 18. Das Erdgasliefersystem 12 und das Dieselbrennstoffliefersystem 14 liefern Erdgas (NG = natural gas) und Dieselbrennstoff jeweils zu den Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen 18 über eine Erdgas- bzw. NG-Rail 20 bzw. eine Dieselbrennstoff-Rail 22 (wie in 1 gezeigt).
Das Erdgasliefersystem 12 weist einen kryogenen bzw. gekühlten Brennstofftank 24 auf, der einen Vorrat von verflüssigtem Erdgas (LNG = liquefied natural gas) bei niedriger Temperatur enthält, weiter eine kryogene Erdgaspumpe 26, die von einem elektronischen Steuermodul 28 betrieben wird, einen Filter 30, einen Wärmetauscher oder Verdampfer 32, einen Akkumulator 34, ein Drucksteuermodul 36 zum Regeln des Gasdruckes, bevor das Erdgas die Einspritzvorrichtungen 18 erreicht, und eine Rail 20 für komprimiertes Erdgas (Rail = Druckleitung) zum Verteilen des Erdgases auf die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen 18 über Stegleitungsrohre 46.
Das Dieselbrennstoffliefersystem 14 weist einen Dieselbrennstofftank 40, einen Brennstofffilter 42, eine Brennstoffpumpe 44 und einen Dieselbrennstoff-Rail 22 auf, um den Dieselbrennstoff auf die Einspritzvorrichtungen 18 über Stegleitungsrohre 48 zu verteilen. Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel zeigt, wie der Dieselbrennstoff und das Erdgas zu jeder Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 über eine koaxiale Stegleitungsanordnung 16 und ein koaxiales Rohr 50 geliefert werden. Es sei jedoch bemerkt, dass die Dieselbrennstoff- und Erdgasstegleitungsrohre 46, 48 nicht koaxial sein müssen, und dass das Erdgas und der Dieselbrennstoff in die Einspritzvorrichtungen 18 an unterschiedlichen Stellen eintreten können, wie beispielsweise auf der Seite und am Oberteil der jeweiligen Einspritzvorrichtungen 18.
Wie in 1 gezeigt und in der ebenfalls zur eigenen US-Patentanmeldung Nr. 12/875 384 (U. S. Patentveröffentlichungsnummer U. S. 2012/0055448 ) beschrieben, die hier durch Bezugsnahme aufgenommen ist, bewegen sich Erdgas von dem Erdgasliefersystem 12 und Dieselbrennstoff von dem Dieselbrennstoffliefersystem 14 durch koaxiale Rohre 46 und in die Einspritzvorrichtungen 18. Jedes koaxiale Rohr 46 hat ein inneres Rohr 48 und ein äußeres Rohr 50, wobei das innere Rohr 48 einen Brennstoff, wie beispielsweise Dieselbrennstoff, zu einem inneren Brennstoffeinlass liefert, der mit der Dieselbrennstoffseite der Einspritzvorrichtung 18 in Verbindung steht und einem ringförmigen Raum zwischen dem inneren Rohr 48 und dem äußeren Rohr 50, der einen zweiten Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, zu einem äußeren Brennstoffeinlass liefert, der mit der Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 in Verbindung steht.
2 ist ein Phasendiagramm für Methan. Das Diagramm stellt eine Annäherung der Phasenveränderungen dar, welche das Erdgas durchläuft, wenn es durch das Erdgasliefersystem 14 läuft. Die Stufen, die mit den Nummern 1 bis 4 bezeichnet werden, beziehen sich auf die gleichen Stufen in 1. Die vertikale Achse (y-Achse) zeigt Temperaturen (in Grad Celsius) an, und die horizontale Achse (x-Achse) zeigt die Entropie (in Kilojoule pro Kilogramm oder kJ/kg) an. Druck-Isobaren sind bei Drücken von 100 kPa; 500 kPa; 1.000 kPa; 4.500 kPa und 36.000 kPa (36 MPa) gespeichert. Wie in der Stufe 1 gezeigt, wird das flüssige Erdgas typischerweise bei einer Temperatur von ungefähr –160°C und bei einem Druck von ungefähr 100 kPa (ungefähr 14,5 psi) in dem kryogenen Brennstofftank 24 gehalten. Nach dem Durchleiten durch die Pumpe 26 ist die Temperatur des flüssigen Erdgases immer noch ungefähr –140°C jedoch steigt der Druck beträchtlich auf ungefähr 36 mPa (ungefähr 5225 psi). Das flüssige Erdgas ist bei dieser Stufe ein superkritisches Fluid bzw. Strömungsmittel, was von der Nummer 2 angezeigt wird. Nachdem Durchlaufen durch den Verdampfer 32 (durch die Stufe 3 in den 1 und 2 angezeigt) wird das flüssige Erdgas ein Gas mit einer vergleichsweise warmen Temperatur von ungefähr 60°C (140°F) und einem Druck mit immer noch ungefähr 36 MPa. Die Temperatur des Erdgases in der NG- bzw. Erdgas-Rail 20 (durch die Stufe 4 in den 1 und 2 angezeigt) ist ungefähr 90°C und der Druck ist ungefähr 36 MPa. Es sei bemerkt, dass diese Erdgastemperatur- und Druckparameter nur Zielbetriebsparameter bzw. anvisierte Betriebsparameter sind; wobei das System nicht auf diese Parameter eingeschränkt ist. Es wird beispielsweise ohne Einschränkung in Betracht gezogen, dass das Erdgasliefersystem 12 bei höheren Drücken betrieben werden könnte.
In einem Dual-Brennstoffmotor wie beispielsweise in dem hier beschriebenen Motor, werden sowohl Erdgas als auch Dieselbrennstoff direkt in die Brennkammern (Zylinder) zu Beginn des Leistungshubes eingespritzt, wo sie mit Luft von einer Lufteinlasssammelleitung vermischt werden. Eine sehr kleine Menge von Dieselbrennstoff wird als ein Pilot- bzw. Vorbrennstoff (Zündbrennstoff) verwendet, um den Verbrennungsprozess zu starten, was dann das Ergas zündet. Nur ungefähr 5% der Energie, die in der Dieselbrennstoff/Erdgas-Mischung enthalten ist, wird von dem Dieselbrennstoff geliefert, während die restlichen 95% von dem Erdgas geliefert werden. Die anfängliche Verbrennung des Dieselbrennstoffes ist ziemlich lokal und tritt nahe der Spitze der Einspritzvorrichtung auf.
In einem typischen System mit direkter Brennstoffeinspritzung spritzt eine Einspritzvorrichtung entsprechend jedem Zylinder Brennstoff in dem Motor durch eine kleine Düse direkt in den Zylinder zu Beginn des Verbrennungsschrittes ein. Jede Einspritzvorrichtung weist typischerweise ein Nadelventil auf, welches sich ansprechend auf einen internen Druck in der Einspritzvorrichtung öffnet und schließt, um Brennstoff durch eine Öffnung in der Einspritzvorrichtungsdüse in den Zylinder einzuspritzen.
In einem Einzelbrennstoffmotor mit Common-Rail (gemeinsamer Druckleitung) und direkter Brennstoffeinspritzung wird der Brennstoff (wie beispielsweise Benzin- oder Dieselbrennstoff) in eine Common-Rail (gemeinsame Druckleitung) gepumpt, wo der Brennstoff mit hohem Druck gespeichert wird, bis er in die Brennstoffeinspritzvorrichtung fließt. In einem direkt einspritzendem System mit doppelter Brennstoff-Common-Rail, wie es hier beschrieben wird, und in 1 gezeigt ist, wird ein Brennstoff (wie beispielsweise Erdgas) durch eine kryogene Pumpe 26 in eine Erdgas-Common-Rail 20 gepumpt, wo der Brennstoff bei hohem Druck gespeichert wird, bis er in eine Seite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 fließt, während ein zweiter Brennstoff (wie beispielsweise Dieselbrennstoff) durch eine Dieselbrennstoffpumpe 44 in eine Diesel-Common-Rail 22 gepumpt wird, wo er gespeichert wird, bis er in die andere Seite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtungen 18 fließt. Eine Seite von jeder Einspritzvorrichtung nimmt Erdgas auf, während die andere Seite Dieselbrennstoff aufnimmt.
In sowohl dem Einzelbrennstoffsystem als auch dem Dual- bzw. Doppelbrennstoffsystem wird der Fluss von Brennstoff von der Common-Rail (den Common-Rails) in die Einspritzvorrichtungen initialisiert, wenn die Einspritzvorrichtungen aktiviert werden, d. h., wenn die Nadelventile in den Einspritzvorrichtungen geöffnet werden, um einen Fluss von Brennstoff in die Einspritzvorrichtungen (und in die Brennkammern) zu gestatten. Vor dem Eintreten in die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 18 können die zwei Brennstoffleitungen in einer Koaxial-Anordnung 50 zusammengeführt werden, wie in 1 gezeigt. Das Koaxial-Rohr 50 kann von der Außenseite des Zylinderkopfes (in 1 nicht gezeigt) in die Einspritzvorrichtungen 18 laufen.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18. Die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 weist eine Dieselbrennstoffseite 51 (rechts gezeigt) und eine Erdgasseite 71 (links gezeigt) auf. Auf der Dieselbrennstoffseite 51 ist eine obere Führung 52 der Dieselbrennstoffseite betriebsmäßig mit einem Dieselbrennstoffnadelventil 58 verbunden (auch als Dieselbrennstoffrückschlagventil bekannt) wobei sowohl die obere Führung 52 als auch das Nadelventil 58 innerhalb einer Dieselbrennstoffkammer 60 gelegen sind. Ein oder mehrere Dieselbrennstoffzumessöffnungen 62, die am unteren Teil der Dieselbrennstoffkammer 60 gelegen sind, stehen mit der (nicht gezeigten) Brennstoffkammer in Verbindung. Die obere Führung 52 der Dieselbrennstoffseite und somit des Dieselbrennstoffnadelventils 58 sind in einer geschlossenen Position durch eine Dieselbrennstoffventilfeder 56 vorgespannt, die um die obere Führung 52 der Dieselbrennstoffseite positioniert ist.
Auf der Erdgasseite 71 ist eine obere Führung 72 der Erdgasseite betriebsmäßig mit einem Erdgasnadelventil 78 verbunden (welches auch als Erdgasrückschlagventil bekannt ist), und beide sind in einer Erdgaskammer 80 gelegen. Ein oder mehrere Erdgaszumessöffnungen 82, die am Unterteil der Erdgaskammer 80 gelegen sind, stehen mit der (nicht gezeigten) Brennkammer in Verbindung. Die obere Führung 72 der Erdgasseite und somit das Erdgasnadelventil 78 sind in eine geschlossene Position durch eine Erdgasventilfeder 76 vorgespannt, die um die obere Führung 72 der Erdgasseite positioniert sind.
Immer noch mit Bezug auf 3 können die oberen Führungen 52, 72 der Dieselbrennstoffseite und der Erdgasseite mit Elektromagneten gesteuert werden, die am Oberteil der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 gelegen sind. Vor der Brennstoffeinspritzung sind die Elektromagneten deaktiviert, und die obere Führung 52 der Dieselbrennstoffseite und die obere Führung der Erdgasseite sind durch ihre jeweiligen Federn 56, 76 in ihre unteren Positionen vorgespannt, was dazu führt, dass die Nadelventile 58, 78 auf der Innenseite der Einspritzspitzen aufsitzen, was die Zumessöffnungen 62, 68 schließt, die an den Spitzen der Einspritzvorrichtungen 18 gelegen sind.
In einer möglichen Betriebsart wird zuerst der Dieselbrennstoffelektromagnet aktiviert, was die obere Führung 52 der Dieselbrennstoffseite in die abgehobene (offene) Position bewegt und gestattet, dass eine kleine Menge an Dieselbrennstoff in die Brennkammer eintritt. Dann wird der Dieselbrennstoffelektromagnet deaktiviert, was bewirkt, dass das Dieselbrennstoffnadelventil 58 absinkt, was die Dieselbrennstoffzumessöffnung(en) 62 schließt.
Während oder nach dem Einspritzschritt für Dieselbrennstoff (Pilot- bzw. Vorbrennstoff) wird der Erdgaselektromagnet aktiviert, was die obere Führung 72 der Erdgasseite und das Erdgasnadelventil 78 in die angehobene (offene) Position bewegt und gestattet, dass Erdgas in die Brennkammer eintritt. Dann wird der Erdgaselektromagnet deaktiviert, was bewirkt, dass das Erdgasnadelventil 78 sich absenkt, was die Erdgaszumessöffnung(en) 82 schließt.
Der Dieselbrennstoff und das Erdgas treten beide in die Einspritzvorrichtung 18 durch Anschlüsse ein, welche mit der Dieselbrennstoffkammer 60 und der Erdgaskammer 80 in Verbindung stehen, dann fließen beide nach unten über die Nadelventile 58, 78, bevor sie durch die Einspritzzumessöffnungen 62, 82 austreten.
Zusätzlich zu der Dieselbrennstoffseite 51 der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 wird auch Dieselbrennstoff in die Erdgasseite 71 eingeleitet, und zwar durch eine Hydraulikdichtung 84 und eine flußbegrenzende bzw. drosselnde Z-Zumessöffnung 86, wie in den 4 und 5 gezeigt. Sowohl die Hydraulikdichtung 84 als auch die Z-Zumessöffnung bzw. Drossel 86 sehen eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Dieselbrennstoffleitung und der Erdgaskammer 80 der Einspritzvorrichtung 18 vor.
Der Dieselbrennstoff, der in die Erdgasseite durch die Z-Zumessöffnung 86 eintritt ist notwendig für die Funktion der oberen Führung 72 der Erdgasseite. Der Dieselbrennstoff, der in die Erdgasseite durch de Hydraulikdichtung 84 eintritt, stellt sicher, dass es einen geringfügigen jedoch kontinuierlichen Fluss von Dieselbrennstoff in die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 gibt, und zwar zu Zwecken der Abdichtung und Schmierung.
Der Dieselbrennstoff, der in die Erdgasseite durch die Hydraulikdichtung 84 eintritt, tritt in den ringförmigen Hohlraum 88 ein, der die obere Führung 72 der Erdgasseite umgibt, was die obere Führung 72 schmiert, bevor er nach unten durch die Erdgaskammer 80 fließt. Während des Betriebs wird der Dieselbrennstoffleitungsdruck höher gehalten als der Erdgasleitungsdruck innerhalb der Einspritzvorrichtung 18, typischerweise um ungefähr 5 MPa höher, um zu verhindern, dass Erdgas aus der Einspritzvorrichtung 18 zurück in die Dieselbrennstoffleitung leckt und sich im Dieselbrennstofftank 40 ansammelt, oder aus diesem Grund in die Dieselbrennstoffseite der Einspritzvorrichtung 18 leckt. Der Dieselbrennstoffleitungsdruck abzüglich des Erdgasleitungsdrucks wird als „Druckdifferenz” an dem Leckagesteuerventil 90 bezeichnet.
Zusammengefasst stellt die Hydraulikdichtung 84 sicher, dass es einen geringfügigen jedoch im Wesentlichen kontinuierlichen Fluss von Dieselbrennstoff in die Erdgasseite 71 der Einspritzvorrichtung 18 gibt, und zwar zu Zwecken der Abdichtung und Schmierung. Die benötigte Menge an Dieselbrennstoff ist eine Funktion des Durchmesserspiels zwischen dem Einspritzvorrichtungskörper und der oberen Führung 72 der Erdgasseite (typischerweise ungefähr 4 Mikrometer auf jeder Seite) und der Druckdifferenz zwischen der Erdgasleitung und der Dieselbrennstoffleitung.
Solange der Dieselbrennstoffleitungsdruck und der Erdgasleitungsdruck auf ihren jeweiligen Betriebsniveaus gehalten werden, wobei der Dieselbrennstoffleitungsdruck den Erdgasleitungsdruck um ungefähr 5 MPa überschreitet, funktioniert die Hydraulikdichtung 84 ordnungsgemäß. Wenn sich jedoch der Erdgasleitungsdruck Null nähert, anstatt einer Druckdifferenz von 5 MPa am Leckagesteuerventil 90, kann die Druckdifferenz 40 MPa oder mehr erreichen. Wenn dies auftritt, kann sich die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 mit Dieselbrennstoff füllen. Abhängig davon, wie lang der Motor in diesem Zustand betrieben wird, kann Dieselbrennstoff beginnen, die gesamte Erdgasleitung bis zurück zum Verdampfer 32 zu füllen.
Einer Anzahl von Umständen kann bewirken, dass der Erdgasleitungsdruck auf Null abfällt, was, ziemlich offensichtlich, mit einschließt, dass die Erdgasversorgung des Fahrzeugs leer wird. Der Erdgasleitungsdruck kann auch während eines Startbetriebzustandes bzw. Startmodus oder eines Notlaufmodus (nur mit Diesel) abfallen. Um eine Leckage von übrigem Dieselbrennstoff in die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 19 während eines Abfalls des Erdgasleitungsdrucks zu verhindern, wird ein Dieselbrennstoff-Leckagesteuersystem vorgesehen.
4 und 5 sind schematische Darstellungen eines Dieselbrennstoff-Leckagesteuersystems, welches ein Leckagesteuerventil 90 in Strömungsmittelverbindung mit sowohl einer Erdgasleitung 92 als auch einer Dieselbrennstoffleitung 94 aufweist. Das Ventil 90 ist zwischen einer geschlossenen Position (in 4 gezeigt), in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 durch die Z-Zumessöffnung 86 und die Hydraulikdichtung 84 einzutreten, und einer offenen Position (in 5 gezeigt), bewegbar in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung 18 durch die Z-Zumessöffnung 86 und die Hydraulikdichtung 84 eintreten kann.
Das Ventil kann irgendein geeignetes Ventil sein, einschließlich eines Shuttle- bzw. Wechselventils, wie es in 4 gezeigt ist. Das Wechselventil 90 kann einen Körper 96, ein Ventilglied 98, welches in hin- und her bewegbarer Weise innerhalb des Körpers 96 bewegbar ist und eine Feder 100 aufweisen. Die Feder 100 spannt das Wechselventil 90 in die Dieselbrennstoffblockierungsposition vor, außer wenn ihre Kraft durch den Druck in der Erdgasleitung 22 überwunden wird, wie unten erklärt. Die in den 4 und 5 gezeigte Gleitventilgliedkonstruktion kann einen ringförmigen Raum zwischen dem Ventilglied 98 und dem Ventilkörper 96 aufweisen, was die Möglichkeit einer Dieselbrennstoff-Leckage durch den Ringraum und nach unten auf die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 offen lässt. Entsprechend kann das Leckagesteuerventil in einem alternativen Ausführungsbeispiel eine Bauart aufweisen, wo ein Ventilglied gegen einen Sitz abdichtet, was vollständig den Fluss von Dieselbrennstoff über das Leckagesteuerventil verhindert.
Anstelle des federvorgespannten Ventils 90, welches in den 4 und 5 gezeigt ist, kann das Leckagesteuerventil auch so arbeiten, dass es hydraulisch oder elektronisch ansprechend auf den relativen Druck der Erdgasleitung 92 und der Dieselbrennstoffleitung 94 arbeitet.
Egal welche Bauart von Leckagesteuerventil verwendet wird, ist das Leckagesteuerventil dazu ausgelegt, den Dieselbrennstofffluss mit relativ hohem Druck zur Z-Zumessöffnung bzw. Drossel 86 und zur Hydraulikdichtung 84 während Zuständen mit sehr niedrigem Druck in der Erdgasleitung abzuschließen (beispielsweise während des Starts oder während des Notlaufs). Wenn Beispielsweise mit Bezug auf die 4 und 5 Erdgas nicht verfügbar ist und der Gasdruck in der Erdgasleitung 92 auf Null oder nahe Null abfällt, überwinden die Kräfte der Feder 100 in dem Wechselventil 90 den Erdgasleitungsdruck, was bewirkt, dass sich das Wechselventil 90 in die in 4 gezeigte Dieselbrennstoffblockierungsposition bewegt. Dieselbrennstoff wird dann davon abgehalten, in die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 durch die Z-Zumessöffnung 86 und die Hydraulikdichtung 84 einzutreten (wenn der Erdgasleitungsdruck auf Null abfällt ist natürlich ein Dieselbrennstofffluss über die Z-Zumessöffnung 86 zum Öffnen des Rückschlagventils unnötig weil es kein Erdgas gibt, welches in die Motorzylinder eingespritzt wird.) Wenn das Ergas verfügbar ist, überwindet der Erdgasleitungsdruck die Federkräfte, was bewirkt, dass sich das Wechselventil 90 in die in 5 gezeigt offene Position bewegt. Dieselbrennstoff kann dann in die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung 18 in die Z-Zumessöffnung 86 und die Hydraulikdichtung 84 eintreten.
Wie erwähnt wurde, dass die Druckdifferenz an dem Leckagesteuerventil 90 vorzugsweise ungefähr 5 MPa ist, sei bemerkt, dass die Druckdifferenz nicht auf 5 MPa eingeschränkt ist und auch nur ein 1 MPa oder weniger oder auch 20 MPa oder mehr sein kann. Entsprechend kann das Leckagesteuerventil 90 so eingestellt sein, dass es schließt, wenn die Druckdifferenz, d. h. die Differenz des Drucks zwischen der Dieselbrennstoffleitung 94 mit vergleichsweise höherem Druck und der Erdgasleitung 90, einen festgelegten Wert erreicht oder überschreitet, wobei der festgelegte Wert irgendein erwünschter Wert sein kann, wie beispielsweise 20 MPa, 5 MPa oder auch 1 MPa.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Dieselbrennstoff-Leckagesteuersystem der vorliegenden Offenbarung findet immer dann Anwendung, wenn die Steuerung von Dieselbrennstoff in einem Dual-Brennstoffsystem erwünscht ist. Beispielsweise kann das System zum Steuern einer Leckage von Dieselbrennstoff in die Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung in Verbrennungsmotoren verwendet werden, was Motoren aufweist, welche Bergbaulastwägen und andere schwere Maschinen antreiben, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Das System kann insbesondere während Bedingungen des Motorstarts und im Notlaufmodus nützlich sein, wenn der Erdgasleitungsdruck stark unter seinen normalen Betriebsdruck abfallen kann, sogar auf Null da ein geringer Erdgasleitungsdruck einen inakzeptablen hohen Fluss von Dieselbrennstoff in die Erdgasseite der Einspritzvorrichtung und zurück in die Erdgasleitung zur Folge haben kann.
Es sei auch bemerkt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf einen Erdgasmotor eingeschränkt ist, der Dieselbrennstoff als Vorbrennstoff verwendet. Weiter sei bemerkt, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele nur spezielle Beispiele sind, die dazu dienen, die Prinzipien der Offenbarung zu veranschaulichen. Modifikationen und andere Ausführungsformen der Offenbarung werden in Betracht gezogen, die nicht vom Umfang der Offenbarung abweichen, wie er von der vorangegangenen Lehre und den beigefügten Ansprüchen definiert wird. Es ist beabsichtigt, dass die Ansprüche alle diese Modifikationen und alternativen Ausführungsbeispiele abdecken, die in ihren Umfang fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0055448 [0019]

Claims

System zum Steuern einer Leckage von Dieselbrennstoff auf eine Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung während Bedingungen mit niedrigem Erdgasdruck, wobei das System folgendes aufweist: Erdgasleitung mit einem Erdgasleitungsdruck; eine Dieselbrennstoffleitung mit einem Dieselbrennstoffleitungsdruck; und ein Leckagesteuerventil in Strömungsmittelverbindung mit sowohl der Erdgasleitung als auch der Dieselbrennstoffleitung stromaufwärts der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung; wobei das Leckagesteuerventil zwischen einer offenen Position, in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung eintreten kann und einer geschlossenen Position belegbar ist, in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung einzutreten, wobei das Leckagesteuerventil auf den Erdgasleitungsdruck anspricht, so dass, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist oder unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt, das Leckagesteuerventil schließt, wodurch ein Dieselbrennstofffluss zur Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung verhindert wird.
System nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Niveau Null ist.
System nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Niveau ein festgelegter Wert von weniger als dem Dieselbrennstoffleitungsdruck ist, vorzugsweise ungefähr 20 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck, insbesondere ungefähr 5 MPa geringer als der Dieselbrennstoffleitungsdruck und weiter insbesondere ungefähr 1 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck.
System nach Anspruch 1, wobei das Leckagesteuerventil ein Shuttle- bzw. Wechselventil ist, welches einen Körper, ein Ventilglied, welches innerhalb des Körpers bewegbar ist, und eine Feder aufweist, welche das Ventilglied an die geschlossene Position vorspannt, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich dem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt.
Leckagesteuerventil zum Steuern des Flusses von Dieselbrennstoff von einer Dieselbrennstoffleitung zur Erdgasseite einer Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung, wobei das Leckagesteuerventil in Strömungsmittelverbindung mit einer Erdgasleitung mit einem Erdgasleitungsdruck und der Dieselbrennstoffleitung stromaufwärts der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, wobei die Dieselbrennstoffleitung einen Dieselbrennstoffleitungsdruck hat, wobei das Leckagesteuerventil folgendes aufweist: einen Körper; ein Ventilglied, welches innerhalb des Körpers angeordnet ist und in hin- und herbewegbarer Weise zwischen einer offenen Position in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung eintreten kann, und einer geschlossenen Position bewegbar ist, in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung einzutreten; und eine Feder, die in dem Körper angeordnet ist, welche das Leckagesteuerventil in die geschlossene Position vorspannt; wobei das Leckagesteuerventil sich in die geschlossene Position bewegt, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt.
Leckagesteuerventil nach Anspruch 5, wobei das vorbestimmte Niveau Null ist.
Leckagesteuerventil nach Anspruch 5, wobei das vorbestimmte Niveau ein festgelegter Wert von weniger als dem Dieselbrennstoffleitungsdruck ist, vorzugsweise ungefähr 20 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck, insbesondere vorzugsweise 5 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck und weiter insbesondere ungefähr 1 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck.
Verfahren zum Verhindern einer Leckage von Dieselbrennstoff in einer Erdgasseite eine Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bewegen von Dieselbrennstoff mit einem Dieselbrennstoffleitungsdruck von einer Dieselbrennstoffleitung durch ein Leckagesteuerventil auf die Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung; Bewegen von Erdgas mit einem Erdgasleitungsdruck von einer Erdgasleitung durch das Leckagesteuerventil zur Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung; Überwachen des Erdgasleitungsdruckes; und Verhindern des Flusses von Dieselbrennstoff von der Dieselbrennstoffleitung zur Erdgasseite der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich einem vorbestimmten Niveau ist, oder unter dieses abfällt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das vorbestimmte Niveau Null ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das vorbestimmte Niveau ein festgelegter Wert von weniger als dem Dieselbrennstoffleitungsdruck ist, vorzugsweise ungefähr 20 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck, insbesondere vorzugsweise ungefähr 5 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck und weiter insbesondere ungefähr 1 MPa weniger als der Dieselbrennstoffleitungsdruck.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter den Schritt aufweist, ein Leckagesteuerventil in Strömungsmittelverbindung mit der Erdgasleitung und der Dieselbrennstoffleitung stromaufwärts der Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung vorzusehen, wobei das Leckagesteuerventil einen Körper und ein Ventilglied aufweist, welches innerhalb des Körpers angeordnet ist, und in hin- und her bewegbarer Weise zwischen einer offenen Position, in der Dieselbrennstoff in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung eintreten kann und einer geschlossenen Position bewegbar ist, in der Dieselbrennstoff davon abgehalten wird, in die Dual-Brennstoffeinspritzvorrichtung einzutreten, aufweist, wobei das Ventilglied sich in die geschlossene Position bewegt, wenn der Erdgasleitungsdruck gleich dem vorbestimmten Niveau ist oder unter dieses abfällt.