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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere
eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine,
die mittels eines Einspritzsystems mit konventionellem Brennstoff
und einer diesen teilweise ersetzenden Orimulsion beaufschlagbar
ist.
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Orimulsion
ist ein Brennstoff, von dem es große Vorkommen gibt und der kostengünstig angeboten
wird. Es ist daher erwünscht,
diesen Brennstoff auch in größerem Umfang
verwenden zu können. Orimulsion
enthält
jedoch vergleichsweise große Mengen
abrasiver Bestandteile, die verschleißfördernd sind. Die Entfernung
dieser Bestandteile ist sehr aufwändig und nicht in vollem Umfange
möglich. Es
besteht daher die Gefahr, dass es bei Verwendung von Orimulsion
zu einem rasanten Verschleiß innerhalb
des Einspritzsystems kommen kann. Die Folge davon sind eine vergleichsweise
kurze Lebensdauer sowie ein erhöhter
Wartungs- und Instandhaltungsaufwand.
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Hiervon
ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei
einer mit einem Einspritzsystem versehenen Verbrennungskraftmaschine
die Verwendung von Orimulsion zu ermöglichen und dennoch den Verschleiß innerhalb
des Einspritzsystems vergleichsweise gering zu halten.
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Diese
Aufgabe wird durch die dem Anspruch 1 zugrundeliegende Kombination
gelöst.
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Hiernach
kommt eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine
in Vorschlag, die mittels eines Einspritzsystems mit konventionellem
Brennstoff und einer diesen teilweise ersetzenden Orimulsion beaufschlagbar
ist, das wenigstens ein durch eine von einer im Takt der Verbrennungskraftmaschine
aktivierbaren Druckquelle für
konventionellen Brennstoff abgehende Brennstoffleitung mit konventionellem Brennstoff
beaufschlagbares Einspritzventil enthält, dessen Einspritzdüse durch
eine Düsennadel
verschließbar
ist, die vom Brennstoffdruck in einem von ihr durchgriffenen, mit
der Brennstoffleitung kommunizierenden Druckraum entgegen der Kraft
einer Rückstelleinrichtung
von ihrem Sitz abhebbar ist, wobei die Druckquelle für konventionellen
Brennstoff über
zwei parallele, mit gegenläufigen
Rückschlagventilen
versehene Strömungswege
mit der Brennstoffleitung verbunden ist, die einspritzdüsennah mit einer
Orimulsionsleitung verbunden ist, die mit einem in Vorlaufrichtung öffnenden
Rückschlagventil
versehen ist und von einer im Takt der Verbrennungskraftmaschine
aktivierbaren Druckquelle für
Orimulsion abgeht, deren Druck größer als der Öffnungsdruck des
der Orimulsionsleitung zugeordneten Rückschlagventils und des in
Rückströmrichtung öffnenden,
der Druckquelle für
konventionellen Brennstoff zugeordneten Rückschlagventils und kleiner
als der Öffnungsdruck
der Düsennadel
ist.
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Die
verschleißfördernde
Orimulsion kann hier vor Beginn des Einspritzvorgangs eine vorgegebene
Menge konventionellen Brennstoffs aus dem Einspritzventil verdrängen und
zur zugeordneten Druckquelle zurückführen, ohne
selbst hiermit in Kontakt zu kommen. Dabei ergeben sich praktisch außerhalb
der Druckquelle für
konventionellen Brennstoff aneinander anschließende Flüssigkeitssäulen von konventionellem Brennstoff
und Orimulsion. Sobald die Druckquelle für konventionellen Brennstoff
aktiviert und das Einspritzventil dementsprechend mit dem Einspritzdruck
beaufschlagt wird, beginnt die Einspritzung, wobei zunächst ein
stromabwärts
von der Verbindung zwischen der Orimulsionsleitung und der Brennstoffleitung
noch vorhandener Rest an konventionellem Brennstoff, dann die Orimulsion
und anschließend
wieder konventioneller Brennstoff eingespritzt werden können. Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
stellen daher in vorteilhafter Weise sicher, dass die verschleißfördernde Orimulsion
nur in Kontakt mit dem Einspritzventil kommt, das gegen abrasive
Teilchen weniger empfindlich ist, und von der Druckquelle für konventionellen
Brennstoff, bei der es sich um eine gegen abrasive Teilchen sehr
empfindliche Einspritzpumpe handeln kann, ferngehalten wird. Durch
diese Beschränkung
des Kontakts der Orimulsioin auf das weniger empfindliche Einspritzventil
lassen sich die Verschleißprobleme
vergleichsweise gering halten, was sich vorteilhaft auf die Vermeidung
von Wartungs- und Instandhaltungsaufwand auswirkt und eine vergleichsweise
lange Standzeit gewährleistet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten
Maßnahmen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. So können die
Brennstoffleitung und die Orimulsionsleitung innerhalb der Einspritzdüse durch
eine zur Düsennadel konzentrische
Ringleitung miteinander verbunden sein, von der wenigstens eine
zum Druckraum führende
Stichleitung abgeht. Diese Maßnahmen
ergeben eine besonders einfache und übersichtliche Bauweise, wobei
zudem sichergestellt wird, dass am Ende jedes Einspritzvorgangs
im Druckraum und in der Stichleitung eine als Pilotbrennstoff ausreichende Menge
an konventionellem Brennstoff verbleibt, der nachfolgend von der
Orimulsion nicht verdrängt
wird, sondern erst beim Beginn des nächsten Einspritzvorgangs als
Pilotbrennstoff eingespritzt wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Maßnahme
kann darin bestehen, dass die der Orimulsion zugeordnete Druckquelle
eine als Rotationspumpe ausgebildete Niederdruckpumpe aufweist.
Diese Pumpenart ist weniger verschleißanfällig als Kolbenpumpen. Zur Steuerung
kann der genannten Pumpe ein Absperrventil nachgeordnet sein, das
mit seiner Steuereinrichtung im Takt der Verbrennungskraftmaschine
betätigbar
ist. Die Niederdruckpumpe kann dabei praktisch permanent in Betrieb
sein.
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Zweckmäßig kann
das Absperrventil so gesteuert werden, dass die Orimulsionsleitung
bei jedem Takt der Verbrennungskraftmaschine mit einer Orimulsionsmenge
beaufschlagt wird, die höchstens dem
Fassungsvermögen
der Brennstoffleitung entspricht. Hierdurch wird auf einfache Weise
sichergestellt, dass keine Orimulsion über die Brennstoffleitung in
die dieser vorgeordnete Druckquelle für konventionellen Brennstoff
gelangt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der
nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
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In
der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems,
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2 einen Teillängsschnitt
durch das Einspritzventil während
der Beaufschlagung mit Orimulsion,
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3 die Anordnung gemäß 2 während des Einspritzvorgangs
und
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4 ein Diagramm des Einspritzvorgangs.
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Hauptanwendungsgebiet
der Erfindung sind nach dem Dieselprinzip arbeitende Motoren. Der grundsätzliche
Aufbau derartiger Motoren ist an sich bekannt und bedarf daher im
vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.
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Jedem
Zylinder eines derartigen Motors ist ein Einspritzsystem 1 der
der 1 zugrundeliegenden
Art zugeordnet. Dieses enthält
eine Einspritzdüse 2,
die mit von einer zugeordneten Druckquelle geliefertem, konventionellem
Brennstoff, z.B. Dieselöl, und
mit von einer zugeordneten Druckquelle gelieferter Orimulsion beaufschlagbar
ist. Die Druckquelle für
konventionellen Brennstoff ist im dargestellten Beispiel als nach
Art einer Hochdruckpumpe aufgebaute Einspritzpumpe 3 ausgebildet,
die einen im Motortakt antreibbaren Kolben, einen sogenannten Plunger 4 aufweist,
der einen Pumpenraum 5 begrenzt. Anstelle einer Einspritzpumpe
könnte
selbstverständlich
auch eine durch Ventile gesteuerte common rail vorgesehen sein.
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Die
Druckquelle für
Orimulsion wird durch eine saugseitig an einen Orimulsionstank 6 angeschlossene
Pumpe 7 gebildet. Dabei kann es sich um eine Rotationspumpe,
vorzugsweise eine Schraubenspindelpumpe, handeln. Der Pumpe 7 ist
ein Absperrventil 8 nachgeordnet, das durch eine zugeordnete
Steuereinrichtung 9 im Motortakt auf- und absteuerbar ist. Die Pumpe 7 kann
permanent angetrieben sein, wobei sich bei geschlossenem Steuerventil 8 ein
Kurzschlussbetrieb ergibt. Das Steuerventil 8 ist zweckmäßig als
elektromagnetisches Schieberventil ausgebildet.
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Das
Einspritzventil 2 besitzt in an sich bekannter Weise eine
Einspritzdüse 10,
die mit Düsenbohrungen
versehen ist, die mittels einer Düsennadel 11 verschließbar sind.
Diese ist, wie am besten aus den 2 und 3 entnehmbar ist, vom Brennstoffdruck
in einem von ihr durchgriffenen Druckraum 12 entgegen der
Kraft einer Rückstellfederanordnung etc.
von ihrem Sitz abhebbar. Der Druckraum 12 ist über eine
schräge
Stichleitung 13 mit einer die Düsennadel 11 mit Abstand
konzentrisch umgebenden, im Bereich der Teilfuge 14 zwischen
dem Gehäuse der
Einspritzdüse 10 und
dem dieses tragenden Ventilgehäuse
vorgesehenen Ringleitung 15 verbunden, in die eine von
der Druckquelle für
konventionellen Brennstoff kommende Brennstoffleitung 16 und
eine von der Druckquelle für
Orimulsion kommende Orimulsionsleitung 17 einmünden.
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Die
in die Ringleitung 15 einmündenden Abschnitte der Brennstoffleitung 16 und
der Orimulsionsleitung 17 sind als im Ventilgehäuse des
Einspritzventils 2 vorgesehene, die Düsennadel 11 flankierende
Bohrungen 16a bzw. 17a ausgebildet, die, wie am
besten aus 1 erkennbar
ist, im Bereich des hinteren Endes des Ventilgehäuses über einen jeweils zugeordneten
Verbindungsnippel 18 bzw. 19 mit einer zur jeweils
zugeordneten Druckquelle führenden
Leitungsabschnitt 16b bzw. 17b verbunden sind.
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Der
Pumpenraum 5 der Einspritzpumpe 3 ist über zwei
durch parallele Bohrungen gebildete Strömungswege 20, 21 mit
dem Pumpenausgang 23 verbunden, an den der Leitungsabschnitt 16b der
Brennstoffleitung 16 anschließt. Die beiden Strömungswege 20, 21 sind
mit gegenläufigen
Rückschlagventilen 23, 24 versehen,
von denen eines hier das Rückschlagventil 23,
in Vorlaufrichtung öffnet
und eines, hier das Rückschlagventil 24,
in Vorlaufrichtung schließt
und umgekehrt. Die Strömungswege 20, 21 mit
den zugeordneten Rückschlagventilen 23, 24 sind
hier in einem in die Einspritzpumpe 3 eingebauten, durch
einen den Pumpenausgang 23 enthaltenden Anschlussnippel
gehaltenen Block vorgesehen.
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Die
Orimulsionsleitung 17 ist mit einem in Vorlaufrichtung öffnenden
Rückschlagventil 25 versehen.
Dieses ist hier im Bereich der Verbindung des Anschlussnippels 19 an
das Ventilgehäuse
vorgesehen.
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Der
von der Einspritzpumpe 3 erzeugbare Brennstoffdruck ist
größer als
der zum Abheben der Düsennadel 11 von
ihrem Sitz benötigte
Druck und größer als
der Öffnungsdruck
des zugeordneten, in Vorlaufrichtung öffnenden Rückschlagventils 23.
Der von der Pumpe 7 erzeugbare Druck ist größer als
der Öffnungsdruck
des in der Orimulsionsleitung 17 angeordneten Rückschlagventils 25 und
des der Einspritzpumpe 3 zugeordneten, in Rückströmrichtung öffnenden
Rückschlagventils 24,
aber kleiner als der Öffnungsdruck
der Düsennadel 11.
Das der Pumpe 7 nachgeordnete Absperrventil 8 ist
so gesteuert, dass sich jeweils zwischen zwei Hüben der Einspritzpumpe 3 eine Öffnungsphase
ergibt.
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Am
Ende eines Einspritzvorgangs ist der Strömungsweg von der Einspritzpumpe 3 bis
zu den Düsenbohrungen
der Einspritzdüse 10 mit
konventionellem Brennstoff gefüllt.
Wenn nun die Förderung der
Einspritzpumpe 3 aufhört
und anschließend
das Absperrventil 8 geöffnet
wird, werden durch den von der Pumpe 7 erzeugten Druck
das der Orimulsionsleitung 17 zugeordnete, in Vorlaufrichtung öffnende Rückschlagventil 25 und,
da der Druck in der Orimulsionsleitung 17 auch in der hiermit
kommunizierenden Brennstoffleitung 16 wirksam wird, auch
das der Einspritzpumpe 3 zugeordnete, in Rückströmrichtung öffnende
Rückschlagventil 24 geöffnet. Auf
diese Weise wird ein Strömungsweg
von der Druckquelle für
Orimulsion zur Druckquelle für
konventionellen Brennstoff geöffnet.
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Durch
die Pumpe 7 wird dabei Orimulsion in das Einspritzventil 2 eingeleitet.
Gleichzeitig wird eine der eingeleiteten Orimulsionsmenge entsprechende
Menge an konventionellem Brennstoff aus dem Einspritzventil 2 verdrängt, wie
in 2 durch die Richtungspfeile 26a, 26b angedeutet
ist. Die Orimulsion passiert dabei, wie in 2 schwarz angedeutet ist, das Rückschlagventil 25 und
strömt über die
Bohrung 17a bis zur Ringleitung 15 und in dieser weiter
zur Bohrung 16a der Brennstoffleitung 16, wo die Orimulsionssäule an die
von konventionellem Brennstoff gebildete Flüssigkeitssäule anschließt.
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Da
der Orimulsionsdruck, wie oben schon erwähnt, nicht ausreicht, um die
Düsennadel 11 von
Ihrem Sitz abzuheben, kann die Orimulsion zunächst nicht in die Stichleitung 13 und
den Druckraum 12 vordringen, die, wie oben schon erwähnt, mit
konventionellem Brennstoff gefüllt
sind. Der durch die in die Bohrung 16a vordringende Orimulsion
aus der Einspritzdüse 2 verdrängte konventionelle
Brennstoff wird über
den Strömungsweg 21,
dessen Rückschlagventil 24 durch
den Druck der Orimulsion geöffnet
wird, in die Einspritzpumpe 3 zurückgeführt. Das der Orimulsionsleitung 7 zugeordnete
Absperrventil 8 ist zweckmäßig so gesteuert, dass die
während
einer Öffnungsphase
in das Einspritzventil 2 eingeleitete Orimulsionsmenge
höchstens
dem Fassungsvermögen
der Brennstoffleitung 16 eventuell zuzüglich des Fassungsvermögens der
Ringleitung 15 und des Ausgangs 22 der Einspritzpumpe 3,
entspricht, so dass die in der Brennstoffleitung vordringende Orimulsionssäule nicht
ganz bis zur Einspritzpumpe 3 kommt und dementsprechend
auch keine Orimulsion über
den Strömungsweg 21 in
die Einspritzpumpe 3 eindringen kann. Zweckmäßig ist
das Fassungsvermögen
der Brennstoffleitung 16 daher mindestens so groß wie die
gesamte Einspritzmenge, wodurch ein Eindringen von Orimulsion in
die Einspritzpumpe besonders zuverlässig ausgeschlossen wird.
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Wenn
nun anschließend
ein Förderhub
der Einspritzpumpe 3 beginnt, werden das in Rückströmrichtung öffnende
Rückschlagventil 24 geschlossen und
das in Vorlaufrichtung öffnende
Rückschlagventil 23 geöffnet. Der
von der Einspritzpumpe 3 erzeugte Druck pflanzt sich in
den aneinander anschließenden Flüssigkeitssäulen von
konventionellem Brennstoff und Orimulsion bis zum der Orimulsionsleitung
zugeordneten Rückschlagventil 25 fort,
das dadurch geschlossen wird. Ebenso pflanzt sich dieser Druck auch über die
von der Ringleitung 15 abzweigende Stichleitung 13 bis
zum Druckraum 12 fort, wodurch die Düsennadel 11 von ihrem
Sitz abgehoben und damit ein Einspritzvorgang ausgelöst wird.
Dabei entsteht praktisch ein Strömungsweg
von der Einspritzpumpe 3 bis zu den Düsenbohrungen 28 der
Einspritzdüse 10.
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Die
Strömungsrichtung
geht dabei, wie in 3 durch
den Richtungspfeil 27 angedeutet ist, zu den Düsenöffnungen
der Einspritzdüse 10 hin.
Dabei wird die vorher über
die Abzweigung der Stichleitung 13 von der Ringleitung 15 hinweggegangene
Orimulsion über
die Stichleitung 13 und den Druckraum 12 sowie
die hiervon abgehenden Düsenbohrungen 28 verdrängt, wobei
zunächst
der in der Stichleitung 13 und im Druckraum 12 noch
vorhandene konventionelle Brennstoff und dann die nachdrängende Orimulsion
eingespritzt werden, die ihrerseits von nachströmendem, konventionellem Brennstoff
verdrängt wird.
Der Einspritzvorgang wird beendet, wenn wieder konventioneller Brennstoff
zur Einspritzung gelangt, das heißt wenn die Orimulsion vollständig aus der
Stichleitung 13, dem Druckraum 12 und den Düsenbohrungen 28 verdrängt ist.
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Auf
diese Weise ergibt sich praktisch eine geschichtete Einspritzung
mit drei Phasen. Dabei werden, wie aus 4 entnehmbar ist, in der ersten Phase 30 konventioneller
Brennstoff, in der mittleren Phase 31 Orimulsion und in
der dritten Phase 32 wiederum konventioneller Brennstoff
eingespritzt. Die mittlere, der Orimulsion zugeordnete Phase 31 ist
dabei zweckmäßig, wie
in dem der 4 zugrundeliegenden
Beispiel, vergleichsweise lang sein, so dass die eingespritzte Orimulsionsmenge
eine vergleichsweise große
Teilmenge der gesamten Einspritzmenge ist und dementsprechend vergleichsweise
viel konventioneller Brennstoff eingespart wird.