DE19523878A1

DE19523878A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE19523878A1
Application number: DE1995123878
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Remmels
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2015-07-01
Also published as: DE19523878C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit den Merkmalen der Ansprüche 14 oder 15.

Die Zufuhr von Zusatzflüssigkeiten, wie z. B. Wasser, in den Brennraum eines Dieselmotors bringt Vorteile hinsichtlich der Verringerung von Schadstoffemissionen, insbesondere des Ausstoßes von Stickoxiden.

Bekannt ist aus der DE-OS 40 40 235 eine Pumpen-Düse für Dieselmotoren mit einem Arbeitsraum eines Pumpenkolbens, der durch einen gleichachsig mit dem Pumpenkolben angeordneten und verschieblich geführten Trennkolben begrenzt ist.

Der Trennkolben ist durch den Pumpenkolben über das im Arbeitsraum des Pumpenkolbens eingeschlossene Kraftstoffvolumen hydraulisch angetrieben. Kraftstoff wird dem Arbeitsraum des Pumpenkolbens über ein Magnetventil gesteuert zugeführt. Ein Arbeitsraum des Trennkolbens steht in gesteuerter Verbindung mit einer Quelle für Zusatzflüssigkeit. Der Arbeitsraum des Pumpenkolbens und der Arbeitsraum des Trennkolbens stehen miteinander und mit einem Druckraum vor einer mit einem Ventil gesteuerten Einspritzdüse in Verbindung. Pumpen-Düsen gemäß dem genannten Stand der Technik haben eine relativ hohe Leistungsaufnahme und sind nur in engen Grenzen regelbar. Die Bewegungen des Trennkolbens sind an die Bewegungen des Pumpenkolbens gekoppelt, und der Druck im Arbeitsraum des Pumpenkolbens wird von den Bewegungen des Pumpenkolbens und den Bewegungen des Trennkolbens beeinflußt. Um beispielsweise dem Trennkolben eine definierte Ausgangslage zuzuweisen, ist gemäß dem genannten Stand der Technik eine Feder erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine zumindest teilweise selbstregelnde Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit geringer Leistungsaufnahme und großem Spielraum für Abstimmung und ein zumindest teilweise selbstregelndes Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid für diese Vorrichtung zu schaffen.

Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit den Merkmalen der Ansprüche 14 oder 15.

Für reduzierte Schadstoffemissionen beim Betrieb von Dieselmotoren, wie z. B. Stickoxide und Ruß, ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit einer Kraftstoffzufuhreinrichtung und einer Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid zu mindestens einer Einspritzdüse ausgestattet. In einem ersten Druckraum in der Einspritzdüse ist eine Düsennadel axial verschieblich angeordnet, die die Einspritzung des Kraftstoffs und des zweiten Fluids durch Einspritzdüsenlöcher in den Brennraum des Dieselmotors steuert. Die Düsennadel wird bei hohem Druck im ersten Druckraum von den Einspritzdüsenlöchern abgehoben und gibt die Einspritzung frei. Ein Trennkolben bildet in einem Gehäuse einen zweiten Druckraum. Die Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid ist mit dem zweiten Druckraum verbunden, von dem das zweite Fluid mittels des Trennkolbens in den ersten Druckraum gefördert wird. Gemäß der Erfindung bildet der Trennkolben mit dem Gehäuse einen dritten Druckraum, der mit dem ersten Druckraum verbunden ist und über den der Trennkolben hydraulisch angetrieben ist. Im Gegensatz zum genannten Stand der Technik kann erfindungsgemäß Druck vom ersten Druckraum zum dritten Druckraum übertragen werden und weist der dritte Druckraum mit dem Trennkolben nur eine bewegliches Element auf, so daß die Druckverhältnisse im dritten Druckraum besser abstimmbar sind. Der zweite Druckraum ist gegenüber dem ersten und dritten Druckraum abgedichtet und ausschließlich vom zweiten Fluid und den Rückstelleinrichtungen beaufschlagt. Bei hohem Druck im dritten Druckraum der Einspritzdüse wird der Trennkolben bewegt, so daß zweites Fluid hydraulisch gefördert wird. Bei niedrigem Druck im dritten Druckraum wird der Trennkolben von Rückstelleinrichtungen hydraulisch in seine Ausgangslage zurückbewegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Druckschwankungen im ersten Druckraum, um das zweite Fluid zu fördern und zeichnet sich durch geringe Leistungsaufnahme aus. Deutlich abgegrenzte Druckverhältnisse in den ersten, zweiten und dritten Druckräumen bieten großen Spielraum für genaue Abstimmung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zumindest teilweise selbstregelnd. Als zweites Fluid können neben reinen Fluiden auch Emulsionen eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid ist, vorzugsweise mit einem Common Rail System verbunden, von dem Kraftstoff unter hohem Druck dem ersten Druckraum zugeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid einen vierten Druckraum auf. Rückstell einrichtungen im vierten Druckraum enthalten eine sich am Gehäuse abstützende und auf den Trennkolben wirkende Druckfeder. Die Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid steht mit dem vierten Druckraum in Verbindung. Während der Einspritzphase wird der hohe Druck im ersten Druckraum zum dritten Druckraum übertragen. Der Trennkolben wird vom hohen Druck im dritten Druckraum gegen die Rückstelleinrichtungen im vierten Druckraum bewegt, so daß sich das Volumen des zweiten Druckraums vergrößert und zweites Fluid in den zweiten Druckraum gefördert wird. Während der Ruhephase mit niedrigem Druck im ersten und im dritten Druckraum wird der Trennkolben von den Rückstelleinrichtungen zurück bewegt. Zweite Fluid wird bei geschlossenem Ventil dem Kraftstoff im ersten Druckraum vorgelagert, so daß eine geschichtete Ladung vor den Einspritzdüsen im ersten Druckraum erreicht wird. Gleichzeitig wird ein dem Volumen des eingelagerten zweiten Fluids entsprechendes Kraftstoffvolumen aus dem ersten Druckraum über eine Abflußleitung verdrängt. Die Abflußleitung wird mittels eines steuerbaren Ventils in geeigneter Weise freigeschaltet oder versperrt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid weist in der Verbindungsleitung vom ersten Druckraum zum dritten Druckraum eine Drossel auf zur Dosierung der zweiten Flüssigkeit in Abhängigkeit von Druck und Einspritzzeit und damit in Abhängigkeit von der Einspritzmenge.

Alternativ oder kumulativ zur Drossel in der Verbindungsleitung vom ersten Druckraum zum dritten Druckraum kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dosierung der zweiten Flüssigkeit in Abhängigkeit von Druck und Einspritzzeit in der Verbindungsleitung von der Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid zum zweiten Druckraum eine Drossel aufweisen.

Zur Unterbindung der Förderung des zweiten Fluids bei kleinen Einspritzdrücken kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Druckbegrenzungsventil in der Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid zu dem vierten Druckraum, und ein Bypass mit einem Rückschlagventil parallel zum Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine zusätzliche Leitung mit Druckbegrenzungsventil vom zweiten Druckraum zur Zufuhreinrichtung für das zweite Fluid vorgesehen, und im zweiten Druckraum ist ein Anschluß für die Verbindungsleitung vom zweiten Druckraum zum ersten Druckraum vom Hub des Trennkolbens überdeckt. Bei geeignetem Maß für die Überdeckung des Anschlusses durch den Hub des Trennkolbens kann erreicht werden, daß zweites Fluid nur vorgelagert wird, wenn die in den Brennraum eingespritzte Menge größer ist als die vorgelagerte Kraftstoffmenge.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verbindungsleitung vom vierten Druckraum zu dem Common-Rail Druckspeicher vorgesehen, so daß aus einem permanent gleich hohen Druck im vierten Druckraum gleichförmige Rückstellkräfte auf den Trennkolben resultieren.

Die Verbindungsleitungen von den zweiten und dritten Druckräumen zu dem ersten Druckraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind austauschbar, so daß für eine Ausgestaltung konstruktiv die günstigste Möglichkeit ohne Einschränkungen durch die Funktionalität ausgewählt werden kann.

Zur weiteren Feinabstimmung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Drosseln in den Verbindungsleitungen zu den ersten bis vierten Druckräumen enthalten sein.

Alternativ oder kumulativ zu den Drosseln in den Verbindungsleitungen zu den ersten bis vierten Druckräumen können zur weiteren Feinabstimmung in den Verbindungsleitungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung Druckbegrenzungsventile mit jeweils parallel angeordnetem Bypass mit Rückschlagventil enthalten sein.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid einen Trennkolben mit einer größeren Fläche im dritten Druckraum als im zweiten Druckraum auf. Während der Einspritzphase wird der hohe Druck im ersten Druckraum zum dritten Druckraum übertragen. Der Trennkolben wird vom hohen Druck im dritten Druckraum bewegt, so daß sich das Volumen des zweiten Druckraums verkleinert und zweites Fluid dem Kraftstoff im ersten Druckraum bei geöffnetem Ventil zugemischt wird. Während der Ruhephase bei geschlossenem Ventil im ersten Druckraum mit niedrigem Druck im ersten und im dritten Druckraum wird der Trennkolben von Rückstelleinrichtungen im zweiten Druckraum in entgegengesetzter Richtung bewegt und lagert das zweite Fluid im zweiten Druckraum vor. Von einem fünften Druckraum kann Leckage aus dem Gehäuse über eine Verbindungsleitung der Zufuhreinrichtung für zweites Fluid zugeführt werden. Bei entsprechender Dimensionierung der Verbindungsleitung und/oder einer Drosselstelle in der Leitung des fünften Druckraums, wirkt dieser als hydraulische Dämpfung für den Trennkolben. Neben einer "Entlüftung" des fünften Druckraumes bildet eine derart gestaltete Verbindungsleitung zusätzliche Möglichkeiten für die Abstimmung des Systems. Gleichzeitig dient der fünfte Druckraum unter dem Zufluß des zweiten Fluids über die Verbindungsleitung dazu, den Trennkolben in die Ausgangsstellung zurückzubewegen. Gemäß der Erfindung kann zweites Fluid während der Einspritzung durch die Einspritzdüsenlöcher dem Kraftstoff zugemischt werden. Der Einspritz- und Brennverlauf kommt einer Realisierung des Gleichdruckprozesses gleich.

Ein Schalter in der Verbindungsleitung vom ersten zum dritten Druckraum mit dem Trennkolben mit einer größeren Fläche im dritten Druckraum als im zweiten Druckraum dient zur Dosierung des zweiten Fluids. Über den Schalter kann die Zufuhr von zweitem Fluid zu- und abgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors ergeben vorteilhaften Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Zumischung zwischen den Einspritzungen und während der Einspritzung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum geschichteten Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Vorrichtung zum geschichteten Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid mit Feinabstimmung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum geschichteten Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid im Zusammenwirken mit einem Common-Rail-System, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Einlagern eines zweiten Fluids zum Kraftstoff während einer Einspritzung gemäß der Erfindung.

Fig. 1: Eine Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors (nicht dargestellt) in den Einspritzpausen zur Erzeugung geschichteter Ladungen vor Einspritzdüsenlöchern 2 in einem ersten Druckraum 3 weist eine Düsennadel 4 in einer Einspritzdüse 5 auf.

Der erste Druckraum 3 ist mit einer Kraft stoffzufuhreinrichtung, vorzugsweise einem Druckspeicher eines Common-Rail Systems (nicht dargestellt), verbunden, von dem der erste Druckraum 3 periodisch mit hohem Druck beaufschlagt wird.

In einem Gehäuse 6 ist ein Trennkolben 7 axial verschieblich angeordnet. Der Trennkolben 7 weist eine erste Fläche 8 zur Begrenzung eines zweiten Druckraums 9, eine zweite Fläche 10 zur Begrenzung eines dritten Druckraums 11 und eine dritte Fläche 12 zur Begrenzung eines vierten Druckraums 13 auf.

Der zweite Druckraum 9 ist von einer Stirnfläche 14 aus über eine Verbindungsleitung 15 an eine Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid und über eine Verbindungsleitung 17 an den ersten Druckraum 3 angeschlossen. Der dritte Druckraum 11 ist über eine Verbindungsleitung 18 an den ersten Druckraum 3 angeschlossen. Der vierte Druckraum 13 ist über eine Verbindungsleitung 19 an die Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid angeschlossen und enthält eine Druckfeder 20.

In den Verbindungsleitungen 15, 17 sind Rückschlagventile 21, 22 angeordnet, die den Fluß von zweitem Fluid aus dem zweiten Druckraum 9 in die Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid und den Fluß vom ersten Druckraum 3 zum zweiten Druckraum 9 unterbinden.

Die erste Fläche 8, die zweite Fläche 10, der Hub des Trennkolbens 7 und die Federkonstante der Druckfeder 20 sind auf die Drücke in den Verbindungsleitungen 15, 17, 18 und 19 und auf die vorzulagernde Menge zweiten Fluids abgestimmt.

Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid zwischen Einspritzungen zur Erzeugung geschichteter Ladungen gemäß Fig. 1.

Während einer Einspritzphase wird der erste Druckraum 3 mit hohem Druck aus vorzugsweise einem Druckspeicher eines Common-Rail Systems beaufschlagt. Der hohe Druck im ersten Druckraum 3 wirkt auf die Düsennadel 4, die von den Einspritzdüsenlöchern 2 abhebt und die Einspritzung freigibt. Über die Verbindungsleitung 18 vom ersten Druckraum 3 zum dritten Druckraum 11 beaufschlagt der hohe Druck gleichzeitig den dritten Druckraum 11. Der Trennkolben 7 wird bei hohem Druck im dritten Druckraum 11 entgegen der Kraft der Druckfeder 20 und entgegen dem Druck aus Verbindungsleitung 19 im vierten Druckraum 13 von der Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 wegbewegt, so daß das Volumen im zweiten Druckraum 9 größer wird und zweites Fluid aus der Verbindungsleitung 15 zu der Zufuhreinrichtung 16 in den zweiten Druckraum 9 gefördert wird.

Sinkt der Druck im ersten Druckraum 3 ab, weil beispielsweise ein Ventil (nicht dargestellt) die Verbindung zum Druckspeicher des Common-Rail Systems unterbricht, schließt das Ventil 4 wieder die Einspritzdüsenlöcher 2. Gleichzeitig fällt der Druck im dritten Druckraum 11, und der Trennkolben 7 bewegt sich unter der Kraft der Druckfeder 20 und dem Druck im vierten Druckraum 13 wieder auf die Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 zu. Das Volumen des zweiten Druckraums 9 wird dabei reduziert und zweites Fluid aus dem zweiten Druckraum 9 über die Verbindungsleitung 17 in den ersten Druckraum 3, bei gleichzeitiger Ableitung der entsprechenden Kraftstoffmenge über eine freigeschaltete Abflußmöglichkeit (nicht dargestellt), gefördert. Das zweite Fluid wird im ersten Druckraum 3 dem Kraftstoff vorgelagert.

Fig. 2: Entsprechende Merkmale der Vorrichtung 24 sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 24 ist geeignet, die Zufuhr von zweitem Fluid in den ersten Druckraum 3 in Abhängigkeit von der Einspritzmenge und dem Einspritzdruck des Kraftstoffs zu dosieren.

Eine von der Stirnfläche 14 ausgehende Verbindungsleitung 25 verbindet die Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid mit dem zweiten Druckraum 9. In der Verbindungsleitung 25 ist ein Rückschlagventil 26 und ein Druckbegrenzungsventil 27 enthalten. Das Rückschlagventil 26 sperrt die Zufuhr von Fluid aus der Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid zum zweiten Druckraum 9. Der am Druckbegrenzungsventil 27 der Verbindungsleitung 25 vom zweiten Druckraum 9 zur Zufuhreinrichtung 16 einzustellende Druck ist größer als der Druck im ersten Druckraum 3 während der Ruhephase und kleiner als der Druck aus den Rückstelleinrichtungen 19, 20 im vierten Druckraum 13.

In einer Seitenfläche 30 im zweiten Druckraum 9 des Gehäuses 6 ist ein Anschluß 31 der Verbindungsleitung 17 angeordnet. Von der Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 bis zum Umfang des Anschlusses 31 ist ein abgestimmter Abstand h vorgesehen.

In der Verbindungsleitung 18 vom dritten Druckraum 11 zum ersten Druckraum 3 und in der Verbindungsleitung 19 vom vierten Druckraum 13 zur Zufuhreinrichtung 16 sind jeweils Drosseln 32, 33 enthalten. In der Verbindungsleitung 19 vom vierten Druckraum 13 zur Zufuhreinrichtung 16 ist ein Druckbegrenzungsventil 34 enthalten. Parallel zum Druckbegrenzungsventil 34 ist ein Bypass 35 mit einem Rückschlagventil 36 vorgesehen.

Verfahren zur Einlagerung von Kraftstoff und dosiertem zweiten Fluid in den Einspritzpausen zur Erzeugung geschichteter Ladungen gemäß Fig. 2.

Während einer Einspritzphase wird der erste Druckraum 3 mit hohem Druck aus vorzugsweise einem Druckspeicher eines Common-Rail Systems beaufschlagt. Der hohe Druck im ersten Druckraum 3 wirkt auf die Düsennadel 4, die von den Einspritzdüsenlöchern 2 abgehoben wird und die Einspritzung freigibt. Über die Verbindungsleitung 18 vom ersten Druckraum 3 zum dritten Druckraum 11 beaufschlagt der hohe Druck, der durch die Drossel 32 etwas gemindert ist, den dritten Druckraum 11. Der Trennkolben 7 wird bei hohem Druck im dritten Druckraum 11 entgegen der Kraft der Druckfeder 20 und entgegen dem Druck aus Verbindungsleitung 19 im vierten Druckraum 13 von der Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 wegbewegt, so daß das Volumen im zweiten Druckraum 9 größer wird und zweites Fluid über die Verbindungsleitung 15 aus der Zufuhreinrichtung 16 in den zweiten Druckraum 9 gefördert wird.

Ist die Kraftstoff-Einspritzmenge z. B. bei kleiner Einspritzzeit und/oder kleinem Einspritzdruck klein, wird der Trennkolben 7 nur soweit von der Stirnwand 14 des Gehäuses 6 wegbewegt, daß der Anschluß 31 in der Seitenwand 30 des Gehäuses 6 vom Trennkolben 7 überdeckt bleibt.

Sinkt der Druck im ersten Druckraum 3 ab, weil beispielsweise ein Ventil (nicht dargestellt) die Verbindung zum Druckspeicher des Common-Rail Systems unterbricht, schließt die Düsennadel 4 wieder die Einspritzdüsenlöcher 2. Der Druck im dritten Druckraum 11 fällt, und der Trennkolben 7 bewegt sich unter der Kraft der Druckfeder 20 und dem Druck aus der Zufuhreinrichtung 16 über die Verbindungsleitung 19 mit der Drossel 33 zum vierten Druckraum 13 wieder auf die Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 zu. Das Volumen des zweiten Druckraums 9 wird dabei reduziert. Ist der Hub des Trennkolbens 7 ausreichend groß, daß der Anschluß 31 der Leitung 17 zumindest teilweise vom Trennkolben 7 freigegeben wurde, fließt zweites Fluid aus dem zweiten Druckraum 9 über die Verbindungsleitung 17 in den ersten Druckraum 3 bis der Anschluß 31 von der Oberkante des Trennkolbens 7 überdeckt ist. Das so dosierte zweite Fluid wird im ersten Druckraum 3 dem Kraftstoff vorgelagert. Zweites Fluid, das beim restlichen Hub h des Trennkolbens 7 vom Anschluß 31 bis zur Stirnwand 14 verdrängt wird, gelangt durch die Verbindungsleitung 25 zur Zufuhreinrichtung 16 für zweites Fluid.

Bei kleinen Einspritzdrücken kann die Förderung von zweitem Fluid mit einem Druckbegrenzungsventil 34 in Verbindungsleitung 19 ganz unterbunden werden. Das Druckbegrenzungsventil 34 kann so eingestellt werden, daß die Bewegung des Trennkolbens 7 weg von der Stirnwand 14 bei Verkleinerung des Volumens im vierten Druckraum 13 erst ab einem Mindestdruck im dritten Druckraum 11 möglich ist. Die Förderung des zweiten Fluids durch die Verbindungsleitung 19 zum vierten Druckraum 13 kann parallel zum Druckbegrenzungsventil 34 durch einen Bypass 35 mit Rückschlagventil 36 erfolgen.

Fig. 3: Entsprechende Merkmale der Vorrichtung 39 sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 oder 2 bezeichnet. Der vierte Druckraum 13 der Vorrichtung 39 ist von einer kleinen Fläche 12 des Trennkolbens 7 begrenzt und steht über eine Verbindungsleitung 45 permanent mit dem Hochdruck aus dem Druckspeicher eines Common-Rail Systems in Verbindung. Der dritte Druckraum 11 der Vorrichtung 39 ist von einer Fläche 10 begrenzt, die größer ist als die dritte Fläche 12 des Trennkolbens 7 im vierten Druckraum 13. Ein fünfter Druckraum 40, den der Trennkolben 7 im Gehäuse 6 begrenzt, ist mit Luft oder einem Ölpolster gefüllt. Volumenänderungen des fünften Druckraums 40 können über eine Verbindungsleitung 42 ausgeglichen werden. Das Gehäuse 6 ist aus einem planen Teil 43 mit der integrierten Verbindungsleitung 42 und dem vierten Druckraum 13 und aus einem zylindrischen Teil 44 mit dem dritten Druckraum 11, dem zweiten Druckraum 9 und der integrierten Verbindungsleitung 15 dargestellt. Der plane Teil 43 und der zylindrische Teil 44 des Gehäuses 6 sind verschraubt.

Die Einspritzdüse 5 ist mit einer Vorrichtung zur Druckentlastung (nicht dargestellt) versehen. Ein Anschluß 47 in den dritten Druckraum 11 der Verbindungsleitung 18 und ein Anschluß 48 in den zweiten Druckraum 9 der Verbindungsleitungen 15, 17 können ausgetauscht werden. In den Verbindungsleitungen 15, 17, 18 und 19 können Drosseln und/oder Druckbegrenzungsventile (nicht dargestellt) enthalten sein.

Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und zweitem Fluid zwischen Einspritzungen zur Erzeugung geschichteter Ladungen gemäß Fig. 3.

Während einer Einspritzphase wird der erste Druckraum 3 mit hohem Druck aus dem Druckspeicher des Common-Rail Systems beaufschlagt. Der hohe Druck im ersten Druckraum 3 wirkt auf die Düsennadel 4, die von den Einspritzdüsenlöchern 2 abgehoben wird und die Einspritzung freigibt. Über die Verbindungsleitung 18 vom ersten Druckraum 3 zum dritten Druckraum 11 beaufschlagt der hohe Druck den dritten Druckraum 11. Der Trennkolben 7 wird bei hohem Druck auf die größere Fläche 10 des Trennkolbens 7 im dritten Druckraum 11 entgegen dem permanent hohen Druck aus der Verbindungsleitung 45 auf die kleinere Fläche 12 des vierten Druckraums 13 von der Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 wegbewegt, so daß das Volumen im zweiten Druckraum 9 größer wird und zweites Fluid über die Verbindungsleitung 15 aus der Zufuhreinrichtung 16 in den zweiten Druckraum 9 gefördert wird.

Sinkt der Druck im ersten Druckraum 3 ab, weil beispielsweise ein schaltbares Ventil die Verbindung zum Druckspeicher des Common-Rail Systems unterbricht, schließt die Düsennadel 4 wieder die Einspritzdüsenlöcher 2. Der Druck im dritten Druckraum 11 fällt, und der Trennkolben 7 bewegt sich unter dem Druck aus der Verbindungsleitung 45 auf die Fläche 12 im vierten Druckraum 13 wieder auf die Stirnfläche 14 des Gehäuses 6 zu. Das Volumen des zweiten Druckraums 9 wird dabei reduziert, und zweites Fluid fließt aus dem zweiten Druckraum 9 über die Verbindungsleitungen 15, 17 in den ersten Druckraum 3 und wird dem Kraftstoff vorgelagert. Gleichzeitig fließt Kraftstoff aus der Einspritzdüse 5. Die Flächen 10, 12 und 8 des Trennkolbens 7 im zweiten Druckraum 9 sind abgestimmt. Kraftstoff unter der Fläche 10 des Trennkolbens 7 wird verdrängt.

Fig. 4: Entsprechende Merkmale der Vorrichtung 50 zur Zumischung des zweiten Fluids zum Kraftstoff während der Einspritzung in den Brennraum sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1, 2 oder 3 bezeichnet. Der dritte Druckraum 11 ist von einer Fläche 10 des Trennkolbens 7 begrenzt, die gleich der größten Querschnittsfläche des Trennkolbens 7 ist. Der zweite Druckraum 9 ist von einer Fläche 8 des Trennkolbens 7 begrenzt, die kleiner ist als die Fläche 10 des Trennkolbens 7. Eine Druckfeder 20 ist im zweiten Druckraum 9 enthalten. Ein fünfter Druckraum 40, den der Trennkolben 7 im Gehäuse 6 begrenzt, ist mit dem zweiten Fluid gefüllt. Volumenänderungen des fünften Druckraums 40 können über eine Verbindungsleitung 42 zur Zufuhreinrichtung 16 ausgeglichen werden. In Verbindungsleitung 42 ist zur Abstimmung eine Drossel 51 enthalten. Leckage-Mengen, die sich im Gehäuse 6 sammeln, können über Verbindungsleitung 42 in Zufuhreinrichtung 16 eingespeist werden. Das Gehäuse 6 ist aus einem planen Teil 43 mit dem dritten Druckraum 11 und aus einem zylindrischen Teil 44 mit dem zweiten Druckraum 9, dem fünften Druckraum 40 und den integrierten Verbindungsleitungen 19, 17 und 42 zusammengesetzt. Der plane Teil 43 und der zylindrische Teil 44 des Gehäuses 6 sind verschraubt. In der Verbindungsleitung 17 ist zur Abstimmung eine Drossel 52 enthalten. An der Mündung der Verbindungsleitung 17 in den ersten Druckraum 3 kann zum Einbringen von Emulsion eine Düse 54 vorgesehen sein.

Ein Schalter 53 ist in der Verbindungsleitung 18 vom ersten Druckraum 3 zum dritten Druckraum 11 vorgesehen. Mittels des Schalters 53 kann das zweite Fluid dosiert werden.

Die Verbindungsleitung 17 mündet im unteren Teil des Einspritzventils 5, so daß durch Einbringen von zweitem Fluid bzw. Emulsion während der Einspritzung der im ersten Druckraum 3 befindliche Kraftstoff gezielt beeinflußt werden kann.

Verfahren zum Einlagern von zweitem Fluid zum Kraftstoff während der Einspritzung gemäß Fig. 4.

Während einer Einspritzphase wird der erste Druckraum 3 mit hohem Druck aus vorzugsweise dem Druckspeicher 49 des Common-Rail Systems beaufschlagt. Der hohe Druck im ersten Druckraum 3 wirkt auf die Düsennadel 4, die von den Einspritzdüsenöffnungen 2 abgehoben wird und die Einspritzung freigibt. Über die Verbindungsleitung 18 vom ersten Druckraum 3 zum dritten Druckraum 11 beaufschlagt der hohe Druck die große Fläche 10 des Trennkolbens 7 im dritten Druckraum 11. Der Trennkolben 7 wird bei hohem Druck auf die große Fläche 10 des Trennkolbens 7 im dritten Druckraum 11 entgegen dem Druck aus der Verbindungsleitung 19 zur Zufuhreinrichtung 16 auf die kleinere Fläche 8 des zweiten Druckraums 9 und entgegen der Kraft der Druckfeder 20 bewegt, so daß das Volumen im zweiten Druckraum 9 kleiner wird und zweites Fluid über die Verbindungsleitung 17 in den ersten Druckraum 3 gefördert wird, das mit dem Kraftstoff während der Einspritzung in den Brennraum des Dieselmotors gelangt. Während der Einspritzung liegt an der Fläche 10 des dritten Druckraums 11 und der Fläche 8 des zweiten Druckraums 9 annähernd der gleiche Druck an. Die den Trennkolben 7 bewegende Kraft F_E resultiert aus der Differenz der Fläche 10 gegenüber der Fläche 8 und der Kraft F_F der Druckfeder 20.

Sinkt der Druck im ersten Druckraum 3 auf p_R ab, weil beispielsweise ein Ventil die Verbindung zum Druckspeicher des Common-Rail Systems unterbricht, schließt die Düsennadel 4 wieder die Einspritzdüsenlöcher 2. Der Druck im dritten Druckraum 11 fällt, und der Trennkolben 7 bewegt sich unter dem Druck p_2F auf die kleinere Fläche 8 des zweiten Druckraums 9 und mit der Kraft F_F der Druckfeder 20 wieder in seine Ausgangslage zurück.

Das Volumen des zweiten Druckraums 9 wird vergrößert, und zweites Fluid fließt aus der Zufuhreinrichtung 16 über die Verbindungsleitung 19 in den zweiten Druckraum 9. Die Flächen 10 und 8, der Hub des Trennkolbens 7 und die Federkonstante der Druckfeder 20 sind auf die Drücke in den Verbindungsleitungen 17, 18 und 19 sowie auf die vorzulagernde Menge an zweitem Fluid abgestimmt.

Die Dosierung der Menge an zweitem Fluid wird in Abhängigkeit von der Einspritzmenge in den Brennraum des Dieselmotors geregelt. Der Schalter 53 kann sehr schnell die Zufuhr von zweitem Fluid zu- oder abschalten. Es sind keine Vor- bzw. Nachlaufzeiten erforderlich wie beim Emulsionsbetrieb gemäß dem Stand der Technik. Die Anpassung an den instationären Betrieb ist einfach.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung
2 Einspritzdüsenlöcher
3 erster Druckraum
4 Düsennadel
5 Einspritzdüse
6 Gehäuse
7 Trennkolben
8 erste Fläche
9 zweiter Druckraum
10 zweite Fläche
11 dritter Druckraum
12 dritte Fläche
13 vierter Druckraum
14 Stirnfläche
15 Verbindungsleitung
16 Zufuhreinrichtung
17 Verbindungsleitung
18 Verbindungsleitung
19 Verbindungsleitung
20 Druckfeder
21 Rückschlagventil
22 Rückschlagventil
23 -
24 Vorrichtung
25 Verbindungsleitung
26 Rückschlagventil
27 Druckbegrenzungsventil
28 -
29 -
30 Seitenfläche
31 Anschluß
32 Drossel
33 Drossel
34 Druckbegrenzungsventil
35 Bypass
36 Rückschlagventil
37 -
38 -
39 Vorrichtung
40 fünfter Druckraum
41 -
42 Verbindungsleitung
43 planer Teil
44 zylindrischer Teil
45 Verbindungsleitung
46 -
47 Anschluß
48 Anschluß
49 Common-Rail-Druckspeicher
50 Vorrichtung
51 -
52 -
53 Schalter
54 Düse

Claims

1. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum eines Dieselmotors mit einer Kraftstoffzufuhreinrichtung und einer Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid zu mindestens einer Einspritzdüse (5), einem ersten Druckraum (3) in der Einspritzdüse (5), einer Düsennadel (4) im ersten Druckraum (3), die die Einspritzung durch Einspritzdüsenlöcher (2) steuert, einem Trennkolben (7) in einem Gehäuse (6), einem zweiten Druckraum (9), den der Trennkolben (7) mit dem Gehäuse (6) bildet, der mit der Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid und dem ersten Druckraum (3) verbunden ist, wobei das zweite Fluid mittels des Trennkolbens (7) aus dem zweiten Druckraum (9) in den ersten Druckraum (3) gefördert wird, und einem dritten Druckraum (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (7) mit dem Gehäuse (6) den dritten Druckraum (11) bildet, eine Verbindungsleitung (18) vom ersten Druckraum (3) zum dritten Druckraum (11) vorgesehen ist, und mindestens eine auf den Trennkolben (7) wirkende hydraulische Rückstelleinrichtung (13, 40) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoffzufuhreinrichtung ein Common-Rail System vorgesehen ist, von dem Kraftstoff unter hohem Druck dem ersten Druckraum (3) zugeführt wird.

3. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Druckraum (13) vorgesehen ist, die Rückstelleinrichtungen eine auf den Trennkolben (7) wirkende Druckfeder (20) enthalten, die im vierten Druckraum (13) am Gehäuse (6) abgestützt ist, und die Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid den vierten Druckraum (13) mit Druck beaufschlagt.

4. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (18) vom ersten Druckraum (3) zum dritten Druckraum (11) eine Drossel (32) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (33) vorgesehen ist in der Verbindungsleitung (19) von der Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid zu dem zweiten Druckraum (13).

6. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckbegrenzungsventil (34) in der Verbindungsleitung (19) von der Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid zu dem zweiten Druckraum (13) vorgesehen ist, und daß ein Bypass (35) mit einem Rückschlagventil (36) parallel zum Druckbegrenzungsventil (34) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Verbindungsleitung (25) mit Druckbegrenzungsventil (27) vom zweiten Druckraum (9) zur Zufuhreinrichtung (16) für das zweite Fluid vorgesehen ist, und eine Verbindungsleitung (17) für das zweite Fluid vom zweiten Druckraum (9) zum ersten Druckraum (3) vom Hub des Trennkolbens (7) überdeckt ist.

8. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung (45) vom vierten Druckraum (13) zum Common-Rail Druckspeicher (49) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (17, 18) von den zweiten und dritten Druckräumen (9, 11) zu dem ersten Druckraum (3) austauschbar sind.

10. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (15, 17, 18, 19, 42, 45) Drosseln enthalten.

11. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (15, 17, 18, 19, 42, 45) Druckbegrenzungsventile mit jeweils parallel angeordnetem Bypass mit Rückschlagventil enthalten.

12. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (7) eine Fläche (10) im dritten Druckraum (11) aufweist, die größer ist als eine Fläche (8) im zweiten Druckraum (9) und eine Verbindungsleitung (42) einen fünften Druckraum (40) im Gehäuse (6) mit der Zufuhr einrichtung (16) verbindet.

13. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid gemäß Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (53) in der Verbindungsleitung (18) vom ersten Druckraum (3) zum dritten Druckraum (9) vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum, wobei das zweite Fluid dem Kraftstoff zur Erzeugung einer geschichteten Ladung aus Kraftstoff und dem zweiten Fluid in einem ersten Druckraum (3) einer Einspritzdüse (5) während einer Ruhephase mit niedrigem Druck zwischen Einspritzungen vorgelagert wird, mit folgenden Schritten:
Zuführen von Kraftstoff unter Druck, vorzugsweise aus einem Common-Rail Druckspeicher (49), in den ersten Druckraum (3),
Öffnen von Einspritzdüsenlöchern (2) durch ein Ventil (4) unter dem Druck des Kraftstoffs im ersten Druckraum (3),
Einspritzen des vorgelagerten zweiten Fluids und des Kraftstoffs durch die Einspritzdüsenlöchern (2),
Zuführen von Kraftstoff unter Druck aus dem ersten Druckraum (3) in einen dritten Druckraum (11) in einem Gehäuse (6),
Verschieben unter dem Druck des Kraftstoffs in dem dritten Druckraum (11) eines Trennkolbens (7) in dem Gehäuse (6) entgegen Rückstellkräften aus einer Druckfeder (20)
und/oder hydraulischem Druck in einem vierten Druckraum (13),
Ansaugen des zweiten Fluids in einen zweiten Druckraum (9) mittels des Trennkolbens (7) unter dem Druck des Kraftstoffs,
Beenden der Zufuhr von Kraftstoff unter Druck in den ersten Druckraum (3) und dritten Druckraum (11),
Schließen der Einspritzdüsenlöcher (2) durch das Ventil (4) im ersten Druckraum (3),
Verschieben des Trennkolbens (7) mittels der Rückstellkräfte im vierten Druckraum (13) und
Fördern des zweiten Fluids vom zweiten Druckraum (9) in den ersten Druckraum (3).

15. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff und einem zweiten Fluid in einen Brennraum, wobei das zweite Fluid dem Kraftstoff in einem ersten Druckraum (3) einer Einspritzdüse (5) während des Einspritzens zugemischt wird, mit folgenden Schritten:
Zuführen von Kraftstoff unter Druck, in den ersten Druckraum (3),
Öffnen von Einspritzdüsenlöchern (2) durch eine Düsennadel (4) unter dem Druck des Kraftstoffs im ersten Druckraum (3),
Beaufschlagen des dritten Druckraums (11) mit dem Kraftstoff unter Druck,
Verschieben unter dem Druck des Kraftstoffs in dem dritten Druckraum (11) eines Trennkolbens (7) in dem Gehäuse (6) entgegen Rückstellkräften aus einer Druckfeder (20) und/oder dem Druck des zweiten Fluids in einem vierten Druckraum (13, 14) des Gehäuses (6),
Fördern des zweiten Fluids mittels des Trennkolbens (7) aus einem zweiten Druckraum (9) in den ersten Druckraum (3),
Einspritzen von Kraftstoff und zweitem Fluid durch die Einspritzdüsenlöcher (2),
Beenden der Zufuhr von Kraftstoff unter Druck in den ersten Druckraum (3) und den dritten Druckraum (11),
Schließen der Einspritzdüsenlöcher (2) durch die Düsennadel (4) im ersten Druckraum (3),
Verschieben des Trennkolbens (7) mittels der Rückstellkräfte, und
Ansaugen des zweiten Fluids in den zweiten Druckraum (9) mittels des Trennkolbens (7).