DE19611381B4

DE19611381B4 - Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19611381B4
Application number: DE19611381A
Authority: DE
Inventors: Herwig Dipl.-Ing. Dr. Ofner; Peter Dipl.-Ing. Dr. Herzog
Original assignee: AVL List GmbH; AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2016-03-23
Also published as: US5690077A; DE19611381A1; AT408130B; ATA51895A

Abstract

Einspritzsystem für eine mit selbstzündendem Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffbehälter, mit einer Kraftstoffördereinrichtung zur Entnahme des Kraftstoffes aus dem Kraftstoffbehälter und zur Förderung zur Einspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffbehälter als Niederdruckspeicher (3) ausgeführt ist, welcher mit einer Druckregeleinheit (4) zur Einstellung eines über dem Dampfdruck des Flüssiggases liegenden konstanten Innendruckes, vorzugsweise etwa 6 bis 30 bar, verbunden ist, und das Einspritzsystem (1) leckagefrei ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine mit selbstzündendem Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffbehälter, mit einer Kraftstoffördereinrichtung zur Entnahme des Kraftstoffes aus dem Kraftstoffbehälter und zur Förderung zur Einspritzeinrichtung.
Konventionelle Einspritzsysteme sind entweder für die Einspritzung von selbstzündenden oder fremdgezündeten Flüssigkraftstoffen konzipiert. Derartige Kraftstoffe liegen bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur in flüssiger Form vor, weshalb die Speicherung im Tank drucklos erfolgt. Üblicherweise wird dabei der flüssige Kraftstoff gleichzeitig als Schmiermedium für bewegliche Teile im Einspritzsystem verwendet, weshalb Leckagen und zum Tank zurückführende Leckölleitungen vorgesehen sind.
Die DE 35 23 855 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem aus Methanol erzeugten Spaltgas und Luft. Die Lagerung von Methanol erfolgt üblicherweise drucklos in herkömmlichen Vorratsbehältern. Das auch als Synthesegas bekannte Spaltgas, welches aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd besteht, wird bei dem zur Einblasung erforderlichen Druck in einen Vergasungsreaktor erzeugt, wobei der Einblasedruck im Bereich von 80 bis 100 bar liegt. Das Spaltgas wird dabei entweder durch Funken oder durch einen weiteren zündwilligen Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, entzündet. Bei Spaltgas handelt es sich nicht um ein selbstzündendes Flüssiggas. Das Spaltgas wird nicht in den Brennraum direkt eingespritzt, sondern unter Hochdruck indirekt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen. Ein derartiges Einblasesystem kann nicht zur direkten Einspritzung eines selbstzündenden Flüssiggases für eine mit Flüssiggas betriebene Brennkraftmaschine verwendet werden.
Es ist weiters bekannt, als Kraftstoff ein unter Druck gelagertes Flüssiggas zu verwenden. Im russischen Abstract SU 1040-206 A (Soviet Inventions Illustrated, Q53, 1984) wird eine gasbetriebene Brennkraftmaschine mit einem Kraftstofftank für verflüssigtes Gas, nämlich Butan, beschrieben, welches durch ein weiteres, komprimiertes Gas, nämlich Methan, druckbeaufschlagt wird. Herkömmliche Flüssiggase wie Propan oder Butan sind fremdgezündete Kraftstoffe, welche gasförmig und mit Luft vorgemischt in den Brennraum eingebracht werden (Ottomotoren-Kraftstoff).
Neuentwickelte Flüssiggaskraftstoffe mit hoher Cetanzahl, beispielsweise Dimethylether, weisen bei Umgebungstemperatur einen Dampfdruck unter 30 bar auf und können als selbstzündende Kraftstoffe eingesetzt werden. Aufgrund des hohen Dampfdruckes derartiger Flüssiggase besteht bei deren Verwendung in herkömmlichen Diesel-Einspritzsystemen, insbesondere in Bereichen lokaler Druckabsenkung, erhöhte Kavitationsgefahr, was zu Förderproblemen und zu verstärktem Verschleiß führt.
Außerdem müssen Kraftstoff-Leckagen aus dem System in die Umgebung in jedem Fall unterbunden werden, weil der Kraftstoff bei Umgebungsbedingungen verdampft und mit Luft entzündbare oder explosive Gemische bilden könnte. Das Unterbinden von Leckagen wird dadurch erschwert, daß im System ein hoher Standdruck herrschen muß um den Kraftstoff in flüssigem Zustand zu halten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Einspritzsystem für selbstzündende Flüssiggaskraftstoffe bereitzustellen und dabei die Kavitationsgefahr und den Verschleiß klein zu halten und Leckagen in die Umgebung zu unterbinden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Kraftstoffbehälter als Niederdruckspeicher ausgeführt ist, welcher mit einer Druckregeleinheit zur Einstellung eines über dem Dampfdruck des Flüssiggases liegenden konstanten Innendruckes, vorzugsweise von etwa 6 bis 30 bar, verbunden ist, und das Einspritzsystem leckagefrei ausgeführt ist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Druckregeleinheit eine Gasfördereinrichtung, vorzugsweise für Luft oder Stickstoff aufweist, die über zumindest ein Rückschlagventil mit dem Innenraum des Niederdruckspeichers verbunden ist.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die leckagefreie Fördereinrichtung eine leckagefreie Entnahmepumpe und eine leckagefreie Einspritzpumpe aufweist, wobei vorzugsweise die Ein spritzpumpe fremdölgeschmiert ist. Das Fremdöl kann dabei gleichzeitig als Sperrflüssigkeit für das Flüssiggas verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die leckagefreie Fördereinrichtung eine leckagefreie Hochdruckpumpe aufweist, welche den Flüssiggaskraftstoff aus dem Niederdruckspeicher in einen Hochdruckspeicher fördert, von welchem Hochdruckleitungen zu den einzelnen Einspritzeinrichtungen führen, wobei im Strömungsweg zwischen Hochdruckspeicher und der Düse der Einspritzeinrichtung ein vorzugsweise elektromagnetisch betätigbares Schaltventil vorgesehen ist. Ein derartiges Einspritzsystem weist Elemente von bekannten Speichereinspritzsystemen auf, unterscheidet sich von diesen allerdings dadurch, daß anstelle eines Tankes ein Niederdruckspeicher vorliegt, in dem der Druck durch eine Druckregeleinheit über dem Dampfdruck gehalten wird. Da für Flüssiggas im Hochdruckspeicher nur ein Druck von etwa 200 bar erforderlich ist, also wesentlich geringerer Druck als bei Diesel-Speichereinspritzsystemen, kann auch eine Membranpumpe als Hochdruckpumpe verwendet werden.
Außerdem können die Schaltventile in den Strömungswegen zwischen dem Hochdruckspeicher und den Düsen aufgrund des niedrigeren Absolutdruckniveaus eine einfachere Bauart aufweisen als Schaltventile in Diesel Einspritzsystemen oder überhaupt nach einem anderen Prinzip funktionieren, z. B. Betätigung über einen Schrittmotor.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Schaltventil in die Einspritzeinrichtung integriert ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das elektromagnetisch ausgeführte Schaltventil direkt die Düsennadel betätigt. Durch den relativ geringen notwendigen Einspritzdruck von etwa 200 bar ist es möglich, die Düsennadel direkt durch einen Elektromagneten zu öffnen.
Vorzugsweise wird die Einspritzeinrichtung ohne Leckageölleitungen ausgeführt, d. h., daß die Einspritzeinrichtung lediglich eine einzige Anschlußleitung aufweist, deren Durchfluß durch das Steuerventil geregelt ist. Die federbelastete Düsennadel wird direkt durch den Kraftstoffdruck im Ventilraum ent gegen der Federkraft gehoben, ähnlich wie bei könventionellen Einspritzeinrichtungen.
Für die Nachrüstung bestehender Motoren mit dem beschriebenen Kraftstoffsystem für Flüssiggas ist es von Vorteil, die Komponenten Niederdruckspeicher, Hochdruckpumpe (Membranpumpe) und Hochdruckspeicher als kompakte Einheit auszuführen, welche an den bestehenden Motor angebaut werden kann.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 3 verschiedene Ausführungsvarianten von erfindungsgemäßen Einspritzsystemen für selbstzündende Flüssiggaskraftstoffe,
4 ein Detail einer weiteren Ausführungsvariante mit einer Einspritzeinrichtung mit einer elektromagnetisch betätigter Düsennadel.
Funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem 1 für Flüssiggasdirekteinspritzung, wobei die Kraftstoffördereinrichtung 2 eine Entnahmepumpe 2a und eine Einspritzpumpe 2b aufweist, welche eine Reiheneinspritzpumpe, eine Verteilereinspritzpumpe, od. dgl. sein kann. Der Flüssiggaskraftstoff wird in einem Niederdruckspeicher 3 gelagert. Über eine Druckregeleinheit 4 wird der Druck im Innenraum des Niederdruckspeichers 3 über dem Dampfdruck des Flüssiggases gehalten. Der Druck im Niederdruckspeicher beträgt etwa 6 bis 30 bar. Die Druckregeleinheit 4 weist eine Gasfördereinrichtung 5 auf, welche beispielsweise Luft oder Stickstoff über ein Rückschlagventil 6 in den Innenraum des Niederdruckspeichers fördert. Ggf. kann auch ein Druckbehälter 7 zwischen Gasfördereinrichtung 5 und Niederdruckspeicher 3 angeordnet sein. Wie bei konventionellen Einspritzpumpensystemen wird die Einspritzpumpe 2b von der Entnahmepumpe 2a gespeist. Die Einspritzpumpe 2b fördert über Hochdruckleitungen 8 das Flüssiggas zu den einzelnen Einspritzeinrichtungen 9. Es ist auch denkbar, die Einspritzpumpe 2b und die Einspritzeinrichtungen 9 zu Pumpe-Düse-Elementen zusammenzufassen. Jede Einspritzeinrichtung 9 besteht aus einer Düse 21 und einem Düsen halter 22. Ggf. können Leckageleitungen 10 und 11 zum Niederdruckspeicher vorgesehen sein, wobei geachtet werden muß, daß an keiner Stelle des Einspritzsystems 1 insbesondere in den Saugleitungen 12 und den Leckageleitungen 10, 11, der Systemdruck unter dem Dampfdruck liegt. Es ist unbedingt anzustreben, daß die Aggregate des Einspritzsystemes, also die Entnahmepumpe 2a, die Einspritzpumpe 2b und die Einspritzeinrichtung 9, frei von Leckagen in die Umgebung ausgeführt sind. Können diese Elemente so konstruiert werden, daß für ihre Funktion kein Niederdruckniveau benötigt wird, entfallen die strichliert angedeuteten Leckageleitungen 10 und 11. Die Einspritzpumpe 2b kann beispielsweise über ein mit Bezugszeichen 13 angedeutetes Fremdölschmiersystem geschmiert werden. Das Schmieröl dient dabei gleichzeitig als Sperrflüssigkeit für das Flüssiggas.
Zum Unterschied zur 1 sind in den 2 und 3 Speichereinspritzsysteme dargestellt. Dabei wird das Flüssiggas aus dem Niederdruckspeicher 3 durch eine leckagefreie Hochdruckpumpe 2c einem Hochdruckspeicher 14 zugeführt, der etwa einen Druck von 200 bar aufweisen kann. Aufgrund der Eigenschaften des verwendeten Flüssiggases sind höhere Drücke im allgemeinen nicht erforderlich. Die leckagefrei ausgeführte Membranpumpe 2c kann entweder über Druckbegrenzung oder über den Förderhub geregelt werden. In den vom Hochdruckspeicher 14 zu den Einspritzeinrichtungen 9 führenden Hochdruckleitungen 8 sind über eine nicht weiter dargestellte Steuereinheit betätigte Magnetventile 15 vorgesehen. Wie in 3 dargestellt, können die Magnetventile 15 auch in die Einspritzeinrichtungen 9 integriert werden.
Aufgrund des im Vergleich zu konventionellen Speichereinspritzsystemen für Dieselkraftstoff geringen Einspritzdruckes von etwa 200 bar bei Flüssiggaskraftstoff ist es möglich, die Düsennadel 16 des Einspritzventiles 9 direkt durch die Magnetkraft eines Elektromagneten 17 gegen die Kraft einer Feder 18 zu betätigen, da die Feder relativ klein dimensioniert sein kann. Mit 19 ist die Spule des Elektromagneten 17, mit 20 der Kraftstoffanschluß der Einspritzeinrichtung 9 bezeichnet. Wird die Düsennadel 16 als Drosselzapfendüse ausgeführt, so ist eine Einspritzverlaufsformung mittels einer variablen Drosselung über dem Nadelhub h möglich.

Claims

Einspritzsystem für eine mit selbstzündendem Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraftstoffbehälter, mit einer Kraftstoffördereinrichtung zur Entnahme des Kraftstoffes aus dem Kraftstoffbehälter und zur Förderung zur Einspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffbehälter als Niederdruckspeicher (3) ausgeführt ist, welcher mit einer Druckregeleinheit (4) zur Einstellung eines über dem Dampfdruck des Flüssiggases liegenden konstanten Innendruckes, vorzugsweise etwa 6 bis 30 bar, verbunden ist, und das Einspritzsystem (1) leckagefrei ausgeführt ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinheit (4) eine Gasfördereinrichtung (5), vorzugsweise für Luft oder Stickstoff aufweist, die über zumindest ein Rückschlagventil (6) mit dem Innenraum des Niederdruckspeichers (3) verbunden ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leckagefreie Fördereinrichtung (2) eine leckagefreie Entnahmepumpe (2a) und eine leckagefreie Einspritzpumpe (2b) aufweist, wobei vorzugsweise die Einspritzpumpe (2b) fremdölgeschmiert ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leckagefreie Fördereinrichtung (2) eine leckagefreie Hochdruckpumpe (2c) aufweist, welche den Flüssiggaskraftstoff aus dem Niederdruckspeicher (3) in einen Hochdruckspeicher (14) fördert, wobei im Strömungsweg zwischen Hochdruckspeicher (14) und der Düse (21) der Einspritzeinrichtung (9) ein vorzugsweise elektromagnetisch betätigbares Schaltventil (15) vorgesehen ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (2c) eine Membranpumpe ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (15) in die Einspritzeinrichtung (9) integriert ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetisch ausgeführte Schaltventil (15) direkt die Düsennadel (16) der Einspritzeinrichtung (9) betätigt.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzeinrichtung (9) leckagefrei ausgeführt ist.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Niederdruckspeicher (3), Hochdruckpumpe (2c) und Hochdruckspeicher (14) als eine kompakte Einheit ausgeführt sind.