DE19611434A1 - Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine mit selbstzündendem Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brenn­ kraftmaschine 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 Ein­ spritzung von selbstzündenden oder fremdgezündeten Flüs­ sigkraftstoffen konzipiert. Derartige Kraftstoffe liegen bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur in flüssiger Form vor, weshalb die Speicherung im Tank drucklos erfolgt. Üblicher­ weise wird dabei der flüssige Kraftstoff gleichzeitig als Schmiermedium für bewegliche Teile im Einspritzsystem verwen­ det, weshalb Leckagen und zum Tank zurückführende Lecköllei­ tungen 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 Syn­ thesegas bekannte Spaltgas, welches aus Wasserstoff und Koh­ lenmonoxyd besteht, wird bei dem zur Einblasung erforderlichen Druck in einen Vergasungsreaktor erzeugt, wobei der Einblase­ druck im Bereich von 80 bis 100 bar liegt. Das Spaltgas wird dabei entweder durch Funken oder durch einen weiteren zündwil­ ligen 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 Brenn­ raum der Brennkraftmaschine eingeblasen. Ein derartiges Ein­ blasesystem kann nicht zur direkten Einspritzung eines selbst­ zündenden Flüssiggases für eine mit Flüssiggas betriebene Brennkraftmaschine verwendet werden.
Es ist weiters bekannt, als Kraftstoff ein unter Druck gela­ gertes 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, druck­ beaufschlagt 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, bei­ spielsweise Dimethylether, weisen bei Umgebungstemperatur einen Dampfdruck unter 30 bar auf und können als selbstzün­ dende Kraftstoffe eingesetzt werden. Aufgrund des hohen Dampf­ druckes derartiger Flüssiggase besteht bei deren Verwendung in herkömmlichen Diesel-Einspritzsystemen, insbesondere in Berei­ chen lokaler Druckabsenkung, erhöhte Kavitationsgefahr, was zu Förderproblemen und zu verstärktem Verschleiß führt.
Da die selbstzündenden Flüssiggaskraftstoffe bei Umgebungs­ bedingungen verdampfen und mit Luft ein zündbares oder explo­ sives Gemisch bilden können, muß ein Austreten des Kraft­ stoffes aus dem System in die Umgebung in jedem Fall unterbun­ den werden. Dies wird allerdings dadurch erschwert, daß im Sy­ stem ein hoher Standdruck herrschen muß, um den Kraftstoff in flüssigem Zustand zu halten. Besonders bei abgeschaltetem Mo­ tor stellt der im Einspritzsystem vorhandene Standdruck bei geringsten Undichtheiten ein gewisses Sicherheitsrisiko dar.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Einspritzsystem für selbstzündende Flüssigkraftstoffe der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, bei dem die Si­ cherheit insbesondere bei abgeschaltetem Motor erhöht wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß der Kraftstoffbehälter als Niederdruckspeicher ausgeführt ist und zumindest ein druckführender Teil des Einspritzsystems über eine Abschalteinrichtung druckentlastbar ist, wobei die Abschalteinrichtung zumindest eine über ein Ventil steuerbare, in einen Behälter mit niedrigerem Druckniveau mündende Entla­ stungsleitung aufweist. Dabei ist zwischen dem Niederdruck­ speicher und der Kraftstoffeinrichtung ein erstes Ventil der Abschalteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Abschalteinrichtung einen Sammelbehälter aufweist, in welchen zumindest eine von einem druckführenden Teil, bei­ spielsweise der Saugleitung und/oder der Druckleitung der Kraftstoffördereinrichtung und/oder der Einspritzleitung aus­ gehende durch ein zweites Ventil steuerbare Entlastungsleitung einmündet. Besonders günstig ist es, daß der Sammelbehälter über eine Fördereinrichtung absaugbar, vorzugsweise auf einen Druck von höchstens 1 bar, besonders vorzugsweise auf einen Druck von höchstens 0,9 bar evakuierbar ist. Dadurch wird si­ chergestellt, daß kein Flüssiggas nach außen dringt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Sammelbehälter über die Fördereinrichtung mit dem Niederdruckspeicher verbunden ist. Das im Sammelbehälter gesammelte Flüssiggas kann dadurch wie­ der dem Niederdruckspeicher und dem Einspritzsystem zugeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorge­ sehen, daß jede Einspritzeinrichtung und/oder die Kraft­ stoffördereinrichtung über Kraftstoffrückführleitungen, in welchen vorzugsweise zumindest ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit dem Sammelbehälter verbunden sind. Dadurch ist es möglich, Einspritzteile von herkömmlichen Systemen mit Kraft­ stoffrückflußleitungen zu verwenden und trotzdem Leckage­ freiheit des Einspritzsystems gegenüber der Umgebung zu errei­ chen.
Nach Abstellen des Motors wird das zwischen dem Nie­ derdruckspeicher und der Kraftstoffördereinrichtung befindli­ che erste Ventil geschlossen und das zwischen den druckführen­ den Leitungsteilen und dem Sammelbehälter angeordnete zweite Ventil geöffnet. Dadurch wird der im System gebliebene flüs­ sige Kraftstoff in den Sammelbehälter entleert, indem er bei niedrigem Druck im Sammelbehälter vergast. Die Fördereinrich­ tung verdichtet das Gas und fördert es in den Niederdruckspei­ cher zurück, wodurch das Gas wieder verflüssigt wird.
In einer energetisch besonders günstigen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Abschalteinrichtung eine vom Hoch­ druckverteilerspeicher ausgehende, über ein drittes Ventil in den Niederdruckspeicher mündende weitere Entlastungsleitung aufweist. Nach Abstellen des Motors wird durch Öffnen des dritten Ventiles der Druck des Hochdruckverteilerspeichers in den Niederdruckspeicher entspannt. Nach Schließen des dritten Ventiles und des ersten Ventiles wird das zweite Ventil geöff­ net und das im Einspritzsystem befindliche Flüssiggas in den Sammelbehälter entleert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorge­ sehen, daß die Abschalteinrichtung Teil einer mit dem Nieder­ druckspeicher verbundenen Druckregeleinheit zur Einstellung eines über dem Dampfdruck des Flüssiggases liegenden konstan­ ten Innendruckes, vorzugsweise etwa 6 bis 30 bar, ist. Dadurch ist es möglich, Bauteile einzusparen und den Druck im Nieder­ druckspeicher konstant über Verdampfungsdruck zu halten, um Kavitation an der Saugseite der Kraftstoffördereinrichtung zu verhindern. Eine sichere Druckregelung wird erreicht, wenn der Sammelbehälter eine Zufuhrleitung für ein externes Regelgas, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, aufweist. Dadurch können auch in Betriebszuständen, bei denen im Sammelbehälter der be­ triebsmäßige Unterdruck erreicht wird, im Niederdruckspeicher allerdings noch Druckerhöhung erforderlich ist, Regelgas, bei­ spielsweise Luft oder Stickstoff, in den Sammelbehälter ange­ saugt und in weiterer Folge in den Niederdruckspeicher geför­ dert werden.
In einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Niederdruckspeicher durch ein flexibles Ausgleichselement in einen Flüssigraum und einen Ausgleichs­ raum geteilt ist, in welchen eine Gaszufuhrleitung der Druck­ regeleinheit einmündet. Da dadurch ein direkter Kontakt zwi­ schen Flüssiggas und dem Regelgas vermieden wird, kann normale Luft als Regelgas verwendet werden.
Um das Sicherheitsrisiko möglichst klein zu halten, ist das Einspritzsystem vorzugsweise gegenüber der Umgebung leckage­ frei ausgeführt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen Ausführungsvarianten von erfindungs­ gemäßen Einspritzeinrichtungen.
Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem 1 für eine Flüssiggasdirekteinspritzung. Die Kraftstofförderein­ richtung 2 fördert den Flüssiggaskraftstoff über einen Hoch­ druckverteilerspeicher 14 und Hochdruckleitungen 8 zu den ein­ zelnen Einspritzeinrichtungen 9. Der Hochdruckverteilerspei­ cher 14 kann beispielsweise einen Druck von 200 bar aufweisen.
Aufgrund der Eigenschaften des verwendeten Flüssiggases sind höhere Drucke im allgemeinen nicht erforderlich. In den vom Hochdruckspeicher 14 zu den Einspritzeinrichtungen 9 führenden Einspritzleitungen 8 sind über eine nicht weiter dargestellte Steuereinheit betätigte Magnetventile 15 vorgesehen, welche auch in die Einspritzeinrichtungen 9 integriert sein können.
Erfindungsgemäß sind druckführende Teile des Einspritz­ systems 1, beispielsweise die Saugleitung 2′ und die Druck­ leitung 2′′ der Kraftstoffördereinrichtung 2, sowie die Ein­ spritzleitungen 8, über Entlastungsleitungen 16 einer Ab­ schalteinrichtung 17 druckentlastbar. Die Abschalteinrich­ tung 17 beinhaltet einen Sammelbehälter 18, an welchen eine Fördereinrichtung 19 angeschlossen ist. Zur Abschalteinrich­ tung 17 gehören auch ein erstes und ein zweites Abschaltven­ til 20a und 20b.
Vorteilhafterweise ist der Speicherbehälter 18 mit dem Nieder­ druckspeicher 3 über die Leitung 21 verbunden, wobei die För­ dereinrichtung 19 in der Leitung 21 angeordnet ist. In der zum Sammelbehälter 18 führenden Entlastungsleitung 16, sowie in der Leitung 21, ist zumindest jeweils ein Rückschlagventil 22 und 23 angeordnet.
Der Sammelbehälter 18 wird über die Fördereinrichtung 19 auf einem Druckniveau zumindest unter dem Druck pN des Nieder­ druckspeichers 3, vorzugsweise auf Umgebungsdruck, besonders vorzugsweise auf einen Druck pS unter Umgebungsdruck gehalten. Durch einen Druck pS im Sammelbehälter 18 kleiner gleich dem Umgebungsdruck kann sichergestellt werden, daß kein Gas nach außen dringt. Der Kraftstoff liegt im Sammelbehälter 18 dabei gasförmig vor. Nach Abstellen des Motors wird das erste Ab­ schaltventil 20a geschlossen, danach das zweite Ab­ schaltventil 20b geöffnet und dadurch der im System gebliebene Kraftstoff in den Sammelbehälter 18 entleert. Die als Kompres­ sor ausgebildete Fördereinrichtung 19 verdichtet das Gas und fördert es in den Niederdruckspeicher 3 zurück, wobei das Gas wieder verflüssigt wird.
In einer in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichneten energetisch günstigen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, daß der Hochdruckverteilerspeicher 14 über eine Entlastungsleitung 16a mit dem Niederdruckspeicher 3 verbunden ist, wobei der Durch­ fluß der Entlastungsleitung 16a über ein drittes Ventil 20c geregelt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Druck im Hochdruckverteilerspeicher 14 auf das Niederdruckniveau im Niederdruckspeicher 3 zu bringen und die Restenergie zur Druckregelung des Druckes im Niederdruckspeicher 3 zu nutzen. Nach Abstellen des Motors wird zuerst das dritte Ventil 20c kurzfristig geöffnet, wodurch sich der Druck des Hochdruckver­ teilerspeichers 14 in den Niederdruckspeicher 3 entspannt. Nach Druckausgleich wird das dritte Ventil 20c wieder ge­ schlossen. Nachdem auch das erste Ventil 20a geschlossen wird, wird das zweite Ventil 20b geöffnet, wodurch sich der restli­ che Druck im Einspritzsystem 1 über die Entlastungs­ leitungen 16 in den Sammelbehälter 18 entspannen kann.
Werden als Kraftstoffördereinrichtung 2 und die Einspritz­ einrichtungen 9 konventionelle Teile mit Rückflußleitungen 10, 11 verwendet, so können diese, eventuell über ein Rückschlag­ ventil 24 mit dem Sammelbehälter 18 verbunden sein, wie in den Fig. strichliert dargestellt ist. Dadurch wird einerseits ein geschlossenes Kraftstoffsystem unter Verwendung von Elementen herkömmlicher Dieseleinspritzsysteme ermöglicht.
Über die Fördereinrichtung 19 wird einerseits der Druck ps im Sammelbehälter 18, andererseits der Druck pN im Niederdruck­ speicher 3 geregelt. Der Druck im Niederdruckspeicher 3 muß immer ein gewisses Maß über dem Dampfdruck des Kraftstoffes sein, um Kavitation an der Saugseite 2′ der Kraftstofförder­ einrichtung 2 zu verhindern. Andererseits muß im Sammelbehäl­ ter 18 ein Druck pS von vorzugsweise 1 bar oder darunter si­ chergestellt werden.
Ist im Sammelbehälter 18 der Betriebsdruck pS vorhanden, aber der notwendige Niederdruck pN im Niederdruckspeicher 3 noch nicht erreicht, so muß zusätzliches Gas, vorzugsweise ein re­ aktionsträges Gas wie Luft oder Stickstoff, zugeführt werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise über eine in den Sammelbehäl­ ter 18 mündende Zufuhrleitung 25, in welcher ein Ventil 26 an­ geordnet ist. Das Ventil 26 kann in einfacher Weise als Rück­ schlagventil ausgeführt sein.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem, bei dem der Niederdruckspeicher 3 durch ein flexibles Ausgleichs­ element 27 in einen Flüssiggasraum 3a und einen Ausgleichs­ raum 3b geteilt ist. In den Ausgleichsraum 3b mündet die Gas­ zuführleitung 28a einer Druckregeleinheit 28, über welche Re­ gelgas in den Niederdruckspeicher 3 eingeleitet werden kann. Durch das flexible Ausgleichselement 27 wird ein direkter Kon­ takt zwischen Regelgas und Flüssiggas vermieden, weshalb als Regelgas gefahrlos Luft verwendet werden kann.

Claims (11)

1. Einspritzsystem für eine mit selbstzündendem Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung pro Zylinder zur direkten Einsprit­ zung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem Kraft­ stoffbehälter, mit einer Kraftstoffördereinrichtung zur Entnahme des Kraftstoffes aus dem Kraftstoffbehälter und zur Förderung zur Einspritzeinrichtung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftstoffbehälter als Niederdruckspei­ cher ausgeführt ist und zumindest ein druckführender Teil (2′, 2′′, 8, 14) des Einspritzsystems (1) über eine Abschalteinrichtung (17) druckentlastbar ist, wobei die Abschalteinrichtung (17) zumindest eine über ein Ven­ til (20b, 20c) steuerbare, in einen Behälter (3, 18) mit niedrigerem Druckniveau (pN, pS) mündende Entlastungslei­ tung (16, 16a) aufweist.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Niederdruckspeicher (3) und der Kraft­ stoffördereinrichtung (2) ein erstes Ventil (20a) der Ab­ schalteinrichtung (17) angeordnet ist.
3. Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschalteinrichtung (17) einen Sammel­ behälter (18) aufweist, in welchen zumindest eine von ei­ nem druckführenden Teil, beispielsweise der Sauglei­ tung (2′) und/oder der Druckleitung (2′′) der Kraftstoff­ fördereinrichtung (2) und/oder der Einspritzleitung (8) ausgehende durch ein zweites Ventil (20b) steuerbare Ent­ lastungsleitung (16) einmündet.
4. Einspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (18) über eine Fördereinrich­ tung (19) absaugbar, vorzugsweise auf einen Druck von höchstens 1 bar, besonders vorzugsweise auf einen Druck von höchstens 0,9 bar evakuierbar ist.
5. Einspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (18) über die Fördereinrich­ tung (19) mit dem Niederdruckspeicher (3) verbunden ist.
6. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einspritzeinrichtung (9) und/oder die Kraftstoffördereinrichtung (2) über Kraftstoffrück­ führleitungen (10, 11), in welchen vorzugsweise zumindest ein Rückschlagventil (24) angeordnet ist, mit dem Sammel­ behälter (18) verbunden ist.
7. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung (17) eine vom Hochdruckverteilerspeicher (14) ausgehende, über ein drit­ tes Ventil (20b) in den Niederdruckspeicher (3) mündende weitere Entlastungsleitung (16a) aufweist.
8. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung (17) Teil ei­ ner mit dem Niederdruckspeicher (3) verbundenen Druckrege­ leinheit (4) zur Einstellung eines über dem Dampfdruck des Flüssiggases liegenden konstanten Innendruckes, vorzugs­ weise etwa 6 bis 30 bar, ist.
9. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (18) eine Zufuhrleitung (25) für ein externes Regelgas, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, aufweist.
10. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckspeicher (3) durch ein flexibles Ausgleichselement (27) in einen Flüssigraum (3a) und einen Ausgleichsraum (3b) geteilt ist, in welchen eine Gaszufuhrleitung (28a) der Druckregeleinheit (28) einmün­ det.
11. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzsystem leckagefrei ausge­ führt ist.
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