DE19611434A1 - Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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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.
Applications Claiming Priority (3)
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