DE19618791C1 - Brennstoffeinspritzsystem für Emulsionsbetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer Anzahl von durch eine Hochdruckpumpeinrichtung über einen gemeinsamen Vorspeicher mit Brennstoff versorgten Brennstoffeinspritzeinrichtungen, wobei der Motor wahlweise mit einem ersten Brennstoff oder einem zweiten Brennstoff, z. B. in Form einer Emulsion aus Brennstoff und einem gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoff, insbesondere Wasser betreibbar ist, wobei der Vorspeicher durch ein erstes langgestrecktes rohrförmiges Element gebildet ist, über dessen Länge verteilt eine Anzahl von Anschlußeinrichtungen vorgesehen sind, durch welche aus dem Inneren des rohrförmigen Elements unter Druck stehender Brennstoff den Brennstoffeinspritzeinrichtungen zuführbar ist.

Für die Zukunft ist zu erwarten, daß für den Betrieb von Dieselmotoren, insbesondere von Großdieselmotoren die Verwendung von Emulsionsbrennstoff zunehmend an Bedeutung gewinnt, um die Leistung zu steigern, um den spezifischen Brennstoffverbrauch im Hochleistungsbereich zu verringern, und um die Abgasemissionswerte, vor allem bei den Stickoxiden, zu vermindern. Unter einem Emulsionsbrennstoff wird ein Brennstoff verstanden, bei dem Brennstoff und ein gegenüber dem Brennstoff unlösbarer weiterer Stoff in einer Emulsion vorliegen, zum Beispiel eine Emulsion aus leichtem oder schwerem Dieselöl und Wasser, Dieselöl und Methanol o. ä., wobei insbesondere eine Emulsion aus leichtem oder schwerem Dieselöl und Wasser in Betracht kommt.

Beim Betrieb eines Dieselmotors mit einem Emulsionsbrennstoff ist es von wesentlicher Bedeutung, daß bei einer Laständerung des Motors eine schnelle Anpassung der Zu­ sammensetzung der Emulsion an die Lasterfordernisse des Motors erfolgt. Bei einem Betrieb des Motors bei mittlerer bis Vollast, d. h. zwischen 30% Last und Vollast erfolgt der Betrieb des Motors mit Emulsionsbrennstoff, wogegen ein Betrieb im Niedriglastbereich, d. h. unter 30% Last, oder im Leerlauf einen Betrieb mit reinem Brennstoff erforderlich macht. Da für den Startvorgang reiner Brennstoff erforderlich ist, müssen die Brennstoffein­ spritzeinrichtungen des Motors und der gemeinsame Vorspeicher beim Abstellvorgang mit reinem Brennstoff gefüllt werden. Weiterhin ist eine Füllung der Brennstoff­ einspritzeinrichtungen mit reinem Brennstoff erforderlich, um während längerer Stillstandszeit eine Korrosion im Bereich der Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu verhindern. Während des Betriebs des Motors macht ein Lastabwurf von höherer Last auf weniger als 30% Last eine schnelle Änderung der Brennstoffzusammensetzung von Emulsion auf reinen Brennstoff erforderlich, da andernfalls die Verbrennung erlöschen würde. Jedoch auch bei Erhöhung der Last ist es wünschenswert, die Brennstoffzusammensetzung möglichst schnell an die Erfordernisse des Lastzustandes anzupassen, um den Motor optimal betreiben zu können.

Bei einem Dieselmotor mit aus einem gemeinsamen Vorspeicher mit Brennstoff versorgten Brennstoffeinspritzeinrichtungen ist der gemeinsame Vorspeicher üblicherweise als ein langgestrecktes rohrförmiges Element ausgebildet, das sich über die Länge der Zylinderbank des Motors erstreckt und an dem über dessen Länge verteilt eine der Anzahl der Zylinder bzw. der Anzahl der versorgten Brennstoffeinspritzeinrichtungen entsprechende Anzahl von Anschlußeinrichtungen vorgesehen sind, durch welche aus dem Inneren des gemeinsamen Vorspeichers der unter Druck stehende Brennstoff den Brennstoffeinspritzeinrichtungen zuführbar ist.

Da herkömmlicherweise einem solchen rohrförmigen gemeinsamen Vorspeicher der unter Druck stehende Brennstoff über eine Rohrleitung von einem Ende her von der den Brennstoff fördernden Hochdruckpumpe zugeführt wird, wird bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung von Emulsionsbrennstoff auf reinen Brennstoff der dem Zulauf am nächsten liegende Zylinder sehr schnell mit reinem Brennstoff versorgt, während die weiter ab liegenden und insbesondere der letzte Zylinder der Zylinderbank noch längere Zeit mit Emulsionsbrennstoff mit noch großem Wasseranteil versorgt werden. Dies führt zu einer Verschlechterung oder gar einem Erlöschen der Verbrennung der in Strömungsrichtung des Brennstoffs hinteren Zylinder und damit zu einer unsymmetrischen Belastung des Motors, wodurch letztendlich ein Triebwerksschaden vorprogrammiert ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffeinspritzsystem anzugeben, bei dem eine schnelle Anpassung der Zusammensetzung der Emulsion an den Lastzustand des Motors möglich ist, wobei alle Brennstoffeinspritzeinrichtungen des Motors zu jeder Zeit mit gleichem Brennstoff versorgt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Brennstoffeinspritzsystem mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzeinrichtung ist es, daß durch die Anordnung des zweiten rohrförmigen Elements in dem ersten rohrförmigen Element des gemeinsamen Vorspeichers und die Zuführung des Brennstoffs von der Hochdruckpumpe durch das zweite, innenliegende rohrförmige Element Druckstöße von der Hochdruckpumpe abgebaut werden. Dies gilt insbesondere für Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen eine größere Anzahl von Öffnungen für den Austritt des Brennstoffs aus dem inneren rohrförmigen Element über dessen Länge verteilt sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemaßen Brennstoffeinspritzsystems ist es, daß durch das in dem ersten rohrförmigen Element angeordnete zweite rohrförmige Element aufgrund des verdrängten Volumens des inneren rohrförmigen Elements das gesamte Speichervolumen des gemeinsamen Vorspeichers vermindert wird, ohne daß sich dessen Fähigkeit zum Ausgleich von Druckstößen der Hochdruckpumpe wesentlich verschlechtert. Dies führt bei einem gleichbleibendem Strömungsdurchsatz zu einem schnelleren Austausch der verschiedenen Brennstoffarten gegeneinander.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in der Seitenansicht einen Teil der Zylinderbank eines Dieselmotors mit einem in der Längsrichtung geschnittenen gemeinsamen Vorspeicher zur Versorgung der Brennstoffeinspritzeinrichtungen des Dieselmotors; und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines gemeinsamen Vorspeichers zur Versorgung der Brennstoffeinspritzeinrichtung eines Dieselmotors nach dem Stand der Technik.

Zunächst sei anhand der Fig. 2 das bei einem Brennstoffeinspritzsystem für einen Dieselmotor mit einem herkömmlichen gemeinsamen Vorspeicher zur Versorgung der Brennstoffeinspritzeinrichtungen des Motors auftretende Problem erläutert. Der gemeinsame Vorspeicher besteht aus einem langgestreckten rohrförmigen Element 1, das einen kreisförmigen Querschnitt hat. Über die Länge des rohrförmigen Elements 1 sind eine Anzahl von Anschlußeinrichtungen 5 verteilt angeordnet, von denen in der Figur nur zwei dargestellt sind und von denen über Hochdruckleitungen 7 der in dem gemeinsamen Vorspeicher 1 vorgehaltene Brennstoff jeweils einer entsprechenden Anzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen des Dieselmotors zugeführt wird, die in der Figur nicht dargestellt sind. Zwischen dem Inneren des rohrförmigen Elements 1 und den Anschlußeinrichtungen 5 ist eine Verbindung durch jeweils eine Bohrung 6 im Mantel des rohrförmigen Elements 1 hergestellt. Der Brennstoff wird über eine Hochdruckleitung 3 von einer in der Figur nicht gezeigten Hochdruckpumpeinrichtung zu dem gemeinsamen Vorspeicher 1 zugeführt und in dessen Innerem unter Druck gesetzt. Der gemeinsame Vorspeicher 1 ist ein ölelastischer Speicher (Common Rail), der dazu dient eine entsprechende Menge von unter Druck stehendem Brennstoff zur Zuführung zu den Brennstoffeinspritzeinrichtungen vorzuhalten und durch den Druckstöße der Hochdruckpumpe und Drucksenken durch die Entnahme von Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzeinrichtungen ausgeglichen werden.

Der Brennstoffe der von der Hochdruckpumpe über den gemeinsamen Vorspeicher 1 zu den Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeführt wird, ist je nach der Lastanforderung des Dieselmotors wahlweise reiner Brennstoff, nämlich Dieselöl, oder eine Emulsion aus Dieselöl und einem Stoff, der gegenüber dem Dieselöl unlösbar ist, nämlich Wasser.

Bei einer Änderung der Lastanforderung des Dieselmotors ändert sich dementsprechend die Zusammensetzung des über die Hochdruckleitung 3 zugeführten Brennstoffs. Bei einem Übergang von einem Betrieb des Dieselmotors über 30% Last auf einen Betrieb mit geringerer Lastanforderung wird die zunächst über die Hochdruckleitung 3 in den gemeinsamen Vorspeicher 1 geförderte Emulsion E durch nachströmendes Dieselöl D ersetzt. Dabei wird der Zylinder zuerst mit reinem Dieselöl versorgt, dessen Brennstoffeinspritzeinrichtung von der Anschlußeinrichtung 5 mit Brennstoff versorgt wird, die an dem gemeinsamen Vorspeicher 1 dem Anschluß der Hochdruckleitung 3 am nächsten liegend angeordnet ist, also die in Fig. 2 links dargestellte Anschlußeinrichtung 5. Die von dem Anschluß der Hochdruckleitung 3 weiter entfernt liegenden Anschlußeinrichtungen 5 erhalten jedoch noch die vorher in dem gemeinsamen Vorspeicher 1 vorhandene Emulsion E, so daß der Zylinder, der von der Anschlußeinrichtung 5 mit Dieselöl versorgt wird, die an dem gemeinsamen Vorspeicher 1 am weitesten vom Anschluß der Hochdruckleitung 3 entfernt angeordnet ist, erst sehr viel später Dieselöl erhält. Bis dahin wird dieser letzte Zylinder der Zylinderbank noch mit Emulsion mit großem Wasseranteil versorgt. Da bei einem Betrieb mit Lastanforderungen deutlich unter 30% Last die Verbrennung in den noch mit Emulsionsbrennstoff versorgten Zylindern verlischt, tritt eine einseitige, unsymmetrische Belastung des Motors auf, wodurch ein vorzeitiger Schaden des Triebwerks vorprogrammiert ist, da sich der beschriebene Vorgang nämlich bei jedem Lastabwurf wiederholt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemaßen Brennstoffeinspritzsystems bedeutet das Bezugszeichen 1 wiederum einen gemeinsamen Vorspeicher in Form eines ersten langgestreckten rohrförmigen Elements 1. Auf diesem rohrförmigen Element 1 sind eine Anzahl von Anschlußeinrichtungen 5 vorgesehen, die über die Länge des rohrförmigen Elements 1 verteilt sind und mit dessen Innerem über jeweils eine Bohrung 6 in Verbindung stehen. Von den Anschlußeinrichtungen 5 wird (in der Figur nicht dargestellten) Brennstoffeinspritzeinrichtungen der Zylinder des Dieselmotors jeweils über eine Hochdruckleitung 7 unter Druck stehendes Dieselöl zugeführt.

Im Inneren des ersten langgestreckten rohrförmigen Elements 1 ist ein zweites rohrförmiges Element 2 angeordnet, an welches die von der (in der Figur nicht gezeigten) Hochdruckpumpe des Brennstoffeinspritzsystems kommende Hochdruckleitung 3 so angeschlossen ist, daß der Brennstoff von der Hochdruckleitung 3 in das Innere des zweiten rohrförmigen Elements 2 geführt wird, nicht jedoch von der Hochdruckleitung 3 direkt in den zwischen den beiden rohrförmigen Elementen 1, 2 befindlichen Zwischenraum. Sowohl das erste als auch das zweite rohrförmige Element 1, 2 haben jeweils einen kreisförmigen Querschnitt und sind koaxial zueinander angeordnet, so daß sich zwischen den beiden rohrförmigen Elementen 1, 2 ein ringförmiger Zwischenraum ergibt.

Das zweite rohrförmige Element 2 weist eine Anzahl von Öffnungen 4, 4′ zur Abgabe des über die Hochdruckleitung 3 in dessen Inneres geführten Dieselöls in das erste rohrförmige Element 1 bzw. in den zwischen den beiden rohrförmigen Elementen 1, 2 gebildeten Zwischenraum auf. Dabei sind die Öffnungen 4, 4′ bezüglich der Längsausdehnung des zweiten rohrförmigen Elements 2 so angeordnet und in den Öffnungsquerschnitten so abgestimmt, daß durch die Öffnungen 4, 4′ in das Innere des ersten rohrförmigen Elements eintretende Brennstoffieilchen (Dieselöl - bei Umschaltung der Brennstoffsorte von Emulsionsbrennstoff auf Dieselöl) die zu den am nächsten benachbarten Anschlußeinrichtungen 5 führenden Bohrungen 6 jeweils gleichzeitig oder wenigstens annähernd gleichzeitig erreichen. Für einen annähernd gleichzeitigen Kraftstoffwechsel an den Anschlußeinrichtungen 5 genügt es, wenn die zwischen benachbarten Anschlußeinrichtungen 5 liegenden Öffnungen 4 gleiche Öffnungsquerschnitte haben, und so angeordnet sind, daß sie sich an Stellen in der Mitte zwischen den benachbarten Anschlußeinrichtungen 5 befinden. Weiterhin jeweils zwischen der ersten bzw. letzten der Anschlußeinrichtungen 5 und dem benachbarten Ende des langgestreckten rohrförmigen Elements liegende Öffnungen 4′ sind so angeordnet, daß die über diese Öffnungen 4′ austretenden Strömungsteilchen die nächst benachbarte Anschlußeinrichtung gleichzeitig mit den Strömungsteilchen erreichen, die von der dieser Anschlußeinrichtung 5 am nächsten liegenden Öffnung 4 her kommen. Dabei wird von der Vorstellung ausgegangen, daß die verschiedenen Brennstoffsorten, wie in den Figuren dargestellt, Kraftstoffsäulen bilden und die verschiedenen Brennstoffe im wesentlichen also unvermischt bleiben. In gleichem Maße wie die Brennstoffsäulen des bisherigen Brennstoffs abnehmen, nehmen die Brennstoffsäulen des neuen Brennstoffs zu. Aufgrund des durch das Volumen des zweiten rohrförmigen Elements 2 verminderten Innenvolumens des rohrförmigen ersten Elements 1 erfolgt die Brennstoffänderung schneller als beim Stand der Technik. Obwohl der neue Brennstoff von einer Zulaufseite her in das rohrförmige zweite Element 2 einströmt, erreichen wegen des kleinen Innenvolumens des rohrförmigen zweiten Elements 2 die Brennstoffteilchen des nachruckenden Brennstoffs die Öffnungen 4, 4′ nahezu gleichzeitig. Eine wirklich gleichzeitige Änderung der Brennstoffsorte an allen Anschlußeinrichtungen 5 kann durch bezüglich der Längsausdehnung geeignete Anordnung der Öffnungen 4, 4′ und gegebenenfalls im Öffnungsquerschnitt unterschiedliche Öffnungen 4, 4′ erreicht werden. Die Anzahl der Öffnungen 4, 4′ und/oder die Öffnungsquerschnitte sind dafür so zu variieren, daß mit zunehmendem Abstand vom Anschluß der Hochdruckleitung 3 der auf gleichgroße Abschnitte des zweiten rohrförmigen Elements 2 bezogene, freigegebene Durchflußquerschnitt der Öffnungen 4, 4′ zunimmt. Für die angestrebte gleichzeitige Änderung der Brennstoffzusammensetzung an den Anschlußeinrichtungen 5, sind also Öffnungen und Öffnungsquerschnitte so verteilt bzw. ausgebildet, daß der im Common-Rail-Speicher vorgehaltene Brennstoff der anderen Brennstoffsorte gleichzeitig verbraucht ist. Der Durchflußquerschnitt kann durch eine entsprechende Anzahl von gleich großen Öffnungen oder entsprechend unterschiedliche Öffnungsquerschnitte erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird erreicht, daß bei einem Umschalten des Brennstoffs, beispielsweise von einer Versorgung mit Emulsionsbrennstoff E auf reinen Dieselbrennstoff D alle Anschlußeinrichtungen 5 und damit die Brennstoffeinspritzeinrichtungen aller Zylinder der Zylinderbank stets mit dem gleichen Brennstoff versorgt werden und die Änderung der Brennstoffzusammensetzung für alle Zylinder zur gleichen oder jedenfalls annähernd zur gleichen Zeit erfolgt. Auf diese Weise sind Schäden des Motors durch ungleichmäßige bzw. unsymmetrische Belastung aufgrund unterschiedlicher, den einzelnen Zylinder zugeführter Brennstoffe ausgeschlossen.

Claims (9)

1. Brennstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer Anzahl von durch eine Hochdruckpumpeinrichtung über einen gemeinsamen Vorspeicher mit Brennstoff versorgten Brennstoffeinspritzeinrichtungen, wobei der Motor wahlweise mit einem ersten Brennstoff oder einem zweiten Brennstoff, z. B. in Form einer Emulsion aus Brennstoff und einem gegenüber dem Brennstoff unlösbaren weiteren Stoff, insbesondere Wasser betreibbar ist, wobei der Vorspeicher durch ein erstes langgestrecktes rohrförmiges Element (1) gebildet ist, über dessen Länge verteilt eine Anzahl von Anschlußeinrichtungen (5) vorgesehen sind, durch welche aus dem Inneren des rohrförmigen Elements (1) unter Druck stehender Brennstoff den Brennstoffeinspritzeinrichtungen zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des ersten langgestreckten rohrförmigen Elements (1) ein zweites langgestrecktes rohrförmiges Element (2) angeordnet ist, welches mit der Hochdruckpumpeinrichtung verbunden ist, so daß der Brennstoff von der Hochdruckpumpeinrichtung dem Inneren des zweiten rohrförmigen Elements (2) zugeführt wird, und daß das zweite rohrförmige Element (2) mindestens eine Öffnung (4, 4′) zur Abgabe des Brennstoffs aus dem Inneren des zweiten rohrförmigen Elements (2) in das erste rohrförmige Element (1) aufweist.

2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Abstand vom Anschluß der Hochdruckleitung (3) der Abschnitte des zweiten rohrförmigen Elements (2) durch Variierung der Anzahl der Öffnungen (4, 4′) und /oder ihrer Öffnungsquerschnitte der auf gleichgroße Abschnitte bezogene freigegebene Durchflußquerschnitt zunimmt.

3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite rohrförmige Element (2) eine Anzahl von Öffnungen (4, 4′) aufweist, die bezüglich der Längsausdehnung des zweiten rohrförmigen Elements (2) so angeordnet und ausgebildet sind, daß nach Umschaltung der Brennstoffsorte von dem ersten auf den zweiten Brennstoff durch die Öffnungen (4, 4′) in das Innere des ersten rohrförmigen Elements (1) eintretende Brennstoffteilchen des zweiten Brennstoffs die Anschlußeinrichtungen (5) jeweils gleichzeitig erreichen.

4. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Öffnung (4, 4′) bezüglich der Längsausdehnung des zweiten rohrförmigen Elements (2) so angeordnet ist/sind, daß die Anschlußeinrichtungen (5) jeweils gleichweit von der/den Öffnung/Cn (4, 4′) entfernt sind.

5. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite rohrförmige Element (2) eine Anzahl von Öffnungen (4, 4′) aufweist, die bezüglich der Längsausdehnung des zweiten rohrförmigen Elements (2) so angeordnet sind, daß gleichzeitig durch die Öffnungen (4, 4′) in das Innere des ersten rohrförmigen Elements (1) eintretende Brennstoffieilchen die nächstbenachbarten Anschlußeinrichtungen (5) jeweils gleichzeitig erreichen.

6. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4) jeweils an Stellen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Anschlußeinrichtungen (5) angeordnet sind.

7. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Öffnungen (4′) vorgesehen sind, die jeweils zwischen der ersten bzw. letzten der Anzahl von Anschlußeinrichtungen (5) und dem nächstliegenden Ende des langgestreckten rohrförmigen Elements angeordnet sind.

8. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite rohrförmige Element (1, 2) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt hat, und daß die beiden rohrförmigen Elemente koaxial zueinander angeordnet sind.

9. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste rohrförmige Element (1) jeweilige, den Anschlußeinrichtungen (5) zugeordnete Bohrungen (6) aufweist, durch die der Brennstoff aus dem Inneren des ersten rohrförmigen Elements (1) an die Anschlußeinrichtungen (5) abgegeben wird.