DE19645243C2 - Druckspeicher-Einspritzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Schweröl betriebene Diesel- Brennkraftmaschinen, mit einer Hochdruckpumpe, die aus einem Saugraum Brennstoff in eine Druckspeicherleitung, an welcher Brennstoffinjektoren angeschlossen sind, fördert, wobei Schweröl aus einem Brennstofftank über eine mit einer Heizung zur Vorwärmung des Schweröls versehenen Brennstoffaufbereitungsanlage der Hochdruckpumpe zugeführt wird. Eine solche Einspritzvorrichtung ist in der EP 666 416 A1 offenbart.

Schweröl betriebene Brennkraftmaschinen zeichnen sich gegenüber mit Diesel betriebenen Brennkraftmaschinen durch geringere Betriebskosten aus, da Schweröl deutlich kostengünstiger als Diesel ist. So haben sich schwerölbetriebene Brennkraftmaschinen als Antriebsanlagen für Schiffe etabliert, da knapp 40% der Gesamtbetriebskosten einer Antriebsanlage auf den Kraft­ stoff entfallen. Aufgrund der problematischen Korrosions- und Viskositätseigenschaften von Schweröl, sind besondere Voraussetzungen seitens des Motors bzw. der Einspritzvorrichtung zu stellen. Vor allem soll ein reibungsloser Start, Stop und Betrieb mit minderwertigen Schwerölen für den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine gewährleistet sein. Insbesondere ist die Neigung des Schweröls zur Paraphinausscheidung zu berücksichtigen, wenn die Brennkraftma­ schine gestoppt werden soll und somit die Temperatur in der Einspritzvorrichtung absinkt.

Um den Motor auch nach längerer Ruhezeit, bei niedriger Temperatur wieder problemlos starten zu können, ist es bekannt, vor dem Stoppen des Motors auf Dieselbetrieb umzuschalten, so daß nach dem Stoppen der Maschine sich nur noch Diesel in den Leitungen und Komponenten der Brennstoffeinspritzvorrichtung befindet, welches unproblematischer hinsichtlich Viskosität und Paraphinausscheidung ist. Auch ist es aus der Literatur (Schiff und Hafen, Heft 3/1987, Seiten 30 bis 34) bekannt, Schweröl und Injektoren mittels einer separaten Thermalflüssigkeit aufzu­ heizen um der Paraphinbildung vorzubeugen. Beide Lösungen erfordern jedoch einen zusätzli­ chen apparativen Aufwand.

Aus der DE-PS 9 49 437 ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Diesel-Motoren bekannt, bei der zwischen einer Förderpumpe und einer Düsenkammer ein Umschaltorgan vorgesehen ist, das entwe­ der den Zutritt des vorgewärmten Brennstoffs zur Düsenkammer absperrt und gleichzeitig einen Rückführungsweg des Brennstoffs zum Tank freigibt oder umgekehrt. Hierdurch soll die Düsenkam­ mer in der Vorwärmphase des Brennstoffs von Druck entlastet werden. Das Umschaltorgan wird über ein Leitung gesteuert, die mit dem Brennstoffsystem nicht in Verbindung steht. Eine druckgesteuerte; selbsttätige Schaltung des Umschaltorgans ist nicht vorgesehen.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Brennstoffeinspritz-Vor­ richtung anzugeben, mit welcher bei möglichst geringem Bauaufwand ein störungsfreier Start und Betrieb einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Schweröl möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch Verwendung von vorgeheiztem Schweröl auf ein separates Heizmittel verzichtet werden kann, so daß Aufwendungen für separate Kreisläufe vermieden werden. Die Aufheizung des Schweröls erfolgt in einer Brennstoffaufbereitungs­ anlage, die beispielsweise über einen Wärmetauscher, der das Schweröl auf eine Temperatur aufheizt, bei welcher eine Paraphinausscheidung vermieden wird und eine ausreichende Visko­ sität des Schweröls vorliegt. Daher kann bei vergleichsweise niedrigem Druck das Schweröl mittels einer Niederdruck-Förderpumpe der einspritzseitigen Hochdruckpumpe bzw. dem mit der Pumpe in Verbindung stehenden Saugraum zugeführt werden. Zur Aufwärmung des Schweröls kann auf das motorseitige Kühlmittel zurückgegriffen werden, so daß keine zusätzli­ che Heizenergie für die Vorwärmung des Schweröls aufgebracht werden muß. Mittels eines in der Druckspeicherleitung installierten Überströmventils kann eine Zirkulation von erwärmten Schweröl in der Einspritzvorrichtung aufrechterhalten werden, so daß bis zum Starten der Brennkraftmaschine in den Komponenten der Einspritzvorrichtung erwärmtes und somit fließfä­ higes Schweröl vorliegt. Nur durch ein fließfähiges Schweröl kann gewährleistet werden, daß die Hochdruckpumpe und die Brennstoffinjektoren zuverlässig und im Rahmen ihrer optimalen Betriebsgrenzen arbeiten. Gleichzeitig besteht durch die Zirkulation die Möglichkeit, Hoch­ druckpumpe, Saugraum und Druckspeicherleitung zu entlüften und gleichzeitig zu befüllen, sollten diese Komponenten nach dem Stillstand der Maschine entleert worden sein.

Entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 wird in der Regel das Überströmventil am Ende der Druckspeicherleitung angeordnet, so daß die Pumpen bzw. injektorseitigen Anschlüsse beheizt werden und nicht durch Paraphinbildung verstopft werden können.

Um im Falle eines schadhaften Injektors Funktionsstörungen aufgrund übermäßigen Abflusses von Schweröl zu unterbinden, sind zwischen Druckspeicherleitung und den Injektoren Mengen­ begrenzungsventile zwischengeschaltet.

In einer Weiterbildung der Einspritzvorrichtung ist das Überströmventil gemäß den Merkmalen des Anspruches 5 als Überdruckventil ausgeführt, so daß bei Überschreiten eines Betriebs­ druckes die Speicherleitung druckentlastet wird. Durch Kombination des Überströmventils mit der Funktion eines Überdruckventils kann weiterer Bauaufwand eingespart werden sowie durch Wegfall eines zusätzlichen Ventils die Zuverlässigkeit der Gesamtanlage erhöht werden.

Für ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit ist es mittlerweile obligatorisch, Brennkraftmaschinen durch Anschluß an eine zumeist elektronisch ausgeführte Maschinensteuereinheit in ihrem Betriebsverhalten zu optimieren. Durch Einbindung des Überströmventils an die Maschinen­ steuereinheit kann die Betätigung des Überströmventils je nach Betriebszustand wie Start, Dau­ erbetrieb, Maschinenstop, Stillegung und Entlüftung zum richtigen Zeitpunkt automatisiert erfolgen.

In weiterer Fortbildung der Brennstoffeinspritzvorrichtung erfolgt nach den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 11 die Betätigung des Überströmventils durch ein hydraulisches Steuerfluid. Neben den Vorteilen hydraulisch betätigter Ventile wie Zuverlässigkeit, hohe Stellkräfte bei kompakter Bauweise kommt dem Steuerfluiddruck eine Sicherheitsfunktion zu. Liegt nämlich der erforderliche Steuerfluiddruck nicht am Überströmventil an, so wird die Druckspeicherlei­ tung nicht gesperrt, so daß ein Start der Brennkraftmaschine verhindert ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn bei gleichzeitiger Betätigung der Injektoren durch das Steuerfluid diese aufgrund zu geringen Steuerdruckes noch nicht funktionsfähig sind. Damit wird verhin­ dert, daß die Injektoren mit Hochdruck beaufschlagt werden bevor der für ihre Funktion erfor­ derliche Steuerdruck anliegt. Durch eine hydraulische Übersetzung, welche durch Abstimmung der vom Steuerfluid bzw. Brennstoffdruck beaufschlagten Druckflächen verwirklicht wird, kann der erforderliche Steuerfluiddruck erheblich geringer sein als der Brennstoffdruck in der Druck­ speicherleitung. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung seitens der Steuerhydraulik.

Als Alternative zur hydraulischen Betätigung des Überströmventils wird die elektromagnetische Betätigung vorgeschlagen, wobei dem Überströmventil ebenfalls eine Sicherheitsfunktion zu­ weisbar ist, in dem bei fehlender Magnetbestromung das Überströmventil in Offenstellung fährt. Hierdurch wird vermieden, daß bei gestörter Bestromung der hier ebenfalls elektromagnetisch betätigten Injektoren ein Anfahren der Brennkraftmaschine erfolgt, in dem die Druckspeicher­ leitung drucklos bleibt. Sobald das Überströmventil und damit auch die Injektoren unter Span­ nung stehen, kann die Druckspeicherleitung zum Start der Maschine geschlossen werden.

Da bauartbedingt eine Durchströmung der Hochdruckpumpe vom Saugraum durch den Pum­ penarbeitsraum bis zur Druckspeicherleitung nicht in jedem Fall möglich ist, weist die Hoch­ druckpumpe eine parallel geschaltete Saugraumüberströmleitung auf, welche unter Umgehung des Pumpenarbeitsraumes den Saugraum der Hochdruckpumpe mit der Druckspeicherleitung verbindet. Neben der direkten Beaufschlagung der Druckspeicherleitung mit aufgeheiztem Schweröl wird auch der Saugraum vom zirkulierenden Schweröl versorgt, so daß eine ausrei­ chende Beheizung der gesamten Pumpe durch den meist ringförmig in der Hochdruckpumpe verlaufenden Saugraum gewährleistet. Über ein in der Druckspeicherleitung angeordnetes Rück­ schlagventil wird sichergestellt, daß während des Starts und des Betriebs der Maschine der unter Hochdruck stehende Brennstoff nicht in der Saugraumüberströmleitung abfließen kann.

Für die Dosierung der Brennstoffmenge sowohl während des Betriebes der Brennkraftmaschine als auch im Aufheizbetrieb vor dem Start ist zwischen Hochdruckpumpe und der Brennstoffauf­ bereitungsanlage ein Brennstoffmengenregler zwischengeschaltet. Durch die Anordnung des Brennstoffmengenreglers im Zirkulationskreislauf wird dieser vom Schweröl mit aufgeheizt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Patentansprüche 14 und 17.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schema einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einer Brennstoffaufberei­ tungsanlage und

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Überströmventils der Brennstoffeinspritzvorrichtung.

Das Schema nach Fig. 1 zeigt eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 1 für eine nicht weiter darge­ stellte, nach dem Dieselprinzip arbeitende Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist für den Betrieb mit Schweröl ausgelegt, welches aus einem Brennstofftank 2 über eine Brennstoff­ aufbereitungsanlage 3 der Einspritzvorrichtung 1 zugeführt wird. Die Brennstoffaufbereitungs­ anlage 3 weist eine Niederdruck-Förderpumpe 4, einen Brennstofffilter 5, eine als Wärmetau­ scher ausgeführte Heizung 6 und ein Rückschlagventil 7 auf. Mit diesen Komponenten 4, 5, 6 und 7 führt die Aufbereitungsanlage 3 Schweröl mit einem Druck von mindestens 3 bar und mit einer Temperatur von etwa 160° der Hochdruckpumpe 8 der Einspritzvorrichtung 1 zu. Eine Dosierung des der Hochdruckpumpe 8 zugeführten Schweröls erfolgt über ein elektromagne­ tisch betätigtes Dosierventil 9, dessen Schließglied 10 von einer in Schließstellung wirkenden Feder 11 beaufschlagt wird. Die dosierte Brennstoffmenge wird sodann dem Saugraum 14 der als Kolbenpumpe ausgeführten Hochdruckpumpe 8 zugeführt. Aus dem ringförmig den Förder­ kolben 12 bzw. Pumenarbeitsraum 13 umgebende Saugraum 14 fließt Schweröl in den Pumpen­ arbeitsraum 13 um dann während des Betriebes der Brennkraftmaschine mit Hochdruck von bis zu 2000 bar in eine Druckspeicherleitung 15 gefördert zu werden. Um einen Druckabfall in der Druckspeicherleitung 15 während des Saughubes der Hochdruckpumpe 8 zu vermeiden, ist am Ausgang des Pumpenarbeitsraum 13 ein Rückschlagventil 7b vorgesehen. Um eine Zirkulation des Schweröls vor dem Start der Maschine bei jeder Ruhestellung des Kolbens 12 gewährleisten zu können, ist zur Hochdruckpumpe 8 eine Saugraumüberströmleitung 16 parallel geschaltet. Diese Überströmleitung 16 verbindet den Saugraum 14 mit der Druckspeicherleitung 15 unter Umgehung des Pumpenarbeitsraumes 13. Der Überströmleitung 16 ist ein weiteres Rück­ schlagventil 7c zwischengeschaltet, um einen Druckverlust oder Rückfließen aus der Druckspei­ cherleitung 15 zu unterbinden. Im Vergleich zum arbeitsraumseitigen Rückschlagventil 7b öffnet das Rückschlagventil 7c der Überströmleitung 16 bereits bei sehr viel geringerem Brenn­ stoffdruck in der Überströmleitung, so daß eine Zirkulation von aufgeheiztem Schweröl ermög­ licht wird.

Die stromabwärts der Hochdruckpumpe 8 angeschlossene Druckspeicherleitung 15, welche unter dem Begriff "Common Rail" bekannt ist, zeichnet sich durch einen internen Druckspeicher aus, der im Vergleich zum Volumen zu der übrigen, unter Hochdruck stehenden Leitungen ein deutlich größeres Speichervolumen aufweist. Stromabwärts des pumpenseitigen Anschlusses 17 zweigen mit etwa gleichmäßigem Abstand die Leitungen 18 zu den Injektoren 19 ab, die das Schweröl in die nicht weiter dargestellten Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Den Injektoren 19 ist jeweils ein Mengenbegrenzungsventil 20 vorgeschaltet, welches bei einer Leckage stromabwärts oder bei einem schadhaften Injektor 19 einen unbeabsichtigten Abfluß vom Brennstoff unterbindet um die übrigen noch funktionsfähigen Injektoren 19 betriebsbereit zu halten.

An dem dem pumpenseitigen Anschluß 17 gegenüberliegenden Ende der Druckspeicherleitung 15 ist ein Überströmventil 21 angeordnet, welches vor dem Startvorgang zum Aufheizen der Einspritzvorrichtung 1 und zum Befüllen der Druckspeicherleitung 15 die selbe öffnet. Aus­ trittsseitig wird das aus der Druckspeicherleitung 15 abfließende Schweröl dem Brennstofftank 2 zurückgeführt. Der pumpenseitige Anschluß 17 und das Überströmventil 21 schließen die Lei­ tungen 18 zu den Injektoren zwischen sich ein, so daß bei der Zirkulation von vorgeheiztem Schweröl die Druckspeicherleitung 15 in ihrer gesamten Länge gefüllt und aufgeheizt wird.

Das detailliert in Fig. 2 dargestellte Überströmventil 21 weist ein Ventilgehäuse 22 mit einem druckspeicherseitigen Brennstoffzufluß 23 und einem tankseitigen Brennstoffabfluß 24 auf. Das Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen Brennstoffzufluß 23 und -abfluß 24 erfolgt durch ein in einer Ventilkammer 25 beweglich geführtes Schließglied 26. Mit einer endseitig gelegenen Druckfläche 27b verschließt das Schließglied 26 den Brennstoffzulauf 23, so lange die Brennkraftmaschine im Betrieb ist. Somit kann sich der volle Druck in der Druckspeicherleitung 15 aufbauen. Das Schließglied 26 wird über eine zweite, vom Steuerfluiddruck beaufschlagte Druckfläche 27e Schließstellung gehalten, wobei das Verhältnis der wirksamen Druckflächen 27a, b wesentlich größer als 1 ist, so daß der erforderliche Steuerfluiddruck zum Schließen des Schließgliedes 26 deutlich geringer sein kann als der speicherseitige Druck, welcher bis zu 2000 bar beträgt. Zu dem wird das Schließglied 26 von einer Feder 11b in Öffnungsrichtung beauf­ schlagt, so daß bei Drucklosigkeit der Einspritzvorrichtung das Überströmventil 21 stets geöff­ net bleibt.

Zur Begrenzung des Überdrucks in der Druckspeicherleitung 15 ist ein daran angeschlossenes Überdruckventil 28 vorgesehen, welches bei Überschreiten eines bestimmten Grenzdruckes eine Verbindung von der Druckspeicherleitung 15 zum Brennstofftank 2 öffnet. Bei entsprechender Abstimmung der Druckflächen 27a und 27b des Überströmventils 21 kann diese Sicherheits­ funktion in das Überströmventil 21 integriert werden, so daß auf ein separates Ventil verzichtet werden kann.

Claims (17)

1. Brennstoffeinspritzvorrichtung für schwerölbetriebene Diesel-Brennkraftmaschinen, mit einer Hochdruckpumpe (8), die aus einem Saugraum (14) Brennstoff in eine Druckspeicherleitung (15), an welcher Brennstoffinjektoren (19) angeschlossen sind, fördert, wobei Schweröl aus einem Brennstofftank (2) über eine mit einer Heizung (6) zur Vorwärmung des Schweröls versehenen Brennstoffaufbereitungsanlage (3) der Hochdruckpumpe (8) zugeführt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß eine zur Hochdruckpumpe (8) parallel geschaltete, mit einem Rückschlagventil (7b) ver­ sehene Saugraumüberströmleitung (16) zum Befüllen der Druckspeicherleitung (15) vorgesehen ist und die Druckspeicherleitung (15) austrittsseitig ein Überstromventil (21) aufweist, das zur Zir­ kulation von erwärmtem Schweröl durch die Druckspeicherleitung (15) während des Stillstands der Maschine öffnet und beim Start der Maschine druckgesteuert schließt.

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Über­ strömventil (21) einem Anschluß (17) der Druckspeicherleitung (15) zur Hochdruckpum­ pe (8) entfernt gelegen ist.

3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen einem Anschluß (17) der Druckspeicherleitung (15) zur Hochdruckpumpe (8) und dem Überströmventil (21) von der Druckspeicherleitung (15) Leitungen (18) zu den Injektoren (19) abzweigen.

4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Druckspeicherleitung (15) und den daran angeschlosse­ nen Injektoren (19) jeweils ein Mengenbegrenzungsventil (20) zwischengeschaltet ist.

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Überströmventil (21) als Überdruckventil ausgeführt ist, welches bei Überschreiten eines Betriebsdruckes in der Druckspeicherleitung (15) diese öffnet.

6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Überströmventil (21) an eine Maschinensteuereinheit angeschlos­ sen ist, welche die Betätigung des Überströmventils (21) steuert.

7. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Überströmventil (21) hydraulisch betätigt wird.

8. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Überströmventil (21) ein hydraulisch betätigtes Schließglied (26) aufweist, welches bei anliegendem Steuerfluiddruck (P_S) in Schließstellung beaufschlagt wird.

9. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Über­ strömventil eine das Schließglied (26) in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder (11b) aufweist, so daß bei Druckabfall im Steuerfluid das Schließglied (26) in Offenstellung fährt.

10. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließglied (26) eine vom Brennstoffdruck (P_E) der Druckspeicherleitung (15) be­ aufschlagte Schließfläche (27a) und eine vom Steuerfluid beaufschlagte Druckfläche (27b) aufweist, wobei die Schließfläche (27a) kleiner ist als die Druckfläche (27b), so daß in Abstimmung mit der Federkonstante der Ventilfeder (11b) der für die Betätigung des Schließgliedes (26) erforderliche Steuerfluiddruck geringer als der Brennstoffdruck ist.

11. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerfluid auch die Injektoren (19) betätigt.

12. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Überströmventil (21) und die Injektoren (19) elektromagnetisch betätigt werden.

13. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei feh­ lender Magnetbestromung das Überströmventil (21) in Offenstellung fährt.

14. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Überströmventil (21) abströmseitig eine Leitungsverbindung (24) zum Brennstofftank aufweist.

15. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Saugraum (14) ein Ventil (9) zur Dosierung der Brennstoffmenge vorgeschaltet ist, die im Überströmbetrieb die Durchflußmenge steuert.

16. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge im Überströmbetrieb in Abhängigkeit von der Brennstoffviskosität und/oder -temperatur erfolgt.

17. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosierventil (9) an eine Maschinensteuereinheit angeschlossen ist, welche die Betä­ tigung des Dosierventils (9) steuert.