DE19650559C1

DE19650559C1 - Anschlußelement zum Einleiten von Brennstoff und einem zweiten Fluid in ein Einspritzventil

Info

Publication number: DE19650559C1
Application number: DE19650559A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Danckert; Walter Dorner; Torsten Guth; Werner Dipl Ing Remmels
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: FR2756871B1; FR2756871A1; IT1296816B1; GB2320060B; GB2320060A; ITMI972654A1; GB9725762D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Anschlußelement zum Einleiten von Brennstoff und einem zweiten, insbesondere im Brennstoff unlöslichen Fluid in den Brennstoff-Zulauf eines Einspritzventils eines Dieselmotors mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmalen.

Ein solches Anschlußelement ist aus der WO 88/01019 bekannt. Dort ist es vollständig im Düsenhalter des Einspritzventils integriert, der zusammen mit der Einspritzdüse das Brennstoff-Einspritzventil bildet. Der Anschluß für einen zweiten Brennstoff mündet unter einem Winkel in den im Düsenhalter ausgebildeten Abschnitt der Brennstoffzulaufbohrung zur Einspritzdüse. Neben umfangreichen Veränderungen des Düsenhalters erfordert dieses Anschlußelement zusätzlichen Bauraum für den radial am Düsenhalter angeordneten Anschluß der Versorgungsleitung für den zweiten Brennstoff. Je nach Einbaubedingungen einzelner Motoren sind bei dieser Einrichtung konstruktiv aufwendige Veränderungen am bestehenden Zylinderkopf und/oder der angrenzenden Versorgungssysteme erforderlich. Ein weiterer Nachteil des im Düsenhalter ausgebildeten Anschlusses besteht in dem bloßen Einleiten des zweiten Brennstoffes über den Öffnungsquerschnitt einer Bohrung in den Brennstoffzulauf. Damit wird zwar eine Einlagerung des zweiten Brennstoffs in die Hochdruckleitung während der Einspritzpausen erreicht, doch findet dabei auch eine Ladungsschichtung statt, die in den folgenden Hochdruckphasen schrittweise zur Einspritzöffnung gefördert wird. Eine motorbetriebsabhängige Versorgung der Einspritzdüse mit einer unabhängig von den zugemessenen Fluidmengen gleichmäßigen Vermischung von Brennstoff und dem zweiten Fluid über den Zulauf zur Einspritzdüse, ist nicht möglich.

Die DE-PS 9 69 853 offenbart ein vorzugsweise spitzkegeliges Anschlußelement, das in den Einspritzdüsenkörper eingeschraubt wird. Im Anschlußelement sind zwei Bohrungen ausgebildet, an die einerseits entsprechende Förderleitungen angeschlossen sind und die sich andererseits an einem Schnittpunkt stromabwärts unter einem spitzen Winkel einer axial angeordneten Hauptleitung vereinigen. Die Zuführungen für verschiedene Brennstoffarten zur Einspritzdüse sind dabei strömungsgerecht und möglichst verlustfrei ausgebildet. Eine optimale Vermischung der Brennstoffe ist auch hierdurch nicht gegeben.

Andererseits ist aus der DE 44 14 488 C1 ein Emulgiergerät bekannt, bei dem durch eine über den Umfang verteilte Einmündung von zweitem Fluid in eine Wirbelkammer eine gute Durchmischung mit der darin anwesenden Flüssigkeit bewirkt wird. Ein solches Emulgiergerät baut aufwendig und ist auf die Bildung einer Emulsion mit möglichst gleichbleibenden Anteilen der darin enthaltenen Fluide ausgelegt. Motorbetriebsbedingte Mischungsveränderungen sind bei einem solchen Gerät ebensowenig darzustellen, wie eine zylinderindividuelle Zu- bzw. Einleitung.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen motorbetriebsabhängig dosierten, großen Schwankungen unterliegenden Massenstrom eines zweiten Fluids auf vorrichtungsmäßig einfache und kostengünstige Weise, gleichbleibend gut vermischt mit dem Brennstoffzulauf, einer Einspritzdüse zuzuleiten.

Dieses Problem ist bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Anschlußelementes besteht in der Verlagerung der Einleitungsstelle von zweitem Fluid in den Brennstoffzulauf vor das Einspritzventil. Damit bleiben alle zur Einleitung erforderlichen Veränderungen auf das Anschlußelement beschränkt. Insbesondere werden umfangreiche Veränderungen an bestehenden Injektorkonzepten vermieden, da das Anschlußstück zwischen der Einspritzleitung und dem Düsenhalter des Einspritzventils angeordnet und mit letzterem verbunden ist. Damit ist der nachträgliche Einbau einer Zweitfluideinspritzung an bestehenden Motoren ohne wesentliche Veränderungen des bereits vorhandenen Brennstoffeinspritzsystems möglich.

Eine besonders kostengünstige Ausführungsform stellt ein Anschlußstück dar, dessen auslaufseitiger Endabschnitt komplementär zum zulaufseitigem Anschluß für das Anschlußstück der Brennstoff-Einspritzleitung ausgebildet ist und dadurch über den standardisierten Anschluß für die Kraftstoffeinspritzleitung mit dem Düsenhalter des Einspritzventils verbunden werden kann.

Durch die vorteilhafte Anordnung des Anschlußelements direkt vor das Brennstoff-Einspritzventil ist das der Einspritzdüse vorgelagerte Leitungsvolumen sehr klein. Damit ist sichergestellt, daß jeweils die für den momentanen Motorbetrieb von den Versorgungssystemen zugemessene optimale Brennstoffzusammensetzung ohne großen Vorlauf der Einspritzdüse vorgelagert ist. Plötzlich ändernde Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel bei Lastabwurf, können deshalb direkt über die Kraftstoffmenge und die geeignete Kraftstoffzusammensetzung ausgeregelt werden, und so Nachteile für den weiteren Motorbetrieb vermieden werden.

Da die optimale Brennstoffzusammensetzung nicht allein durch die Mengenverhältnisse von Brennstoff und zweitem Fluid bestimmt sind, sondern der Motorbetrieb wesentlich von der Güte des jeweils eingespritzten Brennstoffgemischs abhängt, sind im Anschlußelement Mittel ausgebildet, durch die der Zulauf für das zweite Fluid über den Umfang verteilt in den Flüssigkeitsdurchgang einmündet. Eine Einleitung von zweitem Fluid an gleichmäßig über dem Umfang verteilte Stellen und die damit erreichte Mengenverteilung, unterstützen in vorteilhafter Weise die strömungsmechanische Durchmischung durch Scherung des unter Hochdruck eingebrachten zweiten Fluids mit dem Brennstoffstrom, unabhängig von der einzuleitenden Menge an zweitem Fluid.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist für eine gleichmäßige Vermischung beider Fluide ein den Flüssigkeitsdurchgang umgebendes Ausgleichsvolumen vorgesehen, in das das vom Hochdruckversorgungssystem durch die Zuführleitung geförderte zweite Fluid mündet, und das über Düsenbohrungen mit dem Durchgang kommuniziert.

Besondere Bedeutung gewinnt hierbei wiederum die erfindungsgemäße Einbaulage direkt vor dem Düsenhalter, wenn Wasser in den Kraftstoff eingedüst und dadurch eine Emulsion beider Fluide genau dann gebildet wird, wenn die Einspritzung erfolgen soll. Das kleine Leitungsvolumen zwischen der Wassereinleitung und der Einspritzdüsenöffnung verhindert lokale Ansammlungen von großen Wassermengen während den Einspritzpausen in diesem Bereich, die einerseits zu Korrosion andererseits zu Betriebsstörungen führen könnten. Ferner ist die Restmenge an Emulsion stets durch den nachgeförderten Brennstoff druckbeaufschlagt, was einer Auftrennung der Emulsion in die Emulsionspartner entgegenwirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1, ein zwischen Kraftstoffleitung und Einspritzventil montiertes erfindungsgemäßes Anschlußstück im Längsschnitt;

Fig. 2, eine Halbschnittansicht eines Düseneinsatzes;

Fig. 3, eine projizierte Querschnittsansicht entlang des Verlauf III-III in Fig. 2;

Fig. 4, eine Teilansicht der Einzelheit IV in Fig. 1;

Fig. 5, eine Schnittansicht entlang des Schnittverlaufs V-V in Fig. 4.

In Fig. 1 sind eine Brennstoffeinspritzleitung 2 und eine Zuführleitung 3 für ein zweites Fluid, hier Wasser, erfindungsgemäß über ein Anschlußelement 4 mit einem Brennstoff-Einspritzventil 1 verbunden.

Das Anschlußelement 4 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut und weist als Strömungsdurchgang eine axiale Bohrung 5 mit einer Erweiterung 6 im einlaufseitigen Endabschnitt 7 auf. An die Erweiterung 6 schließt axial nach außen hin eine konische Sitzfläche 10 an, die den Übergang zu einem Innengewinde 9 und gemeinsam mit dieser einen Anschluß 8 bildet, in den ein Anschlußstück 21 der Brennstoff-Einspritzleitung 2 eingeschraubt ist. Über einen Teilbereich der axialen Länge der Erweiterung 6 ist eine Radialnut 11 ausgebildet. In dieser Radialnut 11 mündet eine zum Umfang des Anschlußelements 4 hin offene, mit einer kegeligen Sitzfläche 15 versehene Zulaufbohrung 13. Mit der kegeligen Sitzfläche 15 ist das Anschlußstück 17 der Zuführleitung 3 für zweites Fluid mit Hilfe eines Verbindungselements 16 axial verpreßt.

In der axialen Bohrung 5 des Anschlußelements 4 ist im Bereich der Erweiterung 6 auf axialer Länge der Radialnut 11 ein zylinderhülsenförmiger Düseneinsatz 18 koaxial eingesetzt und mittels der Stirnfläche des in den Anschluß 8 eingeschraubten Anschlußstückes 21 der Brennstoffeinspritzleitung 2 gegen eine Schulter 19 axial gekontert und damit in seiner Lage festgelegt.

Anderst als bei dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Düseneinsatz 18 auch mit radialem und achsialem Spiel in die Erweiterung 6 der achsialen Bohrung 5 eingesetzt sein, so daß dieses unter Wirkung des unter Hochdruck über die Zulaufbohrung 13 eingeleiteten Fluidstrahls in Rotation um die Längsachse der axialen Bohrung 5 versetzt wird.

Der Düseneinsatz 18 grenzt die Radialnut 11 gegenüber der axialen Bohrung 5 ab und trennt auf diese Weise ein die axiale Bohrung 5 ringförmig umgebendes als Ausgleichsvolumen wirkende Sammelvolumen 31 ab. Im Düseneinsatz 18 sind insgesamt vier von der Außenmantelfläche zur Innenmantelfläche führende Düsenbohrungen 20 gleichmäßig verteilt über den Umfang des Düseneinsatzes 18 ausgebildet, deren Eintrittsöffnungen 29 am Zylinderaußenmantel im Bereich der Radialnut 11 liegen und über Austrittsöffnungen 30, die tangential zur Querschnittsfläche 14 des Düseneinsatzes 18 (Fig. 3) unter einem spitzen Winkel α (Fig. 2) in die axiale Bohrung 5 einmünden.

In der Umfangswand der axialen Bohrung 5 sind, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, entsprechend der Anzahl an Düsenbohrungen 20, Längsnuten 22 ausgebildet. Die Düsenbohrungen 20 sind in einer Weise zu Austrittsöffnungen 30 auf der Zylinderinnenmantelfläche ausgerichtet, die eine Durchmischung des eingebrachten zweiten Fluids durch Scherung im Brennstoff-Zulauf stromabwärts der Austrittsöffnungen 30 der Düsenbohrungen 20 in der axialen Bohrung 5 intensivert. Durch eine fluchtende Anordnung der Düsenbohrungen 20 und der Längsnuten 22 wird neben einer Turbulenzerhöhung, das eingeleitete zweite Fluid zusätzlich über eine größere axiale Länge in den Kraftstoffstrom der axialen Bohrung 5 eingeleitet.

Das Anschlußelement 4 trägt an seinem auslaufseitigen Endabschnitt 24 ein Außengewinde 25, über das eine am Auslaufende ausgebildete kegelige Dichtfläche 26 axial gegen eine konische Sitzfläche 23 am Düsenhalter 27 des Brennstoff-Einspritzventils 1 gepreßt wird und wodurch ein Anschluß der axialen Bohrung 5 über eine Austrittsöffnung 12 an die Brennstoff-Zulaufbohrung 28 im Düsenhalter 27 des Einspritzventils 1 hergestellt ist. Die Öffnungsquerschnittsfläche der Austrittsbohrung 12 ist kleiner als die Querschnittsfläche 14 der axialen Bohrung 5.

Das Anschlußelement 4 arbeitet wie folgt: Ausgangspunkt der nachfolgenden Beschreibung ist ein Motorbetrieb mit Einspritzung von reinem Diesel-Brennstoff, der in bekannter Weise aus einem Brennstofftank 33 angesaugt und mittels einer Hochdruckpumpe 32 über einen Druckspeicher 34 unter Hochdruck gefördert wird und durch die Brennstoffeinspritzleitung 2, die axiale Bohrung 5 des Anschlußstücks 4, zu der Zulaufbohrung 28 des Einspritzventils 1 gelangt. Während der Einspritzpause, ist das Einspritzventil 1 geschlossen, so daß der sich in der Zuleitung 2, 5, 28 befindende Kraftstoff mit einem Staudruck beaufschlagt ist, der in etwa dem Systemdruck der Kraftstoff-Hochdruckpumpe entspricht.

Gleichzeitig wird Wasser als zweites Fluid von einem Hochdruckversorgungssystem 35 über die Zuführleitung 3 seitlich in das Anschlußelement 4 eingeleitet und gelangt durch die radiale Zulaufbohrung 13 in das Sammelvolumen 31, wo es über den gesamten Umfang des Düseneinsatzes 1 8 verteilt wird.

Bei geschlossenem Einspritzventil 1 verhindert ein Rückschlagventil in der Zuführleitung 3 für zweites Fluid, daß Dieselbrennstoff das Wasser aus dem Sammelvolumen 31 verdrängt.

Wird das Einspritzventil 1 während der Einspritzphase geöffnet, strömt Brennstoff unter dem Einspritzdruck durch die axiale Bohrung 5 in die Zulaufbohrung 28 im Düsenhalter 27 zur Einspritzdüse und von dort aus in den Brennraum des Dieselmotors. Bei entsprechender Abstimmung der Systemdrücke des Kraftstoffeinspritzsystems und des Versorgungssystems für zweites Fluid gelangt das dem jeweiligen Motorbetrieb entsprechend, in das Sammelvolumen 31 nachgeförderte Wasser durch die Düsenbohrungen 20 in die axiale Bohrung 5 und damit in den Brennstoffstrom. Aufgrund der Anordnung der Düsenbohrungen 20 wird das Wasser über den gesamten Umfang der axialen Bohrung 5 in den Brennstoffstrom eingedüst und intensiv mit diesem durchmischt.

Die symmetrische Anordnung der Düsenbohrungen 20 stellt einerseits das Einbringen von Wasser an symmetrisch über den Strömungsumfang verteilten Stellen sicher andererseits führt die Radialkomponente jedes eingedüsten Wasserstrahles jeweils zu einem Aufeinanderprallen der Wasserstrahlen in einem gedachten Punkt auf der Mittellängsachse der axialen Bohrung 5 und intensiviert dadurch die Mischturbulenzen. Die Axialkomponente der eingedüsten Wasserstrahlen verhindert ein allzu starkes Abbremsen des axial strömenden Kraftstoffes und vermindert so Pulsationen oder Schwingungen in der Zulaufleitung. Wien in Fig. 3 dargestellt, haben die eingedüsten Wasserstrahlen ebenfalls eine Tangentialkomponente, durch die die gesamte Ladung bzw. Brennstoffströmung in der axialen Bohrung 5 in eine Drehbewegung um die Längsachse versetzt wird. Speziell die Drehbewegung der Wasser/Brennstoff-Mischung im Bereich der axialen Bohrung 5 im Zusammenwirken mit den gleichmäßig über die Innenwandung der axialen Bohrung 5 verteilten Längsnuten 22 schaffen bei geeigneter Anordnung der Düsenbohrungen 20 in Umfangsrichtung relativ zu den Längsnuten 22 zusätzliche Scherungen der Strömung, die die Emulsionsbildung unterstützen.

Die durch die beschriebenen Radial-, Axial- und Umfangskomponenten der Wasserdüsenstrahlen in Turbulenz versetzte Mischströmung oder Emulsion in der axialen Bohrung 5 gelangt schließlich unter Wirkung der nachgeförderten Fluidströme durch die Austrittsöffnung 12 in die Zulaufbohrung 28 zur Einspritzdüse. Beim Übertritt der Brennstoff-Wasser-Emulsion von der axialen Bohrung 5 in die Zulaufbohrung 28 passiert sie die als Drosselstelle ausgebildete Auslaufbohrung 12. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der kleinen Querschnittsfläche der Austrittsbohrung 12 verbessern zusätzlich die Verteilung des Wassers bzw. Durchmischung des Wassers im Brennstoff, so daß schließlich eine homogene Emulsion hoher Güte zur Einspritzdüse gelangt.

Wird das Einspritzventil 1 geschlossen, sind während der Einspritzpause die Brennstoff-Einspritzleitung 2 und die axiale Bohrung 5 im Bereich des Düseneinsatzes 18 mit Brennstoff und die axiale Bohrung 5 stromabwärts des Düseneinsatzes 18 ebenso wie die Zulaufbohrung 28 im Einspritzventil 1 mit Brennstoff-Wasser-Emulsion gefüllt, die bei vorausgegangener Einspritzung gebildet worden war.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoff-Einspritzventil
2 Brennstoffeinspritzleitung
3 Zuführleitung für zweites Fluid
4 Anschlußelement
5 axiale Bohrung
6 Erweiterung
7 einlaufseitiger Endabschnitt
8 Anschluß
9 Innengewinde
10 Sitzfläche
11 Radialnut
12 Austrittsöffnung
13 Zulaufbohrung
14 Querschnittsfläche
15 Sitzfläche
16 Verbindungselement
17 Anschlußstück
18 Düseneinsatz
19 Schulter
20 Düsenbohrung
21 Anschlußstück
22 Längsnut
23 Sitzfläche
24 auslaufseitiger Endabschnitt
25 Außengewinde
26 kegelige Dichtfläche
27 Düsenhalter
28 Zulaufbohrung
29 Eintrittsöffnung
30 Austrittsöffnung
31 Sammelvolumen
32 Hochdruckpumpe
33 Brennstofftank
34 Druckspeicher
35 Hochdruckeinspritzsystem für zweites Fluid

Claims

1. Anschlußelement zum Einleiten von Brennstoff und einem zweiten, insbesondere im Brennstoff unlöslichen Fluid in den Brennstoff-Zulauf einer Einspritzdüse eines Dieselmotors, mit einem Anschluß für eine Brennstoffleitung und einem Anschluß für eine Versorgungseinrichtung für das zweite Fluid, einem zulaufseitig mit der Brennstoffleitung und auslaufseitig mit dem Brennstoff-Zulauf der von einer Hochdruckpumpe, insbesondere über einen Druckspeicher, mit Brennstoff versorgten Einspritzdüse dicht verbundenen Strömungsdurchgang sowie einem zwischen Einlauf und Auslauf in den Strömungsdurchgang einmündenden Zulauf für das zweite Fluid, wobei das Anschlußelement (4) einen auslaufseitigen Endabschnitt (24) ausbildet, der mit dem Düsenhalter (27) der Brennstoff-Einspritzdüse verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein im wesentlichen geradliniger Strömungsdurchgang (5) vorgesehen ist,
- daß getrennt vom Strömungsdurchgang (5) ein den Strömungsdurchgang (5) umgebendes Ausgleichsvolumen (31) ausgebildet ist, in das die Zulaufbohrung (13) für das zweite Fluid mündet, und
- daß über den Umfang des Strömungsdurchgangs (5) verteilt Düsenbohrungen (20) angeordnet sind, die unter einem spitzen Winkel α zu einer zur Strömungsrichtung im Strömungsdurchgang (5) koaxialen Achse das Ausgleichsvolumen (31) mit dem Strömungsdurchgang (5) verbinden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenbohrungen (20) symmetrisch über den Umfang verteilt in den Strömungsdurchgang (5) einmünden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenbohrungen (20) in einem Winkel (α) von 30° bis 60° vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenbohrungen (20) mit einer Tangentialskomponenten bezüglich des Umfangs des Strömungsdurchganges (5) in den Strömungsdurchgang (5) einmünden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (31) mittels eines Düseneinsatzes (18) gegenüber dem Strömungsdurchgang (5) getrennt ist, in dessen Wandungen Düsenbohrungen (20) ausgebildet sind, über die das Ausgleichsvolumen (31) mit dem Strömungsdurchgang (5) flüssigkeitsleitend verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Strömungsdurchgang (5) als Stufenbohrung mit im wesentlichen drei axial hintereinander angeordneten, zum einlaufseitigen Endabschnitt (7) hin größer werdenden Durchmesserbereichen ausgebildet ist, wobei im Bereich des zweiten Durchmesserbereichs eine umlaufende Radialnut (11) dargestellt ist, die in leitender Verbindung mit der Zulaufbohrung (13) für das zweite Fluid steht, und daß der zylinderhülsenförmige Düseneinsatz (18) koaxial im zweiten Durchmesserbereich eingesetzt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zulaufseitige Querschnittsfläche des Strömungsdurchgangs (5) größer ist als seine auslaufseitige Querschnittsfläche.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auslaufseitige Endabschnitt (24) komplementär zum zulaufseitigen Anschluß (8) für das Anschlußstück (21) der Brennstoff-Einspritzleitung (2) ausgebildet ist.