DE19823335C2 - Einspritzsystem für den Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen - Google Patents

Description

Die fossilen Energievorräte sind endlich und ihre Verbrennung in einer erd­ geschichtlich sehr kurzen Zeitspanne wirft zudem große Probleme für die Umwelt, besonders für Atmosphäre und Klima auf. Deshalb müssen Alternati­ ven zu den bisher üblichen Benzin- und Dieseltreibstoffen gefunden werden.

Eine solche Alternative für selbstzündende Brennkraftmaschinen stellt z. B. Pflanzenöl als nachwachsender Energieträger dar. Ein wesentliches Problem bei der motorischen Verbrennung von Pflanzenöl besteht darin, dass es im Vergleich zum Dieselkraftstoff dickflüssiger ist und schlechter verdampft. Dies kann besonders beim Start und bei kaltem Motor zu schlechtem Startverhal­ ten durch unvollständige Verbrennung und damit zu unerwünschten Emissio­ nen und schädlichen Motorablagerungen führen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile durch Anpassung der Motorkomponenten an den Pflanzenölkraftstoff zu vermeiden. Als eine Lösung dafür ist der sogenannte Elsbett-Motor bekannt geworden. Darunter versteht man einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung mittels Einstrahlzapfendüse und Kolben aus wärmedichtem Material anstelle des üb­ lichen Aluminiums und Wegfall der Außenkühlung durch Luft oder Wasser. Diese Technik ist nur mit erheblichem Aufwand in heutige Serienfahrzeuge nachträglich zu installieren und bedeutet in der Regel den Austausch des kompletten Motors. Sie kommt daher für eine einfache und preiswerte Umrüs­ tung der bereits auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge nicht in Frage. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lösung für die große Pa­ lette der bereits existierenden Motoren zu finden, wobei die Modifikationen nur in Form einer einfachen Nachrüstung bestehen sollen, um das Ziel, den Betrieb des Motors mit Pflanzenöl zu erreichen.

Es sind Lösungen bekannt, die den Motor in der Kaltlaufphase und beim Start mit Dieselkraftstoff versorgen und dann beim Erreichen der erforderlichen Temperatur umschalten auf den alternativen Kraftstoff. Um sicherzustellen, dass bereits beim Start Dieselkraftstoff im Einspritzsystem vorhanden ist, muss vor dem Abstellen das gesamte System mit Dieselkraftstoff gespült werden. Das bedeutet, dass der Start-Kraftstoff relativ lange Wege zurückle­ gen und große Volumina auffüllen muss, ehe er an der Einspritzdüse an­ kommt. Die Nachteile dieser Methode liegen neben den langen Wartezeiten auch darin, dass erhebliche Mengen von Dieselkraftstoff verbraucht werden, der primär nicht für den Einsatz vorgesehen ist. Unter Umständen kommt da­ durch im Kurzstreckenbetrieb überhaupt kein alternativer Kraftstoff zum Ein­ satz. Man benötigt zudem einen relativ großen Zweittank und das Umschalt­ system nebst dessen Steuerung ist aufwendig.

Eine andere Lösung ist in der Europäischen Patentschrift 0 316 331 B1 ge­ zeigt. Hier wird der Start-Kraftstoff sehr nahe an der Einspritzstelle, nämlich durch den Anschluss an den Leckölraum des Düsenhalters dem Hochdruck­ teil zugeführt, wobei ein Ventilsystem dafür sorgt, dass der Leckölraum ent­ lastet wird. Dieses System eignet sich allerdings nicht für eine Standardlö­ sung zur Nachrüstung von Motoren. Bei der heutigen Typenvielfalt der exis­ tierenden Düsenhalter, müssten für jeden Motortyp speziell angepasste Dü­ senhalter zum Einsatz kommen.

Diese Nachteile gelten auch für die Patentschrift DE 39 28 611 A1, durch die zwar ein zweites Fluid in den Hochdruckteil eingemischt werden kann, was jedoch ebenfalls einen aufwendigen Spezialdüsenhalter erfordert.

Auch in der Patentschrift DE 196 50 559 C1 ist die Zuführung eines zweiten Fluids in die Hochdruckleitung gezeigt, jedoch bezieht sich die Erfindung auf eine Methode der innigen Mischung beider Flüssigkeiten. Da ein Rück­ schlagventil an der Mischstelle nicht vorhanden ist, eignet sich die Vorrich­ tung nur für eine Hochdruckzuführung über einen Druckspeicher, jedoch nicht für eine oszillierende Förderung durch die klassischen Einspritzelemente, wie sie jedoch bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Anordnung erreicht wer­ den soll. Außerdem lässt sich durch das gezeigte Einschraubgewinde eine exakte Position des Zweitanschlusses nicht gewährleisten und der durch die Mischdüse verbrauchte Bauraum ist so groß, dass in der Praxis in vielen Fäl­ len eine einfache Nachrüstung ohne größere Änderungen an den Motorbau­ teilen nicht möglich sein wird.

In der deutschen Patentschrift DE 969 853 B ist nun eine Möglichkeit be­ schrieben, wie die Zuführung unterschiedlicher Kraftstoffe ohne Veränderung des Originaldüsenhalters erfolgen kann, indem in den ursprünglichen An­ schluss für nur eine Leitung ein gegabeltes Anschlussstück für zwei Leitun­ gen eingeschraubt ist, wobei jeder dieser Anschlüsse ein Rückschlagventil aufweist. Hieraus ergeben sich jedoch für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe mehrere Nachteile: Die wegen der andersartigen Aufgabenstellung gewollt spitzwinklige Zusammenführung der Leitungen führt zu unnötig gro­ ßer Baulänge, die in den meisten Fällen Platzprobleme beim Einbau und die Veränderung der Anschlussleitungs-Form und -Länge nach sich zieht. Eben­ so ist bei dem gezeigten Einschraubgewinde eine bestimmte Position der An­ schlussstellen eher zufällig; die muss aber zur Vermeidung individueller Ein­ spritzleitungen in der Serie gewährleistet sein. Ferner weist dieses An­ schlussstück für beide Zuführungsleitungen je ein Rückschlagventil auf, was deshalb erforderlich ist, weil über beide Leitungen mittels zwei unterschied­ lich großen Einspritzpumpen Kraftstoff mit so hohem Druck gefördert wird, dass jede für sich die Düse zu öffnen vermag. Dies stellt jedoch für den erfin­ dungsgemäßen Zweck eine unnötige Komplikation dar, wo nur eine einzige Hochdruck-Zuführung vorhanden ist, welche den Einspritzvorgang der Düse auslöst. Ein Rückschlagventil im Anschlussstück ist deshalb nur für den Zu­ satzkraftstoff erforderlich, nicht jedoch für den Primärkraftstoffanschluss.

Die Patentschrift US 3 308 794 A führt einem einschraubbaren Anschluss­ stück einen Sekundärkraftstoff über ein elektrisch gesteuertes Umschaltventil zu, wobei der Primärkraftstoff nicht nur über die Einspritzpumpe, sondern auch über das selbe Umschaltventil und über einen weiteren Anschluss ein­ gemischt werden soll. Dies entspricht ebenfalls nicht der erfindungsgemäßen Aufgabe und es gelten die bereits vorgenannten Nachteile, insbesondere was den Einbauraum und die Positionssicherheit der Anschlussstellen betrifft.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für den Betrieb mit un­ terschiedlichen Kraftstoffen für selbstzündende Brennkraftkraftmaschinen, die mit Einspritzpumpe und Einspritzdüsen sowie diese verbindende Hochdruck­ leitungen ausgerüstet sind und besteht in einer nachrüstbaren Vorrichtung zum Betreiben von Dieselbrennkraftmaschinen mit schwer verdampfbaren und/oder dickflüssigen Ölen oder Fetten, wobei die Vorrichtung als Adapter zur Anbringung an herkömmliche Düsenhalter ausgebildet ist und damit bei nahezu allen selbstzündenden Motoren angewendet werden kann. Das An­ schlussgewinde für die Hochdruckleitung mit dazugehörigem Dichtkonus ist bei allen Düsenhaltern genormt; deshalb passt ein Adapter, der an dieser Stelle befestigt wird, bei praktisch allen Motoren. Die dadurch verursachte Verlängerung des Düsenhalters ist so gering, dass es in den meisten Fällen nicht nötig ist, die Einspritzleitung zu kürzen. Der Zweitkraftstoff wird mittels einer Pumpe über einen frei positionierbaren Anschluss am Adapter der Düse zugeführt, ein Eingriff am Leckölsystem ist nicht erforderlich. Eine zweckent­ sprechende Ansteuerung der Zusatzkraftstoffpumpe kann dafür sorgen, dass z. B. unmittelbar vor dem Abstellen Zweitkraftstoff in die Düsen gespült wird, ebenso bei Start und Kaltlauf.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt einen Einspritzdüsenhalter (3), an dessen Anschlussgewinde für die Hochdruckleitung ein Adapter (1) befestigt ist. Die Abdichtung zwischen den Teilen erfolgt durch einen Doppelkonus (2). Durch den Adapter (1) wird der Anschluss (4) der Hochdruckleitung nur geringfügig verlängert. In An­ schluss (5) wird der Zusatzkraftstoff eingespeist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Adapters. Das Anschlussstück (8) ist in ei­ ne beliebige Lage drehbar auf dem Adapterkörper (6) gelagert und wird am oberen und unteren Ende durch die O-Ringe (9) und (11) abgedichtet. Axial ist es durch einen Sicherungsring (7) gehalten. Wenn über den Anschluss (5) und die Bohrung (16) Kraftstoff eingeleitet wird, so öffnet die Kugel (12) wenn der Druck die Kraft der Feder (13) übersteigt, solange, bis der während des Einspritzintervalls verursachte höhere Druck in Bohrung (18) die Kugel zu­ rückdrückt und die Bohrung (16) verschließt. Eine Schraube (10), die gewin­ deseitig einen Zapfen zur Führung der Druckfeder (13) und als Kugelan­ schlag aufweist, verschließt die Montageöffnung und ist durch einen Kupfer­ ring (17) abgedichtet. Das Mutterngewinde (15) entspricht dem Schrauben­ gewinde (14), so dass auch mehrere Adapter hintereinander angeordnet sein können.

Solange in der zwischen den Anschlüssen (14) und (15) liegenden Bohrung (18) der hohe Einspritzdruck herrscht, d. h. in der Einspritzphase, kann der an Anschluss (5) anstehende Zusatzkraftstoff die Kugel (12) nicht überdrücken. In den Einspritzpausen ist die Leitung jedoch entlastet und der Zusatzkraft­ stoff kann die Kugel (12) passieren und sich mit dem Primärkraftstoff mi­ schen. Das Mischungsverhältnis ist abhängig u. a. vom Entlastungsvolumen des Entlastungsventils, von der Art der Rückströmdrosselung, von Länge und Elastizität der Leitungen und vom Zulaufdruck, der jedoch nie so hoch ist, dass er die Düse öffnen kann. Besonders bei kleinen Fördermengen und niedriger Drehzahlen (Leerlauf) kann so auch das gesamte Volumen des ein­ zuspritzenden Primärkraftstoffes durch den Zusatzkraftstoff ersetzt werden. In diesem Fall muss die in die Leitung geförderte Zusatzkraftstoffmenge gleich oder größer sein, als die von der Einspritzpumpe geförderte Primärkraftstoff­ menge, die dann zwar noch den hydrostatischen Impuls auf die über ihr lie­ gende Zusatzkraftstoffsäule ausübt, sich aber selbst nicht in Richtung Dü­ senspitze bewegt.

In der Regel läuft der Motor nur mit dem Primärkraftstoff, z. B. Pflanzenöl. Ei­ ne Steuerung sorgt dafür, dass der Motor nach dem Abschalten (Zündschlüs­ sel drehen) noch für eine kurze Zeit nachläuft, in welcher auf den Zusatz­ kraftstoff umgeschaltet wird. In dieser Zeit wird das zwischen Adapter und Düsenspitze befindliche Kraftstoffvolumen ersetzt oder so gemischt, dass ein zündfähiger Kraftstoff in der Düse ist, wenn der Motor wieder kalt gestartet soll. Beim und nach dem Start wird der Zusatzkraftstoff noch so lange zuge­ führt, bis genügend Wärme zum Betrieb mit dem Primärkraftstoff vorhanden ist. Diese Steuerung kann so erweitert werden, dass die Zufuhr des Zusatz­ kraftstoffes von peripheren Parametern abhängig ist, z. B. Temperatur von Motor oder Kraftstoff, Leistung, Drehzahl oder Ladedruck. Zur Vermeidung von zu hoher Einspritzmenge (Schwarzrauch) kann z. B. mittels eines Lade­ druckschalters die Förderung unterbrochen werden. Beim Starten des war­ men Motors kann durch einen Temperaturfühler die Zufuhr des Zusatzkraft­ stoffes unterdrückt werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass nur ein ge­ ringer Teil an Zusatzkraftstoff verbraucht wird. Aller so in die Hochdrucklei­ tung geförderte Zusatzkraftstoff wird eingespritzt und wird deshalb nicht von der Kraftstoffvorförderpumpe erfasst, die einen großen Teil des Kraftstoffes umpumpt und zurück in den Haupttank fördert. Je näher die Einmündung des Zusatzkraftstoffes an der Düse liegt, um so kürzer können die Zufuhrzeiten sein. Die Montage direkt am Düsenhalter ist ideal, sie könnte jedoch auch am anderen Leitungsende, d. h. an der Einspritzpumpenseite liegen. Die Förde­ rung des Zusatzkraftstoffes kann durch eine handelsübliche elektrische För­ derpumpe erfolgen, Umschaltventile sind nicht erforderlich. Die Einspritzung funktioniert bei diesem System auch dann noch, wenn der Primärtank leer gefahren ist, vorausgesetzt die Fördermenge des Zusatzkraftstoffes reicht aus, um die Hochdruckleitung ganz zu füllen.

Claims (4)

1. Einspritzsystem zum Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen für selbst­ zündende Brennkraftkraftmaschinen, welche mit Einspritzdüsenhaltern be­ kannter Bauart für die Einbringung eines einzigen Kraftstoffes ausgerüstet sind, der über lösbare Leitungen zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Befestigungsstelle dieser Leitungen am Einspritzdü­ senhalter (3) und der Zuführungsleitung ein Adapter (1) angebracht ist, der einen zusätzlichen Anschluss (5) für die Einbringung eines weiteren Kraftstoffes aufweist und der für die Montage der Zuführleitung des Zusatzkraftstoffes in eine beliebige Stellung drehbar ist.

2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kraftstoff über ein im Adapter (1) eingebautes Rückschlagventil (10, 12, 13, 17) einbringbar ist, welches ein Rückströmen in die Anschlussleitung des Zusatzkraftstoffes während der düsenöffnenden Förderphase des primären Systems verhindert.

3. Einspritzsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (1) bei Standard Dieselmotoren ohne Veränderung von Originalteilen unmittelbar zwischen vorhandenem Düsenhalter (3) und vorhandener Hochdruckleitung anbringbar ist.

4. Einspritzsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbringung mehrerer un­ terschiedlicher Zusatzkraftstoffe mehrere Adapter (1) hintereinander anordenbar sind.