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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen neuen hydraulisch betätigten Doppelbrennstoffinjektor für einen
Verbrennungsmotor. Insbesondere bezieht sich die Anmeldung auf einen
hydraulisch betätigten Injektor
zum Einspritzen kontrollierter Mengen eines ersten Brennstoffs und
eines zweiten Brennstoffs in einen Diesel-Verbrennungsmotor zu verschiedenen Zeitenpunkten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Aufgrund
seiner leichten Verfügbarkeit,
geringen Kosten und seines Potentials zur Reduzierung von Teilchenemissionen
ist Erdgas ein vielversprechender Kandidat zur Versorgung von Dieselmotoren.
Verfahren, die zur Umrüstung
eines Dieselmotors (Motors mit Eigenzündung) zum Verbrauch von Erdgas
verwendet werden können,
fallen in drei Kategorien. Ein Verfahren ist die Umrüstung des
Motors zu einem stöchiometrischen
oder Fremdzündungsmotor
mit magerer Verbrennung. Als zweite Option kann der Motor zu einer
erdgasverwendenden „Doppelbrennstoff"-Technologie umgerüstet werden,
bei der das Erdgas mit der gesamten Einlaßluft oder mit einem Teil davon
vermischt und durch am Ende des Verdichtungshubs eingespritzten
Dieselbrennstoff gezündet
wird. Ein drittes Verfahren ist die Direkteinspritzung des Erdgasbrennstoffs
in die Brennkammer mit einer Zündquelle.
Das bevorzugte Verfahren nach der weiter unten folgenden Erörterung
ist das Direkteinspritzverfahren, weil es sich dabei um das einzige
Verfahren handelt, das die inhärenten
günstigen
Betriebseigenschaften und den hohen Wirkungsgrad von Dieselmotoren
bewahrt.
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(1) Versorgung von Dieselmotoren
mit Vormischung von Luft und Erdgas – Fremdzündung
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Ein
Dieselmotor kann zu Erdgas umgerüstet werden,
indem das Erdgas mit der Einlaßluft
eingespritzt und ein Eintreten des Gemisches in die Kammer durch
das Einlaßventil
gestattet wird. Das Gemisch, sei es stöchiometrisch oder mager, kann
dann unter Verwendung von Zündkerzen
in der Nähe
des oberen Totpunkts gezündet
werden. Zur Vermeidung einer Explosion des Gemischs muß das Verdichtungsverhältnis des
Motors verringert werden. Eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses
wird von einer Verminderung des Wirkungsgrads oder entsprechend
von einer Erhöhung
des Brennstoffverbrauchs begleitet. Um die Konzentration des Gemischs
unter allen Bedingungen aufrechtzuerhalten, muß des weiteren die Einlaßluft gedrosselt
werden, wodurch Pumpverluste und eine weiteren Erhöhung des
Brennstoffverbrauchs verursacht werden, was zur Aufrechterhaltung
einer gleichwertigen Leistung erforderlich ist. Diese Verluste sind
bei niedrigen oder Teillastniveaus besonders ausgeprägt, bei
denen es sich um die vorherrschenden Betriebsbedingungen von Kraftfahrzeugmotoren
handelt. In der Regel bietet die Umrüstung von Dieselmotoren zu
stöchiometrischer
oder magerer Verbrennung von Erdgas mit Zündkerzenzündung eine beträchtliche
Verminderung schädlicher
Emissionen, führt
aber auch zu einer Erhöhung
des Brennstoffverbrauchs.
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(2) Versorgung von Dieselmotoren
mit Vormischung von Luft und Erdgas – Vorzündung
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Bei
diesem Verfahren wird das Erdgas im allgemeinen in der Einilaßluft zugeführt und
tritt durch die Einlaßöffnungen
oder das Einlaßventil
in die Brennkammer ein. Das Gemisch wird in der Nähe des oberen
Totpunkts durch das Einspritzen von Pilotdieselbrennstoff gezündet. Es
gibt jedoch bei diesem Verfahren grundlegende Komplikationen:
- 1. Bei geringer Last und ungedrosseltem Dieselbetrieb
ist das Gasbrennstoff-Luft-Gemisch
zu mager für
eine zufriedenstellende Verbrennung. Der Brennstoffverbrauch erhöht sich
unter diesen Bedingungen, und die Kohlenwasserstoffemissionen erhöhen sich
ebenfalls. Um dieser Situation abzuhelfen, kann man:
- a. bei geringen Lasten zu Dieselbrennstoffbetrieb zurückkehren – bei einigen
Anwendungen, bei denen im wesentlichen Teillastbedingungen vorherrschen,
widerspricht diese Abhilfe dem Zweck des Brennstoffersatzes.
- b. die Einlaßluft
drosseln, was aufgrund der Gefahr eines Kompressorpumpens (obgleich
dies bei modernen elektronisch gesteuerten Abblasventilen vermeidbar
sein kann) kompliziert ist, wenn der Motor mit Turboladern ausgestattet
ist. In jedem Fall wird durch ein solches Drosseln ein inhärenter Vorteil
des Dieselbetriebs beseitigt.
- c. Zündung überspringen,
was darin besteht, die Zylinder nicht bei jedem Zyklus zu zünden, sondern
stattdessen bei jedem zweiten Zyklus. Dieses Verfahren gestattet
in der Regel keinen gleichmäßigen Motorbetrieb,
insbesondere bei 4-Zylinder-Motoren, und ist in der Regel für Leerlauf,
für den
ein reiner Dieselbetrieb erforderlich ist, zu instabil.
- 2. Da während
der Verdichtung ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch vorhanden
ist, besteht die Gefahr von Klopfen (einer unkontrollierten Verbrennung
des Gemisches) mit möglicher
Beschädigung
des Motors. Somit kann eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses
erforderlich sein. Wenn eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses
gewählt
wird, wird die Motorleistung beeinträchtigt. Wenn das Verdichtungsverhältnis aufrechterhalten
wird, muß die
Menge an verwendetem Erdgas unter jeder Bedingung begrenzt werden,
so daß das
gebildete Gemisch nicht zum Klopfen neigt. Dies bedeutet, daß mehr Dieselbrennstoff
verwendet werden muß,
um Fällen
mit hoher Last zu genügen.
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Dieses
Vorzündungsverfahren
und das zuvor erörterte
Zündkerzenzündungsverfahren
sind für Zweitaktmotoren
nicht gut geeignet, weil bei Zweitaktmotoren eine wesentliche Menge
an Einlaßladung
aus dem Auslaßventil
strömt
und verschwendet wird. Um diese Umgehung zu vermeiden und die Verbrennungseigenschaften
bei geringer Last zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, das Erdgas
direkt in die Brennkammer einzuspritzen, nachdem alle Ventile oder Öffnungen
geschlossen worden sind, jedoch immer noch bei einem relativ niedrigen
Druck. Dies führt
zu zusätzlichen
Schwierigkeiten, weil eine neue Einspritzsystemsteuerung benötigt wird,
Modifikationen am Kopf oder Block erforderlich sind und eine Dosierung
des gasförmigen
Brennstoffs und Gewährleistung
einer Schichtung schwierig sind.
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Soweit
bisher bekannt ist, hat sich dieses zweite Verfahren nur durch Halten
einer großen
Menge an Dieselbrennstoff zum Ausgleich der obigen Probleme als
in der Lage erwiesen, den Wirkungsgrad über einen großen Last-
und Geschwindigkeitsbereich aufrechtzuerhalten.
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(3) Direkteinspritzung
von Erdgas in Dieselmotorzylinder
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Der
große
Vorteil von Direkteinspritzung von Brennstoff in die Motorzylinder
bei Dieselbetrieb besteht darin, daß dadurch eine effiziente und
stabile Verbrennung über
den gesamten Lastbereich gestattet wird. Dies liegt daran, daß die Verbrennung
in lokalen Bereichen auftritt, in denen das Brennstoff-Luft-Verhältnis innerhalb
der vorgeschriebenen Entzündbarkeitsgrenzen
liegt. Erdgas ist gegenüber Dieselbrennstoff
insofern vorteilhaft, als es nicht in mikrometergroße Tröpfchen zerstäubt werden
muß und
somit keine sehr hohen Einspritzdrücke erfordert. Zur Dieseleinspritzung
sind für
den effizientesten Betrieb Drücke
bis zu 1000 atm erforderlich. Für Erdgas
sind Drücke
von 200 atm zufriedenstellend. Die Hauptschwierigkeit bei der Direkteinspritzung von
Erdgas besteht darin, daß das
Gas im Gegensatz zu Diesel in dem typischen Temperatur- und Druckbereich
eines Dieselmotors nicht selbstzündend
ist. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, muß eine andere
Zündquelle
vorgesehen werden. Beispiele für
Zündquellen
sind eine geringe Menge an selbstzündendem Pilotdieselbrennstoff
der mit dem Erdgas oder getrennt davon eingespritzt wird, Glühkerzen
oder Heißflächen und
dergleichen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert,
die am Motor erforderlichen Modifikationen zu begrenzen. In dieser
Hinsicht ist eine Zündquelle,
die durch einen einzigen Injektor mit dem Erdgas oder einem anderen
gasförmigen
Brennstoff eingespritzt werden kann, von Vorteil.
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Betrachtung
des Stands der Technik
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Ein
erfolgreicher Betrieb von Dieselmotoren mit großer Bohrung unter Verwendung
von Direkteinspritzung von komprimiertem Erdgas ist in Nordamerika
demonstriert worden, wie in den folgenden Veröffentlichungen besprochen:
- 1. J. F. Wakenell, G. B. O'Neal,
and Q. A. Baker, "High Pressure
Late Cycle Direct Injection of Natural Gas in a Rail Medium Speed
Diesel Engine",
SAE Technical Paper 872041;
- 2. Willi, M. L., Richards, B. G., "Design and Development of a Direct Injected,
Glow Plug Ignition Assisted, Natural Gas Engine", ICE-Band 22, Heavy Duty Engines: A
look at the Future, ASME 1994; and
- 3. Meyers, D. P., Bourn G. D., Hedrick, J. C., Kubesh, J. T., "Evaluation of Six
Natural Gas Systems for LNG Locomotive Applications", SAE Technical Paper 972967.
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Meyers
et al. am Southwest Research Institute zeigten die Überlegenheit
der Direkteinspritzung von Erdgas gegenüber anderen Mitteln zur Versorgung
eines Lokomotivenmotors mit Erdgas. Die Direkteinspritzung von Erdgas
führte
zum besten thermischen Wirkungsgrad für die angestrebte Reduktion von
Stickoxidemissionen. Sie verwendeten zwei Injektoren zur Bewerkstelligung
der Injektion der beiden Brennstoffe. Der Gasinjektor war hydraulisch
betätigt
und elektronisch gesteuert und war unter einem Winkel in der Brennkammer
angebracht. Es wurde der ursprüngliche
Dieselbrennstoffinjektor verwendet, jedoch mit kleineren Löchern, um
die Menge an eingespritztem Dieselpilotbrennstoff zu reduzieren.
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Die
Arbeit von Wakenell et al., die am Southwest Research Institute
durchgeführt
wurde, betraf Direkteinspritzung von Erdgas in einen Zweitakt-Lokomotivendieselmotor
mit großer
Bohrung (8,5 Zoll). Das Erdgas wurde in flüssiger Form (LNG) gelagert
und dann auf hohe Drücke
von 5000 psi (340 atm) gepumpt. Es wurde mit weniger als 2% Pilotdieselbrennstoff
(98% Erdgas) volle Nennleistung erzielt, und der thermische Wirkungsgrad
war etwas geringer als bei 100%-Dieselbetrieb. Das Gasinjektorventil
ersetzte den Dieselinjektor, und ein kleiner Dieselinjektor war
im „Kontrollhahn"-Loch im Zylinderkopf
installiert. Der Gasinjektor war ein hydraulisch betätigter Gasinjektor,
wobei der Hochdruck durch eine unabhängige Hydraulikpumpe bereitgestellt
wurde.
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Willi
und Richards von Caterpillar zeigten die Möglichkeit der Verwendung von
Glühkerzen
zur Zündung
des direkt eingespritzten Erdgases in einem Dieselmotor. Die Ergebnisse
zeigten einen gleichen oder besseren thermischen Wirkungsgrad und
gleiche oder bessere Stickoxidemissionen sowie reduzierte partikelförmige Stoffe.
Der für
diese Anwendung verwendete Injektor ist ein modifizierter HEUI-Injektor
von Caterpillar (der der Gegenstand der SAE-Papers 930270 und 930271
und schlußfolgernd
der US-Patente 5,181,494 und 5,191,867 und 5,245,970 sowie 5,143,291
ist). Der nur für
Gaseinspritzung ausgeführte
Injektor enthält
einen Mechanismus zur Gestaltung der Einspritzrate der Gaseinspritzung.
Drucköl
wird von einer gemeinsamen Pumpe zugeführt und im Injektor ver stärkt. Es
scheint kein Mittel zum Einspritzen eines Pilot-, Zünd- oder Vorbrennstoffes
zu geben.
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Die
folgenden norwegischen Veröffentlichungen
offenbaren das Einspritzen von gasförmigem Brennstoff in Dieselmotoren:
- 1. Einang, P. M., Korea, S., Kvamsdal, R., Hansen, T., und Sarsten,
A., "High-Pressure,
Digitally Controlled Injection of Gaseous Fuel in a Diesel Engine,
with Special Reference to Boil-Off from LNG Tankers", Proceedings CIMAC
Konf., Juni 1983;
- 2. Einang, P. M, Engja, H., Vestergren, R., "Medium Speed 4-stroke Diesel Engine
Using High Pressure Gas Injection Technology", Proceedings CIMAC Konf., 1987.
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Einang
et al. [1983], in Norwegen führte
Versuche durch, die die Direkteinspritzung von Erdgas in einen Zweitakt-Schiffsdieselmotor
durch einen getrennten Gasinjektor betrafen, wobei der ursprüngliche
Dieselbrennstoffinjektor zur Vorzündung verwendet wurde. Bei
einem Erdgasanteil von 73% war der thermische Wirkungsgrad des mit
Erdgas versorgten Motors etwas besser als die Versorgung mit Diesel. Die
NOx-Emissionen waren um etwa 24% reduziert. Es wurden keine Einzelheiten
des Gasinektors angegeben. Die anschließende Arbeit [1987] betraf
die Direkteinspritzung von Erdgas mit Pilotdieselbrennstoff in einen
Viertaktmotor. Es wurde ein kombiniertes Gas/Öl-Einspritzventil verwendet,
aber es wurden in der Veröffentlichung
keine Einzelheiten über
den Injektor angegeben.
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In
Finnland ist die folgende Veröffentlichung von
Interesse:
- 1. Verstergren, R., "The Merits of the Gas-Diesel Engine", ASME ICE-Band 25–3, 1995.
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Doppelbrennstoffinjektoren
werden in der Erörterung
nicht einzeln aufgeführt,
erscheinen jedoch in mehreren Veröffentlichungen und Patenten,
wie später
besprochen.
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Aus
Japan und Dänemark
sind die folgenden Veröffentlichungen
von Interesse:
- 1. Miyake, M., Endo, Y., Biwa, T., Mizuhara,
S., Grone, O., Pedersen, P. S., "Recent
Development of Gas Injection Diesel Engines", CIMAC Conf., Warschau, 1987;
- 2. Biwa, T., Beppu, O., Pedersen, P. S., Grone, O., Schnohr,
O., Fogh, M., "Development
of the 28132 Gas Injection Engine", MAN B&W;
- 3. Miyake, M., Biwa, T., Endoh, Y., Shimotsu, M., Murakami,
S., Komoda, T., "The
Development of High Output, Highly Efficient Gas Burning Diesel
Engines", 15. CIMAC
Konferenz, Paris, 1983, Proceedings, Band A2, S. 1193–1216;
- 4. Fukuda, T., Komoda, T., Furushima, K., Yanagihara, M., Ito,
Y., "Development
of the Highly Efficient Gas Injection Diesel Engine with Glow Plug
Ignition Assist for Cogeneration Systems", JSME-ASME Internationale Konferenz über Elektroenergietechnik, ICOPE-93.
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Die
japanische Arbeit von Miyake et al. (Mitsui Engineering and Shipb.
Co.) zeigte gute Ergebnisse mit äquivalentem
Motorwirkungsgrad bei 85% Motorlast unter Verwendung von 5% Pilotdieselbrennstoff
in einem großen
Dieselmotor (420 mm Bohrung). Es wurden zwei Einspritzsysteme präsentiert;
bei dem ersten handelt es sich um die Verwendung von 2 getrennten
Injektoren. In diesem Fall wird eine Gasinjektorausführung besprochen,
die auf einem hydraulisch betätigten
Nadelventil beruht. Die Quelle für
die hydraulische Betätigung
ist eine motorbetriebene Stellpumpe. Des weiteren wird eine Einzelinjektorausführung, die
sowohl den Pilotdieselbrennstoff als auch das Erdgas einspritzen
kann, präsentiert.
Der Injektor wird auch durch eine externe Druckölquelle betätigt und basiert auf konzentrischen Nadeln.
Die Ausführung
ist auch nicht gut für
kleinere Dieselmotoren geeignet, da sich die Nadelsitze nicht an
der Spitze des Injektors befinden. Dies bedeutet, daß eine große Brennstoffmenge
im Injektor verbleibt und spät
im Verbrennungshub eingespritzt werden kann. Diese Situation ist
bei einem Motor mit hohem Brennstoffverbrauch nicht von großer Bedeutung, führt aber
bei einem kleineren Motor, der von Leerlauf- auf Nenndrehzahl betrieben
wird, zu erhöhten Schadstoffemissionen
und Wirkungsgradverlust.
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Die
gleichen japanischen Autoren präsentierten
im Jahre 1987 weitere Verfeinerungen und Versuche. Es wurde ein
neuer kombinierter Injektor präsentiert,
der auf zwei getrennten, stromaufwärts der Injektorspitze angeordneten
Nadelventi len basierte, von denen eines den Pilotdieselbrennstoff
und eines das Erdgas steuerte. Wie oben erwähnt, ist die Ausführung aufgrund
der zwischen dem Nadelventil und der Injektorspitze eingeschlossenen
Brennstoffmenge, was zu später
Einspritzung führt,
nicht gut für kleinere
Motoren geeignet. Des weiteren ist die Bereitstellung einer feinen
Zerstäubung
des Pilotdieselbrennstoffs mit einem von der Spitze entfernt angeordneten
Nadelventil schwierig.
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Das
Mitsui Engineering-Team testete auch ein System, das Direkteinspritzung
von Erdgas nur mit Glühkerzenzündung verwendete.
In diesem Fall wurde ein Gaseinspritzventil verwendet, aber das Schemadiagramm
zeigt nur wenige Informationen über
das Nadelventil, das durch von einer externen Pumpe zugeführtes Hochdrucköl betätigt wird.
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Die
Arbeit des japanischen und dänischen Teams
an dem 28/32-Motor (MAN B&W
Diesel und Mitsui) zeigte auch einen Einzelinjektor, der sowohl Pilotdieselbrennstoff
als auch Erdgasbrennstoff bewältigen
kann. Dieses Mal basierte die Ausführung auf zwei getrennten Nadelventilen
stromaufwärts
der Düse.
Die Ausführung
enthielt Hochdrucköl
als Mittel zur Abdichtung des Hochdruckerdgases. Der 28/32-Motor
ist ein Motor mit relativ großer
Bohrung (280 mm), der bei Generatoren und Schiffsanwendungen zum
Einsatz kommt. Das Betätigungsöl wurde
auch durch eine unabhängige
Pumpe zugeführt. Die
Injektorausführung
enthält
ein Nadelventil weit stromaufwärts
der Düse,
das sich nicht für
kleinere Motoren eignet, wie oben erläutert.
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Injektoren
zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors
sind seit vielen Jahren bekannt. Mehrere Patente offenbaren Brennstoffinjektoren:
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Die
US-PS 4,543,930 , Baker,
offenbart einen Motor, der einen Hauptbrennstoffinjektor und einen Pilotbrennstoffinjektor
enthält.
Bei dem Pilot- und Hauptbrennstoff kann es sich um den gleichen Brennstoff
handeln. Der Pilotinjektor spritzt in Abhängigkeit von der eingespritzten
Pilotbrennstoffmenge, der Cetanzahl des Brennstoffs und der Geschwindigkeit
und der Last zu verschiedenen Zeitpunkten fünf bis fünfzehn Prozent des Gesamtbrennstoffs
ein. Der Pilotbrennstoffinjektor ist zur Mittellinie des Dieselzylinders
und in einem Winkel zum oberen Ende des Kolbens ausgerichtet. Damit
werden die Zylinderwände vermieden.
Es ist eine Schichtung des früh eingespritzten
Pilotbrennstoffs erforderlich, um die Brennstoff-Luft-Mischrate
zu reduzieren, Pilotbrennstoffverlust an Quetschzonen zu verhindern
und das Brennstoff-Luft-Gemisch daran zu hindern, zu brennstoffmager
zu werden, um effektiv zu werden. Der Pilotbrennstoffinjektor kann
ein einziges Loch zum Einspritzen des Brennstoffs enthalten und
ist in einem Winkel von ca. 48 Grad unter dem Kopf des Zylinders ausgerichtet.
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Die
US-PS 4,416,229 , Wood, offenbart
ein System, mit dem Dieselbrennstoff dem Hohlraum eines Injektors
an einer in der Nähe
des Ventilsitzes liegenden Stelle zugeführt wird. Alternativer Brennstoff wird
dem Hohlraum des Injektors zugeführt.
Der Dieselbrennstoff wird mit einem relativ niedrigen Druck zugeführt, der
das Ventilglied nicht in eine geöffnete Stellung
bewegt. Der alternative Brennstoff wird mit einem relativ hohen
Druck zugeführt,
der dazu ausreicht, das Ventilglied in Abständen kurz vor der Bewegung
des Kolbens des Zylinders der Kammer, in die der Brennstoff während seines
Verdichtungshubs in hoher Mittelstellung eingespritzt wird, in die
geöffnete
Stellung zu bewegen. Die Brennstoffzufuhr verhindert den Rückfluß von Brennstoff
und hält
somit den Hohlraum mit Brennstoff gefüllt, außer wenn alternativer Brennstoff
durch die Zufuhr von Dieselbrennstoff im Hohlraum verschoben wird.
Ein Strahl beider Brennstoffe mit dem Dieselbrennstoff an seiner
Spitze wird in die Kammer eingespritzt, um zu ermöglichen,
daß der
Dieselbrennstoff durch die Verdichtung in der Kammer und der alternative
Brennstoff durch den Dieselbrennstoff gezündet wird.
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Die
US-PS 4,742,801 , Kelgard,
offenbart einen Doppelbrennstoffmotor, der rein mit Dieselbrennstoff
oder mit gasförmigem
Brennstoff und Voreinspritzung von Dieselbrennstoff betrieben wird.
Die Erfindung betrifft in erster Linie Doppelbrennstoffmotoren zur
Verwendung in Straßenfahrzeugen,
hat aber auch andere Anwendungen. Des weiteren sieht die Erfindung
die Verwendung der Wärme
vom Kühlwasser
der Motormäntel
zur Verdampfung eines Flüssigbrennstoffs
in einen gasförmigen
Zustand vor, der danach während
des Betriebs im Doppelbrennstoffzyklus direkt in die Zylinder des
Motors eingespritzt wird.
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Die
US-PS 5,067,467 , Hill et
al., offenbart eine neue Vorrichtung zum Verdichten und Einspritzen
von gasförmigem
Brennstoff von einer Versorgung mit gasförmigem Brennstoff mit variablem Druck
in eine Brennstoffaufnahmeeinrichtung. Der Verstärker-Injektor verdichtet gasförmigen Brennstoff und
spritzt ihn von einer Quelle mit variablem Druck in den Zylinder
eines Verdrängermotors
ein. Der Verstärker-Injektor
für gasförmige Brennstoffe
in einem Verbrennungsmotor umfaßt
eine Vorrichtung, die das Druckgas von der Kammer des Verbrennungsmotors oder
Druckfluid oder -gas von einem externen Verdichter zum Antrieb eines
Verstärkermittels
verwendet, das den Druck von dem Verbrennungsmotor zugeführten Brennstoffgas
zur schnellen Spätzykluseinspritzung
in den Zylinder des Verbrennungsmotors erhöht. Bei dieser Vorrichtung
werden gasförmiger
Brennstoff und flüssiger
Pilotbrennstoff miteinander vermischt und durch die gleichen Löcher eingespritzt.
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Die
US-PS 5,315,973 , Hill et
al., offenbart eine verwandte Vorrichtung zum Verdichten und Einspritzen
von gasförmigem
Brennstoff von einer Versorgung mit gasförmigem Brennstoff mit variablem Druck
in die Brennstoffaufnahmeeinrichtung. Der Verstärker-Injektor für gasförmige Brennstoffe
in einem Verbrennungsmotor umfasst einen Mechanismus, der das Druckgas
von einem externen Verdichter zum Antrieb eines Verstärkermittels
verwendet, der den Druck von dem Verbrennungsmotor zugeführtem Brennstoffgas
zwecks schneller Spätzykluseinspritzung
in den Zylinder des Verbrennungsmotors erhöht. Bei dieser Vorrichtung
werden gasförmiger
Brennstoff und flüssiger
Pilotbrennstoff miteinander vermischt und durch die gleichen Löcher eingespritzt.
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Die
US-PS 5,329,908 , Tarr et
al., offenbart einen verwandten Brennstoffinjektor, der einen Gasspeicher
mit einem Volumen aufweist, das mindestens das Zehnfa che der maximalen
Brennstoffmenge beträgt,
die dadurch einspritzbar sein müßte. Des weiteren
wird ein elektromagnetisch betätigtes
Tellerventil mit einer Endfläche,
die im Verbrennungszylinder mündet
und so geformt ist, daß es
einen Teil des in direkten Kontakt mit der Zündkerze eingespritzten Brennstoffs
ablenkt, offenbart. Bei einer ersten Ausführungsform steuert eine elektronische
Steuereinheit (ECU – electronic
control unit) unter Verwendung einer variablen Brennstoffversorgung
den Einspritzzeitpunkt zum Einspritzen des Druckgases in die jeweiligen
Zylinder, während
sich jeder Zylinderkolben seiner oberen Totpunktposition nähert, um
Wirkungsgrade ähnlich
Dieselmotoren zu erhalten, solange der Druckgasversorgungsdruck
ausreichend hoch ist. Wenn der Druckgasversorgungsdruck für einen hocheffizienten
Betrieb zu niedrig wird, ändert
die ECU die Betriebsweise, so daß Brennstoff in den Motor gespritzt
wird, wenn sich der Kolben in der Nähe seiner unteren Totpunktposition
befindet, so daß er vor
der Zündung
mit Luft vorgemischt werden kann, um Wirkungsgrade ähnlich Benzinmotoren
zu erzeugen.
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Baker
(
US-PS 4,543,930 ) und
Kelgard (
US-PS 4,742,801 )
verwenden zwei Injektoren. Wood (
US-PS
4,416,229 ), Hill et al. (
US-PS 5,067,467 )
und Hill et al. (
US-PS 5,315,973 )
spritzen die beiden Brennstoffe zusammen ein. Tarr et al. (
US-PS 5,329,908 ) verwendet
eine elektromagnetische Betätigung
eines Gasinjektors allein.
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Die
finnische Arbeit bei Wartsila Diesel International betrifft die
Verwendung von direkt eingespritztem Erdgas mit Pilotdieselbrennstoff
und zeigt das Potential der Technologie zur Verwendung von Erdgas,
während
die hohe Leistungsabgabe von Dieselmotoren beibehalten wird.
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Wartsila
Diesel International Oy mit Sitz in Finnland ist Inhaberin der folgenden
Patente und Patentanmeldungen, die Doppelbrennstoffinjektoren betreffen:
- 1. Europäische
Patentanmeldung 92305415.9, eingereicht am 12. Juni 1992, mit dem
Titel "Improved
Fuel Injection Valve Arrangement and Engine Using Such an Arrangement";
- 2. US-PS 5,199,398 ,
eingereicht am 8. Juni 1992, mit dem Titel "Fuel Injection Valve Arrangement";
- 3. EP0778410, eingereicht am 12. Juni 1996, mit dem Titel "Injection Valve Arrangement
for an Internal Combustion Engine";
- 4. EP0787900, eingereicht am 28. Januar 1997, mit dem Titel "Injection Valve Arrangement";
- 5. EP0718489, eingereicht am 12. Juni 1996, mit dem Titel "Injection Arrangement
for an Internal Combustion Engine"; und
- 6. US-PS 5,060,610 ,
eingereicht am 21. September 1990, mit dem Titel "Combustion Process
for Internal Combustion Engine Using Gaseous Fuel".
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Die
US-PS 5,199,398 , Nylund
und das europäische
Patent Nr. 0,520,659 A1, Nylund, offenbaren eine Brennstoffeinspritzventilanordnung
für sogenannte
Doppelbrennstoffmotoren unter Verwendung eines Pilotbrennstoffnadelventils
und eines axial beweglichen, im wesentlichen hohlen Ventilglieds,
das das Einspritzen eines gasförmigen
Brennstoffs gestattet. Die beiden Nadelventile sind getrennt steuerbar.
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Das
europäische
Patent Nr. 0,778,410, Nylund, offenbart eine Einspritzventilanordnung
für einen
Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Pilotnadelventils und mindestens
zweier Ventile zum Einspritzen des gasförmigen Brennstoffs. Die Pilotbrennstoffeinspritzung
wird außerhalb
des Injektors gesteuert, während
ein Hauptventil die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zur Betätigung der
Gaseinspritznadelventile steuert.
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Das
europäische
Patent Nr. 0,718,489 A1, Hellen, offenbart eine Einspritzanordnung
für einen Verbrennungsmotor
unter Verwendung eines Pilotnadelventils und eines getrennt steuerbaren
Ventils für das
Einspritzen eines anderen Mittels. Die Pilotbrennstoffeinspritzung
wird außerhalb
des Injektors gesteuert, während
ein Hauptventil die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zur Betätigung des
Einspritzventils des anderen Mittels steuert.
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Das
europäische
Patent Nr. 0,787,900, Jay und Prillwitz, offenbart eine Einspritzventilanordnung mit
zwei Einspritzventilen zum Einspritzen eines zusätzlichen Druckmittels in die
Brennkammer eines Verbrennungsmotors.
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Nylund
(
US-PS 5,199,398 ,
EP 0,520,659 A1 ,
EP 0,778,410 ), Hellen (
EP 0,718,489 A1 )
und Jay und Prillwitz (
EP 0,787,900 )
verwenden zwei verschiedene Fluidquellen zur Betätigung des gebräuchlichen
Flüssigbrennstoffs
und des zusätzlichen
Brennstoffs. Des weiteren erfolgt die Dosierung oder Zumessung des
Flüssig-
oder Pilotbrennstoffs außerhalb
anstatt innerhalb des Injektors.
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Die
US-PS 4,736,712 offenbart
einen selbstspülenden
Doppelbrennstoffinjektor, der nacheinander zwei Brennstoffe durch
die gleiche Reihe von Löchern
einspritzt. Da die gleiche Reihe von Löchern für beide Brennstoffe verwendet
wird, müssen
die Brennstoffe eine ähnliche
Dichte aufweisen, um eine sinnvolle Einspritzdauer aufrechtzuerhalten.
Die offenbarte Erfindung bespricht die Betätigung der verwendeten Nadel
nicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Doppelbrennstoffinjektor, der folgendes
aufweist: (a) einen Injektorkörper;
(b) eine Einlaßöffnung in
dem Injektorkörper,
um es einer unter Druck gesetzten Hydraulikflüssigkeit zu ermöglichen,
von einer Hydraulikflüssigkeitsquelle
in das Innere des Injektorkörpers
eingeleitet zu werden, wobei die Hydraulikflüssigkeit einen Druck leicht über dem
des gasförmigen
Brennstoffs aufweist, um ein Abdichten beizubehalten und eine Leckage
von Gas in die Hydraulikflüssigkeit
zu verhindern; (c) eine erste Einlaßöffnung in dem Injektorkörper, um
einem ersten Brennstoff zu ermöglichen,
in das Innere des Injektorkörpers
eingeleitet zu werden; (d) ein erstes Einspritzventil in dem Injektorkörper, das
an die erste Einlaßöffnung angeschlossen
ist, um die Einspritzung des ersten Brennstoffs aus dem Injektor
durch eine erste Ausstoßöffnung zu steuern;
(e) eine zweite Einlaßöffnung in
dem Injektorkörper,
um einem zweiten Brennstoff zu ermöglichen, in das Innere des
Injektorkörpers
eingeleitet zu werden; (f) ein zweites Einspritzventil in dem Injektorkörper, das
an die zweite Einlaßöffnung angeschlossen
ist, um die Einspritzung des zweiten Brennstoffs aus dem Injektor
durch eine zweite Ausstoßöffnung zu
steuern; (g) ein erstes Steuerventil, das bewirkt, daß die Hydraulikflüssigkeit
das erste Einspritzventil betätigt;
(h) ein zweites Steuerventil, das bewirkt, daß die Hydraulikflüssigkeit
das zweite Einspritzventil betätigt;
(i) eine Dosier- oder Meßeinrichtung
in dem Injektorkörper
zur Dosierung oder Messung der Menge des ersten Brennstoffs, der
durch das erste Einspritzventil eingespritzt wird; und (j) eine
Dich tung in dem Injektorkörper,
um eine Leckage des zweiten Brennstoffs in den ersten Brennstoff
zu verhindern.
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Der
erste Brennstoff des Injektors kann ein Pilotbrennstoff oder ein
Zünd- bzw.
Vorbrennstoff sein. Der zweite Brennstoff kann ein gasförmiger Hochdruckbrennstoff
sein. Das erste und das zweite Einspritzventil können Nadelventile sein. Bei
dem ersten Einspritzventil und dem zweiten Einspritzventil kann
es sich um Nadelventile handeln. Das erste Nadelventil kann die
Einspritzung des Pilotbrennstoffs oder Zünd- bzw. Vorbrennstoffs steuern,
und das zweite Nadelventil kann das erste Nadelventil konzentrisch
umfassen und die Einspritzung des zweiten gasförmigen Brennstoffs steuern.
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Das
erste Steuerventil kann elektronisch gesteuert und elektrisch betätigt werden.
Das zweite Steuerventil kann elektronisch gesteuert und mechanisch
oder elektrisch betätigt
werden. Die Dosier- bzw. Meßeinrichtung
kann ein Verstärker
sein. Die Dichtung kann eine Hydraulikflüssigkeit sein, die zwischen
dem ersten Brennstoff und dem zweiten Brennstoff oder in einem Hohlraum
zwischen dem zweiten Nadelventil und dem Injektorkörper angeordnet
sein kann.
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Das
erste Ventil kann durch einen ersten Elektromagneten gesteuert werden.
Das zweite Ventil kann durch einen zweiten Elektromagneten gesteuert
werden. Der Injektor kann einen Elektromagneten umfassen, der die
Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit
in den Verstärker
steuern kann, wobei der Verstärker
die Zufuhr von erstem Brennstoff in das erste Brennstoffeinspritzventil
steuern kann. Ein zweiter Elektromagnet kann die Zufuhr des zweiten
Brennstoffs in das zweite Brennstoffventil steuern. Der Injektor
kann ein Ein-Wege-Rückschlagventil
umfassen, das die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit von einem Hydraulikflüssigkeitseinlaß in den
Verstärker steuern
kann.
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Der
gasförmige
zweite Brennstoff kann durch Öffnungen
ausgestoßen
werden, die in der Spitze des Injektorkörpers angeordnet sind, und
der Pilotbrennstoff oder Zünd-
bzw. Vorbrennstoff kann durch Öffnungen
ausgestoßen
werden, die in der Spitze des Einspritznadelventils des gasförmigen Brennstoffs
angeordnet sind.
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Das
Steuerventil kann eine Feder aufweisen, die das Ventil vorspannt.
Das (durch den ersten Elektromagneten) gesteuerte erste Steuerventil
kann eine Feder aufweisen, die das erste Ventil vorspannt, und das
zweite Ventil, das durch den zweiten Elektromagneten gesteuert wird,
kann eine Feder aufweisen, die das zweite Ventil vorspannt. Die
Positionen des ersten und des zweiten Nadelventils können von einer
Feder vorgespannt werden.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffinjektor zum Einspritzen
zweier Brennstoffe in einen Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
(a) einen Injektorkörper,
der eine Fluideinlaßöffnung,
eine erste Brennstoffeinlaßöffnung,
eine zweite Brennstoffeinlaßöffnung,
eine Ablaßöffnung, erste
Brennstoffauslaßöffnungen
und zweite Brennstoffauslaßöffnungen
definiert; (b) ein erstes Brennstoffeinspritzventil, das mit der
ersten Brennstoffeinlaßöffnung in
Verbindung steht und so ausgeführt
ist, daß es
bei Anlegen von Druck von der Fluideinlaßöffnung eine erste Stellung
bewahrt und sich als Reaktion auf Ablassen von Druck durch die Ablaßöffnung bewegt;
(c) ein gezielt betätigbares
Ventil, das mit der Fluideinlaßöffnung und
der Ablaßöffnung in
Verbindung steht, um an das erste Brennstoffeinspritzventil angelegten
Druck abzulassen; (d) eine Dosier- und Messeinrichtung, die mit
dem ersten Brennstoffeinspritzventil in Verbindung steht und dazu
ausgeführt ist,
ersten Brennstoff durch die Fluidauslaßöffnungen zuzuführen; (e)
ein zweites Brennstoffeinspritzventil, das mit der zweiten Brennstoffeinlaßöffnung und
den zweiten Auslaßöffnungen
für den
gasförmigen Brennstoff
in Verbindung steht, wobei das zweite Brennstoffeinspritzventil
dazu ausgeführt
ist, bei Verringerung von Fluiddruck aus der Fluideinlaßöffnung eine
Verbindung von Brennstoff von der zweiten Brennstoffeinlaßöffnung zu
den zweiten Brennstoffauslaßöffnungen
zu ermöglichen
und bei Anlegen von Druck von der Fluideinlaßöffnung die Verbindung des zweiten
Brennstoffs von der zweiten Brennstoffeinlaßöffnung durch das zweite Brennstoffeinspritzventil
zu beenden; und (f) eine Dichtung, die eine Leckage zwischen dem
ersten Brennstoffkanal und dem zweiten Brennstoff verhindert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen, die besondere Ausführungsformen der Erfindung
darstellen, aber nicht als den Gedanken und den Schutzbereich der
Erfindung auf irgendeine Weise einschränkend betrachtet werden sollen,
zeigen:
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1 und 2 eine Vorder- und Seitenansicht des
Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors;
-
3, 4 und 5 eine
Detail-, Seiten bzw. Vorderschnittansicht einer ersten Ausführungsform
des Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den Schnittlinien
C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb gezeigt werden; bei
dieser Ausführungsform
des Injektors wird Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das
Ventil für
gasförmigen
Brennstoff geschlossen zu halten;
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6, 7 und 8 eine
Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer zweiten Ausführungsform
des Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den Schnittlinien
C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb gezeigt werden; wobei
diese Ausführungsform
des Injektors Hochdruckhydraulikflüssigkeit zum Öffnen des
Ventils für
den gasförmigen
Brennstoff verwendet;
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9, 10 und 11 eine
Detail-, Seite- bzw. Vorderschnittansicht einer dritten Ausführungsform des
Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den Schnittlinien
C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb gezeigt werden, wobei diese
Ausführungsform
des Injektors einen Injektor zeigt, bei dem sich der Pilotbrennstoff
von der Hydraulikflüssigkeit
unterscheidet;
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12 und 13 eine Vorder- und Seitenansicht eines
Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors;
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14, 15 und 16 eine
Detail-, Seiten- bzw. Vorderansicht einer ersten Ausführungsform
des Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den Schnittlinien
C-C, A-A und B-B, die in den 12 und 13 außerhalb gezeigt werden; wobei
diese Ausführungsform
des Injektors Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das
Ventil für
den gasförmigen Brennstoff
geschlossen zu halten, und einen Verstärker-Kolben, der als ein normalerweise
geschlossenes Ventil wirkt;
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17, 17 und 19 eine
Detail-, Seiten- bzw. Vorderansicht einer vierten Ausführungsform
des Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den Schnittlinien
C-C, A-A und B-B, die in den 12 und 13 außerhalb gezeigt werden; wobei
diese Ausführungsform
des Injektors Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das
Ventil für
den gasförmige
Brennstoff zu öffnen,
und einen Verstärker-Kolben,
der als ein normalerweise geschlossenes Ventil wirkt.
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Allgemeine
Beschreibung der Erfindung
-
Die
Erfindung ist ein Doppelbrennstoffinjektor für das sequentielle Einspritzen
eines Flüssigpilot-,
oder -zünd
oder -vorbrennstoffs und eines gasförmige Hochdruckhauptbrennstoffs
in einen Verbrennungsmotor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf einen Doppelbrennstoffinjektor, der durch Verwendung einer Konstanthochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle
(Common Rail) und eines oder zwei elektrisch betätigter elektronisch gesteuerter
Ventile betrieben wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Injektor aus folgenden Elementen:
- – einer
Einlaßöffnung für druckbeaufschlagte
Hydraulikflüssigkeit
von einer Konstantdruckquelle (Common Rail),
- – zwei
konzentrischen Nadelventilen, die sich in der Nähe der Spitze des Injektors
befinden und das Einspritzen zweier verschiedener Brennstoffe gestatten,
- – einem
elektronisch gesteuerten elektrisch betätigten Ventil, das es der Hydraulikflüssigkeit
gestattet, ein Pilotbrennstoffnadelventil zu betätigen,
- – einer
Dosier- oder Meßeinrichtung
für den
Pilotbrennstoff mit einem zugehörigen
Nachfüllmechanismus,
- – einem
hydraulisch oder elektrisch betätigten Ventil,
das es der Hydraulikflüssigkeit
gestattet, ein Nadelventil für
gasförmige
Brennstoff zu betätigen,
- – einer
Einlaßöffnung für gasförmigen Hochdruckbrennstoff
und
- – einer
Flüssigkeitsdichtung,
die das Lecken von gasförmigem
Hochdruckbrennstoff in die Betätigungshydraulikflüssigkeit
verhindert. Die Flüssigkeitsdichtung
ist die Hydraulikflüssigkeit
und begrenzt den Druck der Hydraulikflüssigkeit.
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Ein
neues Merkmal des Injektors ist die Kombination aus einem Flüssigbrennstoffdosier-
und -einspritzmechanismus und einem Dosier- und Einspritzsystem
für gasförmigen Brennstoff
im gleichen Injektor und die Verwendung der gleichen Druckhydraulikflüssigkeitsquelle.
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Es
können
mehrere Variationen des Injektors verwendet werden, wie zum Beispiel:
- – die
An und Weise, in der die Hydraulikflüssigkeit das Nadelventil für den gasförmigen Brennstoff betätigt,
- – die
An und Weise, wie der Pilotbrennstoff dosiert wird,
- – die
Verwendung eines sich von der Hydraulikflüssigkeit unterscheidenden Pilotbrennstoffs.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BESONDEREN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Nunmehr
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigen 1 und 2 eine
Vorder- und eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der
zwei elektrisch betätigte
elektronisch gesteuerte Ventile verwendet werden, eines zur Steuerung
des Einspritzens des Pilotbrennstoffs und eines zur Steuerung des
Einspritzens des gasförmigen
Hauptbrennstoffs. Insbesondere zeigt 1 eine
Vorderansicht des Äußeren des
Doppelbrennstoffinjektors 1 mit den Doppelelektromagneten 2 und 3 am
oberen Ende und den Löchern 4 für den gasförmigen Brennstoff
und den Löchern 5 für den Flüssigbrennstoff
am unteren Ende. 2 zeigt
eine Seitenansicht des Doppelbrennstoffinjektors 1 mit
dem Elektromagneten 2 am oberen Ende.
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3 bis 11 zeigen verschiedene Innenausführungsformen
des grundlegenden Injektors 1 mit den beiden elektrischen
Steuerventilen. Da das Äußere des
Injektors 1 nach der Darstellung in den 1 und 2 für die in
den 3 bis 11 dargestellten Innenausführungsformen
gleich bleibt, werden die 1 und 2 und zur Vermeidung von
Redundanz der Kürze
halber nicht wiederholt.
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Die
Innenausführung
für den
in den 1 und 2 dargestellten grundlegenden
Injektor 1 mit den beiden elektrischen Steuerventilen kann
eine von den drei Ausführungen
sein, die in der folgenden Besprechung unter Bezugnahme auf die 3 bis 11 als die Ausführungsformen 1(a), 1(b) und
1(c) dargestellt und besprochen werden.
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1(a) Doppelmagnetventil
für gasförmigen Brennstoff und
Pilotbrennstoffventilinjektor, der Hochdruckhydraulikflüssigkeit
verwendet, um das Nadelventil für den
gasförmigen
Brennstoff geschlossen zu halten
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Die 3, 4 und 5 zeigen
eine Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer ersten Ausführungsform
eines Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den
Schnittlinien C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb
gezeigt werden. Diese Ausführungsform
des Injektors verwendet eine Hochdruckhydraulikflüssigkeit,
um das Ventil für den
gasförmigen
Brennstoff geschlossen zu halten.
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Die 3, 4 und 5 zeigen
ausführlich
die Innenausführung
der Ausführungsform
1(a) des Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors 1.
Der Injektor 1 weist drei Hydraulikflüssigkeitseinlässe 6, 7 und 8,
zwei Ablaßöffnungen 9 und 10 und
einen Steuerelektromagneten 2 für gasförmigen Brennstoff und einen
Steuerelektromagneten 3 für Pilotbrennstoff am oberen
Ende auf. Der Injektor 1 enthält ein Steuerventil 11 für gasförmigen Brennstoff
und eine umgebende Steuerventilfeder 12 für gasförmigen Brennstoff,
die unter dem Steuerelektromagneten 2 für gasförmigen Brennstoff angeordnet
ist. Des weiteren enthält
der Injektor 1 ein Pilotbrennstoffsteuerventil 13 und
eine umgebende Steuerventilfeder 14 für den Pilotbrennstoff, die
unter dem Pilotbrennstoffsteuerelektromagnet 3 angeordnet
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform
handelt es sich bei den Ventilen 11 und 13 um
Drei-Wege-Ventile, und sie befinden sich normalerweise in einer
unteren, geöffneten
Stellung. Des weiteren enthält
der Injektor 1 einen Pilotbrennstoffverstärker 15,
der in den 3 und 4 dargestellt ist. Der Verstärker 15 ist
mit dem Pilotbrennstoffsteuerventil 14 verbunden und unter
diesem angeordnet.
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Wie
insbesondere in 3 zu
sehen, ist ein Rückschlagventil 30 dem
Verstärker 15 zugeordnet. Wie
in den 3 und 5 zu sehen, verbindet eine Öffnung 19 den
Hydraulikflüssigkeitseinlaß 6 über das Rückschlagventil 30 mit
dem Verstärker 15.
Der Injektor 1 weist in seiner Mitte ein langes, vertikales
Pilotbrennstoffnadelventil 16 auf, das an seinem oberen
Ende eine Nadelventilfeder 18 aufweist. Des weiteren weist
er ein langes, vertikales Nadelventil 17 für gasförmigen Brennstoff
auf, das das Nadelventil 16 umgibt und eine konzentrische
Nadelanordnung bereitstellt. Eine Reihe von Einspritzlöchern 4 für gasförmigen Brennstoff
am unteren Ende des Injektors 1 und von Pilotbrennstoffeinspritzlöchern 5 sind
am unteren Ende des Nadelventils 17 ausgebildet. Diese Löcher 4 und 5 befinden
sich am unteren Ende des Injektors 1 und ermöglichen
ein Einspritzen des gasförmigen
Brennstoffs und des Pilotbrennstoffs in die Brennkammer eines Motors
(nicht gezeigt).
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Unter
dem Steuerventil 11 für
den gasförmigen
Brennstoff und der Feder 12 und über dem Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff
befindet sich ein Hydraulikflüssigkeitshohlraum 20.
Der Pilotbrennstoffnadelventilanschlag 21, der von der
Nadelventilfeder 18 umschlossen wird, befindet sich über dem
Pilotbrennstoffnadelventil 16. Der Hohlraum 20 steht
mit der Hydraulikflüssigkeitseinlaßöffnung 8 in Verbindung.
Ein Hohlraum 2 für
den gasförmigen Brennstoff
befindet sich im unteren Bereich des Injektors 1 und umgibt
den unteren Teil des Nadelventils 17 für den gasförmigen Brennstoff. Gasförmiger Brennstoff
wird durch den Einlaß 23 dem
Hohlraum 22 zugeführt.
Differenzdrücke
im Injektor 1 und insbesondere zwischen dem Hauptkörper des
Injektors 1 und dem Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff
werden durch Hydrauliköl
im Hohlraum 24 abgedichtet, wie am besten in den 4 und 5 zu sehen.
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Betrieb der Doppelbrennstoffinjektorausführungsform
1(a)
-
Durch
eine motorbetriebene Pumpe auf ein konstantes Niveau druckbeaufschlagte
Hydraulikflüssigkeit
(Common-Rail-System) wird durch die Öffnungen 6, 7 und 8 in
den Injektor 1 eingeleitet (siehe 4 und 5).
Die druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit füllt den Hohlraum 20 und
füllt den
Pilotbrennstoffdosierbereich über
und unter dem Verstärker 15 durch
die Öffnungen 7 und 19 und
durch das Füllrückschlagventil 30 (siehe 3). Die durch den Einlaß 6 eingeleitete
druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit
wird auch als Dichtungsfluid im Hohlraum 24 verwendet,
der das Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff umgibt. Da
die Hydraulikflüssigkeit sowohl
zur Abdichtung als auch zur Betätigung
verwendet wird, muß sie
auf einen Druck beaufschlagt werden, der etwas größer ist
als der Druck des gasförmigen
Hauptbrennstoffs im Hohlraum 22, um die Leckage von gasförmigen Brennstoff
in die Betätigungshydraulikflüssigkeit
um das Nadelventil 17 für den
gasförmigen
Brennstoff herum zu verhindern (siehe 4).
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Vor
der Brennstoffeinspritzung werden der Steuerelektromagnet 2 für den gasförmigen Brennstoff
und der Pilotbrennstoffsteuerelektromagnet 3 (siehe 4) aberregt. Das Steuerventil 11 für den gasförmigen Brennstoff
bzw. das Steuerventil 13 für den Pilotbrennstoff unter
den beiden Elektromagneten 2 und 3 werden durch
jeweilige Schraubenfedern 12 und 14 in ihrer unteren
Stellung gehalten. Die mit Druck beaufschlagte Hydraulikflüssigkeit
im Hohlraum 20, die durch Öffnung 8 zugeführt worden
ist, hält
das innere Pilotbrennstoffnadelventil 16 und das äußere Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff
in einer geschlossenen Abwärtsstellung.
Die Nadelventilschraubenfeder 18 trägt auch dazu bei, das Pilotbrennstoffnadelventil
in einer geschlossenen Stellung zu halten. Die Differenz in dem
Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Verstärkers 15 hält diesen
in seiner unteren Stellung.
-
Die
Dosierung von Pilotbrennstoff in den Injektor 1 erfolgt
wie folgt auf eine von zwei Weisen. Bei beiden Methoden wird zuerst
der Pilotbrennstoffelektromagnet 3 erregt, der dadurch
das Pilotbrennstoffsteuerventil 13 in seine obere Stellung
bewegt. Bei Erregung des Pilotbrennstoffelektromagneten 3 trennt
das Ventil 13 den Hohlraum 25 von der Versorgung
mit Hochdruckhydraulikflüssigkeit
und verbindet den Hohlraum 25 über dem Verstärker 15 mit dem Ablaßauslaß 9.
Bei Verbindung mit dem Ablaßauslaß 9 fällt der
Druck über
dem Verstärker 15 auf ein
Ablaßdruckniveau,
das weitaus niedriger ist als der Druck in der Haupthydraulikflüssigkeit.
Da der Druck unter dem Verstärker 15 auf
Haupthydraulikdruck bleibt, während
der Druck über
dem Verstärker 15 auf
Ablaßdruck
fällt,
wird der Verstärker 15 nach oben
gedrückt.
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Bei
der ersten Methode der Dosierung des Pilotbrennstoffs wird der Elektromagnet 3 aberregt, wenn
die erforderliche Pilotbrennstoffmenge in den Raum 27 unter
dem Verstärker 15 eingeleitet
worden ist. Das Pilotbrennstoffsteuerventil 13 wird durch
die Pilotbrennstoffsteuerventilfeder 14 in die geschlossene
Stellung gedrückt
und es wird wieder Hydraulikdruck durch den Einlaß 7 (siehe 4) über den Verstärker 15 angelegt.
Dadurch wird eine Verstärkung des
Drucks unter dem Verstärker 15 bewirkt,
und somit schließt
die Öffnung 26 das
Rückschlagventil 30. Nach
Aberregung des Elektromagneten 3 beginnt sofort das Einspritzen
von Pilotbrennstoff, wie unten beschrieben, so daß der Pilotbrennstoffdosierschritt
unmittelbar vor dem erforderlichen Einspritzen in die Brennkammer
erfolgen muß.
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Bei
der zweiten Methode des Dosierens des Pilotbrennstoffs steigt der
Verstärker 15,
bis er das obere Ende des Hohlraums 25 erreicht, statt
den Anstieg zu unterbrechen, wie bei der ersten Methode. Das Volumen
der dem Raum 27 unterhalb des Verstärkers 15 zugeführten Hydraulikflüssigkeit
ist dann das Pilotbrennstoffvolumen, das eingespritzt wird. Bei
dieser Methode ist das eingespritzte Pilotbrennstoffvolumen über den
ganzen Betriebsbereich konstant. Bei dieser zweiten Methode kann
die Dosierphase weit vor dem Einspritzen des Pilotbrennstoffs in
die Brennkammer erfolgen.
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Bei
beiden Verfahren beginnt das Einspritzen von dosiertem Pilotbrennstoff,
wenn der Elektromagnet 3 aberregt wird und das Pilotbrennstoffsteuerventil 13 aufgrund
der Kraft der Feder 14 absinkt. Druck über dem Verstärker 15 wird
dann der Hydraulikflüssigkeitsdruck,
der wiederum den Verstärker 15 nach
unten drückt.
Der verstärkte
Druck unter dem Verstärker 15 steigt
somit und bewirkt durch die Öffnung 26 (siehe 4), daß das Pilotbrennstoffnadelventil 16 ansteigt.
Dann wird der dosierte Pilotbrennstoff durch Löcher 5 in der unteren
Spitze des Nadelventils 17 für den gasförmigen Brennstoff in die (nicht gezeigte)
Motorbrennkammer gespritzt. Der Aufwärtshub des inneren Pilotbrennstoff nadelventils 16 wird
durch einen mechanischen Anschlag 21 begrenzt, um die Verursachung
von Langzeitermüdung in
der Nadelventilfeder 18 zu vermeiden.
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Wenn
der Verstärker 15 seine
untere Hubgrenze erreicht, fällt
der Druck unterhalb des Verstärkers 15 ab,
während
das Einspritzen von Pilotbrennstoff in die Brennkammer weitergeht.
Der Pilotbrennstoffeinspritzdruck fällt weiter ab, bis der Druck
zu niedrig wird, um das Pilotbrennstoffnadelventil 16 in einer
angehobenen geöffneten
Stellung zu halten. Das Pilotbrennstoffnadelventil 16 sinkt
dann in eine geschlossene Stellung ab, und das Einspritzen von Pilotbrennstoff
wird beendet.
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Bei
diesem System hält
die Hochdruckfluidquelle vom Einlaß 6 und durch die Öffnungen 19 und 26 einen
hohen Druck um das Pilotbrennstoffnadelventil 16 herum
und unter dem Verstärker 15 aufrecht,
wodurch verhindert wird, daß Verbrennungsgase
durch die Löcher 5 in
den Injektor 1 eintreten.
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Das
Einspritzen von gasförmigem
Brennstoff erfolgt, wenn der Steuerelektromagnet 2 für gasförmigen Brennstoff
erregt wird. Bei Erregen des Elektromagneten wird das Ventil 11 angehoben
und geöffnet,
trennt den Hohlraum 20 vom Hochdruckeinlaß 8 und
verbindet den Hohlraum 20 mit der Ablaßöffnung 10. Der Druck
im Hohlraum 20 über
dem Gasnadelventil 17 fällt
dann durch die Ablaßöffnung 10 auf
Ablaßdruck.
Durch den hohen Druck des gasförmigen Brennstoffs
im Hohlraum 22, während
er durch die Öffnung 23 (siehe 5) eingeleitet wird, drückt das Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff
nach oben, und der gasförmige
Brennstoff im Hohlraum 22 wird dadurch durch die Löcher 4 in
der unteren Spitze des Injektors 1 in die Brennkammer des
Motors eingeleitet. Das Einspritzen von gasförmigem Brennstoff wird beendet,
wenn der Elektromagnet 2 aberregt und das Steuerventil 11 für den gasförmigen Brennstoff
durch die Feder des Steuerventils für den gasförmigen Brennstoff geschlossen
wird. Der Druck im Hohlraum 20 steigt auf den Hydraulikflüssigkeitsdruck
durch die Einlaßöffnung 8 an.
Das Nadelventil 7 für
den gasförmigen
Brennstoff wird durch die Hochdruckhydraulikflüssigkeit im Hohlraum 20 in
die geschlossene Stellung gezwängt,
und die Löcher 4 sind
geschlossen.
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1(b) Doppelmagnetventil
für gasförmigen Brennstoff und
Pilotbrennstoffventilinjektor, der Hochdruckhydraulikflüssigkeit
verwendet, um das Nadelventil für den
gasförmigen
Brennstoff zu betätigen
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Die 6, 7 und 8 zeigen
eine Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer dritten Ausführungsform
eines Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoff-injektors entlang den
Schnittlinien C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb
gezeigt werden. Diese Ausführungsform
des Injektors verwendet eine Hochdruckhydraulikflüssigkeit,
um das Ventil für den
gasförmigen
Brennstoff zu öffnen.
Diese zweite Ausführungsform
der Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffversion der Erfindung weist
viele der gleichen Elemente auf, die in den 3, 4 und 5 gezeigt werden, besitzt
aber eine andere Betätigung
des Nadelventils für
den gasförmigen
Brennstoff. Auf 10 Bezug
nehmend, tritt Hochdruckhydraulikflüssigkeit durch den Fluideinlaß 10 in
den Injektor 1 ein. Bei dem Auslaß 8 handelt es sich
um eine Ablassöffnung.
Das Nadelventil 17 für
den gasförmigen
Brennstoff wird durch die Schraubenfeder 28 in einer geschlossenen
Abwärtsstellung
gehalten. Diese Schraubenfeder 28 ist bei der Ausführungsform
1(a) nicht vorhanden. Des weiteren enthält die Ausführungsform 1(b) eine Hochdruckhydraulikflüssigkeitsöffnung 29.
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Der
Betrieb des Injektors der Ausführungsform
1(b) in den 6, 7 und 8 ist grundlegend der gleiche wie für die oben
beschriebene Ausführungsform
1(a), außer
der Einspritzung des gasförmigen Brennstoffs,
die wie folgt erfolgt. Bei Erregung des Elektromagneten 2 wird
das Steuerventil 11 für
den gasförmigen
Brennstoff in seine obere Stellung bewegt und verbindet die Hochdruckeinlaßöffnung 10 mit
der Öffnung 29 und
dem Hohlraum 21 unter der Schulter des Nadelventils 17 für den gasförmigen Brennstoff.
Wenn die kombinierten Kräfte
des Hydraulikflüssigkeitsdrucks
im Hohlraum 21 und des Drucks des gasförmigen Brennstoffs im Hohlraum 22,
die nach oben gerichtet auf das Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff
einwirken, groß genug sind,
die durch die Schraubenfeder 28 ausgeübte Abwärtskraft zu überwinden,
wird das Nadelventil 17 für den gasförmigen Brennstoff angehoben
und geöffnet.
Dann wird der gasförmige
Brennstoff durch die Löcher 4 in
der Spitze des Injektors 1 in die Brennkammer eingespritzt.
Ein Anschlag für
das Nadelventil für
den gasförmigen
Brennstoff innerhalb der Feder 28 begrenzt den Hub des
Nadelventils 17 und verhindert Langzeitermüdung der
Schraubenfeder 28. Das Einspritzen von gas förmigem Brennstoff
wird beendet, wenn der Elektromagnet 2 aberregt wird. Dann sinkt
das Nadelventil 17 für
den gasförmigen
Brennstoff in eine geschlossene Stellung und schließt die Löcher 4,
und das Einspritzen von gasförmigem Brennstoff
wird beendet.
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Alle
anderen Elemente des bei der Ausführungsform 1(b) gezeigten Injektors
bleiben die gleichen wie die bei der Ausführungsform 1(a) dargestellten.
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1(c) Doppelmagnetventil
für gasförmigen Brennstoff und
Pilotbrennstoffventilinjektor, der einen anderen Pilotbrennstoff
verwendet als die Hydraulikflüssigkeit
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Die 9, 10 und 11 zeigen
eine Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer vierten Ausführungsform
eines Doppelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den
Schnittlinien C-C, A-A und B-B, die in den 1 und 2 außerhalb
gezeigt werden. Diese Ausführungsform
ist gleich der in Abschnitt 1(a) gezeigten mit Ausnahme eines neuen
Pilotbrennstoffeinlasses 19b, der über ein Rückschlagventil 30 mit
der Unterseite des Verstärkers 15 verbunden
ist. Der Pilotbrennstoff wird auf einem ähnlichen Druck wie die Hydraulikflüssigkeit
gehalten.
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Der
Betrieb folgt eng dem für
die Ausführungsform
1(a) beschriebenen. Wenn der Elektromagnet 3 erregt ist,
fällt der
Druck im Hohlraum 25 auf Ablaßdruck. Der Druck des durch Öffnung 19b und durch
das Rückschlagventil 30 eingeleiteten
Pilotbrennstoffs drückt
den Verstärker 15 nach
oben, und Pilotbrennstoff fällt
das Volumen unterhalb des Verstärkers 15.
Es können
zwei verschiedene Pilotdosiersequenzen wie bei Ausführungsform
1(a) beschrieben befolgt werden. Das Einspritzen des gasförmigen Brennstoffs
ist mit dem bei Ausführungsform
1(a) beschriebenen identisch.
-
2(a) Einzelmagnetventil
für gasförmigen Brennstoff und
Pilotbrennstoffventilinjektor, der einen Hochdruck verwendet, um
das Nadelventil für
den gasförmigen
Brennstoff geschlossen zu halten
-
Auf
die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigen die 12 und 13 ein
Vorder- bzw. eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein einzi ges elektromagnetisch betätigtes Ventil
zur Steuerung des Doppelbrennstoffinjektors verwendet wird. Wie
in den 12 und 13 zu sehen, weist der Injektor 31 am
oberen Ende einen einzigen Elektromagneten 32 auf. Pilotbrennstofflöcher 34 und
Löcher 33 für den gasförmigen Brennstoff
befinden sich am unteren Ende. Wiederum der Kürze halber wird das Äußere des
Einzelelektromagnet-Injektors 31 nur einmal gezeigt, obgleich
zwei verschiedene Innenausführungsformen
in den 14 bis 19 dargestellt und unten
besprochen werden.
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Die 14, 15 und 16 zeigen
Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer ersten Ausführungsform
2(a) des Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors entlang den
Schnittlinien C-C, A-A und B-B, die in den 12 und 13 außerhalb
gezeigt werden. Die Ausführungsform
des Injektors verwendet Hochdruckhydraulikflüssigkeit, um das Ventil für den gasförmigen Brennstoff
geschlossen zu halten, und einen Verstärker-Kolben, der als Ventil
wirkt. Bei dieser Ausführungsform
wird ein elektrisch betätigtes elektronisch
gesteuertes Ventil (Elektromagnet 32) verwendet, um das
Einspritzen des Pilotbrennstoffs von den Löchern 34 zu steuern.
Ein durch die Hochdruckhydraulikflüssigkeit betätigtes Hydraulikventil steuert
das Einspritzen des gasförmigen
Brennstoffs von den Löchern 33.
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Wie
in den 14, 15 und 16 zu sehen, ähnelt der Einzelelektromagnetinjektor 31 hinsichtlich seiner
Ausführung
im wesentlichen dem Doppelelektromagnetinjektor, der oben unter
Bezugnahme auf die drei in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsformen
erläutert
und dargestellt wurde. Er enthält
einen einzelnen Elektromagneten 32, drei Hydraulikflüssigkeitseinlaßöffnungen 35, 36 und 39 und
zwei Ablaßöffnungen 37 und 38.
Ein Hauptpilotbrennstoffsteuerventil 40 ist unter dem Elektromagneten 32 angeordnet.
Eine Schraubenfeder 41 ist der Pilotbrennstoffventilsteuerung 40 zugeordnet.
Bei der dargestellten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Steuerventil 40 um ein normalerweise
in einer Abwärtsstellung
geschlossenes Drei-Wege-Ventil.
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Weiterhin
enthält
der Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektor 31 einen
Pilotbrennstoffverstärker 42,
der am besten in den 14 und 15 dargestellt ist. Eine
breite Nut 55 um den Umfang des Verstärkers 42 herum ist
entweder auf Öffnung 39 ausgerichtet,
wenn sich der Verstärker 42 in
einer Aufwärtsstel lung
befindet, oder auf Öffnung 38,
wenn sich der Verstärker 42 in
einer Abwärtsstellung
befindet, wodurch ermöglicht
wird, daß der
Verstärker 42 als
ein Steuerventil für
den gasförmigen
Brennstoff wirkt. Ein Rückschlagventil 44 (siehe 14) ist dem Verstärker 42 zugeordnet.
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Darüber hinaus
enthält
der Injektor 31 ein mittleres, langes, vertikales Pilotbrennstoffnadelventil 46,
das das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff konzentrisch
umgibt, und eine Feder 50 zum Drücken der Pilotbrennstoffnadelventile 46 in eine
geschlossene Abwärtsstellung.
Eine Reihe von Einspritzlöchern 33 zum
Einspritzen von gasförmigem
Brennstoff in die Brennkammer des Motors (nicht gezeigt) befindet
sich im unteren Bereich des Injektors 31. Eine entsprechende
Reihe von Pilotbrennstoffeinspritzlöchern 34 befindet
sich im unteren Bereich des Einspritznadelventils 47 für den gasförmigen Brennstoff.
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Eine Öffnung 45 (siehe 16) verbindet die Hydraulikflüssigkeitseinlaßöffnung 35 (siehe 16) mit einem Hohlraum 51,
der sich über
der Nadelventilschließfeder 50 und über den
Brennstoffnadelventilen 46 und 47 befindet. Ein
Hohlraum 48 um das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff
herum, der druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit enthält, stellt
eine Dichtung gegen Differenzdrücke
bereit und ist in den 15 und 16 dargestellt. Das Pilotbrennstoffnadelventil 46 enthält einen
mechanischen Anschlag 49, der eine Aufwärtsbewegung des Nadelventils 46 begrenzt.
Ein durch Öffnung 53 versorgter Hohlraum 52 für gasförmigen Hochdruckbrennstoff, befindet
sich im unteren Bereich des Injektors 31 um das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff herum.
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Betrieb des Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors
2(a)
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Durch
eine motorbetriebene Pumpe auf ein konstantes Niveau druckbeaufschlagte
Hydraulikflüssigkeit
(Common-Rail-System) wird durch die Einlaßöffnungen 39, 35 und 36 im
Injektor 31 eingeleitet. Die druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit füllt den
Pilotbrennstoffdosierhohlraum 54 unter dem Verstärker 42 durch
die Öffnung 45 und
durch das Füllrückschlagventil 44 (siehe 14). Die druckbeaufschlagte
Hydraulikflüssigkeit
wird auch als Dichtungsflüssigkeit
in dem das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff umgebenden
Hohlraum 48 verwendet. Wie bei dem oben besprochenen Doppelelektro magnetinjektor
muß die
zur Abdichtung verwendete Hydraulikflüssigkeit auf einen Druck beaufschlagt
werden, der etwas höher
ist als der Druck das gasförmigen
Hauptbrennstoffs, um eine Leckage des gasförmigen Brennstoffs aus dem
Hohlraum 52 in die Betätigungshydraulikflüssigkeit
um das Nadelventil 47 für
den gasförmigen
Brennstoff herum zu verhindern.
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Vor
dem Einspritzen des Brennstoffs wird der Elektromagnet 32 aberregt,
und das Pilotbrennstoffsteuerventil 40 wird durch die Feder 41 in
seiner unteren Stellung gehalten. Das Pilotbrennstoffnadelventil 46 und
das Nadelventil 47 für
den gasförmigen Brennstoff
werden durch die Feder 50 und durch den Hydraulikflüssigkeitsdruck
im Hohlraum 51, der durch den Einlaß 38 bereitgestellt
wird, in einer unteren Stellung geschlossen gehalten. Der Pilotbrennstoffverstärker 42 wird
durch die durch die Hochdruckhydraulikflüssigkeit im Hohlraum 54 unter
dem Verstärker 42,
die durch das Rückschlagventil 44 und den
Einlaß 35 bereitgestellt
wird, ausgeübte
Kraft in seiner oberen Stellung gehalten.
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Das
Einspritzen des Pilotbrennstoffs wird durch Erregen des Elektromagneten 32 eingeleitet. Dadurch
wird bewirkt, daß sich
das Ventil 40 nach oben bewegt und öffnet. Es ermöglicht dadurch,
daß Hochdruckhydraulikflüssigkeit
durch den Einlaß 36 über dem
Verstärker 42 eingeleitet
wird. Der auf den großen
Bereich oben auf dem Verstärker 42 wirkende Hochdruck
drückt
den Verstärker 42 nach
unten. Der Druck auf das Fluid unter dem Verstärker 42 erhöht sich
somit, bis er einen Schwellwert erreicht, der durch das Flächenverhältnis zwischen
der Ober- und der
Unterfläche
des Verstärkers 42 bestimmt
wird. Vor Erreichen des Schwellwerts reicht die auf das Pilotbrennstoffnadelventil 46 ausgeübte Hydraulikflüssigkeitskraft
dazu aus, die durch die Feder 50 ausgeübte Abwärtskraft zu überwinden.
Das Pilotbrennstoffnadelventil 46 wird angehoben und Pilotbrennstoff
von unterhalb des Verstärkers 42 wird
durch die Löcher 34 in
der unteren Spitze des Nadelventils 47 für den gasförmigen Brennstoff
in die Brennkammer des Motors (nicht gezeigt) eingespritzt.
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Der
Aufwärtshub
des Pilotbrennstoffnadelventils 47 wird durch einen mechanischen
Anschlag 49 begrenzt, um die Entstehung von Metallermüdung in
der Feder 50 zu vermeiden. Wenn der Verstärker 42 seine
untere Abwärtshubgrenze
erreicht, fällt
der Druck unter dem Verstärker 42 ab,
während
das Einspritzen von Pilotbrennstoff in die Brennkammer weitergeht.
Der Pilotbrennstoffeinspritz druck fällt weiter ab, bis der Druck
zu niedrig ist, um das Pilotbrennstoffnadelventil 46 in
seiner oberen Stellung zu halten. Das Pilotbrennstoffnadelventil 46 sinkt
dann unter dem Einfluß der
Feder 50 in eine geschlossene Stellung ab, und das Einspritzen
von Pilotbrennstoff wird beendet. Bei diesem System verhindert die Hochdruckhydraulikflüssigkeitsquelle
in dem das Pilotbrennstoffnadelventil 46 umgebenden Hohlraum 48,
daß Verbrennungsgase
in der Brennkammer des Motors durch die Löcher 34 in den Injektor 31 eintreten.
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Des
weiteren dient der Verstärker 42 als
ein Hydraulikventil zur Betätigung
des Nadelventils 47 für
den gasförmigen
Brennstoff. Wenn der Verstärker 42 seine
unterste Stellung erreicht, verbindet die Nut 55 um seinen
Umfang herum die Hydraulikflüssigkeit im
Hohlraum 51 über
der Feder 50 mit der Ablaßöffnung 38 (siehe 15), wodurch die Hochdruckhydraulikflüssigkeit
im Hohlraum 51 über
dem Nadelventil 47 für
den gasförmigen
Brennstoff entspannt wird. Der gasförmige Hochdruckbrennstoff im
Hohlraum 52 an der Basis des Nadelventils für den gasförmigen Brennstoff
hebt dann das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff an und gestattet
das Einspritzen das gasförmigen
Brennstoffs in die Brennkammer des Motors durch die Reihe von Einspritzlöchern 33 für den gasförmigen Brennstoff.
Das Einspritzen von gasförmigem
Brennstoff wird beendet, wenn der Elektromagnet 32 aberregt
wird, wodurch das Ventil 40 geschlossen und dadurch der
Hydraulikflüssigkeitsdruck über dem
Verstärker 42 abgebaut wird.
Die vertikale Druckdifferenz am Verstärker 42 drückt den
Verstärker
nach oben, wodurch die Verbindung zwischen der Ablaßöffnung 38 und
dem Hohlraum 51 geschlossen wird. Der Hydraulikflüssigkeitsdruck
im Hohlraum 51 steigt dann auf den gemeinen Hochdruck der
Hydraulikflüssigkeit
an, und das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff schließt sich
in einer unteren Stellung. Der Verstärker 42 wird nach
oben gedrückt,
bis er seinen Aufwärtshubanschlag
erreicht. Nach Beendigung dieses Zyklus ist der Injektor 31 für das nächste Einspritzen
bereit.
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2(b) Einzelmagnetventil
für gasförmigen Brennstoff und
Pilotbrennstoffventilinjektor, der eine Hochdruckhydraulikflüssigkeit
verwendet, um das Nadelventil für
den gasförmigen
Brennstoff zu betätigen
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Die 17, 18 und 19 zeigen
eine Detail-, Seiten- bzw. Vorderschnittansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoff injektors entlang den
Schnittlinien C-C, A-A und B-B, die in den 12 und 13 außerhalb
gezeigt werden. Die Ausführungsform
2(b) des Injektors verwendet Hochdruckhydraulikflüssigkeit
zum Öffnen des
Ventils 47 für
den gasförmigen
Brennstoff und eines Verstärker-Kolbens 42,
der als ein normalerweise geöffnetes
Ventil wirkt. Die in den 17, 18 und 19 gezeigte Ausführungsform 2(b) enthält die gleichen
Grundkomponenten wie die in den 14 bis 16 dargestellten, außer daß die Betätigung des
Nadelventils 47 für
den gasförmigen
Brennstoff eine Feder 56 umfaßt. Die Feder 56 funktioniert ähnlich wie die
Feder 28, die oben unter Bezugnahme auf die Doppelelektromagnetausführungsform
1(b) beschrieben und in den 9, 10 und 11 dargestellt wurde. Das Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff
wird durch die Schraubenfeder 56 in einer geschlossenen
Abwärtsstellung
gehalten. Die durch die Schraubenfeder 56 ausgeübte Abwärtskraft
wird überwunden,
wenn die Aufwärtskraft
von der Hydraulikflüssigkeit
und Gas unter dem Nadelventil 47 für den gasförmigen Brennstoff auf die erforderliche Höhe zum Öffnen des
Ventils 47 für
den gasförmigen Brennstoff
und Einspritzen von Gas in die Brennkammer steigt.
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Der
Vorteil des in den 12 bis 19 offenbarten und dargestellten
Einzelelektromagnetsystems besteht darin, daß nur ein Elektromagnet 32 verwendet
wird. Die Nachteile sind, daß die
Pilotbrennstoffmenge festgelegt ist und die Betätigung des Nadelventils für den gasförmigen Hauptbrennstoff
zu einem festen Zeitpunkt bezüglich
der Pilotbrennstoffeinspritzung erfolgt.
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Wie
für Fachleute
angesichts der vorhergehenden Offenbarung offensichtlich, sind bei
der Ausübung
der Erfindung viele Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne von ihrem Gedanken und Schutzbereich abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzbereich
der Erfindung gemäß dem durch
die folgenden Ansprüche
definierten Gegenstand ausgelegt werden.