DE69918141T2 - Brennstoffeinspritzventil für gasförmige und flüssige brennstoffe - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • (1) Versorgung von Dieselmotoren mit Vormischung von Luft und Erdgas – Fremdzündung
  • 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.
  • (2) Versorgung von Dieselmotoren mit Vormischung von Luft und Erdgas – Vorzündung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (3) Direkteinspritzung von Erdgas in Dieselmotorzylinder
  • 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.
  • Betrachtung des Stands der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Finnland ist die folgende Veröffentlichung von Interesse:
    • 1. Verstergren, R., "The Merits of the Gas-Diesel Engine", ASME ICE-Band 25–3, 1995.
  • Doppelbrennstoffinjektoren werden in der Erörterung nicht einzeln aufgeführt, erscheinen jedoch in mehreren Veröffentlichungen und Patenten, wie später besprochen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Injektoren zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors sind seit vielen Jahren bekannt. Mehrere Patente offenbaren Brennstoffinjektoren:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 12 und 13 eine Vorder- und Seitenansicht eines Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors;
  • 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;
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BESONDEREN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1(a) Doppelmagnetventil für gasförmigen Brennstoff und Pilotbrennstoffventilinjektor, der Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das Nadelventil für den gasförmigen Brennstoff geschlossen zu halten
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1(b) Doppelmagnetventil für gasförmigen Brennstoff und Pilotbrennstoffventilinjektor, der Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das Nadelventil für den gasförmigen Brennstoff zu betätigen
  • 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.
  • 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.
  • Alle anderen Elemente des bei der Ausführungsform 1(b) gezeigten Injektors bleiben die gleichen wie die bei der Ausführungsform 1(a) dargestellten.
  • 1(c) Doppelmagnetventil für gasförmigen Brennstoff und Pilotbrennstoffventilinjektor, der einen anderen Pilotbrennstoff verwendet als die Hydraulikflüssigkeit
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Betrieb des Einzelelektromagnet-Doppelbrennstoffinjektors 2(a)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2(b) Einzelmagnetventil für gasförmigen Brennstoff und Pilotbrennstoffventilinjektor, der eine Hochdruckhydraulikflüssigkeit verwendet, um das Nadelventil für den gasförmigen Brennstoff zu betätigen
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (26)

  1. Ein Doppelbrennstoffinjektor für das getrennte Einspritzen eines ersten Brennstoffs und eines zweiten Brennstoffs, wobei der Injektor 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 zweiten Brennstoffs aufweist, um ein Abdichten beizubehalten und eine Leckage des zweiten Brennstoffs 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 oder Öffnungen oder Mündungen 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 Dichtung in dem Injektorkörper, um eine Leckage des zweiten Brennstoffs in den ersten Brennstoff zu verhindern.
  2. Ein Injektor, wie in Anspruch 1 beansprucht, der außerdem eine Verstärkereinrichtung in dem Injektorkörper aufweist, um den Druck des ersten Brennstoffs zu erhöhen.
  3. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei der erste Brennstoff ein Pilotbrennstoff oder ein Zünd- bzw. Vorbrennstoff ist.
  4. Ein Injektor, wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei der zweite Brennstoff ein gasförmiger Hochdruckbrennstoff ist.
  5. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die Hydraulikflüssigkeit der erste Brennstoff ist.
  6. Ein Injektor, wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei das erste Einspritzventil ein Nadelventil ist.
  7. Ein Injektor, wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei das zweite Einspritzventil ein Nadelventil ist.
  8. Ein Injektor, wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei das erste Nadelventil die Einspritzung des Pilotbrennstoffs oder Zünd- bzw. Vorbrennstoffs steuert und das zweite Nadelventil das erste Nadelventil konzentrisch umfaßt und die Einspritzung des zweiten gasförmigen Brennstoffs steuert.
  9. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei das erste Steuerventil elektronisch gesteuert und elektrisch betätigt wird.
  10. Ein Injektor, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei das zweite Steuerventil hydraulisch betätigt wird.
  11. Ein Injektor, wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei das zweite Steuerventil elektronisch gesteuert und elektrisch betätigt wird.
  12. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die Dosier- bzw. Meßeinrichtung ein Verstärker ist.
  13. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die Dichtung Hydraulikflüssigkeit ist, die zwischen dem ersten Brennstoff und dem zweiten Brennstoff angeordnet ist.
  14. Ein Injektor, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei eine Hydraulikflüssigkeitsdichtung in einem Hohlraum zwischen dem zweiten Nadelventil und dem Injektorkörper angeordnet ist.
  15. Ein Injektor, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei das erste Einspritzventil durch einen ersten Elektromagneten gesteuert wird.
  16. Ein Injektor, wie in Anspruch 15 beansprucht, wobei das zweite Einspritzventil durch einen zweiten Elektromagneten gesteuert wird.
  17. Ein Injektor, wie in Anspruch 12 beansprucht, der einen Elektromagneten umfaßt, der die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit in den Verstärker steuert, der die Zufuhr des ersten Brennstoffs in das erste Einspritzventil steuert.
  18. Ein Injektor, wie in Anspruch 12 beansprucht, der einen ersten Elektromagneten, der die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit in den Verstärker steuert, der die Zufuhr des ersten Brennstoffs in das erste Einspritzventil steuert, sowie einen zweiten Elektromagneten umfaßt, der die Zufuhr des zweiten Brennstoffs in das zweite Brennstoffventil steuert.
  19. Ein Injektor, wie in Anspruch 12 beansprucht, der ein Ein-Wege-Rückschlagventil umfaßt, das die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit von einem Hydraulikflüssigkeitseinlaß in den Verstärker steuert.
  20. Ein Injektor, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei der gasförmige zweite Brennstoff durch Öffnungen ausgestoßen wird, die in der Spitze des Injektorkörpers angeordnet sind, und der Pilotenbrennstoff oder Zünd- bzw. Vorbrennstoff durch Offnungen ausgestoßen wird, die in der Spitze des Einspritznadelventils des gasförmigen Brennstoffs angeordnet sind.
  21. Ein Injektor, wie in Anspruch 15 beansprucht, wobei das Ventil, das durch den Elektromagneten gesteuert wird, eine Feder aufweist, die das Ventil vorspannt.
  22. Ein Injektor, wie in Anspruch 16 beansprucht, wobei das erste Ventil, das durch den ersten Elektromagneten gesteuert wird, eine Feder aufweist, die das erste Ventil vorspannt, und das zweite Ventil, das durch den zweiten Elektromagneten gesteuert wird, eine Feder aufweist, die das zweite Ventil vorspannt.
  23. Ein Injektor, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei die Stellungen des ersten und zweiten Nadelventils durch eine Feder vorgespannt sind.
  24. Ein Injektor, wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei die Hydraulikflüssigkeit der Pilotbrennstoff oder Zünd- bzw. Vorbrennstoff ist.
  25. Ein Injektor, wie in Anspruch 12 beansprucht, wobei der Verstärker wie ein Zwei-Wege-Ventil wirkt.
  26. Ein Injektor, wie in Anspruch 12 beansprucht, wobei der Verstärker wie ein Drei-Wege-Ventil wirkt.
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