DK154448B - Braendstofsystem til en dual-fuel dieselmotor - Google Patents

Description

DK 154448 B

Opfindelsen angår et brændstofsystem til en dual-fuel dieselmotor, der normalt opererer med gas som hovedbrændstof og pilotolie som tændhjælp, og hvor der til hver cylinder hører mindst én injektor til indblæsning 5 af gas og indsprøjtning af pilotolie via separate ventiler, som er påvirket til lukning af hver sin lukkefjeder og til åbning af henholdsvis et servoolietryk og pilotolietrykket.

Selvtændingsevnen af gasformige brændstoffer, 10 herunder naturgas, methan, biogas og kulgas, der kan tænkes anvendt i dieselmotorer, er normalt utilstrækkelig til at etablere sikker tænding af det i motorcylindrene indblæste brændstof på det for arbejdsprocessens optimering ønskelige tidspunkt af processen. Som følge 15 heraf indretter man motorens brændstofsystem til før eller samtidig med hver gas indblæsning i en cylinder at indsprøjte et vist kvantum tændvilligt pilotbrændstof, f.eks. gas- eller dieselolie, som tjener til at indlede forbrændingen i cylinderen.

20 Dersom indsprøjtningen af pilotolie udebliver, er det så godt som sikkert, at den i cylinderen indblæste gasmængde enten selvantænder sent i motorstemplets ar-bejdsslag eller efter at være strømmet ud af cylinderen antændes i udstødssystemet, f.eks. af en gnist fra en 25 anden cylinder eller ved blandingen med de varme udstødsgasser fra de andre cylindre. I alle tilfælde forbrænder gassen eksplosionsagtigt med stor risiko for beskadigelse af motoren, inklusive dens udstødssystem og eventuelt tilsluttede turboladere.

30 Nærværende opfindelse tager sigte på at angive et brændstofsystem, hvor risikoen for en gaseksplosion som følge af svigtende pilotolieindsprøjtning i en cylinder er minimeret. Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at der i hver injektors tilgangsledning for servoolie er ind-35 bygget en trykaflastningsventil med et ventillegeme, som er påvirket mod lukket stilling af trykket i injektorens 2

DK 154448 B

tilgangsledning for pilotolie, og som ved svigtende pilotolietryk åbner for en drænkanal for servoolie, når servoolietrykket samtidig overstiger en vis størrelse.

Under normal motordrift, hvor der på det fore-5 skrevne tidspunkt af hver arbejdscyklus leveres pilotolie til hver injektor med et tryk, som er tilstrækkeligt til at åbne pilotolieventilen i injektoren, holdes aflastningsventilen i servoolieledningen lukket af pilotolietrykket. Når leveringen af servoolie begynder, 10 f.eks. fra et reservoir, hvori der opretholdes et passende højt konstant tryk, eller fra en knastaktiveret doseringspumpe, forplanter servoolietrykket sig forbi den lukkede aflastningsventil videre til injektoren og åbner dennes gasventil for en normal indblæsning af gas 15 i motorcylinderen samtidig med eller umiddelbart efter pilotolieindsprøjtningens begyndelse.

Dersom på den anden side pilotolietrykket udebliver eller ikke når op på den til åbning af olieventilen i injektoren nødvendige højde, lukker trykaflast-20 ningsventilen ikke, og servoolien vil da undvige gennem denne ventils drænkanal i stedet for at fortsætte forbi ventilen til injektoren. Som følge heraf forbliver gasventilen i injektoren lukket, og dermed er det sikret, at en eventuel manglende pilotolieindsprøjtning i en 25 hvilken som helst cylinder omgående detekteres og endnu i samme arbejdscyklus hindrer gasindblæsningen gennem den pågældende injektor. Da motorens øvrige injektorer ikke berøres af trykaflastningen i servoolieledningen, kan motoren som regel fortsætte med at køre, specielt 30 hvis den har to eller flere injektorer i hver cylinder, og dersom årsagen til den manglende pilotolieindsprøjt-ning i mellemtiden afhjælpes eller bortfalder af sig selv, træder injektoren da automatisk i funktion igen.

Principielt kunne aflastningsventilen være udført 35 således, at det alene var trykket i servoolien på ventilens opstrømsside, som førte ventillegemet til åben 3

DK 154448 B

stilling, dersom det i modsat retning virkende pilotolietryk udeblev. Det må dog i almindelighed foretrækkes, at ventillegemet er forbelastet i retning mod åben drænstilling ved hjælp af en fjeder. Herved er det nem-5 lig muligt at opnå, at drænkanalen altid åbnes mellem to successive indsprøjtningsperioder og dermed ikke først skal åbnes af servoolietrykket ved svigtende pilotolietryk.

En på grund af sin konstruktive enkelhed og deraf 10 følgende driftssikkerhed foretrukket udførelsesform er ejendommelig ved, at ventillegemet er en cylindrisk glider, som i hver ende har en koaksial, som nåleventil udformet aksial ansats til samvirken med hver sit ventilsæde, der omgiver en henholdsvis til servoolieledningen 15 og til pilotolieledningen førende kanal.

Når pilotolien leveres af en knastaktiveret doseringspumpe af Bosch-typen, vælges forholdet mellem tværsnitsarealerne af glideren og af kanalen til pilotolieledningen lig med eller større end forholdet mellem det 20 olietryk, ved hvilket injektorens olieventil åbner, og det pilotolietryk, der hersker under den afsluttende fase af pumpeslaget efter lukning af injektorens pilot-olieventil. Som bekendt er det karakteristisk for brændstofpumper af Bosch-typen, at variationen af pumpens le-25 veringsmængde sker ved variation af det punkt af pumpeslaget, hvor stemplet frigiver en passage mellem pumpens trykside og sugeside, som under den forudgående, virksomme del af pumpeslaget var spærret af stemplet. Under den resterende del af stempelbevægelsen, før denne igen 30 vender, er pumpens afgangstryk utilstrækkeligt til at holde olieventilen i injektoren åben, men dog væsentlig højere end trykket på pumpens sugeside, eftersom stemplet fortsætter med at fortrænge en oliemængde, nu blot i bagudgående retning gennem den relativt snævre passage 35 til sugesiden. Med den nævnte dimensionering af aflastningsventilens ventillegeme sikres, at pilotolietrykket 4

DK 154448 B

i den omtalte afsluttende fase af pumpeslaget, hvor trykket virker på hele gliderens tværsnitsareal, påvirker ventillegemet mod lukkestillingen med en kraft, der mindst er lige så stor som den kraft, der bevirkede luk-5 ningen af aflastningsventilen.

Ifølge opfindelsen kan brændstofsystemet med fordel være udformet til at etablere servoolietrykket til hver injektor, inden pilotolietrykket til samme injektor opbygges. Udførelsesformen er først og fremmest interes-10 sant ved motorer med den såkaldte variable injection timing (VIT) af tændt idspunkte t. I så fald kan man nemlig nøjes med at udstyre pilotoliepumperne med de nødvendige mekanismer til ændring af det effektive pumpeslags begyndelsestid?punkt, fordi trykaflastningsventi-15 len i servoolieledningen automatisk sørger for, at tilførslen af servoolie til injektoren og dermed åbningen af dennes gasventil altid sker med samme tidsmæssige afstand til åbningen af injektorens pilotolieventil.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere un-20 der henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 rent skematisk viser hovedkomponenterne i et brændstofsystem ifølge opfindelsen til en enkelt dual-fuel injektor, fig. 2 et udsnit af systemets pilotoliepumpe med 25 påbygget trykaflastningsventil, vist i aksialsnit langs pumpestemplets akse, fig. 3 et udsnit i større skala visende først og fremmest aflastningsventilen, og fig. 4 en graf til illustration af et muligt 30 trykforløb i pilotoliepumpen ved to forskellige driftstilstande for motoren.

Fig. 1 viser rent skematisk en kombineret brænd-gas- og pilotolieinjektor 1, som er indrettet til montering i en motorcylinders ikke viste cylinderdækse1, og 35 som i sin forreste, i cylinderens forbrændingskammer indragende ende har en forstøver 2 med to sæt ikke vi- 5

DK 154448 B

ste dysehuller til henholdsvis indblæsning af gas og indsprøjtning af pilotolie i motorcylinderen. Foroven på injektoren 1 er markeret en tilgangsledning 3 for gas fra en egnet kilde samt tilgangsledninger 4 og 5 5 for henholdsvis pilotolie og styre- eller servoolie, hvilken sidstnævnte tjener til at åbne en i injektoren indbygget ventil, som styrer indblæsningen af gas i cylinderen, og som er påvirket mod lukket stilling af en forspændt fjeder. En tilsvarende, mod lukket stilling 10 fjederbelastet ventil findes også i en forbindelseskanal mellem pilotolieledningen 4 og de tilhørende dysehuller i forstøveren 2. Et eksempel på en injektor af den omtalte art er beskrevet mere udførligt i en sideløbende patentansøgning med titlen "Brændstofinjektor til dual-15 fuel dieselmotorer", dansk patentansøgning nr. 3504/85.

På motorens styreaksel, som i fig. 1 skematisk er antydet ved 6, er fastgjort en knast 7 til aktivering af en pilotoliepumpe 8 samt en knast 9, der aktiverer en styreventil 10 for leveringen af servoolie til in-20 jektoren. Pumpen 8, som beskrives noget mere udførligt nedenfor, har foruden sin til ledningen 4 sluttede afgang en tilgang 11, gennem hvilken pumpen fødes med pilotolie fra en forpumpe, og en retur ledning 12 til forpumpens sugeside. Pumpen 8 er på kendt måde udsty-25 ret med organer til variation af dens leveringsmængde ved en relativ drejning af pumpens stempel og foring samt eventuelt også midler til ændring af begyndelsestidspunktet for det effektive pumpeslag (leveringsfasen) .

30 Til ventilen 10 er sluttet en tilgangsledning 13 fra en kilde for servoolie ved et passende højt tryk, dvs. et tryk som ved påvirkning af det dertil 6

DK 154448 B

bestemte areal af injektoren l's gasventil kan åbne denne ventil og holde den åben mod kraften fra den tilhørende lukkefjeder. Ventilen 10 har endvidere en retur ledning 14 og en afgangsledning 15, som fører 5 til en trykaflastningsventil 16, der i det viste eksempel er bygget sammen med pilotoliepumpen 8. Fra aflastningsventilen 16 udgår dels den føromtalte ledning 5, gennem hvilken servoolie kan strømme til injektoren 1, dels en drænledning 17.

10 Som anskueliggjort i fig. 2 og 3 har pilotolie pumpen 8 et hus 18, som foroven er lukket med et dæksel 19 med en central afgangsåbning 20, til hvilken den i fig. 1 viste ledning 4 er sluttet. I pumpehuset 18 er indbygget en cylinder 21 med tilhørende pumpe-15 foring 22, hvori pumpens stempel 23 er forskydeligt med snæver pasning. Stemplet 23 har på kendt måde to diametralt modstående styreflader 24 med en skrå bag kant 25, som ved samvirken med to aflastningsboringer 26 i foringen 22 styrer begyndelses- og sluttidspunk-20 tet af det effektive pumpeslag, når stemplet under påvirkning af knasten 7 bevæger sig frem og tilbage i foringen 22. Hver aflastningsboring 26 er gennem en tragtformigt udvidet boring 27 i cylinderen 21 i strømningsforbindelse med pumpens sugerum 28, hvortil 25 ledningerne 11 og 12, se fig. 1, er sluttet.

En central indsats ~ 29 er skruet op i dækslet 19 og fortsætter tætsluttende ned i pumpeforingen 22, hvor den omslutter en fjederbelastet sugeventil 30, der ved pumpestemplet 23*s nedadgående bevægelse åbner for 30 indstrømning af olie fra sugerummet 28 gennem flug tende tværboringer i cylinderen 21 og foringen 22, udsparinger i indsatsen 29 og en central kanal 31 til pumpens arbejdskammer 32 mellem de modstående endeflader af stemplet 23 og indsatsen 29.

35 Boringen 31 udgør samtidig det første afsnit af en afgangskanal, der fortsætter centralt opefter gen- 7

DK 154448 B

nem et modhold 33 for sugeventilens lukkefjeder og dækslet 19 til den centrale afgangsåbning 20. Fra den sidste del af denne afgangskanal udgår en tværboring 34, som fører til den i dækslet 19 indbyggede trykaf-5 lastningsventil 16.

Ventilen 16 har et i store træk T-formet hus 35, som er fastgjort tætsluttende i en med boringen 34 koaksial udsparing i pumpedækslet 19, og husets udragende del er udformet med en tilgangsåbning 36 og en 10 afgangsåbning 37, som under drift er sluttet til ledningerne henholdsvis 15 og 5, se fig. 1. Åbningerne 36 og 37 er indbyrdes forbundet gennem en indsnævret strømningspassage 38, hvorfra der udgår en tværboring 39 til et gliderkammer 40 i den del af ventilhuset, 15 som sidder i dækslet 19.

En cylindrisk glider 41 er tætsluttende forskydelig i kammeret 40 og er ved sine modstående ender udformet med to kegleformede ansatser, henholdsvis 42 og 43, der virker som nåleventiler, idet de samvirker 20 med hver sit keglestubformede sæde omkring henholdsvis en med boringen 34 i dækslet 19 flugtende boring 44 og tværboringen 39. En i gliderkammeret indbygget trykfjeder 45 påvirker glideren 41 mod højre fra dens i fig. 2 og 3 viste stilling, hvor ansatsen 43 spærrer 25 boringen 39, mod den anden yderstilling, hvor boringen 44 er spærret af ansatsen 42. Fra den til venstre for glideren 41 beliggende del af kammeret 40, hvori fjederen 45 er indbygget, udgår en drænkanal 46, som via den i fig. 1 viste drænledning 17 kan være sluttet til 30 en returledning for servoolie. Endelig er der i pumpehuset 18 en akseparallel drænboring 47, som udmunder i sugekammeret 28, og som sammen med flugtende boringer gennem dækslet 19 og ventilhuset 35 sørger for bortledning af pilot- eller servoolie, som eventuelt 35 lækker forbi tætningsringene i gliderens overflade.

Den fuldt optrukne kurve i fig. 4 repræsenterer trykket i pilotoliepumpens arbejdskammer 32, når

DK 154448 E

S

motoren, kører udelukkende på olie, f.eks. ved igangsætning, under acceleration eller under manøvrering med et skib, som fremdrives ved hjælp af motoren. Når motoren kører på gas med et minimum af pilotolie til sikring af 5 gassens tænding, følger trykket i kammeret 32 under den sidste del af pumpestemplets arbejdsslag den noget lavere liggende punkterede kurve. Som abscisse for kurverne er valgt krumtapakslens drejningsvinkel, hvorved afstanden mellem successive markeringer på abscisseaksen 10 svarer til 10° krumtapvinkel.

Det udsnit af en komplet arbejdscyklus, som er illustreret i fig. 4, begynder med, at pumpestemplet 23 lige har passeret sin nederste stilling. Pumpens ar-bejdskammer 32 ;tår i forbindelse med sugerummet 28, 15 og trykket i kammeret er lig med det lave forpumpetryk, ved hvilket pilotolien cirkulerer gennem pumpen. Til tidspunktet tj spærrer stemplets styreflader 24 de to aflastningsboringer 26, hvorved det effektive pumpeslag begynder, og trykket stiger først langsomt og derefter 20 hurtigere op til trykket P0, ved hvilket olieventilen i' injektoren åbner for indsprøjtning af pilotolien i mo-torcylinderen. Under stemplet 23's fortsatte bevægelse opad vedbliver trykket at stige, indtil det effektive pumpeslag ophører, ved at styrefladerne 24's bagkanter 25 25 passerer boringerne 26. Da dette sker væsentlig senere, når motoren kører på olie alene, end når pumpen er indstillet til kun at levere den minimale oliemængde, når trykket i sidstnævnte tilfælde kun op på en væsentlig lavere maksimal værdi, inden det falder igen. I 30 begge tilfælde antager trykket efter afslutningen af olieindsprøjtningen i det væsentlige samme værdi Plf som ligger betydelig højere end forpumpetrykket. Trykket holder sig på P^ under hovedparten af den resterende del af stemplet 23's opadgående slag, hvorefter det falder 35 til forpumpetrykket, i slagets sidste del, hvor hastigheden aftager til nul.

DK 154448 9 Når glideren 41 indtager den i fig. 2 og 3 viste yderstilling, virker pilotolietrykket på hele gliderens tværsnitsareal, og dette areal er valgt således i forhold til arealet af boringen 39, at trykket P* i 5 boringen 44 er tilstrækkeligt til at fastholde glideren mod kræfterne fra servoolietrykket i boringen 39 og fjederen 45. Med ventilen 10 (fig. 1) åben strømmer servoolien derfor gennem ventilen 16 til injektoren 1 og holder injektorens gasventil åben. Så snart 10 olietrykket falder til forpumpetrykket, fører fjederen 45 glideren til dennes højre yderstilling og sætter boringen 39 i forbindelse med drænkanalen 46. På dette tidspunkt vil ventilen 10 normalt være lukket, idet gasindblæsningen i cylinderen skal være afsluttet.

15 Glideren 41 forbliver i sin højre yderstilling, indtil trykket i pilotoliepumpen igen begynder at stige.

Da trykket nu kun virker på det væsentlig mindre tværsnitsareal af boringen 44, forbliver aflastningspassagen 39, 46 for servoolien åben, indtil pilotolietryk-20 ket er i stand til at overvinde modkraften for fjederen 45, dvs. når trykket mindst er lig med den værdi Pq, hvor olieventilen i injektoren 1 åbner. Selv hvis ventilen 10 er åbnet forinden, kan servoolien ikke åbne gasventilen i injektoren, fordi den åbne passage 39, 46 25 i ventilen 16 hindrer servoolietrykket i at nå op på den værdi, som kræves hertil. Det er således sikret, at gasindblæsning i motorcylinderen kun kan finde sted i forbindelse med indsprøjtning af det nødvendige kvantum pilotolie. Så snart det stigende pilotolietryk har ført 30 glideren 41 mod venstre, virker trykket på hele gliderens endeflade, og uanset varigheden af pilotoliens indsprøjtningsperiode og det i denne periode opnåede maksimale tryk, forbliver glideren i sin venstre yderstilling, som forklaret ovenfor, indtil pumpestemplet 35 23 begynder at bevæge sig langsommere, så trykket falder under Pj_.

Claims (6)

1. Brændstofsystem til en dual-fuel dieselmotor, der normalt opererer med gas som hovedbrændstof og pilotolie som tændhjælp, og hvor der til hver cylinder hører mindst én injektor (1) til indblæsning af gas og indsprøjtning af pilotolie via separate ventiler, som er 15 påvirket til lukning af hver sin lukkefjeder og til åbning af henholdsvis et servoolietryk og pilotolietryk-ket, kendetegnet ved, at der i hver injektors (1) tilgangsledning (5) for servoolie er indbygget en trykaflastningsventil (16) med et ventillegeme (41), som 20 er påvirket mod lukket stilling af trykket i injektorens tilgangsledning (4) for pilotolie, og som ved svigtende pilotolietryk åbner for en drænkanal (46) for servoolie, når servoolietrykket samtidig overstiger en vis størrelse.

2. Brændstofsystem ifølge krav 1, kende tegnet ved en fjeder (45), som forbelaster ventillegemet (41) i retning mod åben drænstilling.

3. Brændstofsystem ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at ventillegemet er en cylindrisk 30 glider (41), som i hver ende har en koaksial, som nåleventil udformet aksial ansats (43, 42) til samvirken med hver sit ventilsæde, der omgiver en henholdsvis til servoolieledningen og til pilotolieledningen førende kanal (39, 44).

4. Brændstofsystem ifølge krav 3, kende tegnet ved, at trykaflastningsventilens (16) gen- DK 154448 B nemstrømningspassage for servoolie har et indsnævret parti (38), hvorfra kanalen (39) til det tilhørende ventilsæde er afgrenet.

5. Brændstofsystem ifølge krav 3 eller 4, og hvor 5 pilotolien leveres af en knastaktiveret doseringspumpe (8) af Bosch-typen, kendetegnet ved, at forholdet mellem tværsnitsarealerne af glideren (41) og af kanalen (44) til pilotolieledningen er lig med eller større end forholdet mellem det olietryk, ved hvilket 10 injektorens hovedventil åbner, og det pilotolietryk, der hersker under den afsluttende fase af pumpeslaget efter lukning af injektorens pilotolieventil.

6. Brændstofsystem ifølge krav 5, kendetegnet ved, at trykaf lastningsventilen (16) er 15 indbygget i pilotoliepumpen (8).