EP2871286B1 - Rammhammer - Google Patents

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EP2871286B1
EP2871286B1 EP13192594.3A EP13192594A EP2871286B1 EP 2871286 B1 EP2871286 B1 EP 2871286B1 EP 13192594 A EP13192594 A EP 13192594A EP 2871286 B1 EP2871286 B1 EP 2871286B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
primary fuel
piston
nozzle
ignition oil
fuel
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP13192594.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2871286A1 (de
Inventor
Leopold Jerch
Matthias Heichel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delmag GmbH and Co KG
Original Assignee
Delmag GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delmag GmbH and Co KG filed Critical Delmag GmbH and Co KG
Priority to EP13192594.3A priority Critical patent/EP2871286B1/de
Priority to US14/533,168 priority patent/US9759124B2/en
Priority to CN201410633571.9A priority patent/CN104631457B/zh
Publication of EP2871286A1 publication Critical patent/EP2871286A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2871286B1 publication Critical patent/EP2871286B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B11/00—Engines characterised by both fuel-air mixture compression and air compression, or characterised by both positive ignition and compression ignition, e.g. in different cylinders
    • F02B11/02—Engines characterised by both fuel-air mixture compression and air compression, or characterised by both positive ignition and compression ignition, e.g. in different cylinders convertible from fuel-air mixture compression to air compression or vice versa
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers
    • E02D7/12—Drivers with explosion chambers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers
    • E02D7/12—Drivers with explosion chambers
    • E02D7/125—Diesel drivers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D9/00—Portable percussive tools with fluid-pressure drive, i.e. driven directly by fluids, e.g. having several percussive tool bits operated simultaneously
    • B25D9/06—Means for driving the impulse member
    • B25D9/10—Means for driving the impulse member comprising a built-in internal-combustion engine

Definitions

  • the invention relates to a hammer, comprising a cylinder, a displaceably guided in the cylinder piston and slidably guided in the cylinder hammer head according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating a pile driver according to claim. 9
  • Ramming hammers which are regularly operated in the prior art with diesel, which is why they are also referred to as diesel rams, diesel hammers or diesel bears, especially for foundation work of the construction industry for driving piles of all kinds, such as concrete pillars, iron supports, sheet piling or the like in a building ground Commitment.
  • the piston is pulled upwards by means of a notching device inside the cylinder and disengaged at a certain height, whereby it falls down on the striking piece under the action of gravity.
  • a fuel pump is actuated by the piston, via which one or more injection nozzles supply fuel, in particular diesel oil.
  • fuel in particular diesel oil.
  • the piston is hurled upward again for a new working cycle; at the same time the pile is driven over the hammer in the ground.
  • Advantages of the high-pressure injection are the good, relatively residue-free combustion, a good starting behavior of the diesel hammer and a good pile action on soft soil layers.
  • the fuel at the beginning of the compression process at a lower pressure in the form of a fuel jet introduced into the combustion chamber and is then first as a fuel surface on the upper face of the hammer.
  • the air in the combustion chamber is compressed by the falling piston until it strikes the hammer.
  • the liquid fuel is atomized by the impinging piston surface and ignites in this state in the hot compressed air.
  • the piston is then thrown upwards by the explosion, whereupon another cycle of work can begin.
  • the piston Until it hits the striking piece, the piston is only braked in its case by the air in the combustion chamber and compressed by it. This means that the kinetic energy of the piston is transferred to a large extent to the striking piece, whereby at the same weight of the piston significantly higher impact forces can be exerted on the pile material than is the case with the high-pressure injection.
  • the impact of the piston on the hammer occurs in time before the combustion of the fuel.
  • Diesel hammers that use low pressure fuel injection are less well suited for use with low ground drag.
  • the compression is reduced due to the lower resistance of the soil, because even the building up compression pressure is transmitted via the downwardly moving hammer on the Rammgut.
  • the combustion chamber is actually enlarged, which in turn is at the expense of the compression pressure. Combustion therefore only proceeds with reduced quality in soft soils, which can lead to undesirable residues (soot, unburned fuel in the combustion gases) which pollute the environment.
  • An advantage of the impact atomization is that the kinetic energy of the piston is used effectively, since the piston strikes hard on the hammer.
  • a diesel hammer with impact atomization is less likely to overheat, is less prone to failure, and easier to operate than a high-pressure injection diesel hammer.
  • WO 2006/072297 A1 is a diesel hammer described in which the diesel oil can be injected either as atomized fuel mist (high-pressure injection) and / or as a fuel jet (low-pressure injection) in the combustion chamber.
  • This diesel hammer has proven itself in practice. In this diesel hammer it is possible to operate it in soft ground conditions with high-pressure injection, but in hard soil layers with low-pressure injection or impact atomization. Thus, an adjustment of the efficiency of the diesel hammer while optimizing the combustion, which also depends in part on the soil resistance, soft or hard layers of the soil is guaranteed.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention is based on the object to improve a pile hammer of the aforementioned type with the same function and reliability of the fuel combustion process and to avoid the formation of combustion residues. According to the invention, this object is achieved by a pile hammer with the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • a pile hammer of the aforementioned type is created in which improves the function and reliability of the fuel combustion process and the formation of combustion residues is avoided.
  • a Primärzu pilzu211 landmark is arranged, comprising a connected to a high-resistance fuel having a primary fuel tank, designed as a high-pressure injector primary fuel nozzle and a Zündölzu1700 landmark is arranged, which comprises a connected to an ignition oil having Zündöltank connected, designed as a low-pressure injector Zündöldüse, a well-defined combustion process can be achieved.
  • the primary fuel can be introduced at the beginning of the compression stroke, whereby more time is available for the mixture formation and evaporation of the primary fuel.
  • the ignition of the primary fuel takes place by autoignition of the ignition oil, the ignition of which takes place exactly at the time of impact of the piston on the hammer, so always at the optimum time.
  • any suitable fuel with high anti-knocking properties in particular ethanol, natural gas, LPG, biogas, premium gasoline or E85 can be used.
  • the ignition oil may be any suitable fuel which is self-igniting by means of the combustion air heated by compression, such as diesel oil, heating oil, biodiesel or kerosene.
  • the Zündöldüse is designed such that the ignition oil can be applied in the form of a jet on the hammer. As a result, a puddle formation is achieved on the hammer, whereby a premature self-ignition is counteracted.
  • the primary fuel nozzle is preferably designed such that the primary fuel in the form of an atomized fuel spray can be introduced into the combustion chamber. The design of the primary fuel and Zündöldüsen must be matched to the primary fuel used.
  • the primary fuel nozzle is arranged such that the fuel mist is orthogonal to the direction of movement of the piston in the vicinity of the end face in the combustion chamber can be introduced. As a result, a homogeneous distribution of the primary fuel-air mixture is achieved.
  • the primary fuel nozzle and the Zündöldüse are arranged at different vertical distances from the hammer.
  • the Zündöldüse is preferably arranged above the primary fuel nozzle seen from the hammer piece ago. In this way, initially the jet-shaped introduction of a Zündölpfütze done on the hammer, after which takes place with increasing compression of the air, the injection of the primary fuel. As a result, premature self-ignition of the ignition oil is counteracted further.
  • the primary fuel nozzle and the Zündöldüse are each connected to a pump device which are controllable by the falling piston, wherein preferably at least one of the pump means comprises a pump plunger which protrudes into the cylinder and is designed such that it by sweeping the piston when falling a pump device operated by the injection process is initiated.
  • the invention is further based on the object to provide a method for operating a piling hammer of the aforementioned type, which allows an improvement of the fuel combustion process while avoiding the formation of combustion residues with the same function and reliability of the hammer. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of the characterizing part of patent claim 9.
  • a method for operating a pile hammer of the aforementioned type which allows an improvement of the fuel combustion process while avoiding the formation of combustion residues with the same function and reliability of the hammer.
  • the ignition of the primary fuel-air mixture takes place only when the piston by the spontaneous ignition of the ignition oil, a good homogenization of the primary fuel-air mixture is effected, whereby an optimal combustion is promoted.
  • primary fuel and ignition oil are preferably introduced into the combustion chamber at different times.
  • a small amount of ignition oil is sprayed onto the striking piece, whereby a Zündölpfwitze is formed, after which the primary fuel is introduced in the form of an atomized fuel spray into the combustion chamber, before the located on the hammer piece Zündöl atomized by the impact of the piston on the hammer and is ignited.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a piling hammer.
  • the hammer chosen as an exemplary embodiment comprises a cylinder 1 which is open on both sides and which can regularly have a length of 3 to 8 meters and a diameter of 0.2 to 1.5 meters.
  • a piston 2 is slidably disposed in the cylinder 1 a.
  • a coaxial to this impact piece 3 engages slidably in the open lower end of the cylinder 1 a.
  • an annular bearing unit 9 is fixed, in which a middle shaft portion 31 of the hammering piece 3 is guided tightly and displaceably, which has a relation to the inner diameter of the cylinder 1 reduced outer diameter.
  • the pile hammer is mounted on the cylinder 1 arranged guide jaws 13 along a Switzerland cartiklers 8 vertically.
  • a striking plate 32 located below the cylinder 1, the outwardly directed lower convex boundary surface 33 cooperating in operation with the upper end of a driven-in pile material to be driven in.
  • a piston portion 34 is formed with a plurality of circumferential, axially spaced sealing rings which run on the inner circumferential surface 11 of the cylinder 1.
  • a combustion chamber 12 is limited together with the underside of the piston 2 and the inner circumferential surface 11 of the cylinder 1.
  • the combustion chamber 12 of the cylinder 1 facing end face of the hammer 3 is ground flat with a shallow fuel well.
  • a damping ring 91 is arranged between the impact plate 32 of the hammer 3 and the bearing unit 9 of the cylinder 1.
  • a further damping ring 92 is arranged adjacent to the bearing unit 9 between the upper side of the bearing unit 9 and the underside of the piston portion 34 of the hammer 3.
  • a mass portion 22 is formed, which extends in the upper portion of the cylinder 1 inside.
  • a primary fuel supply 4 comprising a primary fuel pump 41 which is connected via a conduit to a primary fuel nozzle 42 in the form of a high pressure injector.
  • the primary fuel pump 41 is fed via a primary fuel tank 45 with a high anti-knock fuel, in this case ethanol.
  • ethanol for example, natural gas, LPG, biogas premium gasoline or E85 (gasoline-ethanol mixture with 85 percent ethanol content) can be used.
  • the primary fuel pump 41 which is connected to the primary fuel tank 45 via a line, has a prestressed pump lever 44 projecting into the interior of the cylinder 1, via which it is driven when the falling piston 2 passes.
  • the primary fuel supply device 4, in particular its primary fuel nozzle 42, is designed and aligned such that the discharged primary fuel is injected into the combustion chamber 12 essentially as a finely atomized mist.
  • an ignition oil pump 51 which is driven by a biased into the interior of the cylinder 1 pump lever 54 upon falling of the piston 2, conveyor side connected via a line with a formed as a low-pressure injection nozzle Zündöldüse 52 and forms with this an Zündölzu classroom
  • the Zündölpumpe 51 communicates with a filled with Zündöl used as diesel oil Zündöltank.
  • the Zündölzu slaughterfish issued 5 is axially spaced from the Primärzufstoffzu slaughterfish issued 4 towards the upper end of the cylinder 1 and arranged in the peripheral wall of the cylinder 1.
  • Your Zündöldüse 52 is formed and aligned such that the discharged ignition oil is injected in the form of a substantially continuous jet 53 approximately centrally on the end face of the hammer 3.
  • a lubricant pump 7 is arranged on the cylinder 1, which is connected to distributed in the circumferential direction of the cylinder 1 lubricant nozzles. Through the lubricant nozzles lubricant between the piston 2 and the inner circumferential surface 11 of the cylinder 1 is given.
  • the pile hammer described above operates as follows: In the initial state, the piston 2 is raised via the - not shown - release device in an upper position. After notching it falls from there under the action of gravity down, closes the working socket 16 and actuates with its end face 21 successively the pump lever 54, 44 of the Zündölzulite adopted 5 and the Primärzu pizulite Anlagen 4. This is initially a jet-shaped application of a small amount of ignition oil on the Schlag Biology 3, which forms a puddle there. Subsequently, the primary fuel, in this case ethanol, is atomized via the primary fuel nozzle 42 into the combustion chamber 12, which is thus mixed with air and compressed via the falling piston 2. Upon impact of the piston 2 on the hammer 3, the Zündölpfütze is atomized and self-ignited, whereby the ignition of the compressed primary fuel-air mixture 6 takes place.
  • the primary fuel in this case ethanol

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rammhammer, umfassend einen Zylinder, einen in dem Zylinder verschiebbar geführten Kolben und einem in dem Zylinder verschiebbar geführten Schlagstück nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Rammhammers nach dem Patentanspruch 9.
  • Rammhämmer, die im Stand der Technik regelmäßig mit Dieselöl betrieben werden, weshalb sie auch als Dieselrammen, Dieselhämmer oder Dieselbären bezeichnet werden, kommen insbesondere bei Gründungsarbeiten der Bauindustrie zum Einrammen von Pfählen aller Art, wie Betonpfeiler, Eisenträger, Spundwandelementen oder dergleichen in einem Baugrund zum Einsatz.
  • Zum Starten einer solchen Dieselramme wird der Kolben mithilfe einer Ausklinkvorrichtung innerhalb des Zylinders nach oben gezogen und in einer bestimmten Höhe ausgeklinkt, wodurch er unter Einwirkung der Schwerkraft nach unten auf das Schlagstück fällt. Beim Niederfallen wird durch den Kolben eine Kraftstoffpumpe betätigt, über welche über eine oder mehrere Einspritzdüsen eine Zuführung von Kraftstoff, insbesondere von Dieselöl erfolgt. Durch den niederfallenden Kolben wird die im Brennraum des Zylinders befindliche Luft komprimiert und hierdurch derart erhitzt, dass sich das im Brennraum vorliegende Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet, worauf es explosionsartig verbrennt. Durch die hierbei frei werdende Explosionsenergie wird zum einen der Kolben für einen neuen Arbeitszyklus wieder nach oben geschleudert; gleichzeitig wird das Rammgut über das Schlagstück in den Boden getrieben.
  • Bei solchen Dieselhämmern sind zwei Typen mit unterschiedlichen Arten zum Einspritzen von Dieselöl in den Brennraum bekannt. Bei der sogenannten Hochdruck-Einspritzung wird der Kraftstoff während der Kompression der Luft durch den fallenden Kolben mit hohem Druck in Form eines fein zerstäubten Kraftstoffnebels in den Brennraum des Zylinders eingespritzt. Dieser Nebel bildet zusammen mit der Luft ein zündfähiges Gemisch. Der Kraftstoff entzündet sich bei der Hochdruck-Einspritzung bereits während des Kompressionsvorganges, sobald die komprimierte Luft eine Temperatur erreicht, die zur Entzündung des Kraftstoffgemischs ausreicht. Durch die explosionsartige Verbrennung baut sich im Brennraum ein hoher Druck auf, durch den einerseits der Kolben abgebremst wird. Andererseits wirkt dieser Verbrennungsdruck auf das Schlagstück, welches eine Kraft auf das Rammgut ausübt, wodurch dieses in den Boden eingetrieben wird.
  • Der Verdichtungsvorgang endet spätestens mit dem Auftreffen des Kolbens auf das Schlagstück, wobei der Kolben, der ja bereits vor dem Auftreffen auf das Schlagstück durch die expandierenden Verbrennungsprodukte abgebremst wurde, nicht mit voller kinetischer Energie auf das Schlagstück aufschlägt. Zeitweise, insbesondere bei einem harten Baugrund, kann sogar der Fall auftreten, dass der Kolben das Schlagstück überhaupt nicht berührt und ohne vorherigen Kontakt mit dem Schlagstück durch die Verbrennungsgase wieder nach oben geschleudert wird. Unter solchen Bedingungen wirkt das Schlagstück nur über das Verbrennungsgas-Polster auf das Rammgut ein. Daher eignen sich Dieselhämmer, bei denen eine Hochdruckeinspritzung verwendet wird weniger zum Einrammen von schwerem Rammgut oder bei schwierigen Bodenverhältnissen mit harten Schichten.
  • Zudem wird ein derartiger Dieselhammer im Betrieb sehr heiß und das System der Hochdruck-Einspritzung neigt bei Überhitzung zu Fehlzündungen. Ein solches System ist zudem reparaturanfällig und hat einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass ein Dieselhammer mit Hochdruck-Einspritzung auf Baustellen vor Ort nur schlecht oder gar nicht reparierbar ist.
  • Vorteile der Hochdruck-Einspritzung sind in der guten, relativ rückstandsfreien Verbrennung, einem guten Startverhalten des Dieselhammers sowie einer guten Rammwirkung bei weichen Bodenschichten zu sehen.
  • Bei der sogenannten Schlagzerstäubung, die im Gegensatz zur Hochdruck-Einspritzung auch als Niederdruck-Einspritzung bezeichnet wird, wird der Kraftstoff zu Beginn des Kompressionsvorganges mit niedrigerem Druck in Form eines Kraftstoffstrahls in den Brennraum eingebracht und liegt danach zunächst als Kraftstofflache auf der oberen Stirnseite des Schlagstücks. Die Luft im Brennraum wird durch den niederfallenden Kolben solange komprimiert, bis dieser auf das Schlagstück aufschlägt. In diesem Moment wird der flüssige Kraftstoff durch die auftreffende Kolbenfläche zerstäubt und entzündet sich in diesem Zustand in der heißen komprimierten Luft. Der Kolben wird dann durch die Explosion nach oben geschleudert, worauf ein weiterer Arbeitszyklus beginnen kann.
  • Bis zum Aufschlagen auf das Schlagstück wird der Kolben lediglich durch die im Brennraum befindliche und durch ihn komprimierte Luft in seinem Fall gebremst. Dies bedeutet, die Bewegungsenergie des Kolbens wird zum großen Teil auf das Schlagstück übertragen, wodurch bei gleichem Gewicht des Kolbens deutlich höhere Schlagkräfte auf das Rammgut ausgeübt werden können als dies bei der Hochdruck-Einspritzung der Fall ist. Der Aufschlag des Kolbens auf das Schlagstück erfolgt zeitlich vor der Verbrennung des Kraftstoffes.
  • Dieselhämmer, die eine Niederdruck-Einspritzung verwenden, sind weniger gut dafür geeignet, bei geringen Bodenwiderständen eingesetzt zu werden. In diesen Fällen verringert sich die Kompression auf Grund des geringeren Widerstandes des Erdreiches, denn bereits der sich aufbauende Kompressionsdruck wird über das sich nach unten bewegende Schlagstück auf das Rammgut übertragen. Der Brennraum wird dadurch faktisch vergrößert, was wiederum auf Kosten des Kompressionsdruckes geht. Die Verbrennung läuft somit bei weichen Böden nur mit verminderter Qualität ab, was zu unerwünschten Rückständen (Ruß, unverbrannter Kraftstoff in den Verbrennungsgasen) führen kann, die die Umwelt belasten.
  • Vorteilhaft bei der Schlagzerstäubung ist, dass die Bewegungsenergie des Kolbens effektiv genutzt wird, da der Kolben hart auf dem Schlagstück aufschlägt. Zudem neigt ein Dieselhammer mit Schlagzerstäubung weniger zu einer Überhitzung, ist weniger störanfällig und einfacher zu bedienen als ein Dieselhammer mit Hochdruck-Einspritzung.
  • Bislang musste bei Dieselhämmern der Nachteil in Kauf genommen werden, dass ein nach einem der beiden Arbeitsprinzipien arbeitender Dieselhammer immer nur bestimmten örtlichen Gegebenheiten Rechnung tragen konnte. Stellte sich vor Ort heraus, dass die Bodenbeschaffenheit anders war oder wurde als vorausgeplant, musste entweder mit dem nicht optimalen Gerät weitergearbeitet werden oder ein anderer Dieselhammer beschafft werden, was zu Zeitverlust und höheren Kosten führte.
  • In der WO 2006/072297 A1 ist ein Dieselhammer beschrieben, bei dem das Dieselöl wahlweise als zerstäubter Kraftstoffnebel (Hochdruck-Einspritzung) und/oder als Kraftstoffstrahl (Niederdruck-Einspritzung) in den Brennraum eingespritzt werden kann. Dieser Dieselhammer hat sich in der Praxis bewährt. Bei diesem Dieselhammer ist es ermöglicht, diesen bei weichen Bodenverhältnissen mit Hochdruck-Einspritzung, bei harten Bodenschichten jedoch mit Niederdruckeinspritzung bzw. Schlagzerstäubung zu betreiben. So ist eine Anpassung der Wirksamkeit des Dieselhammers bei gleichzeitiger Optimierung der Verbrennung, die teilweise ebenfalls von dem Bodenwiderstand abhängt, an weiche oder harte Schichten des Bodens gewährleistet.
  • Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass es bei den unterschiedlichen Betriebsarten zu unvollständigen Kraftstoffverbrennungen kommen kann, wodurch Verbrennungsrückstände im Brennraum verbleiben.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rammhammer der vorgenannten Art bei gleichbleibender Funktion und Zuverlässigkeit den Kraftstoffverbrennungsprozess zu verbessern und die Entstehung von Verbrennungsrückständen zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Rammhammer mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Mit der Erfindung ist ein Rammhammer der vorgenannten Art geschaffen, bei dem bei gleichbleibender Funktion und Zuverlässigkeit der Kraftstoffverbrennungsprozess verbessert und die Entstehung von Verbrennungsrückständen vermieden ist. Dadurch, dass eine Primärkraftstoffzuführeinrichtung angeordnet ist, die eine mit einem einen Kraftstoff mit hoher Klopffestigkeit aufweisenden Primärkraftstofftank verbundene, als Hochdruck-Einspritzdüse ausgeführte Primärkraftstoffdüse umfasst und ein Zündölzuführeinrichtung angeordnet ist, die eine mit einem ein Zündöl aufweisenden Zündöltank verbundene, als Niederdruck-Einspritzdüse ausgeführte Zündöldüse umfasst, ist ein genau definierter Verbrennungsprozess erzielbar. Durch den Einsatz eines Primärkraftstoffs mit hoher Klopffestigkeit ist eine homogene Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches bewirkt, wodurch eine Verbesserung der Verbrennung erzielt ist. Dabei kann der Primärkraftstoff zu Beginn des Verdichtungstaktes eingebracht werden, wodurch mehr Zeit für die Gemischbildung und Verdampfung des Primärkraftstoffs zur Verfügung steht. Die Zündung des Primärkraftstoffs erfolgt durch Selbstzündung des Zündöls, dessen Zündung genau zum Zeitpunkt des Aufschlags des Kolbens auf das Schlagstück, also immer zum optimalen Zeitpunkt, erfolgt.
  • Da bei jedem Arbeitszyklus jeweils nur eine minimale Menge an Zündöl zur Fremdzündung des Primärkraftstoff-Luftgemischs erforderlich ist, ist ein sehr sauberer und insbesondere partikelarmer Verbrennungsprozess bewirkt. Als Primärkraftstoff kann jeder geeignete Kraftstoff mit hoher Klopffestigkeit, insbesondere Ethanol, Erdgas, LPG, Biogas, Superbenzin oder E85 verwendet werden. Als Zündöl kann jeder geeignete Kraftstoff, der mittels der durch Komprimieren erhitzten Verbrennungsluft selbstzündend ist, wie beispielsweise Dieselöl, Heizöl, Biodiesel oder Kerosin zum Einsatz kommen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist die Zündöldüse derart ausgebildet, dass das Zündöl in Form eines Strahls auf das Schlagstück aufbringbar ist. Hierdurch ist eine Pfützenbildung auf das Schlagstück erzielt, wodurch einer vorzeitigen Selbstzündung entgegengewirkt ist. Dabei ist die Primärkraftstoffdüse vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Primärkraftstoff in Form eines zerstäubten Kraftstoffnebels in den Brennraum einbringbar ist. Die Gestaltung der Primärkraftstoff- und Zündöldüsen ist auf den eingesetzten Primärkraftstoff abzustimmen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist die Primärkraftstoffdüse derart angeordnet, dass der Kraftstoffnebel orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens in die Nähe der Stirnfläche in den Brennraum einbringbar ist. Hierdurch ist eine homogene Verteilung des Primärkraftstoff-Luftgemischs erzielt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Primärkraftstoffdüse und die Zündöldüse in unterschiedlichen vertikalen Abständen zum Schlagstück angeordnet. Dabei ist die Zündöldüse bevorzugt von dem Schlagstück her gesehen oberhalb der Primärkraftstoffdüse angeordnet. Hierdurch kann zunächst die strahlförmige Einbringung einer Zündölpfütze auf das Schlagstück erfolgen, wonach unter zunehmender Komprimierung der Luft die Einspritzung des Primärkraftstoffs erfolgt. Hierdurch ist einer vorzeitigen Selbstzündung des Zündöls weiter entgegen gewirkt.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die Primärkraftstoffdüse und die Zündöldüse jeweils mit einer Pumpeneinrichtung verbunden, die durch den niederfallenden Kolben steuerbar sind, wobei bevorzugt wenigstens eine der Pumpeneinrichtungen einen Pumpenstößel aufweist, der in den Zylinder hineinragt und derart ausgebildet ist, dass er durch Überstreichen des Kolbens beim Niederfallen eine Pumpeneinrichtung betätigt, durch die ein Einspritzvorgang initiiert wird. Hierdurch ist eine mechanische, sehr robuste und störunanfällige Steuerung des Kraftstoffeinspritzprozesses erzielt.
  • Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Rammhammers der vorgenannten Art bereitzustellen, das bei gleichbleibender Funktion und Zuverlässigkeit des Rammhammers eine Verbesserung des Kraftstoffverbrennungsprozesses bei gleichzeitiger Vermeidung der Entstehung von Verbrennungsrückständen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 9 gelöst.
  • Mit der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Rammhammers der vorgenannten Art bereitgestellt, das bei gleichbleibender Funktion und Zuverlässigkeit des Rammhammers eine Verbesserung des Kraftstoffverbrennungsprozesses bei gleichzeitiger Vermeidung der Entstehung von Verbrennungsrückständen ermöglicht. Dadurch, dass die Zündung des Primärkraftstoff-Luftgemisches erst beim Aufschlagen des Kolbens durch die Selbstentzündung des Zündöls erfolgt, ist eine gute Homogenisierung des Primärkraftstoff-Luftgemisches bewirkt, wodurch eine optimale Verbrennung gefördert ist. Dabei werden bevorzugt Primärkraftstoff und Zündöl zu verschiedenen Zeiten in den Brennraum eingebracht.
  • Besonders bevorzugt wird zunächst eine geringe Menge Zündöl auf das Schlagstück gespritzt, wodurch eine Zündölpfütze gebildet ist, wonach der Primärkraftstoff in Form eines zerstäubten Kraftstoffnebels in den Brennraum eingebracht wird, bevor das auf dem Schlagstück befindliche Zündöl durch den Aufschlag des Kolbens auf das Schlagstück zerstäubt und gezündet wird.
  • Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Die einzige Figur 1 zeigt die schematische Darstellung eines Rammhammers.
  • Der als Ausführungsbeispiel gewählte Rammhammer umfasst einen beidseitig offenen Zylinder 1, der regelmäßig eine Länge von 3 bis 8 Metern und einen Durchmesser von 0,2 bis 1,5 Meter aufweisen kann. In dem Zylinder 1 ist ein Kolben 2 verschiebbar angeordnet. Ein hierzu koaxiales Schlagstück 3 greift verschiebbar in das offene untere Ende des Zylinders 1 ein. An dem unteren Ende des Zylinders 1 ist eine ringförmige Lagereinheit 9 befestigt, in der ein mittlerer Schaftabschnitt 31 des Schlagstücks 3 dicht und verschiebbar geführt ist, der einen gegenüber dem Innendurchmesser des Zylinders 1 verminderten Außendurchmesser aufweist. Der Rammhammer ist über an den Zylinder 1 angeordnete Führungsbacken 13 entlang eines Mäklers 8 vertikal verschiebbar gelagert.
  • An dem unteren Ende des Schaftabschnitts 31 ist eine unterhalb des Zylinders 1 liegende Schlagplatte 32 angeformt, deren nach außen gerichtete untere konvexe Begrenzungsfläche 33 im Betrieb mit dem oberen Ende eines einzutreibenden Rammgutes zusammenwirkt.
  • An dem oberen Ende des Schaftabschnitts 31 des Schlagstücks 3 ist ein Kolbenabschnitt 34 mit mehreren umlaufenden, axial beabstandeten Dichtringen angeformt, die auf der Innenmantelfläche 11 des Zylinders 1 laufen. Durch die Oberseite des Kolbenabschnitt 34 des Schlagstücks 3 ist zusammen mit der Unterseite des Kolbens 2 sowie der Innenmantelfläche 11 des Zylinders 1 ein Brennraum 12 begrenzt.
  • Die dem Brennraum 12 des Zylinders 1 zugewandte Stirnfläche des Schlagstücks 3 ist plan mit einer flachen Brennstoffmulde geschliffen.
  • Zwischen der Schlagplatte 32 des Schlagstücks 3 und der Lagereinheit 9 des Zylinders 1 ist ein Dämpfungsring 91 angeordnet. Ein weiterer Dämpfungsring 92 ist benachbart zur Lagereinheit 9 zwischen der Oberseite der Lagereinheit 9 und der Unterseite des Kolbenabschnitts 34 des Schlagstücks 3 angeordnet.
  • Oberhalb des Schlagstücks 3 läuft im Inneren des Zylinders 1 ein mit umlaufenden, axial zueinander beabstandeten Dichtringen 93 versehenes, unteres Arbeitsende 23 des Kolbens 2. Die untere freie, plan geschliffene Stirnfläche 21 des Kolbens 2 ist durch eine radial außenliegend umlaufende Stufe abgesetzt.
  • An dem unteren Arbeitsende 23 des Kolbens 2 ist ein Massenabschnitt 22 angeformt, der sich in dem oberen Abschnitt des Zylinders 1 hinein erstreckt. An der Umfangswand des Zylinders 1 ist eine Primärkraftstoffzuführeinrichtung 4 angeordnet, die eine Primärkraftstoffpumpe 41 umfasst, die über eine Leitung mit einer in Form einer Hochdruck-Einspritzdüse ausgebildeten Primärkraftstoffdüse 42 verbunden ist. Die Primärkraftstoffpumpe 41 wird über einen Primärkraftstofftank 45 mit einem eine hohe Klopffestigkeit aufweisenden Kraftstoff, vorliegend Ethanol gespeist. An Stelle von Ethanol kann beispielsweise auch Erdgas, LPG, Biogas Superbenzin oder E85 (Benzin-Ethanolmischung mit 85-prozentigen Ethanolanteil) zum Einsatz kommen.
  • Die über eine Leitung mit dem Primärkraftstofftank 45 verbundene Primärkraftstoffpumpe 41 weist einen ins Innere des Zylinders 1 ragenden, vorgespannten Pumpenhebel 44 auf, über den sie bei Passieren des fallenden Kolbens 2 angetrieben wird. Die Primärkraftstoffzuführeinrichtung 4, insbesondere deren Primärkraftstoffdüse 42 ist derart ausgebildet und ausgerichtet, dass der abgegebene Primärkraftstoff im Wesentlichen als fein zerstäubter Nebel in den Brennraum 12 eingespritzt wird.
  • Weiterhin ist eine Zündölpumpe 51, die durch einen ins Innere des Zylinders 1 vorgespannten Pumpenhebel 54 beim Fallen des Kolbens 2 angetrieben wird, förderseitig über eine Leitung mit einer als Niederdruck-Einspritzdüse ausgebildeten Zündöldüse 52 verbunden und bildet mit dieser eine Zündölzuführeinrichtung 5. Die Zündölpumpe 51 kommuniziert mit einem mit als Zündöl eingesetzten Dieselöl gefülltem Zündöltank. Die Zündölzuführeinrichtung 5 ist axial von der Primärkraftstoffzuführeinrichtung 4 in Richtung auf das obere Ende des Zylinders 1 beabstandet an und in der Umfangswand des Zylinders 1 angeordnet. Ihre Zündöldüse 52 ist derart ausgebildet und ausgerichtet, dass das abgegebene Zündöl in Form eines im Wesentlichen zusammenhängenden Strahls 53 etwa mittig auf die Stirnfläche des Schlagstücks 3 gespritzt wird.
  • Die Gestaltung der Primärkraftstoff- und der Zündölpumpen 41, 51 mit jeweils angeordnetem, in den Zylinder 1 hineinragenden Pumpenhebel 44, 54 entsprechen im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen der Ausführung der im Stand der Technik bekannten in der WO 2006/072297 beschriebenen Kraftstoffpumpen der Niederdruck-Einspritzvorrichtung. Daher wird in Bezug auf diese Pumpen an dieser Stelle auf die Ausführungen dieser Druckschrift verwiesen.
  • Weiterhin ist an dem Zylinder 1 eine Schmierstoffpumpe 7 angeordnet, die mit in Umfangsrichtung des Zylinders 1 verteilten Schmierstoffdüsen verbunden ist. Durch die Schmierstoffdüsen wird Schmierstoff zwischen den Kolben 2 und die Innenmantelfläche 11 des Zylinders 1 gegeben.
  • Der zuvor beschriebene Rammhammer arbeitet folgendermaßen: Im Ausgangszustand ist der Kolben 2 über die - nicht dargestellte - Ausklinkvorrichtung in eine obere Stellung angehoben. Nach Ausklinken fällt er von dort unter Einwirkung der Schwerkraft nach unten, verschließt die Arbeitsstutzen 16 und betätigt mit seiner Stirnfläche 21 nacheinander den Pumpenhebel 54, 44 der Zündölzuführeinrichtung 5 bzw. der Primärkraftstoffzuführeinrichtung 4. Hierdurch erfolgt zunächst eine strahlförmige Aufbringung einer geringen Menge Zündöl auf des Schlagstück 3, das dort eine Pfütze ausbildet. Nachfolgend wird der Primärkraftstoff, vorliegend Ethanol, über die Primärkraftstoffdüse 42 in den Brennraum 12 zerstäubt eingespritzt, der so mit Luft vermischt und über den herabfallenden Kolben 2 komprimiert wird. Beim Aufschlagen des Kolbens 2 auf das Schlagstück 3 wird die Zündölpfütze zerstäubt und selbstentzündet, wodurch die Zündung des verdichteten Primärkraftstoff-Luftgemischs 6 erfolgt.
  • Mit dem Aufschlagen des Kolbens 2 auf das Schlagstück 3 wird gleichsam auf das Schlagstück 3 und über dieses auf das Rammgut eine nach unten gerichtete Kraft ausgeübt, welche das Rammgut weiter in das Erdreich treibt. Bei der anschließend durch die explosionsartige Verbrennung des Primärkraftstoffs ausgelösten Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 gibt dieser die Arbeitsstutzen 16 frei, wodurch sich die Verbrennungsgase entspannen und über die Arbeitsstutzen 16 abströmen. Der Kolben 2 wird nun unter Ansaugen von frischer Luft durch die Arbeitsstutzen 16 weiter nach oben geschleudert, bis er seine obere Endstellung erreicht hat und sich der beschriebene Arbeitszyklus wiederholt.

Claims (11)

  1. Rammhammer, umfassend einen Zylinder (1), einen in dem Zylinder (1) verschiebbar geführten Kolben (2), ein in dem Zylinder (1) verschiebbar geführtes Schlagstück (3), welches in Betriebsstellung des Rammhammers unterhalb des Kolbens (2) angeordnet ist, einem Brennraum (12), der axial von einer im Inneren des Zylinders (1) liegenden Stirnfläche (30) des Schlagstücks (3) und einer Stirnfläche (21) des Kolbens (2) begrenzt ist, sowie wenigstens einer Kraftstoffzuführeinrichtung, durch die bei jedem Arbeitszyklus eine vorgegebene Menge Kraftstoff in den Brennraum (12) einbringbar ist, wobei eine Primärkraftstoffzuführeinrichtung (4) angeordnet ist, die eine mit einem einen Kraftstoff mit hoher Klopffestigkeit aufweisenden Primärkraftstofftank (45) verbundene, als Hochdruck-Einspritzdüse ausgeführte Primärkraftstoffdüse (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zu außerdem eine Zündölzuführeinrichtung (5) angeordnet ist, die eine mit einem ein Zündöl aufweisenden Zündöltank verbundene, als Niederdruck-Einspritzdüse ausgeführte Zündöldüse (52) umfasst.
  2. Rammhammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündöldüse (52) derart ausgebildet ist, dass das Zündöl in Form eines Strahls auf das Schlagstück (3) aufbringbar ist.
  3. Rammhammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärkraftstoffdüse (42) derart ausgebildet ist, dass der Primärkraftstoff in Form eines zerstäubten Kraftstoffnebels in den Brennraum (12) einbringbar ist.
  4. Rammhammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärkraftstoffdüse (42) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoffnebel orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens (2) in die Nähe der Stirnfläche (30) des Schlagstücks (3) in den Brennraum (12) einbringbar ist.
  5. Rammhammer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärkraftstoffdüse (42) und die Zündöldüse (52) in unterschiedlichen vertikalen Abständen zum Schlagstück (3) angeordnet sind
  6. Rammhammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündöldüse (52) von dem Schlagstück (3) her gesehen oberhalb der Primärkraftstoffdüse (42) angeordnet ist.
  7. Rammhammer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärkraftstoffdüse (42) und die Zündöldüse (52) jeweils mit einer Pumpeneinrichtung (41, 51) verbunden sind, die durch den niederfallenden Kolben (2) steuerbar sind.
  8. Rammhammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Pumpeneinrichtungen (41, 51) einen Pumpenhebel (44, 54) aufweist, der in den Zylinder (1) hineinragt und derart ausgebildet ist, dass er durch Überstreichen des Kolbens (2) beim Niederfallen eine Pumpeneinrichtung (41, 51) betätigt, durch die ein Einspritzvorgang initiiert wird.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Rammhammers nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Arbeitszyklus durch das Herabfallen des Kolbens (2) eine Kraftstoffpumpe betätigt wird, durch die klopffester Primärkraftstoff über eine als Hochdruck-Einspritzdüse ausgeführte Primärkraftstoffdüse (42) in den Brennraum (12) eingebracht wird, wodurch in dem Brennraum (12) ein Primärkraftstoff-Luftgemisch (6) gebildet wird, und eine Zündölpumpe (51) betätigt wird, durch die eine kleine Menge Zündöl über eine als Niederdruck-Einspritzdüse ausgeführte Zündöldüse (52) auf das Schlagstück (3) gespritzt wird, wonach beim Aufschlagen des Kolbens (2) auf das Schlagstück (3) das Zündöl zerstäubt und entzündet wird, wodurch die Zündung des Primärkraftstoff-Luftgemischs (6) erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Primärkraftstoff und Zündöl zu verschiedenen Zeiten in den Brennraum (12) eingebracht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine geringe Menge Zündöl auf das Schlagstück (3) gespritzt wird, wodurch eine Zündölpfütze gebildet ist, nachfolgend der Primärkraftstoff in Form eines zerstäubten Kraftstoffnebels in den Brennraum (12) eingebracht wird, bevor das auf dem Schlagstück (3) befindliche Zündöl durch den Aufschlag des Kolbens (2) auf das Schlagstück (3) zerstäubt und gezündet wird.
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