[0001] Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende
Verbrennungskraftmaschine, die mittels eines Einspritzsystems mit konventionellem
Brennstoff und einer diesen teilweise ersetzenden Orimulsion beaufschlagbar ist.
[0002] Orimulsion ist ein Brennstoff, von dem es große Vorkommen gibt und der kostengünstig
angeboten wird. Es ist daher erwünscht, diesen Brennstoff auch in größerem Umfang
verwenden zu können. Orimulsion enthält jedoch vergleichsweise große Mengen abrasiver
Bestandteile, die verschleißfördernd sind. Die Entfernung dieser Bestandteile ist
sehr aufwändig und nicht in vollem Umfange möglich. Es besteht daher die Gefahr, dass
es bei Verwendung von Orimulsion zu einem rasanten Verschleiß innerhalb des Einspritzsystems
kommen kann. Die Folge davon sind eine vergleichsweise kurze Lebensdauer sowie ein
erhöhter Wartungs- und Instandhaltungsaufwand.
[0003] Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer
mit einem Einspritzsystem versehenen Verbrennungskraftmaschine die Verwendung von
Orimulsion zu ermöglichen und dennoch den Verschleiß innerhalb des Einspritzsystems
vergleichsweise gering zu halten.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die dem Anspruch 1 zugrundeliegende Kombination gelöst.
[0005] Hiernach kommt eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine
in Vorschlag, die mittels eines Einspritzsystems mit konventionellem Brennstoff und
einer diesen teilweise ersetzenden Orimulsion beaufschlagbar ist, das wenigstens ein
durch eine von einer im Takt der Verbrennungskraftmaschine aktivierbaren Druckquelle
für konventionellen Brennstoff abgehende Brennstoffleitung mit konventionellem Brennstoff
beaufschlagbares Einspritzventil enthält, dessen Einspritzdüse durch eine Düsennadel
verschließbar ist, die vom Brennstoffdruck in einem von ihr durchgriffenen, mit der
Brennstoffleitung kommunizierenden Druckraum entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung
von ihrem Sitz abhebbar ist, wobei die Druckquelle für konventionellen Brennstoff
über zwei parallele, mit gegenläufigen Rückschlagventilen versehene Strömungswege
mit der Brennstoffleitung verbunden ist, die einspritzdüsennah mit einer Orimulsionsleitung
verbunden ist, die mit einem in Vorlaufrichtung öffnenden Rückschlagventil versehen
ist und von einer im Takt der Verbrennungskraftmaschine aktivierbaren Druckquelle
für Orimulsion abgeht, deren Druck größer als der Öffnungsdruck des der Orimulsionsleitung
zugeordneten Rückschlagventils und des in Rückströmrichtung öffnenden, der Druckquelle
für konventionellen Brennstoff zugeordneten Rückschlagventils und kleiner als der
Öffnungsdruck der Düsennadel ist.
[0006] Die verschleißfördernde Orimulsion kann hier vor Beginn des Einspritzvorgangs eine
vorgegebene Menge konventionellen Brennstoffs aus dem Einspritzventil verdrängen und
zur zugeordneten Druckquelle zurückführen, ohne selbst hiermit in Kontakt zu kommen.
Dabei ergeben sich praktisch außerhalb der Druckquelle für konventionellen Brennstoff
aneinander anschließende Flüssigkeitssäulen von konventionellem Brennstoff und Orimulsion.
Sobald die Druckquelle für konventionellen Brennstoff aktiviert und das Einspritzventil
dementsprechend mit dem Einspritzdruck beaufschlagt wird, beginnt die Einspritzung,
wobei zunächst ein stromabwärts von der Verbindung zwischen der Orimulsionsleitung
und der Brennstoffleitung noch vorhandener Rest an konventionellem Brennstoff, dann
die Orimulsion und anschließend wieder konventioneller Brennstoff eingespritzt werden
können. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen daher in vorteilhafter Weise sicher,
dass die verschleißfördernde Orimulsion nur in Kontakt mit dem Einspritzventil kommt,
das gegen abrasive Teilchen weniger empfindlich ist, und von der Druckquelle für konventionellen
Brennstoff, bei der es sich um eine gegen abrasive Teilchen sehr empfindliche Einspritzpumpe
handeln kann, ferngehalten wird. Durch diese Beschränkung des Kontakts der Orimulsioin
auf das weniger empfindliche Einspritzventil lassen sich die Verschleißprobleme vergleichsweise
gering halten, was sich vorteilhaft auf die Vermeidung von Wartungs- und Instandhaltungsaufwand
auswirkt und eine vergleichsweise lange Standzeit gewährleistet.
[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Brennstoffleitung und die Orimulsionsleitung
innerhalb der Einspritzdüse durch eine zur Düsennadel konzentrische Ringleitung miteinander
verbunden sein, von der wenigstens eine zum Druckraum führende Stichleitung abgeht.
Diese Maßnahmen ergeben eine besonders einfache und übersichtliche Bauweise, wobei
zudem sichergestellt wird, dass am Ende jedes Einspritzvorgangs im Druckraum und in
der Stichleitung eine als Pilotbrennstoff ausreichende Menge an konventionellem Brennstoff
verbleibt, der nachfolgend von der Orimulsion nicht verdrängt wird, sondern erst beim
Beginn des nächsten Einspritzvorgangs als Pilotbrennstoff eingespritzt wird.
[0008] Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die der Orimulsion zugeordnete
Druckquelle eine als Rotationspumpe ausgebildete Niederdruckpumpe aufweist. Diese
Pumpenart ist weniger verschleißanfällig als Kolbenpumpen. Zur Steuerung kann der
genannten Pumpe ein Absperrventil nachgeordnet sein, das mit seiner Steuereinrichtung
im Takt der Verbrennungskraftmaschine betätigbar ist. Die Niederdruckpumpe kann dabei
praktisch permanent in Betrieb sein.
[0009] Zweckmäßig kann das Absperrventil so gesteuert werden, dass die Orimulsionsleitung
bei jedem Takt der Verbrennungskraftmaschine mit einer Orimulsionsmenge beaufschlagt
wird, die höchstens dem Fassungsvermögen der Brennstoffleitung entspricht. Hierdurch
wird auf einfache Weise sichergestellt, dass keine Orimulsion über die Brennstoffleitung
in die dieser vorgeordnete Druckquelle für konventionellen Brennstoff gelangt.
[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten
Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden
Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
[0011] In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems,
- Figur 2
- einen Teillängsschnitt durch das Einspritzventil während der Beaufschlagung mit Orimulsion,
- Figur 3
- die Anordnung gemäß Figur 2 während des Einspritzvorgangs und
- Figur 4
- ein Diagramm des Einspritzvorgangs.
[0012] Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind nach dem Dieselprinzip arbeitende Motoren.
Der grundsätzliche Aufbau derartiger Motoren ist an sich bekannt und bedarf daher
im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.
[0013] Jedem Zylinder eines derartigen Motors ist ein Einspritzsystem 1 der der Figur 1
zugrundeliegenden Art zugeordnet. Dieses enthält eine Einspritzdüse 2, die mit von
einer zugeordneten Druckquelle geliefertem, konventionellem Brennstoff, z.B. Dieselöl,
und mit von einer zugeordneten Druckquelle gelieferter Orimulsion beaufschlagbar ist.
Die Druckquelle für konventionellen Brennstoff ist im dargestellten Beispiel als nach
Art einer Hochdruckpumpe aufgebaute Einspritzpumpe 3 ausgebildet, die einen im Motortakt
antreibbaren Kolben, einen sogenannten Plunger 4 aufweist, der einen Pumpenraum 5
begrenzt. Anstelle einer Einspritzpumpe könnte selbstverständlich auch eine durch
Ventile gesteuerte common rail vorgesehen sein.
[0014] Die Druckquelle für Orimulsion wird durch eine saugseitig an einen Orimulsionstank
6 angeschlossene Pumpe 7 gebildet. Dabei kann es sich um eine Rotationspumpe, vorzugsweise
eine Schraubenspindelpumpe, handeln. Der Pumpe 7 ist ein Absperrventil 8 nachgeordnet,
das durch eine zugeordnete Steuereinrichtung 9 im Motortakt aufund absteuerbar ist.
Die Pumpe 7 kann permanent angetrieben sein, wobei sich bei geschlossenem Steuerventil
8 ein Kurzschlussbetrieb ergibt. Das Steuerventil 8 ist zweckmäßig als elektromagnetisches
Schieberventil ausgebildet.
[0015] Das Einspritzventil 2 besitzt in an sich bekannter Weise eine Einspritzdüse 10, die
mit Düsenbohrungen versehen ist, die mittels einer Düsennadel 11 verschließbar sind.
Diese ist, wie am besten aus den Figuren 2 und 3 entnehmbar ist, vom Brennstoffdruck
in einem von ihr durchgriffenen Druckraum 12 entgegen der Kraft einer Rückstellfederanordnung
etc. von ihrem Sitz abhebbar. Der Druckraum 12 ist über eine schräge Stichleitung
13 mit einer die Düsennadel 11 mit Abstand konzentrisch umgebenden, im Bereich der
Teilfuge 14 zwischen dem Gehäuse der Einspritzdüse 10 und dem dieses tragenden Ventilgehäuse
vorgesehenen Ringleitung 15 verbunden, in die eine von der Druckquelle für konventionellen
Brennstoff kommende Brennstoffleitung 16 und eine von der Druckquelle für Orimulsion
kommende Orimulsionsleitung 17 einmünden.
[0016] Die in die Ringleitung 15 einmündenden Abschnitte der Brennstoffleitung 16 und der
Orimulsionsleitung 17 sind als im Ventilgehäuse des Einspritzventils 2 vorgesehene,
die Düsennadel 11 flankierende Bohrungen 16a bzw. 17a ausgebildet, die, wie am besten
aus Figur 1 erkennbar ist, im Bereich des hinteren Endes des Ventilgehäuses über einen
jeweils zugeordneten Verbindungsnippel 18 bzw. 19 mit einer zur jeweils zugeordneten
Druckquelle führenden Leitungsabschnitt 16b bzw. 17b verbunden sind.
[0017] Der Pumpenraum 5 der Einspritzpumpe 3 ist über zwei durch parallele Bohrungen gebildete
Strömungswege 20, 21 mit dem Pumpenausgang 23 verbunden, an den der Leitungsabschnitt
16b der Brennstoffleitung 16 anschließt. Die beiden Strömungswege 20, 21 sind mit
gegenläufigen Rückschlagventilen 23, 24 versehen, von denen eines hier das Rückschlagventil
23, in Vorlaufrichtung öffnet und eines, hier das Rückschlagventil 24, in Vorlaufrichtung
schließt und umgekehrt. Die Strömungswege 20, 21 mit den zugeordneten Rückschlagventilen
23, 24 sind hier in einem in die Einspritzpumpe 3 eingebauten, durch einen den Pumpenausgang
23 enthaltenden Anschlussnippel gehaltenen Block vorgesehen.
[0018] Die Orimulsionsleitung 17 ist mit einem in Vorlaufrichtung öffnenden Rückschlagventil
25 versehen. Dieses ist hier im Bereich der Verbindung des Anschlussnippels 19 an
das Ventilgehäuse vorgesehen.
[0019] Der von der Einspritzpumpe 3 erzeugbare Brennstoffdruck ist größer als der zum Abheben
der Düsennadel 11 von ihrem Sitz benötigte Druck und größer als der Öffnungsdruck
des zugeordneten, in Vorlaufrichtung öffnenden Rückschlagventils 23. Der von der Pumpe
7 erzeugbare Druck ist größer als der Öffnungsdruck des in der Orimulsionsleitung
17 angeordneten Rückschlagventils 25 und des der Einspritzpumpe 3 zugeordneten, in
Rückströmrichtung öffnenden Rückschlagventils 24, aber kleiner als der Öffnungsdruck
der Düsennadel 11. Das der Pumpe 7 nachgeordnete Absperrventil 8 ist so gesteuert,
dass sich jeweils zwischen zwei Hüben der Einspritzpumpe 3 eine Öffnungsphase ergibt.
[0020] Am Ende eines Einspritzvorgangs ist der Strömungsweg von der Einspritzpumpe 3 bis
zu den Düsenbohrungen der Einspritzdüse 10 mit konventionellem Brennstoff gefüllt.
Wenn nun die Förderung der Einspritzpumpe 3 aufhört und anschließend das Absperrventil
8 geöffnet wird, werden durch den von der Pumpe 7 erzeugten Druck das der Orimulsionsleitung
17 zugeordnete, in Vorlaufrichtung öffnende Rückschlagventil 25 und, da der Druck
in der Orimulsionsleitung 17 auch in der hiermit kommunizierenden Brennstoffleitung
16 wirksam wird, auch das der Einspritzpumpe 3 zugeordnete, in Rückströmrichtung öffnende
Rückschlagventil 24 geöffnet. Auf diese Weise wird ein Strömungsweg von der Druckquelle
für Orimulsion zur Druckquelle für konventionellen Brennstoff geöffnet.
[0021] Durch die Pumpe 7 wird dabei Orimulsion in das Einspritzventil 2 eingeleitet. Gleichzeitig
wird eine der eingeleiteten Orimulsionsmenge entsprechende Menge an konventionellem
Brennstoff aus dem Einspritzventil 2 verdrängt, wie in Figur 2 durch die Richtungspfeile
26a, 26b angedeutet ist. Die Orimulsion passiert dabei, wie in Figur 2 schwarz angedeutet
ist, das Rückschlagventil 25 und strömt über die Bohrung 17a bis zur Ringleitung 15
und in dieser weiter zur Bohrung 16a der Brennstoffleitung 16, wo die Orimulsionssäule
an die von konventionellem Brennstoff gebildete Flüssigkeitssäule anschließt.
[0022] Da der Orimulsionsdruck, wie oben schon erwähnt, nicht ausreicht, um die Düsennadel
11 von Ihrem Sitz abzuheben, kann die Orimulsion zunächst nicht in die Stichleitung
13 und den Druckraum 12 vordringen, die, wie oben schon erwähnt, mit konventionellem
Brennstoff gefüllt sind. Der durch die in die Bohrung 16a vordringende Orimulsion
aus der Einspritzdüse 2 verdrängte konventionelle Brennstoff wird über den Strömungsweg
21, dessen Rückschlagventil 24 durch den Druck der Orimulsion geöffnet wird, in die
Einspritzpumpe 3 zurückgeführt. Das der Orimulsionsleitung 7 zugeordnete Absperrventil
8 ist zweckmäßig so gesteuert, dass die während einer Öffnungsphase in das Einspritzventil
2 eingeleitete Orimulsionsmenge höchstens dem Fassungsvermögen der Brennstoffleitung
16 eventuell zuzüglich des Fassungsvermögens der Ringleitung 15 und des Ausgangs 22
der Einspritzpumpe 3, entspricht, so dass die in der Brennstoffleitung vordringende
Orimulsionssäule nicht ganz bis zur Einspritzpumpe 3 kommt und dementsprechend auch
keine Orimulsion über den Strömungsweg 21 in die Einspritzpumpe 3 eindringen kann.
Zweckmäßig ist das Fassungsvermögen der Brennstoffleitung 16 daher mindestens so groß
wie die gesamte Einspritzmenge, wodurch ein Eindringen von Orimulsion in die Einspritzpumpe
besonders zuverlässig ausgeschlossen wird.
[0023] Wenn nun anschließend ein Förderhub der Einspritzpumpe 3 beginnt, werden das in Rückströmrichtung
öffnende Rückschlagventil 24 geschlossen und das in Vorlaufrichtung öffnende Rückschlagventil
23 geöffnet. Der von der Einspritzpumpe 3 erzeugte Druck pflanzt sich in den aneinander
anschließenden Flüssigkeitssäulen von konventionellem Brennstoff und Orimulsion bis
zum der Orimulsionsleitung zugeordneten Rückschlagventil 25 fort, das dadurch geschlossen
wird. Ebenso pflanzt sich dieser Druck auch über die von der Ringleitung 15 abzweigende
Stichleitung 13 bis zum Druckraum 12 fort, wodurch die Düsennadel 11 von ihrem Sitz
abgehoben und damit ein Einspritzvorgang ausgelöst wird. Dabei entsteht praktisch
ein Strömungsweg von der Einspritzpumpe 3 bis zu den Düsenbohrungen 28 der Einspritzdüse
10.
[0024] Die Strömungsrichtung geht dabei, wie in Figur 3 durch den Richtungspfeil 27 angedeutet
ist, zu den Düsenöffnungen der Einspritzdüse 10 hin. Dabei wird die vorher über die
Abzweigung der Stichleitung 13 von der Ringleitung 15 hinweggegangene Orimulsion über
die Stichleitung 13 und den Druckraum 12 sowie die hiervon abgehenden Düsenbohrungen
28 verdrängt, wobei zunächst der in der Stichleitung 13 und im Druckraum 12 noch vorhandene
konventionelle Brennstoff und dann die nachdrängende Orimulsion eingespritzt werden,
die ihrerseits von nachströmendem, konventionellem Brennstoff verdrängt wird. Der
Einspritzvorgang wird beendet, wenn wieder konventioneller Brennstoff zur Einspritzung
gelangt, das heißt wenn die Orimulsion vollständig aus der Stichleitung 13, dem Druckraum
12 und den Düsenbohrungen 28 verdrängt ist.
[0025] Auf diese Weise ergibt sich praktisch eine geschichtete Einspritzung mit drei Phasen.
Dabei werden, wie aus Figur 4 entnehmbar ist, in der ersten Phase 30 konventioneller
Brennstoff, in der mittleren Phase 31 Orimulsion und in der dritten Phase 32 wiederum
konventioneller Brennstoff eingespritzt. Die mittlere, der Orimulsion zugeordnete
Phase 31 ist dabei zweckmäßig, wie in dem der Figur 4 zugrundeliegenden Beispiel,
vergleichsweise lang sein, so dass die eingespritzte Orimulsionsmenge eine vergleichsweise
große Teilmenge der gesamten Einspritzmenge ist und dementsprechend vergleichsweise
viel konventioneller Brennstoff eingespart wird.
1. Verbrennungskraftmaschine, insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschine,
die mittels eines Einspritzsystems (1) mit konventionellem Brennstoff und einer diesen
teilweise ersetzenden Orimulsion beaufschlagbar ist, das wenigstens ein durch eine
von einer im Takt der Verbrennungskraftmaschine aktivierbaren Druckquelle (3) für
konventionellen Brennstoff abgehende Brennstoffleitung (16) mit konventionellem Brennstoff
beaufschlagbares Einspritzventil (2) enthält, dessen Einspritzdüse (10) durch eine
Düsennadel (11) verschließbar ist, die vom Brennstoffdruck in einem von ihr durchgriffenen,
mit der Brennstoffleitung (16) kommunizierenden Druckraum (12) entgegen der Kraft
einer Rückstelleinrichtung von ihrem Sitz abhebbar ist, wobei die Druckquelle (3)
für konventionellen Brennstoff über zwei parallele, mit gegenläufigen Rückschlagventilen
(23, 24) versehene Strömungswege (20, 21) mit der Brennstoffleitung (16) verbunden
ist, die einspritzdüsennah mit einer Orimulsionsleitung (17) verbunden ist, die mit
einem in Vorlaufrichtung öffnenden Rückschlagventil (25) versehen ist und von einer
im Takt der Verbrennungskraftmaschine aktivierbaren Druckquelle (7) für Orimulsion
abgeht, deren Druck größer als der Öffnungsdruck des in der Orimulsionsleitung (17)
angeordneten Rückschlagventils (25) sowie des in Rückströmrichtung öffnenden, der
Druckquelle (3) für konventionellen Brennstoff zugeordneten Rückschlagventils (24)
und kleiner als der Öffnungsdruck der Düsennadel (11) ist.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (16) und die Orimulsionsleitung (17) innerhalb der Einspritzdüse
(2) durch eine zur Ventilnadel (11) konzentrische Ringleitung (15) miteinander verbunden
sind, von der wenigstens eine zum Druckraum (12) führende Stichleitung (13) abgeht.
3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Orimulsionsleitung (17) zugeordnete Rückschlagventil (25) im Bereich zwischen
dem Gehäuse des Einspritzventils (2) und einem an dieses angesetzten, der Orimulsionsleitung
(17) zugeordneten Anschlussnippel (19) angeordnet ist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (16) und die Orimulsionsleitung (17) jeweils einen als im Gehäuse
des Einspritzventils (2) verlaufende Bohrung (16a bzw. 17a) ausgebildeten, die Ventilnadel
(11) flankierenden Abschnitt aufweisen.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckquelle (7) für Orimulsion ein Absperrventil (8) nachgeordnet ist, das mittels
einer Steuereinrichtung (9) im Takt der Verbrennungskraftmaschine betätigbar ist.
6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (8) als elektromagnetisches Ventil ausgebildet ist.
7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (8) so gesteuert wird, dass es bei jedem Takt der Verbrennungskraftmaschine
vor der Aktivierung der Druckquelle (3) für konventionellen Brennstoff öffnet und
schließt.
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Orimulsion zugeordnete Druckquelle (7) als Niederdruckpumpe, vorzugsweise
in der Form einer Rotationspumpe, ausgebildet ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Orimulsionsleitung (17) bei jedem Takt der Verbrennungskraftmaschine mit einer
Orimulsionsmenge beaufschlagbar ist, die höchstens dem Fassungsvermögen der Brennstoffleitung
(16) entspricht.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fassungsvermögen der Brennstoffleitung (16) mindestens so groß ist wie die gesamte
Einspritzmenge.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (3) für konventionellen Brennstoff als Einspritzpumpe ausgebildet
ist, deren Pumpenraum (5) durch die beiden mit den gegenläufigen Rückschlagventilen
(23, 24) versehenen Strömungswege (20, 21) mit ihrem Ausgang (22) verbunden ist, an
den die Brennstoffleitung (16) anschließt.