DE3505229A1 - Vorrichtung zum einspritzen von in einer fluessigkeit aufgeschwemmten, feinteiligem, festem brennstoff in den brennraum einer hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

P.5929 Stph

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur, Schweiz

Vorrichtung zum Einspritzen von in einer Flüssigkeit aufgeschwemmtem, feinteiligem, festem Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei der flüssige Brennstoff aus einer Aufschwemmung von festen, feinteiligen Brenn-Stoffpartikeln in einer Flüssigkeit besteht, mit einem Einspritzventil und einer den flüssigen Brennstoff zum Einspritzventil fördernden Kolbenpumpe. Flüssige Brennstoffe dieser Art bestehen z.B. aus Petroleum-Coke oder Kohle, die zu feinsten Partikeln in der Grosse zwischen 5 bis 20 m gemahlen sind und in Wasser oder OeI oder beidem aufgeschwemmt sind. Solche Aufschwemmungen werden auch als Slurry bezeichnet.

Es hat sich gezeigt, dass beim Einspritzen solcher Brennstoffe mit den bisher üblichen Vorrichtungen schwerwiegende Probleme entstehen. An allen Stellen, an denen enge Laufspiele zwischen aufeinandergleitenden Flächen vorhanden sind, z.B. zwischen dem Kolben und

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dem Zylinder der Einspritzpumpe, an den Führungsflächen eventueller Steuerventile dieser Pumpe und zwischen der Düsennadel und der umgebenden Bohrung des Einspritzventils, besteht die Tendenz, dass unter dem grossen Druckgefälle feine Feststoffpartikel zwischen die genannten Flächen eindringen und dadurch die beweglichen Teile blockieren. Ausser diesem Effekt besteht manchmal auch noch eine abrasive Wirkung, nämlich dann, wenn die Feststoffpartikel eine grössere Härte aufweisen als die aufeinander gleitenden Teile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei Verwendung von feste, feinteilige Brennstoffpartikel enthaltenden Flüssigkeiten ein Blockieren der bewegten Teile wie auch der abrasive Effekt vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Einspritzventil einen Akkumulatorraum zum Aufnehmen des unter dem Einspritzdruck befindlichen Brennstoffs und eine den Brennstoffstrom vom Akkumulatorraum zum Brennraum steuernde Düsennadel sowie einen die Düsennadel zwischen den Einspritzphasen in Schliessstellung haltenden, druckmittelbeaufschlagten Belastungskolben aufweist, dass die mit dem Akkumulatorraum des Einspritzventils in Verbindung stehende Kolbenpumpe als hydraulische Pumpe ausgebildet ist, deren Kolben von einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagt wird, das vom Förderraum einer zweiten, mechanisch angetriebenen Kolbenpumpe aus zugeführt wird, und dass der Förderraum der zweiten Kolbenpumpe über ein Rückschlagventil mit einer die Düsennadel umgebenden Ringnut verbunden ist, so dass an der Düsennadel ein vom Druckmedium zum flüssigen Brennstoff tendenziell abfallender Druck herrscht.

Durch das Antreiben des Kolbens der hydraulischen Pumpe mit dem mittels der zweiten Kolbenpumpe zugeführten Druckmedium wird sichergestellt, dass beim Druckhub ein leichtes Druckgefälle vom Druckmedium, das z.B. Dieselöl oder Schmieröl ist, zum Brennstoff hin besteht. Es können also keine festen Brennstoffpartikel in den Spalt zwischen dem Kolben der Hydraulikpumpe und der umgebenden Zylinderwand eindringen; vielmehr stellt sich ein kleiner Leckverlust des Druckmediums ein. Während des Saughubes der Hydraulikpumpe kehrt sich das Druckgefälle zwar um, diese Druckdifferenz ist jedoch wesentlich kleiner als 200 bar. Dieser Wert wurde als Grenze ermittelt, unterhalb der noch keine Blockiertendenz auftritt. Damit ist ein Blockieren der Hydraulikpumpe ebenso vermieden wie eine abrasive Wirkung durch die festen Brennstoffpartikel.

Durch die Verwendung eines einen Akkumulatorraum aufweisenden Einspritzventils wird für ein und denselben Betriebszustand der Brennstoffdruck im Einspritzventil annähernd konstant gehalten. Dies gilt auch für das Druckmedium, das vom Förderraum der zweiten Kolbenpumpe über ein Rückschlagventil der die Düsennadel umgebenden Ringnut zugeführt wird. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, dass an der Düsennadel stets ein kleines Druckgefälle vom Druckmedium zum Brennstoff hin vorhanden ist, und zwar ohne dass dafür eine Regelung vorgesehen werden müsste. Damit kann auch im Einspritzventil kein Blockieren und keine Abrasion durch feste Brennstoffpartikel auftreten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schema einer Einspritzvorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Schema einer etwas abgewandelten Einspritzvorrichtung.

Gemäss Fig. 1 besteht die Einspritzvorrichtung im wesentlichen aus einem Einspritzventil 1, einer hydraulischen Kolbenpumpe 2 und einer zweiten, mechanisch angetriebenen Kolbenpumpe 3. Das Einspritzventil 1 ragt mit seinem in Fig. 1 unteren, mehrere Spritzlöcher 4 aufweisenden Ende in den Brennraum 5 einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine, die nach dem Diesel-Verfahren arbeitet. Der Brennraum 5 ist vom Zylinder 6 und dem darin auf- und abbeweglichen Arbeitskolben 7 begrenzt.

Im Gehäuse des Einspritzventils 1 ist ein Akkumulatorraum 8 vorgesehen, in dem sich im Betrieb der Maschine flüssiger Brennstoff unter dem Einspritzdruck von beispielsweise 1000 bar befindet. Der flüssige Brennstoff besteht aus einer Aufschwemmung von festen, feinteiligen Brennstoffpartikeln, z.B. Kohle, in einer Flüssigkeit, wie Wasser oder Dieselöl. Der Akkumulatorraum 8 steht über eine Bohrung 9 im Einspritzventilgehäuse mit einem Raum 10 in Verbindung, in dem sich eine Düsennadel 11 befindet, die durch Abheben von einem Dichtsitz im Ventilgehäuse das Einspritzen von Brennstoff über die Spritzlöcher 4 in den Brennraum 5 steuert. Die Düsennadel 11 ist in einer vom Raum 10 ausgehenden, in Fig. sich nach oben erstreckenden Bohrung des Ventilgehäuses geführt und an ihrem oberen Ende kolbenartig verdickt. Dieses verdickte Ende ist in einer entsprechend grösseren Bohrung geführt. An dem in Fig. 1 unteren Ende dieser Bohrung ist ein Kanal 12 angeschlossen, der

seinerseits über eine Leitung 13 mit einer nicht gezeichneten Hubgeberpumpe verbunden ist. An dem in Fig. oberen Ende der das kolbenartig verdickte Ende der Düsennadel 11 aufnehmenden Bohrung ist ein Kanal 14 angeschlossen, der in eine Ablaufleitung 15 mündet, die zu einem Behälter 16 führt, der ein hydraulisches Druckmedium enthält. In Fig. 1 oberhalb der Düsennadel 11 ist in einer Bohrung des Gehäuses des Einspritzventils 1 ein Belastungskolben 17 koaxial zur Düsennadel geführt. Der Belastungskolben 17 hat kleineren Durchmesser als das kolbenartig verdickte Ende der Düsennadel 11, jedoch grösseren Durchmesser als der unterhalb diesem verdickten Ende befindliche Abschnitt der Düsennadel. Die den Belastungskolben 17 führende Bohrung steht mit einem Kanal 18 im Ventilgehäuse in Verbindung, an dem eine Druckmedium führende Leitung 19 angeschlossen ist.

Der Belastungskolben 17 weist eine axiale Bohrung 51 auf, die durchgehend ist. Als Fortsetzung der Bohrung 51 weist die in Fig. 1 obere Hälfte der Düsennadel 11 eine axiale Bohrung 52 auf, die an einer Querbohrung 53 endet, die noch im Bereich der die Düsennadel 11 führenden Bohrung oberhalb des Raumes 10 liegt. Im Bereich der Querbohrung 53 ist die Düsennadel 11 mit einer Ringnut versehen.

Der Akkumulatorraum 8 des Einspritzventils 1 ist über eine Leitung 20 und ein Druckventil 21 mit dem Förderraum 50 der hydraulischen Kolbenpumpe 2 verbunden. Diese Pumpe saugt über ein Saugventil 24 und eine Saugleitung 22 den Brennstoff aus einem Vorratsbehälter 23. In der Saugleitung ist eine Zubringerpumpe 25 angeordnet.

Die jeweils schematisch gezeichneten Ventile 21 und 24

können je als eigenstabiles Rückschlagventil ausgebildet sein, wie es in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung Nr (P.5930) beschrieben ist.

Der Kolben 26 der hydraulischen Pumpe 2 steht auf seiner den Ventilen 21 und 24 abgewendeten Seite mit dem Förderraum 27 der zweiten Kolbenpumpe 3 in Verbindung. Der Kolben 28 der zweiten Pumpe 3 wird im Takt des Arbeitskolbens 7 von einer Nockenwelle 29 auf- und abwärtsbewegt, die auf nicht gezeigte Weise mit der Kurbelwelle der Maschine in Antriebsverbindung steht. Es kann sich dabei um einen Mehrfachnocken handeln, da kein Synchronismus mit der Kolbenstellung erforderlich ist; andererseits wird dadurch Pumpenkapazität gewonnen.

Die zweite Kolbenpumpe 3 weist ein Saugventil 3 0 auf, das über ein Gestänge 31 in an sich bekannter Weise den Förderbeginn der Kolbenpumpe 3 steuert, die unterhalb des Saugventils 30 über eine Saugleitung 32 mit dem Druckmediumbehälter 16 in Verbindung steht. In der Leitung 32 ist wiederum eine Zubringerpumpe 34 angeordnet. Mit dem Förderraum 27 der zweiten Kolbenpumpe 3 ist über ein Rückschlagventil 35 auch die zum Belastungskolben des Einspritzventils führende Leitung 19 verbunden.

An der Leitung 19 ist eine Messleitung 36 und an der Saugleitung 32, stromunterhalb der Zubringerpumpe 34, eine Messleitung 33 angeschlossen. Die beiden Messleitungen 33 und 36 führen zu einem Regelorgan 37, in dem die Differenz der Drücke in den beiden Leitungen gebildet und abhängig davon ein hydraulisches Stellorgan 38 betätigt wird, das auf das Gestänge 31 wirkt. Mit dieser Regelung wird der im Akkumulatorraum 8 gewünschte Brennstoffdruck eingestellt, der in Abhängigkeit der Last der Maschine veränderbar ist.

Im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine wird das von der zweiten Kolbenpumpe 3 aus der Saugleitung 3 2 angesaugte hydraulische Druckmedium, das einen Druck von 20 bar aufweist, beim Aufwärtsbewegen des Kolbens 28 auf den höheren Druck von 1000 bar im Förderraum 27 gebracht, von dem aus es den Kolben 26 der hydraulischen Kolbenpumpe 2 beaufschlagt. Unter der Wirkung dieser Beaufschlagung fördert der Kolben 26 über das Druckventil 21 und die Leitung 20 den flüssigen Brennstoff aus dem Förderraum 50 in den Akkumulatorraum 8 des Einspritzventils 1. Dabei ist der Druck des Brennstoffs im Förderraum 50 etwas kleiner als der Druck des den Kolben 26 beaufschlagenden Druckmediums. Damit wird vermieden, dass feinste Brennstoffpartikel zwischen die aufeinander gleitenden Flächen des Kolbens 26 und der umgebenden Zylinderwand gelangen und sich dort festsetzen können, so dass kein Blockieren des Kolbens möglich ist. Das unter hohem Druck stehende Druckmedium aus dem Förderraum 27 gelangt über das Rückschlagventil 35 und die Leitung 19 sowie den Kanal 18 auch zum Belastungskolben 17, wodurch die Düsennadel 11 in Schliessstellung gehalten wird. Ausserdem gelangt Druckmedium über die zentrale Bohrung 51 des Belastungskolbens 17 und die zentrale Bohrung 52 sowie die Querbohrung 53 der Düsennadel 11 bis nahe oberhalb des Raumes 10, so dass auch hier eine zum Raum 10 hin abnehmende Druckdifferenz existiert, die ein Eindringen von festen Partikeln in die die Düsennadel führende Bohrung verhindert. Den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer bestimmt die nicht gezeichnete, an der Leitung 13 angeschlossene Hubgeberpumpe, die während der Einspritzphase einen Druck erzeugt, der auf die in Fig. 1 untere Seite der kolbenartigen Verdickung der Düsennadel 11 wirkt und die Schliesskraft des auf den Belastungskolben 17 wirkenden Druckmediums überwindet, so dass die Düsennadel 11 von

ihrem Ventilsitz abgehoben wird und Brennstoff aus dem Raum 10, der Bohrung 9 und dem Akkumulatorraum 8 über die Spritzlöcher 4 in den Brennraum 5 eingespritzt wird. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 28 sinkt der Druck des Druckmediums im Förderraum 27 und auf den Kolben 26, so dass dieser sich in Fig. 1 wieder nach rechts bewegt und dabei Brennstoff aus dem Vorratsbehälter 23 über die Saugleitung 22 und das Saugventil 24 in den Förderraum 50 saugt.
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Bei der Einspritzvorrichtung gemäss Fig. 2 ist die Konstruktion der Düsennadel 11 und des Belastungskolbens 17 im Einspritzventil 1 gegenüber derjenigen nach Fig. 1 etwas abgewandelt. Die Düsennadel 11 und der Belastungskolben 17 sind in Fig. 2 nicht durchbohrt, sondern massiv ausgebildet. Die Düsennadel 11 weist auf der Höhe, auf der in Fig. 1 die Querbohrung 53 angeordnet ist, eine Ringnut auf, in die der im Ventilgehäuse geführte Kanal 12 mündet. Anstelle der Leitung 13 ist in Fig. 2 an den Kanal 12 die Leitung 19 angeschlossen, die also unter hohem Druck stehendes Druckmittel aus dem Förderraum 27 der zweiten Kolbenpumpe 3 der Ringnut zuführt und damit sicherstellt, dass in der Ringnut ein leicht höherer Druck herrscht als im Raum 10, so dass keine festen Partikel vom Raum 10 zur Ringnut strömen können. Der auf die obere Stirnseite des Belastungskolbens 17 führende Kanal 18 im Ventilgehäuse ist an eine Leitung 40 angeschlossen, die über ein elektromagnetisch gesteuertes Umschaltventil 41 mit der Leitung 19 stromunterhalb des Rückschlagventils 35 verbunden ist. Am Umschaltventil 41 ist eine Ablaufleitung 42 angeschlossen, die in die Ablaufleitung 15 mündet. Mit 43 ist eine Signalleitung bezeichnet, die mit einem nicht gezeichneten Signalgeber verbunden ist, der an die Stelle der Hubgeberpumpe im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 tritt.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 2 ist in wesentlichen Punkten gleich derjenigen nach Fig. 1, indem die zweite Kolbenpumpe 3 hydraulisch den Kolben 26 der Hydraulikpumpe 2 antreibt und dabei flüssigen Brennstoff aus dem Vorratsbehälter 23 in den Akkumulatorraum 8 des Einspritzventils 1 fördert. Das von der zweiten Kolbenpumpe 3 unter hohen Druck gesetzte Druckmedium gelangt ausserdem über die Leitung 19 und den Kanal 12 zur Ringnut an der Düsennadel 11 und bei der in Fig. 2 gezeichneten Stellung des Umschaltventils über die Leitung 40 zum Belastungskolben 17, der die Düsennadel zwischen den Einspritzphasen in Schliessstellung hält. Mit Beginn der Einspritzphase wird über die Signalleitung 43 ein Umschaltsignal auf das Umschaltventil 41 gegeben, das sich dabei so weit nach oben verschiebt, dass der in Fig. 2 linke Zweig der Leitung 40 mit der Ablaufleitung 4 2 verbunden wird, während der in Fig. 2 rechte Zweig der Leitung 4 0 abgesperrt ist. Daraufhin sinkt im Kanal 18 der Druck des Druckmediums und das über den Kanal 12 in der Ringnut der Düsennadel 11 wirkende Druckmittel verschiebt die Düsennadel und den Belastungskolben 17 in Fig. 2 aufwärts, wodurch der Weg für den Brennstoff aus dem Akkumulatorraum 8, der Bohrung 9 und dem Raum 10 freigegeben wird und Brennstoff über die Spritzlöcher 4 in den Brennraum gelangt. Am Ende des Einspritzvorganges wird auf ein entsprechendes Signal in der Leitung 4 3 hin das Umschaltventil 41 wieder in die gezeichnete Stellung verschoben, so dass das Druckmedium über die Leitung 40 wieder auf den Belastungskolben 17 wirkt und die Düsennadel 11 in Schliessstellung bringt.

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Claims (1)

1. Gebrüder Sulzer AG P.5929 Stph

   P atentanspruch

   Vorrichtung zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei der flüssige Brennstoff aus einer Aufschwemmung von festen, feinteiligen Brennstoffpartikeln in einer Flüssigkeit besteht, mit einem Einspritzventil und einer den flüssigen Brennstoff zum Einspritzventil fördernden Kolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil einen Akkumulatorraum zum Aufnehmen des unter dem Einspritzdruck befindlichen Brennstoffs und eine den Brennstoffstrom vom Akkumulatorraum zum Brennraum steuernde Düsennadel sowie einen die Düsennadel zwischen den Einspritzphasen in Schliessstellung haltenden, druckmittelbeaufschlagten Belastungskolben aufweist, dass die mit dem Akkumulatorraum des Einspritzventils in Verbindung stehende Kolbenpumpe als hydraulische Pumpe ausgebildet ist, deren Kolben von einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagt wird, das vom Förderraum einer zweiten, mechanisch angetriebenen Kolbenpumpe aus zugeführt wird, und dass der Förderraum der zweiten Kolbenpumpe über ein Rückschlagventil mit einer die Düsennadel umgebenden Ringnut verbunden ist, so dass an der Düsennadel ein vom Druckmedium zum flüssigen Brennstoff tendenziell abfallender Druck herrscht.