DE112009000577T5

DE112009000577T5 - Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem mit Gasinjektion

Info

Publication number: DE112009000577T5
Application number: DE112009000577T
Authority: DE
Inventors: Michael A. Morgantown Lucas; Lars Columbus Tegnelius; Donald J. Columbus Benson
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2011-03-17
Also published as: US7950370B2; WO2009114655A1; US20090229572A1

Abstract

Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem, umfassend:
eine Kraftstoffzufuhr,
eine Hochdruckpumpanordnung, welche zum Erhalten von Kraftstoff von der Kraftstoffzufuhr fluidisch angeschlossen ist;
ein Gaszufuhrsystem, welches fluidisch angeschlossen ist, um Gas an der Hochdruckpumpanordnung bereitzustellen, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen; und
ein Common-Rail-Kraftstoffsystem, welches fluidisch an der Hochdruckpumpanordnung angeschlossen ist, um das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein verbessertes Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem und insbesondere auf ein Kraftstoffsystem zur Steuerung von Kavitation und Verbesserung der Dispersion von Kraftstoff.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mit dem Aufkommen von erhöhten Anforderungen an Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen, die von der Regierung auferlegt wurden, sind verschiedene Kraftstoffsysteme entwickelt worden, um die Menge an Kraftstoff, die während der Injektionsvorgänge eines Verbrennungszyklus injiziert wird, präzise zu steuern. Insbesondere sind Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsysteme entwickelt worden, die eine verbesserte Steuerung des durch die Kraftstoffinjektoren eines Verbrennungsmotors injizierten Kraftstoffs im Vergleich zu konventionellen Einspritzsystemen bieten.
Solche Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsysteme verwenden typischerweise mindestens eine Hochdruckpumpe, die den durch die Kraftstoffinjektoren einzuspritzenden Kraftstoff unter Druck setzt. Kraftstoffsysteme können eine Mehrzahl solcher Pumpen entsprechend der Anzahl der Kraftstoffinjektoren verwenden, wobei jede der Pumpen unter hohem Druck stehenden Kraftstoff an einem Kraftstoffinjektor bereitstellt. Andere Kraftstoffsysteme nutzen eine geringere Anzahl an Hochdruckpumpen in Verbindung mit einem Hochdruck-Common-Rail. In solchen Implementierungen sind eine oder mehrere Hochdruckpumpen mit der Hochdruck-Sammelschiene (Hochdruck-Common-Rail) verbunden, um dadurch unter hohem Druck stehenden Kraftstoff an der Common-Rail bereitzustellen. Die Common-Rail verteilt dann den unter Druck stehenden Kraftstoff zu jeder der Kraftstoffinjektoren.
U.S. Patent Nr. 6,647,968 , auf Hankins et al. ausgestellt, offenbart ein Einspritzsystem mit einer Kraftstoffschiene. Ein Kraftstoffangebot wird durch eine Kraftstoffpumpe an die Kraftstoffschiene geliefert. Der Kraftstoff wird über eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren, die an die Kraftstoffschiene gekoppelt sind, weiter verteilt. Das Einspritzsystem von Hankins et al. kann jedoch als Folge von Kraftstoffverdrängung innerhalb des Einspritzsystems unerwünschte Wirkungen in der Kraftstoffleitung oder in Komponenten des Kraftstoffsystems erzeugen. Solche Effekte können auftreten, da Kraftstoff durch das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem fließt, zum Beispiel induziert durch eine Kraftstoffpumpe. Ein unerwünschter Effekt kann die Erzeugung von Kavitation, das heißt die Bildung von mikroskopischen Blasen, die innerhalb des gesamten Kraftstoffs in dem Kraftstoffeinspritzsystems dispergiert sind, umfassen. Ein Zusammenbruch der Kavitationsblasen konzentriert die flüssige Energie auf sehr kleine Volumina. Als Folge werden Bereiche mit einer hohen Temperatur erzeugt und es werden Schockwellen gegen die Flächen in unmittelbarer Nähe ausgesendet. Die Effekte der Kavitation können zur Beschädigung oder zum Ausfall von Komponenten innerhalb des Kraftstoffeinspritzsystems führen und die Standzeit der Einspritzausrüstung verringern. Diese Komponente können zum Beispiel Ventile und Ventilsitze, Kraftstoffleitungen und Dichtungen umfassen. Darüber hinaus können Schäden durch Kavitation das Fließverhalten von Steueröffnungen innerhalb des Kraftstoffsystems verändern und sogar die Öffnungen der Einspritzdüsen verändern, was zu Änderungen des Kraftstoffgemisches und/oder der Emissionscharakteristik des Kraftstoffsystems über die Zeit führen kann.
Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eine oder mehrere der oben dargelegten Mängel zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Mängel des Standes der Technik zu überwinden und ein Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem bereitzustellen mit einer Kraftstoffzufuhr, einer in Fluidverbindung stehenden Hochdruckpumpanordnung, um Kraftstoff von der Kraftstoffzufuhr zu erhalten, und einem in Fluidverbindung stehenden Gaszufuhrsystem, um Gas an der Hochdruckpumpanordnung bereitzustellen, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen. Ein Common-Rail-Kraftstoffsystem steht in Fluidverbindung mit der Hochdruckpumpanordnung, um das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erhalten.
Gemäß einem weiteren offenbarten Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren zum Verringern von Kavitation in einem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem das Bereitstellen eines Kraftstoffangebots an einer Hochdruckpumpanordnung, Zuführen eines Gasangebots zu der Hochdruckpumpanordnung und Mischen des Kraftstoffs und Gases zum Bilden eines Gas-Kraftstoff-Gemisches umfassen. Das Gemisch kann auf einen ersten Druck gebracht werden und das unter Druck gebrachte Gas-Kraftstoff-Gemisch kann einem Common-Rail-Kraftstoffsystem zugeführt werden. Das Verfahren kann auch die Zerstäubung des Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem zweiten Druck unterhalb des ersten Druckes umfassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein System zum Verringern von Kavitation in einem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoff Mittel zum Bereitstellen eines Kraftstoffangebots an einer Hochdruckpumpanordnung, Mittel zum Zuführen eines Gasangebots zu einer Hochdruckpumpanordnung und Mittel zum Mischen des Kraftstoffs und Gases zum Bilden eines Gas-Kraftstoff-Gemisches aufweisen. Das System kann weiterhin Mittel zum Unter-Druck-Setzen des Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem ersten Druck und Mittel zum Zuführen des unter Druck gesetzten Gas-Kraftstoff-Gemisches zu einem Common-Rail-Kraftstoffsystem umfassen. Das System kann auch Mittel zum Zerstäuben des unter Druck gesetzten Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem zweiten Druck unterhalb des ersten Druckes aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Kraftstoffsystems mit einem Gaseinspritzsystem gemäß einer beispielhaften offenbarten Ausführungsform;
2 bietet eine vergrößerte Detailansicht der Hochdruckpumpanordnung gemäß einer beispielhaften offenbarten Ausführungsform;
3 zeigt eine strömungsinduzierte Niederdruckregion eines Arbeitsfluides gemäß einer beispielhaften offenbarten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 liefert das erweiterte Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 der vorliegenden Erfindung Kraftstoff an einen oder mehrere Antriebszylinder 76 einer Antriebsquelle. Die Antriebsquelle kann einen Motor wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder einen anderen Motor, der für einen Fachmann offensichtlich ist, aufweisen. Die Antriebsquelle kann einen Verbrennungsprozess ausführen, welcher zur Verwendung beispielsweise eines Luft/Kraftstoff-Gemisches konfiguriert sein kann. Die Antriebsquelle kann alternativ eine andere Energiequelle, wie beispielsweise einen Ofen oder eine andere bekannte Energiequelle aufweisen.
Das erweiterte Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 umfasst ein Common-Rail-Kraftstoffsystem 79, ein Gaszufuhrsystem 81 und eine Hochdruckpumpanordnung 83. Ein Kraftstofftank 12 steht in Fluidverbindung mit dem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10, um eine brennbare Substanz über Zufuhrleitungen 14 bereitzustellen. Die brennbare Substanz kann zum Beispiel Benzin, Dieselkraftstoff, Reformat und/oder andere in der Fachwelt bekannte brennbare Substanzen aufweisen. Die Zufuhrleitungen 14 können Rohre, Schläuche oder andere Kraftstofftragmittel umfassen. Die Hochdruckpumpanordnung 83 kann ein Pumpsystem 16 umfassen, welches zum Fördern von Kraftstoff von dem Kraftstofftank 12 durch das gesamte Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 verwendet wird. Das Pumpsystem 16 kann eine oder mehrere einer Vielfalt von Pumpen einschließlich zum Beispiel einer Einfüllpumpe und einer Niederdruckpumpe, wie eine Drehzahnradpumpe, aufweisen. Das Pumpsystem 16 kann fluidisch mit dem Kraftstofftank 12 und einem oder mehreren Kolbenanordnungen der Hochdruckpumpanordnung 83 gekoppelt sein.
Die Hochdruckpumpanordnung 83 kann auch ein Ventil 18 umfassen, das entlang der Zufuhrleitung 14 positioniert ist. Wie in 1 gezeigt, steht das Pumpsystem 16 über die Kraftstoffzufuhrleitung 14 in Fluidverbindung mit dem Ventil 18. Das Ventil 18 kann ein variables Drosselventil sein, welches geeignet ist, variable Mengen an Kraftstoff hindurch passieren zu lassen. In einer offenbarten Ausführungsform wird das variable Drosselventil 18 gesteuert, beispielsweise über einen elektronischen Controller 80 oder ein ähnliches Gerät. Der elektronische Controller 18 kann ein elektronisches Steuermodul (ECM) umfassen, das geeignet ist, den Kraftstofffluss durch Steuern einer Öffnungsfläche des variablen Drosselventils 18 einzustellen. Das variable Drosselventil 18 kann also basierend auf gemessenen Bedingungen, beispielsweise der Energiequelle oder des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10, reguliert werden, um hierdurch den Kraftstofffluss in dem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 zu erhöhen oder zu senken. Die vorgenannten Bedingungen können Messungen in Bezug auf die Motordrehzahl, das Timing, die Motortemperatur, die Abgasstromtemperatur, den Abgasstromdruck und Luft/Kraftstoff-Gemisch-Parameter umfassen. Weitere Parameter, die nicht aufgeführt sind, können ebenfalls entsprechend als geeignete Kriterien zum Bestimmen der Regulierung des variablen Drosselventils 18 eingesetzt werden.
Die Hochdruckpumpanordnung 83 kann auch eine oder mehrere Kolbenanordnungen und eine Mehrzahl von Einlass- und Auslass-Rückschlagventilen aufweisen, die den entsprechenden Kolbenanordnungen (wie weiter unten beschrieben) zugeordnet sind, wobei jede vorgenannte Komponente zur Aufnahme von Kraftstoff aus dem Ventil 18 stromabwärts des variablen Drosselventils 18 angeordnet ist. Eine erste Kolbenanordnung 24 und eine zweite Kolbenanordnung 26 sind beispielhaft in 1 dargestellt. Es sollte jedoch verstanden werden, dass jede angemessene Zahl an Kolbenanordnungen von der offenbarten Erfindung verwendet werden kann. Das Einlass-Rückschlagventil 20 kann fluidisch zwischen dem variablen Drosselventil 18 und der ersten Kolbenanordnung 24 eingebunden sein. Entsprechend kann das Einlass-Rückschlagventil 22 fluidisch zwischen dem variablen Drosselventil 18 und der zweiten Kolbenanordnung 26 eingebunden sein.
Die ersten Kolbenanordnung 24 umfasst einen Kolben 32, der in einem Gehäuse 28 verschiebbar ist. Der Kolben 32 kann mit einer Kolbenstange 52 und einer Feder 36 verbunden sein, welche angeordnet sind, um den Kolben 32 in eine erste Richtung zu drängen. Die Kolbenstange 52 kann mechanisch mit einem Kipparm 56 verbunden sein. Der Kipparm 56 kann mechanisch mit einer drehbaren Nocke 64, zum Beispiel eine Nocke mit einem Nockenprofil, die den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bestimmt, und einem Stößel 60 gekoppelt sein, um eine Drehbewegung der Nocke 64 in eine Linearbewegung des Kolbens 32 in eine erste Richtung zu übertragen. Der Kolben 32 und das Gehäuse 28 begrenzen eine erste Druckkammer 40 in Fluidverbindung mit den Zufuhrleitungen 14.
Entsprechend umfasst die zweite Kolbenanordnung 26 einen Kolben 34, der in einem Gehäuse 30 verschiebbar ist. Der Kolben 34 kann mit einer Kolbenstange 54 und einer Feder 38 verbunden sein, welche angeordnet sind, um den Kolben 34 in eine erste Richtung zu drängen. Die Kolbenstange 54 kann mechanisch mit einem Kipparm 58 verbunden sein. Der Kipparm 56 kann mechanisch mit einer drehbaren Nocke 66, zum Beispiel einer Nocke mit einer mit einem Nockenprofil, welcher den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt bestimmt, und einem damit verbundenen Stößel 62 verbunden sein, um eine Drehbewegung der Nocke 66 in eine Linearbewegung des Kolbens 34 in eine erste Richtung umzusetzen. Der Kolben 34 und das Gehäuse 30 begrenzen eine zweite Druckkammer 42, welche in Fluidverbindung mit den Zufuhrleitungen 14 ist.
Eine Gaszufuhr 82 des Gaszufuhrsystems 81 kann fluidisch, beispielsweise über Zufuhrleitungen 86 mit einer oder mehreren Kolbenanordnungen einschließlich der Hochdruckpumpanordnung 83 verbunden sein, zum Beispiel der ersten Kolbenanordnung 24 und der zweiten Kolbenanordnung 26. Die Gaszufuhr 82 kann eine Druckgaszufuhr, wie beispielsweise Luft, aufweisen. Das Gaszufuhrsystem 81 kann auch ein Ventil 84 aufweisen, welches fluidisch zwischen der Gaszufuhr 82 und der einen oder den mehreren Kolbenanordnungen einschließlich zum Beispiel der ersten Kolbenanordnung 24 und der zweiten Kolbenanordnung 26 der Hochdruckpumpanordnung 83 eingebunden ist. Das Ventil 84 kann ein variables Drosselventil sein, welches geeignet ist, die Menge des Gases, welche hindurchtreten kann, zu steuern und zu verändern. In einer offenbarten Ausführungsform kann das variable Drosselventil 84 beispielsweise über den elektronischen Controller 80 oder ein ähnliches Gerät gesteuert werden. Der elektronische Controller 80 kann ein ECM (wie oben beschieben) aufweisen und das variable Drosselventil 84 auf Basis von gemessenen Bedingungen, zum Beispiel der Energiequelle oder des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10, steuern, um den Gasstrom in dem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 zu erhöhen oder zu verringern. Wiederum können solche Bedingungen Messungen in Bezug auf Motordrehzahl, Zeitpunkt, Motortemperatur, Abgasstromtemperatur, Abgasstromdruck und Luft/Kraftstoff-Gemisch-Parameter umfassen. Weitere Parameter, die nicht aufgeführt sind, können ebenfalls entsprechend als geeignete Kriterien zum Bestimmen der Regulierung des variablen Drosselventils 84 verwendet werden. Die vorliegende Erfindung stellt demnach gesteuerte Mengen von Gas bereit, die in das Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 über das Gaszufuhrsystem 81 eingeführt werden.
In der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, sind die eine oder mehreren Kolbenanordnungen einschließlich zum Beispiel der ersten Kolbenanordnung 24 und der zweiten Kolbenanordnung 26 fluidisch mit dem variablen Drosselventil 84 verbunden und stromabwärts hiervon angeordnet. Das Einlass-Rückschlagventil 20 ist fluidisch zwischen dem variablen Drosselventil 84 und der ersten Kolbenanordnung 24 eingebunden. Entsprechend ist das Einlass-Rückschlagventil 22 fluidisch zwischen dem variablen Drosselventil 84 und der zweiten Kolbenanordnung 26 eingebunden. Beide Einlass-Rückschlagventile 20 und 22 sind demnach fluidisch mit beiden variablen Drosselventilen 18 und 84 verbunden.
Die erste Kolbenanordnung 24 und die zweite Kolbenanordnung 26 sind über Verbindungsleitungen 15 fluidisch mit einem Common-Rail-Kraftstoff-Apparat, wie einem Akkumulator 72, verbunden. Ein Auslass-Rückschlagventil 68 ist fluidisch zwischen der ersten Kolbenanordnung 24 und dem Akkumulator 72 eingebunden. Entsprechend ist das Rückschlagventil 70 fluidisch zwischen der zweiten Kolbenanordnung 26 und dem Akkumulator 72 eingebunden.
Eine Mehrzahl von Zufuhrleitungen 17 ist mit einer oder mehreren entsprechenden Kraftstoffinjektoren 74a–74f verbunden. Kraftstoffinjektoren 74a–74f sind beispielhaft in 1 dargestellt. Es ist verständlich, dass jede geeignete Anzahl von Kraftstoffinjektoren durch die Erfindung verwendet werden kann. Jede der Kraftstoffinjektoren 74a–74f kann einen entsprechenden Kraftstoffsprühnebel 78a–78f in einen entsprechenden Antriebszylinder 76 dispergieren. Der entsprechende Antriebszylinder 76 kann in einem Motor einschließlich beispielsweise einem Dieselmotor, einem Benzinmotor, einem Erdgasmotor oder einem anderen Motor, welcher einem Fachmann offensichtlich ist, angeordnet sein. Einspritzzeitpunkt und Betrieb der Kraftstoffinjektoren 74a–74f zum Erzeugen und Steuern von entsprechenden Kraftstoffsprühnebel 78a–78f können durch den elektronischen Controller 80 oder ECM basierend auf gemessenen Bedingungen der Energiequelle oder des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 gesteuert werden, wie oben diskutiert.
Im Betrieb wird Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 12 zugeführt und über das Pumpsystem 16 in Richtung des einen oder der mehreren Kolbenanordnungen gepumpt. Das variable Drosselventil 18 kann gesteuert werden (beispielsweise über den elektronischen Controller 80), um eine vorgegebene oder vorgeschriebene Menge an Kraftstoff in Richtung der Einlass-Rückschlagventile 20, 22 fließen zu lassen. Sobald der Druck des Kraftstoffs die vorgespannte Dichtkraft der Einlass-Rückschlagventile 20, 22 überwindet, öffnen die Rückschlagventile, um Kraftstoff in die Einlässe 44, 46 des Gehäuses 28 beziehungsweise 30 fließen zu lassen. Darüber hinaus stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Gas von der Gaszufuhr 82 zu den Einlass-Rückschlagventilen 20, 22 über die Gaszufuhrzuleitungen 86 bereit. Das variable Drosselventil 84 kann gesteuert werden (zum Beispiel über den elektronischen Controller 80), um eine vorgeschriebene Menge an Gas in Richtung der Rückschlagventile 20, 22 fließen zu lassen.
In 2 ist eine Ausführungsform einer Hochdruckpumpanordnung gezeigt. Das Einlass-Rückschlagventil 20 ist gegen den Rückschlagventilsitz 21 angeordnet, wenn in einer geschlossenen Position, und weiter fluidisch über die Passage 13 mit dem Gehäuse 28 verbunden. Über ein Kraftstoffeinlassmittel, wie beispielsweise einen Kraftstoffzufuhrdurchgang 92, welcher mit einer Zufuhrleitung 14 verbunden ist, wird Kraftstoff erhalten und in Richtung des Rückschlagventils 20 geführt. Die Gaszufuhrleitung 86 ist weiter so konfiguriert, um Gas an einer Gaszufuhrnadel 90 bereitzustellen, die den Gasstrom zu dem Einlass-Rückschlagventil 20 führt. Das Einlass-Rückschlagventil 20 ist in eine geschlossene Position vorgespannt, in welcher es dichtend mit dem Sitz 21 in Eingriff ist, um einen Durchgang von Kraftstofffluss unterhalb eines vorgeschriebenen Druckes zu verhindern. Sobald der aufgebaute Druck von Kraftstoff und Gas den Dichtdruck des Einlass-Rückschlagventils 20 überwindet, öffnet das Einlass-Rückschlagventil 20 und Kraftstoff kann in die Öffnung 13 in den Einlass 44 (1) der Pumpkammer 94 fließen. Der Kraftstofffluss zieht auch Gasblasen von stromabwärts der Gaszufuhrnadel 90 und trägt die Gasblasen in die Pumpkammer 94, wodurch ein Gas-Kraftstoff-Gemisch in der Pumpkammer 94 erzeugt wird. In einer Ausführungsform kann der Kraftstoff bei einem Druck im Bereich von etwa 6 bis 300 psi bereitgestellt werden. Die Gaszufuhr 82 kann Gas (zum Beispiel ein nicht kondensierbares Gas wie Druckluft, Wasserstoff, Propan oder ein anderes geeignetes Gas zum Reagieren mit dem Kraftstoff) durch die Gaszufuhrleitung 86 bei einem Druck im Bereich von etwa 0 bis 300 psi bereitstellen. In einer Ausführungsform stellt die Erfindung somit ein Gas-Kraftstoff-Gemisch von geliefertem Gas bei 1% des Volumens des Kraftstoffs bei einer Atmosphäre bereit.
Während des Flusses des Gas-Kraftstoff-Gemisches in die Pumpkammer 94 wird der Kolben 32 in Richtung der Nocke 64 bewegt (1). Wenn die Nocke betrieben wird, um bei einem Pumpenhub eine Bewegung des Kolbens in Richtung der Pumpkammer zu bewirken, wird durch die Bewegung des Kolbens eine Druckwelle in dem Gas-Kraftstoff-Gemisch erzeugt. Zusätzlich wird während des Rückhubs des Kolbens ein Vakuum erzeugt (wie beispielsweise an der Spitze der Kolbenstange 52), wodurch Kavitationsblasen erzeugt werden. Die Kavitationsblasen können also als Folge von Druckunterschieden innerhalb des Gehäuses 28 auftreten. Wenn der Kolben 32 das Gas-Kraftstoff-Gemisch in der Pumpkammer 94 komprimiert, kollabieren die Kavitationsblasen. Normalerweise hat das Zusammenbrechen der Kavitationsblasen das Potential, Komponenten des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 (beispielsweise innerhalb des Hochdruckpumpenkopfes oder Doms 95 der Pumpkammer) zu schädigen. In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung arbeitet das Gas (zum Beispiel Luft), das in den Kraftstoff von dem Gaszufuhrsystem 81 eingebracht wird, als Stoßdämpfer, um das Ausmaß der negativen Druckwelle zu senken und dadurch die Effekte von kollabierenden Kavitationsblasen zu reduzieren. Dies wird in der Tat Schäden an Systemkomponenten reduzieren oder beseitigen und/oder die Lebensdauer der Komponenten erhöhen.
Weiterhin mit Bezug auf 2 ist das Auslass-Rückschlagventil 68 in Fluidverbindung mit der Pumpkammer 94 über die Öffnung 17 gezeigt. Wenn der Kolben 32 seinen Rückhub ausführt, wird das Gas-Kraftstoff-Gemisch in die Pumpkammer eingesogen, beispielsweise über die Öffnung 13. Während des Kompressions- oder Pumphubes verdichtet der Kolben 32 das Gas-Kraftstoff-Gemisch, welches das Gas-Kraftstoff-Gemisch von dem Auslass 48 (1) des Gehäuses 28 in Richtung des Auslass-Rückschlagventils 68, beispielsweise über die Öffnung 17, zwingt. Während der Druckbeaufschlagung des Gas-Kraftstoff-Gemisches wird sich das Gas mit steigendem Druck in dem Kraftstoff lösen, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Das heißt, die Gasblasen werden in ihrer Größe reduziert und in der Lösung verteilt.
Das Auslass-Rückschlagventil 68 ist in eine dichtende, geschlossene Position vorgespannt, in welcher es einen Fluss des Gas-Kraftstoff-Gemisches unterhalb eines vorgeschriebenen Druckes verhindert. Sobald der Druck des Gas-Kraftstoff-Gemisches den vorgespannten Dichtdruck des Auslass-Rückschlagventils 68 überschreitet, öffnet das Auslass-Rückschlagventil 68 und das unter hohem Druck stehende Gas-Kraftstoff-Gemisch kann zu weiterem Equipment, wie beispielsweise dem Common-Rail-Kraftstoffsystem 79, geführt werden. Wie in 1 gezeigt, können die Komponenten des Common-Rail-Kraftstoffsystems 79 einen Akkumulator 72 und eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 74a bis 74f aufweisen, die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Antriebszylinder 76 konfiguriert sind. In einer Ausführungsform kann das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch, beispielsweise über Leitungskanäle 15, bei einem Druck im Bereich von etwa 500 bis 2600 bar an dem Akkumulator 72 bereitgestellt werden.
Während Kavitation als Folge von Druckdifferenzen in einer volumetrischen Region produziert werden kann, wird eine strömungsinduzierte Kavitation durch eine Strömung um ausgeprägte Ecken erzeugt. Also zumindest teilweise aufgrund von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und der Erzeugung von Niederdruckregionen in dem Fluid, welche auftreten können, wenn das Gas-Kraftstoff-Gemisch zu dem und durch das Common-Rail-Kraftstoffsystem 79 geleitet wird. Mit Bezug zum Beispiel auf 3 ist ein in eine Strömungsrichtung fließendes Arbeitsfluid 100, welches einem Gasinjektionsprozess der vorliegenden Erfindung ausgesetzt ist, gezeigt. Das Arbeitsfluid 100 umfasst eine Hochdruckregion 104. Innerhalb der Hochdruckregion 104 bleiben die unter hohem Druck stehenden Gasblasen 102 in Lösung.
Wie bereits erwähnt, kann eine strömungsinduzierte Niederdruckregion 106 in dem Arbeitsfluid 100 gebildet werden. Die strömungsinduzierte Niederdruckregion 106 wird beispielsweise als Folge davon erzeugt, dass das Arbeitsfluid 100 eine Struktur, die die Geschwindigkeit und/oder den Druck des Arbeitsfluides 100 in der Nähe der Struktur reduziert, überquert oder trifft. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die Niederdruckregion 106 auch ein injiziertes nicht-kondensierbares Gas (dargestellt als Niederdruckgasblasen 98), welches in dem Gas-Kraftstoff-Gemisch durch das offenbarte Gaszufuhrsystem 81 bereitgestellt ist. Wenn das Gas-Kraftstoff-Gemisch eine strömungsinduzierte Niederdruckregion trifft, kommt das nicht-kondensierbare Gas, also die Niederdruckgasblase 98, in einem expandierten Zustand aus der Lösung heraus. Die Niederdruckgasblase 98 wird durch Kavitationsblasen oder Fluid-Dampfwolken-Blasen 96 in der strömungsinduzierten Niederdruckregion 106 gekapselt. Da die Niederdruckgasblase 98 in der Niederdruckregion 106 mehr expandiert, nimmt diese einen größeren Bereich der Fluid-Dampfwolken-Blase 96 ein. So ist das innere Volumen der Fluid-Dampfwolken-Blase 96 reduziert.
Sollte die Fluid-Dampfwolken-Blase 96 kollabieren, um eine Hochtemperaturschockwelle zu erzeugen, könnte die vorgenannte Schockwelle Oberflächen von Komponenten in der Nähe treffen und beschädigen. Aufgrund der Niederdruckgasblase 98 in dem Arbeitsfluid 88 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die Auswirkungen der kollabierenden Kavitationsblase jedoch reduziert. Wenn die Kavitationsblase oder Fluid-Dampfwolken-Blase 96 kollabiert (um ansonsten eine Hochtemperaturschockwelle zu erzeugen), wirkt die Gasblase 98 als ein „Stoßdämpfer”, indem sie die maximale Auswirkung des Kollabierens der Fluid-Dampfwolken-Blase 96 reduziert. Die vorliegende Erfindung stellt somit einen dämpfenden Effekt der Gasblase 98 bereit, um die Auswirkungen von Schäden aufgrund von Kavitation auf Oberflächen von Komponenten des offenbarten Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 zu verhindern und/oder zu reduzieren. Die vorgenannten Komponenten können beispielsweise Dichtungen, Zufuhrleitungen, Einspritzventile, Gehäuse und Rückschlagventile umfassen.
Weiter mit Bezug auf 3 kann das mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff-Gas-Gemisch beim Verlassen des Akkumulators 72 über Zuleitungen 17 entsprechenden Kraftstoffinjektoren 74a bis 74f zugeführt werden. Der elektronische Controller 80 kann die Kraftstoffinjektoren 74a bis 74f betätigen, so dass diese entsprechende Sprühnebel 78a bis 78f, welche das Kraftstoff-Gas-Gemisch beinhalten, injizieren und dispergieren. Vor der Dispergierung bleibt das injizierte Gas in Lösung des Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisches. Während der Dispergierung wird der Druck des Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisches jedoch reduziert. In einem Beispiel reduziert die Dispergierung des Sprühnebels in dem entsprechenden Antriebszylinder den Druck des Gas-Kraftstoff-Sprüh-Gemisches von etwa 500 bis 2600 bar herunter bis etwa 200 bar. Da der Druck des Gas-Kraftstoff-Gemisches während der Dispergierung/Injektion in den Antriebszylinder 76 reduziert wird, expandieren die injizierten Gasblasen und kommen aus der Lösung des Arbeitsfluides oder Kraftstoffs heraus. Während der schnellen Reduktion des Druckes vergrößert sich die volumetrische Größe der Gasblasen. Solch eine Expansion fördert die Dispergierung der Sprühnebel 78a bis 78f der entsprechenden Kraftstoffinjektoren 74a bis 74f, da das Gas-Kraftstoff-Gemisch verdampft wird. Diese Expansion kann die Sprühnebel 78a bis 78f vollständiger zerstäuben, um einen besseren Kraftstoffnebel für die Zündung herzustellen. Ein verbesserter Kraftstoffnebel wird dadurch hergestellt, dass der Kraftstoffnebel mehr Oberfläche abdeckt und die Zündung fördert, wodurch die Kraftstoffeffizienz steigt. Die Dispergierung der verbesserten Sprühnebel 78a bis 78f durch die Expansion der injizierten Gasblasen kann die Sprühnebel 78a bis 78f auch schneller und sauberer brennen lassen. Dies kann auch die Effizienz des Motors erhöhen und Emissionen verbessern.
Das Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 mit dem Injektionsgaszufuhrsystem 81 der vorliegenden Offenbarung kann mit jeglicher Art von Verbrennungsmotor verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hochdruckpumpanordnung 83 in Fluidverbindung zwischen einer Zufuhr des Kraftstofftanks 12 und einem Gaszufuhrsystem 81 eingebunden. Ein Common-Rail-Kraftstoffsystem ist auch fluidisch stromabwärts der Hochdruckpumpanordnung 83 angeschlossen. Beispielhaft kann das Gasinjektionszufuhrsystem 81 in Kombination mit dem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, verwendet werden, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch an einem Common-Rail-Kraftstoffsystem 79 bereitzustellen. Bei einem solchen Motor wird das Gasinjektionszufuhrsystem 81 verwendet, um die Injektion von Gas in ein Arbeitsfluid oder einen Kraftstoff des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 zu erleichtern, um die Auswirkungen von mikroskopischen Fluid-Dampfwolken-Blasen oder Kavitationsblasen, die in dem Arbeitsfluid, beispielsweise dem Kraftstoff verteilt sind, zu reduzieren oder zu beseitigen. Das offenbarte Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 und das Injektionsgaszufuhrsystem 81 können auch für die Reduzierung der Auswirkungen von Kavitation, beispielsweise innerhalb und an Systemkomponenten, nützlich sein. Diese Komponenten können Dichtungen, Fluidleitungen, Ventile, welche innerhalb des Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 angeordnet sind, umfassen.
Es ist für den Fachmann erkennbar, dass verschiedene Modifikationen und Variationen bei der offenbarten Vorrichtung und dem Verfahren durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Weiter sind andere Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens durch die Beachtung der Beschreibung offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele als nur beispielhaft berücksichtigt werden, wobei der wahre Umfang der Offenbarung in den nachfolgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten angegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem wird bereitgestellt mit einer Kraftstoffzufuhr, einer in Fluidverbindung stehenden Hochdruckpumpanordnung, um Kraftstoff von der Kraftstoffzufuhr zu erhalten, einem in Fluidverbindung stehenden Gaszufuhrsystem, um Gas an der Hochdruckpumpanordnung bereitzustellen, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen. Ein Common-Rail-Kraftstoffsystem steht in Fluidverbindung mit der Hochdruckpumpanordnung, um das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6647968 [0004]

Claims

Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem, umfassend: eine Kraftstoffzufuhr, eine Hochdruckpumpanordnung, welche zum Erhalten von Kraftstoff von der Kraftstoffzufuhr fluidisch angeschlossen ist; ein Gaszufuhrsystem, welches fluidisch angeschlossen ist, um Gas an der Hochdruckpumpanordnung bereitzustellen, um ein Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen; und ein Common-Rail-Kraftstoffsystem, welches fluidisch an der Hochdruckpumpanordnung angeschlossen ist, um das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch zu erhalten.
System nach Anspruch 1, wobei die Hochdruckpumpanordnung umfasst: ein variables Drosselventil in Fluidverbindung mit der Kraftstoffzufuhr; mindestens eine Kolbenanordnung; mindestens ein Einlass-Rückschlagventil, welches mit der mindestens einen Kolbenanordnung und dem variablen Drosselventil verbunden ist; mindestens einem Auslass-Rückschlagventil, welches fluidisch mit der mindestens einen Kolbenanordnung und dem Common-Rail-Kraftstoffsystem verbunden ist, wobei das variable Drosselventil einen Kraftstoffstrom zu dem mindestens einen Einlass-Rückschlagventil steuert.
System nach Anspruch 2, wobei das Gaszufuhrsystem umfasst: eine Gaszufuhr; ein weiteres variables Drosselventil, welches fluidisch mit der Gaszufuhr und dem mindestens einen Einlass-Rückschlagventil verbunden ist, wobei das weitere variable Drosselventil einen Gasstrom zu dem mindestens einen Einlass-Rückschlagventil steuert.
System nach Anspruch 3, wobei das variable Drosselventil der Hochdruckpumpanordnung und des Gaszufuhrsystems konfiguriert sind, um den Kraftstoff- beziehungsweise Gasstrom über einen elektronischen Controller basierend auf einer oder mehreren vorgegebenen Bedingungen zu regulieren.
System nach Anspruch 4, wobei die eine oder mehreren vorgegebenen Bedingungen die Motordrehzahl, das Timing, die Motortemperatur, die Abgasstromtemperatur, den Abgasstromdruck und die Luft-/Kraftstoff-Gemisch-Parameter umfassen.
System nach Anspruch 3, wobei die Gaszufuhr eine Druckluftzufuhr umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei das Gaszufuhrsystem konfiguriert ist, um Gas bei einem Druck im Bereich von etwa 6 bis 300 psi an dem mindestens einen Einlass-Rückschlagventil bereitzustellen.
System nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Einlass-Rückschlagventil konfiguriert ist, um ein Gas-Kraftstoff-Gemisch an der mindestens einen Kolbenanordnung bereitzustellen.
System nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Kolbenanordnung konfiguriert ist, um das Gas-Kraftstoff-Gemisch unter Druck zu setzen.
System nach Anspruch 9, wobei das Gas-Kraftstoff-Gemisch auf einen Druck im Bereich von etwa 500 bis 2600 bar gebracht wird.
System nach Anspruch 1, wobei das Common-Rail-Kraftstoffsystem umfasst: einen Akkumulator; einen Antriebszylinder; mindestens einen Kraftstoffinjektor in Fluidverbindung mit dem Akkumulator und in weiterem Kontakt mit dem Antriebszylinder.
System nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Kraftstoffinjektor konfiguriert ist, um das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch in den Antriebszylinder zu dispergieren.
System nach Anspruch 12, wobei das Hochdruck-Gas-Kraftstoff-Gemisch bei einem Druck von etwa 200 bar dispergiert wird.
Verfahren zur Verringerung der Kavitation in einem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystem, umfassend: Bereitstellen einer Kraftstoffangebots an einer Hochdruckpumpanordnung; Zuführen eines Gasangebots zu der Hochdruckpumpanordnung; Mischen von Kraftstoff und Gas zum Bilden eines Gas-Kraftstoff-Gemisches; Unter-Druck-Setzen des Gemisches bei einem ersten Druck; Zuführen des unter Druck stehenden Gas-Kraftstoff-Gemisches zu einem Common-Rail-Kraftstoffsystem; und Zerstäuben des Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem zweiten Druck unterhalb des ersten Druckes.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Bereitstellen des Kraftstoffangebots an einer Hochdruckpumpanordnung bei einem Druck im Bereich von etwa 6 bis 300 psi.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Zuführen des Gasangebots zu der Hochdruckpumpanordnung bei einem Druck im Bereich von etwa 6 bis 300 psi.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Mischen des Kraftstoffes und des Gases zum Erzeugen eines Gas-Kraftstoff-Gemisches mit einem Gasvolumen von etwa 1% des Kraftstoffes bei einer Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Unter-Druck-Setzens das Unter-Druck-Setzen des Gemisches bei einem Druck im Bereich von etwa 500 bis 2600 bar umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter aufweisend: Zerstäuben des Gas-Kraftstoff-Gemisches bei etwa 200 bar.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter aufweisend: Automatisches Regulieren der Zufuhr von Kraftstoff und Gas zu der Hochdruck-Kraftstoff-Pumpvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend: Automatisches Regulieren der Zufuhr von Kraftstoff und Gas basierend auf einer oder mehreren vorgegebenen Bedingungen des Kraftstoffsystems oder eines Motors.
System nach Anspruch 21, wobei die eine oder mehreren vorgegebenen Bedingungen die Motordrehzahl, das Timing, die Motortemperatur, die Abgasstromtemperatur, den Abgasstromdruck und Luft-/Kraftstoff-Gemisch-Parameter umfassen.
System zur Verringerung von Kavitation in einem Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoff-System aufweisend: Mittel zum Bereitstellen eines Kraftstoffangebots an einer Hochdruckpumpanordnung; Mittel zum Zuführen eines Gasangebots zu der Hochdruckpumpanordnung; Mittel zum Mischen von Kraftstoff und Gas zum Bilden eines Gas-Kraftstoff-Gemisches; Mittel zum Unter-Druck-Setzen des Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem ersten Druck; Mittel zum Zuführen des unter Druck stehenden Gas-Kraftstoff-Gemisches zu einem Common-Rail-Kraftstoffsystem; und Mittel zum Zerstäuben des unter Druck stehenden Gas-Kraftstoff-Gemisches bei einem zweiten Druck unterhalb des ersten Druckes.