燃料系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种燃料系统(10)，该燃料系统具有：一个用于处于液态的、具有第一蒸发压力的第一燃料(16)的第一储存器(14)及一个用于处于液态的、具有第二蒸发压力(54)的第二燃料(42)的第二储存器(40)，其中第二蒸发压力(54)高于第一蒸发压力；一个用于使处于液态的第一燃料(16)与处于液态的第二燃料(42)相混合的混合装置(22)；及一个喷射器(38)，该喷射器与混合装置(22)形成液压连接并这样地构成，使得当混合物(29)通过喷射器(38)的一个喷射孔排出时或紧后时刻第二燃料(42)由液态转变成气态。
【专利说明】燃料系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及权利要求1的前序部分的燃料系统。
【背景技术】
[0002]内燃机的燃料系统已由市场公知，这些燃料系统借助一个喷射系统将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。在此情况下燃料压力，燃料温度，燃料类型和/或喷射系统的结构特性影响了内燃机的技术效率及废气的化学成分。该专业领域中的专利公开文献例如为DE4444417A1及 DE19500690A1。
【发明内容】
[0003]作为本发明的基础的任务问题将通过根据权利要求1的燃料系统来解决。其有利的进一步构型给出在从属权利要求中。对于本发明重要的特征还可从以下的说明及附图中得到，其中这些特征不仅单独地而且以不同组合地对于本发明均可为重要的特征，对此无需再次明确地指出。
[0004]本发明具有其优点，即在燃料压力可比较的情况下喷射到一个内燃机的燃烧室中的燃料混合物的小液滴尺寸可以变小，由此改善了燃烧及废气的成分。相应地在小液滴尺寸可比较的情况下燃料系 统的燃料压力可以降低，由此使燃料系统总地可显著简化。例如高压燃料泵及燃料导管、传感器和/或喷射器的实施可显著简化及由此变得便宜。此外两种用于喷射的燃料对燃烧均有贡献，以致总的混合物的能量被用来驱动内燃机并可减少燃料损耗。对于这种一开始就将多个燃料类型、例如汽油及液化气(LPG，英文^liquefiedpetroleum/propane gas”)用于(可转换的)运行的燃料系统及内燃机得到一个特殊的成本优势。本发明既可用于燃料向内燃机的燃烧室的直接喷射也可用于吸气管喷射。本发明同样可用于奥托发动机及柴油发动机。
[0005]根据本发明的燃料系统具有:一个用于处于液态的、具有第一蒸发压力的第一燃料的第一储存器(燃料容器)及一个用于处于液态的、具有第二蒸发压力的第二燃料的第二储存器。其中第二蒸发压力高于第一蒸发压力。该燃料系统还具有一个用于使处于液态的第一燃料与处于液态的第二燃料相混合的混合装置。该混合装置与一个设置在下游的喷射器(喷射阀)形成液压连接，其中喷射器这样地构成，即当混合物通过喷射器的一个喷射孔排出时或其紧后时刻第二燃料由液态转变成气态。因此两种燃料相互混合及共同处于液态并由此同时地被喷射。在此情况下一直达到喷射孔的燃料压力高于相应的蒸发压力。第一燃料对第二燃料的燃料量比例譬如为10比I。
[0006]通过第二燃料比第一燃料高的蒸发压力或低的沸点温度当喷射时或其紧后时刻形成这样的效应，即第二燃料-作为压力下降的后果-瞬间地转变到气态(闪沸，英文:“flash boiling”)。在此情况下第二燃料的体积也瞬间增大。当第一及第二燃料在先很好混合的情况下外裹的第一燃料可以说“被撕开”，这时形成非常多的及特别细小的第一燃料的液滴。这些细小的燃料液滴可特别好地蒸发。在此情况下其蒸发速度约与液滴直径的平方成反比，由此在燃烧室中得到一个相当快速的且优化的混合物形态。
[0007]此外本发明也可应用于低压吸气管喷射，柴油喷射系统或用于废气再处理的喷射系统(“AdBlue”)-例如与二氧化碳(C02)相化合。本发明同样可用于油加热的喷射系统，例如用于建筑物暖气。在内燃机的情况下喷射是一个每次相对短的过程，而在油暖气的情况下则是一个更可能的连续过程。在此方面“燃料”的概念不应被局限地理解，而可包含所有易反应的流体，它们可被喷成雾状及在雾化时受到一个压力降，其中雾化的原因是反应表面积的变大及由此尽可能高的雾化度与尽可能小的液滴直径。
[0008]本发明尤其在于:第一燃料是汽油燃料或柴油燃料及第二燃料是液化气或甲烷或乙烷。液化气，甲烷或乙烷具有一个比汽油燃料或柴油燃料明显高的蒸发压力及因此对于喷射时刻燃烧室中的温度及压力来说特别适合于:快速地将汽油燃料或柴油燃料分解成极细的液滴。蒸发压力一般意味着一个-与温度相关及与燃料相关的-环境压力，低于该压力相应的液体则开始转变到气态。
[0009]该燃料系统的一个第一构型在于:在第一或第二储存器的一个区域中各设有一个第一或第二燃料泵；及第一燃料泵的压力区域及第二燃料泵的压力区域与混合装置相连接；及混合装置在下游与一个共同的高压燃料泵的抽吸区域相连接；及该共同的高压燃料泵的压力区域与一个压力储存器相连接，混合物可由该压力储存器被输送给喷射器。该结构总地仅需要一个高压燃料泵并由此可特别简单及成本上有利地制造。
[0010]补充地提出，第一及第二燃料泵和/或共同的高压燃料泵通过电来驱动。电驱动的燃料泵可特别简单及快速地对于当前的燃料需要量进行控制。尤其可达到:不低于所需的最小液压力(蒸发压力)，以致基本上可避免喷射器的喷孔的上游的气泡。
[0011]燃料系统的第二构型在于:在第一或第二储存器的一个区域中各设有一个第一或第二燃料泵；及第一燃料泵的压力区域与第一高压燃料泵的抽吸区域相连接；及第二燃料泵的压力区域与第二高压燃料泵的抽吸区域相连接；及第一高压燃料泵的压力区域与第二高压燃料泵的压力区域与混合装置相连接；及混合装置在下游与一个压力储存器相连接，混合物可由该压力储存器被输送给喷射器。在此情况下燃料借助各一个自己的(前置输送)燃料泵及各一个自己的后置高压燃料泵来输送。以此方式可特别好地考虑到两种燃料的不同特性。
[0012]补充地提出，第一和/或第二燃料泵和/或第一和/或第二高压燃料泵通过电来驱动。因此对于本发明的该第二构型可利用电燃料泵的优点(例如个别的并与内燃机的当前工作状态无关的输送功率)。
[0013]该燃料系统的第三构型在于:第一及第二储存器被作成用于第一及第二燃料的一个共同的储存器；在该共同储存器的一个区域中设有一个燃料泵；及燃料泵的压力区域与一个高压燃料泵的抽吸区域相连接；及该高压燃料泵的压力区域与一个压力储存器相连接，混合物可由该压力储存器被输送给喷射器。因此前面所称的混合装置与喷射器之间的“液压的”连接在这里包括:一个共同的储存器，一个可能设置在该共同的储存器中的、以便使第一及第二燃料至少部分地混合的混合装置(参见下面的描述)，燃料泵，一个由燃料泵到高压燃料泵的低压导管，一个由高压燃料泵到压力储存器的高压导管及一个由压力储存器到喷射器的另一高压导管。该结构可特别简单及节省位置地实施，因为根据本发明的燃料系统所需的部件数目可减到最少。在此情况下尤其燃料泵及高压燃料泵可选择通过电来驱动。
[0014]补充地提出，共同的储存器具有一个混合装置，该混合装置可将燃料混合。燃料的混合可在内燃机工作之前和/或工作期间进行。因此可达到:储存在共同的储存器中的燃料在任何时间均被最佳地混合。
[0015]补充地本发明普遍在于，第一与第二燃料的份额比是可调节的。例如第一燃料对第二燃料的比例-如上所述-为10比I。但也可以是另一任意的比例，该比例甚至在内燃机工作期间可改变。我们可看到，第二燃料相对第一燃料的一个相对小的份额就足以实现两种燃料在燃烧室中最佳地蒸发。因此相对少地需要第二燃料，由此根据本发明的燃料系统是特别高效的。
[0016]此外提出，混合装置包括至少一个比例阀和/或一个脉冲控制的开关阀和/或一个脉冲控制的转换阀和/或一个挡板和/或一个设置在一个布置于下游的高压燃料泵中的控制缝隙。因此可以得到混合装置的不同实施形式，它们可各最佳地适配于一个相应的燃料系统。一个-可快速转换的-转换阀例如允许:在高压燃料泵的抽吸阶段期间调节两种燃料的混合比。尤其当这些燃料各借助一个前置输送泵在各相等的燃料压力上进行输送时，所述的挡板是合适的。在高压燃料泵的活塞冲程保持不变的情况下可特别合适地使用-至少一个-控制缝隙。在根据所述的第三构型的燃料系统中混合装置也可包括一个混和装置，例如一个搅拌杆或类似物。
[0017]当第一或第二燃料泵和/或第一或第二高压燃料泵可产生一个相应的燃料压力，该燃料压力高于被输送的燃料的相应的蒸发压力时，根据本发明的燃料系统可特别可靠地工作。由此可防止燃料系统中的气泡并由此可达到无干扰的工作。
[0018]以下将参照附图来描述本发明的示范实施形式。附图中表示:
[0019]图1:用于内燃机的燃料系统的第一实施形式；
[0020]图2:用于内燃机的燃料系统的第二实施形式；
[0021]图3:用于内燃机的燃料系统的第三实施形式；
[0022]图4:蒸发压力相对温度的曲线图；
[0023]图5:喷射过程的第一状态的概图；
[0024]图6:喷射过程的第二状态的概图；
[0025]图7:喷射过程的第三状态的概图；
[0026]图8:使用第一燃料的喷射过程的图象；及
[0027]图9:使用第一及第二燃料的喷射过程的图象。
[0028]在所有图中并在不同的实施形式中功能等同的部分及参数使用相同的标号。
[0029]图1以简化的示图表示用于内燃机12的燃料系统10的第一实施形式。在该图的左上区域中表示出一个用于第一燃料16的第一储存器14 (燃料容器)，这里该第一燃料是汽油。在第一储存器14上或在其中设有一个第一电驱动燃料泵18，该燃料泵在输出侧通过一个第一低压导管20与一个混合装置22的第一输入端连接。混合装置22包括一个第一及一个第二比例阀24及26。在第一低压导管20上设有一个第一压力传感器28。一个在混合装置22中形成的混合物29在下游被输送给一个电驱动的高压燃料泵30的抽吸区域。
[0030]电驱动的高压燃料泵30在输出侧通过一个高压导管32与一个燃料高压储存器34(“轨”)连接。在高压储存器34上设有一个第二压力传感器36，借助该传感器可测定高压储存器34中的当前燃料压力。高压储存器34通过燃料导管(无标号)与这里的内燃机12的四个喷射器38 (喷射阀)形成液压连接。
[0031]在该图的左下区域中表示出一个用于第二燃料42的第二储存器40 (燃料容器)，这里该第二燃料是液化气。在第二储存器40上或在其中设有一个第二电驱动燃料泵44，该燃料泵在输出侧通过一个第二低压导管46与混合装置22的第二输入端连接。
[0032]对比例阀24及26变换地该混合装置22也可包括一个脉冲控制的开关阀，一个快速转换阀或-尤其在燃料泵18及44的第一输送压力(“预输送压力”)相同的情况下-包括一个挡板。比例阀24及26或挡板通过张开横截面与第一输送压力乘积的确定比例来确定混合比。为了提高准确度可各在比例阀24及26 -或在变换的挡板-的上游设置一个液压的压力缓冲器。上述的快速转换阀在构有活塞的高压燃料泵30的情况下可特别合理地使用并允许在抽吸阶段期间调节混合比。混合装置22同样可包括一个在高压燃料泵30中的控制缝隙，当高压燃料泵30具有恒定行程时这是特别有意义的。
[0033]在内燃机12工作时第一电驱动燃料泵18由第一储存器14通过第一低压导管20向混合装置22输送汽油，其中汽油的液压压力上升到第一输送压力-例如达到21巴-上。该第一输送压力借助第一压力传感器28来测定或监测。混合装置22的比例阀24将控制输送给电驱动的高压燃料泵30的汽油量。
[0034]第二电驱动燃料泵44由第二储存器40通过第二低压导管46将液化气也输送到混合装置22中，其中液化气的液压压力也上升到第一输送压力-例如达到21巴-上。混合装置22的比例阀26将控制输送给电驱动的高压燃料泵30的液化气量。在此情况下混合装置22的控制通过一个在该图中未示出的内燃机12的控制装置和/或调节装置来实现，该控制或调节装置由不同的传感器、例如压力传感器28及36获得信号。
[0035]电驱动的高压燃料泵30将在混合装置22中形成的汽油与液化气的混合物29以第二 -升高的-输送压力输送到高压导管32中及然后输送到高压储存器34中。这里混合装置22被这样地调节，即第一燃料16对第二燃料42的比例为10比1，以致内燃机12基本上用汽油来工作。由高压储存器34通过相应的喷射器38可将该混合物29喷射到内燃机12的燃烧室中。
[0036]借助在混合装置22中形成的混合物29可使燃烧室中的燃烧特别好的进行，如后面还将借助图5至9解释的。这里在工作期间汽油对液化气的燃料量比例将根据相应的需要或内燃机12的工作状态来控制。该控制与足够高的第一及第二输送压力一起将达到:在燃料系统10中不会低于液化气的或汽油的蒸发压力。因此混合物29在从储存器14及40到借助喷射器38喷射的路径上也保持在液态中，其中基本上防止了去混合。
[0037]液化气例如可为丁烷或丙烷或具有丁烷对丙烷的任意比例，只要混合物的蒸发压力高于汽油的蒸发压力。
[0038]图2表示用于内燃机12的燃料系统10的第二实施例。这里第一燃料泵18通过第一低压导管20与第一高压燃料泵48的抽吸区域连接及第二燃料泵44通过第二低压导管46与第二高压燃料泵50的抽吸区域连接。第一或第二高压燃料泵48或50可为电或机械驱动的。在高压燃料泵48或50机械驱动的情况下用于控制输送量的可能装置-例如在高压燃料泵48或50的抽吸区域中的一个电磁控制阀-在该图中未被表示出来。
[0039]高压燃料泵48及50的输出侧各与混合装置22的比例阀24及26连接。在混合装置22的输出端上连接高压导管32，该高压导管-如对图1所述的-与高压储存器34连接。
[0040]对比例阀24及26变换地-如对图1进一步说明的_该混合装置22也可包括一个脉冲控制的开关阀，一个快速转换阀和/或一个挡板。混合装置22同样可包括一个在高压燃料泵48或50中的控制缝隙。
[0041]在内燃机12工作时第一电驱动燃料泵18由第一储存器14通过第一低压导管20以例如达到10巴的第一输送压力向高压燃料泵48输送汽油。第二电驱动燃料泵44由第二储存器40通过第二低压导管46以例如达到21巴的第二输送压力向高压燃料泵50输送液化气。高压燃料泵48及50各将燃料压力升高到第二输送压力上。混合装置22的比例阀24及26控制汽油与液化气的燃料量的比例。这样形成的混合物29接着被输送给高压导管32。
[0042]图3表示用于内燃机12的燃料系统10的第三实施形式。在该图的左区域中设有储存器14，这里该储存器共同用于第一及第二燃料16及42并由此包含了汽油与液化气的混合物29。该混合物最好在一个加油站就已混合好地注入到存储器14中。附加地该存储器14具有一个搅拌杆52形式的混合装置。
[0043]等于燃料泵18通过第一低压导管与高压燃料泵48的抽吸侧连接。这里该高压燃料泵48可为电或机械驱动的。高压燃料泵48在输出侧如上所述地与高压导管32连接。
[0044]在内燃机10工作时混合物29由存储器14通过低压导管20被输送给高压燃料泵48的抽吸区域。在此情况下至少暂时操作的搅拌杆52将防止两种燃料的去混合。高压燃料泵48如上所述地将混合物29输送到高压导管32中。同样如根据图1及的实施形式中那样通过足够的第一及第二输送压力来达到不低于混合物29的蒸发压力。因此混合物29在从储存器14到喷射器38的喷射孔的路径上保持在液态中。
[0045]图4表示第二燃料42的蒸发压力54相对温度56的曲线图。在所示坐标系的横坐标上标出第二燃料42 (液化气)的温度。在纵坐标上与温度56相关地以相应组分标出液化气的蒸发压力54。因此在该图中表示出一个曲线族，该曲线族具有作为参量的液化气的相应组分。温度56的单位为“C” (摄氏度)及蒸发压力54的单位为“bar (巴)”。
[0046]在该曲线图中最下面的曲线56相应于一种丁烷气，这里它具有占70重量百分比的η- 丁烷及占30重量百分比的1- 丁烷。在该曲线图最上面的曲线60相应于一种丙烷气，这里它具有占96重量百分比的纯丙烷、占2.5重量百分比的乙烷及占1.5重量百分比的i_ 丁烷。对于其余曲线的参量数据各表明一个丁烷气的百分比组分及一个丙烷气的百分比组分。
[0047]我们可看到，蒸发压力54 -即当低于它时液化气转变到气态的那个特定的环境压力-随着温度56的升高也升高。此外相应的蒸发压力54随着丙烷组分的增加而增高。因此高组分的丁烷-当其它条件相同时-可减小气泡形成的危险。
[0048]图5表示通过喷射器38的喷射过程的第一状态的概图。设置在该图左部区域中的喷射器38在该图中向右地将混合物29喷射到一个未进一步表示的内燃机12的燃烧室中。在所示状态中混合物29的第一液滴已被喷入燃烧室中，但这时混合物29基本上还处于液态。
[0049]图6表示在接着第一状态后的第二状态中的图5的排列。图示的相应内点或圆圈表示第二燃料42(液化气)及相应的大的外圆圈表示第一燃料16 (汽油)。在该所示的蒸发状态中液化气在由喷射器38喷出后由于在喷出时产生的压力降很快地转变到气态，这时其体积也很快地变大。
[0050]图7表示在接着第二状态后的第三状态中的图6的排列。其中液化气几乎完全地达到液态。由于混合物29中汽油与液化气-假定很好的-混合而得到了一个效应(俗称“闪沸效应”)，即这时汽油被雾化成非常多的且非常小的单个小滴。接着可相当快地进行汽油的蒸发，汽油在这里约占混合物29的90%。此外在燃烧室中产生混合物29或汽油的特别快速且有效的燃烧。液化气同样地燃烧并对内燃机12的转矩形成作出贡献。
[0051]图8表示仅使用第一燃料16、即使用汽油产生的一个(描绘的)喷射图象。该喷射基本上在图中由上向下进行，其中喷射器38未一起被绘出。所示的图象在约10巴的喷射压力下及约2ms(毫秒)的喷射持续时间中形成。可明显地看到汽油的相对大的单个小滴62。
[0052]图9表示一个可与图8相对比的喷射，但该喷射是使用混合物29、即使用约90%的汽油及约10%的液化气来进行的。所示的图象也在约10巴的喷射压力下及约2ms (毫秒)的喷射持续时间中形成。
[0053]我们可明显地看出:与图8相比较图9的喷射构成了一个大容积的喷射雾，其中单个小滴以该图现在的比例尺不能被看到或勉强能看到。图9中可看出的细致结构基本上由相片或图片的网目产生。
【权利要求】
1.燃料系统(10)，其特征在于，该燃料系统具有:一个用于处于液态的、具有第一蒸发压力的第一燃料(16)的第一储存器(14)及一个用于处于液态的、具有第二蒸发压力(54)的第二燃料(42)的第二储存器(40)，其中第二蒸发压力(54)高于第一蒸发压力；一个用于使处于液态的第一燃料(16)与处于液态的第二燃料(42)相混合的混合装置(22) '及一个喷射器(38)，该喷射器与混合装置(22)形成液压连接并这样地构成，使得当混合物(29)通过喷射器(38)的一个喷射孔排出时或紧后时刻第二燃料(42)由液态转变成气态。
2.根据权利要求1的燃料系统(10)，其特征在于:第一燃料(16)是汽油燃料或柴油燃料及第二燃料(42)是液化气。
3.根据权利要求1或2的燃料系统(10)，其特征在于:在第一或第二储存器(14，40)的一个区域中各设有一个第一或第二燃料泵(18，44);及第一燃料泵(18)的压力区域及第二燃料泵(44)的压力区域与混合装置(22)相连接；及混合装置(22)在下游与一个共同的高压燃料泵(30)的抽吸区域相连接；及该共同的高压燃料泵(30)的压力区域与一个压力储存器(34)相连接，混合物(29)可由该压力储存器被输送给喷射器(38)。
4.根据权利要求3的燃料系统(10)，其特征在于:第一及第二燃料泵(18，44)和/或共同的高压燃料泵(30)通过电来驱动。
5.根据权利要求1或2的燃料系统(10)，其特征在于:在第一或第二储存器(14，40)的一个区域中各设有一个第一或第二燃料泵(18，44);及第一燃料泵(18)的压力区域与第一高压燃料泵(48)的抽吸区域相连接；及第二燃料泵(44)的压力区域与第二高压燃料泵(50)的抽吸区域相连接；及第一高压燃料泵(48)的压力区域与第二高压燃料泵(50)的压力区域与混合装置(22)相连接；及混合装置(22)在下游与一个压力储存器(34)相连接，混合物(29)可由该压力储存器被输送给喷射器(38)。
6.根据权利要求5的燃料系统(10)，其特征在于:第一和/或第二燃料泵(18，44)和/或第一和/或第二高压燃料泵(48，50)通过电来驱动。
7.根据权利要求1或2的燃料系统(10)，其特征在于:第一及第二储存器(14，40)被作成用于第一及第二燃料(16，42)的一个共同的储存器(14);在该共同储存器(14)的一个区域中设有一个燃料泵(18);及燃料泵(18)的压力区域与一个高压燃料泵(48)的抽吸区域相连接；及该高压燃料泵(48)的压力区域与一个压力储存器(34)相连接，混合物(29)可由该压力储存器被输送给喷射器(38)。
8.根据权利要求7的燃料系统(10)，其特征在于:共同的储存器(14)具有一个混合装置，该混合装置可将燃料(16，42)混合。
9.根据以上权利要求中至少任一项的燃料系统(10)，其特征在于:第一与第二燃料(16,42)的份额比是可调节的。
10.根据以上权利要求中至少任一项的燃料系统(10)，其特征在于:混合装置(22)包括至少一个比例阀(24，26)和/或一个脉冲控制的开关阀和/或一个脉冲控制的转换阀和/或一个挡板和/或一个设置在一个布置于下游的高压燃料泵(30)中的控制缝隙。
11.根据权利要求3至10中任一项的燃料系统(10)，其特征在于:第一或第二燃料泵(18，44)和/或第一或第二高压燃料泵(30 ；48,50)可产生一个相应的燃料压力，该燃料压力高于被输送的燃料(16，42)的相应的蒸发压力。
【文档编号】F02M21/02GK103987945SQ201280061669
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月18日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】S·阿恩特, S·芙洛, A·格鲁沙克, F·尼切, T·阿尔盖尔, M·迈尔, R·格热齐克, H·巴比尔, A·赫尔齐希, W·朗格尔, G·霍尔, J·阿诺德 申请人:罗伯特·博世有限公司