DE10056048A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffvorwärmung - Google Patents

Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffvorwärmung

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Abstract

Es wird eine Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Hochdruckpumpe (1) vorgeschlagen, bei welcher der Kraftstoff im Kraftstoffzulauf (21) durch den im Gegenstrom in einem Wärmetauscher (31) geführten Kraftstoff im Kraftstoffrücklauf (11) vorgewärmt wird. Dadurch wird unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine der Kraftstoff im Kraftstoffzulauf (21) vorgewärmt und somit einem Versulzen des Kraftstoffs auch bei niedrigen Außentemperaturen wirksam begegnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen, mit einer Hochdruckpumpe, mit einem Kraftstoffzulauf, mit einem Kraftstoffrücklauf und mit einer Kraftstoffvorwärmung, wobei die Hochdruckpumpe vom Kraftstoffzulauf mit Kraftstoff versorgt wird und überschüssiger Kraftstoff über den Kraftstoffrücklauf aus einem Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage abgeführt wird.
Dieselkraftstoff neigt bei niedrigen Temperaturen zum Versulzen. Der versulzte Kraftstoff kann den im Kraftstoffzulauf liegenden Kraftstofffilter verstopfen, so dass ein Betrieb der Brennkraftmaschine unmöglich wird.
Um das Versulzen zu verhindern, ist es aus der europäischen Patentanmeldung 0 205 411 bekannt, den Kraftstoff im Kraftstoffzulauf mit dem durch die im Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage dissipierte Energie erwärmten Kraftstoff im Kraftstoffrücklauf zu mischen, um somit eine Kraftstoffvorwärmung zu erreichen. Zusätzlich wird die Mischeinrichtung vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine beheizt. Nachteilig an dieser Kraftstoffvorwärmung ist deren komplizierter Aufbau und deren schlechtes Ansprechverhalten. Weiterhin muß diese Mischeinrichtung zwischen Kraftstofftank und Niederdruckförderpumpe angeordnet werden, da ein Druckgefälle zwischen Rücklaufleitung und Vorlaufleitung erforderlich ist. Diese Art von Mischeinrichtungen kann also nur in Verbindung mit sogenannten "Inline"-Förderpumpen, nicht aber mit "Intank"- Förderpumpen eingesetzt werden.
Aus der europäischen Patentanmeldung 0 225 260 ist eine Kühlung des Kraftstoffrücklaufs bekannt, wobei der Kraftstoffrücklauf von dem kalten Kraftstoff im Kraftstoffzulauf gekühlt wird und anschließend wieder in die Kraftstoffhochdruckpumpe zurückgeführt wird. Mit dieser Anordnung ist es bei manchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zwar möglich, die Kraftstofftemperatur beim Eintritt in die Hochdruckpumpe innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, allerdings wird das Problem der Versulzung von Kraftstoff im Kraftstoffzulauf beim Kaltstart der Brennkraftmaschine mit niedrigen Umgebungstemperaturen nicht gelöst, da bei diesem Betriebszustand der Kraftstoffrücklauf nur eine geringe Temperatur hat und demzufolge keine Wärme auf den Kraftstoffzulauf übertragen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen bereitzustellen, welche auch beim Kaltstart der Brennkraftmaschine und niedrigen Umgebungstemperaturen das Versulzen des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf wirkungsvoll verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen, mit einer Hochdruckpumpe, mit einem Kraftstoffzulauf, mit einem Kraftstoffrücklauf und mit einer Kraftstoffvorwärmung, wobei die Hochdruckpumpe vom Kraftstoffzulauf mit Kraftstoff versorgt wird und überschüssiger Kraftstoff über den Kraftstoffrücklauf aus dem Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage abgeführt wird, wobei die Kraftstoffvorwärmung als Wärmetauscher ausgebildet ist und in dem Wärmetauscher Wärme vom Kraftstoffrücklauf auf den Kraftstoffzulauf übertragen wird.
Vorteile der Erfindung
Bei der Kraftstoffvorwärmung durch einen Wärmetauscher wird unmittelbar nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine, wenn eine Temperaturerhöhung im Kraftstoffrücklauf eingetreten ist, Wärme vom Kraftstoffrücklauf auf den Kraftstoffzulauf übertragen. Die Verwendung eines Wärmetauschers lässt vorteilhafterweise nicht nur die Kombination mit einer "Inline"-Förderpumpe, sondern auch mit einer "Intank"- Förderpumpe zu, da nicht wie bei einer Mischeinrichtung ein Druckgefälle vom Rücklauf zum Vorlauf erforderlich ist. Durch die Verwendung des Kraftstoffrücklaufs als Wärmeträger an Stelle von Kühlwasser der Brennkraftmaschine wird die Zeit bis eine effektive Kraftstoffvorwärmung eintritt, deutlich reduziert. Außerdem ist ein Kraftstoff/Kraftstoffwärmetauscher einfach und kostengünstig herstellbar. Schließlich führt selbst eine Undichtigkeit im Wärmetauscher zwischen den beiden Kraftstoffströmen nicht zum Stillstand der Brennkraftmaschine, wie es bei der Verwendung von Kühlwasser als Wärmeträger der Fall wäre.
Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass Kraftstoffrücklauf und Kraftstoffzulauf im Wärmetauscher im Gegenstrom geführt werden, und/oder dass der Wärmetauscher ein Mantelrohrwärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher oder ein Spiralwärmetauscher ist, so dass die Wärmeübertragung so effektiv und kostengünstig wie möglich gestaltet wird.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kraftstoffzulauf einen Bypass aufweist, dass der Bypass den Wärmetauscher umgeht, und dass der Durchfluss durch den Bypass von einem 3/2-Wegeventil gesteuert wird, so dass bei hohen Außentemperaturen und hohen Temperaturen im Kraftstoffrücklauf vermieden wird, dass der Kraftstoff im Kraftstoffzulauf mit einer zu hohen Temperatur in die Hochdruckpumpe eintritt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Hochdruckpumpe vom Kraftstoff im Kraftstoffzulauf erforderlichenfalls gekühlt werden kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das 3/2- Wegeventil ein Schaltventil, so dass auf einfachste Weise die Temperatur im Kraftstoffzulauf geregelt werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das 3/2-Wegeventil ein Proportionalverhalten auf, so dass die Temperatur im Kraftstoffzulauf vor dem Eintritt in die Hochdruckpumpe stetig geregelt werden kann.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Niederdruckpumpe, insbesondere eine elektrische Niederdruckpumpe, vorhanden ist, die Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf fördert, so dass die Hochdruckpumpe nicht selbstansaugend ausgeführt werden muss und die Kavitationsneigung in der Hochdruckpumpe verringert wird.
Zur Vermeidung von Betriebsstörungen und vorzeitigem Verschleiß kann in dem Kraftstoffzulauf ein Vorfilter und/oder ein Filter mit Wasserabscheider vorgesehen sein.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftstoffeinspritzanlage eine Common-Rail- Einspritzanlage ist, so dass die Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftstoffvorwärmung auch Einspritzanlagen dieses Typs zugute kommen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffvorwärmung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffvorwärmung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage mit Kraftstoffvorwärmung schematisch dargestellt. Die Einspritzanlage weist eine Hochdruckpumpe 1 auf, die als Drei-Stempel- Radialkolbenpumpe ausgeführt ist. Die Hochdruckpumpe 1 fördert in einen Common-Rail 3. Vom Common-Rail 3 gehen eine oder mehrere Hochdruckleitungen 5 zu nicht dargestellten Injektoren. Zur Regelung des Drucks im Common-Rail 3 ist ein Druckregelventil 7 vorgesehen, welches in Abhängigkeit des Drucks im Common-Rail 3 den überschüssigen und erhitzten Kraftstoffstrom absteuert. Dieser Kraftstoffstrom wird gemeinsam mit dem über eine Leitung 9 von der Hochdruckpumpe 1 kommenden, erwärmten Kraftstoff und der über eine oder mehrere Leitungen 13 von den nicht dargestellten Injektoren kommende, ebenfalls erhitzte Leckage- und Steurmenge über einen Kraftstoffrücklauf 11 und einen Wärmetauscher 31 zu den Strahlpumpen 19 abgeführt.
Im Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage sind die Leitungen durch dicke Linien gekennzeichnet, während die Leitungen im Niederdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage mit dünnen Linien dargestellt sind.
Die Hochdruckpumpe 1 wird aus einem Tank 15 mit Schwalltopf 17 und Strahlpumpen 19 über einen Kraftstoffzulauf 21 mit Kraftstoff versorgt. Im Schwalltopf 17 ist eine elektrische Niederdruckpumpe 23 angeordnet, die über einen Vorfilter 25 Kraftstoff aus dem Schwalltopf 17 ansaugt und in den Kraftstoffzulauf 21 fördert. Im Kraftstoffzulauf 21 ist außerdem ein Filter mit Wasserabscheider 27 vorgesehen, welcher zusammen mit dem Vorfilter 25 Beschädigungen der Hochdruckpumpe durch Verunreinigungen im Kraftstoff verhindern soll. Ein Rückschlagventil 29 im Kraftstoffzulauf 21 verhindert dessen Leerlaufen beim Stillstand der Brennkraftmaschine.
Unmittelbar vor dem Eintritt des Kraftstoffzulaufs 21 in den Kraftstofffilter 27 ist ein Wärmetauscher 31 vorgesehen, bei dem der Kraftstoff aus dem Kraftstoffrücklauf 11 und der Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 21 im Gegenstrom geführt werden. Da in der Hochdruckpumpe relativ viel Energie desipiert wird, heizt sich der Kraftstoff im Kraftstoffrücklauf 11 innerhalb einer sehr kurzen Zeit nach der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine auf und kann den Kraftstoff im Kraftstoffzulauf 21 erwärmen. Die Erwärmung des Kraftstoffs im Kraftstoffrücklauf 11 erfolgt wesentlich schneller als die Erwärmung des Kühlwassers, welche auch als Wärmeträger für eine Kraftstoffvorwärmung denkbar wäre. Außerdem hat die Verwendung von Kraftstoff als Wärmeträgermedium den Vorteil, dass eine innere Undichtigkeit des Wärmetauschers 31 nicht zur Beschädigung und zum Stillstand der Brennkraftmaschine bzw. der Kraftstoffeinspritzanlage führt. Darüber hinaus kann der Wärmetauscher 31 wegen der kleinen Massenströme sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das betreffend Fig. 1 Gesagte entsprechend.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 einen Bypass 33 im Kraftstoffzulauf 21 auf mit dem der Wärmetauscher 31 umgangen werden kann. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Außentemperaturen und die Temperaturen im Kraftstoffrücklauf hoch sind und eine weitere Aufheizung des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf 21 nicht gewünscht wird, um die Hochdruckpumpe 1 mit Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 21 zu kühlen.
Um die Temperatur im Kraftstoffzulauf 21 vor dem Eintritt in die Hochdruckpumpe 1 situationsabhängig regeln zu können, ist ein 3/2-Wegeventil 35 vorgesehen, welches bspw. in Abhängigkeit der Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf 21 vor Eintritt in die Hochdruckpumpe 1 geregelt wird. Ein dazu eventuell erforderlicher Temperatursensor oder Thermostat ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Das 3/2-Wegeventil 35 kann als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt sein. Im ersten Fall ist die Zweipunkt-Temperaturregelung besonders einfach, während im anderen Fall die Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf 21 vor dem Eintritt in die Hochdruckpumpe 1 innerhalb engerer Grenzen konstant gehalten werden kann.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen, mit einer Hochdruckpumpe (1), mit einem Kraftstoffzulauf (21), mit einem Kraftstoffrücklauf (11), und mit einer Kraftstoffvorwärmung, wobei die Hochdruckpumpe (1) vom Kraftstoffzulauf (21) mit Kraftstoff versorgt wird und überschüssiger Kraftstoff über den Kraftstoffrücklauf (11) aus einem Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffvorwärmung als Wärmetauscher (31) ausgebildet ist, und dass in dem Wärmetauscher (31) Wärme vom Kraftstoffrücklauf (11) auf den Kraftstoffzulauf (21) übertragen wird.
2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoffrücklauf (11) und Kraftstoffzulauf (21) im Wärmetauscher (31) im Gegenstrom geführt werden.
3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (31) ein Mantelrohrwärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher oder ein Spiralwärmetauscher ist.
4. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffzulauf (21) einen Bypass (33) aufweist, dass der Bypass (33) den Wärmetauscher (31) umgeht, und dass der Durchfluss durch den Bypass (33) von einem 3/2-Wegeventil (35) gesteuert wird.
5. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wegeventil (35) ein Schaltventil ist.
6. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wegeventil (35) ein Proportionalverhalten aufweist.
7. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wegeventil (35) in Abhängigkeit der Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf (21) nach dem Wärmetauscher (31) und nach dem Bypass (33) gesteuert wird.
8. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederuckpumpe (23), insbesondere eine elektrische Niederdruckpumpe (23), vorgesehen ist, die Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf (21) fördert.
9. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftstoffzulauf (21) ein Vorfilter (25) und/oder ein Filter mit Wasserabscheider (27) vorhanden ist.
10. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzanlage eine Common-Rail-Einspritzanlage ist.
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