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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Reduzierung des Druckes im Vorratsbehälter einer Kraftstofffördereinrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1.
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Eine solche Kraftstofffördereinrichtung ist aus der
DE 10 2006 052 109 A1 bekannt. Dieses Fahrzeug weist eine mit einem Gas betriebene Brennkraftmaschine auf, wobei das Gas in einem Gastank bevorratet wird. Wird in dem Gastank ein vorgegebener Gasdruck überschritten, was beispielsweise durch eine übermäßige Erwärmung aufgrund von Sonneneinstrahlung erfolgen kann, wird eine Druckentlastung des Gastanks eingeleitet. Diese Druckentlastung erfolgt über ein Überdruckventil, durch das das Gas in die Umgebung abgelassen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, dass der gasförmige Kraftstoff bei Bedarf schnell aus den Leitungen und Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung zurück in den Vorratsbehälter geführt werden kann.
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Im kälteisolierten Vorratsbehälter (z.B. LNG-Tank, Kryo-Tank) wird der gasförmige Kraftstoff bei einer Temperatur von -140°C gespeichert. Aufgrund der niedrigen Temperaturen befindet sich der Kraftstoff in der flüssigen Phase. Für den motorischen Betrieb sind aber deutlich höhere Temperaturen nötig (ca. -20°C).
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Der gasförmige Kraftstoff wird in der flüssigen Phase durch mindestens eine Pumpe aus dem Vorratsbehälter in Leitungen und weitere Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung transportiert. Ein Phasenwechsel von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase findet spätestens dann statt, wenn der gasförmige Kraftstoff durch einen Wärmetauscher geströmt ist.
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Aus diesem Grund befindet sich der gasförmigen Kraftstoffes zum Teil in der flüssigen Phase innerhalb der Leitungen und Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung. Nach dem Abstellen des Fahrzeuges kommt es trotz vorhandenen Isolation zu einer Erwärmung des gasförmigen Kraftstoffes, so dass dieser verdampft und somit Verdampfungsenergie in den Vorratsbehälter einbringt.
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Durch die vorgeschlagene Erfindung kann nach dem Abstellen des Fahrzeuges die Menge an Wärmeenergie, die in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird, reduziert werden. Auf diese Weise kann der Moment verzögert werden, in dem Sicherheitsventile geöffnet werden, weil sich im Vorratsbehälter ein zu hoher Druck aufgrund des unerwünschten Wärmeeintrages eingestellt hat.
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Durch die Rückführvorrichtung ist der Kraftstoff, welcher sich in der flüssigen Phase in der mindestens einen Leitung befindet, in den Vorratsbehälter rückführbar, so dass der Wärmeeintrag über die Leitungen und Komponenten in den flüssigen Kraftstoff reduziert wird.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Indem in einer Leitung oder einer Komponente der Kraftstofffördereinrichtung für kurze Zeit die nötige Energie zur Verdampfung eines Anteils von Kraftstoff in der flüssigen Phase eingebracht wird, kann durch die resultierende Volumenvergrößerung des Kraftstoffes der davor (in Richtung Vorratsbehälter) liegende Anteil von Kraftstoff in flüssiger Phase zurück indem Vorratsbehälter geschoben werden.
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Vorteilhaft ist eine Anordnung der Rückführvorrichtung innerhalb oder außerhalb der ersten Leitung zwischen Vorratsbehälter und einer Hochdruckpumpe, weil hier ein besonders großer Anteil von Kraftstoff in der flüssigen Phase vorhanden ist.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Rückführvorrichtung in oder an der mindestens einen Pumpe, insbesondere auf der Zuströmseite, also der Seite, die dem Vorratsbehälter zugewandt ist, angeordnet ist, weil auf diese Weise der gesamte Leitungsabschnitt zwischen dem Vorratsbehälter und der Pumpe entleert werden kann.
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Es ist von Vorteil, wenn die Rückführvorrichtung als Heizelement ausgebildet ist, da auf diese Weise schnell eine besonders große Menge an Wärmeenergie in den Kraftstoff eingebracht werden kann.
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Wenn die Rückführvorrichtung als ein erster Wandbereich der Leitung ausgebildet ist, welcher eine im Gegensatz zum restlichen Wandbereich erhöhte Wärmeleitfähigkeit oder eine dünnere Isolierung aufweist, ist dies vorteilhaft, da dies eine möglichst billige und einfache Realisierungsmöglichkeit einer Rückführvorrichtung darstellt.
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Die Anordnung eines schaltbaren Ventils am Übergang zwischen Vorratsbehälter und der Leitung ist vorteilhaft, da vermeiden wird, dass nach dem Entleeren der mindestens einen Leitung Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter zurück in die erste Leitung strömt.
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Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 einen Abschnitt einer Leitung mit einer Rückführvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel und
- 3 einen Abschnitt einer Leitung mit einer Rückführvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
- 4 einen Abschnitt einer Leitung mit einer Rückführvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel und
- 5 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist eine Förderpumpe 10 auf, die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 4 ansaugt und über eine erste Leitung 5 zu einer Hochdruckpumpe 16 fördert.
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Der Vorratsbehälter 4 ist zur Aufnahme von Kraftstoff, welcher als verflüssigtes Gas (LNG) bzw. Gas in der flüssigen Phase vorliegt, ausgebildet.
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Die Kraftstofffördereinrichtung 1 ist zur Förderung von Gas in der flüssigen Phase als Kraftstoff ausgelegt. Im Vorratsbehälter 4 wird das Gas in flüssigem Aggregatszustand bzw. in der flüssigen Phase bei sehr niedrigen Temperaturen aufgenommen. Um das Gas in dem flüssigen Aggregatszustand bzw. der flüssigen Phase zu halten, muss das Gas unter sehr niedrigen Temperaturen im Vorratsbehälter 4 aufbewahrt werden. Der Vorratsbehälter 4 weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Isolierung auf, um einen Wärmeeintrag von außen in den Kraftstoff zu vermeiden.
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Durch die Förderpumpe 10 wird Kraftstoff über die erste Leitung 5 zur Saugseite wenigstens einer Hochdruckpumpe 16 gefördert, die ebenfalls Bestandteil der Kraftstofffördereinrichtung 1 ist. Durch die wenigstens eine Hochdruckpumpe 16 wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 gefördert.
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Die Förderpumpe 10 kann entweder im Vorratsbehälter 4 oder außerhalb des Vorratsbehälters 4 angeordnet sein und den Kraftstoff auf ein erstes Druckniveau verdichten, während die Hochdruckpumpe 16 der Förderpumpe 10 nachgeordnet ist und den Kraftstoff vom ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau, insbesondere ein Druckniveau zwischen 500 und 600 bar, verdichtet.
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Der Hochdruckbereich umfasst einen Buffertank 18, welcher mittelbar oder unmittelbar an einer zweiten Leitung 6 angeordnet ist und einen Hochdruckspeicher 20, wobei der Hochdruckspeicher 20 mit mindestens einem Injektor 21 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum, verbunden ist.
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Die Injektoren 21 können als Dual-Fluid-Injektoren ausgebildet sein und mit einem Hochdruckrail für flüssigen Kraftstoff verbunden sein.
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Zwischen dem Buffertank 18 und dem Hochdruckspeicher 20 ist in der zweiten Leitung 6 ein Druckregler 19 angeordnet. Der Druckregler 19 ermöglicht eine Einstellung der gewünschten Druckverhältnisse im Hochdruckspeicher 20, indem er die Kraftstoffstoffmenge, die aus dem Buffertank 18 in den Hochdruckspeicher 20 strömt, regelt.
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Zwischen der Hochdruckpumpe 16 und dem Buffertank 18 ist ein Wärmetauscher 31 angeordnet. Der Wärmetauscher 31 überträgt thermische Energie auf den Kraftstoff in der zweiten Leitung 6 zwischen Hochdruckpumpe 16 und Buffertank 18, so dass der Kraftstoff zum Teil oder vollständig einen Phasenwechsel erfährt.
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Um zu vermeiden das nach dem Abstellen der Kraftstofffördereinrichtung 1, beispielsweise nach einem Fahrzeugstopp der Kraftstoff zu viel Wärmeenergie aufnimmt und aufgrund einer daraus resultierenden Druckerhöhung zu Schäden in der Kraftstofffördereinrichtung 1 führt, kann durch eine Rückführvorrichtung 25 Kraftstoff, welcher sich in der mindestens einen Leitung 5,6 befindet, in den Vorratsbehälter 4 rückgeführt werden.
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Die Rückführvorrichtung 25 ist bevorzugt in der ersten Leitung 5 zwischen Vorratsbehälter 4 und der Hochdruckpumpe 16 angeordnet, da sich hier der Kraftstoff noch in der flüssigen Phase befindet. Die Rückführvorrichtung 25 kann innerhalb oder außerhalb der ersten Leitung 5 angeordnet sein. Durch die Rückführvorrichtung 25 kann Kraftstoff, welcher sich in der flüssigen Phase in der mindestens einen Leitung 5 befindet, in den Vorratsbehälter 4 zurückgeführt werden, so dass der Wärmeeintrag von außen über die Leitungen und Komponenten in den flüssigen Kraftstoff reduziert wird.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird über die Rückführvorrichtung 25 innerhalb eines gewissen Bereiches bewusst Wärmeenergie auf den Kraftstoff übertragen, so dass der Kraftstoff einen Phasenwechsel erfährt. Durch den Phasenwechsel von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase dehnt sich der Kraftstoff aus und schiebt den restlichen Kraftstoff, welcher sich noch in der ersten Leitung 5 befindet, zurück in den Vorratsbehälter 4.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Rückführvorrichtung 25 innerhalb oder außerhalb an der Hochdruckpumpe 16 angeordnet sein. Auf diese Weise kann der gesamte Kraftstoff, welcher sich noch in der ersten Leitung 5 in der flüssigen Phase befindet zurück in den Vorratsbehälter 4 geschoben werden.
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Die Rückführvorrichtung 25 kann beispielsweise als Heizelement 32 ausgebildet sein. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in dem das Heizelement 32 als elektrische Heizpatrone oder Glühkerze ausgebildet ist. Das Heizelement 32 ist innerhalb der mindestens einen Leitung 5,6 angeordnet und wird über eine elektrische Leitung 33 mit elektrischer Energie versorgt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem das Heizelement 32 in Form einer Heizung außen an der mindestens einen Leitung 5,6 angeordnet ist. Das Heizelement kann dabei die Leitung 5,6 wie ein Ring kreisförmig umschließen oder nur in gewissen Bereichen entlang des Leitungsumfanges angeordnet sein.
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Die Rückführvorrichtung 25 kann auch in passiver Form realisiert sein, beispielsweise durch eine dünnere Isolation in einem ersten Wandbereich 27 der mindestens einen Leitung 5,6. Alternativ kann ein erster Wandbereich 27 eine im Gegensatz zum restlichen Wandbereich 29 erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Eine entsprechende Ausführungsform ist in der 4 gezeigt.
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Um zu vermeiden, dass nach dem Entleeren der mindestens einen Leitung 5,6 Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 4 zurück in die erste Leitung 5 strömt, kann ein schaltbares Ventil 7 am Übergang zwischen Vorratsbehälter 4 und der Leitung 5 angeordnet ist.
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In der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kraftstofffördereinrichtung 1 gezeigt. Die Komponenten und deren Anordnung unterscheiden sich nicht von dem Ausführungsbeispiel in 1. Zusätzlich ist eine Rückströmleitung 26 mit der ersten Leitung 5 verbunden. Zwischen der Rückströmleitung 26 und der ersten Leitung 5 ist ein Absperrventil 8 angeordnet, um zu vermeiden, dass Kraftstoff ungewollt in den Vorratsbehälter 4 zurückströmt.
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Ein Ende der Rückströmleitung 26 kann im oberen Teil des Vorratsbehälters 4 angeordnet sein, so dass vermieden wird das Kraftstoff in der flüssigen Phase, welcher sich hauptsächlich im unteren Teil des Vorratsbehälter 4 befindet, in die Rückströmleitung 26 gelangt. Zur weiteren Sicherheit kann ein Rückschlagventil 28 in der Rückströmleitung 26 angeordnet sein, um zu vermeiden, dass Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 4 in die Rückströmleitung 26 gelangt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006052109 A1 [0002]
