DE19631981B4

DE19631981B4 - Vorrichtung zum Kühlen eines Kraftstoffes eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes eines Dieselaggregats

Info

Publication number: DE19631981B4
Application number: DE19631981A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Schmidtchen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: DE19631981A1

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen eines Kraftstoffes eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes (10) eines Dieselaggregats, insbesondere eines Kraftfahrzeugdieselaggregats,
– mit einem vom Kraftstoffversorgungskreislauf (10) getrennten Kühlwasserkreislauf (12),
– mit einem Wärmetauscher (14), der einerseits in den Kühlwasserkreislauf (12) und andererseits in den Kraftstoffversorgungskreislauf (10) eingebunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass in einem Rücklauf des Kraftstoffversorgungskreislaufes (10) ein Zweiwegeventil (64) zwischen einer Rücklaufleitung (54) und zwei Zweigleitungen (58, 60) angeordnet ist,
– dass das Zweiwegeventil (64) die Rücklaufleitung (54) entweder mit der einen Zweigleitung (60) oder mit der anderen Zweigleitung (58) verbindet,
– dass das Zweiwegeventil (64) mit einer Steuerelektronik verbunden ist,
– dass die eine Zweigleitung (60) mit dem Wärmetauscher (14) und die andere Zweigleitung (58) mit einem zusätzlichen Luftkühler (62) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Kraftstoffes eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes eines Dieselaggregats, insbesondere eines Kraftfahrzeugdieselaggregats, mit einem vom Kraftstoffversorgungskreislauf getrennten Kühlwasserkreislauf und mit einem Wärmetauscher, der einerseits in den Kühlwasserkreislauf und andererseits in den Kraftstoffversorgungskreislauf eingebunden ist.
In verbrauchs- und emissionsoptimierten Dieselaggregaten werden neu entwickelte Hochdruck- Kraftstoffversorgungssysteme eingesetzt, bei denen es zu extremen Aufheizungen und dementsprechend hohen Temperaturen des zur Systemkühlung herangezogenen Dieselkraftstoffes kommt. Bei Versuchen wurden im Rücklauf bereits Kraftstofftemperaturen von 100°C und mehr gemessen. Die maximal zulässige Dauerbetriebstemperatur von tankseitigen Dieselfördersystemen, Kraftstoffleitungen und Kraftstoffbehälter liegt jedoch deutlich niedriger.

In der DE-31 07 141 A1 wird zur Kühlung des geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufs vorgeschlagen, dem Kraftstoffversorgungskreislauf einen Wärmetauscher zuzuordnen, in welchem ein vom Kraftstoffversorgungskreislauf fluidisch entkoppelter und aus dem Kraftstofftank über eine zusätzliche Förderpumpe gespeister Kühlkreislauf wirksam ist.

Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß zusätzliche Komponenten, wie eine zusätzliche Förderpumpe benötigt werden. Außerdem ist ein Nachrüsten nur mit baulichen und aufwendigen Veränderung am Kraftstofftank möglich. Weiterhin kann der Kraftstoff nur begrenzt Wärmeenergie aufnehmen, da die zulässigen Dauerbetriebstemperaturen von Kraftstoffleitungen und Kraftstofftank nicht überschritten werden dürfen. Zusätzlich ist dieses System thermisch mit sich selbst gekoppelt, da der zur Kühlung verwendete und so erwärmte Kraftstoff aus dem Tank dem Kraftstoffversorgungskreislauf zugeführt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein gefährlicher positiver Temperaturkoeffizient, d.h. mit zunehmender Aufheizung des Kraftstoffversorgungskreislaufes, wird diesem zunehmend erwärmter Kraftstoff zugeführt und die Kühlungseigenschaften durch den bereits stark erwärmten Kraftstoff im Kraftstofftank verschlechtern sich, so daß sich der Kraftstoffversorgungskreislauf weiter erwärmt.

Die DE 37 25 881 A1 zeigt einen Wärmetauscher eines Kühlwasserkreislaufs, der dem Kraftstoffversorgungskreislauf zugeordnet ist. Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Gegenstandes besteht in der thermischen Kopplung zwischen Kraftstoff und Kühlwasser welche ausschließlich der Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine, also ausschließlich dem Erwärmen des Kraftstoffs dient.

Bei dem aus der US 4 872 438 bekannten Kühlsystem dient ein Wärmetauscher in der Rücklaufleitung der Kraftstoffversorgung ausschließlich dem Kühlen des Kraftstoffs. Der Wärmetauscher wird durch einen Luftkühler dargestellt, welcher durch einen zuschaltbaren Ventilator in seiner Wirkung unterstützt werden kann.

In der japanische Patentanmeldung JP 06 280709 wird die Kühlung des Kraftstoffs durch das Kühlwasser aufgezeigt, indem die Kraftstoffpumpe mit einem Wassermantel ausgestattet wird, welcher in das Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert ist.

Bei manchen Dieselaggregaten kommt es zu extremer Wärmeeinbringung über die Rücklaufmenge in das Dieselfödersystem. Dabei werden die Dauerbetriebstemperaturbereiche der bisher eingesetzten Kunststoffmaterialien deutlich überschritten. Auf der anderen Seife ist die vom Motor an das konventionelle Motorkühlsystem abgeführte Wärmemenge speziell im Winter so gering, daß von dem damit gekoppelten Heizungssystem keine ausreichende Wärmeversorgung der Fahrgastzelle sichergestellt werden kann.

Infolge dessen müssen elektrisch- oder kraftstoffbetriebene Zuheizer bzw. Standheizungen zusätzlich im Fahrzeug vorgesehen werden, um dieses Defizit auszugleichen. Dies bedingt höhere Herstellungskosten, höheres Gewicht, mehr Bauraum und somit zusätzlichen Kraftstoffbedarf im Betrieb.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine sichere Kühlung des Kraftstoffversorgungskreislaufs auch bei erhöhter Wärmeerzeugung in letzterem erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die im Kraftstoffversorgungskreislauf erzeugte Wärme über den Kühlkreislauf im Fahrzeugheizungssystem nutzbar ist, so daß gegebenenfalls erforderliche Zuheizer wegen der geringen Abwärme des Dieselaggregats nicht notwendig sind. Weiterhin ist ein einfaches Nachrüstung bestehender Systeme möglich, da lediglich ein Wärmetauscher in den Kühlwasserkreislauf einzuschleifen ist, ohne bauliche Veränderungen oder Eingriffe beispielsweise am Kraftstofftank. Schließlich sorgt der Kühlwasserkreislauf mit seinen bereits vorhandenen Mitteln dafür, daß die Abwärme an die Umgebung abgeführt wird, sofern kein Wärmebedarf im Fahrzeugheizungssystem vorhanden ist. Sofern diese Art der Wärmeabführung nicht mehr ausreichend ist, wenn also der Kühlkreislauf seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Kraftstoffkühlung über einen zusätzlichen Kühler durch Wärmeabführen an die Umgebungsluft erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die vom Rücklauf aufgenommenen Wärmemenge zu Heizzwecken im Winter gezielt an das Kühlwasser, oder aber, wenn keine Heizleistung benötigt wird, an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.

In vorteilhafter Weise wird dabei ein Zweigventil im Rücklauf entsprechend von einer Regelelektronik angesteuert.

Insbesondere für extreme Kaltstartbedingungen, wo auch die Aufheizung der Rücklaufmenge im Dieselfördersystem nicht ausreichend schnell ist, um z.B. zur Scheibenentfrostung beizutragen, ist in vorteilhafter Weise ein elektrischer Zuheizer im Kühlkreislauf vorgesehen.

Die einzelnen Komponenten Zweigleitungen, Luftkühler, Wärmetauscher und Zuheizelement sind vorzugsweise in einem Modul angeordnet. Dies ist platzsparend, kostengünstig und montage- sowie funktionsgerecht.

Für eine ausreichende Heizleistung des Heizsystems in bestimmten Betriebssituationen, beispielsweise im Winter zum Scheibenentfrosten nach einem Kaltstart, ist in vorteilhafter Weise dem Wärmetauscher ein Heizelement zugeordnet. Dieses ist in besonders vorteilhafter Weise ein elektrisches oder kraftstoffbetriebenes Heizelement.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kühlung eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes eines Dieselaggregats.
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes eines Dieselaggregats.
Die schematisierte Darstellung 1 zeigt im einzelnen einen Kraftstofftank 18, eine tankseitig offene Saugleitung 38, in der ein Vorfilter 20 und ein Rückschlagventil 22 eingeschaltet sind, sowie einen als Kraftstoffversorgungskreislauf bezeichneten, geschlossenen Kraftstoffkreislauf 10 in dem in bekannter Weise eine bestimmte Kraftstoffmenge von einer Kraftstoff-Förderpumpe 24 über ein Hauptfilter 26, eine Kraftstoffversorgungspumpe 28, einen Wärmetauscher 14, sowie ein Wiedereinspeisventil 40 in Umlauf gehalten wird.
Ein Kühlkreislauf 16 ist dem Wärmetauscher getrennt von dem Kraftstoffversorgungskreislauf 10 zugeordnet.
Weiterhin ist ein Kühlwasserkreislauf 12 vorhanden, in dem Kühlwasser über einen Wasserkühler 36, ein Fahrzeugheizsystem 32, ein Dieselaggregat 30 und eine Kühlwasserpumpe 42 zirkuliert.
Der Kühlwasserkreislauf 12 ist mit dem Kühlkreislauf 16 des Wärmetauschers 14 verbunden. Dadurch wird die im Einpritzkreislauf 10 erzeugte Wärme an den Kühlwasserkreislauf 12 abgegeben, wo diese Wärme dann für das Fahrzeugheizungssystem 32 zur Verfügung steht.
Zwecks ausreichender Wärmeabgabe an das Fahrzeugheizungssystem 32 bei verbrauchsoptimierten Dieselaggregaten kann somit insbesondere im Winterbetrieb auf einen teuren und bezüglich Bauraum, Verschlauchung und Ansteuerung aufwendig zu adaptierenden elektrischen oder kraftstoffbetriebenen Zuheizer verzichtet werden.
Andererseits sorgt der Kühlwasserkreislauf auch bei erhöhter Wärmeerzeugung im Dieselkraftstoffversorgungskreislauf 10 für eine ausreichende Wärmeabführung an die Umgebung.
Sollte die im Kühlwasser im Winterbetrieb zugeführte Wärmemenge des Dieselaggregats 30 und des Kraftstoffversorgungskreislaufs 10 für bestimmte Anforderungen, beispielsweise Scheibenentfrosten nach einem Kaltstart, anfangs nicht ausreichen, so ist in vorteilhafter Weise zur Abdeckung dieses Zeitraums ein Heizelement 44 in dem Wärmetauscher 14 integriert. Diese Zusatzheizung arbeitet nur kurzzeitig, bis ausreichende Wärmemengen von der Dieselrücklaufleitung des Dieselkraftstoffversorgungskreislaufs 10 abgegeben werden und ist vorzugsweise als elektrisches Heizelement ausgelegt.
In besonders bevorzugter Weise wird eine Vorrichtung zur Kühlung des rücklaufenden Dieselkraftstoffes als Modul 56 ausgeführt. Dies ist in 2 dargestellt. Der Kraftstoff 46 wird über ein Dieseltankgerät 48 aus dem Kraftstoffbehälter 18 abgesaugt und gelangt über eine Vorlaufleitung 52, den Dieselfilter 20 und dem Einspritzsystem, beispielsweise über die Vorlaufpumpe 28 und Pumpe-Düse-Elemente 50, in einen Verbrennungsraum des Motors 30.
Da nur eine kleine Menge des angesaugten Dieselkraftstoffes 46 für den eigentlichen Motorbetrieb verbraucht wird, gelangt die verbleibende Überschußmenge, nachdem sie entsprechende Wärme aufgenommen hat und zur Kühlung des Einspritzsystems dient, über eine Rücklaufleitung 54 zurück zum Kraftstoffbehälter 18 mit Dieseltankgerät 48.
Die Rücklaufleitung 54 weist im Modul 56 zwei Zweigleitungen 58 und 60 auf. Der Zweigleitung 60 ist der Wärmetauscher 14 zugeordnet, und der Zweigleitung 58 ist ein zusätzlicher Luftkühler 62 zugeordnet.
Die Zweigleitungen 58, 60 beginnen mit einem Zweiwegeventil 64, welches elektronisch steuerbar ist. Dies ermöglicht die gezielte Abgabe der von dem rücklaufenden Kraftstoff aufgenommenen Wärmemenge zu Heizzwecken im Winter an das Kühlwasser 68 oder, wenn keine Heizung benötigt wird, zu Kühlzwecken an den Luftkühler 62.
Ein zusätzliches Heizelement 66 im Kühlwasserkreislauf 16 sorgt auch bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen für eine ausreichende Heizleistung des Fahrgastinnenraumes.
Die einzelnen oben dargestellten Komponenten des Wärmetauschers sind vorzugsweise in einem Modul 56 angeordnet, wie dies in 2 durch ein gestricheltes Kästchen 56 angedeutet ist. Es ist jedoch auch möglich einzelne, mehrere oder alle dieser Komponenten 14, 62, 64, 66 dezentral als Einzelkomponenten anzuordnen.
In der 2 ist zusätzlich zur Illustration des Unterschiedes der Erfindung zum Stand der Technik eine konventionelle Rücklaufleitung 70 mittels einer gestrichelten Linie angedeutet.
Zusammenfassend ist die zweite Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, durch die Kombination zweier Wärmetauscherelemente 62 und 14 in Zweigleitungen 58 und 60 gekennzeichnet. Das Wärmetauscherelement 14 sorgt dabei für einen Wärmeaustausch zwischen Kraftstoff 46 und Kühlwasser 68, wohingegen das Wärmetauscherelement 62 für einen Wärmetausch zwischen Kraftstoff und umgebender Luft sorgt.

10: Kraftstoffversorgungskreislauf
12: Kühlwasserkreislauf
14: Wärmetauscher
16: Kühlkreislauf
18: Kraftstofftank
20: Vorfilter/Dieselfilter
22: Rückschlagventil
24: Kraftstoff-Förderpumpe
26: Hauptfilter
28: Kraftstoffversorgungspumpe/mech. Vorförderpumpe
30: Dieselaggregat
32: Fahrzeugheizsystem
34: Warmluftkanäle
36: Wasserkühler
38: tankseitig offene Saugleitung
40: Wiedereinspeisventil
42: Kühlwasserpumpe
44: Heizelement
46: Kraftstoff
48: Dieseltankgerät
50: Hochdruckeinspritzpumpe (Pumpe-Düse-Elemente)
52: Vorlaufleitung
54: Rücklaufleitung
56: Modul
58, 60: Zweigleitungen für Kraftstoff in Rücklaufleitung
62: zusätzlicher Luftkühler
64: Zweiwegeventil
66: Zuheizelement
68: Kühlwasser
70: konventionelle Rücklaufleitung

Claims

Vorrichtung zum Kühlen eines Kraftstoffes eines geschlossenen Kraftstoffversorgungskreislaufes (10) eines Dieselaggregats, insbesondere eines Kraftfahrzeugdieselaggregats, – mit einem vom Kraftstoffversorgungskreislauf (10) getrennten Kühlwasserkreislauf (12), – mit einem Wärmetauscher (14), der einerseits in den Kühlwasserkreislauf (12) und andererseits in den Kraftstoffversorgungskreislauf (10) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem Rücklauf des Kraftstoffversorgungskreislaufes (10) ein Zweiwegeventil (64) zwischen einer Rücklaufleitung (54) und zwei Zweigleitungen (58, 60) angeordnet ist, – dass das Zweiwegeventil (64) die Rücklaufleitung (54) entweder mit der einen Zweigleitung (60) oder mit der anderen Zweigleitung (58) verbindet, – dass das Zweiwegeventil (64) mit einer Steuerelektronik verbunden ist, – dass die eine Zweigleitung (60) mit dem Wärmetauscher (14) und die andere Zweigleitung (58) mit einem zusätzlichen Luftkühler (62) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher (14) ein Heizelement (44) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (44) ein elektrisches Heizelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (44) ein kraftstoffbetriebenes Heizelement ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlwasserkreislauf ein elektrischer Zuheizer (66) angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigleitungen (58, 60), der Luftkühler (62), der Wärmetauscher (14) und das Zuheizelement (66) in einem Modul (56) angeordnet sind.