DE10164752A1

DE10164752A1 - Brennstoffleitungssystem zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer

Info

Publication number: DE10164752A1
Application number: DE10164752A
Authority: DE
Inventors: Markus Muenzner; Thomas Kraehling; Robert Hoffmann
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: US20030118962A1; CZ20024055A3; DE10164752B4; CZ297152B6; JP2003222325A

Abstract

Ein Brennstoffleitungssystem (10) zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer, insbesondere in einem Fahrzeugheizgerät, umfasst einen in einer Strömungsrichtung (L) langgestreckten Leitungsabschnitt (16) sowie ein in dem Leitungsabschnitt (16) mit seiner Längserstreckungsrichtung im Wesentlichen in der Strömungsrichtung (L) orientiertes Heizelement (38) zur Umströmung durch den in dem Leitungsabschnitt (16) sich bewegenden Brennstoff, ferner umfassend eine Halteelementenanordnung (46), durch welche das Heizelement (38) in dem Leitungsabschnitt (16) im Abstand zu einer Innenoberfläche (40) desselben getragen ist. Eine von einem ersten Endbereich (22) des Leitungsabschnittes (16) zur Brennkammer führende Ableitung (24, 36) sowie eine in den Leitungsabschnitt (16) im Abstand von einem zweiten Endbereich (20) desselben einmündende Zuleitung (34) sind vorgesehen, wobei die Halteelementenanordnung (46) zusammen mit dem Leitungsabschnitt (16) einen von der Zuleitung (24) zum zweiten Endbereich (20) hinführenden Strömungswegbereich (80) begrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffleitungssystem zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer, insbesondere in einem Fahrzeugheizgerät.
Bei Heizgeräten, wie sie in Fahrzeugen oftmals motorunabhängig als sogenannte Standheizungen zum Einsatz kommen, muss aufgrund des bevorzugten Einsatzes derselben bei niedrigen Außentemperaturen dafür gesorgt werden, dass der in die Brennkammer eingeleitete Brennstoff eine bestimmte Mindesttemperatur aufweist. Diese Mindesttemperatur ist zum einen erforderlich, um eine sichere Zündung und eine saubere Verbrennung zu gewährleisten, und ist zum anderen erforderlich, um dann, wenn der Brennstoff durch eine Zerstäuberdüse eingeleitet wird, eine geeignete Zerstäubung durchführen zu können. Bei unzureichender oder ungleichmäßiger Zerstäubung, die vor allem bei zu zähflüssigem Brennstoff auftreten kann, besteht die Gefahr, dass eine Zündung nicht erfolgt oder sehr langsam einsetzt bzw. bei erfolgter Zündung die Verbrennung mit zu hohem Schadstoffausstoß durchgeführt wird.
Um dem Problem einer zu niedrigen Brennstofftemperatur entgegenzutreten, ist es beispielsweise bekannt, das als Düsenstock bezeichnete und die angesprochene Zerstäuberdüse tragende Bauteil durch eine Heizpatrone zu erwärmen. Durch die Erwärmung des Düsenstocks wird auch der einen darin ausgebildeten Leitungsabschnitt durchströmende Brennstoff erwärmt. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass durch nur indirekte Erwärmung des Brennstoffs der Vorgang der Erwärmung vergleichsweise träge ist und somit auf Temperaturänderungen des Brennstoffs im Allgemeinen nicht in angemessener Zeit reagiert werden kann. Ferner bestehen erhebliche Wärmeverluste, da durch den im Allgemeinen aus gut wärmeleitendem Metall, wie z. B. Messing, aufgebauten Düsenstock die Wärme auch auf andere Aufbaukomponenten übertragen wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffleitungssystem zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer vorzusehen, das für eine schnelle Erwärmung des zu einer Brennkammer geleiteten Brennstoffs auf für eine sichere Verbrennung geeignete Temperaturen sorgen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffleitungssystem zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer, insbesondere in einem Fahrzeugheizgerät, umfassend einen in einer Strömungsrichtung langgestreckten Leitungsabschnitt sowie ein in dem Leitungsabschnitt mit seiner Längserstreckungsrichtung im Wesentlichen in der Strömungsrichtung orientiertes Heizelement zur Umströmung durch den in dem Leitungsabschnitt sich im Wesentlichen in der Strömungsrichtung bewegenden Brennstoff.
Durch das direkte Integrieren des Heizelements in einen Leitungsabschnitt selbst umströmt der zur Brennkammer geführte Brennstoff das Heizelement und wird dabei ohne der Zwischenschaltung irgendwelcher Gehäusebauteile o. dgl. erwärmt. Auf diese Art und Weise kann bei der Erwärmung des Brennstoffs deutlich schneller auf sich ändernde Temperaturverhältnisse reagiert werden, und die Wärmeableitung zu anderen Systemkomponenten, die an sich nicht erwärmt werden sollen oder müssen, kann deutlich verringert werden. Aufgrund der Tatsache, dass das Heizelement von dem zu erwärmenden Brennstoff in Richtung der Längserstreckung des Heizelements umströmt wird, wird auch bei vergleichsweise kleiner Baugröße eine relativ lange Heizstrecke zur Verfügung gestellt, so dass selbst bei sehr niedrigen Außentemperaturen und entsprechend niedrigen Brennstofftemperaturen dieser Brennstoff beim Zuleiten zur Brennkammer auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden kann.
Um in einfacher Art und Weise das in den Leitungsabschnitt integrierte Heizelement kontaktieren zu können, wird vorgeschlagen, dass der Leitungsabschnitt in einem Endbereich offen ausgebildet ist und durch ein Anschlüsse für das Heizelement aufweisendes Verschlusselement abgeschlossen ist.
Um einen direkten Wärmeübertrag zwischen dem Heizelement und dem Leitungsabschnitt bzw. dem diesen Leitungsabschnitt aufweisenden Bauteil soweit als möglich zu verhindern, kann eine Halteelementenanordnung vorgesehen sein, durch welche das Heizelement in dem Leitungsabschnitt in Abstand zu einer Innenoberfläche desselben getragen ist. Dabei kann die Halteelementenanordnung wenigstens zwei Halteelemente aufweisen. Über diese beiden Halteelemente können dann die im Verschlusselement vorgesehenen Anschlüsse in elektrisch leitende Verbindung mit dem Heizelement gebracht werden. Daraus erkennt man, dass die Halteelemente der Halteelementenanordnungen hinsichtlich zweier Randbedingungen ausgewählt werden sollten. Zum einen sollten sie eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, um die Wärmeübertragung vom Heizelement auf die Innenoberfläche des Leitungsabschnitts zu minimieren. Zum anderen sollten sie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweisen, um elektrische Verluste bei der Zuleitung zu minimieren. Insbesondere hinsichtlich der Minimierung elektrischer Verluste ist es vorteilhaft, wenn die Halteelemente der Halteelementenanordnung an entgegengesetzt orientierten Seitenflächen des Heizelements sich erstreckend ausgebildet sind. Auf diese Art und Weise wird eine möglichst großflächige bzw. auch gleichmäßige Kontaktierung des Heizelements über seine Länge hinweg ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Brennstoffleitungssystem kann des Weiteren gekennzeichnet sein durch eine von einem ersten Endbereich des Leitungsabschnittes zur Brennkammer führende Ableitung sowie eine in den Leitungsabschnitt in Abstand von einem zweiten Endbereich desselben einmündende Zuleitung, wobei die Halteelementenanordnung zusammen mit dem Leitungsabschnitt einen zum zweiten Endbereich hinführenden Strömungswegbereich begrenzt. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass vor allem die Brennstoffzufuhr so erfolgen kann, dass auch die vorangehend bereits angesprochene elektrische Kontaktierung des Heizelements problemlos vorgenommen werden kann, ohne dass dadurch eine Verkürzung desjenigen Strömungswegbereichs auftritt, in welchem eine Erwärmung des Brennstoffs stattfinden kann.
Der Leitungsabschnitt kann, wie bereits ausgeführt, zu einer Brennstoffzerstäuberdüse führen und kann mit einer Zuleitung oder/und einer Ableitung in einem Pumpengehäuseteil vorgesehen sein.
Eine hinsichtlich der Regelschnelligkeit und der Minimierung von Energieverlusten besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Heizelement ein PTC-Heizelement ist. Dies bedeutet, dass das Heizelement eine derartige Widerstand/Temperatur-Charakteristik aufweist, dass mit ansteigender Temperatur auch der Widerstand ansteigt. Die Folge davon ist, dass dann, wenn der entlang des Heizelements strömende Brennstoff eine höhere Temperatur aufweist, der Wärmeeintrag in den Brennstoff geringer ist und somit das Heizelement selbst auch eine höhere Temperatur aufweisen wird. Aufgrund des dann auch höheren elektrischen Widerstands nimmt der elektrische Strom ab und somit die in Wärme umgesetzte elektrische Leistung. Bei geeigneter Auswahl der bereits angesprochenen Widerstand/Temperatur-Charakteristik kann hier eine Selbstregelung vorgesehen werden, die den Eingriff äußerer Ansteuersysteme überflüssig macht.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffleitungssystems, das zum Teil aufgeschnitten dargestellt ist;
Fig. 2 eine Längsschnittansicht dargestellten Systems, geschnitten längs einer Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Systems, geschnitten längs einer Linie III-III in Fig. 1.
In den Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffleitungssystem allgemein mit 10 bezeichnet. Das Brennstoffleitungssystem 10 ist im Wesentlichen in einem allgemein mit 12 bezeichneten Gehäusebauteil untergebracht bzw. mit diesem integral ausgebildet. Das Gehäusebauteil 12 kann beispielsweise ein Endabschlussteil eines Pumpengehäuses einer Brennstoffpumpe sein.
Ein langgestreckter Ansatz 14 bildet einen Leitungsabschnitt 16. In dem Leitungsabschnitt 16 ist eine sacklochartige Öffnung 18 ausgebildet. Diese Öffnung 18 ist in einem Endbereich 20 offen. In einen weiteren Endbereich 22 mündet eine im Wesentlichen orthogonal zur Längserstreckungsrichtung der Öffnung 18 stehende Auslassöffnung 24. Im Bereich der Auslassöffnung 24 ist an dem Ansatz 14 ein Befestigungsabschnitt 26 gebildet, in welchen ein eine Zerstäuberdüse 28 tragendes Gewindeteil 30 eingeschraubt ist. Durch ein O-ringartiges Dichtungselement 32 wird ein flüssigkeitsdichter Abschluss zwischen dem Ansatz 14 des Gehäuseteils 12 und dem Gewindeteil 30 erhalten.
Eine Einlassöffnung 34, über welche von der nicht dargestellten Pumpe geförderter Brennstoff in die Öffnung 18 im Ansatz 14 einströmen kann, mündet in einen vom Endbereich 20 entfernt liegenden Bereich in die Öffnung 18 ein. Der zur Zerstäuberdüse 28 geförderte Brennstoff durchströmt also nacheinander die Einlassöffnung 34, die Öffnung 18 sowie die Auslassöffnung 24 und eine mit dieser ausgerichtete Öffnung 36 in dem Gewindeteil 30.
In die Öffnung 18 bzw. den diese aufweisenden Leitungsabschnitt 16 ist ein Heizelement 38 eingesetzt. Man erkennt in den Fig. 1 und 2, dass dieses im dargestellten Beispiel quaderförmig ausgebildete Heizelement 38 mit seiner Längserstreckungsrichtung entlang einer Längsachse L der Öffnung 18 bzw. des Leitungsabschnitts 16 orientiert ist. Um das Heizelement 38 in dem Leitungsabschnitt 16 so positioniert zu halten, dass das Heizelement 38 nicht in direktem Wärmeübertragungskontakt mit einer die Öffnung 18 umschließenden Innenoberfläche 40 des Leitungsabschnitts 16 steht, ist eine zwei Halteelemente 42, 44 aufweisende Halteelementenanordnung 46 vorgesehen. Die beiden zueinander im Wesentlichen baugleichen Halteelemente 42, 44, die beispielsweise aus Blechmaterial gebogen sein können, weisen einen jeweils eine Seitenfläche 48 bzw. 50 des Heizelements 38 beaufschlagenden, in Anpassung an die ebenflächige Ausbildung der Seiten 48, 50 des Heizelements 38 ebenfalls im Wesentlichen flach ausgebildeten Bereich 52 bzw. 54 auf, sowie an die Bereiche 52 bzw. 54 jeweils anschließende und in Anpassung an die gekrümmte Formgebung der Innenoberfläche 40 gekrümmt ausgebildete Bereiche 56, 58 bzw. 60, 62. Durch die Eigenelastizität der Halteelemente 42, 44 halten diese das Heizelement 38 unter Vorspannung in seiner Positionierung in der Öffnung 18. Um dabei über die gesamte Länge des Heizelements 38 eine stabile Positionierung erhalten zu können, erstrecken sich die beiden Halteelemente 42, 44 vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Heizelements 38.
An ihrem Endbereich 20 ist die Öffnung 18 durch ein Verschlusselement 64 abgeschlossen. Um einen flüssigkeitsdichten Abschluss zu erlangen, ist zwischen dem Verschlusselement 64 und dem Ansatz 14 ein O-ringartiges Dichtungselement 66 vorgesehen. Der feste Zusammenhalt wird durch einen das Verschlusselement 64 und einen Radialvorsprung 68 des Ansatzes 14 übergreifenden Haltering 70 erlangt. In dem Verschlusselement 64 sind zwei elektrische Kontakte 72, 74 vorgesehen. Bei an dem Ansatz 14 angebrachtem Verschlusselement 64 greifen diese Kontakte 72, 74 in die beiden Halteelemente 42, 44 ein und berühren diese beispielsweise an von den jeweiligen die Innenoberfläche 40 kontaktierenden Bereichen 56, 62 abgebogenen Kontaktierungsabschnitten 76, 78, welche sich von den Bereichen 56, 62 wieder auf die Bereiche 52, 54 zu erstrecken. Die elektrische Kontaktierung des in der Öffnung 18 vorgesehenen Heizelements 38 erfolgt also über die Kontakte 72, 74 des Verschlusselements 64 und die das Heizelement 38 an seinen beiden Längsseiten 48, 50 kontaktierenden Halteelemente 42, 44. Um dabei den elektrischen Kontaktwiderstand so klein als möglich zu halten, ist es vorteilhaft, eine größtmögliche Kontaktfläche zwischen dem Heizelement 38 und den Bereichen 52, 54 der Halteelemente 42, 44 vorzusehen. Hier kann beispielsweise die in Fig. 3 erkennbare im Wesentlichen vollflächige Kontaktierung der Seiten 48, 50 des Heizelements 38 vorgesehen sein. Diese vollflächige Kontaktierung führt jedoch dazu, dass zum einen der zu erwärmende Brennstoff in diesen Bereichen das Heizelement 38 nicht direkt umströmen kann, und dass zum anderen über diese großflächige Kontaktierung ein vergleichsweise guter Wärmeübertrag auf die Halteelemente 42, 44 erfolgen kann. Um hier einen Kompromiss zwischen diesen an sich widerstreitenden Kontaktierungsanforderungen zu erlangen, ist es beispielsweise möglich, in den Bereichen 52, 54 der Halteelemente 42, 44 über die Länge des Heizelements 38 verteilt mehrere zungenartige Abschnitte durch Ausstanzungen zu bilden und diese auf das Heizelement 38 zu auszubiegen, so dass an mehreren über die Seiten 48, 50 verteilt liegenden Bereichen das Heizelement 38 durch derartige Zungen dann kontaktiert ist, ansonsten jedoch zur Umströmung durch den Brennstoff freiliegt. Die Größe dieser Kontaktierungszungen kann so gewählt werden, dass ein optimaler Kompromiss zwischen gutem elektrischen Kontakt einerseits und möglichst geringem Wärmeübertragungskontakt andererseits erhalten wird.
In Fig. 1 und 3 ist erkennbar, dass der über die Einlassöffnung 34 zugeführte Brennstoff zunächst durch einen Strömungsweg 80 in Richtung zum Endbereich 20 der Öffnung 18 geleitet wird. Dieser Strömungsweg 80 ist im Wesentlichen gebildet durch eine in dem Ansatz 14 vorgesehene entlang der Öffnung 18 zum Endbereich 20 hin sich erstreckende Nut 82, die zur Öffnung 18 hin durch den an der Innenoberfläche 40 ansonsten anliegenden Bereich 62 des Halteelements 44 abgeschlossen ist. Es wird auf diese Art und Weise dafür gesorgt, dass der über die Einlassöffnung 34 eingeleitete Brennstoff zwangsweise zunächst zum Endbereich 20 gelangt und beginnend von diesem Endbereich 20 dann das Heizelement 38 entlang seiner gesamten Länge im Leitungsabschnitt 16 umströmt. Auch bei vergleichsweise kompakter Baugröße des dargestellten Leitungssystems 10 wird somit sichergestellt, dass eine möglichst effiziente Wärmeübertragung vom Heizelement 38 auf den zu erwärmenden und in erwärmter Weise dann zur Zerstäuberdüse 28 gelangenden Brennstoff vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leitungssystems 10 wird dafür gesorgt, dass die auf den Brennstoff zu übertragende Wärme unmittelbar an diesen abgegeben wird, und nicht zuvor irgendwelche Gehäusekomponenten mitgeheizt werden müssen. Dies ermöglicht ein deutlich schnelleres Reagieren auf Temperaturänderungen durch entsprechend angepasste Bestromung des Heizelements 38 und vermindert überdies die Wärmeverluste. Das schnelle Reagieren auf Temperaturänderungen und die sehr effiziente Ausnutzung der zur Erwärmung erforderlichen elektrischen Energie können dadurch noch verbessert werden, dass das Heizelement 38 ein PTC-Element ist. PTC-Heizelemente weisen eine derartige Heizcharakteristik auf, dass mit zunehmender Erwärmung derselben auch ihr elektrischer Widerstand in definierter Art und Weise zunimmt und somit bei beispielsweise konstant gehaltener angelegter Spannung und daher abnehmendem Strom auch die Heizleistung abnimmt. Bei geeigneter Auswahl der Widerstand-Temperatur-Charakteristik eines derartigen Heizelements ist es möglich, für einen vorgegebenen Temperaturbereich allein durch diese Charakteristik ein Eigenregelverhalten des Heizelements 38 bereitzustellen, das kein externes Eingreifen und insbesondere nicht das Bereitstellen zusätzlicher Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur des zugeleiteten Brennstoffs erfordert.
Das erfindungsgemäße Leitungssystem 10 ermöglicht unter Minimierung der elektrischen Leistungsaufnahme und unter Minimierung der auftretenden Wärmeverluste eine sehr schnelle Erwärmung des dann unmittelbar einer Zerstäuberdüse zugeführten Brennstoffs. Auf diese Art und Weise kann die Zerstäubungscharakteristik der Zerstäuberdüse 28 in Anpassung an die Temperaturen des zugeleiteten Brennstoffs optimiert werden. Daraus wiederum resultiert eine deutlich bessere Verbrennungscharakteristik des in eine Brennkammer eingeleiteten Brennstoffs. Die zum Starten der Verbrennung erforderliche Zeitdauer kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Leitungssystem deutlich reduziert werden. Auch kann aufgrund der optimierten Verbrennung der Schadstoffausstoß verringert werden. Ferner sieht die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leitungssystems bei den durch dieses Leitungssystem bereitgestellten Vorteilen einen vergleichsweise einfachen Aufbau vor, bei welchem trotz des vollständigen Integrierens eines Heizelementes in einen Leitungsabschnitt eine einfach herzustellende elektrische Kontaktierung möglich ist. Vor allem auch das Eingliedern des erfindungsgemäßen Systems in ein ansonsten bereits vorhandenes Gehäuseteil, welches vorzugsweise aufgrund der möglicherweise auftretenden thermischen Belastung aus temperaturbeständigem Kunststoff, wie z. B. Polyphenylensulfid (PPS), aufgebaut ist, ermöglicht einen sehr kostengünstigen und leicht herzustellenden Aufbau.

Claims

1. Brennstoffleitungssystem (10) zum Zuführen von Brennstoff zu einer Brennkammer, insbesondere in einem Fahrzeugheizgerät, umfassend einen in einer Strömungsrichtung (L) langgestreckten Leitungsabschnitt (16) sowie ein in dem Leitungsabschnitt (16) mit seiner Längserstreckungsrichtung im Wesentlichen in der Strömungsrichtung (L) orientiertes Heizelement (38) zur Umströmung durch den in dem Leitungsabschnitt (16) sich bewegenden Brennstoff, ferner umfassend eine Halteelementenanordnung (46), durch welche das Heizelement (38) in dem Leitungsabschnitt (16) in Abstand zu einer Innenoberfläche (40) desselben getragen ist, gekennzeichnet durch eine von einem ersten Endbereich (22) des Leitungsabschnittes (16) zur Brennkammer führende Ableitung (24, 36) sowie eine in den Leitungsabschnitt (16) in Abstand von einem zweiten Endbereich (20) desselben einmündende Zuleitung (34), wobei die Halteelementenanordnung (46) zusammen mit dem Leitungsabschnitt (16) einen von der Zuleitung (24) zum zweiten Endbereich (20) hinführenden Strömungswegbereich (80) begrenzt.

2. Brennstoffleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelementenanordnung (46) zwei sich entlang entgegengesetzt orientierter Seitenflächen (48, 50) des Heizelements (38) erstreckende Halteelemente (42, 44) umfasst.

3. Brennstoffleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ableitung (24, 36) von dem Leitungsabschnitt (16) zu einer Brennstoffzerstäuberdüse (28) führt.

4. Brennstoffleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (16) mit einer Zuleitung (34) oder/und einer Ableitung (24) in einem Pumpengehäuseteil (12) vorgesehen ist.

5. Brennstoffleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (38) ein PTC-Heizelement ist.