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Die
Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennstoffpumpe, insbesondere für eine Kraftfahrzeugheizung,
die elektromagnetisch angetrieben wird und zur Förderung von flüssigem Brennstoff
vorgesehen ist, mit einem ein Elastomer umfassenden Dämpfungselement
zur Dämpfung
von durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe erzeugten Pulsationen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Starten und Betreiben
einer mit flüssigem Brennstoff
betriebenen Kraftfahrzeugheizung, die einen Brenner und eine Hubkolbenbrennstoffpumpe mit
einem ein Elastomer umfassenden Dämpfungselement zur Dämpfung von
durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe erzeugten Pulsationen aufweist.
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Eine
gattungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe
ist beispielsweise aus der Veröffentlichung Fahrzeug-
und Verkehrstechnik, technische Mitteilungen 97 (2004) Heft 1, Seiten
9 bis 11, bekannt und als schematische Schnittansicht in 1 dargestellt.
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Die
in 1 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe 16' ist dazu vorgesehen,
flüssigen
Brennstoff in der durch die Pfeile veranschaulichten Richtung zu
fördern,
nämlich
von einem Brennstoffeinlass 18 zu einem Brennstoffauslass 20.
Sobald an einen elektrischen Anschluss 42 eine geeignete
Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 22 bestromt,
wodurch ein Hubkolben 24 elektromagnetisch in Bewegung
versetzt wird. Dabei wird zunächst über ein Rückschlagventil 28 in
einer Förderkammer 30 befindlicher
flüssiger
Brennstoff gegen den hydraulischen Widerstand der Ausgangsleitung
ausgestoßen.
Im Anschluss daran wird die Bestromung der Wicklung 22 beendet.
Eine Rückstellfeder 26 drückt den
Hubkolben 24 nach links in seine Ruhestellung. Dabei wird über ein
Nachsaugventil 32 flüssiger Brennstoff
angesaugt und die Förderkammer 30 mit diesem
gefüllt.
Mit diesem Förderprinzip
lassen sich auch sehr niederviskose Brennstoffe volumetrisch präzise fördern. Über die
Frequenz der Ansteuerspannungsimpulse kann die Fördermenge genau gesteuert werden.
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Durch
die Hin- und Herbewegung des Hubkolbens 24 entstehen jedoch
unerwünschte
Pulsationen im Kraftstoffsystem. Um diese Pulsationen zumindest
teilweise zu unterdrücken
ist es bereits bekannt, ein Dämpfungselement 34 vorzusehen,
das ein balgartiges Elastomer 36 umfasst. Wenn flüssiger Brenn stoff
durch eine Bohrung 40 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 36 gelangt,
dehnt sich das Elastomer 36 in eine benachbarte Kammer 38 aus,
die in einem durch ein Kunstoffformteil 44 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen
ist. Vorraussetzung hierfür
ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 36 sorgt.
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Ein
Problem der in 1 dargestellten
Hubkolbenbrennstoffpumpe 16' besteht
darin, dass das Dämpfungselement 34 bei
extremer Umgebungskälte,
beispielsweise bei weniger als –23°C, nur noch eine
geringe oder sogar keine Funktion aufweist, weil das Elastomer 36 verhärtet beziehungsweise
verglast (ein typischer Elastomerpunkt des Elastomers 36 beträgt beispielsweise –23°C). Ein weiteres
Problem besteht darin, dass sogenannter Artikdiesel, der einzig
für Temperaturen
unter –20°C freigegebene Brennstoff
für Dieselbrenner,
bei Temperaturen unter –20°C aufgrund
der geringeren Viskosität
deutlich weniger Gegendruck produziert als Winterdiesel bei Raumtemperatur.
Die Funktionalität
des Dämpfungselements 34 wird
daher auch schon vor dem Erreichen des Elastomerpunktes des Elastomers 36 herabgesetzt.
Dies führt
bei "moderat" kalten Temperaturen
von beispielsweise mehr als –20°C unter Umständen zu
einem durch Pulsationen im Brennstoffsystem hervorgerufenen Anstieg
der CO-Emissionen der
Fahrzeugheizung. Bei extrem tiefen Temperaturen von beispielsweise
weniger als –30°C kann sogar das
Problem auftreten, dass eine Stabilisierung des Brennbetriebs durch
die Pulsationen im Brennstoffsystem verhindert wird. In derartigen
Fällen
kann zwar ein Start des Brenners erfolgen, mit dem Ausgehen des
Glühstiftes,
also ohne Stützenergie
für die Flammenwurzel,
destabilisiert der Brenner jedoch mit zunehmender Zeit bis hin zum
Verlöschen.
Ein derartiges unerwünschtes
Verlöschen
kann beispielsweise innerhalb von 0 bis 5 Minuten nach dem Abschalten des
Glühstiftes
auftreten.
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Aus
der
DE 1 836 825 U ist
eine Anordnung zum Betrieb von mit Gummimetallfedern ausgerüsteten Maschinen,
Geräten
oder Fahrzeugen bekannt. Um eine Veränderung der Federkennlinien
der Gummimetallfedern bei abnehmenden Temperaturen zu vermeiden,
wird eine künstliche
Erwärmung
der Gummiteile der Gummimetallfedern allein in Abhängigkeit
von der Temperatur der Gummiteile und unabhängig von ihrer Belastung vorgenommen.
Dadurch wird die sich teilweise ungünstig auswirkende Temperaturabhängigkeit
der Federkennlinien weitestgehend unterbunden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpen
und die gattungsgemäßen Verfahren
derart weiterzubilden, dass die vorstehend erläuterten Probleme vermieden
werden und auch bei Temperaturen von beispielsweise weniger als –20°C eine pulsationsarme Brennstoffförderung
möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe
baut auf dem gattungsgemäßen Stand der
Technik dadurch auf, dass Mittel zur Beheizung des Elastomers vorgesehen
sind. Eine Aufwärmung des
Elastomers um Δx°C bis zum
Erreichen des Volllastpunktes entspricht einer direkten Erweiterung/Absenkung
des wirksamen Betriebsbereichs des Dämpfungselementes und damit
insbesondere des Kennfeldes des Brenners einer Kraftfahrzeugheizung um
diese Δx°C in den
negativen Temperaturbereich hinein. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist
beispielsweise der Betrieb einer Kraftfahrzeugheizung mit Artikdiesel
bei –30°C möglich. Durch
das erwärmte
und dadurch weichere Elastomer ergeben sich geringere Pulsations intensitäten im Brennstoffsystem, wodurch
beispielsweise der Brenner einer Kraftfahrzeugheizung bei moderat
tiefen Temperaturen von beispielsweise mehr als –20°C stabiler und mit gleichmäßigerem
und ruhigerem Brenngeräusch
betrieben werden kann (Pulsationen erzeugen ein "raues" Brenngeräusch). Beispielsweise im Zusammenhang
mit Kraftfahrzeugheizungen wird die Neigung zu Flammabrissen beim
Unterschreiten einer bestimmten Grenztemperatur von beispielsweise –25°C aufgrund
der geringeren Pulsationen zu tieferen Temperaturen verschoben.
Bei "höheren" Temperaturen von
beispielsweise 0°C
bis –20°C lässt sich
bei Kraftfahrzeugheizungen sowohl für Artikdiesel als auch für Winterdiesel
aufgrund geringerer Pulsationen eine Minderung der CO-Emissionen
erreichen.
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Die
erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe
ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel
zur Beheizung des Elastomers eine elektrische Heizung umfassen.
Die elektrische Heizung kann dabei sowohl direkt als auch indirekt
erfolgen. Beispielsweise kann ein in den Elastomerwerkstoff eingebrachter
Heizdraht vorgesehen sein, wie er beispielsweise zur Beheizung von
Fahrzeugscheiben aber auch von Ski- und anderer Ausrüstung bekannt
ist. Der Heizdraht wird vorzugsweise vor Beginn der eigentlichen
Brennstoffförderung
in der Weise bestromt, dass die Grenztemperatur für die erforderliche
Mindestelastizität
bei Beginn der Brennstoffförderung überschritten
ist. Die elektrische Heizung kann jedoch auch Heizelemente, beispielsweise
PTC-Heizelemente umfassen, die zur Erwärmung von flüssigem Brennstoff
innerhalb der Hubkolbenbrennstoffpumpe vorgesehen sind. Ein oder mehrere
derartige Heizelemente können
beispielsweise parallel zur Wicklung des Elektromagneten geschaltet
werden. Eine separate Ansteuerung ist selbstverständlich ebenfalls
möglich.
Beispielsweise PTC-Heizelemente
weisen einen sehr großen
Widerstand-Temperatur-Koeffizienten auf. Dadurch wird beim Kaltstart
die geringe in der Pumpe befindliche Brennstoffmenge schnell auf
eine Maximaltemperatur von beispielsweise 50°C erwärmt. Bei einem derartigen Temperaturniveau
wird der Widerstand des Heizleiters so groß, dass keine nennenswerte
Heizleistung mehr abgegeben wird. Der erwärmte Brennstoff erwärmt dann
das Elastomer und erhöht
folglich dessen Elastizität.
Zusätzlich
oder alternativ kann vorgesehen sein, dass entsprechende Heizelemente benachbart
zum Elastomer vorgesehen sind, um dieses zu beheizen.
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Weiterhin
kann bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
vorgesehen sein, dass die Mittel zur Beheizung des Elastomers eine
Wicklung des elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe
umfassen. Die Wicklungen beziehungsweise Magnetspulen von bekannten
Hubkolbenbrennstoffpumpen nehmen bei tiefen Temperaturen beispielsweise
bis zu acht Watt Leistung auf. Diese Leistung wird überwiegend
in Wärme
umgewandelt, wobei die Wärme
in vorteilhafter Weise zur Beheizung des Elastomers genutzt werden
kann.
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In
diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
vor, dass in einem Bereich zwischen dem Elastomer und der Umgebung
ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist. Als Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit kann prinzipiell jedes
dem Fachmann bekannte Wärmeisolationsmaterial
verwendet werden, beispielsweise geschäumte Kunststoffe und/oder Metalle.
Durch eine derartige Wärmeisolation
gegen die Umgebung kann Abwärme
der Hubkolbenbrennstoffpumpe in vorteilhafter Weise zur Beheizung
des Elastomers genutzt werden. Dabei wird bevorzugt, dass nicht
die gesamte Hubkolbenbrennstoffpumpe sondern nur der Bereich des
Dämpfungselementes
isoliert wird, um eine Überhitzung
von anderen Bestandteilen der Hubkolbenbrennstoffpumpe zu vermeiden.
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Zusätzlich oder
alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
vorgesehen sein, dass in einem Bereich zwischen der Wicklung und
dem Elastomer ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Als
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
kommen insbesondere Metalle in Betracht, beispielsweise Aluminium.
Dabei ist es möglich,
dass Metallrippen oder Metallgehäusebestanteile
mit Kontakt zum Dämpfungselement eine
oder mehrere Wärmebrücken bilden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass das Elastomer bereits vor der Zündung des Brenners
beheizt wird. Der Zeithorizont der Startphase der Kraftfahrzeugheizung
mit Glühstiftunterstützung kann
beispielsweise zwei Minuten betragen. Diese Zeit ist minimal nutzbar,
um eine Erwärmung des
Elastomers zu erzielen, und sie ist in vielen Fällen auch ausreichend um eine
Erwärmung
der Dosierpumpe und anschließen
des Elastomers aufgrund der Leistungsaufnahme der jeweils vorgesehenen
Heizelemente zu erreichen. Wenn die Abwärme der Hubkolbenbrennstoffpumpe
zur Erwärmung
des Elastomers genutzt wird, wird eine Überhitzung der Hubkolbenbrennstoffpumpe
bei höheren
Temperaturen vermieden, da die Leistungsaufnahme bei höheren Temperaturen
geringer ist.
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Auch
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter
Weise vorgesehen sein, dass das Elastomer durch eine elektrische
Heizeinrichtung beheizt wird. Die elektrische Heizeinrichtung kann
dabei insbesondere die Komponenten umfassen, die im Zusammenhang
mit der elektrischen Heizeinrichtung der erfindzugesgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
erläutert
wurden. Auf die entsprechenden Ausführungen wird zur Vermeidung
von Wiederholungen verwiesen.
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Gleiches
gilt sinngemäß für den Fall,
dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgesehen ist, dass das Elastomer durch eine Wicklung eines elektromagnetischen
Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe beheizt wird.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer bekannten Hubkolbenbrennstoffpumpe,
die eingangs bereits erläutert
wurde;
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2 ein
schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung veranschaulicht,
welche die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe umfasst;
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3 eine
schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;
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4 eine
schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;
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5 eine
schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;
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6 eine
schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das
Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann;
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7 eine
schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffventils,
das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann;
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8 eine
schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das
Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann;
und
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9 eine
schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das
Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann.
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In
den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche
oder ähnliche
Komponenten, die zur Vermeidung von Wiederholungen teilweise nur
einmal erläutert
werden.
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2 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung veranschaulicht,
welche die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe
umfasst. Bei der dargestellten Kraftfahrzeugheizung kann es sich
beispielsweise um eine Zusatz- oder Standheizung handeln. Die dargestellte
Kraftfahrzeugheizung 10 umfasst die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe 16,
mit deren Hilfe flüssiger
Brennstoff von einem Brennstofftank 12 zu einer Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 gefördert werden kann.
Je nachdem, ob es sich um eine Luft- oder Wasserheizung handelt,
steht die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 mit
weiteren nicht dargestellten Luft- und/oder Wasserleitungen in Verbindung,
wie dies dem Fachmann gut bekannt ist. Die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 umfasst
weiterhin ein Brennstoffventil 52 beziehungsweise 84,
mit dem die Brennstoffzufuhr ganz oder teilweise abgeschaltet werden
kann. Dieses Brennstoffventil 52 beziehungsweise 84 muss
nicht zwingend in die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 integriert
sein, sondern es kann auch zwischen der Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 und
der Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 angeordnet
sein.
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Die
in 3 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 ist
dazu vorgesehen, flüssigen
Brennstoff in der durch die Pfeile veranschaulichte Richtung zu
fördern,
nämlich
von einem Brennstoffeinlass 18 zu einem Brennstoffauslass 20.
Sobald an einen elektrischen Anschluss 42 eine geeignete
Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 22 bestromt,
wodurch ein Hubkolben 24 elektromagnetisch in Bewegung
versetzt wird. Dabei wird zunächst über ein Rückschlagventil 28 in
einer Förderkammer 30 befindlicher
flüssiger
Brennstoff gegen den hydraulischen Widerstand der Ausgangsleitung
ausgestoßen.
Im Anschluss daran wird die Bestromung der Wicklung 22 beendet.
Eine Rückstellfeder 26 drückt den
Hubkolben 24 nach links in seine Ruhestellung. Dabei wird über ein
Nachsaugventil 32 flüssiger Brennstoff
angesaugt und die Förderkammer 30 mit diesem
gefüllt.
Mit diesem Förderprinzip
lassen sich, wie eingangs erwähnt,
auch sehr niederviskose Brennstoffe volumetrisch präzise fördern, wobei über die
Frequenz der Anstauerspannungsimpulse die Fördermenge genau gesteuert werden
kann.
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Um
die beim Betrieb der Hubkolbenbrennstoffpumpe entstehenden Pulsationen
zumindest teilweise zu unterdrücken,
ist das eingangs bereits erläuterte
Dämpfungselement 34 vorgesehen,
das ein balgartiges Elastomer 36 umfasst. Wenn flüssiger Brennstoff
durch eine Bohrung 40 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 36 gelangt,
dehnt sich das Elastomer 36 in eine benachbarte Kammer 38 aus,
die in einem durch ein Kunstoffformteil 44 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen
ist. Vorraussetzung hierfür
ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 36 sorgt.
Insofern entspricht die in 3 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe
der anhand von 1 erläuterten bekannten Hubkolbenbrennstoffpumpe.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 weist
jedoch eine elektrische Heizung 46 zur Beheizung des Elastomers 36 auf.
Im dargestellten Fall umfasst die elektrische Heizung 46 mehrere PTC-Heizelemente 46a,
die in der Nähe
des Elastomers 36 angeordnet sind, zumindest einen Heizdraht 46b,
der in das Elastomer 36 integriert ist, und zwei PTC-Heizelemente 46c,
die benachbart zur Förderkammer 30 angeordnet
sind. Es ist klar, dass nicht zwingend alle dargestellten Heizelemente 46a, 46b und 46c vorhanden
sein müssen,
sondern dass gegebenenfalls das Vorsehen nur einer Art von Heizelementen 46a, 46b oder 46c ausreichen
kann, um das Elastomer 36 geeignet zu erwärmen. Um
die Wirkung der PTC-Heizelemente 46a und 46c zu
optimieren, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem zu erwärmenden
Bereich, das heißt
dem Elastomer 36 beziehungsweise der Förderkammer 30 und
dem jeweiligen PTC-Heizelement ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist, beispielsweise ein Metall. Die direkteste Erwärmung des
Elastomers 36 wird durch den oder die Heizdrähte 46b erzielt.
Eine Erwärmung
des Brennstoffs durch die PTC-Heizelement 46c ist nicht
nur zur Erwärmung
des Elastomers 36 vorteilhaft, sondern eine Vorwärmung des
Brennstoffs ermöglicht
auch eine bessere Verbrennung. Die PTC-Heizelemente 46a stellen
insofern einen Kompromiss dar, als sie sowohl Material erwärmen, das
mit dem Elastomer 36 in Kontakt gelangt, als auch Material,
das mit flüssigem
Brennstoff in Kontakt gelangt. Einige oder alle der dargestellten
Heizelemente 46a, 46b und 46c können pa rallel
zu der Wicklung 22 angeschlossen sein oder separat angesteuert
werden. Eine separate Ansteuerung ist zwar aufwendiger, sie ermöglicht jedoch
eine Vorwärmung unabhängig vom
Betrieb der Pumpe.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 unterscheidet
sich dadurch von der Ausführungsform
gemäß 3,
dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass das Elastomer 36 durch
die Abwärme
der Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 beheizt wird. Um diese
Beheizung zu ermöglichen,
beziehungsweise zu optimieren, ist der Bereich des Dämpfungselementes 36 von
einem Material 50 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, das heißt, von
einer Wärmeisolierung.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann das Material 50 mit
niedriger Wärmeleitfähigkeit
gegebenenfalls einen schichtförmigen Aufbau
aufweisen. In jedem Fall wird bevorzugt, dass nicht die gesamte
Kolbenbrennstoffpumpe 16 mit Isolationsmaterial umgeben
wird, da dies insbesondere bei höheren
Außentemperaturen
zu einer Überhitzung
der Hubkolbenbrennstoffpumpe führen
könnte.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 unterscheidet
sich dadurch von der Ausführungsform
gemäß 3,
dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass die Beheizung
des Elastomers 36 durch in der Wicklung 22 erzeugte Wärme erfolgt.
Zu diesem Zweck ist ein Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit
zwischen der Wicklung 22 und dem Elastomer 36 vorgesehen.
Das Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere ein
Metall wie Aluminium sein, wobei die Formgebung beispielsweise rippenartig
sein kann, um eine geeignete Wärmebrücke zu schaffen.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann es ebenfalls vorteilhaft
sein, die Wärmebrücke auch
zu Bereichen zu führen,
die mit dem flüssigen
Brennstoff in Kontakt gelangen, um den Brennstoff zu erwärmen. Im
dargestellten Fall ist das Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit
jedoch in Form von Metallrippen in das Kunststoffformteil 44 integriert
und beheizt nur das Elastomer 36.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die anhand der 3 bis 5 erläuterten
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
beliebig untereinander kombiniert werden können, und auch sämtliche
dieser möglichen
Kombinationen werden hiermit offenbart.
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Es
ist weiterhin klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten und
Betreiben einer mit flüssigem
Brennstoff betriebenen Kraftfahrzeugheizung, beispielsweise der
in 2 dargestellten Kraftfahrzeugheizung 10,
mit allen vorstehend erläuterten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe
durchgeführt
werden kann, indem das Elastomer 36 bereits vor der Zündung des Brenners 14 (2)
beheizt wird. Sofern zum Beheizen des Elastomers 36 über die
Wicklung 22 erzeugte Wärme
verwendet wird, kann es sinnvoll sein, die Wicklung 22 vor
der Zündung
des Brenners nur vergleichsweise schwach zu bestromen, und zwar
derart, dass eine zur Erwärmung
des Elastomers 36 ausreichende Wärmemenge erzeugt wird ohne
den Hubkolben 24 in Bewegung zu setzen.
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6 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
eines Brennstoffventils 52, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung 10 von 2 sein
kann. Bei dem Brennstoffventil 52 handelt es sich um ein
elektromagnetisch betätigtes Koaxialventil,
das einen Brennstoffeinlass 54 und einen Brennstoffauslass 56 aufweist.
Sobald an einen elektrischen Anschluss 74 eine geeignete
Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 58 bestromt,
wodurch ein Ventilkolben 60 bezogen auf die Darstellung
von 6 nach rechts in Bewegung versetzt wird, so dass
das Brennstoffventil 52 öffnet und Brennstoff vom Brennstoffeinlass 54 zum
Brennstoffauslass 56 strömen kann. Im stromlosen Zustand
der Wicklung 58 drückt
eine Rückstellfeder 62 den
Ventilkolben 60 bezogen auf die Darstellung von 6 derart
nach links, dass der Ventilkolben 60 mit einem Ventilsitz 64 zusammenwirkt,
um das Brennstoffventil 52 zu schließen.
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Obwohl
es in vielen Fällen
ausreicht, die Hubkolbenbrennstoffpumpe selbst mit einem Dämpfungselement
auszustatten, weist das in 6 dargestellte
Brennstoffventil 52 ein weiteres Dämpfungselement 66 auf,
das ebenfalls zur Unterdrückung
von Pulsationen im Brennstoffsystem beiträgt. Das Dämpfungselement 66 umfasst
auch in diesem Fall ein balgartiges Elastomer 68. Wenn
flüssiger
Brennstoff durch eine Bohrung 72 tritt und in Kontakt mit dem
Elastomer 68 gelangt, dehnt sich das Elastomer 68 in
eine benachbarte Kammer 70 aus, die in einem durch ein
Kunststoffformteil 76 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen ist. Vorraussetzung
hierfür
ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 68 sorgt.
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Um
eine Verglasung des beispielsweise aus dem Werkstoff FKN gebildeten
Elastomers 68 auch bei sehr niedrigen Temperaturen von
beispielsweise weniger als –23°C zu vermeiden,
ist dem Dämpfungselement 66 eine
elektrische Heizung 78 zugeordnet. Im dargestellten Fall
umfasst die elektrische Heizung 78 mehrere PTC-Heizelemente 78a,
die in der Nähe
des Elastomers 68 angeordnet sind, sowie zumindest einen
Heizdraht 78b, der in das Elastomer 68 integriert
ist. Es ist klar, dass nicht alle dargestellten Heizelemente 78a und 78b vorhanden
sein müssen,
sondern dass gegebenenfalls das Vorsehen nur einer Art von Heizelementen 78a oder 78b ausreichen
kann, um das Elastomer 68 geeignet zu erwärmen. Um
die Wirkung der PTC-Heizelemente 78a zu optimieren, ist
es vorteilhaft, wenn zwischen dem zu erwärmenden Bereich, das heißt dem Elastomer 36 und
dem jeweiligen PTC-Heizelement, ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist, beispielsweise ein Metall. Die direkteste Erwärmung des Elastomers 68 wird
durch die Heizdrähte 78b erzielt. Die
PTC-Heizelemente 78a erwärmen sowohl Material, das mit
dem Elastomer 68 in Kontakt gelangt, als auch Material,
das mit flüssigem
Brennstoff in Kontakt gelangt. Eine Vorwärmung des Brennstoffs dient zum
einen einer indirekten Erwärmung
des Elastomers 68 und führt
zum anderen zu einer besseren Verbrennung. Gegebenenfalls können weitere
(nicht dargestellte) Heizelemente vorgesehen sein, die ausschließlich zur
Erwärmung
des flüssigen
Brennstoffs dienen. Einige oder alle der dargestellten Heizelemente 78a und 78b können parallel
zu der Wicklung 58 angeschlossen sein oder separat angesteuert
werden. Eine separate Ansteuerung ist zwar auf wendiger, sie ermöglicht jedoch
eine Vorwärmung unabhängig von
der Ventilstellung.
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Das
in 7 dargestellte Brennstoffventil 52 unterscheidet
sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 6,
dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass das Elastomer 68 durch die
Abwärme
des Brennstoffventils 52 beheizt wird. Um diese Beheizung
zu ermöglichen,
beziehungsweise zu optimieren, ist der Bereich des Dämpfungselementes 66 von
einem Material 82 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, das heißt von einer Wärmeisolierung.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann das Material 82 mit
niedriger Wärmeleitfähigkeit gegebenenfalls
einen schichtförmigen
Aufbau aufweisen. Es ist klar, dass im geöffneten Zustand des Brennstoffventils 52 aufgrund
der entsprechenden Bestromung der Wicklung 58 ausreichend
Abwärme erzeugt
wird, um das Elastomer 68 zu beheizen. Das Brennstoffventil 52d kann
jedoch auch so ausgelegt sein, dass eine niedrigere Bestromung der
Wicklung 58, die noch nicht zum Öffnen des Brennstoffventils 52d führt, zur
Beheizung des Elastomers 68 ausreichend ist.
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Die
in 8 dargestellte Ausführungsform des Brennstoffventils 52 unterscheidet
sich dadurch von der Ausführungsform
gemäß 6,
dass dort keine Heizelement vorgesehen sind, sondern dass die Beheizung
des Elastomers 68 durch die in der Wicklung 58 erzeugte
und über
zumindest eine Wärmebrücke zum
Elastomer 68 geführte
Wärme erfolgt. Zu
diesem Zweck ist ein Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit
zwischen der Wicklung 58 und dem Elastomer 68 vorgesehen.
Das Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere ein
Metall wie Aluminium sein, wobei die Formgebung beispielsweise rippenartig
sein kann, um eine geeignete Wärmebrücke zu schaffen.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann es ebenfalls vorteilhaft
sein, die Wärmebrücke auch
zu Bereichen zu führen,
die mit dem flüssigem Brennstoff
in Kontakt gelangen, um den Brennstoff zu erwärmen. Im dargestellten Fall
ist das Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit jedoch in Form von
Metallrippen in das Kunststoffformteil 76 integriert und beheizt
zumindest überwiegend
nur das Elastomer 68.
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Dem
Fachmann ist klar, dass auch die anhand der 6 bis 8 erläuterten
Ausführungsformen
des Brennstoffventils 52 beliebig untereinander kombiniert
werden können,
und auch sämtliche dieser
möglichen
Kombinationen werden hiermit offenbart.
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9 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
eines Brennstoffventils 84, das anstelle des vorstehend
erläuterten
Brennstoffventils 52 Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung 10 von 2 sein
kann. Bei dem Brennstoffventil 84 handelt es sich um ein
elektromagnetisch betätigtes
Koaxialventil, das einen Brennstoffeinlass 86 und einen
Brennstoffauslass 88 aufweist. Sobald an einen elektrischen
Anschluss 98 eine geeignete Spannung angelegt wird, wird
eine Wicklung 90 bestromt, wodurch ein Ventilkolben 92 bezogen
auf die Darstellung von 9 nach rechts in Bewegung versetzt
wird, so dass das Brennstoffventil 84 öffnet und Brennstoff vom Brennstoffeinlass 86 zum
Brennstoffauslass 88 strömen kann. Im stromlosen Zustand
der Wicklung 90 drückt
eine Rück stellfeder 94 den
Ventilkolben 92 bezogen auf die Darstellung von 9 derart
nach links, dass der Ventilkolben 92 mit einem Ventilsitz 96 zusammenwirkt,
um das Brennstoffventil 84 zu schließen.
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Das
in 9 dargestellte Brennstoffventil 84 ist
dazu ausgelegt, Brennstoff vorzuwärmen. Zur Erwärmung des
Brennstoffs wird über
die Wicklung 90 erzeugte Wärme genutzt, wobei zwischen
der Wicklung 90 und den Bereichen, mit denen der Brennstoff in
Kontakt gelangt, ein Material 88 mit hoher Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist. Bei dem Material 88 mit hoher Wärmeleitfähigkeit
kann es sich insbesondere um ein Metall wie Aluminium handeln. Die
Erwärmung
des Brennstoffs wird dadurch optimiert, dass im Außenbereich
des Brennstoffventils 84 ein Material 100 mit
niedriger Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist, das heißt
ein Wärmeisolator.
Das Material 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit kann prinzipiell durch
jedes dem Fachmann bekannte Isolationsmaterial gebildet sein, beispielsweise
durch Metall- und/oder Kunststoffschäume. Obwohl dies nicht dargestellt
ist, kann das Material 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
weiterhin einen schichtartigen Aufbau aufweisen. Es ist klar, dass
im geöffnetem
Zustand des Brennstoffventils 84 aufgrund der entsprechenden
Bestromung der Wicklung 90 ausreichend Abwärme erzeugt
wird, um den Brennstoff vorzuwärmen.
Das Brennstoffventil 84 kann jedoch auch so ausgelegt sein,
dass eine niedrigere Bestromung der Wicklung 90, die noch
nicht zum Öffnen
des Brennstoffventils 84 führt, zur Vorwärmung des
Brennstoffs ausreicht.
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Durch
die Verwendung des in 9 dargestellten Brennstoffventils 84 kann
gegebenenfalls auf eine üblicherweise
verwendete Heizpatrone verzichtet werden. Derartige Heizpatronen
weisen häufig eine
hohe Leistungsaufnahme von beispielsweise 40 Watt auf und werden
daher nicht während
des gesamten Brennbetriebs der Kraftfahrzeugheizung bestromt, sondern
nur in der Startphase. Im Gegensatz hierzu kann mit dem Brennstoffventil 84 während des gesamten
Brennerbetriebs eine Vorwärmung
des Brennstoffs erfolgen, wobei das Brennstoffventil 84 gegebenenfalls
eine erhöhte
elektrische Leistung aufweisen kann. Durch die Brennstofferwärmung erfolgen
eine Erhöhung
der Enthalpie des Brennstoffs und eine Herabsetzung der Viskosität, was sich
positiv auf den Brennbetrieb auswirkt.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
-
- 10
- Kraftfahrzeugheizung
- 12
- Brennstofftank
- 14
- Brenner-/Wärmetauschereinheit
- 16
- Hubkolbenbrennstoffpumpe
- 18
- Brennstoffeinlass
- 20
- Brennstoffauslass
- 22
- Wicklung
- 24
- Hubkolben
- 26
- Rückstellfeder
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Förderkammer
- 32
- Nachsaugventil
- 34
- Dämpfungselement
- 36
- Elastomer
- 38
- Kammer
- 40
- Bohrung
- 42
- elektrischer
Anschluss
- 44
- Kunststoffformteil
- 46
- Heizelement
- 48
- Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit/Metallrippe
- 50
- Material
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit/Isolator
- 52
- Brennstoffventil
- 54
- Brennstoffeinlass
- 56
- Brennstoffauslass
- 58
- Wicklung
- 60
- Ventilkolben
- 62
- Rückstellfeder
- 64
- Ventilsitz
- 66
- Dämpfungselement
- 68
- Elastomer
- 70
- Kammer
- 72
- Bohrung
- 74
- elektrischer
Anschluss
- 76
- Kunststoffformteil
- 78
- Heizelement
- 80
- Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit/Metallrippe
- 82
- Material
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit/Isolator
- 84
- Brennstoffventil
- 86
- Brennstoffeinlass
- 88
- Brennstoffauslass
- 90
- Wicklung
- 92
- Ventilkolben
- 94
- Rückstellfeder
- 96
- Ventilsitz
- 98
- elektrischer
Anschluss
- 100
- Kunststoffformteil/Isolator