DE102007005575A1 - Brennstoffmaschine mit zwei Kraftstoffbehältern - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine mit zwei Kraftstoffbehältern, die wahlweise mit einer Einspritzanlage verbindbar sind, die eine Rückführleitung für nicht eingespritzten Kraftstoff besitzt, wobei die Rückführleitung einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffs und ein Umschaltventil aufweist, das die Rückführleitung wahlweise mit einem Kraftstoffbehälter oder der Einspritzanlage verbindet, und eine Steuereinheit, die den Temperatursensor ausliest und das Umschaltventil unterhalb eines vorbestimmten Temperaturwerts ansteuert, um den Kraftstoff in die Einspritzanlage zurückzuführen, und oberhalb des vorbestimmten Temperaturwerts das Umschaltventil ansteuert, um den Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurückzuführen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Kraftstoffbehältern, die wahlweise mit einer Einspritzanlage verbunden sind. Die wahlweise Verbindung der Kraftstoffbehälter mit der Einspritzanlage gestattet es, die Brennkraftmaschine mit Pflanzenöl oder Dieselkraftstoff zu betreiben.
  • Pflanzenöl stellt eine Recourcen schonende Alternative zur Nutzung von Diesel als Kraftstoff dar. Seiner Anwendung liegt der Gedanke zugrunde, daß bei dessen Verbrennung nur so viel CO2 entsteht, wie beim Wachsen der Pflanze der Luft entnommen wird. Idealisiert stellt dies einen geschlossenen CO2-Kreislauf dar, der ein Anheben einer CO2-Konzentration in der Atmosphäre vermeidet oder zumindest reduziert. Pflanzenöl kann in den meisten dieselmotorischen Brennkraftmaschinen allerdings nicht direkt eingesetzt werden, sondern macht aufgrund seiner vom Dieselkraftstoff abweichenden Eigenschaften eine Umrüstung notwendig. Ein wichtiges Unterschiedsmerkmal von Pflanzenöl ist, daß dieses bei Raumtemperatur eine gegenüber Diesel deutlich höhere Viskosität besitzt und gleichzeitig eine geringere Temperaturstabilität.
  • Um die Viskosität des Pflanzenöls an die von Diesel anzupassen, ist es bekannt, einen separaten Wärmetauscher für das Pflanzenöl vorzusehen. Aus DE 20 2005 020 481 U1 , DE 101 39 521 A1 sowie DE 201 13 323 U1 sind unterschiedliche Ansätze für einen separaten Wärmetauscher bekannt.
  • Aus DE 101 60 562 A1 ist zur Verringerung der thermischen Zersetzung des Pflanzenöls bekannt, in einem 1-Tank-System eine Kühleinrichtung in Verbindung mit einer zusätzlichen Pumpe und einer Schaltung aus Überdruck- und Drosselventil in der Rücklaufleitung zum Pflanzenöltank vorzusehen. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß auch hierbei erhebliche Mengen an bereits thermisch belastetem Pflanzenöl wieder in den Kraftstoffbehälter für Pflanzenöl zurückgeführt werden.
  • Aus DE 20 2005 017 387 U1 ist es bekannt, einen dritten Kraftstoffbehälter vorzusehen, der das rücklaufende Pflanzenöl und damit das thermisch belastete Pflanzenöl aufnimmt. Nachteilig an diesem Ansatz ist, daß ein dritter Kraftstoffbehälter vorzusehen ist, wodurch gerade beim Nachrüsten von Dieselfahrzeugen ein erheblicher Mehraufwand entsteht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit zwei Kraftstoffbehältern bereitzustellen, bei der eine Belastung von Pflanzenöl mit thermisch belastetem Pflanzenöl mit einfachen Mitteln reduziert oder weitgehend vermieden wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit zwei Kraftstoffbehältern ausgestattet, die wahlweise mit einer Einspritzanlage verbindbar sind. Die Einspritzanlage ist mit einer Rückführleitung für nicht eingespritzten Kraftstoff ausgestattet. Erfindungsgemäß ist in der Rückführleitung ein Temperatursensor zur Erfassung der Kraftstofftemperatur vorgesehen. Ferner ist die Rückführleitung mit einem Umschaltventil ausgestattet, das die Rückführleitung wahlweise mit einem der Kraftstoffbehälter oder der Einspritzanlage verbindet. Ferner ist eine Steuereinheit vorgesehen, die den Temperatursensor ausliest und das Umschaltventil unterhalb eines vorbestimmten Temperaturwerts ansteuert, um den Kraftstoff in die Einspritzanlage zurückzuführen. Oberhalb des vorbestimmten Temperaturwerts wird das Umschaltventil angesteuert, um den Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurückzuführen. Der erfindungsgemäßen Umschaltung liegt das Bestreben zugrunde, solange die Temperatur eine direkte Rückführung des Kraftstoffs in den Zulauf der Einspritzanlage zuläßt, diese auch vorzunehmen. Erst wenn die Temperatur des zurückzuführenden Kraftstoffs einen definierten Schwellwert überschreitet, insbesondere wenn es zur Gasbildung im Pflanzenöl kommt, dann wird der Rücklauf durch Betätigung des Umschaltventils in den Kraftstoffbehälter zurückgelenkt. Der besondere Vorteil der temperaturabhängigen Umschaltung bei der Rückführung von Kraftstoff aus der Einspritzanlage besteht darin, daß im Laufe eines Tankzyklus dem Kraftstoff im Kraftstoffbehälter deutlich weniger thermisch belasteter Kraftstoff zugesetzt wird als in den vorbekannten Systemen. Bevorzugt ist bei dem Betrieb mit Dieselkraftstoff und Pflanzenöl die Rückführleitung mit dem Kraftstoffbehälter für Pflanzenöl verbindbar. Eine Verbindung der Rückführleitung aus der Einspritzanlage erfolgt dann zweckmäßigerweise nur, wenn die Brennkraftmaschine mit Pflanzenöl betrieben wird.
  • In einer bevorzugten Weiterführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist ein Motorölsensor vorgesehen, der die Viskosität eines Schmiermittels an der Brennkraftmaschine mißt. Zweckmäßigerweise kann der Motorölsensor auch die relative Dielektrizitätskonstante und/oder die Temperatur des Schmiermittels in dem Schmiermittelkreislauf erfassen. Der Motorölsensor erlaubt es, den Zustand des Schmiermittels kontinuierlich zu überwachen. Bevorzugt ermittelt eine Auswerteeinheit aus den erfaßten Daten des Sensors einen Anteil von Pflanzenöl in dem Schmiermittel. Anders als bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine ausschließlich mit Dieselkraftstoff ist bei der Überwachung des Schmiermittels zu berücksichtigen, daß auch in den Schmiermittelkreislauf übertretendes Pflanzenöl die Zusammensetzung des Schmiermittels verändert und daher andere Wartungszyklen für das Schmiermittel erforderlich macht.
  • Bevorzugt gibt die Steuereinheit ein Alarmsignal aus, wenn in dem Schmiermittel ein Pflanzenölanteil festgestellt wird, der oberhalb eines vorbestimmten Höchstanteil an Pflanzenöl in dem Schmiermittel liegt.
  • Um eine dieselmotorische Brennkraftmaschine stets mit Diesel zu starten, sieht die Steuereinheit ferner vor, die Zuleitung und die Einspritzanlage vor einem Ausschalten mit Dieselkraftstoff zu betreiben. Dieser Vorgang kann beispielsweise von einem Benutzer eingeleitet werden.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt einen Kraftstoffbehälter 10, der für Pflanzenöl vorgesehen ist, ein so genannter Pflanzenöltank. Zusätzlich ist ein zweiter Kraftstoffbehälter 12 vorgesehen, der den Dieselkraftstoff aufnimmt. Der zweite Kraftstoffbehälter 12 kann kleiner ausgelegt sein als der Pflanzenöltank 10 und wird daher auch als Dieselzusatztank 12 bezeichnet. Dem Dieselmotor 14, der zentral in dem Diagramm dargestellt ist, wird Kraftstoff über eine Einspritzanlage 16 zugeführt.
  • Nachfolgend wird zunächst der Kraftstofffluß aus dem Pflanzenöltank 10 zur Einspritzanlage 16 beschrieben:
    Das Pflanzenöl aus dem Pflanzenöltank wird über eine Pumpe 18 einem Wärmetauscher 20 zugeführt. Der Wärmetauscher 20 ist beispielsweise mit dem Kühlwasserkreislauf 22 verbunden. Ein Temperatursensor 24 mißt die Vorlauftemperatur des Kühlwassers vor dem Wärmetauscher 20. Ein Hahn 26 erlaubt es, den Kühlwasservorlauf im Wärmetauscher 20 zu sperren. Ein zweiter Temperatursensor 28 mißt die Temperatur des Pflanzenöls im Vorlauf. Ein schaltbares Ventil 30 erlaubt die Kraftstoffauswahl. Die Eingänge des schaltbaren Ventils 30 sind mit den Zuleitungen 32 und 34 aus den Kraftstofftanks 10 bzw. 12 verbunden. Der Ausgang des schaltbaren Ventils 30 ist mit einer Zuleitung 36 verbunden, die zu der Einspritzanlage 16 führt.
  • Ist das schaltbare Ventil 30 für die Zuleitung 32 gesperrt, so kann das geförderte Pflanzenöl über das Rückschlagventil 38 wieder der Pumpe 18 zugeführt werden. Auf diese Weise durchläuft es erneut den Wärmetauscher 20. Ist das umschaltbare Ventil für die Zuleitung 32 geöffnet, für die Zuleitung 34 gesperrt und für die Ausgangsleitung 36 ebenfalls geöffnet, so wird das vorgewärmte Pflanzenöl der Einspritzanlage 16 zugeführt. Von der Einspritzanlage 16 wird es über die schematisch dargestellte Verbindung 38 dem Motor richtig dosiert zugeführt. Nicht eingespritzter Kraftstoff wird über die Rückführleitung 40 einem Umschaltventil 42 zugeführt. Am Eingang des Umschaltventils 42 liegt die Rückführleitung 40 an. Die Ausgänge des Umschaltventils 42 sind über die Leitung 44 mit der Zuleitung für die Einspritzanlage 16 oder die Leitung 46 mit dem Pflanzenöltank 10 verbunden. In der Rückführleitung 40 ist ein Temperatursensor 48 vorgesehen.
  • Der Pfad des Dieselkraftstoffs aus dem Dieselzusatztank 12 führt über die Zuleitung 34, in der ein Rückschlagventil 51 vorgesehen ist zu dem Umschaltventil 30. Im Dieselbetrieb ist das Umschaltventil 30 für die Zuleitung 34 und die Ableitung 36 geöffnet und für die Eingangsleitung 32 dauerhaft gesperrt. Der Dieselkraftstoff tritt dann über die Leitung 36 in die Einspritzanlage 16 ein.
  • Im Dieselbetrieb erfolgt unabhängig von dem an dem Temperatursensor 48 erfaßten Temperaturwert eine Rückleitung des Dieselkraftstoffs über die Leitung 40, das Umschaltventil 42 und die Leitung 44 zu der Zuleitung 36. Auch das Umschaltventil 42 ist im Dieselbetrieb stets so gestellt, daß ein Übertritt von Dieselkraftstoff in die Leitung 46 und damit in den Pflanzenöltank 10 vermieden wird.
  • Die Steuereinheit (nicht dargestellt) der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine steuert das Umschaltventil 42 in dem Kraftstoffrücklauf.
  • Zusätzlich in der Figur dargestellt sind zwei Sensoren 50 und 52, die an der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Sensor 50 erfaßt die Motordrehzahl, die ein wichtiges Indiz für die Belastung der Brennkraftmaschine ist. Der Sensor 52 überwacht kontinuierlich den Zustand des Schmiermittels an dem Motor. Als Sensor zur Überwachung des Motoröls kann beispielsweise der aus EP 0 527 176 B1 bekannte Sensor zur Bestimmung der Viskosität eingesetzt werden. Die von dem Sensor erfaßten Messwerte werden bevorzugt über ein Kennfeld auf den relativen Anteil an Pflanzenöl in dem Schmiermittel abgebildet.
  • Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist für einen Normalbetrieb die Verwendung von Pflanzenöl aus dem Pflanzenöltank 10 vorgesehen. Gestartet wird der Motor 14 jedoch mit Dieselkraftstoff. Eine Umstellung auf den Pflanzenölbetrieb erfolgt automatisch, wenn die für den Pflanzenölbetrieb definierten Betriebsbedingungen erreicht wurden. Vor einem Umschalten in den Pflanzenölbetrieb kann dieses über den Heizkreislauf mit der Kreislaufpumpe 18 auf die notwendige Betriebstemperatur gebracht werden.
  • Die Einspritzanlage steht im Regelfall vor dem Start unter Dieselkraftstoff und wird mit diesem auch während der Aufwärmehase betrieben. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt dann aus dem Dieselzusatztank 12 über die Zuleitung 34, das Umschaltventil 30 und die Zuleitung 36 über die Einspritzanlage 16. Von der Einspritzanlage 16 zurückgeführter Kraftstoff wird über die Leitung 42, das Umschaltventil 30 wieder in die Zuleitung 36 geführt. Während der Aufwärmehase wird die Kühlwassertemperatur T2, die Pflanzenöltemperatur T1 im Vorlauf und die Motordrehzahl in einer Betriebsdatenspeichereinheit (Datenlogger) aufgezeichnet. Sind die für den Betrieb mit Pflanzenöl notwendigen Bedingungen erreicht, so wird in einen ersten Pflanzenölbetrieb mit direktem, geschlossenem Betrieb umgeschaltet. Bei diesem Betrieb wird das geförderte und vorgeheizte Pflanzenöl über die Zuleitung 32, das Umschaltventil 30 und die Zuleitung 36 der Einspritzanlage 16 zugeführt. Im so genannten direkten Rücklauf wird überschüssiges Pflanzenöl über die Leitung 40 einem Umschaltventil 42 und Leitung 44 der Einspritzanlage 16 direkt wieder zugeführt.
  • Steigt die Temperatur des Pflanzenöls im Rücklauf 40 während des Betriebes an, so wird der erhöhte Temperaturwert aus den Meßwerten des Sensors 48 ausgelesen. Überschreiten die ausgelesenen Meßwerte einen vorbestimmten Schwellwert, beispielsweise 80°C, so schaltet das Umschaltventil 42, um das Pflanzenöl über die Leitung 46 in den Pflanzenöltank zurückzuführen. Dieser Betriebsmodus wird als Pflanzenölbetrieb mit Rücklauf über den Pflanzenöltank 10 bezeichnet. Um nicht unnötig erwärmtes Pflanzenöl in den Pflanzenöltank 10 zurückzuführen, wird nach Absenken der Temperatur wieder auf den Pflanzenölbetrieb mit direkter geschlossener Rückführung zurückgeschaltet. Die Temperatur für das Zurückschalten braucht dabei nicht notwendig identisch mit der Temperatur zu sein, bei der in den Rücklauf über den Pflanzenöltank geschaltet wurde. Bevorzugt wird auch für das Zurückschalten eine Temperatur von 80°C gewählt.
  • Für das geregelte Abfahren des Motors aus dem Pflanzenölbetrieb, sei es nun mit direktem Rücklauf oder mit Rücklauf über den Pflanzenöltank wird sichergestellt, daß nach dem Ausschalten sich kein Pflanzenöl mehr in der Einspritzanlage 16 befindet. Dies wird erreicht, indem über eine Steuereinheit der Befehl „Spülen" ausgelöst wird, wodurch die Zuleitung 36, die Rückführleitung 44 ebenso wie die Zuleitung 34 und die Rückführleitung 46 mit Dieselkraftstoff gespült werden.
  • Der über die Einspritzanlage 16 freigesetzte Dieselkraftstoff zirkuliert dann auch über die Leitung 44 und die Zuleitung 36 zu der Einspritzanlage 16 zurück.
  • Der Betrieb der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird durch die Steuereinheit überwacht. Ebenfalls kann vorgesehen sein, daß die Steuereinheit automatisch zwischen einem Dieselbetrieb und einem Betrieb mit Dieselkraftstoff auswählt. Ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit Diesel statt mit Pflanzenöl ist vorgesehen, wenn die Maschine für einen längeren Zeitraum im Niederlastbetriebszustand betrieben wird, da der Pflanzenölbetrieb unter diesen Bedingungen zur Ablagerung von Verbrennungsrückständen führt. Vorzugsweise wird ein Niederlastbetrieb erkannt, wenn die Drehzahl kleiner als 1000 U/min, vorzugsweise 800 U/min, ist und für mindestens 2 Minuten, höchstens 3 Minuten anhält.
  • Bevorzugt ist die Überwachungseinheit in der Lage sämtliche Motordaten, wie Drehzahl, Temperatur und Betriebsmodi aufzuzeichnen. Gleichzeitig werden Datum und Uhrzeit eingetragen. Hierdurch wird ein wichtiges Instrument zur Verfügung gestellt, um im Schadens- und Versicherungsfall nachweisen zu können, daß ein ordnungsgemäßer Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt ist. Die Überwachungseinheit kann zusätzlichen mit einem vierzeiligen Display aus gestattet sein, das dem Fahrer alle notwendigen Informationen zum aktuellen Betriebsmodus anzeigt. Hierzu besteht die Möglichkeit, eine gewünschte Sprache am Display aus einem Satz von Sprachen auszuwählen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 10139521 A1 [0003]
    • - DE 20113323 U1 [0003]
    • - DE 10160562 A1 [0004]
    • - DE 202005017387 U1 [0005]
    • - EP 0527176 B [0019]

Claims (13)

  1. Brennkraftmaschine mit zwei Kraftstoffbehältern (10, 12), die wahlweise mit einer Einspritzanlage (16) verbindbar sind, die eine Rückführleitung (40) für nicht eingespritzten Kraftstoff besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (40) einen Temperatursensor (48) zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffs und ein Umschaltventil (42) aufweist, das die Rückführleitung (40) wahlweise mit einem Kraftstoffbehälter (10) oder der Einspritzanlage (16) verbindet, und eine Steuereinheit, die den Temperatursensor (48) ausliest und das Umschaltventil (42) unterhalb eines vorbestimmten Temperaturwerts (TUmschalt) ansteuert, um den Kraftstoff in die Einspritzanlage (16) zurückzuführen, und oberhalb des vorbestimmten Temperaturwerts (TUmschalt) das Umschaltventil (42) ansteuert, um den Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurückzuführen.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Rückführleitung (46) verbindbare Kraftstoffbehälter (10) für Pflanzenöl vorgesehen ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Rückführleitung (46) mit dem Kraftstoffbehälter (10) verbindet, wenn die Rückführleitung (46) den entsprechenden Kraftstoff enthält.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit das Umschaltventil (42) temperaturabhängig ansteuert, wenn Pflanzenöl an der Einspritzanlage (16) anliegt.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motorölsensor (52) vorgesehen ist, der die Viskosität und/oder die relative Dielektrizitätskonstante und/oder Temperatur an der Brennkraftmaschine mißt.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit des Motorölsensors den Anteil an Pflanzenöl aus den gemessenen Werten ermittelt.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit bei einem vorbestimmten Anteil an Pflanzenöl im Schmiermittel ein Alarmsignal absetzt.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit ein Umschaltventil (30) in einer Zuführleitung (36) der Einspritzanlage (16) ansteuert, um wahlweise einen der Kraftstoffbehälter (10, 12) mit der Einspritzanlage (16) zu verbinden.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit in einem vorbestimmten Niederlastbetriebszustand auf Dieselkraftstoff umschaltet.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit den Niederlastbetriebszustand feststellt, wenn für eine vorbestimmte Zeitdauer ein vorbestimmter Drehzahlwert nicht überschritten wurde.
  11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Steuersequenz vorsieht, um vor einem Ausschalten des Motors eine Zufuhr mit Pflanzenöl zu unterbrechen und Dieselkraftstoff der Einspritzleitung sowie den Rückführleitungen (40, 44) zuzuführen.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersequenz manuell durch eine Bedienperson ausgelöst wird.
  13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Temperaturwert (TUmschalt) für das Umschaltventil 70°C bis 90°C, bevorzugt 80°C, beträgt.
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