DE102007016943A1

DE102007016943A1 - Kraftstoffaufbereitungssystem und Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen

Info

Publication number: DE102007016943A1
Application number: DE200710016943
Authority: DE
Inventors: Torsten Kruppe; Matthias Ueberdiek
Original assignee: Ueberdiek Matthias Dipl-Ing
Current assignee: Ueberdiek Matthias Dipl-Ing
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: DE102007016943B4

Abstract

Ein Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes sowie ein Kraftstoffaufbereitungssystem. Erfindungsgemäß findet zur Entgasung ein Zyklon (5) Einsatz. Vorzugsweise wird ein zirkulierender Volumenstrom sowie ein verwirbelter oder turbulenter Volumenstrom erzeugt, die dann zusammengeführt werden können. Weitere Entgasungseinrichtungen können vor- oder nachgeschaltet sein. Die Erfindung findet Einsatz vorzugsweise für die Entgasung eines pflanzlichen Kraftstoffes für dessen Einsatz in einer Diesel-Brennkraftmaschine.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftstoffaufbereitungssystem zur Entgasung pflanzlicher Kraftstoffe. Insbesondere finden das Verfahren und das Kraftstoffaufbereitungssystem Einsatz für pflanzliche Kraftstoffe, beispielsweise Rapsöl, für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes. Ein weiteres mögliches Einsatzfeld sind mit pflanzlichen Kraftstoffen betriebene Blockheizkraftwerke.
STAND DER TECHNIK
Unbehandelte Pflanzenöle, die umgangssprachlich auch als "Pöl" bezeichnet werden, können als Kraftstoff insbesondere für Dieselmotoren verwendet werden. Als pflanzliche Kraftstoffe können Pflanzenöle von über 1000 anbauwürdigen Ölpflanzen eingesetzt werden, wobei Rapsöl bevorzugt eingesetzt wird. Neben Rapsöl kann aber auch bspw. Sesam-Öl, Soja-Öl, Leinöl, Hanföl, Palmkernöl, Sonnenblumenöl oder ein beliebiges anderes Pflanzenöl eingesetzt werden. Im Extremfall kann auch ein Imbissbuden-Fett oder Friteusen-Fett eingesetzt werden. Die genannten Pflanzenöle zählen zu den sogenannten "erneuerbaren Energieträgern".
Reines Pflanzenöl besteht überwiegend aus reinen Kohlenwasserstoffen und ist schwerer entflammbar als Diesel. Diese "Zündwilligkeit" (Cetanzahl) ist allgemein eingeschränkt, da bei normalen Außentemperaturen das Pflanzenöl von der Einspritzdüse nur unzureichend im Brennraum vernebelt wird. Aufgrund der höheren Viskosität von Pflanzenöl, die bei sinkender Temperatur noch ansteigt, erhöht sich der Durchflusswiderstand in den Kraftstoffleitungen, der Einspritzpumpe und den Einspritzdüsen gegenüber dem von Dieselkraftstoff. Aufgrund der gegenüber Dieselkraftstoffen höheren Viskosität und einer niedrigeren Cetanzahl sind abweichend zum Einsatz eines Dieselkraftstoffes für einen Dieselmotor in der Regel Anpassungsmaßnahmen für die eingesetzten Kraftstoffaufbereitungssystem sowie die eingesetzten Verfahren zur Aufbereitung erforderlich. Als Anpassungsmaßnahmen für den Einsatz von Pflanzenöl in Brennkraftmaschinen sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Strategien zu unterscheiden:

– Einerseits kann eine Anpassung der Brennkraftmaschine selber oder der der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Aggregate für den Einsatz des Pflanzenöles erfolgen.
– Andererseits kann eine Veränderung des Pflanzenöles derart erfolgen, dass eine bestehende Motorentechnik weitestgehend unverändert verwendet werden kann.

Während Pflanzenöl ohne größere Probleme Einsatz finden kann für Vorkammerdiesel-Brennkraftmaschinen, führt der Einsatz von Pflanzenöl für Brennkraftmaschinen mit einer auf Pumpen basierenden Zuführung des Kraftstoffes zu höheren Belastungen in Folge der größeren Viskosität des Pflanzenöles.
Bekannte Umbaumaßnahmen im Zuge des Einsatzes von Pflanzenöl für derartige Brennkraftmaschinen umfassen: Vorerwärmung des Kraftstoffes (beispielsweise elektrisch bei Kaltstart oder bei warmem Motor über die Abwärme eines Kühlkreislaufes), um eine Viskosität unmittelbar vor dem Eintritt in eine Einspritzanlage zu verringern; Verwendung normalen Dieselkraftstoffs aus einem Zweitank zum Starten der kalten Brennkraftmaschine; Einbau eines Wärmeübertragers, z. B. zur Erwärmung eines Kraftstofffilters mit Hilfe des Kühlwassers; Einsatz einer Kraftstoffleitung mit größerem Querschnitt; Einbau eines veränderten Filters; Ergänzung des Pflanzenöles mit mindestens 10% Winterdiesel in einem Winterbetrieb; Vorerwärmung der Brennkraftmaschine und des Filters; Ergänzung einer Kraftstoffpumpe; Anpassung des Vorglühens; Veränderung der Brennraumgeometrie; Einsatz anderer Düsengeometrien; Veränderung des Einspritzwinkels und/oder des Einspritzdruckes; Einsatz beheizter Düsen; Modifikation des Einspritzzeitpunktes; Vorbehandlung des pflanzlichen Kraftstoffes; Einsatz eines Überhitzungsschutzes für die Einspritzanlage; Erkennung des Kraftstoffs; Modifikation der Ölwechselintervalle und ähnliches.
Der Einsatz von Pflanzenöl in Verbindung mit Brennkraftmaschinen mit Common-Rail-Einspritzsystemen erfordert einen größeren Umrüstaufwand, beispielsweise in Folge des Erfordernisses einer Veränderung der Bedien- und Steuerelemente, insbesondere infolge einer Vorerwärmung bei Kaltstart, einer Anpassung der Einspritztechnik, einer Anpassung der elektronischen Einspritzsteuerung und einer Integration zusätzlicher Filterstufen.
Alternativ kann eine Umrüstung von einem Ein-Tank zu einem Zwei-Tank-System erfolgen, wobei ein Tank mit Pflanzenöl befüllt wird und ein zweiter Tank mit Dieselkraftstoff betankt wird, der dann in ausgewählten Betriebsbereichen, beispielsweise bei tieferen Temperaturen, zum Betrieb der Brennkraftmaschine benutzt werden kann. Die dann mit dem Betrieb entstehende Abwärme kann zur Erwärmung des pflanzlichen Kraftstoffes und der beteiligten Bauelemente eingesetzt werden, woran die Umschaltung auf den Betrieb mit dem pflanzlichen Kraftstoff anschließen kann.
Seit einigen Jahren wird versucht, Dieselmotoren für den Direktbetrieb mit Rapsöl umzurüsten, wobei unter den Kennzeichnungen "EOIL" oder "BEAM" bereits kommerzielle Umbaulösungen angeboten werden. Diese beruhen auf einer sorgfältigen Entgasung des Rapsöles beruhen. Diese Ausgestaltungen beruhen auf der Beobachtung, dass ein Gasgehalt in dem Rapsöl, der über dem in Dieselkraftstoff enthaltenen Gasgehalt liegt, in einer modernen Hochdruck-Einspritzanlage zu einer Dampfblasenbildung (Kavitation) führen kann. Die Kavitation kann insbesondere an den eingesetzten Pumpen, den Leitungen und den Düsen der Brennkraftmaschine bzw. dem Einspritzsystem zu Beschädigungen führen. Neben der Vermeidung dieser unerwünschten Effekte ist ein weiteres Ziel der Entgasung, die Kompressivität des pflanzlichen Kraftstoffs so weit zu reduzieren, dass Beeinträchtigungen der elektronischen Einspritzsteuerung zumindest gemindert sind und der Fallungsgrad nicht erreicht wird. Die genannten Umbaulösungen haben in der Vergangenheit vorrangig Einsatz gefunden für Nutzfahrzeuge und landwirtschaftliche Maschinen, wo sich der Umbau in Folge des hohen spezifischen Verbrauchs dieser Fahrzeuge innerhalb von wenigen Monaten amortisiert hat.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives oder verbessertes Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes sowie ein Kraftstoff aufbereitungssystem für eine derartige Entgasung vorzuschlagen. Insbesondere soll eine Verbesserung eines derartigen Verfahrens und eines Kraftstoffaufbereitungssystems hinsichtlich

– des erforderlichen Einbauraumes,
– der Entgasungseffizienz,
– des Steueraufwandes,
– der erforderlichen mechanischen und elektrischen Komponenten,
– dem Einsatz bei niedrigen Temperaturen und/oder
– der Umrüstkosten

LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen eines derartigen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 2 bis 16.
Eine alternative Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist durch ein Kraftstoffaufbereitungssystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17 gegeben. Weitere Ausgestaltungen eines derartigen Kraftstoffaufbereitungssystems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 18 bis 31.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat erkannt, dass eine (alleinige) Entgasung auf Grundlage des aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Verfahrens und/oder einer Erwärmung die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nicht befriedigend löst:

– Die unter dem Kennzeichen "EOIL" vertriebenen und auf Ultraschall basierenden Umrüstsysteme erfordern einen hohen elektronischen Aufwand. Andererseits führen auf Ultraschall basierende Umrüstlösungen bei niedrigen Temperaturen zu Problemen. Weiterhin ist die tatsächliche Entgasungswirkung für derartige Ultraschall-Lösungen nicht nachweisbar. Für den Einsatz eines Ultraschallprinzips muss weiterhin in unzulässiger Weise auf eine vorhandene Bordelektronik zurückgegriffen werden.
– Während auf einer Erwärmung des pflanzlichen Kraftstoffs basierende Umrüstlösungen (vgl. Umrüstsysteme "BEAM) zwar den Vorteil haben, dass diese vorteilhaft für die Oberflächenspannung des Kraftstoffes sind und somit den Verbrennungsprozess fördern, sind diese problematisch für Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, in denen hohe Durchflussraten erforderlich sind, da hier die erforderliche Erwärmung nur mit großen Erwärmungseinrichtungen erzeugt werden kann oder die Erwärmung des Kraftstoffes nicht ausreichend ist. Dies ist insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine der Fall.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass die bekannten Systeme zur Entgasung der pflanzlichen Kraftstoffe störanfällig, wartungsintensiv und teuer sind sowie einen großen Einbauraum erfordern.
Erfindungsgemäß wird alternativ oder kumulativ zu den genannten bekannten Verfahren die Entgasung eines pflanzlichen Kraftstoffes unter Einsatz eines "Separators" durchgeführt, indem ein zirkulierender Volumenstrom des pflanzlichen Kraftstoffes erzeugt wird. Unter einem derartigen "Separator" im Sinne der Erfindung wird eine beliebige Trenneinrichtung verstanden, bei der unterschiedliche Bestandteile eines Fluids, hier insbesondere der pflanzliche Kraftstoff und ein in diesem enthaltenes Gas, auf Grundlage der Zentrifugalwirkung voneinander getrennt werden. Während übliche derartige Separatoren vorrangig auch bei Kraftfahrzeugen Einsatz finden zur Trennung von Flüssigkeit in unterschiedlicher Dichte oder von Trennung von Feststoffpartikeln von einer Flüssigkeit, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass mittels eines derartigen Separators auch eine Trennung des pflanzlichen Kraftstoffes selber und von Gasen, die in dem pflanzlichen Kraftstoff enthalten sind, erfolgen kann. Ein hierzu eingesetzter erfindungsgemäßer Separator nutzt die Tatsache aus, dass für den zirkulierenden Volumenstrom des pflanzlichen Kraftstoffes schwere Bestandteile, also der Kraftstoff selber, radial nach außen gedrückt werden, während leichtere Bestandteile des Volumenstromes, hier in dem Kraftstoff eingeschlossenes Gas oder sogenannte "Gaskerne", weiter im Inneren des zirkulierenden Volumenstromes, also radial innen liegend, verbleiben, so dass sich in diesem Bereich die Konzentration des Gases erhöht und vorhandene Gasblasen durch Ansammlung mehrerer Gasblasen vergrößert werden können.
Das erfindungsgemäße Grundkonzept umfasst hierbei auch den Einsatz einer Zentrifuge zur Entgasung des pflanzlichen Kraftstoffes. Unter einer derartigen Zentrifuge wird eine Einrichtung verstanden, bei der Bestandteile der Entgasungsvorrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt werden, die auf den in der Entgasungsvorrichtung enthaltenen pflanzlichen Kraftstoff übertragen wird, so dass der zirkulierende Volumenstrom entsteht. Allerdings erfordern die hierzu eingesetzten bewegten oder rotierenden Bauelemente der Entgasungsvorrichtung eine Antriebsverbindung beispielsweise mit der Brennkraftmaschine oder einen separaten elektrischen Antrieb. Darüber hinaus sind die bewegten Bauelemente geeignet zu lagern, wobei ein dauerhafter und wartungsfreier Betrieb des Lagers gewährleistet sein muss.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher der zirkulierende Volumenstrom mittels eines Zyklons erzeugt. Unter einem Zyklon wird in diesem Sinne ein ruhendes Bauelement oder eine Baugruppe verstanden, in die unter einem Druck und einer Geschwindigkeit der pflanzliche Kraftstoff mit einem Volumenstrom eingeleitet wird, wobei in der Baueinheit der Volumenstrom durch ruhendes Umlenkflächen, ein Gehäuse, Leitflächen oder ähnliches so umgelenkt wird, dass der zirkulierende Volumenstrom entsteht. Damit kann der Zyklon als starre Baueinheit ausgebildet werden, was den baulichen Aufwand für Lagerungen, die Baugröße, Fertigungskosten und eine Fehleranfälligkeit verringert und Wartungsintervalle erhöht oder gänzlich entbehrlich macht.
Für eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht lediglich ein zirkulierender Volumenstrom, also bspw. ein spiralförmiger oder kreisringförmiger Volumenstrom in einer Ebene erzeugt, sondern vielmehr ein wendel- oder spiralförmig aufsteigender Volumenstrom. Hierzu wird der Volumenstrom dem Zyklon in einem Bodenbereich des Zyklons unter Erzeugung einer nach oben gerichteten Geschwindigkeitskomponente zugeführt. Diese nach oben gerichtete Geschwindigkeitskomponente kann beispielsweise durch eine Ausrichtung einer Einführöffnung oder Einführdüse in den Zyklon erzeugt werden. Alternativ oder kumulativ kann die nach oben gerichtete Geschwindigkeitskomponente durch eine geeignete Leitfläche des Zyklones erfolgt werden. Nachdem der Volumenstrom in dem Zyklon ein Zentrum oder eine Längsachse des Zyklones mehrfach umrundet hat, kann dem Zyklon oberhalb des Bodenbereiches entgaster Kraftstoff entnommen werden. Durch einen erfindungsgemäßen spiral- oder wendelförmigen Aufstieg des pflanzlichen Kraftstoffes kann auf kleinem Bauraum eine große Strecke zur Entgasung des Kraftstoffes genutzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass u. U. in Folge der fortschreitenden Aussonderung des Gases aus dem Kraftstoff in den radial außen liegenden Bereichen des Volumenstromes mit zunehmendem Weg und damit zunehmender Höhe in dem Zyklon immer weniger Gas enthalten ist.
Eine besonders effiziente Entgasung des pflanzlichen Kraftstoffes kann erfolgen, wenn dem Zyklon entgaster Kraftstoff im Bereich einer Überlauföffnung oder einer Überlaufkante entnommen wird, wobei sich eine derartige Überlauföffnung oder Überlaufkante vorzugsweise radial außen liegend an dem Volumenstrom und den Führungsflächen des Zyklones für den Volumenstrom befindet. Dabei kann sich die Überlauföffnung oder Überlaufkante lediglich über einen Teilumfangsbereich des Zyklons erstrecken oder diese ist vollständig in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet.
Für den Volumenstrom besitzt der Zyklon vorzugsweise Führungsflächen, die in einem Querschnitt spiral- oder kreisförmig ausgebildet sind, so dass die Führungsflächen beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein können. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung finden in dem Zyklon Führungsflächen Einsatz, die kegelförmig ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung macht sich zu nutze, dass für einen spiralförmig aufsteigenden zirkulierenden Volumenstrom in einem derartigen Kegel die Umfangsgeschwindigkeit des Volumenstromes mit zunehmender Höhe absinkt, was zu einer verstärkten Entgasung führen kann. Andererseits kann durch die kegelförmige Ausbildung der Führungsflächen das eigentliche, in dem Zyklon enthaltene Volumen des pflanzlichen Kraftstoffes verringert werden. Hierdurch kann auch die "Totzeit" zwischen einer Kraftstoffanforderung und der Bereitstellung des entgasten Kraftstoffes reduziert werden
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird der Kraftstoff in einen ersten Volumenstrom und einen zweiten Volumenstrom aufgeteilt, wozu eine geeignete Trenneinrichtung Einsatz finden kann. In dem einfachsten Fall handelt es sich bei der Trenneinrichtung um einen Verzweigungspunkt einer Zuführleitung. Ebenfalls möglich ist, dass aus einem gemeinsamen Tank Kraftstoff mittels einer ersten Fördereinrichtung für den ersten Volumenstrom bereitgestellt wird sowie mittels einer zweiten Fördereinrichtung für den zweiten Volumenstrom. Ein derart erzeugter erster Volumenstrom wird dann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Separator oder Zyklon zugeführt, wo der zirkulierende Volumenstrom erzeugt wird. Gleichzeitig wird der zweite Volumenstrom einer Verwirbelungseinrichtung zugeführt, in der ein verwirbelter Volumenstrom erzeugt wird. Ein derartiger verwirbelter Volumenstrom zeichnet sich durch einen Gradienten der Geschwindigkeit benachbarter Teilvolumenströme und/oder der Richtungen benachbarter Teilvolumenströme aus, wobei der verwirbelte Volumenstrom im Extremfall turbulent sein kann. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in einem verwirbelten Volumenstrom Gas in Form von "Gaskernen" aus dem pflanzlichen Kraftstoff abgesondert wird. Anschließend werden der erste zirkulierende Volumenstrom und der zweite verwirbelte Volumenstrom zusammengeführt. Überraschenderweise haben Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass durch Kombination des zirkulierenden Volumenstromes und des verwirbelten Volumenstromes die Effizienz der Entgasung über die reine Addition der beiden Entgasungsmechanismen hinaus erhöht werden kann: Es hat sich nämlich gezeigt, dass in dem zirkulierenden Volumenstrom eine Ablagerung von Gas an den mittels dem verwirbelten Volumenstrom erzeugten Gaskernen erzeugen kann, die damit in dem zirkulierenden Volumenstrom ihre Größe weiter vergrößern. Vorzugsweise erfolgt die Zusammenführung des ersten zirkulierenden Volumenstromes und des zweiten verwirbelten Volumenstromes in dem Zyklon.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden der zirkulierende Volumenstrom und der verwirbelte Volumenstrom in unterschiedlichen Kammern eines gemeinsamen Zyklonkörpers erzeugt, die allerdings fluidisch miteinander verbunden sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung, für die die erforderlichen fluidischen Verbindungswege kurz gehalten werden können, was neben der kleinen Baugröße auch den Vorteil hat, das einmal gebildete "Gaskerne" nicht auf dem Weg zu der Zusammenführung der Volumenströme wieder zusammenbrechen.
Eine besonders einfache Ausgestaltung ist für den Fall gegeben, dass die Kammern über eine Trennwand miteinander verbunden sind. Die Trennwand kann Bohrungen aufweisen, über die dann die Zusammenführung der beiden Volumenströme in einer der Kammern erfolgt.
Die genannte Trennwand ist gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung multifunktional ausgebildet, indem diese neben der Trennung der Kammern und der Zusammenführung der Volumenströme auch einer Erzeugung einer nach oben gerichteten Geschwindigkeitskomponente des zirkulierenden Volumenstromes dient. Hierdurch können die von den Volumenströmen zurückgelegten Wege weiter verringert werden und kann die Kompaktheit der erforderlichen Bauelemente weiter gesteigert werden.
Für ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren wird eine Verwirbelung des zweiten Volumenstromes dadurch erzeugt, dass der pflanzliche Kraftstoff tangential in eine Kammer eingespritzt wird. Durch das tangentiale Einspritzen wird zunächst eine zirkulierende Bewegung des zweiten Volumenstromes erzeugt. Gleichzeitig trifft zumindest ein Teil des Kraftstoffes auf eine Prallwand, die zu einer Druckerhöhung vor der Prallwand und eine Druckverringerung abseits der Prallwand führen kann und/oder zu einer Umlenkung des Volumenstromes, beispielsweise zumindest teilweise quer zu der tangentialen Einspritzung. Durch diese Geschwindigkeitsgradienten und/oder Druckgradienten kann besonders einfach eine Verwirbelung des zweiten Volumenstromes erzeugt werden.
Für den Fall, dass die Entgasung über die vorgenannten Maßnahmen hinaus durch weitere Maßnahmen erhöht werden soll, kann stromaufwärts oder stromabwärts des Separators oder Zyklons eine zweite Entgasungseinrichtung vorgesehen sein. Hierbei kann es sich durchaus um die aus dem Stand der Technik bekannten Entgasungseinrichtungen, also solche basierend auf Erwärmung und/oder basierend auf Ultraschall handeln.
Für eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird allerdings in der zweiten Entgasungseinrichtung Kraftstoff über eine Fließfläche geleitet. Ist die Fließfläche nach unten geneigt, kann sich der Kraftstoff in Folge der Gravität nach unten bewegen, wobei je nach Gestaltung der Neigung der Fließfläche die Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffes verringert wird, was zu einer ergänzenden Absonderung des Gases in dem Kraftstoff führt. Die Fließfläche kann zur Beeinflussung des Entgasungsverhaltens beliebig geneigt sein mit konstanter oder variierender Neigung und konstanter oder variierender Breite der Fließfläche.
Eine besonders kompakte erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Fließfläche mit einer Wendel ausgebildet ist.
In alternativer Ausgestaltung erstreckt sich die Fließfläche mäanderförmig oder hin- und hergehend verlaufend nach unten, was im Gegensatz zu einer wendelartigen Fließfläche dazu führt, dass der Kraftstoff weitestgehend ohne zirkulierende Fließbewegung mäanderförmig nach unten fließen kann.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme sieht vor, dass die Fließfläche mit Füllkörpern gebildet ist. Die Füllkörper bilden Zwischenräume aus, die Strömungskanäle ausbilden. Hierbei gibt die Größe der Füllkörper und deren Geometrie die Größe der gebildeten Zwischenräume vor, wobei beim Einsatz gleicher Füllkörper ein mehr oder weniger konstanter Querschnitt der Strömungskanäle und eine konstante Größe der Zwischenräume vorgegeben werden kann, während für variierende Größen und/oder Geometrien der Füllkörper die Zwischenräume und damit die Strömungskanäle variieren können. Weiterhin kann durch derartige Variationen die Packungsdichte der Füllkörper beeinflusst werden.
Für den Fall, dass gewünscht ist, dass zusätzlich aus dem pflanzlichen Kraftstoff Bestandteile mit höherer Dichte oder Partikel abgeschieden werden sollen, kann der Kraftstoff einer Abscheideeinrichtung zugeführt werden, wobei diese stromaufwärts oder stromabwärts des Separators oder Zyklones angeordnet sein kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt ein schematisches, grob vereinfachtes Blockschaltbild für ein Kraftstoffaufbereitungssystem und ein Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes.
2 zeigt ein gegenüber 1 konkretisiertes, dennoch schematisiertes Kraftstoffaufbereitungssystem für eine Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes.
3 zeigt die Anordnung von Bauelementen der Vorrichtung gemäß 2 in einem Kraftfahrzeug mit einer Vorderansicht des Kraftfahrzeuges.
4 zeigt die Anordnung von Bauelementen der Vorrichtung gemäß 2 in einem Kraftfahrzeug mit einer Rückansicht des Kraftfahrzeuges.
5 zeigt die Anordnung von Bauelementen der Vorrichtung gemäß 2 in einem Kraftfahrzeug mit einer Seitenansicht des Kraftfahrzeuges.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffaufbereitungssystem zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes in einem Vertikal- bzw. Längsschnitt.
7 zeigt das Kraftstoffaufbereitungssystem gemäß 6 in einem Querschnitt VII-VII.
8 zeigt eine Kammer des Kraftstoffaufbereitungssystems gemäß 6 mit einer eine Verwirbelungseinrichtung bildenden Düse oder Einströmöffnung.
9 zeigt eine Kammer des Kraftstoffaufbereitungssystems gemäß 6 mit einer gegenüber 8 abgewandelten Verwirbelungseinrichtung.
10 zeigt einen Vertikal- bzw. Längsschnitt des Kraftstoffaufbereitungssystems gemäß 6 bei gegenüber 6 veränderter Schnittrichtung.
11 zeigt ein Kraftstoffaufbereitungssystem entsprechend 6 bis 10 mit einer zusätzlichen zweiten Entgasungseinrichtung.
12 zeigt ein Kraftstoffaufbereitungssystem entsprechend 6 bis 10 mit einer alternativen Ausgestaltung einer zweiten Entgasungseinrichtung.
13 zeigt ein Kraftstoffaufbereitungssystem entsprechend 6 bis 10 mit einer weiteren alternativen Ausgestaltung einer zweiten Entgasungseinrichtung.
FIGURENBESCHREIBUNG
Das erfindungsgemäße Kraftstoffaufbereitungssystem und das Verfahren zur Aufbereitung von pflanzlichen Kraftstoffen findet Einsatz insbesondere in Verbindung mit einer Diesel-Brennkraftmaschine. Hierbei können das Kraftstoffaufbereitungssystem und das Verfahren bereits werksseitig in einem Kraftfahrzeug, Nutzfahrzeug oder Arbeitsgerät installiert sein oder im Zuge einer Nachrüstung mit vorhandenen Komponenten des Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes aufgebaut werden. Sämtliche, auch die eingangs erwähnten zusätzlichen und hier nicht nochmals explizit erwähnten Komponenten, die an sich für eine Umrüstung von Brennkraftmaschinen für einen Betrieb mit pflanzlichen Kraftstoffen aus dem Stand der Technik, beispielsweise in Verbindung mit den bekannten Systemen "EOIL" und "BEAM", bekannt sind, können alternativ oder kumulativ zu den hier beschriebenen Komponenten Einsatz finden. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ist in Verbindung mit einem Zwei-Tank-System möglich, bei dem in einem Tank ein Dieselkraftstoff und in dem anderen Tank ein pflanzlicher Kraftstoff angeordnet ist und der Diesel-Kraftstoff für ausgewählte Betriebsbereiche, beispielsweise einen Kaltstart oder Start der Brennkraftmaschine, vorgesehen ist, während der in dem anderen Tank angeordnete pflanzliche Kraftstoff für die übrigen Betriebsbereiche vorgesehen ist. Möglich ist allerdings auch eine Mischung der beiden in den Tanks vorgesehenen Kraftstoffe in ausgewählten Betriebsbereichen. Vorzugsweise findet die Erfindung Einsatz für einen Betrieb mit einem Ein-Tank-System, welches ausschließlich mit pflanzlichem Kraftstoff oder wahlweise nach dem Wunsch des Betreibers des Kraftfahrzeuges mit Dieselkraftstoff oder pflanzlichen Kraftstoffen betreibbar ist. Weiterhin kann in dem erfindungsgemäßen Kraftstoffaufbereitungssystem lediglich ein pflanzlicher Kraftstoff oder es können unterschiedliche pflanzliche Kraftstoffe gemischt oder nacheinander eingesetzt werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz des Verfahrens und des Kraftstoffaufbereitungssystems für auf pflanzlichen Kraftstoffen basierende Blockheizkraftwerke.
1 zeigt schematisch als Blockschaltbild den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftstoffaufbereitungssystems 1. Bei diesem wird mittels einer Pumpe 2 eine erste Entgasungseinrichtung 3, insbesondere ein Separator 4 oder Zyklon 5, aus einem Tank 6 zumindest zeitweise mit pflanzlichem Kraftstoff versorgt. Stromabwärts der ersten Entgasungseinrichtung 3 ist eine zweite Entgasungseinrichtung 7 vorgesehen, der ein Abscheider 8 nachgeordnet ist. Von dem Abscheider 8 gelangt der Kraftstoff über ein Einspritzsystem 9 zu einer Brennkraftmaschine 10. In einem Teil der Bauelemente oder sämtlichen Bauelementen 2–10 kann eine Erwärmung des Kraftstoffes durch eine Heizeinrichtung erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine Erwärmung (auch) im Bereich der ersten Entgasungseinrichtung 3 oder stromaufwärts derselben, beispielsweise unter Nutzung der Abstrahlungswärme des Motors, über einen separaten fluidischen Heizkreislauf oder unter Nutzung der Abstrahlungswärme des Motors, beispielsweise über Flansche oder geeignete Übertragungsflächen.
2 zeigt die Speisung der Pumpe 2, die hier elektrisch angetrieben ist von dem Tank 6 über einen Kraftstofffilter 11. Die Pumpe 2 fördert den Kraftstoff zu der ersten Entgasungseinrichtung 3, dem Separator 4 oder dem Zyklon 5, von wo entgaster Kraftstoff über eine Zuführleitung 12 zu dem Einspritzsystem 9 der Brennkraftmaschine 10 geleitet wird. Weiterhin ist in 2 zu erkennen, dass eine Rückleitung von Kraftstoff von dem Einspritzsystem 9 über eine Rückführleitung 13 zu der ersten Entgasungseinrichtung 3 erfolgt, wobei in die Rückführleitung 13 ein Kraftstoffkühler 14 eingesetzt sein kann. Über die Rückführleitung 13 kann erreicht werden, dass trotz konstantem Volumenstrom in der Zuführleitung das Einspritzsystem 9 je nach Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10 unterschiedliche Volumina verarbeiten kann, wobei überschüssiger Kraftstoff über die Rückführleitung 13 zurückgeführt werden kann. Da dieser rückgeführte Kraftstoff bereits entgast ist, kann hierdurch die Effizienz der ersten Entgasungseinrichtung 3 erhöht werden. Für überschüssigen und zurückgeführten Kraftstoff kann neu aus dem Tank 6 über die Pumpe 2 zu fördernder Kraftstoff in der Menge reduziert werden, so dass sich aus der Summe des rückgeführten Kraftstoffes und dem reduzierten neu zugeführten Kraftstoff eine konstante Beschickung der ersten Entgasungseinrichtung 3 ergibt. Die erste Entgasungseinrichtung 3 besitzt einen Gasauslass 15, der über eine Entlüftungsleitung 16 mit dem Tank 6 und dessen Entlüftung verbunden ist. Weiterhin ist in 2 eine Kaltstarteinrichtung 17 zu erkennen, über die Heizeinrichtungen, beispielsweise in der Brennkraftmaschine, dem Einspritzsystem, der ersten Entgasungseinrichtung, den dargestellten Leitungen und/oder dem Kraftstofffilter, geeignet angesteuert werden. Weiterhin ist ein Einwirken der Kaltstarteinrichtung 17 auf die Brennkraftmaschine 10 und das Einspritzsystem 9 zur Veränderung der Betriebsparameter der genannten Bauelemente möglich. Ebenfalls denkbar ist, dass über die Kaltstarteinrichtung 17 eine Beeinflussung des Füllungsgrades der ersten Entgasungseinrichtung 13 und von Betriebsparametern der ersten Entgasungseinrichtung 13 möglich ist. Beispielsweise kann die Kaltstarteinrichtung auch die rückgeführten Volumenströme über die Rückführleitung 13 und die der ersten Entgasungseinrichtung 3 zugeführten Volumenströme und/oder eine gezielte Entlüftung steuern. Zu den vorgenannten Zwecken besitzt die Kaltstarteinrichtung 17 vorzugsweise eine geeignete Steuereinheit, die separat oder integral mit einer ohnehin in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Steuereinrichtung ausgebildet sein kann oder mit einer derartigen Steuereinrichtung kommunizieren kann, beispielsweise über einen CAN-Bus.
Wie aus den 3 bis 5 ersichtlich ist, ist die erste Entgasungseinrichtung 3, insbesondere der Zyklon 5, beispielsweise vor der Vorderachse des Kraftfahrzeuges 18, insbesondere mittig zwischen Vorderachse und Stoßstange, angeordnet. Hierbei muss die erste Entgasungseinrichtung 3 nicht mittig zum Fahrzeug angeordnet sein, sondern kann versetzt zur Längsmittelachse angeordnet sein, beispielsweise gemäß 3 auf der in Fahrtrichtung linken Seite, wobei benachbart dem Dorn für das Federbein des Kraftfahrzeuges freier Bauraum ausgenutzt werden kann. Für eine Anordnung der Pumpe 2 wird vorzugsweise räumlich zwischen dem vorhandenen Tanksystem des Kraftfahrzeuges 18 und der ersten Entgasungseinrichtung 3 geeigneter Einbauraum genutzt. Gemäß 5 ist die Pumpe 2, die beispielsweise als elektrische Zahnradpumpe ausgebildet ist, unterhalb der Fahrgastzelle angeordnet. Für eine alternative Ausgestaltung kann sich die Pumpe 2 vor der Hinterachse unmittelbar benachbart zu dieser befinden. Aus der Rückansicht gemäß 4 ist ersichtlich, dass die Pumpe 2 auch außermittig, vorzugsweise auf der in Fahrzeugbewegungsrichtung linken Seite angeordnet sein kann. Lediglich schematisch ist in 5 das Zusammenwirken der Kaltstarteinrichtung 17 mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges 18 sowie dem Kraftstoffaufbereitungssystem 1 angedeutet.
6 zeigt eine als Zyklon 5 ausgebildete erste Entgasungseinrichtung 3. Dem Zyklon 5 wird über einen Anschluss 19 ein erster Volumenstrom 27 des plötzlichen Kraftstoffes führt sowie über einen Anschluss 20 ein zweiter Volumenstrom 28 des Kraftstoffes zugeführt. Von dem Anschluss 19 wird der erste Volumenstrom 27 über ein Zuführelement 21 unter Erzeugung eines zirkulierenden Volumenstromes 22 einer Kammer 23 zugeführt. Hierbei kann der zirkulierende Volumenstrom 22 vor der, mit Eintritt in die oder in der Kammer 23 erzeugt werden. Von dem Anschluss 20 gelangt der zweite Volumenstrom 28 über eine Verwirbelungseinrichtung 24 in eine weitere Kammer 25, in der ein verwirbelter Volumenstrom 26 erzeugt wird. Hierbei kann der verwirbelte Volumenstrom 26 vor Eintritt in die Kammer 25, mit Eintritt in diese oder in der Kammer 25 erzeugt werden. Die Kammern 23, 25 sind über eine Vereinigungseinrichtung 29 miteinander verbunden. Aus dem verwirbelten Volumenstrom 26 und dem zirkulierenden Volumenstrom 22 erzeugt die Vereinigungseinrichtung 29 einen vereinigten Volumenstrom 30, der für das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiele in der Kammer 23 zirkulierend nach oben wandert. Über einen Entnahmebereich 31 gelangt der vereinigte Volumenstrom 30 zu dem Abscheider 8, von dem ein Anschluss 32 unmittelbar oder mittelbar unter Zwischenschaltung weiterer Elemente des Kraftstoffaufbereitungssystems zu dem Einspritzsystem 9 der Brennkraftmaschine 10 führt. Der Abscheider 8 besitzt eine am geodätisch niedrigsten Punkt angeordnete Abscheideöffnung 33, die vorzugsweise mit einer Schraube oder einem Abscheideverschluss geschlossen ist.
Für das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Zyklon 5 im Wesentlichen, soweit nicht anders beschrieben, rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 34–34 ausgebildet. Der Zyklon besitzt ein bis auf die Anschlüsse 19, 20 und 23, die Abscheideöffnung 33 und den Gasauslass 15 geschlossenes Gehäuse 35, welches mit einem Deckelteil 36, einem hohlzylinderförmigen Mantelteil 37 und einem Bodenteil 38 gebildet ist. Insgesamt ist das Gehäuse 35 ungefähr zylinderförmig ausgebildet.
Das Deckelteil 36 ist auf der dem Inneren des Gehäuses 35 zugewandten Seite trichterförmig ausgebildet, wobei das Zentrum des Trichters dem Gasauslass 15 entspricht oder mit diesem verbunden ist. Auch das Bodenteil 38 ist trichterförmig, hier allerdings mit nach unten orientiertem Trichter ausgebildet, wobei das Zentrum des Trichters der Abscheideöffnung 33 entspricht oder mit dieser verbunden ist. Bei ungefähr einem Drittel von unten des Abstandes des Deckelteiles 36 und des Bodenteiles 38 ist eine sich quer zu der Längsachse 34–34 erstreckende Zwischenwand 39 vorgesehen, die radial außen liegend fest mit dem Mantelteil 37 verbunden ist. Die Zwischenwand 39 trägt einen koaxial zur Längsachse 34–34 orientierten Zyklonkörper 40, welcher hohlzylinderförmig ausgebildet ist und mit seiner innen liegenden Fläche eine Führungsfläche 41 bildet, die in einem Bodenbereich 42 eine Führung für den zirkulierenden Volumenstrom 22 und nach dessen Vereinigung mit dem verwirbelten Volumenstrom 26 für den vereinigten Volumenstrom 30 bildet. Weiterhin trägt die Zwischenwand 39 einen stabförmigen, sich von der Zwischenwand 39 nach oben bis durch den Gasauslass 15 und koaxial zur Längsachse 34–34 erstreckenden Leitkörper 43. An dem Leitkörper 43 ist das Zuführelement 21 befestigt. Das Zuführelement 21 ist bei Blickrichtung in Richtung der Längsachse 34–34 kreisringförmig ausgebildet und radial außen liegend, insbesondere unter Abdichtung, an der Innenfläche des Zyklonkörpers 40 befestigt, sowie radial innen liegend, insbesondere unter Abdichtung, an der Mantelfläche des Leitkörpers 43 befestigt. Das Zuführelement 21 unterteilt das Innere des Zyklonkörpers 40 in die Kammer 23, die oberhalb des Zuführelementes 21 angeordnet ist, sowie die Kammer 25, die unterhalb des Zuführelementes 21 angeordnet ist. Die Kammer 23 ist somit unten durch das Zuführelement 21 sowie radial außen liegend durch die Führungsfläche 41 begrenzt, während die Kammer 23 nach oben offen ist in dem Entnahmebereich 31. Die Kammer 25 ist von der Unterseite des Zuführelementes 21, radial durch die Führungsfläche 41 des Zyklonenkörpers 40 und eine Bodenfläche, die von der Zwischenwand 39 gebildet ist, begrenzt.
Für das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Entnahmebereich 31 mit einer Überlaufkante 44 gebildet, die für das dargestellte Ausführungsbeispiel umlaufend ausgebildet ist. Die Überlaufkante 44 kann spitz ausgebildet sein, so dass der Zyklonkörper 41 nach oben verjüngt ausgebildet ist.
Für das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel sind die Trennwand 45 und das Zuführelement 21 als ein integrales Bauelement ausgebildet. Hierzu ist die Trennwand 45 in dem Bereich, in dem der erste Volumenstrom 27 auf diese auftrifft, gegenüber einer Querebene zu der Längsachse 34–34 geneigt, so dass mittels der Trennwand 45 der erste Volumenstrom 27 derart umgelenkt wird, dass eine Bewegung nach oben erzeugt wird. Eine Umlenkung in Umfangsrichtung um die Längsachse 34–34 kann ausschließlich durch die Führungsfläche 41 erfolgen oder durch zusätzliche, in Umfangsrichtung orientierte Leitelemente auf der Oberseite der Trennwand 45 (nicht dargestellt). Vorzugsweise ist zumindest die Oberseite der Trennwand 45 in Form einer Wendel ausgebildet, vgl. 10, wobei der erste Volumenstrom 27 am niedrigsten Punkt auf die Wendel auftrifft. Die Anschlüsse 19, 20 münden vorzugsweise in in einer quer zur Längsachse 34–34 orientierten Ebene liegende Querbohrungen sowie jeweils eine Düse 46, 47, die in die Kammer 23 bzw. 25 münden. Die Düsen 46, 47 sind vorzugsweise integral mit dem Zyklonkörper 40 oder als Einsätze in geeignete Bohrungen oder Ausfräsungen des Zyklonkörpers 40 ausgebildet.
Wie der Querschnitt gemäß 7 zeigt, ist die Trennwand mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse 34–34 orientierten Durchgangsbohrungen 48 versehen, die wahllos oder, wie in 7 dargestellt, regelmäßig auf strahlenförmigen Achsen in dem Querschnitt vorgesehen sein können. Die Bohrungen 48 verbinden die Kammern 23, 25 miteinander. In 7 ist zu erkennen, dass im einfachsten Fall die Düse 46 als quer zur Längsachse 34–34 oder geringfügig nach oben geneigte Bohrung ausgebildet ist, die unmittelbar benachbart der Trennwand 45 tangential in die Kammer 23 einmündet. Weiterhin ist in 7 die Zuführbohrung für den zweiten Volumenstrom 28 sowie die Düse 47 angedeutet, die unterhalb der Zeichenebene in Höhe der Kammer 25 liegen.
Die Ausbildung der Düse 47 zur Bildung einer Verwirbelungseinrichtung 24 ist für zwei unterschiedliche Ausführungsformen in den 8 und 9 zu erkennen: Gemäß 8 ist die Düse 47 zunächst als in erster Näherung tangential zum Zyklonkörper 40 orientierte Bohrung 49 ausgebildet. Allerdings geht diese Bohrung 49 über eine Prallwand 50 in die Führungsfläche 41 des Zyklonkörpers 40 über. Gemäß 8 bildet die Prallwand 50 gegenüber der Tangentialen zu der Führungsfläche 41 einen Winkel von 45°, während für das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel die Prallwand ungefähr quer zur Längsachse 34–34, also unter einem Winkel von 90° zur Tangentialen zu der Führungsfläche 41, orientiert ist. Die Prallwand 50 erzeugt eine Verwirbelung des zweiten Volumenstromes 28, wobei alternative oder zusätzliche Verwirbelungseinrichtungen vor der Düse 47, im Bereich der Düse oder im Bereich der Kammer 25 Einsatz finden können.
Wie in 7 zu erkennen ist, besitzt die Zwischenwand 39 in dem kreisringförmigen Bereich radial innen liegend von dem Mantelteil 37 und radial außen liegend von dem Zyklonkörper 40 parallel zur Längsachse 34–34 orientierte Durchgangsbohrungen 51, die wahllos oder gemäß 7 regelmäßig strahlenförmig und in Ringen konstanter radialer Abstände über die Kreisringfläche verteilt sind, wobei diese versetzt zu den Bohrungen für die Volumenströme 27, 28 anzuordnen sind. Über die Bohrungen 51 tritt der vereinigte Volumenstrom 30, bewegt durch dessen Eigengewicht, nach dem Überlaufen über die Überlaufkante 44 in den Abscheider 8 über.
Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Abscheider 8 mit einem vergrößerten Volumen ausgebildet, wobei der Anschluss 32 benachbart dem Bodenteil 38 vorgesehen ist. Neben dem Abscheiden von Partikeln im trichterförmigen Bodenteil 38 dient der Abscheider 8 als geringfügiger Vorrat, über den beispielsweise Förderschwankungen mit dem Passieren des Volumenstromes 30 der Überlaufkante 44, beispielsweise bei kurzzeitigem schwallartigem Überwinden der Überlaufkante 44 in Folge von Vibrationen oder Unebenheiten der Fahrbahn und ausbleibende Förderung hieran anschließend, abgepuffert werden. Alternativ oder kumulativ kann über einen derart gebildeten Vorrat ein kurzzeitiger erhöhter Förderbedarf des Einspritzsystems 9 der Brennkraftmaschine 10 abgepuffert werden.
Oberhalb der Zwischenwand 39 befindet sich ein Aufnahmeraum 52 für die zweite Entgasungseinrichtung 7, der nach unten durch die Zwischenwand 39, radial außen liegend durch das Mantelteil 37 und radial innen liegend durch die äußere Mantelfläche des Zyklonkörpers 40 begrenzt ist.
Für das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der zweiten Entgasungseinrichtung 7 um eine Wendel 53 mit einem Wendelkörper 54, der sich wendelförmig zwischen der Überlaufkante 44 und der Zwischenwand 39 bei Windung um die Längsachse 34–34 erstreckt. Hierbei stützt sich der Wendelkörper 54 vorzugsweise radial innen liegend unter Abdichtung an dem Zyklonkörper 40 ab. Auf seiner Oberseite bildet der Wendelkörper 54 eine wendelförmige Fließfläche 55, über die der Volumenstrom 30 in Folge seines Eigengewichtes mit verlangsamter Geschwindigkeit von der Überlaufkante 44 nach unten in Richtung der Bohrungen 51 läuft. Radial außen liegend besitzt der Wendelkörper 54 eine umlaufende Erhöhung 56 oder einen Wulst oder einen Rand, über den vermieden ist, dass – bis zu einer vorgegebenen Menge des Kraftstoffes auf der Wendel – der Kraftstoff die Wendel radial verlässt und unmittelbar nach unten in Richtung der Zwischenwand 39 tropft.
Für das in 12 dargestellte Ausführungsbeispiel ist die zweite Entgasungseinrichtung mit einer regelmäßig oder unregelmäßig nach unten orientierten Fließfläche 57 ausgebildet, die in dem dargestellten Längsschnitt mäanderförmig, insbesondere hin- und hergehend verlaufend, ausgebildet. Lediglich beispielhaft ist für das Ausführungsbeispiel gemäß 12 die Fließfläche 57 mit jeweils wechselseitig mit gleichen oder unterschiedlichen Winkeln gerade nach unten geneigte Teilflächen 58, 59 ausgebildet. Hierbei bildet die Teilfläche 59 eine Art "Überhang". Vorzugsweise erfolgt eine Neigung dieser Teilfläche 59 derart, dass in dem Bereich des Überhanges kein Tropfen des Kraftstoffes nach unten oder ein derartiges Tropfen nur in geringem Ausmaß auftritt. Hierbei ist die Dimensionierung des Winkels dieser Teilfläche 59 von dem gewählten Kraftstoff, dessen Viskosität und der Oberfläche der Teilfläche 59 abhängig und konstruktiv vorgebbar. 12 ist weiterhin zu entnehmen, dass eine letzte Teilfläche 60 der Fließfläche 57 unmittelbar an die Zwischenwand 39 anschließen kann und die Bohrungen 51 aufweisen kann bzw. in diese übergehen kann.
Für das in 13 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt die zweite Entgasungseinrichtung 7 zunächst eine gegenüber einer Querebene zu der Längsachse 34–34 radial nach außen geneigte Fließfläche 61, deren Oberseite kreisringförmig und kegelartig ausgebildet ist und die Bohrungen 62 besitzt, über die eine Aufteilung des Volumenstromes 60 auf viele kleine Teilvolumenströme erfolgt. Über diese Bohrungen 62 werden die vielen Teilvolumenströme in dem Aufnahmeraum 52 zwischen der Fließfläche 61 und der Zwischenwand 39 gepackten Füllkörpern 63 zugeführt. Die Füllkörper 63 können gleiche oder unterschiedliche Größe besitzen. Während in 13 kugelförmige oder zylindrische Füllkörper dargestellt sind, können beliebige andere Querschnitts- und Gesamtgeometrien für die Füllkörper zum Einsatz finden. Die Mantelfläche der Füllkörper 63 wird mit dem Kraftstoff benetzt. Die Füllkörper 63 bilden mit ihren Mantelflächen Fließflächen 64 aus, über die der Kraftstoff entlang zwischen den Füllkörpern 63 durch Zwischenräume 65 gebildeten Strömungskanälen 66 geleitet wird, bis der Kraftstoff in die Bohrungen 51 der Zwischenwand 39 eintreten kann. Für den Fall von Füllkörpern 63 gleicher Größe besitzen die Strömungskanäle 66 zwischen einzelnen Füllkörpern 63 ungefähr gleiche Querschnitte, während durch die Wahl unterschiedlicher Größen von Füllkörpern 63 eine stochastische oder deterministische Verteilung der unterschiedlichen Strömungskanäle 66 konstruktiv vorgegeben werden kann.
Auf dem Weg von den Anschlüssen 19, 20 zu dem Anschluss 32 erfolgt eine Entgasung

– mit der Verwirbelung im Bereich der Kammer 25,
– mit der Erzeugung des zirkulierenden Volumenstromes 22 im Bereich der Kammer 23,
– in Folge der Zusammenführung des zirkulierenden Volumenstromes 22 und des verwirbelten Volumenstromes 26,
– im Bereich der Überlaufkante 44,
– im Bereich der Verringerung der Fließgeschwindigkeit bei den Fließflächen 55, 57, 61, 64 der zweiten Entgasungseinrichtung 7,
– in Folge des Durchtritts durch die Bohrungen 51 der Zwischenwand 39 und/oder
– einer Beruhigung des Volumenstromes im Bereich des Abscheiders 8.

Den Anschlüssen 19, 20, 32 kann mindestens eine weitere Entgasungseinrichtung vor- oder nachgeschaltet sein. Im Inneren des Zyklonkörpers 40 sind die Randbedingungen der Volumenströme 22, 26 und 30 vorgegeben durch die äußere Mantelfläche des Leitkörpers 43 und die Führungsfläche 41, die für das dargestellte Ausführungsbeispiel keine Geschwindigkeit aufweisen. Abgesehen von einer sich ausbildenden Grenzschicht in unmittelbarer Umgebung dieser ruhenden Flächen wird sich, zumindest im Bereich der Überströmkante, ein Geschwindigkeitsprofil mit radial nach außen zunehmender Geschwindigkeit ausbilden. Der Leitkörper kann zusätzlich zu der dargestellten stabförmigen Ausbildung eine wendelartige Außenfläche bilden. An dem Leitkörper lagern sich vorrangig Blasen des Gases oder "Gaskerne" ab, die an dem Leitkörper radial innen liegend von dem Volumenstrom 30 nach oben geführt werden können. In dem Gehäuse 35, beispielsweise in dem Mantelteil 37 und/oder in dem Zyklonkörper 40 und der Zwischenwand 39 können Heizelemente vorgesehen sein. Die mit dem Kraftstoff in Berührung kommenden Flächen, insbesondere die Führungsfläche 41 und die Fließflächen 55, 57, 61, 64, sind zur Herabsetzung der Viskosität des Kraftstoffes insbesondere mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Bei den eingesetzten Heizelementen handelt es sich beispielsweise um einen Glühstift, ein Wirbelstromelement oder ähnliches. Eine Aufteilung des Förderstromes von der Pumpe 2 kann nach Maßgabe einer geeigneten Steuereinrichtung konstant oder variabel erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt die Verzweigung in die Volumenströme 27, 28 an einer T-Verzweigungsstelle, wobei über die gewählten Übertrittsquerschnitte von einer gemeinsamten Versorgungsleitung zu zwei Leitungen für die Volumenströme 27, 28 die Dimensionierung der Volumenströme 27, 28 erfolgen kann. Hierzu kann beispielsweise ein von der Pumpe 2 versorgter Ringkanal des Zyklons 5 Einsatz finden, von denen die Bohrungen für die Volumenströme 27, 28 radial nach Innen abzweigen.
Nach dem Gesetz des englischen Chemikers William Henry ist die Menge eines in einer Flüssigkeit, hier dem Kraftstoff, gelösten Gases Proportional dem Druck, der auf der Flüssigkeit lastet. Blasen des gelösten Gases können sich erst ab einer gewissen Mindestgröße bilden, was auch für eine Mineralwasserfläche bei deren Öffnung ersichtlich wird. Ist eine Gasblase hingegen zu klein, wird sie von der Flüssigkeit wieder zusammengedrückt. Erst ab einem gewissen Durchmesser ist die Blase stabil genug und kann wachsen. Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung erfolgt ein derartiges Wachsen der Blase auf dem Weg nach oben in dem Zyklon 5, für den ein entwickelter Gaskern Gas aus der Umgebung aufnimmt. An der Oberfläche des Volumenstromes 30 angekommen platzt die Blase oder ein Gaskern, so dass das ursprünglich in dem Kraftstoff enthaltene Gas über den Gasauslass 15 abgeführt werden kann. In dem Separator 4 oder dem Zyklon 5 entstehen in dem Kraftstoff unterschiedliche Druckverhältnisse, wodurch eine Separation des Kraftstoffes und des enthaltenen Gases erfolgt. Zur Förderung des vorgenannten Prozesses wird durch eine geeignete Düse eine Verwirbelung, insbesondere eine Turbulenz erzeugt, in der sich die Gaskerne ausbilden, die die Bildung von Blasen mit sich vergrößernden Volumina in dem Separator 4 oder Zyklon 5 fördern und unterstützen.
Die Führungsflächen, im Bereich welcher eine Reduzierung der Fließgeschwindigkeit erfolgen soll, können eben, geriffelt, gerändert oder ähnliches sein, um die Fließgeschwindigkeit weiter zu verringern. Die Neigung der Fließflächen kann konstant sein oder sich verändern.
Eine Düse 47 gemäß 8 wird vorzugsweise mittels eines Bohrers erstellt, wobei die Prallwand 50 durch eine geneigte Stirnfläche des Bohrers erzeugt werden kann. Hingegen ist die Düse 47 gemäß 9 vorzugsweise mit einem Fräser hergestellt, dessen Durchmesser dem Durchmesser der Bohrung 49 entspricht.

1: Kraftstoffaufbereitungssystem
2: Pumpe
3: erste Entgasungseinrichtung
4: Separator
5: Zyklon
6: Tank
7: zweite Entgasungseinrichtung
8: Abscheider
9: Einspritzsystem
10: Brennkraftmaschine
11: Kraftstofffilter
12: Zuführleitung
13: Rückführleitung
14: Kraftstoffkühler
15: Gasauslass
16: Entlüftungsleitung
17: Kaltstarteinrichtung
18: Kraftfahrzeug
19: Anschluss 1. Volumenstrom
20: Anschluss 2. Volumenstrom
21: Zuführelement
22: zirkulierender Volumenstrom
23: erste Kammer
24: Verwirbelungseinrichtung
25: zweite Kammer
26: verwirbelter Volumenstrom
27: erster Volumenstrom
28: zweiter Volumenstrom
29: Vereinigungseinrichtung
30: vereinigter Volumenstrom
31: Entnahmebereich
32: Anschluss
33: Abscheideöffnung
34: Längsachse
35: Gehäuse
36: Deckelteil
37: Mantelteil
38: Bodenteil
39: Zwischenwand
40: Zyklonkörper
41: Führungsfläche
42: Bodenbereich
43: Leitkörper
44: Überlaufkante
45: Trennwand
46: Düse
47: Düse
48: Bohrung Trennwand
49: Bohrung Düse
50: Prallwand
51: Bohrung Zwischenwand
52: Aufnahmeraum
53: Wendel
54: Wendelkörper
55: Fließfläche
56: Erhöhung
57: Fließfläche
58: Teilfläche
59: Teilfläche
60: Teilfläche
61: Fließfläche
62: Bohrung
63: Füllkörper
64: Fließfläche
65: Zwischenraum
66: Strömungskanal

Claims

Verfahren zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen, insbesondere für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges, Nutzfahrzeuges oder Arbeitsgerätes, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Separator (4) aus einem Volumenstrom (27) ein zirkulierender Volumenstrom (22) des Kraftstoffes erzeugt wird, in dem unter Ausnutzung einer Zentrifugalwirkung eine Entgasung des Kraftstoffes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Volumenstrom (22) mittels eines Zyklons (5) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Volumenstrom (27) dem Zyklon (5) in einem Bodenbereich (42) des Zyklons (5) unter Erzeugung einer nach oben gerichteten Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird und b) dem Zyklon (5) entgaster Kraftstoff in einem Entnahmebereich oberhalb des Bodenbereiches (42) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zyklon (5) entgaster Kraftstoff im Bereich einer Überlauföffnung oder Überlaufkante (44) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (5) mindestens eine Führungsfläche (41) für den Volumenstrom (22; 30) besitzt, die kegelförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Kraftstoff in einen ersten Volumenstrom (27) und einen zweiten Volumenstrom (28) aufgeteilt wird, wobei der erste Volumenstrom (27) dem Separator (4) oder Zyklon (5) zugeführt wird zwecks Erzeugung des zirkulierenden Volumenstroms (22) und der zweite Volumenstrom (27) einer Verwirbelungseinrichtung (24) zugeführt wird zwecks Erzeugung eines verwirbelten Volumenstroms (26), und b) der zirkulierende Volumenstrom (22) und der zweite verwirbelte Volumenstrom (26) zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Volumenstrom (22) und der verwirbelte Volumenstrom (26) in unterschiedlichen, miteinander fluidisch verbundenen Kammern (23, 25) eines gemeinsamen Zyklonkörpers (40) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (23, 25) über eine Trennwand (45) miteinander verbunden sind, die Bohrungen (48) aufweist, durch die der zirkulierende Volumenstrom (22) und der verwirbelte Volumenstrom (26) zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (45) zur Erzeugung einer nach oben gerichteten Geschwindigkeitskomponente des zirkulierenden Volumenstroms (22) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der verwirbelte Volumenstrom (26) durch tangentiales Einspritzen des Kraftstoffes in eine Kammer (25) unter Auftreffen des Kraftstoffes auf eine Prallwand (50) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts oder stromabwärts des Separators (4) oder Zyklons (5) eine zweite Entgasungseinrichtung (7) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Entgasungseinrichtung (7) Kraftstoff über eine Fließfläche (55; 61; 64) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließfläche (55) mit einer Wendel (53) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fließfläche (57) mäanderförmig nach unten erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließfläche (64) mit Füllkörpern (63) gebildet ist, die in zwischen den Füllkörpern (63) gebildeten Zwischenräumen (65) Strömungskanäle (66) bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff einer Abscheideeinrichtung (8) zugeführt wird.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) zur Entgasung von pflanzlichen Kraftstoffen, insbesondere Rapsöl für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Separator (4) oder Zyklon (5) vorgesehen ist, in dem ein zirkulierender Volumenstrom (22) des Kraftstoffes erzeugt wird, wobei der zirkulierende Volumenstrom (22) in dem Separator (4) oder Zyklon (5) unter Ausnutzung einer Zentrifugalwirkung entgast wird und c) der Separator (4) oder Zyklon (5) ca) einen Anschluss (19; 20) zur Zuführung des Kraftstoffes, cb) einen Gasauslass (15) sowie cc) einen Anschluss (32) für die Abführung des entgasten Kraftstoffes besitzt.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) in dem Bodenbereich (42) des Zyklons (5) ein Zuführelement (21) angeordnet ist, welches derart orientiert ist, dass der Volumenstrom (27) dem Zyklon (5) unter Erzeugung einer nach oben gerichteten Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird und b) die Entnahmeöffnung oder Überlaufkante (44) für die Abführung des entgasten Kraftstoffes oberhalb des Bodenbereiches (42) angeordnet ist.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (5) eine Überlauföffnung oder Überlaufkante (44) aufweist.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (5) mindestens eine Führungsfläche (41) für den zirkulierenden Volumenstrom (22) besitzt, die kegelförmig ausgebildet sind.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Trenneinrichtung vorgesehen ist, aa) in der der Kraftstoff in einen ersten Volumenstrom (27) und einen zweiten Volumenstrom (28) aufgeteilt wird, wobei ab) der erste Volumenstrom (27) dem Separator (4) oder Zyklon (5) zugeführt wird zwecks Erzeugung des zirkulierenden Volumenstroms (22) und ac) der zweite Volumenstrom (28) einer Verwirbelungseinrichtung (24) zugeführt wird zwecks Erzeugung eines verwirbelten Volumenstroms (26), und b) eine Vereinigungseinrichtung (29) vorgesehen ist, in der der zirkulierende Volumenstrom (22) und der verwirbelte Volumenstrom (26) zusammengeführt werden.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kammern (23, 25) vorgesehen sind, die fluidisch miteinander verbunden sind, wobei in der ersten Kammer (23) der zirkulierende Volumenstrom (22) und in der zweiten Kammer (25) der verwirbelte Volumenstrom (26) erzeugt wird.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (23, 25) über eine Trennwand (45) miteinander verbunden sind, die Bohrungen (48) aufweist, durch die der zirkulierende Volumenstrom (22) und der verwirbelte Volumenstrom (26) zusammenführbar sind.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (45) gegenüber einer Längsachse (43–43) des Zyklons (5) nach oben geneigt ist und der erste Volumenstrom (22) so auf die Trennwand (45) gerichtet wird, dass diese eine nach oben gerichtete Geschwindigkeitskomponente des zirkulierenden Volumenstroms (22) erzeugt.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prallfläche (Prallwand 50) vorgesehen ist und der zweite Volumenstrom (26) mit Eintritt in die Kammer (25) derart ausgerichtet wird, dass dieser zumindest teilweise auf die Prallfläche (Prallwand 50) auftrifft.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts oder stromabwärts des Zyklons (5) eine zweite Entgasungseinrichtung (7) angeordnet ist.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Entgasungseinrichtung (7) eine Fließfläche (55; 57; 61; 64) aufweist, über die der Kraftstoff geleitet wird.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließfläche (55) mit einer Wendel (53) ausgebildet ist.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fließfläche (57) mäanderförmig nach unten erstreckt.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließfläche (64) mit Füllkörpern (63) gebildet ist, die in zwischen den Füllkörpern (63) gebildeten Zwischenräumen (65) Strömungskanäle (66) bilden.
Kraftstoffaufbereitungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrats- und/oder Abscheideeinrichtung (8) vorgesehen ist.