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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 9.
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STAND DER TECHNIK
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Verschiedene Kraftstoffe für Brennkraftmaschinen erhalten durch eine Vorerwärmung bessere Verbrennungseigenschaften. Dies gilt insbesondere für Dieselmotoren mit modernen Einspritzsystemen, die auf eine bestimmte Viskosität und Reinheit des Kraftstoffs angewiesen sind. Ein bekanntes Problem speziell bei Dieselkraftstoffen sind Paraffinrückstände, die bei tieferer Temperatur auskristallisieren und zu einem Verstopfen des Kraftstofffilters führen können. Aus diesem Grund werden diesen Kraftstoffen in der kalten Jahreszeit häufig Additive zugesetzt, um das Ausfallen von Paraffinkristallen zu verhindern. Beim Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl kommt zu dem Auskristallisieren von Bestandteilen des Pflanzenöls eine stark ansteigende Viskosität des Pflanzenöls als Problem im Bereich tiefer Temperaturen hinzu.
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Eine Vorrichtung zum Vorerwärmen von Kraftstoff ist aus der
DE 201 13 323 U1 bekannt. Hier ist ein Wärmetauscher vorgesehen, durch den der Kraftstoff eines Verbrennungsmotors, insbesondere naturbelassenes Pflanzenöl, hindurchgepumpt wird, wodurch er vor dem Einspritzen in den Zylinderkopf durch das Motorenöl vorerwärmt wird. Der Wärmetauscher ist aus gut wärmeleitfähigem Material so gestaltet und in der Ölwanne eines Hubkolbenmotors platziert, dass er die Zirkulation des Schmieröls nicht behindert. Die Anordnung des Wärmetauschers in der Ölwanne ist zum einen eine technisch aufwändige Maßnahme und bedeutet zum anderen einen Eingriff in das Innere des Motors, die aufgrund der damit verbundenen Sicherheitsrisiken möglichst zu vermeiden ist. Zudem kann der Wärmetauscher im Falle seiner Verunreinigung oder Beschädigung ebenfalls nur mit großem Aufwand ausgetauscht werden.
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Aus der
DE 102 56 444 A1 ist eine Kraftstofffilteranordnung bekannt, die ein Heizelement aufweist, das zwischen der Außenoberfläche eines Filteranordnungsgehäuses und einem Kraftstofffilter der Kraftstofffilteranordnung angeordnet ist. Mit Hilfe des Heizelements wird der Kraftstoff vorerwärmt, falls er sich auf einer Temperatur befindet, bei der sich Paraffine bilden. Der Aufwand für die nachträgliche Installation einer derartigen Kraftstofffilteranordnung ist groß, da nicht nur in die Kraftstoffleitung eingegriffen muss, sondern auch elektrische Kontakte geschlossen werden müssen. Darüber hinaus verbraucht die bekannte Kraftstofffilteranordnung zusätzliche elektrische Energie.
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Beispielsweise aus der
US 5,326,461 A ist es bekannt, einen Wärmetauscher zum Kühlen von Schmieröl einer Brennkraftmaschine auszubilden, bei dem eine Wandung eines Ölfilters des Schmierölkreislaufs der Brennkraftmaschine als Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers genutzt wird.
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Eine Brennkraftmaschine, konkret ein Dieselmotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gehen aus der
DE 39 38 686 C2 hervor. Hier sind der Ölfilter und die Wärmetauscherkammer Teil eines komplexen zusammenhängenden Aufbaus, der nur mit hohem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
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Auch ein aus der
DE 600 04 662 T2 bekannter Wärmetauscher, der Wärmeenergie aus einem Schmierölfilter auf flüssigen Kraftstoff überträgt, weist den Nachteil eines komplexen Aufbaus und damit einer kostspieligen Herstellung auf.
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Aus der
FR 2 177 159 A5 ist ein Wärmetauscher zum Erwärmen von Kraftstoff durch Schmieröl einer Brennkraftmaschine bekannt. Hier umgreift ein äußeres Wärmetauschergehäuse ein inneres Kraftstofffiltergehäuse unter Bildung einer Wärmetauscherkammer zwischen diesen beiden Gehäusen, die von dem Schmieröl durchströmt wird. Dabei ist eine Dichtung zwischen den beiden Gehäusen zur Abdichtung der Wärmetauscherkammer vorgesehen, für die ein spezieller Dichtungssitz an dem Kraftstofffiltergehäuse ausgebildet ist. Als austauschbares Standardteil weist dieser bekannte Wärmetauscher nur den Kraftstofffiltereinsatz innerhalb des zerlegbaren vielteiligen Kraftstofffiltergehäuses auf.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und einen Wärmetauscher aufzuzeigen, bei denen der Kraftstoff vor dem Einspritzen in eine Brennkammer mit besonders geringem apparativem Aufwand vorerwärmt wird.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5 und einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Brennkraftmaschine sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Beim Betrieb der neuen Brennkrafttmaschine wird die Wärmeenergie zum Vorerwärmen des Kraftstoffs vor dem Verbrennen über eine Wandung eines Ölfiltergehäuses eines Ölfilters des Schmierölkreislaufs der Brennkraftmaschine auf den Kraftstoff übertragen. Aufgrund seiner notwendigen Austauschbarkeit ist der Ölfilter einer Brennkraftmaschine regelmäßig leicht zugänglich. Entsprechend sind auch die Wandungen seines Ölfiltergehäuses, auf deren Innenseite das Schmieröl fließt, leicht zugänglich. Durch das auf ihrer Innenseite fließende Schmieröl werden diese Wandungen erwärmt. Damit steht Wärmeenergie zum Vorerwärmen des Kraftstoffs, der zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet wird, zur Verfügung. Wegen der leichten Zugänglichkeit des Ölfilters und der Wandungen seines Ölfiltergehäuses kann der Kraftstoff einfach über diese Wandungen geführt werden, um die Wärmeenergie für seine Vorerwärmung aufzunehmen. Hierfür muss ausschließlich der Verlauf der Kraftstoffleitung abgestimmt werden. Dies ist mit vergleichsweise geringem Aufwand bei neuen und auch bei bereits vorhandenen Brennkraftmaschinen möglich.
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In der neuen Brennkraftmaschine wird der Kraftstoff beim Vorerwärmen seinerseits gefiltert, um beispielsweise vorhandene Paraffinkristalle oder Feststoffverunreinigungen auszufiltern. Dieses Filtern erfolgt zusätzlich zu und vor einem sowieso vorhandenen Kraftstofffilter der Brennkraftmaschine und verhindert dessen Zusetzen durch die Paraffinkristalle und anderen Feststoffverunreinigungen. Außerdem lösen sich Paraffin- und andere Kristalle, die in kaltem Zustand der Brennkraftmaschine erfindungsgemäß aus dem Kraftstoff herausgefiltert werden, nach der Erwärmung der Brennkraftmaschine und damit erfolgender Vorerwärmung des Kraftstoffs im Bereich seiner erfindungsgemäßen Filterung wieder auf. Es muss also kein komplexes Reinigen des Kraftstofffilters erfolgen, um den Betrieb der Brennkraftmaschine fortzusetzen. Bevor jedoch der zum erfindungsgemäßen zusätzlichen Filter eingesetzte Kraftstofffilter durch temperaturstabile Feststoffverunreinigungen zugesetzt ist, ist er – z. B. Im Rahmen des Wechsels des Ölfilters – auszutauschen.
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Von besonderem Vorteil ist die vorliegende Erfindung, wenn der Kraftstoff, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Dieselkraftstoff ist, der direkt in eine Brennkammer eines Zylinders in der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ganz insbesondere handelt es sich bei dem Dieselkraftstoff um Pflanzenöl oder um ein Gemisch aus Mineralöl und Pflanzenöl.
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Bei der neuen Brennkraftmaschine weist der Wärmetauscher zum Vorerwärmen des Kraftstoffs eine Wandung eines Ölfiltergehäuses eines Ölfilters des Schmierölkreislaufs der Brennkraftmaschine als Wärmetauscherfläche auf. Dabei handelt es sich um die Wandung eines handelsüblichen Ölfilters mit eigenem geschlossenem Ölfiltergehäuse, d. h. eine sogenannte Filterpatrone, die damit Teil des Wärmetauschers der neuen Brennkraftmaschine ist. Konkret kann der Wärmetauscher der neuen Brennkraftmaschine eine Wärmetauscherkammer aufweisen, durch die der Kraftstoff strömt und die einerseits durch ein den austauschbaren Ölfilter übergreifendes Wärmetauschergehäuse und andererseits durch das Ölfiltergehäuse des handelsüblichen Ölfilters begrenzt ist.
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Dabei kann ein unmittelbarer Kontakt des Kraftstoffs mit der Oberfläche des Ölfilters durch eine die Wärmetauscherkammer ganz oder teilweise einhüllende Membran verhindert werden, die sich an die Wandung des Ölfiltergehäuses anlegt. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der Ölfilter kein fester Bestandteil des Wärmetauschers ist, sondern bei diesem austauschbar ist. Die Membran schließt dann den Kraftstoffkreislauf auch bei entferntem Ölfilter ab.
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Die Wärmetauscherkammer grenzt mindestens an eine Stirnseite des Ölfilters an, wobei von einem etwa zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Ölfilter ausgegangen ist. Diese Stirnseite ist wegen des Freiraums für das Auswechseln des Ölfilters bei üblichen Brennkraftmaschinen besonders leicht zugänglich. Die Formerwärmkammer kann sich aber auch bis über die Zylinder- bzw. Kegelmantelflächen des Ölfilters erstrecken, soweit hier bei der konkreten Brennkraftmaschine genügend Platz ist.
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Um einen Austritt des Kraftstoffs im Bereich des Wärmetauschers der neuen Brennkraftmaschine zu verhindern, ist die Wärmetauscherkammer zwischen dem des Wärmetauschergehäuse und dem Ölfiltergehäuse abgedichtet. Dazu kann eine spezielle Dichtung z. B. in Form eines Dichtrings vorgesehen sein. Auch die bereits angesprochene, die Wärmetauscherkammer zu dem Ölfiltergehäuse hin umschließende Membran kann die erforderliche Abdichtung bewirken. Eine Abdichtung kann auch durch abdichtendes Verpressen des Wärmetauschergehäuses mit dem oder Bördeln des Wärmetauschergehäuses auf das Ölfitergehäuse bewirkt werden.
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Wenn der Ölfilter und der Wärmetauscher eine Baueinheit bilden und so miteinander ausgetauscht werden, ist es bevorzugt, wenn in einer an die Wärmetauscherkammer anschließenden zuführenden und abführenden Kraftstoffleitung Ventile vorgesehen sind. Diese Ventile werden vor dem Austauschen der Baueinheit manuell oder beim Lösen der Kraftstoffleitung automatisch gesperrt, wobei das Ventil in der abführenden Kraftstoffleitung auch ein Rückschlagventil sein kann, um ein Ausfließen von Kraftstoff zu verhindern.
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In seiner Wärmetauscherkammer weist der Wärmetauscher der neuen Brennkraftmaschine ein Kraftstofffilter auf, auf dessen Vorteile bereits eingegangen wurde. Dabei ist es vorteilhaft, den Kraftstofffilter gemeinsam mit dem Ölfilter auszutauschen, um sein Zusetzen durch nicht wärmelösliche Feststoffverunreinigungen zu verhindern. Es versteht sich, dass der Kraftstofffilter möglichst so in der Wärmetauscherkammer anzuordnen ist, dass er von allem durch die Wärmetauscherkammer strömenden Kraftstoff zwangsweise durchströmt wird.
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An dem Wärmetauschergehäuse können schnelllösbare Anschlüsse für eine zuführende und eine abführende Kraftstoffleitung ausgebildet sein. Für die erstmalige Installation des Wärmetauschers an einer Brennkraftmaschine ist dieser an dem vorhandenen Ölfilter bzw. als Austausch für den vorhandenen Ölfilter zu montieren und die vorhandene Kraftstoffleitung ist zu durchtrennen und über den Wärmetauscher zu führen. Für diese Erstinstallation und bei jedem Austausch des Wärmetauschers sind die schnelllösbaren Anschlüsse vorteilhaft, insbesondere wenn sie mit im geöffneten Zustand der schnelllösbaren Anschlüsse automatisch sperrenden Ventilen versehen sind. Dabei sind diese selbstsperrenden Ventile sowohl an dem Wärmetauschergehäuse als auch in der zuführenden und der abführenden Kraftstoffleitung von Nutzen, um ein Auslaufen von Kraftstoff zu verhindern. Alternativ können zumindest in der zuführenden und der abführenden Kraftstoffleitung manuell zu sperrende Ventile eingesetzt werden. Das Ventil in der abführenden Kraftstoffleitung kann auch ein einfaches Rückschlagventil sein.
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Konkret können die schnelllösbaren Anschlüsse Innengewinde für Hohlschrauben an den Enden der zuführenden und der abführenden Kraftstoffleitung aufweisen. Vorzugsweise sind diese Innengewinde nach innen in das Wärmetauschergehäuse versetzt angeordnet, damit die Anschlüsse möglichst wenig über die Außenkontur eines herkömmlichen Ölfilters überstehen. Ebenso ist es aus diesem Grund bevorzugt, wenn die Anschlüsse an oder nahe einer Stirnseite des Wärmetauschergehäuses angeordnet sind.
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Damit der Wärmetauscher den Kraftstoff auch dann vorerwärmen kann, wenn noch keine Wärmeenergie aus dem Ölfiter bereitsteht, kann ein elektrisches Heizelement zum elektrischen Erwärmen des Kraftstoffs bis auf eine Mindesttemperatur vorgesehen sein. Dabei ist das Heizelement selbst oder ein zugehöriger Regler so auszubilden, dass das Heizelement beim Erreichen der Mindesttemperatur, die deutlich unterhalb der üblichen Temperatur der Wärmetauscherfläche bei warmgelaufener Brennkraftmaschine liegt, automatisch abgeschaltet wird, um den Verbrauch elektrischer Energie eng zu begrenzen.
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Die Erfindung ist besonders wirksam bei einem direkt einspritzenden Dieselmotor als Brennkraftmaschine, vor allem wenn dabei Pflanzenöl oder ein Pflanzenölgemisch als Kraftstoff verwendet wird.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist auch seinerseits neu.
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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 erfindungsgemaßen 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.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen für Wärmetauscher weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschers, der nicht unter die Patentansprüche fällt.
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2 zeigt eine Abwandlung des Wärmetauschers gemäß 1 mit zusätzlichem Kraftstofffilter, der ebenfalls nicht unter die Patentansprüche fällt.
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3 zeigt eine Abwandlung des Wärmetauschers gemäß 1 mit vergrößerter Wärmetauscherfläche, der auf Basis eines handelsüblichen Ölfilters ausgebildet ist, der auch nicht unter die Patentansprüche fällt; und
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit gegenüber 3 zusätzlichem Kraftstofffilter.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 in einem Längsschnitt skizzierte Wärmetauscher 1 bildet eine Wärmetauscherkammer 2 für Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine aus. Für den Kraftstoff sind zwei Anschlüsse 3 und 4 an bzw. nahe einer Stirnseite 17 eines Wärmetauschergehäuses 5 des Wärmetauschers 1 ausgebildet. Über einen der Anschlüsse 3 und 4 wird der Kraftstoff zugeführt und über den anderen Anschluss 4 bzw. 3 wird der Kraftstoff abgeführt. Hierfür ist gegenüber dem normalen Betrieb einer Brennkraftmaschine keine zusätzliche oder verstärkte Kraftstoffpumpe vorzusehen. Vielmehr reicht die Förderleistung der normalen Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine aus. Vorzugsweise sind die Anschlüsse 3 und 4 einerseits und die zugehörigen Anschlussenden einer zuführenden und einer abführenden Kraftstoffleitung andererseits – was hier nicht dargestellt ist – mit im getrennten Zustand selbstsperrenden Ventilen oder manuell zu sperrenden Ventilen versehen, um ein unbeabsichtigtes Austreten von Kraftstoff bei der Montage oder dem Austausch des Wärmetauschers 1 zu verhindern. Konkret weisen die Anschlüsse hier Innengewinde 20 für Hohlschrauben an den Anschlussenden der zuführenden und der abführenden Kraftstoffleitung auf. Diese Innengewinde 20 können dabei noch weiter in die Wärmetauscherkammer 2 hinein versetzt sein, damit die Anschlüsse weniger weit über die äußere Kontur des Wärmetauschers 1 überstehen. Die Wärmetauscherkammer 2 wird durch das Wärmetauschergehäuse 5 einerseits und eine in das Wärmetauschergehäuse 5 abdichtend eingesetzte Wandung 6 andererseits begrenzt. Unterhalb der Wandung 6 ist ein nicht im Detail wiedergegebener Ölfilter 7 vorgesehen, dessen Ölfiltergehäuse 14 hier teilweise von dem Wärmetauschergehäuse 5 ausgebildet wird. Der Ölfilter 7 wird an der für einen herkömmlichen Ölfilter üblichen Stelle an der Brennkraftmaschine, für deren Betrieb der Wärmetauscher 1 vorgesehen ist, montiert. Dabei steht der Wärmetauscher 1 außer an der Stirnseite 17 nicht über die Kontur des Ölfilters 7 über, Das Schmieröl, das von dem Ölfilter 7 gefiltert wird, erwärmt die Wandung 6. Auf diese Weise kann Wärmeenergie über die Wandung 6 als Wärmetauscherfläche 15 auf den Kraftstoff in der Wärmetauscherkammer 2 übertragen werden, die dessen Temperatur für das anschließende Einspritzen in die Brennkammer der Brennkraftmaschine optimiert.
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Der Wärmetauscher 1 gemäß 2 weist zusätzlich zu demjenigen gemäß 1 in der Wärmetauscherkammer 2 einen Kraftstofffilter 8 auf. Dieser Kraftstofffilter 8 wird von innen über den Anschluss 3 angeströmt, wobei er gegenüber dem Wärmetauschergehäuse 5 und der Wandung 6 des Ölfilters 7 durch Dichtringe 18 und 19 abgedichtet ist, so dass der gesamte Kraftstoff zwischen den Anschlüssen 3 und 4 durch ihn hindurch treten muss und gefiltert wird. Der Kraftstofffilter 8 dient dazu, Paraffinkristalle und Feststoffverunreinigungen aus dem Kraftstoff auszufiltern. Solange die Brennkraftmaschine, für deren Betrieb der Wärmetauscher 1 vorgesehen ist, noch nicht warmgelaufen ist, ist auch das Schmieröl, für den der Filter 7 vorgesehen ist, noch kalt und entsprechend kann in der Wärmetauscherkammer 2 keine Vorerwärmung des Kraftstoffs erfolgen. Dadurch eventuell aus dem Kraftstoff ausfallende Paraffinkristalle werden durch den Kraftstofffilter 8 zurückgehalten. Diese Paraffinkristalle lösen sich später, wenn die Brennkraftmaschine warmgelaufen ist und Wärmeenergie aus dem Schmieröl auf den Kraftstoff übertragen wird. Andere Feststoffverunreinigungen des Kraftstoffs verbleiben in dem Kraftstofffilter 8, der vor seinem Zusetzen durch diese Feststoffverunreinigungen gemeinsam mit dem Ölfilter 7 auszutauschen ist.
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Der Wärmetauscher 1 gemäß 3 baut auf einem handelsüblichen Ölfilter 7 mit einem eigenen geschlossenen Ölfiltergehäuse 14 auf, der auch als Filterpatrone bezeichnet werden kann. Auf das Ölfiltergehäuse 14 ist das Wärmetauschergehäuse 5 aufgesetzt, wobei eine Abdichtung der Wärmetauscherkammer 2 zwischen dem Wärmetauschergehäuse 5 und dem Ölfiltergehäuse 14 erfolgt. Zu dieser Abdichtung sind die Gehäuse 5 und 14 hier abdichtend miteinander verpresst. Es ist auch möglich, dass die Wärmetauscherkammer 2 zu dem Ölfilter 7 hin durch eine flexible Membran abgeschlossen ist, die sich an die Wandung 6 des Ölfilters 7 anlegt, wenn dieser in das Wärmetauschergehäuse 5 eingeschoben wird, wodurch der Kraftstoff derart in einem geschlossenen System geführt wird, dass auch eine Auswechseln des Ölfilters 7 bei dem Wärmetauscher 1 möglich ist. Bei dem Wärmetauscher 1 gemäß 3 erstreckt sich die Wärmetauscherfläche 15 der Wärmetauscherkammer 2 nicht nur über die Stirnseite 9 der Wandung 6 des Ölfiltergehäuses 14 sondern auch über deren Mantelfläche 10, wodurch die Wärmetauscherfläche 15, über die Wärmeenergie von dem Schmieröl auf den Kraftstoff übertragen wird, erheblich vergrößert ist.
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4 zeigt den Wärmetauscher 1 gemäß 3 mit zusätzlichem Kraftstofffilter 8 gemäß 2. Dabei ist auch eine Dichtung 11 in Form eines umlaufenden Dichtrings angedeutet, die zwischen dem Wärmetauschergehäuse 5 und der Wandung 6 des austauschbaren Ölfilters 7 vorgesehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wärmetauscherkammer
- 3
- Anschluss
- 4
- Anschluss
- 5
- Wärmetauschergehäuse
- 6
- Wandung
- 7
- Ölfilter
- 8
- Kraftstofffilter
- 9
- Stirnseite
- 10
- Mantelfläche
- 11
- Dichtung
- 14
- Ölfiltergehäuse
- 15
- Wärmetauscherfläche
- 17
- Stirnseite
- 18
- Dichtring
- 19
- Dichtring
- 20
- Innengewinde
