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Die Erfindung betrifft einen Kraftstofffilter für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Schwerlast-Verbrennungsmotor, sowie ein Steuergerät.
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Steuergeräte von Verbrennungsmotoren beinhalten häufig Schaltkreise oder andere Leistungs-Komponenten, die während des Betriebs eine so große Verlustwärme erzeugen, dass es zu einem Überhitzen und somit zu einer Störung oder zu einem Ausfall des Geräts kommen kann.
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Es ist in der Praxis bekannt, solche Steuergeräte mit einer Kühlung zu versehen. Im Allgemeinen werden die Steuergeräte direkt am Motorblock befestigt und ggf. mit einem separaten aktiven oder passiven Kühlmodul ausgestattet.
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Aus der
DE 10 2010 002 813 A1 ist die Anordnung eines Motorsteuergeräts an einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kühlkonzept für ein Steuergerät eines Verbrennungsmotors aufzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Kraftstofffilter und ein Steuergerät mit den Merkmalen im jeweiligen Kennzeichenteil der eigenständigen Ansprüche.
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Es ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung vorgesehen, für die Kühlung eines Steuergeräts, insbesondere des Motor-Steuergeräts, einen Kraftstofffilter einzusetzen, der während des Betriebs des Motors von Kraftstoff durchströmt wird, wobei die überschüssige Wärme aus dem Steuergerät auf den Kraftstoff übertragen wird.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ferner ein Kraftstofffilter zur Filterung des für den Vortrieb zugeführten Kraftstoffs für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, wobei der Kraftstofffilter ein Filtergehäuse mit einer Aufnahme zur wärmeleitenden Befestigung eines Steuergerätes aufweist. Die Aufnahme ist bevorzugt als Anlagefläche ausgebildet und ggfs. mit geeigneten Befestigungsmitteln ausgestattet. Die Aufnahme ist bevorzugt derart gestaltet, dass zwischen dem Steuergerät und dem Kraftstofffilter in der Nähe des Überschusswärme erzeugenden Geräteteils ein möglichst großflächiger Anlagekontakt geschaffen wird, über den auf möglichst kurzem Weg eine Ableitung der Überschusswärme zu dem Kraftstoff hin erfolgt, welcher den Kraftstofffilter durchströmt.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ferner ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, das auf einem Kraftstofffilter angeordnet und mit diesem wärmeleitend verbunden ist. Das Steuergerät und der Kraftstofffilter können eine gemeinsame Baueinheit bilden. Sie können (als Baueinheit) insbesondere einen integrierten Anschlusskontakt aufweisen. Über diesen Anschlusskontakt können in kombinierter Weise elektrische Zuleitungen sowie eine Kraftstoffzuführung angeschlossen werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist ferner vorgesehen, einen Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug mit einem Kraftstofffilter und einem Steuergerät auszubilden, wobei das Steuergerät auf dem Kraftstofffilter befestigt und mit diesem wärmeleitend verbunden ist. Steuergerät und Kraftstofffilter sind bevorzugt gemäß der obigen Beschreibung ausgebildet.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungen der Offenbarung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: Eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Kraftstofffilter und einem wärmeleitend verbundenen Steuergerät;
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2: Einen Kraftstofffilter mit einem darauf befestigten Steuergerät in einer Schnittansicht.
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstofffilter (102) sowie ein Steuergerät (104), die wärmeleitend miteinander verbunden sind, um überschüssige Wärme aus dem Steuergerät (104) auf den Kraftstoff zu übertragen, der den Kraftstofffilter (102) durchströmt.
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1 zeigt einen Motor (100) mit einem Kraftstofffilter (102) und einem Kraftstoffversorgungssystem (112). Der Motor (100) ist bevorzugt ein Fahrzeugmotor, insbesondere ein Schwerlast-Verbrennungsmotor für Lastkraftwagen, Baufahrzeuge, landwirtschaftliche Fahrzeuge oder dergleichen. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um einen Verbrennungsmotor (100) mit Direkteinspritzung von Kraftstoff über Injektoren (128) in die Brennkammer von beispielsweise vier Zylindern. Alternativ kann ein anderer Verbrennungsmotor zur Verbrennung von flüssigem Kraftstoff eingesetzt werden.
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Die Injektoren (128) werden über das Versorgungssystem (112) mit Kraftstoff versorgt. Das Versorgungssystem (112) kann beispielsweise ein Hochdruck-Common Rail Versorgungssystem sein. Dieses umfasst einen Kraftstoff-Akkumulator (126) (Common Rail) und eine Hochdruckpumpe (124). Die Hochdruckpumpe (124) beaufschlagt einen Kraftstoff, insbesondere einen flüssigen Diesel- oder Benzinkraftstoff, mit einem hohen Druck von beispielsweise bis zu 2.000 bar oder 3.000 bar und speichert ihn in dem Akkumulator, von wo aus die ein oder mehreren Kraftstoffinjektoren (128) versorgt werden.
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Der Kraftstoff wird in einem Kraftstofftank (110) gespeichert und beispielsweise über eine Niederdruckpumpe (122) zu der Hochdruckpumpe (124) befördert. Die Hochdruckpumpe (124) und die Niederdruckpumpe (122) können beliebig ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel ist die Niederdruckpumpe (122) eine Kreiselpumpe, die Kraftstoff aus dem Tank (110) ansaugt und zur Hochdruckpumpe (124) hin speist. Die Hochdruckpumpe (124) ist bevorzugt eine Plungerpumpe (Tauchkolbenpumpe), die den Kraftstoff einsaugt und in einer Druckkammer auf einen hohen Druck komprimiert, um ihn zum Akkumulator (126) hin auszuspeisen.
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Stromabwärts zu dem Kraftstofftank (110) ist ein Kraftstofffilter (102) angeordnet, der dazu ausgebildet ist, Verunreinigungen aus dem flüssigen Kraftstoff zu entfernen. Der Kraftstofffilter (102) kann beispielsweise in Flussrichtung zwischen der Niederdruckpumpe (122) und der Hochdruckpumpe (124) angeordnet sein. Alternativ kann der Kraftstofffilter (102) an einer anderen Position zwischen dem Tank (110) und den Injektoren (128) angeordnet sein.
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Der Kraftstofffilter (102) weist bevorzugt ein Filtergehäuse (106) und einen Filtereinsatz (108) auf. Das Filtergehäuse (106) verfügt über einen Einlass und einen Auslass für den Kraftstoff und ist bevorzugt dazu ausgebildet, einströmenden Kraftstoff gemäß einem vorgegebenen Verlauf durch den Filtereinsatz (108) bzw. das im Gehäuse enthaltene Filtermaterial zu führen.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Kraftstofffilters (102) mit einem daran befestigten Steuergerät (104) im Querschnitt.
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Der Kraftstofffilter (102) weist bevorzugt eine im Wesentlichen flache Form auf. Er kann insbesondere im Querschnitt eine Rechteckform und insgesamt eine Quaderform haben. Der Filtereinsatz (108) hat bevorzugt eine entsprechende Form.
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Die Aufnahme (114, 115) des Kraftstofffilters (102) zur wärmeleitenden Befestigung des Steuergerätes (104) ist bevorzugt an der flächenmäßig größten Seitenfläche bzw. Außenfläche des Filtergehäuses (106) angeordnet. Die Aufnahme (114, 115) kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kraftstofffilter (102) ein oder mehrere Wärmeleitelemente (116) aufweisen, die sich von einem eine Aufnahme (114) bildenden Kontaktbereich an der Außenseite des Filtergehäuses (106) zur Innenseite hin erstrecken. An der Innenseite des Filtergehäuses (106) können die ein oder mehreren Wärmeleitelemente (116) bevorzugt in direkten Kontakt mit dem durch den Kraftstofffilter (102) strömenden Kraftstoff kommen. Ein Wärmeleitelement (116) kann als separater Körper in das Filtergehäuse (106) eingesetzt oder in dessen Wandung integriert sein. Alternativ kann ein Teil des Filtergehäuses (106) so ausgebildet sein, dass es ein Wärmeleitelement (116) bildet, bspw. als nach Innen vorstehender Zapfen oder Kamm.
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Ein Wärmeleitelement (116) kann beispielsweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem Wärmeleitelement (116) kann das Filtergehäuse (106) eine Aufnahme (115) aufweisen, die durch eine großflächige Kontaktfläche, bspw. eine Kontaktplatte gebildet wird. Die Kontaktplatte kann ebenfalls als separater Körper vorliegen und in das Filtergehäuse (106) eingesetzt oder integriert sein. Sie kann bevorzugt eine plan gefräste oder geschliffene Oberfläche haben. Diese Oberfläche kann mit einer entsprechend ausgebildeten Kontaktfläche an dem Steuergerät (104) in Anlage gebracht sein. Ggf. kann zwischen der Kontaktplatte des Kraftstofffilters (102) und der korrespondierenden Kontaktfläche des Steuergeräts (104) ein wärmeleitendes Füllmaterial eingebracht sein, beispielsweise in Form einer Wärmeleitpaste.
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Der Kraftstofffilter (102) kann bevorzugt einen Filtereinsatz (108) aufweisen, der aus einem Wabenmaterial (im Querschnitt wabenförmiges Filtermaterial) besteht. Das Wabenmaterial kann bevorzugt in einer Flussrichtung des Kraftstoffs Leitkanäle (zur Führung des Kraftstoffs) bilden. Der Filtereinsatz (108) ist bevorzugt so angeordnet, dass die Leitkanäle parallel zur Aufnahme (115), d.h. bevorzugt parallel zur Kontaktfläche zwischen dem Filtergehäuse (106) und dem Steuergerät (104), ausgerichtet sind.
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Bei dem Filtermaterial kann es sich besonders bevorzugt um ein Wabenmaterial handeln, das durch ein in Schichten verlegbares Filterband oder durch Filterplatten gebildet wird. Die Leitungskanäle können in der genannten Wabenstruktur in den Innenraum des Filterbands bzw. der Filterplatte integriert sein, wobei außenseitig zumindest eine glatte Deckschicht gebildet wird. Diese Deckschicht kann bevorzugt zur Anlage an das Filtergehäuse (106) oder die jeweils nächste Schicht des Filterbandes bzw. die nächste Filterplatte genutzt sein. Mehrere übereinander gelegte Filterbänder oder Filterplatten können den vorgenannten Filtereinsatz (108) bilden. der bspw. eine Quaderform hat und in das Filtergehäuse (106) einlegbar ist. Alternativ kann ein Filtereinsatz aus dem genannten Wabenmaterial durch Aufwickeln gebildet sein.
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Das Filtermaterial kann auch derart ausgebildet sein, dass jede Schicht des Wabenmaterials eine im Wesentlichen glatte Ober- und Unterseite aufweist, so dass die einzelnen Schichten untereinander möglichst vollflächig zur Anlage kommen. Hierdurch wird eine Wärmeleitung zwischen den Materialschichten begünstigt, sodass auch weiter vom Gehäuserand entfernte Kraftstoffströme noch einen Teil der Überschusswärme aufnehmen können.
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Andererseits wird auch hier eine vollflächige Anlage an die Wände des Filtergehäuses (106) ermöglicht. Durch die vorgenannten bevorzugten Ausbildungen und Anordnungen des Filtermaterials wird erreicht, dass eine gute Wärmeleitung von dem Steuergerät (104) über die Aufnahme (114, 115) in das Filtermaterial und schließlich zu dem das Filtermaterial durchströmenden Kraftstoff erreicht wird.
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Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Offenbarung können ein Kraftstofffilter (102) und ein Steuergerät (104) eine gemeinsame Baueinheit bilden, die beispielsweise als vorgefertigtes Modul am Motor (100), insbesondere am Motorblock, fixierbar ist. Der Kraftstofffilter (102) und das Steuergerät (104) können einen integrierten (gemeinsamen) Anschlusskontakt (130) aufweisen, an dem die Zuleitungen für das Steuergerät (104) und den Kraftstofffilter (102) in einem einzelnen Arbeitsschritt angeschlossen werden können. Der integrierte Anschlusskontakt (130) kann insbesondere für die kombinierte Verbindung von elektrischen Zuleitungen an elektrische Anschlüsse (El1, El2) des Steuergeräts (104) und einer Kraftstoff-Zuführung an einen Kraftstoff-Einlass (InF) des Kraftstofffilters (102) ausgebildet sein.
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Das Steuergerät (104) kann beliebig ausgebildet sein. Es kann sich insbesondere um ein Motorsteuergerät handeln, das beispielsweise Treiberschaltungen für Aktoren am Motor (100) und ggf. im Kraftstoff-Versorgungssystem (112) beinhaltet. Dies können beispielsweise Treiberschaltungen zur Aktivierung eines Einlass-Steuerventils der Hochdruckpumpe (124), zur Steuerung der Niederdruckpumpe, zur Aktivierung der ein oder mehreren Injektoren (128) oder zum Betreiben der sonstigen Mechaniken zur Regelung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors (100) sein. Das Steuergerät wird bevorzugt von einer Spannungsquelle des Fahrzeugs, beispielsweise einer Batterie (120) und/oder einem Generator mit Energie versorgt.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die einzelnen zu den Ausführungsbeispielen beschriebenen oder gezeigten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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Der Motor (100) kann ein Dieselmotor, ein Benzinmotor oder ein sonstiger Verbrennungsmotor sein, der mit einem flüssigen Kraftstoff betrieben wird. Es kann sich um einen Motor für Landfahrzeuge, insbesondere für PKW oder LKW handeln. Das Kühlkonzept kann ferner bei einem stationären Motor oder einem Motor für Wasserfahrzeuge angewendet werden.
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Der an einem Kraftstoffeinlass zugeführte Kraftstoff kann bevorzugt ein Dieselkraftstoff oder ein Benzinkraftstoff sein.
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Im Folgenden werden Betriebsgrößen für die Nutzung einer Kühlung gemäß der vorliegenden Offenbarung am Beispiel eines Fahrzeugmotors aufgezeigt, der für den Einsatz an LKW, Landmaschinen oder ähnlichen Fahrzeugen mit Motoren der „Heavy-Duty“ Klasse vorgesehen ist. Eine solche Kühlung stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar. Die maximale Leistungsaufnahme von Steuergeräten der genannten Klasse bewegt sich derzeit im Bereich von 50W.
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Der Kraftstoff kann bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine Maximaltemperatur im Bereich von 20°–60° (Grad Celsius) haben. Die spezifische Wärme (Wärmekapazität) typischer Benzin- oder Dieselkraftstoffe liegt im Bereich von ca. 2.000 J/kg·K (Joule pro Kilogramm und Kelvin) oder ca. 1.500 J/L·K (Joule pro Liter und Kelvin). Die mittlere Durchflussmenge von Kraftstoff durch den Kraftstofffilter beträgt bei dem genannten Beispiel eines Motors für den Heavy-Duty Einsatz im Betrieb 2–6 L/min (Liter pro Minute) bzw. 33–100 mL/s (Milliliter pro Sekunde). Damit ergibt sich eine durchschnittliche Temperaturantwort von 50–150 W/K (Watt pro Kelvin). Die Kontaktfläche zwischen Kraftstofffilter (102) und Steuergerät (104) bzw. die Aufnahmen (114, 115) sind bevorzugt so dimensioniert, dass ein ausreichender Wärmestrom ausgebildet wird und die Temperatur des Steuergeräts (104) eine Maximaltemperatur im Bereich von 90°–115° (Grad Celsius) nicht überschreitet. Unter diesen Betriebsparametern erwärmt sich der Kraftstoff durch die Aufnahme der überschüssigen Wärme aus dem Steuergerät (104) nur um einige Zehntel Kelvin.
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Die maximale Erwärmung des Kraftstoffs kann in Abhängigkeit von der Durchflussrate und der Abwärme der Steuereinheit bestimmt werden. Die Kühlung wird bevorzugt so ausgelegt, dass die Endtemperatur des Kraftstoffs nach Durchlaufen des Kraftstofffilters (102) und Aufnahme der überschüssigen Wärme aus dem Steuergerät (104) einen Wert von 60°C (Grad Celsius) nicht übersteigt. Für die meisten Anordnungen, Kraftstoffe und Außenbedingungen, insbesondere für gegenwärtige PKW- und LKW-Anwendungen, reicht eine gemäß dem vorgenannten Beispiel ausgelegte Kühlung aus, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Dies umfasst einerseits eine ausreichende Wärmeabfuhr für die Steuereinheit und andererseits das Vermeiden einer Überhitzung des Kraftstoffs bzw. des Filtermaterials.
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An dem Steuergerät (
104) können beispielsweise an der vom Kraftstofffilter (
102) wegweisenden Seite zusätzliche Kühlrippen oder ähnliche Strukturen zur Wärmeabfuhr vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlkonzept gemäß der vorliegenden Offenbarung mit zusätzlichen in der Praxis bekannten und üblichen Kühlmaßnahmen kombiniert werden. BEZUGSZEICHENLISTE
| 100 | Motor | Engine |
| 102 | Kraftstofffilter | Fuelfilter |
| 104 | (Motor-)Steuergerät (ECU) | (Engine-)Control Device; Electronic Control Unit (ECU) |
| 106 | Filtergehäuse | Filter housing |
| 108 | Filtereinsatz/Filtermaterial | Filter insert/filter material |
| 110 | Kraftstofftank | Fuel tank |
| 112 | Kraftstoff-Versorgungssystem | Fuel supply system |
| 114 | Aufnahme | Socket/accommodation part |
| 115 | Aufnahme/Kontaktfläche | Socket/accommodation part/contacting area |
| 116 | Wärmeleitelement | Heat conductor element |
| 120 | Batterie | Battery |
| 122 | Niederdruckpumpe | Low pressure pump |
| 124 | Hochdruckpumpe | High pressure pump |
| 126 | Akkumulator/Common Rail | Accumulator / Common rail |
| 128 | Injektor | Injector |
| 130 | Integrierter Anschluss | Integrated Connector |
| InF | Kraftstoff-Einlass | Fuel Inlet |
| OutF | Kraftstoff-Auslass | Fuel Outlet |
| El1 | Elektrischer Anschluss | Electric Connector |
| El2 | Elektrischer Anschluss | Electric Connector |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002813 A1 [0004]
