DE102017006486B4

DE102017006486B4 - Diesel-powered internal combustion engine

Info

Publication number: DE102017006486B4
Application number: DE102017006486.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Innerhofer
Original assignee: regineering GmbH
Current assignee: Regineering De GmbH
Priority date: 2017-07-08
Filing date: 2017-07-08
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2037-07-09
Also published as: DE102017006486A1

Abstract

Dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine, die mit einem Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (1) betrieben wird, mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (3) zur Verdichtung des Kraftstoffs auf einen Druck oberhalb von 1000 bar, mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Injektor (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochdruckpumpe (3) und dem wenigstens einen Injektor (5) ein Kraftstoffkühler (7; 15) für den, dem Injektor (5) zuzuführenden Kraftstoff vorgesehen ist, wobei das Kühlmedium Kraftstoff ist und wobei zur Regelung des Kraftstoffkühlers (7; 15) ein Regelventil (12) für dieses Kühlmedium vorgesehen ist.Internal combustion engine operated by a diesel engine, which is operated with fuel from a storage tank (1), with at least one high-pressure pump (3) for compressing the fuel to a pressure above 1000 bar, with at least one cylinder and at least one injector (5), characterized that a fuel cooler (7; 15) for the fuel to be supplied to the injector (5) is provided between the high-pressure pump (3) and the at least one injector (5), the cooling medium being fuel and wherein for controlling the fuel cooler (7; 15) a control valve (12) is provided for this cooling medium.

Description

Die Erfindung betrifft eine dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an internal combustion engine operated by a diesel engine according to the preamble of claim 1.

Während des Betriebs von direkteinspritzenden dieselmotorischen Brennkraftmaschinen entstehen in den Injektoren Ablagerungen, die sich sehr negativ auf das Brennverfahren auswirken und dadurch insbesondere das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verschlechtern. Im Speziellen ist hier auf Ablagerungen in den Einspritzöffnungen abzustellen, die das Einspritzverhalten und die Einspritzcharakteristik stark verändern können. Aber auch Ablagerungen in der Lagerung und im Dichtungsbereich der Verschlussnadel führen zu einer Verschlechterung der Einspritzung.During the operation of direct-injection diesel engine internal combustion engines, deposits form in the injectors, which have a very negative effect on the combustion process and thereby in particular worsen the exhaust gas behavior of the internal combustion engine. In particular, deposits in the injection openings, which can greatly change the injection behavior and injection characteristics, should be taken into account here. However, deposits in the bearing and in the sealing area of the valve needle also lead to a deterioration in injection.

Diese Ablagerungen sind unter anderem abhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffs. Eine erhöhte Neigung zur Bildung von Ablagerungen wurde beispielsweise bei der Verwendung von Pflanzenöl als Kraftstoff festgestellt. Es hat sich aber auch herausgestellt, dass die Verweildauer des Kraftstoffs in den Injektoren und insbesondere die Temperatur der Einspritzdüse eine erhebliche Rolle bei der Bildung der Ablagerungen spielen. Als Einspritzdüse ist hier die Spitze des Injektors mit der Einspritzöffnung (Einlochdüse) oder mit den Einspritzöffnungen (Mehrlochdüse) und dem Ventilsitz für die Ventilnadel bezeichnet. Da die Art des verwendeten Treibstoffs und die Verweildauer des Kraftstoffs in den Injektoren vorgegeben sind, ist eine Verbesserung hauptsächlich über die Beeinflussung der Temperatur der Einspritzdüse möglich.These deposits depend, among other things, on the type of fuel used. An increased tendency to form deposits was found, for example, when using vegetable oil as a fuel. However, it has also been found that the dwell time of the fuel in the injectors and in particular the temperature of the injection nozzle play a significant role in the formation of the deposits. The injection nozzle here is the tip of the injector with the injection opening (single-hole nozzle) or with the injection openings (multi-hole nozzle) and the valve seat for the valve needle. Since the type of fuel used and the dwell time of the fuel in the injectors are specified, an improvement is possible mainly by influencing the temperature of the injection nozzle.

Die DE 199 45 436 C1 beschreibt ein System zur Erwärmung des dem Injektor zugeführten Kraftstoffs. Hierzu ist in der Wandung des Common-Rail-Speichers eine Bohrung vorgesehen. Die Bohrung ist mit einer Leckage-Leitung verbunden über die sie mit heißem Leckage-Kraftstoff aus dem Injektor beschickt wird. Durch den thermischen Kontakt wird der heiße, vom Injektor kommende Leckage-Kraftstoff abgekühlt und der dem injektor zuzuführende Kraftstoff im Common-Rail-Speicher erwärmt. Die Temperatur der Einspritzdüse wird dadurch aber erhöht, was nicht zu einer Veringerung der Ablagerungen führt. The DE 199 45 436 C1 describes a system for heating the fuel supplied to the injector. For this purpose, a hole is provided in the wall of the common rail accumulator. The bore is connected to a leakage line via which it is charged with hot leakage fuel from the injector. The hot leakage fuel coming from the injector is cooled down by the thermal contact and the fuel to be supplied to the injector in the common rail accumulator is heated. However, this increases the temperature of the injection nozzle, which does not lead to a reduction in the deposits.

Es wurde bereits versucht, Kanäle zur Führung eines Kühlmediums möglichst nahe an die gefährdeten Stellen zu verlegen. Eine derartige aktive Kühlung des Düsenkörpers benötigt jedoch einen nicht unerheblichen Bauraum und ist deshalb nur bei wenigen Brennkraftmaschinen anwendbar.Attempts have already been made to lay channels for guiding a cooling medium as close as possible to the endangered areas. However, such active cooling of the nozzle body requires a not inconsiderable amount of space and can therefore only be used in a few internal combustion engines.

In der DE 102 59 926 A1 wird vorgeschlagen, bei einer Brennkraftmaschine mit einer Ladeluftkühlung einen zusätzlichen, mit der Ladeluftkühlung verbundenen Wärmetauscher vorzusehen, welcher den der Einspritzvorrichtung zugeführten Kraftstoff und/oder einen Einbaubereich der Einspritzvorrichtung kühlt.In the DE 102 59 926 A1 it is proposed to provide an additional heat exchanger connected to the charge air cooling system in an internal combustion engine with a charge air cooling system, which heat exchanger cools the fuel supplied to the injection device and/or an installation area of the injection device.

Es wurde deshalb auch bereits eine passive Kühlung, oder anders gesagt, ein passiver Hitzeschutz versucht. Dabei werden Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit so verbaut, dass sie Wärmeleistung aus dem Brennraum nach Möglichkeit aufnehmen und schnell nach außen ableiten, so dass sich der Düsenkörper selbst nicht so stark erwärmen kann. Solche oft in Form von Kupferhülsen ausgeführten Wärmeschutzmaßnahmen haben sich allerdings als nicht besonders wirkungsvoll erwiesen. Ein weiterer Nachteil dieser passiven Schutzmaßnahmen, ist aber auch die fehlende Regelbarkeit. Das bedeutet, dass sie dem Düsenkörper auch beim Kaltstart Wärme entziehen, die eigentlich dringend zur Anwärmung des Kraftstoffs benötigt wird, um diesen im Brennraum dann schnell zur Verdampfung bringen zu können. Weiterhin kann an der Düse im Niedriglastbereich Kaltkorosion auftreten.Passive cooling, or to put it another way, passive heat protection, has therefore already been tried. Materials with high thermal conductivity are installed in such a way that they absorb heat output from the combustion chamber as far as possible and quickly dissipate it to the outside, so that the nozzle body itself cannot heat up so much. However, such heat protection measures, often in the form of copper sleeves, have not proven to be particularly effective. Another disadvantage of these passive protective measures is the lack of controllability. This means that they extract heat from the nozzle body even during a cold start, which is actually urgently needed to heat up the fuel so that it can then be vaporized quickly in the combustion chamber. Furthermore, cold corrosion can occur on the nozzle in the low-load range.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine so auszugestalten, dass Ablagerungen in der Einspritzdüse und insbesondere in den Einspritzöffnungen der Düse stark reduziert werden. Die notwendigen Maßnahmen sollen bei nahezu allen marktüblichen dieselmotorischen Brennkraftmaschinen anwendbar sein und keine hohen Installationskosten erforderlich machen.The object of the invention is to design an internal combustion engine operated by a diesel engine in such a way that deposits in the injection nozzle and in particular in the injection openings of the nozzle are greatly reduced. The necessary measures should be applicable to almost all commercially available diesel engine internal combustion engines and should not necessitate high installation costs.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1. Dadurch, dass zwischen der Hochdruckpumpe und dem wenigstens einen Injektor ein Kraftstoffkühler für den dem Injektor zuzuführenden Kraftstoff vorgesehen ist, wobei das Kühlmedium Kraftstoff ist und wobei zur Regelung des Kraftstoffkühlers ein Regelventil für dieses Kühlmedium vorgesehen ist, kann der in der Hochdruckpumpe aufgeheizte Kraftstoff bei Bedarf gekühlt werden. Das bedeutet, dass die Kühlung beim Kaltstart außer Betrieb gesetzt werden kann und erst dann aktiv wird, wenn die Einspritzdüse eine Temperatur erreicht, die zu Ablagerungen führen kann. Durch die Kühlung des Kraftstoffs wird in Folge auch die Einspritzdüse gekühlt und auf einer Temperatur gehalten, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Gefahr der Bildung von Ablagerungen besteht.The object is achieved according to the invention by an internal combustion engine operated by a diesel engine with the features of claim 1. Characterized in that a fuel cooler for the fuel to be supplied to the injector is provided between the high-pressure pump and the at least one injector, the cooling medium being fuel and being used for regulation If the fuel cooler has a control valve for this cooling medium, the fuel heated up in the high-pressure pump can be cooled if necessary. This means that the cooling can be disabled during cold starts and only becomes active when the injector reaches a temperature that can lead to deposits. As a result of the cooling of the fuel, the injector nozzle is also cooled and kept at a temperature which is below the temperature at which there is a risk of deposit formation.

Üblicherweise wird der Kraftstoffkühler direkt hinter der Hochdruckpumpe angeordnet, da die Kühlung hier am effizientesten durchgeführt werden kann. Wird der Kraftstoffkühler jedoch direkt vor dem Injektor angeordnet, werden bei der Verwendung mehrerer Injektoren auch mehrere Kraftstoffkühler notwendig. Gleiches gilt wenn beispielsweise nach einer Verzweigung in mehrere Druckspeicher gekühlt werden soll.The fuel cooler is usually located directly behind the high-pressure pump, since cooling can be carried out most efficiently here. However, if the fuel cooler is placed directly in front of the injector, If several injectors are connected, several fuel coolers are also necessary. The same applies if, for example, cooling is to be carried out after a branch into several pressure accumulators.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further details and advantages of the invention result from the dependent claims.

Zwischen der Hochdruckpumpe und dem Injektor sind Kraftstoff führende Komponenten vorgesehen. Dabei kann es sich um einfache Kraftstoffleitungen, im Falle eines Common-Rail-Systems, aber auch um das Druckrohr selbst handeln. Bei einer Ausführungsform der Erfindung umschließt der Kraftstoffkühler vorteilhaft eine Kraftstoff führende Komponente zumindest teilweise. Der Kraftstoffkühler kann bei dieser Ausführungsform als offener oder als geschlossener Ring ausgebildet sein. Ein offener Ring kann sogar bei einer Nachrüstung problemlos auf eine Kraftstoffleitung aufgeklippst werden.Fuel-carrying components are provided between the high-pressure pump and the injector. This can be simple fuel lines, in the case of a common rail system, but also the pressure pipe itself. In one embodiment of the invention, the fuel cooler advantageously at least partially encloses a fuel-carrying component. In this embodiment, the fuel cooler can be designed as an open or as a closed ring. An open ring can even be easily clipped onto a fuel line during a retrofit.

Bei einer anderen Ausführungsform umschließt der Kraftstoffkühler keine Kraftstoff führende Komponente, sondern der Kraftstoffkühler ist als Wärmetauscher ausgebildet, der zwischen zwei Kraftstoff führende Komponenten geschaltet ist. Mit einem Wärmetauscher, bei dem sowohl der Kraftstoff als auch ein Kühlmedium auf eine Vielzahl einzelner Leitungen aufgeteilt wird, wobei das Kühlmedium im Gegenstrom zu dem Kraftstoff fließt, ist meist ein sehr guter Wärmeübergang von dem Kraftstoff auf das Kühlmedium zu erreichen.In another embodiment, the fuel cooler does not enclose any fuel-carrying component, but rather the fuel cooler is designed as a heat exchanger that is connected between two fuel-carrying components. With a heat exchanger in which both the fuel and a cooling medium are divided into a large number of individual lines, with the cooling medium flowing in countercurrent to the fuel, very good heat transfer from the fuel to the cooling medium can usually be achieved.

Bei einer Ausführungsform wird der Tank als Kühlaggregat verwendet und dort gekühlter Kraftstoff direkt dem Kraftstoffkühler zugeführt. Nach dem Durchgang durch den Kraftstoffkühler wird dieser Kraftstoff zur erneuten Kühlung wieder in den Tank zurückgeführt.In one embodiment, the tank is used as a cooling unit and cooled fuel is supplied there directly to the fuel cooler. After passing through the fuel cooler, this fuel is returned to the tank for re-cooling.

Bei einer besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform der Erfindung weist der Kraftstoffkühler eine doppelwandig ausgeführte Kraftstoff führende Komponente auf, durch die heißer komprimierter Kraftstoff im Gegenstrom zu kälterem Kühlmedium geführt wird. Hier kann beispielsweise ein Kühlmedium aus einem eigenen Kreislauf verwendet werden. Es ist aber genauso möglich als Kühlmedium hier gekühlten Kraftstoff aus dem Tank zu benutzen.In an embodiment of the invention that is particularly easy to implement, the fuel cooler has a double-walled fuel-carrying component through which hot, compressed fuel is carried in countercurrent to colder cooling medium. A cooling medium from a separate circuit can be used here, for example. However, it is just as possible to use cooled fuel from the tank as the cooling medium here.

Bei der Verwendung eines Common-Rail-Hochdrucksystem ist der Kraftstoffkühler vorzugsweise zwischen der Hochdruckpumpe und dem Ausgang des Common-Rail anzuordnen. Auf diese Weise ist bei den üblichen Anordnungen nur ein einziger Kraftstoffkühler vorzusehen. Bei einer Anordnung zwischen dem Ausgang des Commom-Rail und dem Injektor müsste dagegen für jeden Injektor ein eigener Kraftstoffkühler vorgesehen werden. Der Kraftstoffkühler kann entweder die Kraftstoffzuführung zu dem Common-Rail oder das Common-Rail selbst kühlen.When using a common rail high-pressure system, the fuel cooler should preferably be arranged between the high-pressure pump and the outlet of the common rail. In this way, only a single fuel cooler is to be provided in the usual arrangements. In the case of an arrangement between the outlet of the common rail and the injector, on the other hand, a separate fuel cooler would have to be provided for each injector. The fuel cooler can cool either the fuel supply to the common rail or the common rail itself.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird.Further details and advantages of the invention result from the description of an exemplary embodiment, which is explained in detail with reference to the drawing.

Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Kraftstoff-Kraftstoff-Wärmetauscher,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Kraftstoff-Kühlmedium-Wärmetauscher,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer elektrischen Kühlung,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer Kraftstoff-Kraftstoff-Kühlung mit Hilfe einer doppelwandigen Kraftstoffleitung,
5 einen schematischen Schnitt durch die doppelwandige Kraftstoffleitung,
6 einen Schnitt durch einen quaderförmigen Wärmetauscher und
7 einen Schnitt durch einen Wärmetauscher mit rundem Querschnitt

It shows:

1 a schematic view of a first embodiment of the invention with a fuel-fuel heat exchanger,
2 a second embodiment with a fuel-coolant heat exchanger,
3 a third embodiment with an electrical cooling,
4 a fourth exemplary embodiment with fuel-fuel cooling using a double-walled fuel line,
5 a schematic section through the double-walled fuel line,
6 a section through a cuboid heat exchanger and
7 a section through a heat exchanger with a round cross-section

Bei den Ausführungsbeispielen nach den 2 und 3 handelt es sich um Beispiele, die den Stand der Technik beschreiben.In the embodiments according to 2 and 3 these are examples that describe the state of the art.

In den 1 bis 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kraftstoff wird aus dem Tank 1 über die Kraftstoffzufuhr 2 entnommen. Üblicherweise ist zwischen Tank 1 und Hochdruckpumpe 3 noch eine hier nicht dargestellte Kraftstoffförderpumpe vorgesehen, die den Kraftstoff aus dem Tank 1 ansaugt und der Hochdruckpumpe 3 zuführt.In the 1 until 4 the same parts are provided with the same reference numbers. The fuel is taken from the tank 1 via the fuel supply 2. Usually, a fuel feed pump (not shown here) is also provided between tank 1 and high-pressure pump 3 , which sucks in the fuel from tank 1 and feeds it to high-pressure pump 3 .

Über eine Kraftstoffleitung 23 oder 15 erreicht der durch die Hochdruckpumpe 3 hoch verdichtete Kraftstoff das Common-Rail 4 und wird dort zwischengespeichert. Aus dem Common-Rail 4 wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff den Injektoren 5 zugeführt und von dort aus kontrolliert in den Brennraum eingespritzt.The fuel, highly compressed by the high-pressure pump 3, reaches the common rail 4 via a fuel line 23 or 15 and is temporarily stored there. The fuel, which is under high pressure, is fed from the common rail 4 to the injectors 5 and from there it is injected into the combustion chamber in a controlled manner.

Der Druck in dem Common-Rail ist über ein hier nicht gezeigtes steuerbares Überdruckventil einstellbar. An diesem Überdruckventil ist eine Rücklaufleitung 6 angeschlossen, um überschüssigen Kraftstoff zurück in den Tank 1 leiten zu können. Mit dieser Rücklaufleitung 6 ist ebenfalls die Hochdruckpumpe 3 verbunden, so dass auch Leckage-Krafstoff aus der Pumpe in den Tank 1 rückgeführt werden kann.The pressure in the common rail can be adjusted via a controllable pressure relief valve, not shown here. A return line 6 is connected to this pressure relief valve in order to be able to route excess fuel back into the tank 1 . With this return line 6, the high-pressure pump 3 is also connected, so that leakage fuel can be returned from the pump to tank 1.

Besonders vorteilhaft ist auch noch eine Steuerung 10 vorgesehen, mit der die verschiedenen gezeigten Kraftstoffkühlungen gesteuert und auf diese Weise an unterschiedliche Bedingungen angepasst werden können. Es ist dabei unerheblich ob die Steuerung 10 als eigenständiges Bauteil realisiert wird oder ob die Steuerfunktion in die Motorsteuerung integriert wird.A controller 10 is also particularly advantageously provided, with which the various fuel cooling systems shown can be controlled and in this way adapted to different conditions. It is irrelevant whether the controller 10 is implemented as an independent component or whether the control function is integrated into the motor controller.

Mit der Steuerung 10 ist ein Temperatursensor 11 verbunden, der jeweils die Temperatur des Kraftstoffs in Fließrichtung nach dem Kraftstoffkühler misst. Auf diese Weise lässt sich ein Regelkreis realisieren, für den für jeden Betriebszustand ein spezifischer Sollwert für die Kraftstofftemperatur in der Steuerung 10 hinterlegt werden kann.A temperature sensor 11 is connected to the controller 10 and measures the temperature of the fuel in the direction of flow after the fuel cooler. In this way, a control loop can be implemented for which a specific target value for the fuel temperature can be stored in the controller 10 for each operating state.

In Abhängigkeit der unterschiedlichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine (insbesondere, aber nicht ausschließlich in Abhängigkeit von der Motortemperatur, von der Drehzahl, von der abverlangten Leistung und von dem benötigten Kraftstoffvolumen) soll also eine vorbestimmte Kraftstofftemperatur erreicht werden, die gewährleistet, dass die Einspritzdüse durch die Kraftstoffkühlung unterhalb einer Temperatur gehalten wird, die zu Ablagerungen führt, die aber ebenso sicherstellt, dass der Kraftstoff während des Einspritzvorganges so gut verdampft wird, dass auch eine effektive Verbrennung stattfindet. Andererseits darf der Kraftstoff nicht so weit abgekühlt werden, dass die Injektorfunktion durch eine hohe Viskosität des Kraftstoffs verändert würde. Der Kraftstoff sollte folglich eine Temperatur in einem relativ engen Bereich aufweisen, die aber vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt.Depending on the different operating states of the internal combustion engine (particularly, but not exclusively, depending on the engine temperature, the speed, the required power and the required fuel volume), a predetermined fuel temperature should be reached, which ensures that the injection nozzle is cooled by the fuel is kept below a temperature that leads to deposits, but which also ensures that the fuel is vaporized so well during the injection process that effective combustion also takes place. On the other hand, the fuel must not be cooled to such an extent that the injector function would be altered by high fuel viscosity. Consequently, the fuel should have a temperature in a relatively narrow range, which, however, depends on the respective operating state of the internal combustion engine.

Die Sollwerte für die Kraftstofftemperatur können in der Steuerung 10 abgespeichert werden. Hierzu kann eine Look-Up-Table verwendet werden, in der zu jeder vorkommenden Kombination unterschiedlicher Betriebsparameter der entsprechende Sollwert für die Kraftstofftemperatur hinterlegt ist. Diese Sollwerte sind selbstverständlich auch abhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffs. Wird die Brennkraftmaschine alternativ mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben, sollten folglich auch Sollwerte für unterschiedliche Kraftstoffe hinterlegt werden. Die Umschaltung von einem Sollwertspeicher auf den anderen kann dann entweder manuell nach Bedarf oder über eine automatische Bestimmung des verwendeten Kraftstoffs erfolgen.The target values for the fuel temperature can be stored in the controller 10 . For this purpose, a look-up table can be used, in which the corresponding desired value for the fuel temperature is stored for every combination of different operating parameters that occurs. Of course, these target values are also dependent on the type of fuel used. If the internal combustion engine is operated alternatively with different fuels, setpoint values for different fuels should consequently also be stored. Switching from one reference value memory to the other can then either take place manually as required or by automatically determining the fuel used.

Bei der Bestimmung der Sollwerte in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine ist darauf abzustellen, dass bei einer hohen Leistung zwar auch eine große Wärmemenge auf die Einspritzdüse übergeht, dass aber auch ein großes Volumen an Kraftstoff durch die Einspritzdüse fließt und somit eine stärkere Kühlwirkung als bei niedriger Leistung bewirkt wird. Trotzdem wird -insbesondere bei der Verwendung bestimmter Kraftstoffe (z. B. Pflanzenöl) - bei hoher Leistung eine Kühlung des Kraftstoffes eine stark verminderte Neigung zur Bildung von Ablagerungen in und an der Einspritzdüse erbringen.When determining the target values depending on the operating state of the internal combustion engine, it must be taken into account that at high power, a large amount of heat is transferred to the injection nozzle, but that a large volume of fuel flows through the injection nozzle and thus a stronger cooling effect than at low power performance is effected. Nevertheless - especially when using certain fuels (e.g. vegetable oil) - at high power levels, cooling the fuel will result in a greatly reduced tendency for deposits to form in and on the injection nozzle.

Unter Kaltstartbedingungen bei niedriger Motortemperatur wird im Normalfall keine Kühlung des Kraftstoffs notwendig sein; ganz im Gegenteil könnte hier eine Kühlung sogar schädlich für das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine sein. Auch dies ist bei der Bestimmung der hinterlegten Sollwerte zu berücksichtigen.Under cold start conditions at low engine temperatures, no cooling of the fuel will normally be necessary; on the contrary, cooling could even be detrimental to the exhaust behavior of the internal combustion engine. This must also be taken into account when determining the stored target values.

In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach 1 ist ein Kraftstoffkühler vorgesehen, der einen Wärmetauscher 7 aufweist, der mit kühlem Kraftstoff aus dem Tank 1 betrieben wird. Hierzu wird Kraftstoff aus der Kraftstoffzuführung 2 vor der Hochdruckpumpe 3 abgezweigt. Es erfolgt also eine Aufteilung des Kraftstoffes aus dem Tank 1 in einen Anteil Betriebskraftstoff zum Betreiben der Brennkraftmaschine und in einen Anteil Kühlkraftstoff. Ist eine Kraftstoffförderpumpe vorgesehen, erfolgt die Aufteilung des Kraftstoffs nach der Kraftstoffförderpumpe.In the first embodiment according to the invention 1 a fuel cooler is provided which has a heat exchanger 7 which is operated with cool fuel from the tank 1 . To this end, fuel is branched off from the fuel supply line 2 before the high-pressure pump 3 . The fuel from the tank 1 is therefore divided into a proportion of operating fuel for operating the internal combustion engine and a proportion of cooling fuel. If a fuel feed pump is provided, the fuel is divided after the fuel feed pump.

Der Kühlkraftstoff wird dem Wärmetauscher 7 so zugeführt, dass er innerhalb des Wärmetauschers 7 im Gegenstrom zu dem heißen, unter Hochdruck stehenden Betriebskraftstoff aus der Hochdruckpumpe 3 fließt. Nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher 7 wird der Kühlkraftstoff der Rücklaufleitung 6 zugeführt und läuft zurück in den Tank 1. Der Tank 1 fungiert bei dieser Anordnung als Kühler, so dass der in dem Wärmetauscher 7 erhitzte Kühlkraftstoff wieder abgekühlt wird.The cooling fuel is supplied to the heat exchanger 7 in such a way that it flows inside the heat exchanger 7 in countercurrent to the hot, high-pressure operating fuel from the high-pressure pump 3 . After passing through the heat exchanger 7, the cooling fuel is fed to the return line 6 and runs back into the tank 1. In this arrangement, the tank 1 acts as a cooler, so that the cooling fuel heated in the heat exchanger 7 is cooled again.

Der von der Hochdruckpumpe 3 kommende, erhitzte und unter Druck stehende Betriebskraftstoff wird bei dem Durchgang durch den Wärmetauscher 7 abgekühlt, indem Wärmeenergie auf den im Gegenstrom fließenden Kühlkraftstoff übertragen wird. Um die Kühlung steuern zu können, ist noch ein Regelventil 12 zwischen der Aufteilung des Kraftstoffs vor der Hochdruckpumpe 3 und dem Eingang des Kühlkraftstoffs in den Wärmetauscher 7 vorgesehen.The heated and pressurized operating fuel coming from the high-pressure pump 3 is cooled as it passes through the heat exchanger 7, in that thermal energy is transferred to the cooling fuel flowing in countercurrent. In order to be able to control the cooling, a control valve 12 is also provided between the distribution of the fuel in front of the high-pressure pump 3 and the entry of the cooling fuel into the heat exchanger 7 .

Im einfachsten Falle handelt es sich hierbei um ein einfaches Stellventil mit einer Offen- und einer Geschlossen-Stellung, so dass sich die Kraftstoffkühlung entweder ein- oder ausschalten lässt. Bei dieser einfachen Ausführungsform könnte sogar auf den Temperatursensor 11 verzichtet werden. Die Steuerung würde das Regelventil 12 dann nur in Abhängigkeit von der Motortemperatur öffnen oder schließen. Das würde bedeuten, dass unter Kaltstartbedingungen bis zum Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine keine Kraftstoffkühlung erfolgen würde. Erst nach dem Erreichen dieser Betriebstemperatur würde der Kraftstoff kontinuierlich in gleicher Weise gekühlt werden. Eine Anpassung der Kühlleistung würde hier nur in so weit erfolgen, dass bei hoher Leistung auch viel Kraftstoff durch die Einspritzdüse gefördert wird, die Kühlleistung also nicht über die Kraftstofftemperatur sondern über die Kraftstoffmenge angepasst wird.In the simplest case, this is a simple control valve with an open and a closed position, so that the fuel cooling can either be switched on or off. In this simple embodiment, the temperature sensor 11 could even be dispensed with. The controller would then only move the control valve 12 in Open or close depending on engine temperature. This would mean that, under cold start conditions, no fuel cooling would take place until the internal combustion engine had reached a specific operating temperature. Only after reaching this operating temperature would the fuel be continuously cooled in the same way. The cooling capacity would only be adjusted here to such an extent that at high capacity a lot of fuel would also be conveyed through the injection nozzle, so the cooling capacity would not be adjusted via the fuel temperature but via the fuel quantity.

Für eine genau Regelung ist aber vorteilhaft ein stufenlos verstellbares Regelventil vorgesehen. In diesem Fall erfolgt die genaue Regelung der Temperatur des Betriebskraftstoffs mit Hilfe des Temperatursensors 11 und der Steuerung 10. Es kann hier zu jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine vorbestimmte Kraftstofftemperatur eingeregelt werden, so dass sich die Einspritzdüse immer in einem optimalen Temperaturbereich befindet.However, a steplessly adjustable control valve is advantageously provided for precise control. In this case, the temperature of the operating fuel is precisely regulated with the aid of temperature sensor 11 and controller 10. A predetermined fuel temperature can be regulated here for every operating state of the internal combustion engine, so that the injection nozzle is always in an optimum temperature range.

In dem Beispiel nach 2 wird ein anderes Kühlsystem zur Kühlung des Kraftstoffs benutzt. Hier ist der Wärmetauscher 7 mit einem Kühlkreislauf verbunden, der nicht mit Kraftstoff betrieben wird. Es wird ein Kühlmedium verwendet, das in dem Wärmetauscher 7 von dem im Gegenstrom fließenden heißen, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff Wärmeenergie aufnimmt und diese in dem Kühler 13 wieder abgibt.In the example after 2 a different cooling system is used to cool the fuel. Here the heat exchanger 7 is connected to a cooling circuit that is not operated with fuel. A cooling medium is used which, in the heat exchanger 7 , absorbs thermal energy from the hot, highly pressurized fuel flowing in counterflow and releases this again in the cooler 13 .

Bei dem Kühler 13 kann es sich beispielsweise um einen Kälteerzeuger handeln, der mit Strom, Gas oder Kraftstoff betrieben wird. In diesem Fall könnte die Steuerung der Kraftstofftemperatur über die Steuerung des Kälteerzeugers erfolgen. Wenn eine gewisse Trägheit des Systems in Kauf genommen werden kann, könnte in diesem Fall sogar auf das Regelventil 12 verzichtet werden. Vorteilhaft wird aber eine kombinierte Regelung über die Steuerung des Kälteerzeugers und die Steuerung des Regelventils 12 verwendet.The cooler 13 can be, for example, a cold generator that is operated with electricity, gas or fuel. In this case, the fuel temperature could be controlled by controlling the chiller. If a certain inertia of the system can be accepted, the control valve 12 could even be dispensed with in this case. However, a combined regulation via the control of the cold generator and the control of the control valve 12 is advantageously used.

Bei dem Kühler 13 kann es sich aber ebenso um den üblicherweise sowieso vorhandenen Luftkühler eines Kfz handeln. In diesem Fall müsste der Wärmetauscher 7 lediglich in das vorhandene Kühlsystem für die Brennkraftmaschine eingebunden werden. Als Kühlmedium wird in diesem Fall das in dem vorhandenen Kühlsystem zirkulierende, mit Frostschutz versetzte Wasser verwendet.However, the cooler 13 can also be the air cooler of a motor vehicle that is usually present anyway. In this case, the heat exchanger 7 would only have to be integrated into the existing cooling system for the internal combustion engine. In this case, the water mixed with antifreeze and circulating in the existing cooling system is used as the cooling medium.

Die Kühlsysteme von Kfz sind üblicherweise in einen kleinen und einen großen Kühlkreislauf unterteilt. Um bei Kaltstartbedingungen möglichst schnell die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erreichen zu können, wird der große Kühlkreislauf, der das Kühlwasser über den Kühler leitet, erst dann zugeschaltet, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist. Da aber die Kraftstoffkühlung auch erst bei einer höheren Temperatur der Brennkraftmaschine benötigt wird, ist es vollkommen ausreichend, die Kraftstoffkühlung in den gro-ßen Kühlkreislauf zu integrieren. Die Steuerung 10, der Temperatursensor 11 und das Regelventil 12 fungieren hier wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.Motor vehicle cooling systems are usually divided into a small and a large cooling circuit. In order to be able to reach the operating temperature of the internal combustion engine as quickly as possible under cold start conditions, the large cooling circuit, which directs the cooling water through the radiator, is only switched on when the operating temperature has been reached. However, since the fuel cooling is only required at a higher temperature of the internal combustion engine, it is entirely sufficient to integrate the fuel cooling into the large cooling circuit. The controller 10, the temperature sensor 11 and the control valve 12 function here as already explained in connection with the first exemplary embodiment.

Aber auch bei der Variante, bei der die Kraftstoffkühlung in den großen Kühlkreislauf der Motorkühlung integriert ist, gibt es eine sehr einfache Ausführungsform, die trotzdem sehr effektiv arbeitet. Dabei können Steuerung 10 Temperatursensor 11 und Regelventil 12 eliminiert werden. Trotzdem wird erreicht, dass bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine keine Kraftstoffkühlung stattfindet. Erst danach wird der große Kühlkreislauf der Motorkühlung dazugeschaltet und somit auch die Kraftstoffkühlung in Betrieb genommen. In diesem Zustand wird zwar der Kraftstoff kontinuierlich in etwa mit der gleichen Leistung gekühlt, allerdings hängt die Kühlung der Einspritzdüse von dem Volumen des eingespritzten Kraftstoffs ab, so dass folglich die Einspritzdüse bei hoher Motorleistung auch stärker gekühlt wird als bei niedriger Leistung.But even with the variant in which the fuel cooling is integrated into the large cooling circuit of the engine cooling, there is a very simple embodiment that still works very effectively. In this case, controller 10, temperature sensor 11 and control valve 12 can be eliminated. Despite this, it is achieved that no fuel cooling takes place until the operating temperature of the internal combustion engine has been reached. Only then is the large cooling circuit of the engine cooling switched on and thus the fuel cooling also put into operation. In this state, the fuel is continuously cooled with approximately the same power, but the cooling of the injection nozzle depends on the volume of the injected fuel, so that the injection nozzle is also cooled more at high engine power than at low power.

Das Beispiel nach 3 zeigt eine rein elektrisch arbeitende Ausführung. Hier wird der Kraftstoff mit dem Peltier-Kühler 14 gekühlt. Vorteilhaft sind in dem Peltierkühler wenigstens zwei Peltierelemente vorgesehen, so dass eine gute Anpassung an an die Kraftstoffleitung 23 möglich ist. Der Peltier-Kühler 14 ist wiederum mit einer Steuerung 10 verbunden, die von einem Temperatursensor 11 die der Kraftstofftemperatur entsprechenden Messwerte erhält. Auch hier kann wieder zu jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein Temperatur-Sollwert hinterlegt sein. Es ist dann mit Hilfe der Peltierelemente eine genaue Abstimmung der Kraftstofftemperatur auf den jeweiligen Betriebszustand möglich. Wenn die Steuerung 10 so ausgelegt wird, dass eine Umpolung der Stromversorgung der Peltier-Elemente möglich ist. Besteht hier sogar die Möglichkeit, den Kraftstoff während der Kaltstartphase zu heizen.The example after 3 shows a purely electrically operated version. Here the fuel is cooled with the Peltier cooler 14 . At least two Peltier elements are advantageously provided in the Peltier cooler, so that good adaptation to the fuel line 23 is possible. The Peltier cooler 14 is in turn connected to a controller 10 which receives the measured values corresponding to the fuel temperature from a temperature sensor 11 . Here, too, a temperature setpoint value can be stored for each operating state of the internal combustion engine. With the help of the Peltier elements, the fuel temperature can then be precisely matched to the respective operating state. If the controller 10 is designed in such a way that the polarity of the power supply to the Peltier elements can be reversed. It is even possible to heat the fuel during the cold start phase.

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer doppelwandigen Kraftstoffleitung 15 gezeigt, die hier als Kraftstoffkühler fungiert. Auch dieser Kraftstoffkühler wird mit kaltem Kraftstoff aus dem Tank 1 betrieben. Dazu wird der Kühlkraftstoff wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 vor der Hochdruckpumpe 3 von der Kraftstoffzufuhr 2 abgezweigt und wird über das Regelventil 12 der doppelwandigen Kraftstoffleitung 15 zugeführt.In 4 an embodiment with a double-walled fuel line 15 is shown, which acts as a fuel cooler here. This fuel cooler is also operated with cold fuel from tank 1. For this purpose, the cooling fuel is used as in the exemplary embodiment 1 branched off from the fuel supply 2 upstream of the high-pressure pump 3 and is supplied to the double-walled fuel line 15 via the control valve 12 .

Ein schematisierter Schnitt durch die doppelwandige Kraftstoffleitung 15 ist in 5 gezeigt. Der Kühlkraftstoff aus der Kühlmittelzufuhr 8 wird dabei in den Raum zwischen der äußeren Rohrwandung 16 und der inneren Rohrwandung 17 der doppelwandigen Kraftstoffleitung 15 eingespeist. Der heiße unter hohem Druck stehende Betriebskraftstoff für den Betrieb der Brennkraftmaschine wird dagegen durch den Raum innerhalb der inneren Rohrwandung 17 der doppelwandigen Kraftstoffleitung 15 geführt. Auf diese Weise kann die Wärme von dem Betriebskraftstoff ausgezeichnet auf den Kühlkraftstoff übertragen werden.A schematic section through the double-walled fuel line 15 is shown in 5 shown. The Cooling fuel from the coolant supply 8 is fed into the space between the outer tube wall 16 and the inner tube wall 17 of the double-walled fuel line 15 . The hot, highly pressurized operating fuel for operating the internal combustion engine, on the other hand, is guided through the space within the inner pipe wall 17 of the double-walled fuel line 15 . In this way, the heat from the operating fuel can be excellently transferred to the cooling fuel.

Da die Verbindung zwischen dem Raum zwischen innerer 17 und äußerer Wandung 16 der doppelwandigen Kraftstoffleitung 15 und der Kühlmittelabfuhr 9 näher an der Hochdruckpumpe als die Verbindung dieses Raumes mit der Kühlmittelzufuhr 8 angeordnet ist, fließt der Kühlkraftstoff im Gegenstrom zum Betriebskraftstoff. Dadurch ist eine effektive Kühlung des Betriebskraftstoffs gewährleistet. Die Kühlmittelabfuhr 9 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 mit der Rücklaufleitung 6 verbunden, so dass der Kühlkraftstoff nach dem Durchlauf durch die doppelwandige Kraftstoffleitung 15 wieder in den Tank 1 rückgeführt werden kann.Since the connection between the space between the inner 17 and outer wall 16 of the double-walled fuel line 15 and the coolant outlet 9 is closer to the high-pressure pump than the connection of this space to the coolant supply 8, the cooling fuel flows in countercurrent to the operating fuel. This ensures effective cooling of the operating fuel. The coolant discharge 9 is as in the embodiment shown in FIG 1 connected to the return line 6 so that the cooling fuel can be returned to the tank 1 after passing through the double-walled fuel line 15 .

Ist die Verbindung zwischen Hochdruckpumpe 3 und Common-Rail 4 in ihrer ganzen Länge doppelwandig ausgeführt, ist es hier schwerlich möglich einen Temperatursensor anzubringen, der die Kraftstofftemperatur misst. Aus diesem Grund ist der Temperatursensor 11 bei dieser Ausführungsform an dem Common-Rail 4 angeordnet. Hier lässt sich die Temperatur des Betriebskraftstoffs messen ohne durch die Temperatur des Kühlkraftstoffs verfälscht zu werden. Die Regelung des Kraftstoffkühlers kann ansonsten, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 beschrieben, vorgenommen werden.If the connection between the high-pressure pump 3 and the common rail 4 is double-walled over its entire length, it is hardly possible to attach a temperature sensor that measures the fuel temperature. For this reason, the temperature sensor 11 is arranged on the common rail 4 in this embodiment. The temperature of the operating fuel can be measured here without being falsified by the temperature of the cooling fuel. The control of the fuel cooler can otherwise, as in the embodiment 1 described, are made.

In den 6 und 7 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Wärmetauschern 7 aufgezeigt wie sie als Kraftstoffkühler zum Einsatz kommen können. Der Wärmetauscher nach 6 weist einen quadratischen Querschnitt auf. In dieser schematischen Schnittzeichnung sind die Kraftstoffkanäle 18 weiß und die Kühlmittelkanäle 19 schraffiert dargestellt. Bei der hier gezeigten Anordnung ist gewährleistet, dass auch in der äußeren Schicht an jeden Kraftstoffkanal 18 wenigstens drei Kühlmittelkanäle angrenzen. Hierzu muss die Anzahl der Kühlkanäle 19 um eins größer sein als die Anzahl der Kraftstoffkanäle 18. In 6 sind deshalb 25 Kühlmittelkanäle 19 und nur 24 Kraftstoffkanäle 18 vorgesehen.In the 6 and 7 two different embodiments of heat exchangers 7 are shown as they can be used as a fuel cooler. The heat exchanger after 6 has a square cross section. In this schematic sectional drawing, the fuel channels 18 are shown in white and the coolant channels 19 are hatched. The arrangement shown here ensures that at least three coolant channels also adjoin each fuel channel 18 in the outer layer. For this purpose, the number of cooling channels 19 must be one greater than the number of fuel channels 18. In 6 25 coolant channels 19 and only 24 fuel channels 18 are therefore provided.

Der in 7 gezeigte Wärmetauscher weist einen runden Querschnitt auf. Hier ist ein Bündel im Querschnitt ebenfalls runder Kraftstoffführungen 22 vorgesehen, die innerhalb einer größeren, das Bündel umschließenden Kühlmittelleitung 21 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Kühlmittelleitung 21 praktisch durch das Gehäuse 20 des Wärmetauschers gebildet. Jede Kraftstoffführung 22 ist hier nahezu vollständig von Kühlmittel umgeben.the inside 7 Heat exchanger shown has a round cross section. A bundle of fuel lines 22, which are also round in cross-section, is provided here, which are arranged within a larger coolant line 21 that encloses the bundle. In this embodiment, the coolant line 21 is practically formed by the housing 20 of the heat exchanger. Each fuel guide 22 is here almost completely surrounded by coolant.

Beide Wärmetauscher müssen relativ robust ausgeführt werden, da zwischen dem Kraftstoff und dem Kühlmittel ein sehr hoher Druckunterschied vorherrscht. Bei einzelnen Ausführungsformen wäre es sicher aber auch möglich, das Kühlmedium auf ein ähnliches Druckniveau zu bringen und so einen weniger robusten Wärmetauscher verwenden zu können.Both heat exchangers must be relatively robust, since there is a very high pressure difference between the fuel and the coolant. In individual embodiments, however, it would certainly also be possible to bring the cooling medium to a similar pressure level and thus be able to use a less robust heat exchanger.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen nur Common-Rail-Systeme, bei denen der Rail-Druck über ein Überdruckventil geregelt wird. Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf Common-Rail-Systeme anwendbar, die zusätzlich zu einem regelbaren Überdruckventil oder statt dessen am Eingang des Rails eine Zumesseinheit aufweisen. Die Zumesseinheit hat die Aufgabe, das Rail nur mit der Menge an Kraftstoff zu versorgen, die unter aktuellen Bedingungen gerade benötigt wird. Dadurch lässt sich Leistung einsparen , die ansonsten für den Druckaufbau in nicht benötigtem Kraftstoff verschwendet wird. In diesen Fällen kann sogar eine besonders effektive Kühlung des Kraftstoffs stattfinden, da nur der tatsächlich benötigte Kraftstoff gekühlt werden muss.The exemplary embodiments described here only show common rail systems in which the rail pressure is regulated via a pressure relief valve. The invention can, of course, also be applied to common rail systems which have a metering unit at the inlet of the rail in addition to a controllable pressure relief valve or instead thereof. The task of the metering unit is to only supply the rail with the amount of fuel that is currently required under the current conditions. This saves power that would otherwise be wasted on building up pressure in unneeded fuel. In these cases, the fuel can even be cooled particularly effectively, since only the fuel that is actually required has to be cooled.

BezugszeichenlisteReference List

11: Kraftstofftankfuel tank
22: Kraftstoffzufuhrfuel delivery
33: Hochdruckpumpehigh pressure pump
44: Common-Railcommon rail
55: Injektorinjector
66: Rücklaufleitungreturn line
77: Wärmetauscherheat exchanger
88th: Kühlmittelzufuhrcoolant supply
99: Kühlmittelabfuhrcoolant removal
1010: Steuerungsteering
1111: Temperatursensortemperature sensor
1212: Regelventilcontrol valve
1313: Kühlercooler
1414: Peltier-KühlerPeltier cooler
1515: doppelwandige Kraftstoffleitungdouble-walled fuel line
1616: äußere Rohrwandungouter pipe wall
1717: innere Rohrwandunginner tube wall
1818: Kraftstoffkanälefuel channels
1919: Kühlmittelkanälecoolant channels
2020: GehäuseHousing
2121: Kühlmittelleitungcoolant line
2222: Kraftstoffführungfuel routing
2323: Kraftstoffleitungfuel line

Claims

Internal combustion engine operated by a diesel engine, which is operated with fuel from a storage tank (1), with at least one high-pressure pump (3) for compressing the fuel to a pressure above 1000 bar, with at least one cylinder and at least one injector (5), characterized that between the high-pressure pump (3) and the at least one injector (5) a fuel cooler (7; 15) for the fuel to be supplied to the injector (5) is provided, wherein the cooling medium is fuel and wherein for controlling the fuel cooler (7; 15) a control valve (12) is provided for this cooling medium.

Diesel-powered internal combustion engine claim 1 , characterized in that between the high-pressure pump (3) and the injector (5) fuel-carrying components (23) are provided and the fuel cooler (7; 15) a fuel-carrying component (23) at least partially encloses.

Diesel-powered internal combustion engine claim 1 , characterized in that the fuel cooler is designed as a heat exchanger (7) which is connected between two fuel-carrying components (23).

Diesel-powered internal combustion engine according to a Claims 1 until 3 , characterized in that the fuel cooler (15) has a double-walled fuel-carrying component (15) through which hot compressed fuel is carried in countercurrent to colder cooling medium.

Diesel-powered internal combustion engine according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a common rail high-pressure system (3, 4, 5) is provided and the fuel cooler (7; 15) between the high-pressure pump (3) and the outlet of the common rail (4) is arranged.