DE102017222931A1

DE102017222931A1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017222931A1
Application number: DE102017222931.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Herzenjak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019115164A1

Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Pumpe (10), wobei durch die mindestens eine Pumpe (10) Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (12) in einen Hochdruckbereich gefördert wird, wobei der Hochdruckbereich einen Buffertank (18) und einen Hochdruckspeicher (20) aufweist, wobei zwischen dem Buffertank (18) und dem Hochdruckspeicher (20) ein Druckregler (19) angeordnet ist. In einer Rücklaufleitung (23), welche den Druckregler (19) mit dem Vorratsbehälter (12) verbindet, ist ein Rücklauftank (24) mit einer Kühleinrichtung (40) angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1.
Eine solche Kraftstofffördereinrichtung ist durch die DE 10 2012 200 706 A1 bekannt. Diese Kraftstofffördereinrichtung weist eine Förderpumpe auf, durch die Kraftstoff zur Saugseite einer Hochdruckpumpe gefördert wird. Durch die Hochdruckpumpe wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich gefördert, aus dem zumindest mittelbar wenigstens ein Injektor der Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Kraftstoff versorgt wird. Zwischen der Förderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe führt eine Bypassverbindung zu einem Niederdruckbereich ab.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, dass die Temperatur des Kraftstoffes, der in den Vorratsbehälter zurückströmt reduziert wird, da die Temperatur des Kraftstoffes im Rücklauftank durch die Kühleinrichtung reduziert wird.
Im kälteisolierten Vorratsbehälter (z.B. LNG-Tank, Kryo-Tank) wird der gasförmige Kraftstoff bei einer Temperatur von -140°C gespeichert. Aufgrund der niedrigen Temperaturen befindet sich der Kraftstoff in der flüssigen Phase. Für den motorischen Betrieb sind aber deutlich höhere Temperaturen nötig (ca. -20°C).
Durch die Kühleinrichtung im Rücklauftank kann eine ungewollte Erhöhung der Temperatur des Kraftstoffes im Vorratsbehälter durch rückströmenden Kraftstoff vermieden werden.
Abhängig vom gewünschten Druck im Hochdruckspeicher, wird überschüssiger, erwärmter Kraftstoff über eine Rücklaufleitung aus dem Hochdruckbereich abgesteuert.
Die thermische Energie des Kraftstoffes in der Rücklaufleitung kann mittels der Kühleinrichtung reduziert werden. Des Weiteren ist es möglich den Kraftstoff im Rücklauftank soweit abzukühlen, dass der Kraftstoff eine Zustandsänderung erfährt und sich verflüssigt bzw. in der flüssigen Phase vorliegt.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn die Kühleinrichtung ein Wärmetauscher eines Kühlkreises ist, da sich dieser kostengünstig und mit geringen Konstruktionsaufwand in den Rücklauftank integrieren lässt.
Ein Kompressor 32 im Kühlkreis ist vorteilhaft, da dieser es ermöglicht, dass durch das Fluid, welches sich im geschossenen Kühlkreis befindet, mehr Kälteenergie aufgenommen werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Anordnung eines Kühlers, welcher sich im Kühlkreis zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher befindet, und eines Expansionsventil, welches sich zwischen dem Kühler und dem Wärmetauscher ein Expansionsventil befindet.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der Kompressor mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Bremsenergie in Kompressionsenergie verbunden ist, da auf diese Weise die Bremsenergie, die ansonsten nicht genutzt würde, mittelbar zur Abkühlung des Kraftstoffes eingesetzt werden kann. Ein gesonderter Antrieb für den Kompressor kann entfallen oder muss nur im Notfall eingesetzt werden, so dass Energie eingespart werden kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine Hochdruckpumpe zwischen einer Förderpumpe und dem Buffertank angeordnet ist, da der Druck des Kraftstoffes durch dieses zweistufige System besser kontrolliert werden kann und auch höherer Drücke, als nur mit einer Pumpe, erreicht werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch ein Ventil, welches zwischen Rücklauftank und Vorratsbehälter angeordnet ist, da durch das Ventil die aus dem Vorratsbehälter strömende Kraftstoffmenge steuerbar ist. Der Kraftstoff wird durch das Ventil solange im Rücklauftank zurückgehalten werden bis es eine gewünschte Temperatur erreicht hat.
Eine Abzweigleitung, welche die Rücklaufleitung und einen ersten Leitungsabschnitt verbindet, wobei der erste Leitungsabschnitt zwischen der Förderpumpe und der Hochdruckpumpe angeordnet ist, ist von Vorteil, da die Kraftstoffmenge, die in den Vorratsbehälter zurückströmt reduziert werden kann, wenn der Kraftstoff nicht die thermischen Voraussetzungen erfüllt um zurück in den Vorratsbehälter geleitet zu werden.
Ein Abzweigventil, welches zwischen Rücklaufleitung und Abzweigleitung angeordnet ist, ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Kraftstoff in der Rücklaufleitung abhängig von der Temperatur des Kraftstoffes in der Rücklaufleitung entweder in den Vorratsbehälter oder in den ersten Leitungsabschnitt vor der Hochdruckpumpe geleitet werden kann .
Ausführungsbeispiele
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist mindestens eine Pumpe 10,16 auf, die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 12 ansaugt.
Durch die mindestens eine Pumpe 10,16 wird Kraftstoff über einen Wärmetauscher 32 in einen Hochdruckbereich der Kraftstofffördereinrichtung 1 gefördert.
Der Hochdruckbereich umfasst einen Buffertank 18 und einen Hochdruckspeicher 20, wobei der Hochdruckspeicher 20 mit mindestens einem Injektor 21 zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum, verbunden ist.
Der Wärmetauscher 32 ist zwischen der mindestens einen Pumpe 10,16 und dem Buffertank 18 angeordnet. Der Wärmetauscher 32 ist dazu ausgebildet thermische Energie aus einem weiteren Fahrzeugsystem, insbesondere dem Kühlkreislauf, auf den Kraftstoff zu übertragen.
Zwischen dem Buffertank 18 und dem Hochdruckspeicher 20 ist ein Druckregler 19 angeordnet. Der Druckregler 19 ermöglicht eine Einstellung der gewünschten Druckverhältnisse im Hochdruckspeicher 20, indem er die Kraftstoffstoffmenge, die aus dem Buffertank 18 in den Hochdruckspeicher 20 strömt regelt, wobei typischerweise im Buffertank 18 ein höherer Druck herrscht als im Hochdruckspeicher 20.
Falls zu viel Kraftstoff in den Hochdruckbereich gefördert wurde, kann überschüssiger Kraftstoff durch eine Rücklaufleitung 23, welche mit dem Vorratsbehälter 12 verbunden ist, aus dem Hochdruckbereich abgesteuert werden. Die Rücklaufleitung 23 kann, wie in 1 dargestellt, mit dem Druckregler 19 verbunden sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Rücklaufleitung 23 auch mit dem Hochdruckspeicher 20 über ein Absteuerventil verbunden sein.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Rücklaufleitung 23 sowohl mit dem Druckregelventil 19, als auch mit dem Hochdruckspeicher 20 über ein Absteuerventil verbunden ist.
Die Kraftstofffördereinrichtung 1 ist zur Förderung von Gas in der flüssigen Phase als Kraftstoff ausgelegt. Im Vorratsbehälter 12 wird das Gas in flüssigem Aggregatszustand bzw. in der flüssigen Phase bei sehr niedrigen Temperaturen aufgenommen. Um das Gas in dem flüssigen Aggregatszustand bzw. der flüssigen Phase zu halten, muss das Gas unter sehr niedrigen Temperaturen im Vorratsbehälter 12 aufbewahrt werden. Der Vorratsbehälter 12 weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Isolierung auf, um einen Wärmeeintrag von außen in den Kraftstoff zu vermeiden.
Die mindestens eine Pumpe 10, 16 kann als Förderpumpe 10 und nachgeordneter Hochdruckpumpe 16 ausgestaltet sein, so dass der Kraftstoff zweistufig auf einen höheren Druck komprimiert wird. Hierbei kann die Förderpumpe 10 entweder im Vorratsbehälter 12 oder außerhalb des Vorratsbehälters 12 angeordnet sein und den Kraftstoff auf ein erstes Druckniveau verdichten, während die Hochdruckpumpe 16 der Förderpumpe 10 nachgeordnet ist und den Kraftstoff vom ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau verdichtet.
Ein Rücklauftank 24 ist in der Rücklaufleitung 23 angeordnet. Des Weiteren ist zwischen dem Rücklauftank 24 und dem Vorratsbehälter 12 ein Ventil 27 angeordnet. Das Ventil 27 kann die zum Vorratsbehälter 12 strömende Kraftstoffmenge steuern. Dies ist entweder durch ein elektrisch ansteuerbares Ventil 27 möglich, welches die Zustände „offen“ oder „geschlossen“ aufweist und entsprechend angesteuert wird. Alternativ kann das Ventil 27 auch als Drossel mit veränderbaren Querschnitt realisiert werden, so dass die jeweilige Durchströmmenge an Kraftstoff verändert werden kann.
Im Rücklauftank 24 ist eine Kühleinrichtung 40 angeordnet, wobei die Kühleinrichtung 40 den Kraftstoff, der durch die Rücklaufleitung 23 strömt, auf eine niedrigere Temperatur abkühlt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Kraftstoff, der in den Vorratsbehälter 12 zurückströmt eine geringere Temperatur aufweist, nachdem der Rücklauftank 24 durchströmt wurde.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Abzweigleitung 25 die Rücklaufleitung 23 und einen ersten Leitungsabschnitt 13 verbinden. Der erste Leitungsabschnitt 13 ist zwischen der Förderpumpe 10 und der Hochdruckpumpe 16 angeordnet.
Ein Abzweigventil 26, welches zwischen der Rücklaufleitung 23 und der Abzweigleitung 25 angeordnet ist, ermöglicht es den rückströmenden Kraftstoff aus der Rücklaufleitung 23 entweder zurück in den Vorratsbehälter 12 zu leiten oder den rückströmenden Kraftstoff aus der Rückströmleitung 23 in den ersten Leitungsabschnitt 13 zu leiten.
Das Abzweigventil 26 kann so ausgestaltet sein, dass abhängig von der Temperatur des Kraftstoffes in der Rückströmleitung 23 der Kraftstoff entweder in den ersten Leitungsabschnitt 13 strömt oder in den Vorratsbehälter 12 zurück strömt.
In der 2 eine Kraftstofffördereinrichtung 1 einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Kühleinrichtung 40 ist als Wärmetauscher 31 eines Kühlkreises 30 ausgebildet. Ansonsten entsprechen die Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung aus der 2 den Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung aus der 1.
Der Wärmetauscher 31 überträgt die thermische Energie aus dem Kraftstoff im Rücklauftank 24 auf ein Fluid, welches sich im Kühlkreis 30 befindet. Die Temperatur des Kraftstoffes im Rücklauftank 24 wird auf diese Weise reduziert, so dass der Kraftstoff, der in den Vorratsbehälter 12 zurückströmt eine geringere Temperatur aufweist, nachdem der Rücklauftank 24 durchströmt wurde.
Der Kühlkreis 30 ist als geschlossenes System ausgebildet, in dem ein Fluid zirkuliert, welches eine hohe Wärmekapizität aufweist.
Nachdem das Fluid des Kühlkreises 30 den Wärmetauscher 31 durchströmt hat, gelangt es in einen Kompressor 32, wo es verdichtet wird. In einem dem Kompressor 32 nachgelagerten Kühler 34 wird die Temperatur des Fluides heruntergekühlt. Zwischen Kühler 34 und Wärmetauscher 31 ist ein Expansionsventil 35 angeordnet.
Der Kompressor 32 kann gemäß einer Ausführungsform mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Bremsenergie in Kompressionsenergie 33 verbunden sein. Diese Vorrichtung zur Umwandlung von Bremsenergie in Kompressionsenergie 33 kann in Form einer Magnetkupplung realisiert sein, wobei die Magnetkupplung des Gaskompressors schließt, wenn der Bremsvorgang eingeleitet wird, so dass durch den Kompressor das Fluid auf einen hohen Druck verdichtet wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Kompressor 32 an die Getriebeausgangswelle oder an die Kardanwelle angebracht werden. Dies ermöglicht einen hohen Energieaustausch durch die großen Bremsleistungen bei hohen Geschwindigkeiten, während die Bremsleitung im Stadtverkehr signifikant sinkt.
Anschließend wird das Fluid durch den Kühler 34 auf Umgebungstemperatur gebracht. Durch das Expansionsventil 35 wird das Fluid expandiert, so dass durch den Joule-Thomson Effekt eine starke Abkühlung des Fluides erreicht wird, idealerweise zu Temperaturen im negativen Bereich der Temperaturskala, optimaler Weise bis zu -140 °C.
Die Kälteenergie des Fluides wird über den Wärmetauscher 31 auf den Kraftstoff im Rücklauftank 24 übertragen. Aus diesem Grund sollte der Rücklauftank 24 gemäß einer Ausführungsform isoliert ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012200706 A1 [0002]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Pumpe (10), wobei durch die mindestens eine Pumpe (10,16) Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (12) in einen Hochdruckbereich gefördert wird, wobei der Hochdruckbereich einen Buffertank (18) und einen Hochdruckspeicher (20) aufweist, wobei zwischen dem Buffertank (18) und dem Hochdruckspeicher (20) ein Druckregler (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Rücklaufleitung (23), welche den Hochdruckbereich mit dem Vorratsbehälter (12) verbindet ein Rücklauftank (24) angeordnet ist, wobei der Rücklauftank (24) eine Kühleinrichtung (40) aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei zwischen Rücklauftank (24) und Vorratsbehälter (12) ein Ventil (27) angeordnet ist, wobei durch das Ventil (27) die aus dem Rücklauftank (24) strömende Kraftstoffmenge steuerbar ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Kühleinrichtung (40) ein Wärmetauscher (31) eines Kühlkreises (30) ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei der Kühlkreis (30) einen Kompressor (32) aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei im Kühlkreis (30) zwischen dem Kompressor (32) und dem Wärmetauscher (31) ein Kühler (34) angeordnet ist und zwischen dem Kühler (34) und dem Wärmetauscher (31) ein Expansionsventil (35) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Kompressor (32) mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Bremsenergie in Kompressionsenergie (33) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Hochdruckpumpe (16) zwischen einer Förderpumpe (10) und dem Buffertank (18) angeordnet ist, wobei die Förderpumpe (10) innerhalb oder außerhalb des Vorratsbehälters (12) angeordnet sein kann.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei eine Abzweigleitung (25) die Rücklaufleitung (23) und einen ersten Leitungsabschnitt (13) verbindet, wobei der erste Leitungsabschnitt (13) zwischen der Förderpumpe (10) und der Hochdruckpumpe (16) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei ein Abzweigventil (26) zwischen Rücklaufleitung (23) und Abzweigleitung (25) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vorratsbehälter (12) zur Aufnahme von verflüssigten Gas (LNG) bzw. Gas in der flüssigen Phase ausgebildet ist.