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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für einen
Verbrennungsmotor, insbesondere zur Versorgung der Einspritzeinrichtung
eines Dieselmotors mit Dieselkraftstoff, mit einem Tank zur Bevorratung
des Kraftstoffs, aus dem eine Kraftstoffpumpe den benötigten Kraftstoff über eine
Kraftstoffzulaufleitung einer Einspritzeinrichtung zuführt, von
der aus eine Kraftstoffrücklaufleitung überschüssigen Kraftstoff
wieder dem Tank zuleitet, wobei Mittel zur Kraftstoffkühlung vorgesehen
sind.
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Ganz
besonders Dieselmotoren mit einer Einspritzeinrichtung für den Dieselkraftstoff
erfordern ein Kraftstoffversorgungssystem, bei dem spezielle Maßnahmen
zur Vermeidung einer Überhitzung
des Kraftstoff vorzusehen sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht allein auf den Anwendungsbereich der Dieselmotortechnik beschränkt. Vielmehr
erstreckt sich das Gebiet der Erfindung auf alle mit einem gattungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystem ausgestatteten
Verbrennungsmotoren, die sowohl in Fahrzeugen als auch stationär verbaut
sein können.
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Um
eine ausreichende Lebensdauer von insbesondere Dieseleinspritzpumpen
gewährleisten
zu können,
wird von den Herstellern eine maximale Kraftstofftemperatur vorgegeben.
Bei Überschreiten dieser
vorgegebenen Temperaturgrenze wird gewöhnlich die Motorleistung von
der Motorsteuerung automatisch zurückgenommen, um ein weitgehendes
Ansteigen der Kraftstofftemperatur und eine dadurch bedingte Schädigung der
Dieseleinspritzpumpe zu verhindern. Besonders bei hohen Einspritzdrücken kommt
es gewöhnlich
zu einer extrem hohen Aufheizung des Kraftstoffs im Bereich der
Kraftstoffrücklaufleitung
zum Tank hin, was sowohl zu einer hohen thermischen Belastung der
Kraftstoffrücklaufleitung
selbst sowie des gesamten Kraftstoffversorgungssystems führt. Vom
Kraftstoffversorgungssystem ist sicherzustellen, dass die vorgegebenen
Temperaturen nicht überschritten
werden.
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Praxistests
haben ergeben, dass kritische Temperaturbereiche vor allem bei Bergfahrten
eines Fahrzeugs mit Anhänger
auftreten. Bei den durchgeführten
Tests wurde das Fahrzeug bis zum zulässigen Gesamtgewicht beladen
und ein Anhänger
mit dem maximal möglichen
Gewicht angekoppelt. Der Test gilt als bestanden, wenn das Fahrzeug
eine Gesamtstrecke von 12 km mit durchschnittlich 12 % Steigung
bei 25° C
Außentemperatur
ohne Einsatz der Leistungsreduzierung zum Schutz der Dieseleinspritzpumpe
durchfährt.
Bedingt durch das hohe Gespanngewicht werden jedoch hohe Motorleistungen mit
entsprechend hohen Drehzahlen von bis zu 4000 1/min benötigt, wobei
die Fahrgeschwindigkeit unter 50 km/h (bei kleineren Motoren unter
40 km/h) gehalten wird. Diese Praxistests haben zu nur unbefriedigenden
Ergebnissen bei herkömmlichen
Kraftstoffversorgungssystemen geführt.
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Ursache
hierfür
ist, dass die meist am Unterboden des Fahrzeugs angebrachten zusätzlichen Kühleinrichtungen – wie Kühlschleifen
oder Plattenkühler – nicht
mehr ausreichend vom Fahrtwind gekühlt werden und so zu einer
frühzeitigen
Abregelung der Motorleistung beitragen.
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Es
ist bereits versucht worden, das vorhandene Kühlsystem des Verbrennungsmotors
selbst für die
Kraftstoffkühlung
zu nutzen, was sich jedoch als wenig erfolgversprechend herausstellte,
da dieses bei extremen Fahrbedingungen schon am Leistungslimit arbeitet
und die Kühlmitteltemperaturen
mit ca. 125° C
schon die Grenzen der zulässigen
Kraftstofftemperaturen überschreiten.
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Aus
der
DE 197 05 631
A1 geht eine Maßnahme
zur Kraftstoffkühlung
für ein
Kraftstoffversorgungssystem eines Verbrennungsmotors hervor, bei der
zur Kraftstoffkühlung
ein eigener Kühlkreislauf vorgesehen
ist. Bestandteil dieses Kühlkreislaufs
ist ein erster Wärmetauscher,
welcher in die Kraftstoffrücklaufleitung
benachbart zur Einspritzeinrichtung oder direkt in die Einspritzeinrichtung
integriert angeordnet ist. Das den ersten Wärmetauscher zu Kühlzwecken
durchfließende
Kühlmittel
ist über
eine Vorlaufkühlmittelleitung
zu einem zweiten Wärmetauscher
geführt,
welcher im Bereich des Luftan saugtrakts des Verbrennungsmotors positioniert
ist, so dass das Kühlmittel
durch die vom Verbrennungsmotor angesaugte Luft wieder abgekühlt wird
und nachfolgend über
eine Kühlmittelrücklaufleitung
wieder dem ersten Wärmetauscher
zugeführt
wird. Dieser Kühlkreislauf
wird durch eine in die Kühlmittelvorlaufleitung
eingeschaltete und vom Verbrennungsmotor angetriebene zusätzliche
Pumpe betrieben.
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Mit
diesen bekannten Mitteln zur Kraftstoffkühlung kann eine Kühlwirkung
für den
Kraftstoff erreicht werden; allerdings erfordert diese technische Lösung einen
zusätzlichen
Kühlkreislauf,
so dass der hiermit in Verbindung stehende konstruktive Aufwand recht
hoch ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffversorgungssystem für einen
Verbrennungsmotor zu schaffen, dass sich durch eine effektive Kraftstoffkühlung unter
Einsatz einfacher technischer Mittel auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Kraftstoffversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Kraftstoffkühlung einen
Kraftstoffkühler
umfassen, der im Luftansaugtrakt des Verbrennungsmotors derart positio niert
ist, dass der von der Einspritzeinrichtung erhitzte Kraftstoff die Wärme direkt
an die dem Verbrennungsmotor zugehende Ansaugluft abgibt.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass auf einen zusätzlichen
Kühlkreislauf
zur Kraftstoffkühlung
gänzlich
verzichtet werden kann. Hierdurch wird sowohl der Bauteilaufwand
als auch der Montageaufwand für
die zum Kraftstoffversorgungssystem gehörenden Mittel zur Kraftstoffkühlung reduziert,
was auch zu einer einfacheren und schnelleren Montage beiträgt. Da zur
Kraftstoffkühlung
im Wesentlichen der im Luftansaugtrakt vorhandene Raum genutzt wird,
lassen sich die erfindungsgemäßen Mittel
zur Kraftstoffkühlung – die zentral
einen einzigen Kraftstoffkühler
umfassen – platzsparend
im Motorraum eines Fahrzeuges unterbringen. Die Erfindung gewährleistet
eine sehr direkte und somit effektive Kühlung des Kraftstoffs. Da insbesondere
im kritischen Betriebspunkt eines Verbrennungsmotors viel Luftdurchsatz
besteht, erfolgt die Kraftstoffkühlung
quasi automatisch bedarfsgesteuert. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mittel
zur Kraftstoffkühlung
besteht darin, dass diese bei vorhandenen Kraftstoffversorgungssystemen
nachrüstbar
sind.
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Vorzugsweise
ist der Kraftstoffkühler
im Bereich der Kraftstoffrücklaufleitung
bzw. Kraftstoffrücklaufleitungen
anzuordnen, da hier die höchsten
Kraftstofftemperaturen auftreten. Die hohen Temperaturen treten
insbesondere in der Hochdruckpumpe und in den Injektoren auf, so
dass sowohl bezüglich der Injektoren
als auch der Hochdruckpumpe Rückläufe vorgesehen
sein können.
Je nach Bedarf können
an den Kraftstoffkühler
sowohl sämtliche
als auch individuelle Rückläufe angeschlossen
werden. Besonders bevorzugt ist der Anschluss des Injektorrücklaufs
an den Kraftstoffkühler.
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Daneben
ist es auch denkbar, den Kraftstoffkühler in der Kraftstoffzulaufleitung
anzuordnen, wobei allerdings zu beachten ist, dass der Kraftstoffkühler in
Flussrichtung gesehen noch vor der Kraftstoffpumpe platziert ist,
damit deren temperaturempfindlichen Bauteile ausreichend geschützt sind.
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Vorzugsweise
ist der Kraftstoffkühler
im vorderen Saugrohr des Luftansaugtrakts anzuordnen, da an dieser
Stelle günstige
Platzverhältnisse
herrschen sowie eine zur Montage oder Demontage erforderliche gute
Zugänglichkeit
gegeben ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
besitzt der erfindungsgemäße Kraftstoffkühler eine
im Wesentlichen hohlzylinderartige Gestalt und ist in Axialrichtung
von der Ansaugluft durchströmt.
Dabei sollte der Innendurchmesser des hohlzylinderförmigen Kraftstoffkühlers in
Anpassung an die geometrischen Abmessungen des Luftansaugtrakts
maximiert sein, um den maximal möglichen
Wirkungsgrad bei den gegebenen baulichen Randbedingungen zu erzielen.
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Konkret
kann der Kraftstoffkühler
im Wesentlichen aus einem Rohrkörper
bestehen, der zumindest größtenteils
von einem eine Durchströmungskammer
bildenden Hüllkörper umgeben
ist. Zu einen Ende des Hüllkörpers sollte
dann der erforderliche Kraftstoffeinlassanschluss und zum anderen
Ende des Hüllkörpers der
hierzu korrespondierende Kraftstoffauslassanschluss vorgesehen sein.
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Um
einen besonders hohen Wirkungsgrad zu erzielen, kann der Kraftstoffeinlassanschluss
ausströmseitig
der Ansaugluft am Hüllkörper angeordnet sein,
wobei der korrespondierende Kraftstoffauslassanschluss im Wesentlichen
180° versetzt
zum Kraftstoffeinlassanschluss einströmseitig am Hüllkörper angeordnet
ist.
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Eine
weitere, die Erfindung hinsichtlich des Wirkungsgrads verbessernde
Maßnahme
besteht darin, dass innerhalb der Durchströmungskammer des Kraftstoffkühlers eine
vom Kraftstoffeinlassanschluss zum Kraftstoffauslassanschluss führende Strömungsleitspirale
integriert ist. Die Strömungsleitspirale
ist vorzugsweise aus Blech durch Umformen hergestellt und kann beispielsweise
auf die äußere Mantelfläche des
Rohrkörpers
geschweißt
werden.
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Für eine weitere
Erhöhung
des Wirkungsgrads des Kraftstoffkühlers können gemäß einer anderen die Erfindung
verbessernden Maßnahme
mehrere an der inneren Wandung des Rohrkörpers angebrachte und sich
nach Radialinnen erstreckende Kühl fläche vorgesehen
werden. Die Kühlbleche
sollten entlang der Strömungsrichtung
der Ansaugluft gemäß des Rohrkörpers verlaufen,
damit die Luftströmung
hierdurch nicht behindert wird. Auch die Kühlbleche können mittels einer Schweißverbindung am
Rohrkörper
befestigt werden.
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Der
Kraftstoffkühler
besteht vorzugsweise gänzlich
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dieses Material gewährleistet
wegen seines hohen spezifischen Wärmleitkoeffizienten eine effektive
Kühlung.
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Gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernde Maßnahme sollte der Kraftstoffkühler samt dem
Luftansaugtrakt im Bereich des Verbrennungsmotors, jedoch außerhalb
des crashgefährdeten Fahrzeugbereichs
angeordnet sein. Hiermit wird eine örtliche Nähe zum Verbrennungsmotor gewährleistet,
was kurze Leitungswege ermöglicht.
Weiterhin kann so ein ungewollter Austritt des Kraftstoffs aus dem
Kraftstoffversorgungssystem nach einem Unfall vermieden werden.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
eines Kraftstoffversorgungssystems für einen Verbrennungsmotor mit
Mitteln zur Kraftstoffkühlung;
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2a einen Längsschnitt
durch eine konkrete Ausführungsform
eines zu den Mitteln zur Kraftstoffkühlung gehörigen Kraftkühlers, und
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2b einen Querschnitt (Schnitt
A-A) des Kraftstoffkühlers
gemäß 2a.
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Gemäß 1 weist ein Kraftstoffversorgungssystem
für einen
Verbrennungsmotor 1 einen Tank 2 auf. Im Tank 2 ist
der flüssige
Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors 1 bevorratet.
Dieser gelangt über
eine Kraftstoffzulaufleitung 3 zu einer Einspritzeinrichtung 4 am
Verbrennungsmotor 1. Die Förderung des Kraftstoffs erfolgt
mittels einer in die Kraftstoffzulaufleitung 3 eingeschalteten
Kraftstoffpumpe 5.
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Die
am Verbrennungsmotor 1 angeordnete Einspritzeinrichtung 4 enthält die diversen – nicht weiter
dargestellten – Einspritzventile
für den
Kraftstoff in die Zylinder des Verbrennungsmotors 1. Überschüssiger Kraftstoff
wird von der Einspritzeinrichtung 4 mittels einer Kraftstoffrücklaufleitung 6 einem Kraftstoffkühler 7 eingangsseitig
zugeleitet. Der Kraftstoffkühler 7 sorgt
für eine
Abkühlung
des Kraftstoffs der sich während
des Passierens der Einspritzeinrichtung 4 stark aufgeheizt
hat. Der Kraftstoffkühler 7 ist
in oder an einem Luftansaugtrakt 8 des Verbrennungsmotors 1 positioniert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
erfolgt die Anordnung im Abschnitt des Saugrohrs 9 des
Luftansaugtrakts 8. Das Saugrohr 9 ist vor einem
in Strömungsrichtung
der Ansaugluft nachgeordneten Luftfiltergehäuse 10 vorgesehen.
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Durch
diese Anordnung des direkt von erhitzten Kraftstoff durchflossenen
Kraftstoffkühlers 7 im Luftansaugtrakt 8 gibt
der erhitzte Kraftstoff die Wärme
unmittelbar an die dem Verbrennungsmotor 1 zugehende Ansaugluft
ab.
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Gemäß 2a besteht der Kraftstoffkühler 7 aus
einem Rohrkörper 11 als
tragendes Bauteil. Der Rohrkörper 11 ist
von einem Hüllkörper 12 derart
umgeben, dass dazwischen eine Durchströmungskammer 13 verbleibt.
Die Durchströmungskammer 13 erhält somit
eine im Wesentlichen hohlzylinderförmige Gestalt. Innerhalb der
Durchströmungskammer 13 verläuft eine
Strömungsleitspirale 14.
Die Strömungsleitspirale 14 dient
aus kühltechnischen
Gründen
einer möglichst
langen Führung
des Kraftstoffstroms über
den Rohrkörper 11,
der von der Ansaugluft durchströmt
ist, um eine maximale Kühlwirkung
herbeizuführen.
Zu einem Ende der Strömungsleitspirale 14 und
gleichzeitig zu einem Ende des Höhlkörpers 12 ist
ein Kraftstoffeinlassanschluss 15 vorgesehen, wogegen am
gegenüberliegenden
Ende des Höhlkörpers 12 und
am anderen Ende der Strömungsleit spirale 14 ein
Kraftstoffauslassanschluss 16 vorgesehen ist, welcher in
der dargestellten Schnittebene um 180° versetzt zum Kraftstoffeinlassanschluss 15 platziert
ist. Es sei darauf verwiesen, dass, insbesondere bei der Verwendung
der Strömungsleitspirale
ein Versatz zwischen Einlass und Auslass für die generelle Kühlwirkung
des erfindungsgemäßen Systems
nicht ausschlaggebend ist, sondern ausschließlich nach Gesichtspunkten
der räumlichen
Anordnung gewählt
werden kann. 180° voneinander
versetzte Anschlüsse
wären insbesondere
bei einem einfachen Rohr-In-Rohr-System geboten, bei dem in Form
einer Gegenstromanlage, die durch Strömungskammer 13 durchspült wird.
In diesem Fall hätte
die versetzte Anordnung von Einlass und Auslass insbesondere den
Zweck, eine diagonale Durchströmung
des Systems zu gewährleisten.
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Wie
deutlich aus der 2b hervorgeht,
ist der Kraftstoffkühler 7 ferner
mit mehreren an der inneren Wandung des Rohrkörpers 11 angebrachten Kühlblechen 17 versehen.
Alle Kühlbleche 17 sind
in äquidistanten
Abständen
zueinander an der Innenseite des Rohrkörpers 11 angeschweißt. Die
Kühlbleche 17 erstrecken
sind nach Radialinnen in den Ansaugluftstrom hinein, um die Kühlwirkung
des Kraftstoffkühlers 7 zu
erhöhen.
Damit hierdurch die Luftströmung
der Ansaugluft nicht behindert wird, verlaufen die Kühlbleche 17 in
Strömungsrichtung
der Ansaugluft entlang des Rohrkörpers 11.
Der gesamte Kraftstoffkühler 7 wird
in diesem Ausführungsbeispiel aus
Aluminium hergestellt, wobei die einzelnen Bauteile durch Schweißen miteinander
verbunden sind.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Mittel zur
Kraftstoffkühlung
bei einem Kraftstoffversorgungssystem beschränkt sich nicht allein auf die Fahrzeugtechnik.
So ist es auch denkbar, dass stationär betriebene Verbrennungsmotoren
mit den erfindungsgemäßen Mitteln
zur Kraftstoffkühlung
ausgestattet werden können.
Weiterhin wird unter dem Begriff Verbrennungsmotor im Rahmen der
vorliegenden Erfindung nicht allein ein Dieselmotor mit entsprechender
Dieseleinspritzeinrichtung verstanden, sondern jegliche Art von
Verbrennungsmotoren.
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Tank
- 3
- Kraftstoffzulaufleitung
- 4
- Einspritzeinrichtung
- 5
- Kraftstoffpumpe
- 6
- Kraftstoffrücklaufleitung
- 7
- Kraftstoffkühler
- 8
- Luftansaugtrakt
- 9
- Saugrohr
- 10
- Luftfiltergehäuse
- 11
- Rohrkörper
- 12
- Hüllkörper
- 13
- Durchströmungskanal
- 14
- Strömungsleitspirale
- 15
- Kraftstoffeinlassanschluss
- 16
- Kraftstoffauslassanschluss
- 17
- Kühlblech