DE20208590U1

DE20208590U1 - Dieselmotor

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Publication number: DE20208590U1
Application number: DE20208590U
Authority: DE
Original assignee: GAB GES fur ARBEITS und BERUF
Current assignee: GAB GES fur ARBEITS und BERUF
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2012-06-05

Description

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TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GBR PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN

Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch

Artur-Ladebeck-Strasse D-33617 BIELEFELD

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3.6.2002

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Gesellschaft für Arbeitsund Berufsförderung mbH Meisenstr. 65 33607 Bielefeld

DIESELMOTOR

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DIESELMOTOR

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dieselmotor, mit einem kühlwasserbetriebenen Wärmetauscher zum Kühlen des Motors und einer Kraftstoff-Zuleitung zum Zuführen von Kraftstoff von einem Tank zum Motor.

Herkömmliche Dieselmotoren werden überwiegend mit handelsüblichem Dieselkraftstoff betrieben, der aus Erdöl gewonnen wird. Die Gründe hierfür sind die vergleichsweise niedrigen Kosten und die derzeit gute Verfügbarkeit dieses Kraftstoffs.

Es handelt sich hierbei jedoch um einen fossilen Brennstoff, also um eine nicht erneuerbare Energiequelle, die in absehbarer Zeit erschöpft sein wird. Darüber hinaus ist Dieselkraftstoff unter Umweltgesichtspunkten problematisch. Bei der Verbrennung wird eine große Menge von CO2 freigesetzt, das den Klimahaushalt der Erdatmosphäre beeinträchtigt.

Es wurden daher Überlegungen angestellt, herkömmlichen Dieselkraftstoff durch einen Kraftstoff zu ersetzen, der klimaneutral ist und bei dessen Verbrennung keine umweltschädlichen Emissionen erzeugt werden. In Betracht kommt die Verwendung von Pflanzenöl wie beispielsweise Rapsöl. Dies ist ein erneuerbarer Rohstoff, der sich bei der Verbrennung klimaneutral verhält und frei von den oben genannten Schadstoffen ist.

Ein üblicher Dieselmotor läßt sich nicht ohne weiteres mit Pflanzenöl betreiben, da dieses eine erheblich höhere Viskosität als Dieselkraftstoff aufweist. Dessen Viskosität liegt bei 3 mm²/sec., während die Viskosität von Pflanzenöl bei 78 mm²/see. liegt. Dies führt dazu, daß der Zündpunkt von Pflanzenöl höher liegt und die Zündung im Motor bezüglich des Arbeitstaktes des Zylinders später erfolgt. Unter Umständen wird dieser Effekt zwar dadurch kompensiert, daß aufgrund der höheren Viskosität die Druckverluste zwischen der Einspritzpumpe und der Einspritzdüse geringer sind und das Pflanzenöl geringfügig früher in den Brennraum eingespritzt und eventuell auch feiner zerstäubt wird. Gegebenenfalls ist es jedoch erforderlich, den Zündzeitpunkt zu verändern.

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Die höhere Viskosität des Pflanzenöls führt darüber hinaus zu weiteren Problemen. Insbesondere wird die Kraftstoff-Pumpe durch den Betrieb mit Pflanzenöl über ihre Belastungsgrenze hinaus beansprucht. Im Normalbetrieb mit herkömmlichem Dieselkraftstoff öffnen die Einspritzdüsen beidpielsweise bei 143 bar, und die Kraftstoff-Pumpe erzeugt einen Druck von bis zu 700 bar, so daß die Pumpe bereits unter den üblichen Betriebsbedingungen stark belastet wird. Durch den Betrieb mit Pflanzenöl wird sie möglicherweise zerstört.

Der Betrieb mit reinem Pflanzenöl erfordert daher Änderungen der Motorkonstruktion. Das Umsteigen auf einen Betrieb mit Pflanzenöl ist jedoch finanziell unattraktiv, falls es zu diesem Zweck unumgänglich ist, einen kompletten Austausch des Motors vorzunehmen. Es besteht zwar ferner die Möglichkeit, das Pflanzenöl mit Additiven zu versetzen, die seine Eigenschaften dahingehend verändern, daj3 es als Kraftstoff für einen gewöhnlichen Dieselmotor eignet. Diese Additive sind jedoch unter den oben genannten Umweltgesichtspunkten unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Dieselmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der für den Betrieb mit reinem Pflanzenöl geeignet ist, ohne daß aufwendige und kostspielige Veränderungen des Motors erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Abschnitt der Kraftstoff-Zuleitung zur Erwärmung des Kraftstoffs durch den Wärmetauscher verläuft und das stromabwärts dieses Abschnitts eine elektrische Heizquelle zur weiteren Erwärmung des Kraftstoffs angeordnet ist.

Durch die Erwärmung im Wärmetauscher und anschließend durch die elektrische Heizquelle wird die Viskosität des Kraftstoffs stark gesenkt. Auf diese Weise kann auch ein Kraftstoff hoher Viskosität, wie etwa Pflanzenöl, annähernd die Viskosität von Dieselkraftstoff erreichen. In diesem Zustand kann der Kraftstoff dem Motor zugeführt und von diesem verarbeitet werden, ohne daß es zu Betriebsproblemen bezüglich des Zündpunktes oder der Beanspruchung der Pumpe kommt. Zur Umrüstung eines herkömmlichen Dieselmotors muß lediglich der Wärmetauscher bzw. der Verlauf der Kraftstoff-Zuleitung verändert werden und eine elektrische Heizquelle angebracht werden. Diese

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Veränderungen sind jedoch ohne großen technischen und finanziellen Aufwand vorzunehmen. Insbesondere ist es möglich, einen herkömmlichen Dieselmotor auf vergleichsweise einfache Weise auf den Betrieb mit Pflanzenöl umzurüsten.

Die Erwärmung geschieht dadurch, daß durch den Wärmetauscher die Abwärme des Motors an den Kraftstoff abgegeben wird. Die Temperatur des warmgelaufenen Motors ist hierzu normalerweise ausreichend, so daj3 grundsätzlich keine weiteren Wärmequellen vorhanden sein müssen. In der Anlaufphase ist der Motor jedoch noch zu kalt, um das Pflanzenöl in ausreichendem Maße zu erwärmen. Die darüber hinaus vorhandene elektrische Heizquelle hat daher die Funktion, den Kraftstoff, der den Wärmetauscher verläßt, auch zu diesem Zeitpunkt auf eine ausreichende Betriebstemperatur zu bringen, bei der die Viskosität gering genug ist. Mit ansteigender Betriebstemperatur des Motors kann die Leistung der elektrischen Heizquelle allmählich vermindert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen in einem Dieselmotor, in dessen Kraftstoff-Zuleitung ein Kraftstoff-Filter angeordnet ist, sowohl ein stromaufwärts des Kraftstoff-Filters gelegener erster Abschnitt, als auch ein stromabwärts des Kraftstoff-Filters gelegener zweiter Abschnitt der Kraftstoff-Zuleitung durch den Wärmetauscher, und die elektrische Heizquelle ist stromabwärts des zweiten Abschnitts angeordnet.

Der an sich bekannte Kraftstoff-Filter hat die Funktion, Schmutz und Schwebeteilchen aus dem Kraftstoff auszufiltern. Ist die Zähigkeit des Kraftstoffs sehr hoch, stellt der Filter ein starkes Strömungshindernis dar. Dieses wird dadurch beseitigt, daß der Kraftstoff bereits vor dem Passieren des Filters erwärmt wird, indem er den Wärmetauscher durchläuft. Nach dem Passieren kann der Kraftstoff dann weiter auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden.

Vorzugsweise ist die Heizleistung der elektrischen Heizquelle durch einen Thermostaten regelbar. In diesem Fall wird ständig die Kraftstoff-Temperatur gemessen, und die Heizleistung wird so angepaßt, daß die elektrische Heizquelle eine etwa bestehende Temperaturdifferenz zwischen der Soll- und der Ist-Temperatur ausgleichen kann.

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Weiter vorzugsweise wird der Kraftstoff auf eine konstante Betriebstemperatur erwärmt. Auf diese Weise herrschen für den Motor stets die gleichen Betriebsbedingungen in Bezug auf den Kraftstoff.

Die Betriebstemperatur beträgt vorzugsweise 70° C. Bei dieser Temperatur wird die Viskosität von Pflanzenöl auf 10 mm²/sec. gesenkt, so daJ3 es annähernd die Viskosität von herkömmlichem Dieselkraftstoff erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Heizquelle eine Glühkerze.

Vorzugsweise wird der Motor mit einer Drehzahl von 1.500 U/min betrieben. Diese Drehzahl ist gegenüber der Drehzahl beim üblichen Betrieb eines Dieselmotors vergleichsweise gering. Die niedrige Drehzahl trägt jedoch dazu bei, die Belastung der Kraftstoff-Pumpe zu vermindern. Bei einer Drehzahl von 1.500 U/ min eines Vierzylinders als Viertakter muß die Kraftstoff-Pumpe 1.500 &khgr; 4/2 = 3.000 &khgr; pro Minute, also 50 &khgr; pro Sekunde einen sehr hohen Druck aufbauen. Im Gegensatz dazu muß hier bei einer Umdrehungszahl von 5.000 U/min, also einer üblichen Drehzahl bei Vollgas, den Druck 167 &khgr; pro Sekunde aufbauen. Aus diesem Grunde trägt die niedrige Drehzahl dazu bei, die Belastung zu mindern.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der folgenden beigefügten Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

In beiden Figuren sind Strömungsrichtungen jeweils durch Pfeile gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Dieselmotor (M) 10, der durch einen Wärmetau-

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scher (WT) 12 gekühlt wird. Zur Kühlung umfaßt der Wärmetauscher 12 einen Wasserkreislauf 14. Innerhalb des Motors 10 nimmt das Wasser im Wasserkreislauf 14 die Abwärme des Motors 10 auf, tritt erhitzt wieder aus und wird anschließend durch den Wärmetauscher 12 wieder abgekühlt, um wieder zur Kühlung des Motors 10 zur Verfügung zu stehen.

Außerhalb des Motors 10 befindet sich ein Tank (T) 16, der einen Kraftstoff beinhaltet. Der Kraftstoff wird auf die im folgenden beschriebene Weise durch eine Kraftstoff-Leitung 18 vom Tank 16 dem Motor 10 zugeführt, in welchem er verbranntwird.

Die Kraftstoff-Zuleitung 18 verläuft vom Tank 16 durch den Wärmetauscher 12 zur Einspritzpumpe (P) 20, welche den Kraftstoff in den Motor 10 einspritzt. Ein Abschnitt 22 der Kraftstoff-Leitung 18 verläuft innerhalb des Wärmetauschers 12, so daß der Kraftstoff, der diesen Abschnitt 22 durchläuft, durch die Abwärme des Motors 10 erhitzt wird. Im einzelnen ist die Anordnung der Kraftstoff-Leitung 18 und des Kühlkreislaufs 14 so gewählt, daß der Abschnitt 22 der Kraftstoff-Leitung 18 innerhalb eines im Wärmetauscher 12 angeordneten Rohrs des Kühlkreislaufs 14 verläuft und der Kraftstoff somit durch das erhitzte Wasser erwärmt wird. Diese konstruktive Einzelheit ist in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Der Kraftstoff, der den Abschnitt 22 verläßt, ist auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daJ3 seine Viskosität stark abgesenkt ist. Er passiert anschließend einen Abschnitt der Kraftstoff-Leitung 18, an welchem eine elektrische Heizquelle (HQ) 24 angeordnet ist. Danach gelangt der Kraftstoff unmittelbar in die Einspritzpumpe 20.

Die elektrische Heizquelle 24 hat die folgende Funktion: Wird der Kraftstoff im Wärmetauscher 12 nur unzureichend erwärmt, sorgt die zusätzliche Heizleistung der elektrischen Heizquelle 24 dafür, daß eine ausreichende Betriebstemperatur mit der gewünschten Viskosität erreicht wird. Zu diesem Zweck umfaßt die elektrische Heizquelle 24 einen Thermostaten 26, der die Heizleistung der elektrischen Heizquelle 24 regelt. Durch den Thermostaten 26 wird die Ist-Temperatur des Kraftstoffs in der Kraftstoff-Leitung 18 mit der Soll-Temperatur ver-

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glichen, und die Heizleistung wird so angepaßt, daJ3 die Differenz ausgeglichen wird und der Kraftstoff stets eine kontante Betriebstemperatur aufweist, wenn er in die Einspritzpumpe 20 gelangt. Insbesondere in der Anlaufphase des Motors 10 ist dessen Abwärme so gering, daß die elektrische Heizquelle 24 nahezu die komplette Heizleistung aufbringen muß.

Bei der elektrischen Heizquelle 24 kann es sich beispielsweise um eine Glühkerze handeln. Sie kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der von einem nicht gezeigten Generator erzeugt wird, der durch den Motor 10 angetrieben wird.

Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur ist die Abwärme des Motors 10 ausreichend, und die elektrische Heizquelle 24 schaltet sich vollständig ab.

Zusätzlich zu dem dargestellten Wasserkreislauf 14 kann ein nicht dargestellter weiterer Kühlkreislauf vorgesehen sein, der den Motor 10 zusätzlich kühlt, falls die Kühlleistung des Wasserkreislaufs 14 unzureichend ist. Durch einen Thermostaten in diesem zweiten Kühlkreislauf kann die Betriebstemperatur des Motors konstant gehalten werden.

In Fig. 1 ist ferner ein Kraftstoff-Rücklauf 28 von der Einspritzpumpe 20 zum Tank 16 dargestellt, wie er üblicherweise bei Dieselmotoren vorgesehen ist.

Die Darstellung in Fig. 2 entspricht in wesentlichen Teilen Fig. 1, abgesehen davon, daj3 in der Kraftstoff-Zuleitung 18 ferner ein Kraftstoff-Filter (F) 30 angeordnet ist. Der Verlauf der Kraftstoff-Zuleitung 18 ist hierbei wie folgt geändert:

Zunächst gelangt der Kraftstoff in der beschriebenen Weise vom Tank 16 in den Wärmetauscher 12. Dort wird er in einem ersten Abschnitt 32 der Kraftstoff-Zuleitung 18 erwärmt. Dann wird er aus dem Wärmetauscher 12 herausgeführt und gelangt in den Kraftstoff-Filter 30, wo er gefiltert und gereinigt wird. Der gefilterte Kraftstoff gelangt zur weiteren Erwärmung in einen weiteren, im Wärmetauscher 12 gelegenen Abschnitt 34. Schließlich wird er durch die Kraftstoff-Zuleitung 18 über die elektrische Heizquelle 24 zur Einspritzpumpe 20 geführt.

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Bei dieser Ausführungsform wird der Kraftstoff also zunächst im Abschnitt 32 der Kraftstoff-Zuleitung 18 vorgewärmt, bevor er in den Kraftstoff-Filter 30 gelangt. Dadurch wird die Viskosität so weit gesenkt, daJ3 der Kraftstoff-Filter 30 kein großes Strömungshindernis mehr darstellt und problemlos passiert wird. Nach dem Durchlaufen des Filters 30 dient der zweite, innerhalb des Wärmetauschers 12 gelegene Abschnitt 34 dazu, den Kraftstoff zumindest annähernd auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Liegt die Temperatur nach dem Verlassen des Abschnitts 34 noch immer unter der Betriebstemperatur, etwa wenn die Abwärme des Motors 10 noch nicht ausreichend ist, so wird diese Differenz auch hier durch die elektrische Heizquelle 24 ausgeglichen. In diesem Zusammenhang kann auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen werden.

In Fig. 2 verläuft der Rücklauf 28 von der Einspritzpumpe 20 zu einem Punkt der Kraftstoff-Zuleitung 18, der zwischen dem Kraftstoff-Filter 30 und dem zweiten Abschnitt 34 liegt.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Motoren 10 sind dazu geeignet, mit vergleichsweise niedrigen Drehzahlen von etwa 1.500 U/min betrieben zu werden.

Beide Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dieselmotors eignen sich zum Betrieb mit Pflanzenöl, da dessen Viskosität durch die beschriebenen Anordnungen entscheidend gesenkt wird. Die gewünschte Viskosität wird in diesem Fall durch eine Erwärmung auf 70° C erreicht.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Betrieb mit Pflanzenöl beschränkt, sondern es ist auch ein Betrieb mit anderen flüssigen Brennstoffen hoher Viskosität denkbar.

Claims

1. Dieselmotor (10), mit einem kühlwasserbetriebenen Wärmetauscher (12) zum Kühlen des Motors (10) und einer Kraftstoff-Zuleitung (18) zum Zuführen von Kraftstoff von einem Tank (16) zum Motor (10), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt (22) der Kraftstoff-Zuleitung (18) zur Erwärmung des Kraftstoffs durch den Wärmetauscher (12) verläuft und daß stromabwärts dieses Abschnitts (22) eine elektrische Heizquelle (24) zur weiteren Erwärmung des Kraftstoffs angeordnet ist.

2. Dieselmotor gemäß Anspruch 1, bei welchem ferner in der Kraftstoff-Zuleitung ein Kraftstofffilter (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ein stromaufwärts des Kraftstofffilters (30) gelegener erster Abschnitt (32) als auch ein stromabwärts des Kraftstofffilters (30) gelegener zweiter Abschnitt (34) der Kraftstoff-Zuleitung (18) durch den Wärmetauscher (12) verlaufen, und daß die elektrische Heizquelle (24) stromabwärts des zweiten Abschnitts (34) angeordnet ist.

3. Dieselmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung der elektrischen Heizquelle (24) durch einen Thermostaten (26) regelbar ist.

4. Dieselmotor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff auf eine konstante Betriebstemperatur erwärmt wird.

5. Dieselmotor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur 70°C beträgt.

6. Dieselmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizquelle (24) eine Glühkerze ist.

7. Dieselmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) mit einer Drehzahl von 1500 U/min betreibbar ist.