DE3715111C1 - Fuel cooler for a motor vehicle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffkühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem benzingetriebenen Motor und mit einer Klimaanlage für den Fahrgastraum, welche einen Kältemittel-Kreislauf mit einem Kompressor, einem Konden­ sator, einem Expansionsventil, einem ersten Verdampfer so­ wie eine Hochdruck- und eine Saugdruckleitung aufweist, wo­ bei ein Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kraftstoff vorhanden ist.

Bei benzingetriebenen Motoren kann das Problem auftreten, daß bei erhöhter Außentemperatur, etwa oberhalb von 30°C, die Kraftstoffzuführung nicht mehr zuverlässig erfolgt. Die Ursache dafür besteht darin, daß in den Kraftstoffleitun­ gen und im Kraftstofftank eine Verdampfung stattfindet, die in der Fachwelt auch als Dampfblasenbildung bezeichnet wird. Durch die dabei entstehenden Gaseinschlüsse wird der Treib­ stoff komprimierbar, was zur Folge hat, daß die Funktion der Pumpen in den Treibstoff-Zuführungsleitungen und der Treibstofftransport beeinträchtigt wird.

Wesentlich trägt zusätzlich zu der Erwärmung aus der Umge­ bung auch die Einspritzpumpe zur Tempraturerhöhung des Kraftstoffes bei, da der Kraftstoff dort unter Wärmeerzeu­ gung unter Druck gesetzt wird. Die Kraftstoffpumpe fördert ein erhebliches Maß an Überkapazität, typischerweise etwa 150 l/h, die ständig über eine am Vergaser bzw. an der Ein­ spritzpumpe abzweigende Rückleitung zum Tank zurückgepumpt wird. Durch diesen Kreislauf schraubt sich die Kraftstofftem­ peratur langsam immer höher. Dies führt zu den vorab beschrie­ benen Unterbrechungen des kontinuierlichen Kraftstoff-Flus­ ses und damit zu Betriebsstörungen des Motors wegen des hiermit verbundenen Kraftstoffmangels, insbesondere nach kurzen Unterbrechungen eines längeren Betriebes. Geringere Startschwierigkeiten treten dagegen nach längeren Parkpau­ sen auf.

Um dies zu verhindern, ist es für Kraftfahrzeuge mit einer für den Fahrgastraum vorgesehenen Klimaanlage bekannt, eine ungeregelte Kühlung des Kraftstoffes vorzunehmen. Da­ bei wird der Kraftstoff über einen Wärmeaustauscher ge­ führt, der in Reihe hinter dem Verdampfer in der Sauglei­ tung der Klimaanlage verlegt ist. Das hat den Nachteil, daß eine Überlastung des Klimasystems eintreten kann, da bereits überhitztes Kühlmittel weiter überhitzt und durch den Kompressor zu einem überhöhten Druck auf der Hochdruck­ seite des Kühlmittelkreislaufs transportiert wird. Dieser überhöhte Druck führt zum Ausfall des Systems.

In der DE-OS 27 56 348 ist die Kraftstoffkühlung mit einer ansonsten zur Kühlung des Fahrgast- oder Nutzraums dienen­ den Absorption-Kälteanlage beschrieben. Hierbei wird ein Kraftstoffkühler in Strömungsrichtung hinter dem Kältemit­ telverdampfer oder dem Absorber angeordnet. In der erstge­ nannten Variante wird der Kühler wärmeaufnahmeseitig von dem verdampften Kältemittel durchströmt. Entsprechend dem anderen Beispiel fließt angereichertes Lösungsmittel durch den Kühler. Durch die Reihenschaltung werden die Kreisläufe zusätzlich belastet.

Ferner sind temperaturgeregelte Kühlsysteme bekannt, bei welchen ein thermisches Expansionsventil parallel zum Ver­ dampfer der Klimaanlage vorhanden ist. Die Temperaturrege­ lung erfolgt somit in Abhängigkeit von der Kraftstofftem­ peratur. Systembedingt wird die Kühlung des Kraftstoffes und des Fahrgastraums gleichzeitig durchgeführt. Das hat den Nachteil, daß die maximale Kapazität der Klimaanlage häufig gerade dann nicht zur Kühlung des Fahrgastraumes zur Verfügung steht, wenn dies zur Erhöhung des Komforts er­ forderlich ist.

Eine derartige Situation ist beispielsweise nach dem Ab­ stellen eines Fahrzeugs bei hoher Außentemperatur und an­ schließender Inbetriebnahme gegeben. Die gleichzeitige Kraftstoffkühlung verzögert dabei die schnellstmögliche Kühlung des Fahrgastraums.

Außerdem ist es nachteilig, daß zur Absicherung des Kom­ pressors gegen flüssiges Kältemittel ein Sammelbehälter hinter dem Kraftstoffkühler eingebaut sein muß, welcher ein zur Zerstörung des Kompressors führendes Eindringen von Kältemittel verhindert. Dies ist mit einem zusätzli­ chen Herstellungsaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoff- Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher eine Überlastung der Klimaanlage verhindert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wärmeaustauscher aus einem druckgesteuerten zweiten Verdampfer besteht, wel­ chem aus dem Kondensator Kältemittel zugeführt wird und des­ sen Steuereingang mit der Saugleitung verbunden ist, so daß der Saugdruck als Stellgröße wirkt.

Die Erfindung macht sich den Gedanken zunutze, die Kraft­ stoffkühlung in Abhängigkeit von der jeweiligen, von der zu kühlenden Temperatur des Fahrgastraumes abhängigen Kühl­ leistung der Klimaanlage vorzunehmen. Bei einer hohen Be­ anspruchung der Klimaanlage zur Kühlung des Fahrgastraums wird entspechend die für den Kraftstoff aufzuwendende Kühlleistung reduziert. Das hat den Vorteil, daß bei hohem Leistungsbedarf der Klimaanlage - und daher hohem Saug­ druck -, wie sie beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs auftritt, die Kraftstoffkühlvorrichtung im wesentlichen ausgeschaltet ist und dadurch kein zusätz­ liches Kältemittel von der Kühlung des Fahrgastraums abge­ zogen wird. Erst bei wieder geringerem Leistungsbedarf der Klimaanlage, wenn der Saugdruck nachläßt, arbeitet die Kraftstoffkühlvorrichtung. Dann steht jedoch auch genügend Kältemittel zur Verfügung. Das Klimasystem des Fahrgast­ raums wird also nicht zusätzlich belastet.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der zweite Verdampfer als Auffang- und Sammelbehälter für flüssiges Kältemittel ausgebildet ist und daß ein Aus­ tritt von Flüssigkeit aus dem zweiten Verdampfer in die Saugleitung verhindert ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der nachgeschaltete Kompressor der Klimaanlage vor ein­ dringender Flüssigkeit geschützt ist. Ferner sorgt im An­ laufzustand eine Flüssigkeitsreserve im zweiten Verdampfer bereits für eine Kraftstoffkühlung auch bei voller Kühllei­ stung für den Fahrgastraum. Dies beruht darauf, daß die Kühlflüssigkeit bei niederer Temperatur bereits verdampft und somit zur Kraftstoffkühlung beiträgt. Die verdampfte Kühlflüssigkeit wird anschließend dem Kühlkreislauf der Klimaanlage zur Kühlung des Fahrgastraums zusätzlich zu­ geführt.

Die Erfindung kann besonders einfach dadurch realisiert werden, daß der zweite Verdampfer mit einem ausgangsdruck­ geregelten Konstantdruckregler versehen ist. Ein derartiges handelsübliches Bauteil hat den Vorteil, daß es auf einfa­ che Weise mittels einer Stellschraube einstellbar ist. Auf diese Weise können Montage- und Wartungsarbeiten mit ein­ fachsten Miteln und mit geringem Aufwand durchgeführt wer­ den. Dies ist gerade bei einem Massenprodukt, wie es ein Kraftfahrzeug darstellt, von besonderer Bedeutung.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß der Ansprech­ druck des Konstantdruckreglers von 0 bis 3 bar einstellbar ist.

Es kann ferner besonders vorteilhaft sein, daß der Konstant­ druckregler mit einer Überdruck-Entlastung versehen ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Konstantdruck­ regler im Falle eines Überdruckes öffnen und somit eine Druckentlastung zwischen dem Kondensator und dem Kompres­ sor herstellen. Der Verdampfer wirkt daher als sogenannter "by-pass" zum Abbau des Überdruckes auf der Hochdruckseite der Klimaanlage. Auf diese Weise kann ein ansonsten erfor­ derliches Ventil, über welches gegebenenfalls ein Überdruck abgebaut wird, eingespart werden.

Der zweite Verdampfer kann beispielsweise eine Kälteleistung von etwa 600 kcal/h bis 700 kcal/h aufweisen.

Eine besonders einfach herstellbare Ausgestaltung des Ver­ dampfers besteht darin, daß der Verdampfer-Behälter zylin­ derförmig ist, und daß bei vertikaler Einbauweise die Käl­ temittelanschlüsse an der Oberseite angeordnet sind. Somit kann die Flüssigkeitsabscheidung auf sehr einfache Weise ohne Zusatzvorrichtungen erfolgen.

Ferner kann eine hohe Effektivität des Verdampfers bei ein­ facher Herstellungsweise dadurch erreicht werden, daß die Kraftstoffleitung spiralförmig im Verdampfer verläuft.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in einer Fi­ gur dargestellten Ausführungsbeispiels weiter beschrieben.

Die Figur zeigt rein schematisch eine zur Kühlung des Fahr­ gastraums eines Kraftfahrzeugs vorgesehene Klimaanlage zu­ sammen mit einer Kraftstoffkühlvorrichtung.

Die Figur veranschaulicht eine insgesamt mit A bezeichnete, zur Kühlung des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) dienende Klimaanlage und stellt die insgesamt mit B bezeichneten Einzelheiten einer Kraftstoffkühlvor­ richtung dar. Die Klimaanlage A umfaßt einen Kühlmittel- Kreislauf, in welchem ein Kompressor 1 und - nacheinander in Fließrichtung des Kühlmittels liegend - ein Kondensa­ tor 2, ein Trockner und Flüssigkeitsbehälter 3, ein Expan­ sionsventil 4 sowie ein erster Verdampfer 19 liegen. Die zwischen dem Kompressor 1 und dem Expansionsventil 4 lie­ genden Bauteile sind über eine Hochdruckleitung 9 mitein­ ander verbunden. Zwischen dem Verdampfer 19 und dem Eingang des Kompressors 1 liegt eine Saugleitung 10.

Zur Kraftstoffkühlvorrichtung B gehören ein Ausgangsdruck­ geregelter Konstantdruckregler 6, welcher eingangsseitig über den Trockner und Flüssigkeitsbehälter 3 mit dem Kon­ densator 2 verbunden ist. Aus dem Kondensator 2 gelangt flüssiges Kältemittel über eine Kältemittel-Zuführung 17 und den Konstantdruckregler 6 zu einem zweiten Verdampfer 5 mit einem Verdampfer-Behälter 7, der auch als Flüssig­ keitssammler ausgebildet ist. Von dort wird verdampftes Kältemittel über einen Kältemittelauslaß 12 in die Saug­ leitung 10 zurück in den Kältemittel-Kreislauf der Klima­ anlage A geführt.

Der Kältemittelfluß in der Kraftstoffkühlvorrichtung B, der parallel zum Kreislauf der Klimaanlage A verläuft, wird in reziproker Abhängigkeit vom Druck in der Saug­ leitung 10 gesteuert. Steigt daher mit zunehmender Lei­ stung der Klimaanlage A der Druck in der Saugleitung 10, so wird die Leistung der Kraftstoffkühlvorrichtung im selben Maße reduziert. Umgekehrt bewirkt eine Verringe­ rung der Klimaanlagenleistung einen Abfall des Druckes in der Saugleitung 10, so daß der Kühlmittelfluß in der Kraftstoffkühlvorrichtung B ansteigt.

Der Konstantdruckregler weist eine federbelastete Membran auf, auf welche der Ausgangsdruck des Konstantdruckreglers entgegen der Federkraft wirkt. Über die Membran wird ein Ventil angesteuert. Ist der Federdruck größer als der Aus­ gangsdruck, so wird das Ventil geöffnet, während ein höhe­ rer Ausgangsdruck zum Schließen des Ventils führt. Die Federkraft ist über eine Stellschraube einstellbar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Einzelheiten des Konstantdruckreglers 6 in der Figur im einzelnen nicht dar­ gestellt.

Bei geöffnetem Konstantdruckregler 6 gelangt flüssiges Kältemittel über einen Kältemitteleinlaß 11 durch den Kon­ stantdruckregler 6 und von dort über ein Kältemittelaus­ trittsrohr 13 in den Verdampfer-Behälter 7 und wird dort gesammelt. Aufgefangenes, flüssiges Kühlmittel ist durch das Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Kraftstoff wird dem zweiten Verdampfer 5 über Kraftstoffanschlüsse 8 zugeführt und durchströmt den zweiten Verdampfer 5 in einer spiral­ förmigen Kraftstoffleitung 18. Selbstverständlich kann die Kraftstoffleitung 18 im Innern des zweiten Verdamp­ fers 5 auch auf andere Weise ausgebildet sein.

Ein Kältemittelaustrittsrohr 14 ist in der Weise im Ver­ dampfer-Behälter 7 angeordnet, daß auf jeden Fall sicher­ gestellt ist, daß kein flüssiges Kältemittel 15 über einen Kältemittelauslaß 12 in die Saugleitung 10 und damit in den Kompressor 11 gelangen kann. In dem in der Figur dar­ gestellten Beispiel befindet sich das Kältemittelaus­ trittsrohr 14 in einem ensprechenden Abstand 14 über dem höchsten Pegel des flüssigen Kältemittels 15.

Nachfolgend wird die Funktion der gesamten Vorrichtung bei­ spielhaft anhand des Anlaufzustandes beschrieben. Es wird dabei angenommen, daß der Fahrgastraum des zugehörigen Kraftfahrzeuges beispielsweise durch Sonneneinwirkung im Stillstand des Kraftfahrzeuges stark überhitzt ist. Bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs wird daher über nicht dargestellte Temperaturfühler die Klimaanlage A mit ihrer maximalen Leistung angesteuert. Dies hat zur Folge, daß das Kühlmittel durch den Kompressor 1 unter maximalem Saug­ druck angesaugt wird und nach der Verdichtung mit höchstem Druck über die Hochdruckleitung dem Kondensator 2 zugeführt wird. Bei dieser Betriebsweise wird die Kältemittelzufüh­ rung 17 über den Konstantdruckregler 6 geschlossen, so daß im wesentlichen die gesamte Menge des zur Verfügung stehen­ den Kältemittels im Kältemittel-Kreislauf der Klimaanlage A zirkuliert. Das im Verdampfer-Behälter 7 angesammelte flüs­ sige Kältemittel 15 wird in dieser Anlaufphase bei der Er­ wärmung durch den in der Leitung 18 strömenden Kraftstoff verdampft, was zu einer Kühlung des Kraftstoffes führt, ohne daß die Klimaanlage A durch diesen Vorgang belastet wird.

Sobald die Temperatur des Fahrgastraums abnimmt, wird ent­ sprechend die Leistung der Klimaanlage A verringert.

Die Folge ist ein Druckrückgang in der Saugleitung 10, der zu einer Öffnung des Konstantdruckreglers 6 führt. Es kann somit Kältemitel über die Kältemittelzuführung 17 aus dem Kondensator 2 parallel zu dem an das Expansions­ ventil 4 geführten Kältemittel in den zweiten Verdampfer 5 gelangen, wo es beim Übergang in den gasförmigen Zustand eine Kühlung des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung 18 bewirkt.

In diesem Betriebszustand ist die Klimaanlage A ohne weiteres in der Lage, auch die Treibstoffkühlvorrichtung mit Kälte­ mittel zu versorgen, so daß die Treibstofftemperatur auf einen unkritischen Wert gebracht und dort gehalten werden kann. Es wird dabei ständig die durch den Pumpvorgang er­ zeugte Wärme eliminiert. Eine ansonsten während des Motor­ betriebs mögliche Blasenbildung im Treibstoff wird zuver­ lässig unterdrückt. Die niedere Treibstofftemperatur er­ möglicht auch problemlose Startvorgänge nach kurzen Be­ triebspausen.

Im Fall von längeren Park-/Betriebspausen ist dagegen der Einfluß der Kraftstofftemperatur beim Startvorgang nicht von Bedeutung.

Claims (6)

1. Kraftstoffkühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem benzingetriebenen Motor und mit einer Klimaanlage für den Fahrgastraum, welche einen Kälte­ mittel-Kreislauf mit einem Kompressor, einem Konden­ sator, einem Expansionsventil, einem ersten Verdamp­ fer sowie eine Hochdruck- und eine Saugdruckleitung aufweist, wobei ein Wärmetauscher für einen Wärmeaus­ tausch zwischen dem Kältemittel und dem Kraftstoff vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem druckgesteuerten zweiten Verdampfer (5) besteht, welchem aus dem Kon­ densator (2) Kältemittel zugeführt wird, und dessen Steuereingang mit der Saugleitung (10) verbunden ist, so daß der Saugdruck als Stellgröße wirkt.

2. Kraftstoffkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdampfer (5) als Auffang- und Sammel­ behälter für flüssiges Kältemittel (15) ausgebildet ist und daß ein Austritt von Flüssigkeit aus dem zwei­ ten Verdampfer (5) in die Saugleitung (10) verhindert ist.

3. Kraftstoffkühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdampfer (5) mit einem ausgangsdruck­ geregelten Konstantdruckregler (6) versehen ist.

4. Kraftstoffkühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechdruck des Konstantdruckreglers (6) von 0 bar bis 3 bar einstellbar ist.

5. Kraftstoffkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantdruckregler (6) mit einer Überdruck- Entlastung versehen ist.

6. Kraftstoffkühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im zweiten Verdampfer (5) verlaufende Kraft­ stoffleitung (18) spiralförmig ausgebildet ist.