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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Betanken eines Kraftstoffbehälters, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug.
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Das Betanken eines Kraftstoffbehälters eines
Kraftfahrzeugs mit Hilfe einer Zapfpistole, die mit einer Kraftstofförderpumpe
verbunden ist und in den Kraftstoffeinfüllstutzen des Behälters eingeführt wird, ist
bekannt. Es führt
oft zu ungewollten Abschaltungen der Zapfpistole, zu Spucken und
Zurückspritzen des
Kraftstoffs durch Stauwirkung, wenn der Benutzer Zapfpistolen mit
den an Tankstellen verfügbaren Durchflußmengen
verwendet.
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Solche Fehlfunktionen hängen damit
zusammen, daß die
Kraftstoffströmung
in dem Zuleitungsrohr schwer zu beherrschen ist. So variiert schon
die Anfangsbedingung der Kraftstoffströmung in Abhängigkeit von der von dem Benutzer
aufgegebenen Position der Zapfpistole. Außerdem wird die Kraftstoffströmung durch
den Aufprall des Kraftstoffstrahls gegen die Innenfläche des
Zuleitungsrohrs stark gestört,
was zu Schaumbildung und Spucken des Kraftstoffs führt. Schließlich ist
die Kraftstoffströmung
von ihrem Eintritt in das Zuleitungsrohr an und über dessen ganze Länge nicht
homogen sondern chaotisch.
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Man hat bis heute verschiedene Lösungswege
beschritten, mit denen man diese Fehlfunktionen beim Betanken des
Behälters
auszuschalten versuchte.
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Diese bekannten Lösungen bestanden darin, den
Durchmesser des Zuleitungsrohrs an seinem unteren Ende zu vergrößern, am
unteren Ende des Zuleitungsrohrs Kegel oder Rückschlagventile einzubauen
und einen Einfüllstutzen
zu verwenden, der die Zapfpistole in geführter Weise aufnehmen kann, um
den Kraftstoffstrahl auszurichten.
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Diese bekannten Lösungen waren jedoch nicht voll
befriedigend und sind relativ teuer.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine
Vorrichtung zum Betanken eines Kraftstoffbehälters vor, die so konzipiert
ist, daß sie
das Risiko ungewollter Abschaltungen der Zapfpistole, das Spucken
und Rückspritzen
des Kraftstoffs soweit wie möglich
einschränkt
und das Strömen
begünstigt.
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Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung
zum Betanken eines Kraftstoffbehälters,
insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Zuleitungsrohr für die Zuleitung von Kraftstoff
in den Kraftstoffbehälter,
das mit einem Einfüllstutzen
zur Aufnahme und zum Führen
einer Kraftstoffzapfpistole verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß das
Zuleitungsrohr mit dem Einfüllstutzen über einen
Zuleitungskanal verbunden ist, der an den Ausgang des Einfüllstutzens
angeschlossen ist und einen seiner Länge nach ausgeschnittenen Abschnitt
aufweist, der auf dem oberen Teil des Zuleitungsrohrs aufgewickelt
und abgedichtet auf dem oberen Teil befestigt ist, um eine Kraftstoffzulaufkammer
zu begrenzen, die mit einem darunter liegenden Einschnitt verbunden
ist, der durch die Wandung des Zuleitungsrohrs hindurch ausgebildet
ist, wobei er in der gleichen Wickelrichtung verläuft wie
der ausgeschnittene Teil des Zuleitungskanals, so daß er einen
zu der Innenfläche des
Zuleitungsrohrs tangentialen Kraftstoffzulaufdurchgang begrenzt.
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Das Zuleitungsrohr weist vorzugsweise
in seinem unteren Teil unter dem Kraftstoffzulaufdurchgang einen
konvergierenden Abschnitt auf, der über eine Rohrleitung mit dem
Kraftstoffbehälter
verbunden ist.
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Der ausgeschnittene Teil des Zuleitungskanals
ist unter Bildung einer Helix aufgewickelt, die um den oberen Teil
des Zuleitungsrohrs verläuft.
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Der ausgeschnittene und aufgewickelte
Teil des Zuleitungskanals ist relativ zur Längsachse des Rohrs geneigt.
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Das an den Einfüllstutzen angeschlossene Ende
des Zuleitungskanals weist relativ zu dem oberen Teil des Zuleitungsrohrs
eine zwischen 0 und 90° liegende
Neigung auf.
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Das obere Ende des Zuleitungsrohrs
wird von einer transversalen Stirnwand verschlossen.
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Die Verschlußwand des Zuleitungsrohrs weist
ein rohrförmiges
Anschlußstück für den Anschluß einer
Leitung auf, die an ihrem entgegengesetzten Ende mit einer Entgasungsleitung
verbunden ist.
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Der Durchgang für den Kraftstoffzulauf ist vorzugsweise
auf der Oberseite des Zuleitungsrohrs ausgebildet.
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Der auf der Seite der Kraftstoffzuführung liegende
Endbereich der Leitung liegt in der Verlängerung des Einfüllstutzens
und ermöglicht
es, die Spitze der Kraftstoffzapfpistole in der Leitung zu führen, wobei
er dann, wenn die Kraftstoffzapfpistole positioniert ist, einen
ge wissen Abstand zwischen dem Ende der Spitze und dem Anfang der
Krümmung
der peripheren Leitung beläßt und die
Erfassung des Kraftstoffs durch die Kraftstoffzapfpistole durch
die Verlängerung
des darunter liegenden Einschnitts ermöglicht.
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Der genannte Abstand liegt vorzugsweise zwischen
etwa 5 mm und etwa 5 cm.
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Die folgende erläuternde Beschreibung, die auf
die anliegenden schematischen Zeichnungen Bezug nimmt, die lediglich
als Beispiel vorgestellt werden und mehrere Realisierungsarten der
Erfindung veranschaulichen, soll das Verständnis der Erfindung verbessern
und weitere Ziele, Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung
deutlicher zum Ausdruck bringen.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Vorrichtung zum Betanken eines Kraftfahrzeug-Kraftstoffbehälters,
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung der zweiten Ausführungsform
der Betankungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
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3 zeigt
schematisch die Betankungsvorrichtung von 1,
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4 zeigt
eine perspektivische Teilansicht des oberen Teils des Zuleitungsrohrs
von 1, das mit einem
Zuleitungskanal ausgestattet ist,
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5 zeigt
eine perspektivische Teilansicht des oberen Teils des Rohrs, das
demjenigen von 2 entspricht
und mit einem über
einen Umfang des Rohrs gewickelten Zuleitungskanals ausgestattet
ist,
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6 zeigt
den oberen Teil des Zuleitungsrohrs von 1 in einer Teilansicht von oben,
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7 zeigt
die Winkelposition der Kraftstoffzapfpistole in ihrem Einfüllstutzen,
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8 und 9 zeigen Seitenansichten
des oberen Teils der Rohrleitung, deren Zuleitungskanal oben bzw.
unten an der Rohrleitung befestigt ist,
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10 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines konvergierenden Abschnitts,
anhand derer das Prinzip der hydrozyklonischen Betankung eines Behälters zur
Erzeugung einer geordneten Kraftstoffströmung in dem Zuleitungsrohr
erläutert
wird,
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11 zeigt
eine Ansicht von unten entsprechend dem Pfeil XI von 10,
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12 zeigt
die Kraftstoffströmung
in dem am Ausgang des Zuleitungsrohrs angeschlossenen konvergierenden
Abschnitt.
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Die Erfindung macht sich die Anwendung des
hydrozyklonischen Betankens auf den mit einem Kraftstoffbehälter eines
Automobils verbundenen Kraftstoffkreis zunutze, um die Risiken ungewollter Abschaltungen
der Zapfpistole, des Spuckens und Rückspritzens von Kraftstoff
einzuschränken
und das Strömen
zu erleichtern.
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Es ist bekannt, daß beim Betanken
eines Kraftstoffkreises die Kraftstoffströmung in dem Zuleitungsrohr
aus zwei Fluidphasen besteht, die flüssigen Kraftstoff und von dem
Kraft stoff mitgeschlepptes Gas (Luft und Dampf) umfassen. Der aus
der Zapfpistole austretende Kraftstoffstrahl enthält eine Emulsion,
die beim Aufprall des Strahls gegen die Innenfläche des Zuleitungsrohrs nicht
ganz von ihrem Gas befreit wird. Ein Teil dieses Gases wird also
mit dem flüssigen
Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter
mitgeschleppt. Die verbleibende Luftund Dampfströmung verläuft in dem Rohr als Gegenstrom
und mit einer von der Geschwindigkeit des flüssigen Kraftstoffs abweichenden
Geschwindigkeit.
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Das ist der Grund dafür, daß man eine
geordnete Strömung
mit bekannten Eigenschaften erzeugen muß, die die flüssige und
gasförmige
Phase trennt, um die Strömung
des Kraftstoffs in dem Zuleitungsrohr vorhersagen zu können.
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Um jedes Mitschleppen von Luft in
den Kraftstoffbehälter
zu verhindern, ist es andererseits erforderlich, eine Art von flüssigem Propfen
in dem unteren Teil des Zuleitungsrohrs zu erzeugen, der es ermöglichen
muß, den
Siphon der Entgasungsleitung vom Beginn des Betankens an auszuwerfen.
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Ein Hydrozyklon ist eine drehende
Strömung,
die im Innern eines in 10 und 11 dargestellten konvergierenden
Abschnitts C erzeugt wird und die es ermöglicht, die flüssige und
die gasförmige
Phase voneinander zu trennen, die dicht bzw. leicht sind. Im Innern
eines Hydrozyklons wird die Strömung
der zu trennenden flüssigen
und gasförmigen
Fluide entlang der Innenwandung des konvergierenden Abschnitts C
in Drehung versetzt. Über
die ganze Querschnittsverjüngung
des konvergierenden Abschnitts C hinweg verarmt in der Strömung der Flüssigkeit,
die durch die auf die dichte Phase bezogenen Strömungslinien F1 symbolisiert
ist, die leichtere gasförmige
Phase, die zum Zentrum des konvergierenden Abschnitts zurücksteigt,
wie dies durch den nach oben gerichteten vertikalen Pfeil F2 symbolisiert
ist. Unter optimalen Bedingungen entsteht unten in dem Hydrozyklon,
d. h. an dem unteren Ende des konvergierenden Abschnitts eine Erscheinung
in Form eines flüssigen
Pfropfens, und die gasförmige Phase
steigt als Ganzes durch das Zentrum des konvergierenden Abschnitts
C zurück.
Man erreicht diesen idealen Ablauf durch einen adäquaten Kompromiß zwischen
der Geometrie (Länge
und Verhältnis zwischen
dem oberen und dem unteren Durchmesser des konvergierenden Abschnitts)
und der Speisung des Hydrozyklons.
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Die Anwendung der hydrozyklonischen
Zuführung
auf ein Kraftstoffzuleitungsrohr eines Kraftstoffbehälters für ein Kraftfahrzeug
soll die Erzeugung eines Kraftstoffwicklung in dem Rohr ermöglichen,
dies zu dem Zweck einer Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase
des Kraftstoffs, einer Strukturierung der Kraftstoffströmung in
dem Rohr, einer Strömung,
die unabhängig
von der Position der Zapfpistole wird, der Erzeugung eines flüssigen Pfropfens
unten in dem Rohr mit Auswurf des Siphons und ohne irgendwelches
Mitschleppen von Luft in den Kraftstoffbehälter und einer Architektur, die
eine genormte Konzeption der Betankungsvorrichtung gemäß der Erfindung
ermöglicht.
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Es sei nun in einer allgemeineren
Weise auf 1 bis 9 Bezug genommen. Die Vorrichtung
zum Betanken eines Kraftstoffbehälters
für ein
Kraftfahrzeug besitzt einen Einfüllstutzen 2 für die Aufnahme und
Führung
einer Kraftstoffzapfpistole 3, die mit einer (nicht dargestellten)
Kraftstofförderpumpe
verbunden ist, wobei die Spitze 3a der Zapfpistole 3 sich in
geführter
Weise durch den Einfüllstutzen
erstreckt und aus dessen Austrittsrohr 2a heraussteht.
Der Einfüllstutzen 2 ist
an einer Wand 4 der Fahrzeugkarosserie, im allgemeinen
einem der hinteren Kotflügel des
Fahrzeugs, so befestigt, daß die
Eintrittsöffnung des
Einfüllstutzens 2 von
außen
zugänglich
ist, wobei der Körper
des Einfüllstutzens 2 in
dem Austrittsrohr 2a endet, das im Innern der Fahrzeugkarosserie
liegt.
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Die Betankungsvorrichtung weist außerdem ein
Rohr 5 auf, das relativ zur Horizontalen geneigt ist und
dessen unteres Ende über
eine gebogene obere Leitung 6, eine vertikale mittlere
Leitung 7 und eine gebogene untere Leitung 8 mit
dem Eingang des Behälters 1 verbunden
ist.
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Das Zuleitungsrohr 5 ist
erfindungsgemäß mit dem
Einfüllstutzen 2 über einen
Zuleitungskanal 9, z. B. einen flexiblen Schlauch, verbunden
und an das Austrittsrohr 2a des Einfüllstutzens 2 angeschlossen.
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Der Zuleitungskanal 9 besitzt
einen seiner Länge
nach ausgeschnittenen Abschnitt 9a, der um den oberen Teil 5a des
Rohrs 5 gewickelt ist, wobei er abgedichtet auf dem oberen
Teil 5a befestigt ist und eine Kraftstoffzulaufkammer begrenzt,
die mit einem darunter liegenden Einschnitt 5b in Verbindung steht,
der durch die Wand des Rohrs hindurch hergestellt ist und in der
gleichen Wickelrichtung verläuft wie
der ausgeschnittene Teil des Zuleitungskanals 9, so daß er einen
zur Innenfläche
dieses Rohrs tangentialen Kraftstoffzulaufdurchgang begrenzt.
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Eine solche periphere Speisung des
Rohrs 5 über
den Zuleitungskanal 9 ermöglicht es, den Kraftstoff in
einer Drehbewegung zu führen
und eine von dem Zuleitungskanal kommende progressive Strömung bis
zum Innern des Rohrs ohne Ablösen
des Kraftstoffs zu gewährleisten.
Aufgrund des Einschnitts 5b, der es der Zapfpistole auch
ermöglicht, das
Ansteigen des Kraftstoffs beim Ende des Betanken des Kraftstoffbehälters 1 zu
erfassen, steht der Kraftstoffstrahl vom Eintritt in den Zuleitungskanal 9 an
mit der Innenfläche
des Rohrs 5 in Kontakt.
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An das untere Ende des Zuleitungsrohrs 5 schließt sich
unter dem von dem Einschnitt 5b gebildeten Kraftstoffeinlaßdurchgang
ein konvergierender Abschnitt 10 an, wobei der Durchmesser
des konvergierenden Abschnitts in Richtung auf die gebogene Verbindungsleitung 6 kleiner
wird und die Erzeugung eines flüssigen
Pfropfens unter diesem ermöglicht, um
das Mitschleppen von Gas in den Kraftstoffbehälter 1 zu verhindern.
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Der ausgeschnittene Teil des Zuleitungskanals 9 ist
gewickelt und bildet eine Schraube, die um den oberen Teil 5a des
Rohrs 4 über
den halben Umfang dieses Rohrs verläuft. Indessen kann die Wicklung
dieses ausgeschnittenen Teils des Zuleitungskanals 9 auch über die
Länge eines
Umfangs oder sogar länger
um das Rohr 5 verlaufen, wie dies in 5 dargestellt ist, ohne daß der Raumbedarf
des Ganzen größer wird.
Der Zuleitungskanal 9 ist relativ zur Längsachse des Rohrs 5 vorzugsweise
unter einem Winkel von 45° geneigt,
wie dies aus 6 hervorgeht.
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1 und 4 zeigen, daß der Endbereich 9b des
Zuleitungskanals 9, der an das Austrittsrohr 2a des
Einfüllstutzens 2 angeschlossen
ist, parallel zu dem oberen Teil 5a des Rohrs 5 verläuft, während 2 und 5 zeigen, daß dieser Endbereich 9b senkrecht
zu dem oberen Teil 5a des Rohrs 5 verläuft.
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Das obere Ende des Rohrs 5 wird
von einer Stirnwand 5c verschlossen, die einen rohrförmigen Stutzen 5d aufweist,
der koaxial außerhalb
der Wand angeordnet und fest mit ihr verbunden ist und an dem eine
Leitung 13 angeschlossen ist, deren entgegengesetztes Ende
in Fluidverbindung an eine Entgasungsleitung 14 angeschlossen
ist.
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Der Zuleitungskanal 9 ist
vorzugsweise auf der Oberseite des Rohrs aufgewickelt, wie dies
in 8 dargestellt ist.
Nach einer Ausführungsvariante,
die in 9 dargestellt
ist, ist der Zuleitungskanal auf der Unterseite des Rohrs 5 aufgewickelt.
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Um der Architektur eines Kraftfahrzeugs
und den mit der Benutzung der Zapfpistole verbundenen ergonomischen
Anforderungen entgegenzukommen, weist der Einfüllstutzen 2 zum Führen der
Zapfpistole einen Neigungswinkel α von
etwa 30° gegenüber der Horizontalen
auf, wie dies aus 7 hervorgeht,
wobei das Ende 9b des an das Austrittsrohr 2a des
Einfüllstutzens 2 angeschlossenen
Zuleitungskanals 9 diesen Neigungswinkel natürlich berücksichtigen muß.
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Für
den Fall, daß die
Wicklungslänge
des Zuführungskanals 9 über einen
halben Umfang befestigt ist und für die Konfiguration, bei der
das Ende 9b des Zuleitungskanals senkrecht zu dem oberen Teil
des Rohrs 5 verläuft,
beträgt
die Länge
der Wicklung des Kanals 9 etwa 10 cm, während für die Konfiguration, bei der
das Ende 9b des Zuleitungskanals in der Ver längerung
des oberen Teils des Rohrs 5 angeordnet ist, diese Länge für eine Neigung
von 45° des
Zuleitungskanals 9 gegenüber der Achse des Rohrs z.
B. etwa 18 cm betragen kann.
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Der Endbereich der Leitung 9 auf
der Kraftstoffzuführungsseite
liegt vorteilhafterweise in Verlängerung
des Stutzens 2 und erlaubt es, die Spitze 3a der
Zapfpistole 3 in die Leitung 9 zu führen, wobei ein
gewisser Abstand zwischen dem Ende der Spitze 3a und dem
Anfang der Krümmung
der peripheren Leitung 9 verbleibt, wenn die Zapfpistole 3 positioniert
ist, wobei durch die Verlängerung
des darunter liegenden Einschnitts die Detektierung des Kraftstoffs
durch die Zapfpistole 3 ermöglicht wird. Dieser Abstand
liegt vorzugsweise zwischen etwa 5 mm und etwa 5 cm.
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Die Betankungsvorrichtung gemäß der Erfindung
wurde im Vergleich mit vorbekannten Lösungen getestet. Die Vergleichstests
wurden für
einen unteren Durchmesser des konvergierenden Teils 10 von 20
mm bis 40 mm durchgeführt,
wobei als Kraftstoff bleifreies Benzin benutzt wurde, das mit den
in den Tankstellen verfügbaren
Fülldurchflußmengen
in das Zulaufrohr eingeleitet wurde.
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Bei diesen Fülldurchflußmengen hat man an einem klassischen
Rohr eine Strömung
beobachtet, die extrem chaotisch war und von der Position der Zapfpistole
abhing, und in der Verbindungszone des Rohrs zu dem Kraftstoffbehälter wurde
ebenfalls ein Phänomen
der Kraftstoffrezirkulation beobachtet, die auf den Aufprall des
aus der Zapfpistole kommenden Kraftstoffstrahls gegen die Innenfläche des
Rohrs zurückzuführen war,
begleitet von einer Schaumbildung des Kraftstoffs, und außerdem wurde
eine erhebliche Menge Luft mit dem Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter eingeschleppt.
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Im Gegensatz hierzu verursachen bei
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
der auf dem Zuleitungsrohr aufgewickelte Zuleitungskanal und das Vorhandensein
des tangential zur Innenfläche
des Rohrs verlaufende Einschnitts in diesem Rohr eine Drehbewegung
des Kraftstoffs, und man beobachtet eine zur Fülldurchflußmenge proportionale Kraftstoffströmung, die
homogen und entlang von Strömungslinien
strukturiert ist, deren Richtung durch den Zuleitungskanal bedingt
ist, wobei sich in dem konvergierenden Teil 10 ein stabiles
Gleichgewicht ausbildet und die Dicke des Fluids in dem konvergierenden
Teil an dessen Innenwandung immer größer wird, bis sie eine sehr
deutliche Grenze oder Grenzfläche
zwischen dem in 12 mit
FG bezeichneten, rotierenden gasförmigen Fluid der mit FL bezeichneten
rotierenden Flüssigkeit
auftreten läßt. Außerdem entsteht in
dem unteren Abschnitt des konvergierenden Teils in der Verbindungszone
zu dem Schlauch 7 ein flüssiger Pfropfen, so daß das ganze
von dem Luftvolumen gebildete gasförmige Fluid durch das Zentrum des
konvergierenden Teils 10 zurücksteigt und so eine wirksame
Trennung der flüssigen
Phase von der gasförmigen
Phase des Kraftstoffs ermöglicht
und dadurch das Ein führen
von Luft in den Kraftstoffbehälter
verhindert. Außerdem
bleibt bei diesen Fülldurchflußmengen
die Kraftstoffströmung
invariant und unempfindlich gegenüber der Position der Zapfpistole.
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Durch die Anwendung einer hydrozyklonischen
Zuführung
ermöglicht
es die Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die Kraftstoffströmung
in dem Betankungskreis zu strukturieren und gegenüber den Anfangsbedingungen
invariant zu machen, die der Benutzer festlegt, was die Position
der Zapfpistole anbelangt. Im Gegensatz zu vorbekannten Anordnungen,
bei denen die Kraftstoffströmung
chaotisch und unstrukturiert ist und von der Position der Zapfpistole
abhängt,
erreicht man so erfindungsgemäß ein zuverlässiges Betanken.