EP1752651A1 - Kraftstoff-Einspritzsystem - Google Patents

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Publication number
EP1752651A1
EP1752651A1 EP05017332A EP05017332A EP1752651A1 EP 1752651 A1 EP1752651 A1 EP 1752651A1 EP 05017332 A EP05017332 A EP 05017332A EP 05017332 A EP05017332 A EP 05017332A EP 1752651 A1 EP1752651 A1 EP 1752651A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
injection system
separator
polar
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05017332A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Giacomo G. Sciortino
Joachim Kiefer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delphi Technologies Inc
Original Assignee
Delphi Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delphi Technologies Inc filed Critical Delphi Technologies Inc
Priority to EP05017332A priority Critical patent/EP1752651A1/de
Priority to EP06014945A priority patent/EP1752652A1/de
Priority to PCT/EP2006/007898 priority patent/WO2007017276A1/de
Priority to JP2008525481A priority patent/JP2009504963A/ja
Publication of EP1752651A1 publication Critical patent/EP1752651A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00—Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M37/22—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system
    • F02M37/24—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system characterised by water separating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00—Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M37/22—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system
    • F02M37/32—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system characterised by filters or filter arrangements
    • F02M37/36—Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system characterised by filters or filter arrangements with bypass means

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system with a piezoelectric injector, a fuel pump disposed in a fuel line upstream of the valve and a fuel tank.
  • Such a fuel injection system is basically known and is used in the automotive sector, for example, in common-rail diesel engines.
  • the fuel pump of a common rail diesel injection system is a high pressure pump that increases the pressure of the diesel fuel in a pressure accumulator tube upstream of the engine cylinders to 2000 bar or more.
  • the motor cylinders associated piezoelectric injectors, so-called piezo injectors, the supply of the pressurized fuel is controlled in the respective engine cylinder.
  • a piezoelectric actuator for actuating the injection valve in the fuel flow path is arranged and exposed directly to the fuel at least when the valve is open. It has been found that the functionality of the piezoelectric actuator and thus ultimately of the injector is impaired in total in direct contact with the fuel after a comparatively short operating time of less than 100 hours.
  • the invention has for its object to provide a fuel injection system, which ensures an increased and in particular practical life of such piezoelectric injectors having a fuel directly exposed to the piezoelectric actuator.
  • the fuel injection system of the present invention includes a piezoelectric injector, a fuel pump disposed in a fuel line upstream of the valve, and a molecular separator disposed in the fuel line upstream of the pump, and more particularly between the pump and a fuel tank, through which the fuel is introduced into the pump the amount of a polar constituent of the fuel, in particular the molecular fraction of undissolved water and / or the alcohol molecule fraction, is selectively reducible to a nonpolar constituent of the fuel.
  • the damage of the piezoelectric actuator is attributed to a permeation of water molecules through the encapsulation material with which the piezoelectric actuator is encapsulated. It is believed that water penetrated into the piezoelectric actuator acts as an electrolyte and initiates silver migration which forms a contact phase between two electrodes of the piezoelectric actuator, thereby resulting in failure of the piezoelectric actuator.
  • the concentration of water available in Western Europe is about 200 ppm.
  • a fluoropolymer such as PVDF, PTFE, ETFE or FEP, having encapsulant about 0.833 g ⁇ mm / (m 2 ⁇ d) is, and thus is much larger than the permeation of diesel fuel, which is at the same temperature only 0.014 g ⁇ mm / (m 2 ⁇ d).
  • the invention has a completely different approach, namely, reducing the content of a polar constituent of the fuel, e.g. the proportion of molecules of undissolved water and / or the alcohol molecule content, by means of a Molekülseparators before the entry of the fuel in the piezoelectric injector.
  • the molecule separator separates the undissolved water molecules or the alcohol molecules from the non-polar constituent of the fuel and separates them.
  • the water or alcohol is filtered out of the fuel, so to speak.
  • the molecular separator By disposing the molecular separator upstream of the pump, the reduction of the amount of the polar component of the fuel takes place at a comparatively low fuel pressure, whereby a sufficiently efficient filtering process can be achieved even with a comparatively simple separator design.
  • the amount of the polar fuel component can be reduced so much that the piezoelectric actuator takes no damage even with prolonged contact with the fuel.
  • a durability of the piezoelectric injector and consequently of the fuel injection system as a whole can be achieved, which meets the practical requirements.
  • the molecule separator is designed so that it reduces the proportion of the polar constituent of the fuel and in particular the molecular fraction of undissolved water and / or the alcohol molecule fraction to less than 20 ppm.
  • a sensor for measuring the amount of the polar constituent of the fuel is arranged downstream of the molecule separator and in particular between the molecule separator and the pump.
  • the sensor allows monitoring of the function of the molecular separator and the efficiency of the separation process and, in the event of insufficient reduction in the amount of polar constituent, may cause appropriate action to protect the piezoelectric injector, such as repeated filtering of the fuel or separation of the injector from the injector fuel supply.
  • the senor is continuously active as soon as the fuel begins to flow, in other words under normal operating conditions the injection system, in cold start situations and under such conditions in which the amount of a polar fuel component has increased or increase for environmental reasons, such as after long periods of use of the vehicle or excessive humidity.
  • the sensor may comprise a single measuring element or comprise an arrangement of a plurality of identical and / or different measuring elements.
  • a plurality of spaced sensing elements may be disposed downstream of the molecular separator to monitor the amount of polar constituent over a longer flow path of the fuel. This increases the reliability and accuracy of the measurement result.
  • different measuring elements can also be arranged downstream of the molecule separator.
  • at least one first sensing element may be used to monitor the amount of a first polar constituent, e.g. the water content
  • at least one second measuring element for monitoring the amount of a second polar constituent, e.g. the methanol content be provided.
  • the simultaneous monitoring of different polar components of the fuel allows a targeted adaptation of the separation process to the particular fuel used and thus an even more effective reduction of the piezo injector damaging fuel components.
  • a bypass mechanism is provided to redirect fuel once passed through the molecular separator through the molecular separator.
  • the bypass mechanism may be configured to continuously re-introduce a partial flow of the fuel that has flowed through the molecular separator into the molecular separator to thereby achieve continuous multiple filtration of at least a portion of the fuel and thus further reduce the amount of the polar constituent.
  • the bypass mechanism may be configured so that fuel once flowed through the molecular separator is redirected through the molecular separator only when the amount of the polar fuel component measured by a sensor disposed downstream of the molecule separator has a predetermined threshold, e.g. 20 ppm, exceeds. In other words, multiple filtering of the fuel is carried out only until the quantity of the monitored polar constituent falls below the predetermined threshold again.
  • a predetermined threshold e.g. 20 ppm
  • the bypass mechanism may comprise a switching valve coupled to the sensor which is arranged downstream of the sensor and through which fuel which has flowed through the molecular separator can be diverted into a bypass line bridging the molecule separator.
  • the molecule separator may be a multi-stage separator or may comprise a plurality of identical separator elements connected in series.
  • the molecule separator can comprise a fully automatic system for the separation of water and / or alcohol, which preferably a, for example, supplied via a 24V electrical system of the motor vehicle, heating, by which a freezing of the separated water at low outdoor temperatures can be prevented.
  • the system may include a plurality of sequentially connected separators operating in a cascade mode.
  • the reduction of the amount of the polar fuel component may be due to a chemical and / or physical absorption of molecules of the polar constituent or may be through a selective membrane.
  • the molecular separator has a porous medium which absorbs the polar component but not the non-polar component of the fuel.
  • the porous medium may comprise, for example, a silicate layer system.
  • the molecule separator has a, e.g. planar or tubular, selective membrane.
  • the membrane may comprise a membrane pair consisting of a cation and an anion exchange membrane.
  • the single figure shows a schematic representation of an embodiment of a fuel injection system according to the invention, which is designed for the Western European market.
  • injection system shown in the figure is a common rail system for injection of diesel fuel in a motor vehicle diesel engine.
  • the diesel engine of the embodiment shown has four cylinders, but the number of cylinders can also be chosen differently.
  • each cylinder Associated with each cylinder is an injection valve 10 which controls the supply of fuel to the cylinder.
  • the injection valves 10 are piezoelectric injectors, so-called piezo injectors, which are opened or closed by means of a piezoelectric actuator, which is arranged in the flow path of the fuel and thus exposed directly to the fuel.
  • Diesel fuel is supplied from a fuel tank 14 via a fuel line 12 to the injection valves 10.
  • the fuel tank 14 is filled with diesel fuel available in Western Europe which has a comparatively high water content of typically about 200 ppm.
  • a water molecule sleeve separator 16 is arranged in the fuel line 12, by means of which the molecular fraction of undissolved water in the fuel can be reduced to below 20 ppm. Such a low water content is harmless for the piezoelectric injectors 10.
  • the undissolved water molecules are separated from the non-polar component of the fuel and effectively filtered out of the fuel.
  • the reduction of the water content can be based, for example, on a chemical and / or physical absorption of water molecules or by means of a selective membrane.
  • a sensor 18 Downstream of the water molecule sleeve 16, a sensor 18 is arranged, which monitors the water content of the fuel which has flowed through the separator 16. If the water content of the filtered fuel detected by the sensor 18 exceeds a predetermined threshold, e.g. of 20 ppm, the sensor activates a switching valve 20 located downstream of the sensor 18 in the fuel line 12 to redirect the fuel from the fuel line 12 to a bypass line 22.
  • a predetermined threshold e.g. of 20 ppm
  • the bypass line 22 is connected at one end to the switching valve 20 and at its other end upstream of the Molekülseparator 16 to the fuel line 12, in a located between the Molekülseparator 16 and the fuel tank 14 portion of the fuel line 12th
  • Filtered fuel with a water content exceeding the predetermined threshold value is thus returned via the bypass line 22 and passed through the molecular separator 16 again.
  • the water separation process is repeated until the fuel leaving the molecular separator 16 has a water content which falls below the predetermined threshold value.
  • filtered fuel whose water content is within a permissible range passes through the switching valve 20 and is supplied through the fuel line 12 of a high-pressure pump 24, through which the pressure of the fuel to 2000 bar or more is increased.
  • the pressurized by the high pressure pump 24 fuel is stored in a pressure accumulator tube 26 and passes from there into the individual injectors 10th
  • the injection system according to the illustrated embodiment is provided for the Western European market and thus for the use of diesel fuel with an increased water content.
  • diesel available in South America typically contains methanol. Similar to an increased water content and an increased methanol content of the fuel affects the function of the piezoelectric actuators and thus the injection valves 10. Accordingly, the arrangement of a proportion of methanol molecule reducing the Molekülparators between the fuel tank and the high-pressure pump is provided for the South American market.
  • the molecular separator can be chosen so that it filters out all the polar constituents from the fuel, or a separator arrangement comprising a plurality of individual separator elements is used. each filter out one of the harmful components from the fuel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einem piezoelektrischen Einspritzventil (10), einer in einer Kraftstoffleitung (12) stromaufwärts von dem Ventil (10) angeordneten Kraftstoffpumpe (24) und einem in der Kraftstoffleitung stromaufwärts von der Pumpe (24) und insbesondere zwischen der Pumpe (24) und einem Kraftstofftank (14) angeordneten Molekülseparator (16), durch welchen vor dem Einleiten des Kraftstoffs in die Pumpe (24) die Menge eines polaren Bestandteils des Kraftstoffs selektiv zu einem unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs reduzierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einem piezoelektrischen Einspritzventil, einer in einer Kraftstoffleitung stromaufwärts von dem Ventil angeordneten Kraftstoffpumpe und einem Kraftstofftank.
  • Ein derartiges Kraftstoff-Einspritzsystem ist grundsätzlich bekannt und wird im Kraftfahrzeugbereich zum Beispiel bei Common-Rail-Dieselmotoren eingesetzt. Typischerweise handelt es sich bei der Kraftstoffpumpe eines Common-Rail-Dieseleinspritzsystems um eine Hochdruckpumpe, die den Druck des Dieselkraftstoffs in einem den Motorzylindern vorgelagerten Druckspeicherrohr auf 2000 bar oder mehr erhöht. Mit Hilfe von den Motorzylindern zugeordneten piezoelektrischen Einspritzventilen, so genannten Piezo-Injektoren, wird die Zufuhr des unter Druck stehenden Kraftstoffs in den jeweiligen Motorzylinder gesteuert.
  • Bei einer bekannten Art von piezoelektrischem Einspritzventil ist ein piezoelektrischer Aktor zur Betätigung des Einspritzventils im Kraftstoffströmungsweg angeordnet und zumindest bei geöffnetem Ventil dem Kraftstoff unmittelbar ausgesetzt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Funktionsfähigkeit des piezoelektrischen Aktors und somit letztlich des Einspritzventils insgesamt bei direktem Kontakt mit dem Kraftstoff bereits nach einer vergleichsweise kurzen Betriebsdauer von weniger als 100 Stunden beeinträchtigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoff-Einspritzsystem zu schaffen, welches eine erhöhte und insbesondere praxistaugliche Lebensdauer auch solcher piezoelektrischer Einspritzventile sicherstellt, die einen dem Kraftstoff direkt ausgesetzten piezoelektrischen Aktor aufweisen.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzsystem umfasst ein piezoelektrisches Einspritzventil, eine in einer Kraftstoffleitung stromaufwärts von dem Ventil angeordnete Kraftstoffpumpe und einen in der Kraftstoffleitung stromaufwärts von der Pumpe und insbesondere zwischen der Pumpe und einem Kraftstofftank angeordneten Molekülseparator, durch welchen vor dem Einleiten des Kraftstoffs in die Pumpe die Menge eines polaren Bestandteils des Kraftstoffs, insbesondere der Molekülanteil von ungelöstem Wasser und/oder der Alkoholmolekülanteil, selektiv zu einem unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs reduzierbar ist.
  • Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich eine erhöhte Menge eines polaren Bestandteils des Kraftstoffs, beispielsweise ein erhöhter Molekülanteil von ungelöstem Wasser und/oder ein erhöhter Alkoholmolekülanteil, nachteilig auf die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktors auswirkt.
  • Insbesondere haben Versuche ergeben, dass die Lebensdauer eines in einer Wasserumgebung getesteten piezoelektrischen Aktors weniger als 100 Stunden beträgt. Ferner wurde ein nahezu unmittelbares Versagen des piezoelektrischen Aktors beobachtet, wenn der Aktor mit Wasser versetztem Dieselkraftstoff ausgesetzt wurde.
  • Die Beschädigung des piezoelektrischen Aktors wird auf eine Permeation von Wassermolekülen durch das Verkapselungsmaterial zurückgeführt, mit welchem der piezoelektrische Aktor verkapselt ist. Man nimmt an, dass in den piezoelektrischen Aktor eingedrungenes Wasser als Elektrolyt wirkt und eine Silbermigration in Gang setzt, welche eine Kontaktphase zwischen zwei Elektroden des piezoelektrischen Aktors bildet und dadurch zu einem Versagen des piezoelektrischen Aktors führt.
  • Typischerweise beträgt die Wasserkonzentration in Westeuropa erhältlichem Dieselkraftstoff etwa 200 ppm. Versuche, die bei einer Temperatur von 40°C durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Permeation von Wasserdampf, welcher mit in einer vergleichbaren Konzentration in Heliumgas vorliegt, durch das üblicherweise verwendete, ein Fluorpolymer, wie z.B. PVDF, PTFE, ETFE oder FEP, aufweisende Verkapselungsmaterial etwa 0,833 g·mm/(m2·d) beträgt und damit wesentlich größer als die Permeation von Dieselkraftstoff ist, welche bei der gleichen Temperatur lediglich 0,014 g·mm/(m2·d) beträgt.
  • Weitere Permeationsexperimente mit fluorierten Verkapselungsmaterialen haben ergeben, dass die Permeation von Dieselkraftstoff selbst nach einer Versuchdauer von einem Monat bei einer Temperatur von 80°C unterhalb der Nachweisgrenze bleibt, wohingegen die Permeation von Wasser bei der gleichen Temperatur bis auf 7,53 g·mm/(m2·d) ansteigen kann.
  • Dies belegt die unterschiedlichen Barriereneigenschaften von hydrophobischen Substanzen, wie beispielsweise Dieselkraftstoff, verglichen mit polaren Substanzen, wie z.B. Wasser oder Alkohol.
  • Während ein größerer Teil der Forschungsaktivitäten auf die Entwicklung von wasserundurchlässigen Verkapselungsmaterialien für piezoelektrische Aktoren gerichtet ist, verfolgt die Erfindung einen davon gänzlich verschiedenen Ansatz, nämlich die Reduzierung des Gehalts eines polaren Bestandteils des Kraftstoffs, z.B. des Molekülanteils von ungelöstem Wasser und/oder des Alkoholmolekülanteils, mittels eines Molekülseparators vor dem Eintritt des Kraftstoffs in das piezoelektrische Einspritzventil.
  • Der Molekülseparator separiert die ungelösten Wassermoleküle bzw. die Alkoholmoleküle von dem unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs und scheidet diese ab. Das Wasser bzw. der Alkohol wird also gewissermaßen aus dem Kraftstoff herausgefiltert.
  • Wie bereits erwähnt wurde, ist die Senkung des Wasseranteils insbesondere bei in Westeuropa erhältlichem Dieselkraftstoff von Bedeutung. Dagegen ist es beispielsweise in südamerikanischen Ländern üblich, Dieselkraftstoff zur Senkung des Kraftstoffpreises mit Methanol zu versetzen.
  • Je nach Einsatzbereich des Einspritzsystems ist es durch eine entsprechende Ausgestaltung des Molekülseparators erfindungsgemäß möglich, den Molekülanteil von ungelöstem Wasser und/oder den Alkoholmolekülanteil soweit zu reduzieren, dass der piezoelektrische Aktor des Piezo-Injektors bei Kontakt mit dem Kraftstoff nicht beschädigt wird.
  • Durch die Anordnung des Molekülseparators stromaufwärts von der Pumpe findet die Reduzierung der Menge des polaren Bestandteils des Kraftstoffs bei einem vergleichsweise niedrigen Kraftstoffdruck statt, wodurch sich auch bei einer vergleichsweise einfachen Separatorkonstruktion ein ausreichend effizienter Filterungsprozess erreichen lässt.
  • Auf diese Weise lässt sich die Menge des polaren Kraftstoffbestandteils so weit reduzieren, dass der piezoelektrische Aktor auch bei längerem Kontakt mit dem Kraftstoff keinen Schaden nimmt. Im Ergebnis ist somit eine Haltbarkeit des piezoelektrischen Einspritzventils und folglich des Kraftstoff-Einspritzsystems insgesamt erreichbar, welche die in der Praxis gestellten Anforderungen erfüllt.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Einspritzsystems ist der Molekülseparator so ausgebildet, dass er den Anteil des polaren Bestandteils des Kraftstoffs und insbesondere den Molekülanteil von ungelöstem Wasser und/oder den Alkoholmolekülanteil auf unter 20 ppm reduziert. Versuche haben ergeben, dass sich ein derart niedriger Wassergehalt in Dieselkraftstoff nicht negativ auf die Funktionsfähigkeit eines piezoelektrischen Aktors auswirkt.
  • Vorteilhafterweise ist ein Sensor zur Messung der Menge des polaren Bestandteils des Kraftstoffs stromabwärts von dem Molekülseparator und insbesondere zwischen dem Molekülseparator und der Pumpe angeordnet. Der Sensor ermöglicht eine Überwachung der Funktion des Molekülseparators und der Effizienz des Separationsprozesses und kann im Falle einer nicht ausreichenden Reduzierung der Menge des polaren Bestandteils eine geeignete Maßnahme zum Schutz des piezoelektrischen Einspritzventils veranlassen, beispielsweise eine wiederholte Filterung des Kraftstoffs oder eine Trennung des Einspritzventils von der Kraftstoffzufuhr.
  • Bevorzugt ist der Sensor kontinuierlich aktiv, sobald der Kraftstoff zu strömen beginnt, mit anderen Worten also unter normalen Betriebsbedingungen des Einspritzsystems, in Kaltstartsituationen sowie unter solchen Bedingungen, bei denen sich die Menge eines polaren Kraftstoffbestandteils aus umwelttechnischen Gründen erhöht hat bzw. erhöhen kann, wie z.B. nach langen Standzeiten des Fahrzeugs oder bei übermäßiger Luftfeuchtigkeit.
  • Der Sensor kann ein einzelnes Messelement aufweisen oder eine Anordnung von mehreren gleichartigen und/oder unterschiedlichen Messelementen umfassen. Beispielsweise können mehrere zueinander beabstandete Messelemente stromabwärts von dem Molekülseparator angeordnet sein, um die Menge des polaren Bestandteils über einen längeren Strömungsweg des Kraftstoffs hinweg zu überwachen. Dadurch werden die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit des Messergebnisses erhöht.
  • Alternativ oder zusätzlich können auch unterschiedliche Messelemente stromabwärts von dem Molekülseparator angeordnet sein. Beispielsweise kann wenigstens ein erstes Messelement zur Überwachung der Menge eines ersten polaren Bestandteils, z.B. des Wassergehalts, und wenigstens ein zweites Messelement zur Überwachung der Menge eines zweiten polaren Bestandteils, z.B. des Methanolgehalts, vorgesehen sein. Die gleichzeitige Überwachung unterschiedlicher polarer Bestandteile des Kraftstoffs ermöglicht eine gezielte Anpassung des Separationsprozesses an den jeweils verwendeten Kraftstoff und somit eine noch wirksamere Reduzierung von den Piezo-Injektor schädigenden Kraftstoffbestandteilen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Einspritzsystems ist ein Umleitungsmechanismus vorgesehen, um bereits einmal durch den Molekülseparator geströmten Kraftstoff erneut durch den Molekülseparator zu leiten.
  • Der Umleitungsmechanismus kann so ausgebildet sein, dass kontinuierlich ein Teilstrom des durch den Molekülseparator geströmten Kraftstoffs erneut in den Molekülseparator eingeleitet wird, um dadurch eine kontinuierliche Mehrfachfilterung zumindest eines Teils des Kraftstoffs und somit eine noch weitere Reduzierung der Menge des polaren Bestandteils zu erreichen.
  • Alternativ kann der Umleitungsmechanismus so ausgebildet sein, dass bereits einmal durch den Molekülseparator geströmter Kraftstoff nur dann erneut durch den Molekülseparator geleitet wird, wenn die durch einen stromabwärts von dem Molekülseparator angeordneten Sensor gemessene Menge des polaren Kraftstoffbestandteils einen vorbestimmten Schwellwert, von z.B. 20 ppm, überschreitet. Eine mehrfache Filterung des Kraftstoffs wird mit anderen Worten lediglich so lange durchgeführt, bis die Menge des überwachten polaren Bestandteils den vorbestimmten Schwellwert wieder unterschreitet.
  • Um eine sensorgesteuerte Umleitung des bereits einmal gefilterten Kraftstoffs zu erreichen, kann der Umleitungsmechanismus ein mit dem Sensor gekoppeltes Umschaltventil umfassen, welches stromabwärts von dem Sensor angeordnet ist und durch welches durch den Molekülseparator geströmter Kraftstoff in eine den Molekülseparator überbrückende Bypassleitung umleitbar ist.
  • Zur noch weiteren Erhöhung der Effizienz des Separationsprozesses kann der Molekülseparator ein mehrstufiger Separator sein oder mehrere hintereinander geschaltete identische Separatorelemente umfassen.
  • Ferner kann der Molekülseparator ein vollautomatisches System zur Abscheidung von Wasser und/oder Alkohol umfassen, welches vorzugsweise eine, z.B. über ein 24V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgte, Heizung aufweist, durch die ein Einfrieren des abgeschiedenen Wassers bei niedrigen Außentemperaturen verhindert werden kann. Das System kann beispielsweise mehrere nacheinander geschaltete Separatoren umfassen, die in einem Kaskadenmodus arbeiten.
  • Grundsätzlich kann die Reduzierung der Menge des polaren Kraftstoffbestandteils auf einer chemischen und/oder physikalischen Absorption von Molekülen des polaren Bestandteils beruhen oder durch eine selektive Membran erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Molekülseparator ein poröses Medium auf, welches den polaren Bestandteil, nicht aber den unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs absorbiert. Das poröse Medium kann beispielsweise ein Silikatschichtsystem umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Molekülseparator eine, z.B. planare oder röhrenförmige, selektive Membran auf. Die Membran kann ein Membranenpaar bestehend aus einer Kationen- und einer Anionenaustauschmembran umfassen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzsystems, welches für den westeuropäischen Markt ausgelegt ist.
  • Bei dem in der Figur dargestellten Einspritzsystem handelt es sich um ein Common-Rail-System zur Einspritzung von Dieselkraftstoff in einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor. Der Dieselmotor des gezeigten Ausführungsbeispiels weist vier Zylinder auf, die Anzahl der Zylinder kann aber auch anders gewählt sein.
  • Jedem Zylinder ist ein Einspritzventil 10 zugeordnet, welches die Zufuhr von Kraftstoff in den Zylinder steuert. Bei den Einspritzventilen 10 handelt es sich um piezoelektrische Einspritzventile, so genannte Piezo-Injektoren, die mittels eines piezoelektrischen Aktors geöffnet bzw. geschlossen werden, welcher im Strömungsweg des Kraftstoffs angeordnet und somit dem Kraftstoff direkt ausgesetzt ist.
  • Über eine Kraftstoffleitung 12 wird den Einspritzventilen 10 Dieselkraftstoff aus einem Kraftstofftank 14 zugeführt. Der Kraftstofftank 14 ist mit in Westeuropa erhältlichem Dieselkraftstoff befüllt, welcher einen vergleichsweise hohen Wassergehalt von typischerweise etwa 200 ppm aufweist.
  • Da die piezoelektrischen Aktoren dem Kraftstoff direkt ausgesetzt sind, können im Kraftstoff enthaltene ungelöste Wassermoleküle eine Verkapselung der piezoelektrischen Aktoren durchdringen und die Aktoren beschädigen. Zum Schutz der piezoelektrischen Aktoren vor Wasser ist in Strömungsrichtung des Kraftstoffs gesehen stromabwärts von dem Tank ein Wassermolekülseparator 16 in der Kraftstoffleitung 12 angeordnet, durch welchen der Molekülanteil von ungelöstem Wasser im Kraftstoff auf unter 20 ppm reduzierbar ist. Ein derart niedriger Wassergehalt ist für die piezoelektrischen Einspritzventile 10 unschädlich.
  • Durch den Wassermolekülseparator 16 werden die ungelösten Wassermoleküle von dem unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs separiert und gewissermaßen aus dem Kraftstoff herausgefiltert. Die Reduzierung des Wassergehalts kann beispielsweise auf einer chemischen und/oder physikalischen Absorption von Wassermolekülen beruhen oder mittels einer selektiven Membran erfolgen.
  • Stromabwärts von dem Wassermolekülseparator 16 ist ein Sensor 18 angeordnet, welcher den Wassergehalt des durch den Separator 16 geströmten Kraftstoffs überwacht. Überschreitet der durch den Sensor 18 detektierte Wassergehalt des gefilterten Kraftstoffs einen vorbestimmten Schwellwert, z.B. von 20 ppm, so aktiviert der Sensor ein stromabwärts von dem Sensor 18 in der Kraftstoffleitung 12 angeordnetes Umschaltventil 20, um den Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 12 in eine Bypassleitung 22 umzuleiten.
  • Die Bypassleitung 22 ist an ihrem einen Ende mit dem Umschaltventil 20 und an ihrem anderen Ende stromaufwärts von dem Molekülseparator 16 mit der Kraftstoffleitung 12 verbunden, und zwar in einem zwischen dem Molekülseparator 16 und dem Kraftstofftank 14 gelegenen Abschnitt der Kraftstoffleitung 12.
  • Gefilterter Kraftstoff mit einem den vorbestimmten Schwellwert überschreitenden Wassergehalt wird also über die Bypassleitung 22 zurückgeführt und erneut durch den Molekülseparator 16 geleitet. Der Wasserseparationsprozess wird so oft wiederholt, bis der aus dem Molekülseparator 16 austretende Kraftstoff einen Wassergehalt aufweist, der den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
  • Durch den Molekülseparator 16 gefilterter Kraftstoff, dessen Wassergehalt in einem zulässigen Bereich liegt, passiert das Umschaltventil 20 und wird durch die Kraftstoffleitung 12 einer Hochdruckpumpe 24 zugeführt, durch welche der Druck des Kraftstoffs auf 2000 bar oder mehr erhöht wird.
  • Der durch die Hochdruckpumpe 24 unter Druck gesetzte Kraftstoff wird in einem Druckspeicherrohr 26 zwischengespeichert und gelangt von dort aus in die einzelnen Einspritzventile 10.
  • Wie bereits erwähnt wurde, ist das Einspritzsystem gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel für den westeuropäischen Markt und somit zur Verwendung von Dieselkraftstoff mit einem erhöhten Wassergehalt vorgesehen. Im Gegensatz dazu ist in Südamerika erhältlichem Dieselkraftstoff typischerweise Methanol beigemischt. Ähnlich wie ein erhöhter Wassergehalt beeinträchtigt auch ein erhöhter Methanolgehalt des Kraftstoffs die Funktion der piezoelektrischen Aktoren und somit der Einspritzventile 10. Entsprechend ist für den südamerikanischen Markt die Anordnung eines den Methanolmolekülanteil reduzierenden Molekülseparators zwischen dem Kraftstofftank und der Hochdruckpumpe vorgesehen.
  • Weist der zu verwendende Kraftstoff mehrere unterschiedliche polare Bestandteile in solchen Mengen auf, die für piezoelektrische Aktoren schädlich sind, so kann der Molekülseparator so gewählt sein, dass er alle polaren Bestandteile aus dem Kraftstoff herausfiltert, oder es wird eine Separatoranordnung aus mehreren einzelnen Separatorelementen verwendet, die jeweils einen der schädlichen Bestandteile aus dem Kraftstoff herausfiltern.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Einspritzventil
    12
    Kraftstoffleitung
    14
    Kraftstofftank
    16
    Molekülseparator
    18
    Sensor
    20
    Umschaltventil
    22
    Bypassleitung
    24
    Hochdruckpumpe
    26
    Druckspeicherrohr

Claims (11)

  1. Kraftstoff-Einspritzsystem mit einem piezoelektrischen Einspritzventil (10), einer in einer Kraftstoffleitung (12) stromaufwärts von dem Ventil (10) angeordneten Kraftstoffpumpe (24) und einem in der Kraftstoffleitung (12) stromaufwärts von der Pumpe (24) und insbesondere zwischen der Pumpe (24) und einem Kraftstofftank (14) angeordneten Molekülseparator (16), durch welchen vor dem Einleiten des Kraftstoffs in die Pumpe (24) die Menge eines polaren Bestandteils des Kraftstoffs, insbesondere der Molekülanteil von ungelöstem Wasser und/oder der Alkoholmolekülanteil, selektiv zu einem unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs reduzierbar ist.
  2. Einspritzsystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Molekülseparator (16) so ausgebildet ist, dass er den Anteil des polaren Kraftstoffbestandteils auf unter 20 ppm reduziert.
  3. Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Sensor (18) zur Messung der Menge des polaren Kraftstoffbestandteils stromabwärts von dem Molekülseparator (16) und insbesondere zwischen dem Molekülseparator (16) und der Pumpe (24) angeordnet ist.
  4. Einspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Umleitungsmechanismus (18, 20, 22) vorgesehen ist, um bereits einmal durch den Molekülseparator geströmten Kraftstoff erneut durch den Molekülseparator (16) zu leiten.
  5. Einspritzsystem nach Anspruch 3 und 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Umleitungsmechanismus ein mit dem Sensor (18) gekoppeltes Umschaltventil (20) umfasst, welches stromabwärts von dem Sensor (18) angeordnet ist und durch welches bereits einmal durch den Molekülseparator geströmter Kraftstoff in eine den Molekülseparator (16) überbrückende Bypassleitung (22) umleitbar ist.
  6. Einspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Molekülseparator (16) ein mehrstufiger Molekülseparator ist oder mehrere hintereinander geschaltete separate Separatorelemente umfasst.
  7. Einspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Reduzierung der Menge des polaren Kraftstoffbestandteils auf einer chemischen und/oder physikalischen Absorption von Molekülen des polaren Kraftstoffbestandteils beruht oder durch eine selektive Membran erfolgt.
  8. Einspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Molekülseparator (16) ein poröses Medium aufweist, welches den polaren Kraftstoffbestandteil, z.B. Wasser und/oder Alkohol, nicht aber den unpolaren Bestandteil des Kraftstoffs absorbiert.
  9. Einspritzsystem nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das poröse Medium ein Silikatschichtsystem umfasst.
  10. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Molekülseparator (16) eine, z.B. planare oder röhrenförmige, selektive Membran aufweist.
  11. Einspritzsystem nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Membran ein Membranenpaar bestehend aus einer Kationen- und einer Anionenaustauschmembran umfasst.
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