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Dokumentenidentifikation DE102005015117B4 26.04.2007
Titel Hubkolbenbrennstoffpumpe und Verfahren zum Starten und Betreiben einer Kraftfahrzeugheizung
Anmelder Webasto AG, 82131 Gauting, DE
Erfinder Schmidt, Vitali, 81375 München, DE;
Keppler, Michael, 82008 Unterhaching, DE;
Most, Dieter, 80799 München, DE
Vertreter SCHUMACHER & WILLSAU, 80335 München
DE-Anmeldedatum 01.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005015117
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse F04B 11/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04B 17/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F04B 53/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02M 37/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60H 1/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennstoffpumpe, insbesondere für eine Kraftfahrzeugheizung, die elektromagnetisch angetrieben wird und zur Förderung von flüssigem Brennstoff vorgesehen ist, mit einem ein Elastomer umfassenden Dämpfungselement zur Dämpfung von durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe erzeugten Pulsationen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kraftfahrzeugheizung, die einen Brenner und eine Hubkolbenbrennstoffpumpe mit einem ein Elastomer umfassenden Dämpfungselement zur Dämpfung von durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe erzeugten Pulsationen aufweist.

Eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe ist beispielsweise aus der Veröffentlichung Fahrzeug- und Verkehrstechnik, technische Mitteilungen 97 (2004) Heft 1, Seiten 9 bis 11, bekannt und als schematische Schnittansicht in 1 dargestellt.

Die in 1 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe 16' ist dazu vorgesehen, flüssigen Brennstoff in der durch die Pfeile veranschaulichten Richtung zu fördern, nämlich von einem Brennstoffeinlass 18 zu einem Brennstoffauslass 20. Sobald an einen elektrischen Anschluss 42 eine geeignete Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 22 bestromt, wodurch ein Hubkolben 24 elektromagnetisch in Bewegung versetzt wird. Dabei wird zunächst über ein Rückschlagventil 28 in einer Förderkammer 30 befindlicher flüssiger Brennstoff gegen den hydraulischen Widerstand der Ausgangsleitung ausgestoßen. Im Anschluss daran wird die Bestromung der Wicklung 22 beendet. Eine Rückstellfeder 26 drückt den Hubkolben 24 nach links in seine Ruhestellung. Dabei wird über ein Nachsaugventil 32 flüssiger Brennstoff angesaugt und die Förderkammer 30 mit diesem gefüllt. Mit diesem Förderprinzip lassen sich auch sehr niederviskose Brennstoffe volumetrisch präzise fördern. Über die Frequenz der Ansteuerspannungsimpulse kann die Fördermenge genau gesteuert werden.

Durch die Hin- und Herbewegung des Hubkolbens 24 entstehen jedoch unerwünschte Pulsationen im Kraftstoffsystem. Um diese Pulsationen zumindest teilweise zu unterdrücken ist es bereits bekannt, ein Dämpfungselement 34 vorzusehen, das ein balgartiges Elastomer 36 umfasst. Wenn flüssiger Brennstoff durch eine Bohrung 40 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 36 gelangt, dehnt sich das Elastomer 36 in eine benachbarte Kammer 38 aus, die in einem durch ein Kunstoffformteil 44 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen ist. Vorraussetzung hierfür ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 36 sorgt.

Ein Problem der in 1 dargestellten Hubkolbenbrennstoffpumpe 16' besteht darin, dass das Dämpfungselement 34 bei extremer Umgebungskälte, beispielsweise bei weniger als –23°C, nur noch eine geringe oder sogar keine Funktion aufweist, weil das Elastomer 36 verhärtet beziehungsweise verglast (ein typischer Elastomerpunkt des Elastomers 36 beträgt beispielsweise –23°C). Ein weiteres Problem besteht darin, dass sogenannter Artikdiesel, der einzig für Temperaturen unter –20°C freigegebene Brennstoff für Dieselbrenner, bei Temperaturen unter –20°C aufgrund der geringeren Viskosität deutlich weniger Gegendruck produziert als Winterdiesel bei Raumtemperatur. Die Funktionalität des Dämpfungselements 34 wird daher auch schon vor dem Erreichen des Elastomerpunktes des Elastomers 36 herabgesetzt. Dies führt bei "moderat" kalten Temperaturen von beispielsweise mehr als –20°C unter Umständen zu einem durch Pulsationen im Brennstoffsystem hervorgerufenen Anstieg der CO-Emissionen der Fahrzeugheizung. Bei extrem tiefen Temperaturen von beispielsweise weniger als –30°C kann sogar das Problem auftreten, dass eine Stabilisierung des Brennbetriebs durch die Pulsationen im Brennstoffsystem verhindert wird. In derartigen Fällen kann zwar ein Start des Brenners erfolgen, mit dem Ausgehen des Glühstiftes, also ohne Stützenergie für die Flammenwurzel, destabilisiert der Brenner jedoch mit zunehmender Zeit bis hin zum Verlöschen. Ein derartiges unerwünschtes Verlöschen kann beispielsweise innerhalb von 0 bis 5 Minuten nach dem Abschalten des Glühstiftes auftreten.

Aus der DE 1 836 825 U ist eine Anordnung zum Betrieb von mit Gummimetallfedern ausgerüsteten Maschinen, Geräten oder Fahrzeugen bekannt. Um eine Veränderung der Federkennlinien der Gummimetallfedern bei abnehmenden Temperaturen zu vermeiden, wird eine künstliche Erwärmung der Gummiteile der Gummimetallfedern allein in Abhängigkeit von der Temperatur der Gummiteile und unabhängig von ihrer Belastung vorgenommen. Dadurch wird die sich teilweise ungünstig auswirkende Temperaturabhängigkeit der Federkennlinien weitestgehend unterbunden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpen und die gattungsgemäßen Verfahren derart weiterzubilden, dass die vorstehend erläuterten Probleme vermieden werden und auch bei Temperaturen von beispielsweise weniger als –20°C eine pulsationsarme Brennstoffförderung möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass Mittel zur Beheizung des Elastomers vorgesehen sind. Eine Aufwärmung des Elastomers um &Dgr;x°C bis zum Erreichen des Volllastpunktes entspricht einer direkten Erweiterung/Absenkung des wirksamen Betriebsbereichs des Dämpfungselementes und damit insbesondere des Kennfeldes des Brenners einer Kraftfahrzeugheizung um diese &Dgr;x°C in den negativen Temperaturbereich hinein. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist beispielsweise der Betrieb einer Kraftfahrzeugheizung mit Artikdiesel bei –30°C möglich. Durch das erwärmte und dadurch weichere Elastomer ergeben sich geringere Pulsationsintensitäten im Brennstoffsystem, wodurch beispielsweise der Brenner einer Kraftfahrzeugheizung bei moderat tiefen Temperaturen von beispielsweise mehr als –20°C stabiler und mit gleichmäßigerem und ruhigerem Brenngeräusch betrieben werden kann (Pulsationen erzeugen ein "raues" Brenngeräusch). Beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugheizungen wird die Neigung zu Flammabrissen beim Unterschreiten einer bestimmten Grenztemperatur von beispielsweise –25°C aufgrund der geringeren Pulsationen zu tieferen Temperaturen verschoben. Bei "höheren" Temperaturen von beispielsweise 0°C bis –20°C lässt sich bei Kraftfahrzeugheizungen sowohl für Artikdiesel als auch für Winterdiesel aufgrund geringerer Pulsationen eine Minderung der CO-Emissionen erreichen.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zur Beheizung des Elastomers eine elektrische Heizung umfassen. Die elektrische Heizung kann dabei sowohl direkt als auch indirekt erfolgen. Beispielsweise kann ein in den Elastomerwerkstoff eingebrachter Heizdraht vorgesehen sein, wie er beispielsweise zur Beheizung von Fahrzeugscheiben aber auch von Ski- und anderer Ausrüstung bekannt ist. Der Heizdraht wird vorzugsweise vor Beginn der eigentlichen Brennstoffförderung in der Weise bestromt, dass die Grenztemperatur für die erforderliche Mindestelastizität bei Beginn der Brennstoffförderung überschritten ist. Die elektrische Heizung kann jedoch auch Heizelemente, beispielsweise PTC-Heizelemente umfassen, die zur Erwärmung von flüssigem Brennstoff innerhalb der Hubkolbenbrennstoffpumpe vorgesehen sind. Ein oder mehrere derartige Heizelemente können beispielsweise parallel zur Wicklung des Elektromagneten geschaltet werden. Eine separate Ansteuerung ist selbstverständlich ebenfalls möglich. Beispielsweise PTC-Heizelemente weisen einen sehr großen Widerstand-Temperatur-Koeffizienten auf. Dadurch wird beim Kaltstart die geringe in der Pumpe befindliche Brennstoffmenge schnell auf eine Maximaltemperatur von beispielsweise 50°C erwärmt. Bei einem derartigen Temperaturniveau wird der Widerstand des Heizleiters so groß, dass keine nennenswerte Heizleistung mehr abgegeben wird. Der erwärmte Brennstoff erwärmt dann das Elastomer und erhöht folglich dessen Elastizität. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass entsprechende Heizelemente benachbart zum Elastomer vorgesehen sind, um dieses zu beheizen.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe vorgesehen sein, dass die Mittel zur Beheizung des Elastomers eine Wicklung des elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe umfassen. Die Wicklungen beziehungsweise Magnetspulen von bekannten Hubkolbenbrennstoffpumpen nehmen bei tiefen Temperaturen beispielsweise bis zu acht Watt Leistung auf. Diese Leistung wird überwiegend in Wärme umgewandelt, wobei die Wärme in vorteilhafter Weise zur Beheizung des Elastomers genutzt werden kann.

In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe vor, dass in einem Bereich zwischen dem Elastomer und der Umgebung ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Als Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit kann prinzipiell jedes dem Fachmann bekannte Wärmeisolationsmaterial verwendet werden, beispielsweise geschäumte Kunststoffe und/oder Metalle. Durch eine derartige Wärmeisolation gegen die Umgebung kann Abwärme der Hubkolbenbrennstoffpumpe in vorteilhafter Weise zur Beheizung des Elastomers genutzt werden. Dabei wird bevorzugt, dass nicht die gesamte Hubkolbenbrennstoffpumpe sondern nur der Bereich des Dämpfungselementes isoliert wird, um eine Überhitzung von anderen Bestandteilen der Hubkolbenbrennstoffpumpe zu vermeiden.

Zusätzlich oder alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe vorgesehen sein, dass in einem Bereich zwischen der Wicklung und dem Elastomer ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Als Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit kommen insbesondere Metalle in Betracht, beispielsweise Aluminium. Dabei ist es möglich, dass Metallrippen oder Metallgehäusebestanteile mit Kontakt zum Dämpfungselement eine oder mehrere Wärmebrücken bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass das Elastomer bereits vor der Zündung des Brenners beheizt wird. Der Zeithorizont der Startphase der Kraftfahrzeugheizung mit Glühstiftunterstützung kann beispielsweise zwei Minuten betragen. Diese Zeit ist minimal nutzbar, um eine Erwärmung des Elastomers zu erzielen, und sie ist in vielen Fällen auch ausreichend um eine Erwärmung der Dosierpumpe und anschließen des Elastomers aufgrund der Leistungsaufnahme der jeweils vorgesehenen Heizelemente zu erreichen. Wenn die Abwärme der Hubkolbenbrennstoffpumpe zur Erwärmung des Elastomers genutzt wird, wird eine Überhitzung der Hubkolbenbrennstoffpumpe bei höheren Temperaturen vermieden, da die Leistungsaufnahme bei höheren Temperaturen geringer ist.

Auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Elastomer durch eine elektrische Heizeinrichtung beheizt wird. Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei insbesondere die Komponenten umfassen, die im Zusammenhang mit der elektrischen Heizeinrichtung der erfindzugesgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe erläutert wurden. Auf die entsprechenden Ausführungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen.

Gleiches gilt sinngemäß für den Fall, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, dass das Elastomer durch eine Wicklung eines elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe beheizt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer bekannten Hubkolbenbrennstoffpumpe, die eingangs bereits erläutert wurde;

2 ein schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung veranschaulicht, welche die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe umfasst;

3 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;

4 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;

5 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe;

6 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann;

7 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann;

8 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann; und

9 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines Brennstoffventils, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung von 2 sein kann.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten, die zur Vermeidung von Wiederholungen teilweise nur einmal erläutert werden.

2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung veranschaulicht, welche die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe umfasst. Bei der dargestellten Kraftfahrzeugheizung kann es sich beispielsweise um eine Zusatz- oder Standheizung handeln. Die dargestellte Kraftfahrzeugheizung 10 umfasst die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennstoffpumpe 16, mit deren Hilfe flüssiger Brennstoff von einem Brennstofftank 12 zu einer Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 gefördert werden kann. Je nachdem, ob es sich um eine Luft- oder Wasserheizung handelt, steht die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 mit weiteren nicht dargestellten Luft- und/oder Wasserleitungen in Verbindung, wie dies dem Fachmann gut bekannt ist. Die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 umfasst weiterhin ein Brennstoffventil 52 beziehungsweise 84, mit dem die Brennstoffzufuhr ganz oder teilweise abgeschaltet werden kann. Dieses Brennstoffventil 52 beziehungsweise 84 muss nicht zwingend in die Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 integriert sein, sondern es kann auch zwischen der Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 und der Brenner-/Wärmetauschereinheit 14 angeordnet sein.

Die in 3 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 ist dazu vorgesehen, flüssigen Brennstoff in der durch die Pfeile veranschaulichte Richtung zu fördern, nämlich von einem Brennstoffeinlass 18 zu einem Brennstoffauslass 20. Sobald an einen elektrischen Anschluss 42 eine geeignete Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 22 bestromt, wodurch ein Hubkolben 24 elektromagnetisch in Bewegung versetzt wird. Dabei wird zunächst über ein Rückschlagventil 28 in einer Förderkammer 30 befindlicher flüssiger Brennstoff gegen den hydraulischen Widerstand der Ausgangsleitung ausgestoßen. Im Anschluss daran wird die Bestromung der Wicklung 22 beendet. Eine Rückstellfeder 26 drückt den Hubkolben 24 nach links in seine Ruhestellung. Dabei wird über ein Nachsaugventil 32 flüssiger Brennstoff angesaugt und die Förderkammer 30 mit diesem gefüllt. Mit diesem Förderprinzip lassen sich, wie eingangs erwähnt, auch sehr niederviskose Brennstoffe volumetrisch präzise fördern, wobei über die Frequenz der Anstauerspannungsimpulse die Fördermenge genau gesteuert werden kann.

Um die beim Betrieb der Hubkolbenbrennstoffpumpe entstehenden Pulsationen zumindest teilweise zu unterdrücken, ist das eingangs bereits erläuterte Dämpfungselement 34 vorgesehen, das ein balgartiges Elastomer 36 umfasst. Wenn flüssiger Brennstoff durch eine Bohrung 40 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 36 gelangt, dehnt sich das Elastomer 36 in eine benachbarte Kammer 38 aus, die in einem durch ein Kunstoffformteil 44 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen ist. Vorraussetzung hierfür ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 36 sorgt. Insofern entspricht die in 3 dargestellte Hubkolbenbrennstoffpumpe der anhand von 1 erläuterten bekannten Hubkolbenbrennstoffpumpe.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 weist jedoch eine elektrische Heizung 46 zur Beheizung des Elastomers 36 auf. Im dargestellten Fall umfasst die elektrische Heizung 46 mehrere PTC-Heizelemente 46a, die in der Nähe des Elastomers 36 angeordnet sind, zumindest einen Heizdraht 46b, der in das Elastomer 36 integriert ist, und zwei PTC-Heizelemente 46c, die benachbart zur Förderkammer 30 angeordnet sind. Es ist klar, dass nicht zwingend alle dargestellten Heizelemente 46a, 46b und 46c vorhanden sein müssen, sondern dass gegebenenfalls das Vorsehen nur einer Art von Heizelementen 46a, 46b oder 46c ausreichen kann, um das Elastomer 36 geeignet zu erwärmen. Um die Wirkung der PTC-Heizelemente 46a und 46c zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem zu erwärmenden Bereich, das heißt dem Elastomer 36 beziehungsweise der Förderkammer 30 und dem jeweiligen PTC-Heizelement ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, beispielsweise ein Metall. Die direkteste Erwärmung des Elastomers 36 wird durch den oder die Heizdrähte 46b erzielt. Eine Erwärmung des Brennstoffs durch die PTC-Heizelement 46c ist nicht nur zur Erwärmung des Elastomers 36 vorteilhaft, sondern eine Vorwärmung des Brennstoffs ermöglicht auch eine bessere Verbrennung. Die PTC-Heizelemente 46a stellen insofern einen Kompromiss dar, als sie sowohl Material erwärmen, das mit dem Elastomer 36 in Kontakt gelangt, als auch Material, das mit flüssigem Brennstoff in Kontakt gelangt. Einige oder alle der dargestellten Heizelemente 46a, 46b und 46c können parallel zu der Wicklung 22 angeschlossen sein oder separat angesteuert werden. Eine separate Ansteuerung ist zwar aufwendiger, sie ermöglicht jedoch eine Vorwärmung unabhängig vom Betrieb der Pumpe.

Die in 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 3, dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass das Elastomer 36 durch die Abwärme der Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 beheizt wird. Um diese Beheizung zu ermöglichen, beziehungsweise zu optimieren, ist der Bereich des Dämpfungselementes 36 von einem Material 50 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, das heißt, von einer Wärmeisolierung. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann das Material 50 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gegebenenfalls einen schichtförmigen Aufbau aufweisen. In jedem Fall wird bevorzugt, dass nicht die gesamte Kolbenbrennstoffpumpe 16 mit Isolationsmaterial umgeben wird, da dies insbesondere bei höheren Außentemperaturen zu einer Überhitzung der Hubkolbenbrennstoffpumpe führen könnte.

Die in 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe 16 unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 3, dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass die Beheizung des Elastomers 36 durch in der Wicklung 22 erzeugte Wärme erfolgt. Zu diesem Zweck ist ein Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 22 und dem Elastomer 36 vorgesehen. Das Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere ein Metall wie Aluminium sein, wobei die Formgebung beispielsweise rippenartig sein kann, um eine geeignete Wärmebrücke zu schaffen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann es ebenfalls vorteilhaft sein, die Wärmebrücke auch zu Bereichen zu führen, die mit dem flüssigen Brennstoff in Kontakt gelangen, um den Brennstoff zu erwärmen. Im dargestellten Fall ist das Material 48 mit hoher Wärmeleitfähigkeit jedoch in Form von Metallrippen in das Kunststoffformteil 44 integriert und beheizt nur das Elastomer 36.

Dem Fachmann ist klar, dass die anhand der 3 bis 5 erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe beliebig untereinander kombiniert werden können, und auch sämtliche dieser möglichen Kombinationen werden hiermit offenbart.

Es ist weiterhin klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kraftfahrzeugheizung, beispielsweise der in 2 dargestellten Kraftfahrzeugheizung 10, mit allen vorstehend erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennstoffpumpe durchgeführt werden kann, indem das Elastomer 36 bereits vor der Zündung des Brenners 14 (2) beheizt wird. Sofern zum Beheizen des Elastomers 36 über die Wicklung 22 erzeugte Wärme verwendet wird, kann es sinnvoll sein, die Wicklung 22 vor der Zündung des Brenners nur vergleichsweise schwach zu bestromen, und zwar derart, dass eine zur Erwärmung des Elastomers 36 ausreichende Wärmemenge erzeugt wird ohne den Hubkolben 24 in Bewegung zu setzen.

6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffventils 52, das Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung 10 von 2 sein kann. Bei dem Brennstoffventil 52 handelt es sich um ein elektromagnetisch betätigtes Koaxialventil, das einen Brennstoffeinlass 54 und einen Brennstoffauslass 56 aufweist. Sobald an einen elektrischen Anschluss 74 eine geeignete Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 58 bestromt, wodurch ein Ventilkolben 60 bezogen auf die Darstellung von 6 nach rechts in Bewegung versetzt wird, so dass das Brennstoffventil 52 öffnet und Brennstoff vom Brennstoffeinlass 54 zum Brennstoffauslass 56 strömen kann. Im stromlosen Zustand der Wicklung 58 drückt eine Rückstellfeder 62 den Ventilkolben 60 bezogen auf die Darstellung von 6 derart nach links, dass der Ventilkolben 60 mit einem Ventilsitz 64 zusammenwirkt, um das Brennstoffventil 52 zu schließen.

Obwohl es in vielen Fällen ausreicht, die Hubkolbenbrennstoffpumpe selbst mit einem Dämpfungselement auszustatten, weist das in 6 dargestellte Brennstoffventil 52 ein weiteres Dämpfungselement 66 auf, das ebenfalls zur Unterdrückung von Pulsationen im Brennstoffsystem beiträgt. Das Dämpfungselement 66 umfasst auch in diesem Fall ein balgartiges Elastomer 68. Wenn flüssiger Brennstoff durch eine Bohrung 72 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 68 gelangt, dehnt sich das Elastomer 68 in eine benachbarte Kammer 70 aus, die in einem durch ein Kunststoffformteil 76 gebildeten Dämpfergehäuse vorgesehen ist. Vorraussetzung hierfür ist ein gewisser Gegendruck im Brennstoffsystem, der für das "Aufspannen" des Elastomers 68 sorgt.

Um eine Verglasung des beispielsweise aus dem Werkstoff FKN gebildeten Elastomers 68 auch bei sehr niedrigen Temperaturen von beispielsweise weniger als –23°C zu vermeiden, ist dem Dämpfungselement 66 eine elektrische Heizung 78 zugeordnet. Im dargestellten Fall umfasst die elektrische Heizung 78 mehrere PTC-Heizelemente 78a, die in der Nähe des Elastomers 68 angeordnet sind, sowie zumindest einen Heizdraht 78b, der in das Elastomer 68 integriert ist. Es ist klar, dass nicht alle dargestellten Heizelemente 78a und 78b vorhanden sein müssen, sondern dass gegebenenfalls das Vorsehen nur einer Art von Heizelementen 78a oder 78b ausreichen kann, um das Elastomer 68 geeignet zu erwärmen. Um die Wirkung der PTC-Heizelemente 78a zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem zu erwärmenden Bereich, das heißt dem Elastomer 36 und dem jeweiligen PTC-Heizelement, ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, beispielsweise ein Metall. Die direkteste Erwärmung des Elastomers 68 wird durch die Heizdrähte 78b erzielt. Die PTC-Heizelemente 78a erwärmen sowohl Material, das mit dem Elastomer 68 in Kontakt gelangt, als auch Material, das mit flüssigem Brennstoff in Kontakt gelangt. Eine Vorwärmung des Brennstoffs dient zum einen einer indirekten Erwärmung des Elastomers 68 und führt zum anderen zu einer besseren Verbrennung. Gegebenenfalls können weitere (nicht dargestellte) Heizelemente vorgesehen sein, die ausschließlich zur Erwärmung des flüssigen Brennstoffs dienen. Einige oder alle der dargestellten Heizelemente 78a und 78b können parallel zu der Wicklung 58 angeschlossen sein oder separat angesteuert werden. Eine separate Ansteuerung ist zwar aufwendiger, sie ermöglicht jedoch eine Vorwärmung unabhängig von der Ventilstellung.

Das in 7 dargestellte Brennstoffventil 52 unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 6, dass dort keine Heizelemente vorgesehen sind, sondern dass das Elastomer 68 durch die Abwärme des Brennstoffventils 52 beheizt wird. Um diese Beheizung zu ermöglichen, beziehungsweise zu optimieren, ist der Bereich des Dämpfungselementes 66 von einem Material 82 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, das heißt von einer Wärmeisolierung. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann das Material 82 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gegebenenfalls einen schichtförmigen Aufbau aufweisen. Es ist klar, dass im geöffneten Zustand des Brennstoffventils 52 aufgrund der entsprechenden Bestromung der Wicklung 58 ausreichend Abwärme erzeugt wird, um das Elastomer 68 zu beheizen. Das Brennstoffventil 52d kann jedoch auch so ausgelegt sein, dass eine niedrigere Bestromung der Wicklung 58, die noch nicht zum Öffnen des Brennstoffventils 52d führt, zur Beheizung des Elastomers 68 ausreichend ist.

Die in 8 dargestellte Ausführungsform des Brennstoffventils 52 unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 6, dass dort keine Heizelement vorgesehen sind, sondern dass die Beheizung des Elastomers 68 durch die in der Wicklung 58 erzeugte und über zumindest eine Wärmebrücke zum Elastomer 68 geführte Wärme erfolgt. Zu diesem Zweck ist ein Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 58 und dem Elastomer 68 vorgesehen. Das Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere ein Metall wie Aluminium sein, wobei die Formgebung beispielsweise rippenartig sein kann, um eine geeignete Wärmebrücke zu schaffen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann es ebenfalls vorteilhaft sein, die Wärmebrücke auch zu Bereichen zu führen, die mit dem flüssigem Brennstoff in Kontakt gelangen, um den Brennstoff zu erwärmen. Im dargestellten Fall ist das Material 80 mit hoher Wärmeleitfähigkeit jedoch in Form von Metallrippen in das Kunststoffformteil 76 integriert und beheizt zumindest überwiegend nur das Elastomer 68.

Dem Fachmann ist klar, dass auch die anhand der 6 bis 8 erläuterten Ausführungsformen des Brennstoffventils 52 beliebig untereinander kombiniert werden können, und auch sämtliche dieser möglichen Kombinationen werden hiermit offenbart.

9 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffventils 84, das anstelle des vorstehend erläuterten Brennstoffventils 52 Bestandteil der Kraftfahrzeugheizung 10 von 2 sein kann. Bei dem Brennstoffventil 84 handelt es sich um ein elektromagnetisch betätigtes Koaxialventil, das einen Brennstoffeinlass 86 und einen Brennstoffauslass 88 aufweist. Sobald an einen elektrischen Anschluss 98 eine geeignete Spannung angelegt wird, wird eine Wicklung 90 bestromt, wodurch ein Ventilkolben 92 bezogen auf die Darstellung von 9 nach rechts in Bewegung versetzt wird, so dass das Brennstoffventil 84 öffnet und Brennstoff vom Brennstoffeinlass 86 zum Brennstoffauslass 88 strömen kann. Im stromlosen Zustand der Wicklung 90 drückt eine Rückstellfeder 94 den Ventilkolben 92 bezogen auf die Darstellung von 9 derart nach links, dass der Ventilkolben 92 mit einem Ventilsitz 96 zusammenwirkt, um das Brennstoffventil 84 zu schließen.

Das in 9 dargestellte Brennstoffventil 84 ist dazu ausgelegt, Brennstoff vorzuwärmen. Zur Erwärmung des Brennstoffs wird über die Wicklung 90 erzeugte Wärme genutzt, wobei zwischen der Wicklung 90 und den Bereichen, mit denen der Brennstoff in Kontakt gelangt, ein Material 88 mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Bei dem Material 88 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann es sich insbesondere um ein Metall wie Aluminium handeln. Die Erwärmung des Brennstoffs wird dadurch optimiert, dass im Außenbereich des Brennstoffventils 84 ein Material 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, das heißt ein Wärmeisolator. Das Material 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit kann prinzipiell durch jedes dem Fachmann bekannte Isolationsmaterial gebildet sein, beispielsweise durch Metall- und/oder Kunststoffschäume. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann das Material 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit weiterhin einen schichtartigen Aufbau aufweisen. Es ist klar, dass im geöffnetem Zustand des Brennstoffventils 84 aufgrund der entsprechenden Bestromung der Wicklung 90 ausreichend Abwärme erzeugt wird, um den Brennstoff vorzuwärmen. Das Brennstoffventil 84 kann jedoch auch so ausgelegt sein, dass eine niedrigere Bestromung der Wicklung 90, die noch nicht zum Öffnen des Brennstoffventils 84 führt, zur Vorwärmung des Brennstoffs ausreicht.

Durch die Verwendung des in 9 dargestellten Brennstoffventils 84 kann gegebenenfalls auf eine üblicherweise verwendete Heizpatrone verzichtet werden. Derartige Heizpatronen weisen häufig eine hohe Leistungsaufnahme von beispielsweise 40 Watt auf und werden daher nicht während des gesamten Brennbetriebs der Kraftfahrzeugheizung bestromt, sondern nur in der Startphase. Im Gegensatz hierzu kann mit dem Brennstoffventil 84 während des gesamten Brennerbetriebs eine Vorwärmung des Brennstoffs erfolgen, wobei das Brennstoffventil 84 gegebenenfalls eine erhöhte elektrische Leistung aufweisen kann. Durch die Brennstofferwärmung erfolgen eine Erhöhung der Enthalpie des Brennstoffs und eine Herabsetzung der Viskosität, was sich positiv auf den Brennbetrieb auswirkt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10
Kraftfahrzeugheizung
12
Brennstofftank
14
Brenner-/Wärmetauschereinheit
16
Hubkolbenbrennstoffpumpe
18
Brennstoffeinlass
20
Brennstoffauslass
22
Wicklung
24
Hubkolben
26
Rückstellfeder
28
Rückschlagventil
30
Förderkammer
32
Nachsaugventil
34
Dämpfungselement
36
Elastomer
38
Kammer
40
Bohrung
42
elektrischer Anschluss
44
Kunststoffformteil
46
Heizelement
48
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit/Metallrippe
50
Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit/Isolator
52
Brennstoffventil
54
Brennstoffeinlass
56
Brennstoffauslass
58
Wicklung
60
Ventilkolben
62
Rückstellfeder
64
Ventilsitz
66
Dämpfungselement
68
Elastomer
70
Kammer
72
Bohrung
74
elektrischer Anschluss
76
Kunststoffformteil
78
Heizelement
80
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit/Metallrippe
82
Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit/Isolator
84
Brennstoffventil
86
Brennstoffeinlass
88
Brennstoffauslass
90
Wicklung
92
Ventilkolben
94
Rückstellfeder
96
Ventilsitz
98
elektrischer Anschluss
100
Kunststoffformteil/Isolator


Anspruch[de]
Hubkolbenbrennstoffpumpe (16), insbesondere für eine Kraftfahrzeugheizung (10), die elektromagnetisch angetrieben wird und zur Förderung von flüssigem Brennstoff vorgesehen ist, mit einem ein Elastomer (36) umfassenden Dämpfungselement (34) zur Dämpfung von durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe (16) erzeugten Pulsationen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (22, 46, 48, 50) zur Beheizung des Elastomers (36) vorgesehen sind. Hubkolbenbrennstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22, 46, 48, 50) zur Beheizung des Elastomers (36) eine elektrische Heizung (46) umfassen. Hubkolbenbrennstoffpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22, 46, 48, 50) zur Beheizung des Elastomers (36) eine Wicklung (22) des elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe (16) umfassen. Hubkolbenbrennstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen dem Elastomer (36) und der Umgebung ein Material (50) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Hubkolbenbrennstoffpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen der Wicklung (22) und dem Elastomer (36) ein Material (48) mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kraftfahrzeugheizung (10), die einen Brenner (14) und eine Hubkolbenbrennstoffpumpe (16) mit einem ein Elastomer (36) umfassenden Dämpfungselement (34) zur Dämpfung von durch die Hubkolbenbrennstoffpumpe (16) erzeugten Pulsationen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer (36) bereits vor der Zündung des Brenners (14) beheizt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer (36) durch eine elektrische Heizeinrichtung (46) beheizt wird. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer (36) durch eine Wicklung (22) eines elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenbrennstoffpumpe (16) beheizt wird.






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