Beschreibung

Titel

Ch-Reduktion im Kraftstofftank

Stand der Technik

Im Zuge der aktuellen Cθ2-Diskussion werden regenerative Kraftstoffe als Alternative zu mineralischem Dieselkraftstoff zunehmend attraktiver. Des Weiteren ist zu beobachten, dass die Anforderungen, die an die jeweils eingesetzten Kraftstoffe gestellt werden, um die not- wendigen Abgasnachbehandlungstechnologien einsetzen zu können, stetig ansteigen. So werden Kraftstoffe in der Regel chemisch behandelt, um den Schwefelanteil zu reduzieren.

Die häufig als Biodiesel bezeichneten regenerativen Kraftstoffe sowie stark entschwefelte mineralische Kraftstoffe neigen jedoch verstärkt zu Alterungserscheinungen. Die Alterungs- erscheinungen im Kraftstoff schlagen sich darin nieder, dass der Kraftstoff bei hohen Temperaturen und intensivem Sauerstoffeintrag, so zum Beispiel durch Saugstrahlpumpen, die als Kraftstoffförderpumpen im Kraftstofftank eingesetzt werden, Alterungsprodukte bildet. Die im Kraftstoff enthaltenen Alterungsprodukte können die jeweilige Einspritzanlage der Verbrennungsmaschine angreifen und auf die Dauer schädigen.

Um dies zu verhindern, ist es vorteilhaft, den Kontakt von Sauerstoff mit Kraftstoff zu vermeiden. Dies könnte zum Beispiel bei durch moderne Kunststoffspritzgießverfahren oder ein Kunststoffblasverfahren gefertigten Kraftstofftanks analog zur Heizungstechnik durch eine Membran erfolgen. Diese trennt während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschi- ne während des Leerfahrens des Tankes die Luft vom Kraftstoff. Da jedoch die in heute eingesetzten Kraftfahrzeugen eingesetzten Kraftstofftanks eine hochkomplexe Geometrie aufweisen, ist die technische Umsetzung sehr aufwändig, was die Konfiguration einer solchen Membran angeht. Die heutigen Kraftstofftanks werden als Kunststoffbauteile so ausgelegt, dass auch - unter Berücksichtigung von Deformationen und Ausdehnungen bei Er- wärmung - eine maximale Bauraumnutzung im Fahrgestellbereich des Kraftfahrzeuges erreicht werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Teil der Abgase der Verbrennungskraftmaschi- ne im Abgastrakt von der Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel der Auspuffanlage, abzuzweigen und in den Kraftstofftank zu leiten. Die Entlüftung des Kraftstofftanks kann ebenfalls über die Auspuffanlage im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist darin zu erblicken, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases im Allgemeinen deutlich unterhalb des Sauerstoffgehaltes der Umgebungsluft liegt. Durch das Einführen der Abgase der Verbrennungskraftmaschine in den Kraftstofftank kann die Kraftstoffalterung verlangsamt werden. Im Gegensatz zu dem eingangs skizzierten Trennverfahren mittels einer Membran, welche die Luft beim Leerfahren des Tanks vom Kraftstoff trennt, ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren unabhängig von der zum Teil - wie oben dargestellt - hochkomplexen Tankgeometrie. Da der Kraftstoffpegel im Kraftstofftank während des Betriebes nicht schlagartig, sondern nur langsam fällt, ist es ausreichend, nur wenig Abgas in den Kraftstofftank nachzuführen. Dies wiederum geht mit dem Vorteil einher, dass über das Abgas bzw. den Teilstrom des Abgases keine nennenswerte Heizleistung in den Tank eingeleitet wird und damit eine das vorzeitige Altern des Kraftstoffes befördernde Temperaturerhöhung vermieden werden kann.

Um den (VGehalt im Kraftstofftank auch nach längerem Fahrzeugstillstand bei Start der Verbrennungskraftmaschine schnell zu reduzieren, ist auch eine Anordnung denkbar, bei der der Kraftstofftank mit Abgas gespült wird. Hier wäre eine Spülung vorstellbar, deren Dauer im Bereich von Minuten liegt, um die in den Kraftstofftank eingebrachte Wärmemenge und außerdem einen Eintrag von im Abgas vorhandenem H ₂ O in den im Kraftstofftank bevorrateten Kraftstoff gering zu halten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der einzigen Figur wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nachstehend eingehender beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch Ansaugtrakt und Abgastrakt einer Verbrennungskraft- maschine mit den wesentlichen, darin aufgenommenen Komponenten.

Ausführungsformen

Der schematischen Darstellung in Figur 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit Ansaug- und Abgastrakt zu entnehmen.

Wie Figur 1 zeigt, umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 10, sei es eine fremdgezündete, sei es eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine, einen Ansaugtrakt 12 sowie einen Abgastrakt 14.

Im Ansaugtrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 befindet sich ein schematisch angedeuteter Luftfilter 20, über den Umgebungsluft angesaugt wird. Im Ansaugtrakt 12 ist eine Drosseleinrichtung 22 aufgenommen, über welche die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 - im Falle eines Otto-Motors - durch Beeinflussung des angesaugten Luftmassenstroms beeinflusst wird. Bei einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine 10 wird die Drehzahl in erster Linie durch die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst. Einlassseitig umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Ansaugkrümmer 24, der die angesaugte Frischluft entsprechend der Position der Drosseleinrichtung 22 einzelnen Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 zuführt. Die Verbrennungskraftmaschine 10, deren Zylinderkopf mit Position 26 bezeichnet ist, umfasst in der schematischen Wie- dergabe gemäß Figur 1 vier Zylinder 16, es kann sich jedoch auch um eine solche Verbrennungskraftmaschine 10 handeln, die mehr oder weniger Zylinder 16 als die dargestellten vier Zylinder 16 aufweist. Für die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist die Anzahl der Zylinder 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 von untergeordneter Bedeutung. Die Verbrennungskraftmaschine 10, sei es eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine 10, sei es eine selbstgezündete Verbrennungskraftmaschine 10, kann auch eine Aufladeeinrichtung, so zum Beispiel einen Abgasturbolader enthalten, über die die Füllung der Brennräume der Verbrennungskraftmaschine 10 verbessert wird und die zur Leistungssteigerung kompakt bauender Verbrennungskraftmaschinen 10 eingesetzt werden kann.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß Figur 1 umfasst ein Schwungrad 18, welches an einer nicht dargestellten Kurbelwelle aufgenommen ist, welche über die einzelnen Zylinder 16 in Rotation versetzt wird. Darüber hinaus sind im Zylinderkopf 26 der Verbrennungskraftmaschine 10 in der Anzahl der Zylinder 16 entsprechender Anzahl Kraftstoffinjektoren 44 aufgenommen, die Teil einer Einspritzanlage 28 sind. Je nachdem, ob es sich bei der Verbrennungskraftmaschine 10 um eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine 10 oder um eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine 10 handelt, umfasst die Einspritzanlage 28 einen Kraftstoffverteiler 30 - im Falle von fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen 10 - oder bei Hochdruckspeichereinspritzsystemen einen Hochdruckspeicher-

körper 28 (Common-Rail). Die Einspritzanlage 28 umfasst darüber hinaus auch ein Förderaggregat 32, über welchem der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 34 gefördert wird. In dem Kraftstofftank 34, der - wie eingangs erwähnt - aus Bauraum und Platzgründen in einer sehr komplexen Tankgeometrie ausgeführt sein kann, wird Kraftstoff 42 bevorratet. Der Kraftstoff 42 wird über eine dem Hochdruckförderaggregat 32 vorgeschaltete Elektro- kraftstoffpumpe 38 oder eine Zahnradpumpe angesaugt und vorverdichtet und aus dem Kraftstofftank 34 gefördert. Der Pegel, bis zu dem Kraftstoff 42 im Tank 34 bevorratet wird, ist durch Bezugszeichen 36 angedeutet.

Auslassseitig umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgaskrümmer 46, welcher die bei Ausschiebetakten aus den Zylindern 16 ausgestoßenen Abgasmengen aufnimmt und in den Abgastrakt 14 leitet. Der Abgastrakt 14 kann zum Beispiel einen Katalysator 52 aufweisen, oder auch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, in welcher dem Abgas Harnstoff zugesetzt wird, um die NO _x -Emissionen signifikant zu senken.

Dem Abgaskatalysator 52 nachgeschaltet befindet sich im Abgastrakt 14 eine Auspuffanlage 54, die - wie in Figur 1 schematisch angedeutet - einen Vorschalldämpfer 56 sowie einen Hauptschalldämpfer 58 aufweisen kann.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, wird Abgas von der Auspuffanlage 54 abgezweigt und in den Kraftstofftank 34 geleitet. Dies erfolgt über eine Abgaseinspeisung 48. Die Entnahme des Abgases erfolgt zum Beispiel stromab eines Katalysators bzw. Dieselpartikelfilters 52 vor einem Hauptschalldämpfer 58 einer Auspuffanlage 54 im Abgastrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine 10. Das Rückführen des Abgases vom Tank 34 erfolgt entweder über die Abgasrückführung 50 in die Auspuffanlage 54 hinter den Hauptschalldämpfer 58 oder es kann aus dem Tank 34 über eine Tankentlüftung direkt in die Umwelt abgegeben werden. Dies gilt für selbstzündende wie für fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen 10. Die Tankentlüftung ist in der Darstellung gemäß Figur 1 durch den gestrichelt dargestellten Pfeil oberhalb des Tanks 34 angedeutet. Die Tankentlüftung kann zum Beispiel bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine 10 einen Aktiv- kohlefilter umfassen, der HC-Dämpfe ausfiltert. Der sich über den Hauptschalldämpfer 58 einstellende Druckabfall sorgt für eine Spülung des Tanks 34. Des Weiteren ist in diesem Bereich des Abgastraktes 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 das Abgas stark abgekühlt und die Abgastemperatur liegt weit unterhalb von 800 ⁰ C. Aufgrund des Umstandes, dass der Dieselpartikelfilter 52 vor der Entnahmestelle, d.h. stromauf des Hauptschalldämpfers 58 liegt, werden keine Abgaspartikel, wie zum Beispiel im Abgas einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine 10 evt. noch enthaltene Rußpartikel, in den Tank 34 geleitet.

über die Abgaseinspeisung 48 wird ein Teilstrom des Abgases in den Tank 34 geleitet, der einen regenerativen Kraftstoff 42 bevorratet. Da der O ₂ -Gehalt des Abgases deutlich unterhalb des O2-Gehaltes von Umgebungsluft liegt, kann der Alterungsprozess des im Tank 34 bevorrateten regenerativen Kraftstoffes 42 verlangsamt werden. Das erfindungsgemäß vor- geschlagene Verfahren der Einspeisung eines Teilstromes von Abgas in den Tank 34 ist vollständig entkoppelt von der sehr komplexen Geometrie des Kraftstofftankes 34. Da nur ein Teilstrom von Abgas in der Auspuffanlage 54 abgezweigt wird, folgt auch nur ein geringer Eintrag von Wärme in den regenerativen Kraftstoff 42, der im Tank 34 bevorratet wird. Je geringer der Wärmeeintrag in den regenerativen Kraftstoff 42 gehalten werden kann, desto günstiger wirkt sich dies auf die Induktionszeit, d.h. die Zeitspanne aus, ab welcher Alterungsprodukte im regenerativen Kraftstoff 42 entstehen.

Die Entlüftung des Tankes 34 erfolgt über die in Figur 1 schematisch eingezeichnete Abgasrückführung 50 hinter den Hauptschalldämpfer 58 oder vom Tank 34 direkt in die Umge- bung; dies gilt sowohl für selbstzündende als auch für fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen 10. Nach längerem Fahrzeugstillstand, so zum Beispiel nach einigen Tagen, kann im Tank 34 ein höherer (VGehalt vorliegen. Dieser wird durch ein Spülen des regenerativen Kraftstoff 42 bevorrateten Tanks mit Abgas über die Abgaseinspeisung 48 reduziert. Bevorzugt weisen die Abgaseinheit 48 und die Abgasführung 50 in Bezug auf die Leitungen und Verrohrungen identische Querschnitte auf. Gegebenenfalls kann zumindest die Abgasrückführung 50 aus dem Tank 34 über mindestens ein Ventil, das in der Abgasrückführung 50 aufgenommen ist, beeinflusst werden. Dieses zum Beispiel in der Abgasrückführung 50 aufgenommene Ventil wird nach dem Spülen des Tanks 34 mit Abgas geschlossen, um den Wärmeeintrag und den H ₂ O-Eintrag in den im Tank 34 bevorrateten regenerativen Kraftstoff 42 zu unterbinden und wird nur zur Durchführung eines Spülvorganges des Tanks 34 geöffnet.

Ein Spülen des Tanks 34 mit Abgas bzw. mit einem Teilstrom von Abgas, erfolgt innerhalb einer Zeitspanne von Minuten und wird zum Beispiel durch das oben stehend erwähnte Schaltventil bewirkt, welches in der Abgaseinspeisung 48 oder bevorzugt in der Abgasrückführung 50 eingebaut ist. Das Spülen des Tanks 34 mit Abgas erfolgt derart, dass die in den Tank 34 eingebrachte Wärmemenge minimiert ist und ein Eintrag von im Abgas vorhandenem H ₂ O in den im Tank 34 bevorrateten regenerativen Kraftstoff 42 so gering wie möglich gehalten wird.

Der Wassergehalt von Abgas kann recht hoch sein. Da der regenerative Kraftstoff 42, insbesondere Biodiesel, insbesondere bei Wärme sehr hydrophil ist, kann nach Abkühlen des Kraftstoffs 42, so zum Beispiel nach dem Abstellen des Fahrzeugs, das im regenerativen

KraftstofF 42 gelöste Wasser ausgeschieden werden und im Extremfalle Komponenten des Einspritzsystemes angreifen. Es ist daher anzustreben, über das Abgas kein Wasser in den Tank 34 einzutragen. Zur Vermeidung des Eintrages von Wasser in den im Tank 34 bevorrateten regenerativen Kraftstoff 42, wie zum Beispiel Biodiesel, kann das Abgas auf seinem Weg von der Entnahmestelle durch den Tank 34 bis zur Wiedereinspeisungsstelle vor dem Hauptschalldämpfer 58 eine Temperatur von 100 ⁰ C unterschreiten. Unterhalb der Temperatur von 100 ⁰ C wird Wasserdampf ausfallen, was zu einer deutlichen Reduktion des Wassergehaltes des dem Tank 34 über die Abgaseinspeisung 48 zuzuführenden Abgases führt. Die Abkühlung des Abgases unterhalb einer Temperatur von 100 ⁰ C kann zum Beispiel über eine längere Metallleitung erfolgen, in der kleine Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases herrschen. Gegebenenfalls kann dieser der Abkühlung des vor dem Hauptschalldämpfer 58 entnommenen Abgases dienenden metallischen Leitung ein Kühlkörper zugeordnet sein. Durch diesen strömt das Abgas, was zu einer Kondensationstrocknung des vor dem Hauptschalldämpfer 58 entnommenen Abgases führt.

Das vorstehend bereits erwähnte mindestens eine Ventil, welches entweder in der Abgaseinspeisung 48 oder in der Abgasrückführung 50 aufgenommen werden kann, wird bevorzugt in der Abgasrückführung 50 eingebaut. Steht dieses Ventil offen, so kann der Tank 34 gespült werden. Dies kann zum Beispiel nach einem längeren Fahrzeugstillstand oder norma- len Fahrbetrieb bei einer Regeneration beispielsweise des Dieselpartikelfilters 52 folgen, bei welcher der Sauerstoffgehalt auf nahezu Null absinkt. Wird das eine Ventil, das bevorzugt in der Abgasrückführung 50 aufgenommen ist, geschlossen, staut sich das Abgas im Tank 34 und es wird weder weitere Wärme noch etwaiges Wasser dem Tank 34 zugeführt. Da das Abgas über die Abgaseinspeisung 48 weiterhin auf den Tank 34 drückt, wird ein fallen- der Tankpegel durch den Kraftstoffverbrauch automatisch ausgeglichen.