DE19833654A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dieselkraftstoffeinsparung bei Personenkraftwagen (Pkw), Bussen und Lastkraftwagen (Lkw) mittels Dieselvorwärmung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Dieselkraftstoffeinsparung bei Personenkraftwaren (PKW), Bussen und Lastkraftwagen (LKW) mittels Dieselvorwärmung. DOLLAR A Beim Dieselmotor werden ca. 32% des eingesetzten Treibstoffs als Antriebsenergie umgesetzt; in der Stadt sind es nur 5-10%; weitere 32% landen im Kühlwasser. DOLLAR A Wenn die im Kühlwassersystem zur Verfügung stehende Wärmeenergie genutzt wird, um den Dieselkraftstoff über eine Kupferschlange zu erwärmen, bildet er ab ca. +50 DEG C und mehr in der Dieseleinspritzpumpe bei gleichem Zerstäubungsdruck einen dünneren Ölfilm, die Dichte nimmt ab; d. h. aber geringerer Öldurchsatz = weniger Kraftstoffverbrauch. DOLLAR A Vorteile des permanent vorgewärmten Dieselkraftstoffs: DOLLAR A - verbesserte Zündwilligkeit/Startbedingungen DOLLAR A - weniger Kraftstoffverbrauch (bis zu 2 Liter/100 km und mehr - Stadtverkehr, beim PKW) DOLLAR A - weniger Umweltverschmutzung DOLLAR A - Schonung der Ressource Öl DOLLAR A - Entlastung der Betriebskosten/Kraftstoff DOLLAR A - insbesondere bei PKW, Bussen und LKW mit herkömmlicher Einspritztechnik einsetzbar und kostengünstig nachrüstbar DOLLAR A - bei allen Dieselmotoren anwendbar, die über ein wassergekühltes System verfügen.

Description

Die Wirkungsweise eines Dieselmotors kann in jedem kraftfahrtechnischem Handbuch (z. B. Robert Bosch GmbH Stuttgart, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 15. Auflage 1961, S. 189-370) nachgelesen werden. Dabei ist "Stand der Technik", daß beim Dieselmotor der Kraftstoff umge­ setzt wird in:

• - ca 32% nutzbringende Arbeit
• - ca 32% Verluste durch Kühlwasser!
• - ca 29% Verluste durch Strahlung und Abgase
• - ca 7% Verluste durch Reibung.

Beim Dieselmotor wird die Verbrennung durch die Selbstzündung des Kraft­ stoffs beim Einspritzen in die hochverdichtete und hocherhitzte Luft gestartet. Erfolgt sie schlagartig, tritt beim Dieselmotor das berühmte Hämmern (Nageln) auf, weil sich der Kraftstoff nicht schnell genug ent­ zündet, er sammelt sich in den Zylindern an, und es erfolgt die sogenann­ te spontane Entflammung.

Also kommt es beim Dieselmotor stets darauf an, dem Kraftstoff sofort bei der Einspritzung eine "hohe Zündwilligkeit" mitzugeben.

Diese Zündwilligkeit wird bisher

• - beim Einspritzen des Kraftstoffs in die hochverdichtete und hoch­ erhitzte Luft und durch
• - den hohen Einspritzdruck

erreicht.

Die Firma Bosch arbeitet zur Zeit an den 3 Einspritzverfahren

• - Bosch Radialkolben-Verteilerpumpe ca 1300 bar
• - Pumpe-Düse ca 2000 bar
• - Common-Rail-System ca 1350 bar.

Diese Systeme - nur in neuen Autos - müssen ihre Zuverlässigkeit über meh­ rere 100 000 km Laufleistung erst noch beweisen und sind nicht für die vielen Millionen Diesel-Autos auf deutschen Straßen geeignet (hohe Umrüst­ kosten).

Stand der Technik ist aber auch noch immer, daß nur ca 32% des eingesetz­ ten Treibstoffs als Antriebsenergie umgesetzt werden, im Stadtverkehr sind es sogar nur 5-10%.

Da aber beim Dieselmotor fast ein Drittel des Dieselkraftstoffs im Kühl­ wasser des Motors "landet", muß hier die Problemlösung gefunden werden; die Energie des Kühlwassers in irgendeiner Form zu nutzen, um den Dieselmotor im Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Die Wärmeenergie im Kühlwasser steht, wenn der Motor läuft - nach wenigen Minuten - ständig zur Verfügung. Wenn nun diese Kühlwasserenergie genutzt wird, um den Dieselkraftstoff zu erwärmen, bildet er ab ca +50°C und mehr in der Einspritzpumpe bei gleichem Zer­ stäubungsdruck einen dünneren Ölfilm; die Dichte des Die­ selöls nimmt ab.

Das bedeutet aber geringerer Öldurchsatz = weniger Kraftstoffver­ brauch mit den damit verbundenen Vorteilen.

Die heute von der Autoindustrie verwendeten Dieselvorwärmer (Kühlwasser und auch elektrisch) haben im Winter/Frost ab ca +5°C nur den Zweck, die Versulzung des Diesels zu verhindern.

Bei Verwendung des kommerziellen Vorwärmers liegen ca +29°C an. Bei elek­ trischer Vorheizung des Filters muß die Batterie durch die Lichtmaschine ständig geladen werden, und das kostet wiederum Kraftstoff. Diese +29°C reichen leider nicht aus, um den Dieselkraftstoff ausreichend zu erwärmen (hohe Umlaufgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die Dieseleinspritzpumpe).

Also wurde in das Kühlwassersystem ein Kupferrohr gesetzt. Im Innern die­ ses Kupferrohrs befindet sich eine Kupferschlange (Wendel), durch die der Dieselkraftstoff fließt. Das heiße Kühlwasser durchfließt das Kupferrohr und erwärmt die Kupferschlange mit dem Dieselkraftstoff auf ca +50°C und mehr. Mit dieser Temperatur gelangt das Dieselöl dann in die Einspritz­ pumpe (siehe Zeichnung 1 und 2).

Um eine ständige Eingangstemperatur von ca +50°C und mehr in die Ein­ spritzpumpe sicherzustellen (hohe Umlaufgeschwindigkeit des Kraftstoffs) hat die Kupferschlange eine Länge von 2200 mm (Zeichnung 2) (hier ist auch jede andere Konstruktion möglich).

Mit dem Einbau des Kupferrohrs ist etwa 1 Liter Kühlflüssigkeit mehr im Kühlwasserkreislauf; dieses kann aber durch weniger Auffüllung im Aus­ gleichsbehälter ausgeglichen werden.

Da die Dieseleinspritzpumpen auch für LKW ausgelegt sind, fördern sie im allgemeinen zu viel Kraftstoff, der über den Rücklauf zum Tank gelangt. In diesem "überschüssigen Kraftstoff" steckt aber die Wärmeenergie von +40°C bis +44°C.

Mittels eines T-Stücks und eines Ventils (Rückflußverhinderer 0,5 bzw. 1 bar) - siehe Zeichnung 1 - wird der heiße Kraftstoff wieder der Diesel­ einspritzpumpe über das Kupferrohr mit Kupferschlange zugeführt. Dennoch zuviel geförderter Kraftstoff kann über das T-Stück und den Rückflußver­ hinderer über den Rücklauf mit +25°C bis +30°C zum Tank fließen.

Die Lösung besteht also darin, daß die ca 32% Energieverluste im Kühl­ wasser genutzt werden, um mit vorgewärmtem Kraftstoff den Öldurchsatz zu verringern und damit den Kraftstoffverbrauch erheblich zu reduzieren, ins­ besondere im Stadtverkehr.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile des permanent vorgewärmten Diesel­ kraftstoffs sind also:

• - verbesserte Startbedingungen durch die erhöhte Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffs
• - weniger Kraftstoffverbrauch (bis zu 2 Liter auf 100 km mit PKW)
• - weniger Umweltverschmutzung, insbesondere in Städten
• - Entlastung der Betriebskosten/Kraftstoff
• - besonders bei älteren PKW, Bussen, LKW usw. einsetzbar und kostengünstig nachrüstbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt. Als Versuchsobjekt diente ein Renault Megane Scenic 1,9 dT (90 PS), Bau­ jahr 1997; schadstoffarm E 2.

Nach Werksangaben liegt der Verbrauch nach 89/491/EWG - konstant 120 km/h - bei 6,9 Ltr auf 100 km. Der Verbrauch in der Stadt nach 93/116/EG beträgt 9,1 Ltr/100 km (Bild 1).

Nach einer Einfahrzeit von 6000 km (immer bezogen auf konstant 120 km/h) lag der Verbrauch bei 7,4 Ltr/100 km.

Nach der Umrüstung - auf +50°C und mehr vorgewärmten Diesels - liegt der Verbrauch jetzt zwischen 5,1 Ltr und 5,8 Ltr/100 km.

Bei einer Zuladung von 130 kg werden 5,8 Ltr/100 km benötigt. Im Stadtverkehr werden statt der vorgegebenen 9,1 Ltr/100 km nur 5,8 Ltr bis 6 Ltr benötigt. Zur Ermittlung dieser Daten wurden 24 Stadtfahrten (Außentemperaturen von -4°C bis +28°C) durchgeführt. Die Testreihe - Verbrauch bei 120 km/h - basiert auf 26 000 gefahrenen Kilometern.

Alle Temperaturmessungen erfolgten mit einem Digitalthermometer GTH 1150, der Firma Greisinger electronic (Germany), Meßbereich -50°C . . . +1150°C.

Wegen der Vollständigkeit sei abschließend darauf hingewiesen, daß der Megane Scenic 1,9 dT aufgrund der verbesserten Zünd­ willigkeit des Kraftstoffs nunmehr ca 15 bis 20 km/h schneller ist als in den Werksangaben vorgegeben.

Bezugszeichenliste zu Zeichnung 1

1

= Rücklauf zum Tank

2

= Ventil mit Rückflußverhinderer 0,5 bzw. 1 bar; Arbeits­ bereich -20°C bis +100°C, Dieselkraftstofftemperatur hier ca. 30°C

3

= T-Stück 6 mm ∅, Dieselkraftstofftemperatur 40°C bis 44°C

4

= Düse

5

= Dieseleinspritzpumpe

6

= Dieselfilter mit Vorwärmung (Kühlwasser und elektrisch bei ca. +5°C Winterbetrieb)

7

= Kupferrohr mit Kupferschlange (Wendel), Dieselkraft­ stofftemperatur 50°C und mehr

8

= Kupferrohr 8 mm ∅

9

= Kühler

10

= Vorlauf vom Tank

Bezugszeichenliste zu Zeichnung 2 Kupferrohr mit Kupferschlange (Wendel) im Kühlwasserkreislauf

1

= Kühlwasser "aus"

2

= Kraftstoff "ein"

3

= Kupferrohr, 78 mm ∅, Länge: 280 mm

4

= Kupferschlange, 8 mm ∅, Länge: 2200 mm (Wendel)

5

= Kraftstoff "aus"

6

= Kühlwasser "ein"

Claims (1)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Dieselkraftstoffeinsparung bei Personenkraftwagen (PKW), Bussen, Lastkraftwagen (LKW) usw. mittels Dieselvorwärmung mit folgenden Merkmalen:

   • 1. durch die Verwendung von permanent vorgewärmtem Dieselkraft­ stoff wird der Öldurchsatz beim Einspritzen in die Zylinder verringert und damit der Kraftstoffverbrauch erheblich redu­ ziert,
   • 2. speziell im Stadtverkehr wird die Reduzierung des Verbrauchs wirksam, da hier sowieso nur 5-10% des Treibstoffs in An­ triebsenergie umgesetzt werden,
   • 3. die Startbedingungen des Dieselmotors werden durch die erhöh­ te Zündwilligkeit des vorgewärmten Dieselkraftstoffs verbes­ sert,
   • 4. aufgrund der besseren Verbrennung des Diesels wird die Umwelt­ verschmutzung in Stadt/Umwelt reduziert
   • 5. diese Vorwärmung ist besonders bei "älteren" PKW, Bussen, LKW usw. mit herkömmlichen, wassergekühlten Dieselmo­ toren einsetzbar und kostengünstig nachrüstbar
   • 6. die Dieselvorwärmung senkt die Betriebskosten/Kraftstoff,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. die Dieselvorwärmung über den heißen Kühlwasserkreislauf in einem Kupferrohr (Zeichnung 1, Bezugszeichenliste Nr. 7) mit einer Kupferschlange (Zeichnung 2, Bezugszeichenliste Nr. 4) stattfindet, sobald der Motor läuft und
   • 2. zur Vermeidung von Wärmeverlusten des zum Tank zurück­ fließenden Dieselöls dieses über ein T-Stück (Zeichnung 1, Bezugszeichenliste Nr. 3) mit Rückflußverhinderer 0,5 bzw. 1 bar (Zeichnung 1, Bezugszeichenliste Nr. 2) gesteuert wird,
   • 3. die Kupferrohrlänge 280 mm beträgt und
     • 1. 9.1 das Kupferrohr einen Durchmesser von ca. 78 mm hat,
   • 4. die Kupferschlange (Wendel) eine Länge von mindestens 2200 mm aufweist, um bei der hohen Umlaufgeschwindigkeit des Kraftstoffs eine gleichbleibende Eingangstemperatur - 50°C und mehr - in die Dieseleinspritzpumpe sicherzustel­ len und das
     • 1. 10.1 einen Durchmesser von 8 mm besitzt;
   • 5. ein T-Stück mit einem Durchmesser von 6 mm
     • 1. 11.1 die gleichzeitige Rückführung des heißen Diesels zur Ein­ spritzpumpe und zum Tank ermöglicht,
   • 6. der Rückflußverhinderer 0,5 bzw. 1 bar, Arbeitsbereich von -20°C bis +100°C - zusammen mit dem T-Stück sicher stellt, daß
     • 1. 12.1 der erwärmte Dieselkraftstoff wieder zur Einspritzpumpe gelangt und
     • 2. 12.2 der zuviel geförderte Kraftstoff über den Rücklauf zum Tank abfließen kann.