CN110392775A - 水喷射设备、尤其内燃机的水喷射设备和用于运行这样的水喷射设备的方法 - Google Patents

水喷射设备、尤其内燃机的水喷射设备和用于运行这样的水喷射设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水喷射设备、尤其内燃机(2)的水喷射设备，所述水喷射设备包括用于储存水的水箱(5)、用于输送水的输送元件(3)、至少一个用于喷射水的水喷射器(6)和水质‑水位感测装置(18)，其中，所述输送元件(3)与所述水箱(5)连接，所述水喷射器与所述输送元件(3)连接，所述水质‑水位感测装置用于感测在所述水箱(5)中的水的质量和所述水箱(5)的液位。本发明的其它方面涉及一种包括这样的水喷射设备(1)的内燃机和一种用于运行这样的水喷射设备(1)的方法。

Description

水喷射设备、尤其内燃机的水喷射设备和用于运行这样的水 喷射设备的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机的水喷射设备以及一种这种内燃机。本发明的另一方面涉及一种用于运行这种水喷射设备的方法。
背景技术
由于对减少二氧化碳排放的要求提高，内燃机越来越在燃料消耗方面被优化。然而，已知的内燃机在具有高负载的运行点中不能够在消耗方面被优化地运行，因为该运行受爆震倾向和高废气温度限制。一种可能的用于减小爆震倾向和用于降低废气温度的措施是喷射水。在此，通常存在单独的水喷射系统，以便能够实现水喷射。因此，例如由WO 2014/080266A1已知一种用于具有废气再循环装置的内燃机的水喷射系统，在该水喷射系统中，水被喷射到废气再循环装置的质量流中。
用于水喷射的水可以由不同的源提供。因此，例如可能的是，通过驾驶员将去离子水补充加注到水箱中。另一种可能性在于收集和处理来自空调设备的蒸发器的冷凝液。替代地，也可以收集和处理废气冷凝液。然而以这种方式，在水的质量方面对水喷射系统的供给可能是不利的。驾驶员例如可以有意地或者无意地注入质量差的自来水，例如具有过高的钙含量的水。此外，来自空调设备的冷凝液和废气冷凝液可能含有过高比例的离子或者具有过低的pH值。
发明内容
与此相对地，内燃机的根据本发明的具有权利要求1特征的水喷射设备具有以下优点：保证仅使用足够质量的水用于水喷射。因此，可以避免水喷射设备的引导水的部件的损坏、尤其由于腐蚀造成的损坏以及对内燃机的燃烧的危害。根据本发明，这通过水喷射设备、尤其内燃机的水喷射设备来实现。所述水喷射设备包括用于储存水的水箱、用于输送水的输送元件、至少一个用于喷射水的水喷射器和水质-水位感测装置，其中，所述输送元件与水箱连接，所述水喷射器与所述输送元件连接，所述水质-水位感测装置用于感测水箱中的水的质量或者位于水箱中的介质的质量并且感测水箱液位。在进行水喷射之前，通过水质-水位感测装置可以求取水箱中的水质和水位。因此，所提出的感测装置用于防止损坏水喷射设备以及改变流动和燃烧相关的参数的预防措施。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
优选地，水质-水位感测装置包括电子传感器，该电子传感器具有两个布置在水箱中的电极，其中，一个电极设有电容器。为了感测水质，能够基于电容器的充电和放电确定水的导电率。在此优选地，具有电容器的电极提供“RC”回路，其中，“R”表示所述电极之间的电阻，“C”表示电容器。在此，导电率被定义为电阻的倒数。由在放电开始之后的时间点测量在电极处的电压可以推导出所述电极之间的水的电导率。
在此，电极优选尽可能地布置得离水箱的下部区域或者底部如此近，使得即使在水箱的水位低时也能够感测水质。
为了电容器的充电，有利地，水质-水位感测装置设置为用于将电压脉冲施加到电极上。该电压脉冲以时间常数tau＝R*C衰减，其中，C是电容器的电容，R是所述电极之间的电阻。通过施加电压脉冲省去附加的、用于能够实现电容器的充电和放电的开关。
所述水质-水位感测装置优选设置为用于周期性地执行电导率的感测。因此，例如可以每秒一次地重复电导率的感测。因此，可以保证在水喷射设备运行期间以定期的间隔检查水的质量。
为了确保在电极处存在水，所述水质-水位感测装置有利地设置为，当所述液位大于预定的液位时，仅在已知水箱液位的情况下才确定水的电导率。因此，一方面能够省去不必要的电导率的测量，另一方面能够保证真实地感测出水的电导率，因为去离子的或者几乎去离子的水可以具有与空气相似的电导率。
在此优选地，所述水质-水位感测装置设置为用于在感测电导率之前求取液位。当求取液位得到的结果是：在水箱中存在足够的水用于电导率测量，即电极被水包围时，可以进行所述电导率测量。
对于电子传感器替代或附加地，所述水质-水位感测装置优选包括第一超声传感器，其中，为了感测水质，可以通过所述超声传感器确定水的密度。这基于以下想法：质量差的水或其它由于错误加注而能够进入到水箱中的介质具有与足够质量的水明显不同的密度。在此，优选测量超声信号在已知长度的路段上的渡越时间。由求出的渡越时间信息可以识别出介质的密度，并且从而当水的密度超过预定值时，可以识别出差的水质。
此外，所述水质-水位感测装置优选包括第二超声传感器。该第二超声传感器设置为用于在已知水的密度的情况下由超声脉冲到达水面并且返回的渡越时间确定水箱的液位。特别优选地，通过质量测量能够提供用于确定液位所需的密度。
基于已知的或者感测到的密度，可以估计或确定声速，由此在考虑确定的渡越时间的情况下利用通过超声经过的路段。在此，所述经过的路段是对于水箱液位的指示器。
特别优选地，第二超声传感器设置为用于确定超声脉冲从箱底部到达水面并且返回的渡越时间。在这种情况下，经过的路段的一半相当于水箱的液位。替代地，也存在以下可能性：确定超声脉冲从水箱的上侧到达水面的渡越时间。在此，在已知水箱高度时可以由经过的路段计算水箱的液位。
此外，为了能够更准确地感测水箱的液位，所述水质-水位感测装置还包括用于感测水的温度的温度传感器，在确定液位时考虑所述温度。由此还可以更准确地估计或者确定声速，因为声速与超声传播介质的温度相关。如已经说明的那样，由确定的渡越时间和确定的声速求取水箱的液位。在这种情况下，水质-水位感测装置用作水质-水位-温度感测装置。
第二超声传感器优选布置在水箱中、尤其在箱底部上。因此，水质-水位感测装置可以构造为唯一的结构元件，所有传感器集成在该结构元件中。替代地，当水位的确定基于从箱上侧到达水面的渡越时间测量时，第二超声传感器可以安装在箱上侧处。因此，例如对于保养工作而言，更容易接近该第二超声传感器。
替代地或附加地，为了确定水箱中的水位，所述水质-水位感测装置优选包括浮动元件和传感器，其中，浮动元件的位置能够通过所述传感器来确定。在此，所述传感器可以设置为用于例如通过电位测量、感应或磁致伸缩的测量方法将浮动元件的位置转化为电信号。因为浮动元件根据液位竖直地向上或向下运动，所以可以通过浮动元件的位置计算水箱中的液位。
当浮动元件布置在杠杆臂或者类似元件上时，能够感测杠杆臂的位置或者角度。
此外，本发明还涉及一种包括之前所说明的水喷射设备的内燃机。关于所述水喷射设备所提及的优点也适用于所述内燃机。
本发明的另一方面涉及一种用于运行内燃机的水喷射设备的方法，其中，所述水喷射设备包括用于储存水的水箱。根据本方法，感测水箱中的水的质量和水箱的液位，其中，如果感测到水的质量低于预定质量和/或感测到的水箱液位低于预定液位，则不发生水喷射。
此外，公开了一种用于运行之前所说明的水喷射设备的方法。
附图说明
下面参照附图详细地说明本发明的一个优选的实施例。在附图中示出：
图1具有根据本发明的一个优选实施例的水喷射设备的内燃机的极简化的示意图，
图2根据该优选实施例的水喷射设备的简化示意图，
图3根据该优选实施例的水喷射设备的局部的简化示意图，
图4用于阐述根据该优选实施例感测水质的曲线图，
图5根据该优选实施例感测到的不同质量的水的比较曲线图，
图6根据该优选实施例的水喷射设备的局部的简化示意图，用于阐述感测水箱液位，和
图7水喷射设备的局部的简化示意图，用于阐述附加的或替代的水箱液位感测方法。
具体实施方式
下面参照图1至7详细地说明根据一个优选实施例的内燃机2的水喷射设备1。内燃机2尤其按照奥托原理并且以汽油直接喷射来运行。
在图1中示意性地示出具有多个汽缸的内燃机2以及根据本发明的水喷射设备1的一部分。内燃机2的每个汽缸包括燃烧室20，活塞21能够在该燃烧室中往复运动。此外优选地，内燃机2的每个汽缸包括进气通道22，经由该进气通道将空气供应给燃烧室20。废气经由废气通道23被排出。为此，在进气通道22处布置有进气阀25，在废气通道23处布置有排气阀26。此外，附图标记24标明燃料喷射阀。
此外，在进气通道22处还布置有水喷射器6，该水喷射器通过控制单元10将水喷射到内燃机2的进气通道22中。在该实施例中，每个汽缸设置有一个水喷射器6。替代地，为了更好地处理或为了提高每个燃烧循环能够喷射的最大水量，每个汽缸可以布置有两个水喷射器。
在图2中详细地示出根据本发明的水喷射设备1。该水喷射设备1优选包括构造为泵的输送元件3和用于驱动输送元件3的电驱动器4。此外，设置有水箱5，该水箱通过吸入管路7与输送元件3连接。输送管路8将输送元件3与分配器9或者轨连接，在该轨上附接有多个水喷射器6。
当需要喷射水时，水从水箱5被输送至水喷射器6，使得水被喷射到内燃机2的进气通道22中。
为此，可以使用空调设备的未示出的蒸发器的冷凝液，为此，根据本发明的水喷射设备1具有流入管路11。
替代地或附加地，水可以经由补充加注管路12被输送到水箱5中。可选地，在补充加注管路12中可以设置筛。此外优选地，在第一管路7中布置有预过滤器16，在第二管路8中布置有细过滤器17，可选地，所述预过滤器和所述细过滤器可以被加热。
为了在分配器9中调整所希望的系统压力，在回流管路13中布置有压力调节器15、尤其呈止回阀形式，所述回流管路将输送管路8与水箱5连接。此外，为了进行压力调节，在输送管路8中设置有压力传感器14。
如已经所说明的那样，在经由补充加注管路12补充加注水时存在滥用水喷射设备1的风险。与此相对地，驾驶员可能有意地或无意地将质量差的、例如具有高矿物质含量的自来水代替去离子水注入水箱5。此外，在使用来自空调设备的冷凝液时存在以下风险：尽管对水进行了处理，但质量仍不足以用于水喷射。另一风险在于过低的水箱液位。这些情况能够对水喷射设备1将水喷射到内燃机2中的准备状态和/或对水喷射设备的质量以及对水喷射设备1和内燃机2的构件的耐久性产生负面影响。
为了防止这一点，在水喷射设备1中设置水质-水位感测装置18，用于感测水箱5中的水的质量和水箱5的液位。
优选地，水质-水位感测装置18包括电子传感器19，该电子传感器具有两个布置在水箱5中的电极30(图3)。在此，在一个电极30上连接有电容器31。另一电极30接地。水的电导率被考虑作为用于水质的量度，其中，电导率的感测基于电容器的充电和放电。
电子传感器19有利地这样布置在水箱5中，使得电子传感器19几乎总是处于水中。
为了确定电导率，尤其在第一时间点t1将电压脉冲U1(图3)通过电容器31施加到电极30上。电压脉冲U1相应于第一电压。
该过程在图4的曲线图中详细示出。在此，Y轴示出在电极30处的电压U，其中，在X轴上示出时间T。
如可从图4的电压-时间曲线图看到的那样，电压脉冲U1以时间常数tau＝R*C衰减，其中，R是电极30之间的电阻，C是电容器31的电容。
水质-水位感测装置18设置为用于感测在第二时间点t2在电极30处的电压。该电压相应于第二电压U2。
电容器31充电的步骤通过图4的曲线图在第一时间点t1处的垂直于X轴的线表示。电容器31的放电相应于从第一时间t1起的曲线。
由该曲线和感测到的第二电压U2可以确定电极30之间的电阻R，其中，通过确定的电阻R的倒数计算水的电导率。大于预定电导率的确定的电导率意味着差的水质或者位于水箱5中的介质的差的质量。
图5示出如图4的电压-时间曲线那样的曲线之间的示例性比较，其中，所述曲线表示不同质量的水。
因此，曲线100例如相应于去离子水，曲线101相应于具有边界值质量的水，曲线112相应于质量差的水(例如自来水)。在此，在Y轴中给出以V为单位的电压，在X轴中给出以s为单位的时间。
因为并不总是能够区分空气的电导率和高质量的去离子水的电导率，所以有利的是，仅当液位大于预定液位时，才确定电导率测量。
因此可以保证在电导率测量时，在电极30处存在水。随后参照图6阐述如何确定液位。
对于确定水的电导率替代地或附加地，也可以测量水的密度，用于感测水质。为此，水质-水位感测装置18优选包括第一超声传感器32(图3)。
在此测量超声脉冲103在已知长度的路段上的渡越时间。在图3中，该路段被选择为第一超声传感器32和水箱壁50之间的距离。然后，由确定的渡越时间可以识别出水的密度并且从而识别出水质。大于预定密度的感测到的密度意味着差的水质。
根据图6，此外优选地设置第二超声传感器33，该第二超声传感器设置为用于在已知水密度的情况下由超声脉冲到达水面的渡越时间确定水箱5的液位。
尤其，第二超声传感器33布置在下部区域中，优选布置在箱底部51上。因此，水箱5的液位S由超声脉冲104从箱底部51到达水面并且返回的渡越时间和在水中的声速来确定。为了确定液位S或者声速，可以利用由水质测量感测到的密度。
为了实现还更准确地测量液位S，水质-水位感测装置18优选包括温度传感器34，该温度传感器尤其集成在第二超声传感器33中。在计算水中的声速时考虑通过温度传感器34感测到的温度。
有利地，电子传感器19、第一超声传感器32、第二超声传感器33和温度传感器34集成在唯一的构件中。也可以考虑，第一超声传感器32和第二超声传感器33构造为唯一的超声传感器。
替代地，第二超声传感器33可以定位在水箱5的上侧52处。在此，水箱5的液位S由超声脉冲从水箱5的上侧到达水面的渡越时间来确定。因此，然后有利地基于在空气中的声速和水箱的高度(内尺寸)确定液位S。在这种情况下，温度传感器34构造为单独的构件。根据该替代的构型，第二超声传感器33和温度传感器34在图6中以虚线示出。
替代地或附加地，可以借助传感器36的浮动元件35感测液位S。浮动元件35根据水箱5的液位S竖直地向上或者向下运动。浮动元件35的位置通过传感器36被感测并且被转化为电信号，其中，优选基于电位测量和/或磁致伸缩和/或感应的测量方法感测浮动元件35的位置。
根据浮动元件35的一个替代的构型，设置可枢转的杠杆臂37，在该杠杆臂上固定有浮动元件35。杠杆臂37优选布置在箱壁53上。在此，传感器36可以感测杠杆臂37的位置或者角度α，由此确定液位S。
水质和/或水位的感测可以周期性地、即以预定的间隔来执行。因此，水质-水位感测装置18例如可以设置为用于感测位于水箱5中的水的电导率和/或密度，和/或用于感测水箱5的液位。
如果感测到的质量小于预定质量和/或感测到的水位小于预定水位，则停止水喷射。换言之，如果感测到的水的电导率大于预定电导率和/或感测到的水的密度大于预定密度和/或感测到的水位小于预定水位，则停止喷水。停止水喷射意味着：在这样的情况下，控制单元10设置为用于停用输送元件3和/或水喷射器6。
所提出的水喷射设备1的水质-水位感测装置18具有组合式感测装置或者组合式传感器的优点。在水喷射设备1中保证不使用在质量方面不适用于水喷射的水。

Claims (12)

1.一种水喷射设备、尤其内燃机(2)的水喷射设备，所述水喷射设备包括：
-用于储存水的水箱(5)，
-用于输送水的输送元件(3)，其中，所述输送元件(3)与所述水箱(5)连接，
-至少一个用于喷射水的水喷射器(6)，所述水喷射器与所述输送元件(3)连接，和
-水质-水位感测装置(18)，该水质-水位感测装置用于感测所述水箱(5)中的水的质量和所述水箱(5)的液位。
2.根据权利要求1所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)包括电子传感器(19)，该电子传感器具有两个布置在所述水箱(5)中的电极(30)，其中，一个电极(30)设有电容器(31)，其中，为了感测水质，能够基于所述电容器(31)的充电和放电确定水的电导率。
3.根据权利要求2所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置设置为，为了所述电容器的充电，将电压脉冲施加到所述电极上。
4.根据权利要求2或3所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)设置为用于周期性地执行电导率的感测。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)设置为，当所述液位(S)大于预定的液位时，仅在已知液位的情况下才确定水的电导率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)包括第一超声传感器(32)，其中，为了感测水质，能够通过所述第一超声传感器(32)确定水的密度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)包括第二超声传感器(32)，所述第二超声传感器设置为用于在已知水的密度的情况下由超声脉冲(103)到达水面的渡越时间确定所述水箱(5)的液位(S)。
8.根据权利要求7所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)包括用于感测水的温度的温度传感器(34)，在确定所述液位(S)时考虑所述温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的水喷射设备，其中，所述水质-水位感测装置(18)包括浮动元件(35)和传感器(36)，其中，所述浮动元件(35)的位置能够通过所述传感器(36)来确定。
10.一种内燃机，所述内燃机包括根据前述权利要求中任一项所述的水喷射设备(1)。
11.一种用于运行水喷射设备、尤其内燃机的水喷射设备的方法，所述水喷射设备包括用于储存水的水箱(5)，其中，感测所述水箱(5)中的水的质量和所述水箱的液位(S)，其中，如果感测到的水的质量低于预定质量和/或感测到的水箱(5)的液位(S)小于预定液位，则不发生水喷射。
12.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的水喷射设备的方法。
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