CN111886409A - 用于产生用于内燃机的燃料-水-混合物的混合装置、具有混合装置的内燃机和机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生用于内燃机(12)的燃料‑水‑混合物(11)的混合装置(10)，包括燃料管路(13)和水管路(14)，借助于所述燃料管路能向内燃机(12)的至少一个燃烧室至少供应加压燃料(1)，所述水管路在混合装置(10)的连接区域(15)处通入燃料管路(13)中，并且通过所述水管路，加压的水(2)能经由连接区域(15)被导入燃料管路(13)中并且由此能与燃料(1)混合。所述混合装置(10)包括设置在水管路(14)上的阀装置(9)，当燃料管路(13)中的燃料压力(p_K)具有比水管路(14)中的水压(p_W)更高的压力值时，该阀装置阻止燃料(1)基于流体压力从燃料管路(13)进入水管路(14)中。本发明的其它方面涉及具有混合装置(10)的内燃机(12)以及具有混合装置(10)和/或内燃机(12)的机动车(22)。

Description

用于产生用于内燃机的燃料-水-混合物的混合装置、具有混 合装置的内燃机和机动车

技术领域

本发明涉及一种用于产生用于内燃机的燃料-水-混合物的混合装置，其包括至少一个燃料管路以及至少一个水管路，借助于所述至少一个燃料管路能向内燃机的至少一个燃烧室至少供应加压得燃料，所述水管路在混合装置的至少一个连接区域处通入燃料管路中，并且通过所述至少一个水管路，加压的水能经由所述至少一个连接区域被导入所述至少一个燃料管路中并且由此能与燃料混合。本发明的其它方面涉及一种具有混合装置的内燃机以及一种具有混合装置和/或具有内燃机的机动车。

背景技术

由于交通流量的不断增长，立法者规定了越来越严格的排气限值。除了涉及理想燃烧终产物二氧化碳(CO₂)的限值外，也对污染物如一氧化碳(CO)的最大允许排放量进行了规定。遵守一氧化碳限值尤其是对于重型汽油机动车而言是个挑战。此外，由于构造为汽油发动机的内燃机的功率密度不断提高，发动机部件的冷却也变得越来越重要。在传统汽油发动机中通常通过所谓的“富燃”(anfetten)、即通过在空气不足或燃料过多时运行内燃机来进行冷却。这种运行也称为亚化学计量运行或亚化学计量燃烧。不需要用于燃烧的燃料量的汽化焓被用于冷却相应的发动机部件。但通过“富燃”会产生大量的一氧化碳。因此，通过亚化学计量运行冷却发动机部件完全违背法律规定的CO限值的遵守。

尤其是基于这个问题，喷射水——无论是以直接喷射到内燃机的相应燃烧室中的形式还是以进气歧管喷射到内燃机的进气歧管中的形式——被公认是一种有用的解决方案，其同时用于部件冷却和排气限值的遵守。

由DE 43 41 038 A1已知一种用于向内燃机供应燃料的设备。在此水泵在入口侧经由设有截止阀的管路与储水容器连接。在出口侧另一设有控制阀或限压阀的管路从水泵通向混合器。与此并行地一个设有截止阀的附加管路从柴油储油罐通到柴油泵的入口。在出口侧柴油泵通过另一设有控制阀或带压力表的限压阀的附加管路与混合器连接。从那里继续向乳液涡轮机输送。从该乳液涡轮机，在乳液涡轮机中产生的柴油-水-乳液经过一个管路——在其中从乳液涡轮机起设有控制阀或带压力计的限压阀、止回阀和截止阀——被输送到中间储存器。从中间储存器进一步向喷射泵输送，从喷射泵乳液在压力管路中借助喷射喷嘴被喷入内燃机的燃烧室中。

发明内容

本发明的任务在于提出开头所提类型的混合装置、内燃机和机动车，通过它们可实现特别低排放的运行。

根据本发明，所述任务通过具有权利要求1特征的混合装置、具有权利要求10特征的内燃机以及具有权利要求11特征的机动车来解决。本发明的有利实施方式连同适宜的扩展方案是从属权利要求和说明书的技术方案。

本发明基于一种用于产生用于内燃机的燃料-水-混合物的混合装置，其包括至少一个燃料管路以及至少一个水管路，借助于所述至少一个燃料管路能向内燃机的至少一个燃烧室至少供应加压得燃料，所述水管路在混合装置的至少一个连接区域处通入燃料管路中，并且通过所述水管路加压的水能经由所述至少一个连接区域被导入所述至少一个燃料管路中并且由此能与燃料混合。

根据本发明规定，所述混合装置包括设置在所述至少一个水管路上的阀装置，当所述至少一个燃料管路中存在的燃料压力具有比所述至少一个水管路中存在的水压更高的压力值时，该阀装置阻止燃料基于流体压力从所述至少一个燃料管路进入所述至少一个水管路中。这是有利的，因为由此可有效阻止燃料进入水管路中并且因此例如进入混合装置的水回路中，从而可避免燃料经由所述至少一个水管路流出。因此防止了燃料经由水管路流出、如到达储水容器或环境中并且由此实现混合装置总体上特别低排放的运行。由此例如可在低于水的凝固点时对所述至少一个水管路进行通风以避免霜冻损坏，且不存在燃料意外经由水管路被一同泵出的危险。术语“借助于”(unter Vermittlung)也可缩写为“借助”(mittels)。

所述至少一个燃料管路可优选紧跟着连接区域与至少一个喷射器连接，该喷射器用于将燃料-水-混合物直接喷射到内燃机的所述至少一个燃烧室中。通过喷射器与燃料管路在连接区域处的这种直接设置或连接可至少在很大程度上阻止燃料-水-混合物(其通常也可称为燃料-水-乳液)的可能的分离。

优选所述至少一个燃料管路可紧跟着连接区域与至少一个进气歧管喷射器连接，该喷射器用于将燃料-水-混合物喷射到内燃机的进气歧管中。进气歧管喷射器可优选直接在所述至少一个连接区域处与所述至少一个燃料管路连接，以抵制燃料-水-混合物的分离。

术语“直接”(unmittelbar)在此应广义地理解为在喷射器或进气歧管喷射器和连接区域之间不存在另外的阀和/或混合器(用于混合燃料和水以形成燃料-水-混合物或用于均化燃料-水-混合物)。

术语“加压的燃料”应理解为在所述至少一个燃料管路中引导的燃料被加载预定燃料压力。换句话说，所述至少一个燃料管路中的燃料处于相应于预定燃料压力的压力下。

术语“加压的水”应理解为水被加载预定水压。在所述至少一个水管路中引导的水因此可处于相应于水压的压力下。水压的值例如可比燃料压力高2巴。

例如一旦水管路中的水压小于燃料管路中的燃料压力，就阻止燃料基于流体压力从所述至少一个燃料管路进入所述至少一个水管路中。

混合装置可具有至少一个通风孔，该通风孔将所述至少一个水管路的管路内部与所述至少一个水管路的周围环境连接并且该通风孔可在阀装置的至少一个切换位置中通过移动阀装置的至少一个阀体被释放。这是有利的，因为由此可以特别简单的方式防止霜冻损坏，例如可防止基于低于水的凝固点而引起的所述至少一个水管路的破裂。

在本发明的一种有利扩展方案中，所述混合装置包括至少一个连接元件，该连接元件在所述至少一个连接区域处将所述至少一个燃料管路与所述至少一个水管路导流地连接，并且阀装置集成在所述至少一个连接元件中。这是有利的，因为由此可实现混合装置的特别简单的安装，因为只需相互连接特别少的零件。连接元件例如可构造为所谓的T形件，这只是为了举个例子。通过将阀装置集成在所述至少一个连接元件中，止回阀以及附加或替代地计量阀可特别靠近连接区域设置，由此基于操作阀装置、即所述至少一个止回阀和附加或替代地所述至少一个计量阀时的湍流可使燃料与水特别有利地混合以产生燃油-水-混合物。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述阀装置包括至少一个止回阀和至少一个计量阀。这是有利的，因为通过止回阀可以特别简单的方式阻止燃料基于流体压力从燃料管路进入水管路，通过计量阀尤其是可根据需要计量待在连接区域上与燃料混合的水的水量。

优选止回阀可构造为无电流运行的止回阀。换句话说，止回阀可仅机械地运行。由此确保可靠关闭所述至少一个水管路并且由此即使例如在向阀装置供应电能的能量源发生故障的情况下也能可靠阻止燃料进入水管路中。但作为替代方案，止回阀和计量阀均可构造为可电动运行的阀。换句话说，止回阀可构造为可电动运行的止回阀并且计量阀可构造为可电动运行的计量阀。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述至少一个止回阀设置在所述至少一个燃料管路和所述至少一个水管路上的所述至少一个计量阀之间。这是有利的，因为由此所述至少一个止回阀特别靠近连接区域设置，从而能够特别早地防止燃料基于流体压力从所述至少一个燃料管路流入所述至少一个水管路中。

在本发明的另一种有利扩展方案中，在阀装置的不通电状态中通过所述至少一个止回阀并且附加或替代地通过所述至少一个计量阀防止燃料从所述至少一个燃料管路进入所述至少一个水管路中。这是有利的，因为由此即使在阀装置的供电完全中断的情况下也可有效阻止燃料进入水管路中。换句话说，在阀装置的不通电状态中止回阀和计量阀均可关闭，因而止回阀和计量阀引起所述至少一个水管路的冗余截止。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述混合装置包括至少一个用于对阀装置进行电控制的控制单元，所述至少一个控制单元构造用于使阀装置的低侧电路(Low-Side-Schaltung)和高侧电路(High-Side-Schaltung)彼此不相关地停用。这是有利的，因为即使在低侧电路或高侧电路中发生可能的短路时也可阻止对阀装置的持续控制和与此相关联的、例如计量阀和附加或替代地止回阀的持续打开。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述控制单元构造用于根据燃料压力和水压之间的压差来停用阀装置的低侧电路和附加或替代地高侧电路。这是有利的，因为压差是可特别快速检测的参量，从而可与此相应特别快速地停用低侧电路和附加或替代地高侧电路。为了检测压差，混合装置例如可包括压差传感器，该压差传感器一方面可被加载燃料压力并且另一方面可被加载水压，并且该压差传感器可传输信号地与控制单元连接。如果燃料管路中存在的燃料压力具有比水管路中存在的水压更高的压力值，则可进行相应停用。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述低侧电路和/或高侧电路可通过至少一个外部继电器的关断而停用。这是有利的，因为控制单元可特别简单地构造并且例如控制单元的很少数量的可切换插脚即足以停用低侧电路和附加或替代地高侧电路。

在本发明的另一种有利扩展方案中，所述至少一个水管路至少在所述至少一个连接区域处在测地学方面设置得比所述至少一个燃料管路更低。这是有利的，因为由此可以有利的方式利用燃料和水之间的密度差来防止燃料进入水管路。

本发明的第二方面涉及一种具有根据本发明第一方面的混合装置的内燃机。结合根据本发明第一方面的混合装置提出的特征及其优点相应地适用于根据本发明第二方面的根据本发明的内燃机，反之亦然。

本发明的第三方面涉及一种机动车，其具有根据本发明第一方面的混合装置并且附加或替代地具有根据本发明第二方面的内燃机。结合根据本发明第一方面的根据本发明的混合装置和根据本发明第二方面的根据本发明的内燃机提出的特征及其优点相应地适用于根据本发明第三方面的根据本发明的机动车，反之亦然。

本发明的其它特征从权利要求、附图和附图说明中得出。在上述说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可在分别说明的组合中，而且也可在其它组合中或单独使用。

附图说明

现在借助优选实施例并参考附图详细阐述本发明。附图如下：

图1示出用于产生燃料-水-混合物的混合装置的示意图；并且

图2示出混合装置的一种变型方案的示意图。

具体实施方式

图1和图2分别示出包括内燃机12的机动车22的示意图。内燃机12包括多个、在此未进一步示出的燃烧室，每个燃烧室能够通过至少一个在此也未进一步示出的、构造用于直接喷射的喷射器被供应燃料1或燃料-水-混合物11。燃料1或燃料-水-混合物11至少部分地在相应燃烧室中被转换(燃烧)，以便使相应在此未进一步示出的、分配给相应燃烧室的活塞运动并且由此驱动也未进一步示出的内燃机12曲轴。

混合装置10用于产生用于内燃机12的燃料-水-混合物11。混合装置10包括至少一个燃料管路13，借助于该燃料管路可向内燃机12的相应燃烧室供应加压的燃料1。可借助(未示出的)燃料泵对燃料1加压。

此外，混合装置10包括至少一个水管路14，该水管路在混合装置10的至少一个连接区域15处通入燃料管路13中并且通过该水管路加压的水2可经由所述至少一个连接区域15被导入所述至少一个燃料管路13中并且可由此与燃料1混合。因此，可通过混合装置10将纯燃料1或替代地将燃料-水-混合物11供应给相应燃烧室。可借助(未示出的)水泵对水2加压。

混合装置10包括设置在所述至少一个水管路14上的阀装置9，当所述至少一个燃料管路13中存在的燃料压力p_K具有比所述至少一个水管路14中存在的水压p_W更高的压力值时，该阀装置阻止燃料1基于流体压力从所述至少一个燃料管路13进入所述至少一个水管路14中。

所述至少一个水管路14在所述至少一个连接区域15处在测地学方面设置得比所述至少一个燃料管路13更低。

阀装置9包括止回阀3和计量阀4。止回阀3在当前设置在所述至少一个燃料管路13和所述至少一个水管路上的计量阀之间。

混合装置10还包括至少一个在当前构造为T形件的连接元件16，该连接元件将所述至少一个燃料管路13在所述至少一个连接区域15处与所述至少一个水管路14导流地连接。阀装置9通常可集成在所述至少一个连接元件16中，尽管这在图1和2中没有进一步示出。

止回阀3在当前构造为纯机械操作的止回阀，而阀装置9的计量阀4可借助混合装置10的控制单元17来控制。因此，控制单元17在当前用于阀装置9的电控制，控制单元17构造用于使阀装置9的低侧电路8和高侧电路7彼此不相关地停用。

低侧电路8通过低侧导线6与计量阀4连接。高侧电路7通过高侧导线5与计量阀4连接。

控制单元17在当前构造用于根据在燃料压力p_K和水压p_W之间的压差来停用阀装置9的低侧电路8和高侧电路7。

高侧电路7和低侧电路8分别构成控制单元17的相应可切换的输出端，该控制单元也可称为电子控制器。通过高侧电路7或低侧电路8可分别单独断开连接计量阀4的高侧导线5或低侧导线6，从而例如低侧导线6中的短路不会导致对计量阀4的持续控制。

尽管在图1和图2中未示出，但代替机械止回阀，止回阀3也可构造为电动止回阀。在此情况下，止回阀3也可通过在此未进一步示出的高侧电路或低侧电路来控制。

一般来说，在阀装置9的不通电状态中通过所述至少一个止回阀3以及通过所述至少一个计量阀4阻止燃料1从所述至少一个燃料管路13进入所述至少一个水管路14。

与图1不同，图2示出混合装置10的一种变型方案，在当前可通过给混合装置10的外部继电器18通电来停用计量阀4的高侧电路8。术语“外部”应理解为继电器18未集成到控制单元17中。

为了产生燃料-水-混合物11，沿箭头所示的流动方向19流过燃料管路13的燃料1在连接区域15处与沿由另一箭头示出的流动方向20流过水管路14以及止回阀3和计量阀4的水2混合成燃料-水-混合物11。该燃料-水-混合物11随后沿由另一箭头示出的流动方向21流向相应喷射器(未示出)。

通过混合装置10可确保向内燃机12或其相应燃烧室供应燃料-水-混合物11，其也可称为燃料1和水2的乳液。此外，可通过混合装置10确保在混合装置10发生机械或电气部件故障时燃料1不会泄漏到环境中，即燃料1不会从所述至少一个燃料管路13进入所述至少一个水管路14中。机械部件故障的一个例子例如是止回阀3或止回阀3阀体可能被卡在打开位置中。电气部件故障的一个例子例如是在低侧导线6或者附加或替代地高侧导线5中的短路。

在当前混合装置10中，所述至少一个燃料管路13和所述至少一个水管路14借助所述至少一个水管路14中的止回阀3和计量阀4彼此连接。即，止回阀3和计量阀4串联关闭并且由此确保在水压p_W的压力值低于燃料压力p_K或甚至断裂时燃料1不会从所述至少一个燃料管路13进入所述至少一个水管路14中。水2可从在此未进一步示出的水压系统(水回路)的储水容器中被加载水压p_W，该水压例如可比燃料压力p_K高2bar，并且可相应于流动方向20被送入所述至少一个水管路14或流入水管路14中。

如已经提到的，止回阀3可构造成机械或机电的。用于调节水2的水量的计量阀4在当前设计成机电的并且还构造成自动关闭的。止回阀3和计量阀4因此构成冗余解决方案。

附图标记列表

1 燃料

2 水

3 止回阀

4 计量阀

5 高侧导线

6 低侧导线

7 高侧电路

8 低侧电路

9 阀装置

10 混合装置

11 燃料-水-混合物

12 内燃机

13 燃料管路

14 水管路

15 连接区域

16 连接元件

17 控制单元

18 外部继电器

19 流动方向

20 流动方向

21 流动方向

22 机动车

p_K 燃料压力

p_W 水压

Claims (11)

1.用于产生用于内燃机(12)的燃料-水-混合物(11)的混合装置(10)，所述混合装置包括至少一个燃料管路(13)和至少一个水管路(14)，借助于所述燃料管路能向内燃机(12)的至少一个燃烧室至少供应加压的燃料(1)，所述水管路在混合装置(10)的至少一个连接区域(15)处通入燃料管路(13)中，并且通过所述水管路，加压的水(2)能经由所述至少一个连接区域(15)被导入所述至少一个燃料管路(13)中并且由此能与燃料(1)混合，其特征在于，所述混合装置(10)包括设置在所述至少一个水管路(14)上的阀装置(9)，当在所述至少一个燃料管路(13)中存在的燃料压力(p_K)具有比在所述至少一个水管路(14)中存在的水压(p_W)更高的压力值时，该阀装置阻止燃料(1)基于流体压力从所述至少一个燃料管路(13)进入所述至少一个水管路(14)中。

2.根据权利要求1所述的混合装置(10)，其特征在于，所述混合装置(10)包括至少一个连接元件(16)，该连接元件在所述至少一个连接区域(15)处将所述至少一个燃料管路(13)与所述至少一个水管路(14)导流地连接，并且所述阀装置(9)集成在所述至少一个连接元件(16)中。

3.根据权利要求1或2所述的混合装置(10)，其特征在于，所述阀装置(9)包括至少一个止回阀(3)以及至少一个计量阀(4)。

4.根据权利要求3所述的混合装置(10)，其特征在于，所述至少一个止回阀(3)设置在所述至少一个燃料管路(13)和所述至少一个水管路(14)上的所述至少一个计量阀(4)之间。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的混合装置(10)，其特征在于，在阀装置(9)的不通电状态中，通过所述至少一个止回阀(3)和/或通过所述至少一个计量阀(4)阻止燃料(1)从所述至少一个燃料管路(13)进入所述至少一个水管路(14)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的混合装置(10)，其特征在于，所述混合装置(10)包括用于对阀装置(9)进行电控制的至少一个控制单元(17)并且所述至少一个控制单元(17)构造用于使阀装置(9)的低侧电路(8)和高侧电路(7)彼此不相关地停用。

7.根据权利要求6所述的混合装置(10)，其特征在于，所述控制单元(17)构造用于根据在燃料压力(p_K)和水压(p_W)之间的压差来停用阀装置(9)的低侧电路(8)和/或高侧电路(7)。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的混合装置(10)，其特征在于，所述低侧电路(8)和/或高侧电路(7)能通过至少一个外部继电器(18)的通电而停用。

9.根据前述权利要求中任一项所述的混合装置(10)，其特征在于，所述至少一个水管路(14)至少在所述至少一个连接区域(15)处在测地线方面设置得比所述至少一个燃料管路(13)更低。

10.内燃机(12)，该内燃机具有根据权利要求1至9中任一项所述的混合装置(10)。

11.机动车(22)，该机动车具有根据权利要求1至9中任一项所述的混合装置(10)和/或根据权利要求10所述的内燃机(12)。

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