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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine unter Nutzung von Mikrowellen ist aus der
DE 40 28 748 A1 bekannt. Mittels der bekannten, insbesondere zum Starten einer Brennkraftmaschine dienenden Vorrichtung wird ein Kraftstoff/Luftgemisch erhitzt, so dass der Kraftstoff zerstäubt und dann dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Hierbei sollen durch eine entsprechende Abstimmung der Frequenzen und Wellenlängen der Mikrowellen die zerstäubten Dieselkraftstoffmoleküle während derer Bestrahlung in Gasmoleküle umgewandelt werden. Die Vorrichtung weist Kraftstoffluftkanäle mit Leitrohren aus, in denen der Dieselkraftstoff eingespritzt wird, und in denen durch die Einstrahlung der Mikrowellen die Zerstäubung des Dieselkraftstoffs stattfindet.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2004 061 194 A1 ein Zündsystem für Verbrennungsmotoren bekannt, das unter Nutzung eines Laserstrahls Kraftstoff in dem Brennraum einer Brennkraftmaschine erhitzt und damit zündet.
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Kraftstoffe, insbesondere Dieselkraftstoffe, enthalten in der Regel einen gewissen Wasseranteil, der beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit verdampft wird. In der Praxis hat es sich erwiesen, dass eine derartige Verbrennung von Kraftstoff(Diesel)-Wasser-Gemischen bezüglich einer Emissionsreduktion sowie einer Abgaskühlung vorteilhaft ist. Zum Betrieb von Brennkraftmaschinen ist es jedoch erforderlich, ein zündfähiges Gemisch unter hohem Druck bedarfs- und zeitgerecht in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuleiten. Die eingangs erwähnte
DE 40 28 748 A1 liefert jedoch keine Hinweise, wie dies erfolgen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, die unter Nutzung von elektromagnetischer Strahlung den zum Einbringen des zündfähigen Kraftstoffs in den Brennraum benötigten hohen Kraftstoffdruck und auch eine Steuerung der Menge des in den Brennraum einzuleitenden Kraftstoffs ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung macht sich dabei das Vorhandensein von Wasser in dem Kraftstoff zunutze, indem in einem Gemischaufbereitungsraum das in dem Kraftstoff vorhandene Wasser bzw. dessen Wassermoleküle mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Wassers erhitzt wird, so dass durch den entstehenden Dampfdruck der in dem Gemischaufbereitungsraum vorhandene Kraftstoff unter hohem Druck über eine erste Ventileinrichtung in einen nachgeschalteten Raum, insbesondere den Brennraum der Brennkraftmaschine, bedarfs- und zeitgerecht abgegeben werden kann. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das in dem Gemischaufbereitungsraum vorhandene Kraftstoff/Wassergemisch lokal überhitzt wird, wodurch der Druck des Kraftstoffs erhöht wird, so dass dieser nach Öffnen der ersten Ventileinrichtung in den nachgeschalteten Raum eingeleitet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Kraftstoff dabei gleichzeitig aufgrund der Wärmeübertragung der Wasserdampfmoleküle in seiner Temperatur ebenfalls erwärmt wird, was den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum erleichtert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder der Figur offenbarten Merkmalen.
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Um insbesondere die für einen Einspritz- bzw. Verbrennungstakt benötigte Kraftstoffmenge genau dosieren zu können, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine weitere Ventileinrichtung vorgesehen ist, die den Eintritt des Wassers enthaltenden Kraftstoffs in den Gemischaufbereitungsraum steuert. Die weitere Ventileinrichtung ermöglicht es somit, dass in dem Gemischaufbereitungsraum lediglich die Menge von Wasser enthaltendem Kraftstoff enthalten ist, der nach der anschließenden Erwärmung bzw. Erhitzung des Wassers in den nachgeschalteten Raum abgegeben wird.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle eine Mikrowellenstrahlungsquelle ist. Die Mikrowellenstrahlungsquelle besitzt dabei insbesondere ein Wellenspektrum bzw. Wellenlänge(n), die auf die im Kraftstoff enthaltenen Wassermoleküle abgestimmt ist (sind), so dass durch die Mikrowellenstrahlungsquelle das in dem Kraftstoff enthaltene Wasser bis auf eine Temperatur oberhalb dessen Verdampfungstemperatur erhitzt werden kann.
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Um den durch die Strahlungsquelle in dem Gemischaufbereitungsraum unter hohem Druck stehenden Kraftstoff bedarfs- und zeitgerecht in den nachgeordneten Raum, insbesondere den Brennraum der Brennkraftmaschine, abgeben zu können, ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Ventileinrichtung durch eine separate Einrichtung angesteuert ist. Hierbei kann die Ventileinrichtung mit einem Ventilschließglied ausgestattet sein, das beispielsweise aus herkömmlichen Kraftstoffinjektoren bekannt ist, und das z. B. durch eine Magnetspule betätigbar ist und in einer Schließstellung einen Dichtsitz einer oder mehrerer Durchlassöffnungen verschließt.
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Um die Vorrichtung unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen zu können, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass die Leistung der Mikrowellenstrahlungsquelle veränderbar ist.
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Ganz besonders bevorzugt ist die Einbindung der elektromagnetischen Strahlungsquelle in ein Kraftfahrzeug, das Einrichtungen zur rekuperativen Nutzung beispielsweise der Abgas- oder Bremsenergie aufweist. Die dabei gewonnene Energie wird erfindungsgemäß genutzt, um die zum Betreiben der elektromagnetischen Strahlungsquelle benötigte Energie zumindest teilweise zu erzeugen. Dabei kann die Energie z. B. über eine Pufferbatterie, die zum Betreiben der Strahlungsquelle dient, zwischengespeichert werden.
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Der Verbrennungsvorgang in dem Brennraum der Brennkraftmaschine lässt sich darüber hinaus verbessern, wenn der Kraftstoff mit erhöhter Temperatur in den Brennraum eingespritzt wird. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass der Gemischaufbereitungsraum Wände aufweist, die zumindest bereichsweise aus einem die elektromagnetische Strahlung absorbierenden Material bestehen. Dadurch erwärmen sich die Wände des Gemischaufbereitungsraums und geben (über Strahlungswärme) die Wärme an den Kraftstoff weiter.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei wird mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, insbesondere einer Mikrowellenstrahlungsquelle, im Kraftstoff enthaltene Wassermoleküle in einem Gemischaufbereitungsraum auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur der Wassermoleküle erhitzt, und durch den Druck der verdampften Wassermoleküle wird der Kraftstoff in einen dem Kraftstoff nachgeschalteten Raum, insbesondere einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, zumindest mittelbar verdrängt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass dem Kraftstoff aus einer Speichereinrichtung zusätzlich Wasser beigemengt wird. Dadurch kann je nach Betriebsbedingungen bzw. je nach Wassergehalt des getankten Kraftstoffs eine gezielte Anreicherung des Kraftstoffs mit Wasser ermöglicht werden, so dass der Verbrennungsvorgang und/oder das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden kann.
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Die Erfindung ist nicht nur auf die Verwendung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine beschränkt. Vielmehr ist es denkbar, dass die Vorrichtung auch zur Erwärmung von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff, zur Zündung oder zur Zündungsunterstützung oder zur Abgasnachbehandlung in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in der einzigen Figur eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 10 dient zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 1 einer im Einzelnen nicht dargestellten Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Kraftstoff handelt es sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, um Dieselkraftstoff, der einen gewissen Anteil von Wasser enthält. Als möglicher Anteil sei hierbei ein Anteil von bis zu 50% Wasser oder mehr, bezogen auf die Menge des Kraftstoffs, genannt.
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Die Vorrichtung 10 umfasst einen Gemischaufbereitungsraum 11, der im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet ist, jedoch prinzipiell eine beliebige Form aufweisen kann. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass der Gemischaufbereitungsraum 11 kugelförmig ausgebildet ist. Der Gemischaufbereitungsraum 11 umfasst Wände 12 bis 15, die den Gemischaufbereitungsraum 11 begrenzen und gegenüber der Umgebung abdichten. Die eine Wand 12 weist einen ersten Durchlass 16 auf, der als Eintritt in den Gemischaufbereitungsraum 11 dient. In den ersten Durchlass 16 mündet eine Zuführleitung 19, die über eine Zuführleitung 19 mit dem Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Zuführleitung 19 ist unmittelbar vor dem Gemischaufbereitungsraum 11 eine Ventileinrichtung 18 vorgeschaltet. Mittels der Ventileinrichtung 18, die beispielsweise als elektromagnetisch betätigbare Ventileinrichtung 18 ausgebildet ist, wird der Durchlass 16 in den Innenraum 20 des Gemischaufbereitungsraums 11 gesteuert, das heißt, dass vom Kraftstoffversorgungssystem jeweils eine bestimmte Menge an Kraftstoff über den Durchlass 16 in den Innenraum 20 abgegeben werden kann. Die Ventileinrichtung 18 wird über eine Einrichtung 25, vorzugsweise dem für die Einspritzung der Brennkraftmaschine vorgesehenen Steuergerät, angesteuert.
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Auf der dem ersten Durchlass 16 gegenüberliegenden Seite des Gemischaufbereitungsraums 11 ist in der Wand 14 ein zweiter Durchlass 22 ausgebildet, der beispielhaft mit einer weiteren Ventileinrichtung 23 verbunden ist. Die weitere Ventileinrichtung 23 ist wiederum über wenigstens einen dritten Durchlass 24 mittel- oder unmittelbar mit dem Brennraum 1 der Brennkraftmaschine verbunden. Die weitere Ventileinrichtung 23 kann derart ausgebildet sein, dass bei einem bestimmten Überdruck in dem zweiten Durchlass 22 die Ventileinrichtung 23 in Richtung des dritten Durchlasses 24 öffnet. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung der Ventileinrichtung 23, bei der die Ventileinrichtung 23 über die Einrichtung 25 angesteuert wird. Beispielhaft ist die Ventileinrichtung 23 hierzu als elektromagnetisch betätigbare Ventileinrichtung 23 ausgebildet.
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In der Wand 15 des Gemischaufbereitungsraums 11 ist eine Aussparung 27 ausgebildet, in die eine elektromagnetische Strahlungsquelle 30 eingesetzt ist. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 30 ist derart ausgebildet, dass sie eine elektromagnetische Strahlung 31 erzeugt, die in den Innenraum 20 des Gemischaufbereitungsraums 11 strahlt. In der Aussparung 27 kann auch ein für die Strahlung durchlässiges Element (nicht dargestellt) eingesetzt sein, so dass die Strahlungsquelle 30 vollständig außerhalb des Gemischaufbereitungsraums 11 angeordnet werden kann.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle 30 als Mikrowellenstrahlungsquelle 32 ausgebildet ist, wobei die Strahlung 31 ein Strahlungsspektrum (Frequenz- bzw. Wellenlänge) aufweist, das auf die in dem Kraftstoff vorhandenen Wassermoleküle abgestimmt ist, derart, dass durch die Strahlung 31 ein Erhitzen und Verdampfen des in dem Kraftstoff befindlichen Wassers bzw. dessen Wassermoleküle möglich ist. Die Ansteuerung der elektromagnetischen Strahlungsquelle 30 erfolgt ebenfalls bevorzugt über das Steuergerät bzw. die separate Einrichtung 25, die für die Kraftstoffeinspritzung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
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Die elektromagnetische Strahlungsquelle 30 wird über eine Leitung 33 mit Energie versorgt, wobei es vorgesehen sein kann, dass die Energieversorgung zumindest mittelbar aus einer rekuperativen Einrichtung 35 des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Abgas- oder Bremsenergie nutzenden Einrichtung, erfolgt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Leistung der elektromagnetischen Strahlungsquelle 30 veränderbar ist, insbesondere zur Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine bzw. an unterschiedliche, im Gemischaufbereitungsraum 11 befindliche Kraftstoffmengen.
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Auch kann eine Speichereinrichtung 37 vorgesehen sein, die unter Zwischenschaltung eines Ventils 38 mit der Leitung 19 verbunden ist. Die Speichereinrichtung 37 dient der Bevorratung bzw. Speicherung eines gewissen Wasservorrates, so dass über eine Ansteuerung des Ventils 38 dem Kraftstoff, abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, zusätzlich Wasser zugeführt werden kann. Zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs bzw. zur Erwärmung des Kraftstoffs kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass zumindest die Wandabschnitte der Wände 12 bis 15, die von der Strahlung 31 direkt bestrahlt werden, aus einem die Strahlung 31 absorbierenden Material bestehen, so dass die betreffenden Wandabschnitte beim Betrieb der Vorrichtung 10 erwärmt werden, und dadurch Wärme durch Wärmestrahlung in den Innenraum 20 des Gemischaufbereitungsraums 11 abgeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 arbeitet wie folgt: Über die Ventileinrichtung 18 wird bei geschlossener Ventileinrichtung 23 eine bestimmte Menge von (unter einem Vorförderdruck) stehenden Kraftstoff, der Wasser enthält, in den Innenraum 20 des Gemischaufbereitungsraums 11 eingeleitet. Der Wasser enthaltende Kraftstoff wird in dem Gemischaufbereitungsraum 11 mittels der elektromagnetischen Strahlungsquelle 30 bzw. der Mikrowellenstrahlungsquelle 32 erhitzt, wobei die Wassermoleküle bis über ihre Verdampfungstemperatur erwärmt bzw. erhitzt werden. Daraus resultiert eine Druckerhöhung in dem Gemischaufbereitungsraum 11, verursacht durch die entstehenden Dampfblasen der erhitzten Wassermoleküle, wobei der Kraftstoff durch die Erwärmung der Wassermoleküle sowie ggf. durch die angesprochene Erwärmung der Wände 12 bis 15 zusätzlich erwärmt wird. Zum Abgeben des nunmehr unter relativ hohem Druck stehenden Kraftstoffs in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine wird die weitere Ventileinrichtung 23 (bei geschlossener Ventileinrichtung 18) geöffnet, so dass der Kraftstoff (zusammen mit dem dampfförmigen Wasser) in den Brennraum 1 einströmen kann, um nachfolgend im Brennraum 1 gezündet zu werden.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 auch zur Erwärmung von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff, zur Zündung oder zur Zündungsunterstützung oder zur Abgasnachbehandlung in einer Brennkraftmaschine dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4028748 A1 [0002, 0004]
- DE 102004061194 A1 [0003]
