DE102015208476A1

DE102015208476A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Einspritzung von Wasser für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015208476A1
Application number: DE102015208476.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Obergfaell; Julian Hagenloch; Martin Frohnmaier; Thorsten Klinkhammer; Laurent Jeannel; Ingmar Burak; Johannes Goemmel; Peter Schenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: WO2016177554A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser für eine Brennkraftmaschine (2), welche einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement (3) zur Förderung des Wassers, wobei das Förderelement (3) mit dem Wassertank (5) verbunden ist, einen Antrieb (4) zum Antreiben des Förderelement (3), mindestens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Förderelement (3) verbunden ist, und eine Steuereinheit (10) umfasst, welche eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser zu öffnen, wobei der Wasserinjektor (6) angeordnet ist, um Wasser in Richtung eines Ventilelements (28) eines Einlassventils (25) der Brennkraftmaschine (2) einzuspritzen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zur Einspritzung von Wasser.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser für eine Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser mittels einer erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung.
Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist z.B. aus der WO 2014/080266 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, bei dem das Wasser in den Massenstrom der Abgasrückführung eingespritzt wird. Dadurch können die Abgase gekühlt werden und magere Betriebsweisen der Brennkraftmaschine sowie hohe Verdichtungen ermöglicht werden. Jedoch kann unter Umständen ein solches Wassereinspritzsystem nicht zum optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine führen, da das eingespritzte Wasser in den Brennraum schon in verdampfter Form gelangt und diesen nicht direkt abkühlt. Außerdem kann dieses Wassereinspritzsystem nur bei Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführung benutzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine in hohen Lasten durch eine Kühlung des Brennraums mittels Wassereinspritzung optimal reduziert werden kann. Zusätzlich kann wegen der erreichten Reduzierung von Abgastemperaturen eine ohne Wassereinspritzung eventuell notwendige Anfettung zum Bauteilschutz des Abgassystems verringert werden oder entfallen, wodurch sich ein zusätzlicher Kraftstoffverbrauchsvorteil ergibt. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser erreicht, mittels welcher Wasser gezielt in den Einlasskanal nahe dem Einlassventil eingespritzt wird. Hierbei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser einer Brennkraftmaschine einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement zur Förderung des Wassers, wobei das Förderelement mit dem Wassertank verbunden ist, einen Antrieb zum Antreiben des Förderelements, mindestens einen Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Förderelement verbunden ist, und eine Steuereinheit auf, welche eingerichtet ist, den Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser zu öffnen. Erfindungsgemäß ist der Wasserinjektor derart angeordnet, dass Wasser in Richtung eines Ventilelements eines Einlassventils der Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Somit wird eine möglichst feine Zerstäubung der Wassertropfen und ein guter Transport des Wassers in den Brennraum realisiert. Durch diese einlassventilnahe Wassereinspritzung werden eine Leistungssteigerung und/oder eine Verbrauchssenkung erreicht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zeitlich so zu öffnen, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers das Ventilelement zu einem ersten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil geschlossen ist. Dadurch wird eine Vorlagerung des Einspritzzeitpunktes des eingespritzten Wassers auf dem Ventilelement erzielt. Im folgenden Ansaugzyklus kann das voreingespritzte Wasser in den Brennraum gesaugt werden und durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an einem Ventilspalt des Einlassventils zerstäubt werden. Das Wasser verdampft im Brennraum und kühlt dadurch diesen ab, wodurch eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine reduziert wird. Somit sind frühere Zündzeitpunkte und eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung möglich.
Durch eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung wird die Brennkraftmaschine effizienter betrieben. Es kommt zu einer Verbrauchsreduktion, was wiederum eine Reduzierung des produzierten Kohlenstoffdioxids bei gleichbleibendem Brennkraftmaschinenmoment zur Folge hat. Zusätzlich kann gegebenenfalls auf Bauteilschutzmaßnahmen wie zum Beispiel eine Anfettung des Kraftstoffgemisches verzichtet werden. Dadurch ergibt sich eine weitere Verringerung der erzeugten Kohlenstoffdioxidmenge.
Alternativ kann durch die mittels Wassereinspritzung früher realisierte Schwerpunktlage der Verbrennung der Brennkraftmaschine und der daraus folgenden Erhöhung des Drehmoments die mögliche Maximalleistung erhöht werden. Dieser Effekt wird durch eine Verkürzung der Brenndauer als Folge der Reduzierung der Anfettung verstärkt.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zu schließen, wenn das Einlassventil noch geschlossen ist. Dies ermöglicht eine Vorverlagerung der Einspritzung der gesamten benötigten Wassermenge vor der Ansaugphase der Brennkraftmaschine, wodurch je nach Anwendung ein noch früherer Zündzeitpunkt möglich ist.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zeitlich so zu öffnen, dass das eingespritzte Wasser zu einem zweiten Zeitpunkt am Ventilelement ankommt, wenn das Einlassventil gerade geöffnet wird. Durch eine saugsynchrone Wassereinspritzung werden die eingespritzten Wassertropfen durch die hohen Gasgeschwindigkeiten am gerade öffnenden Ventilspalt in den Brennraum mitgerissen und optimal verteilt. Das Wasser verdampft im Brennraum und kühlt dadurch die Ladung ab. Die Klopfneigung wird reduziert und es sind frühere Zündzeitpunkte möglich. Durch den früheren Zündzeitpunkt kann eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung realisiert werden.
Ferner bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zeitlich so zu öffnen, dass das eingespritzte Wasser das Ventilelement zu einem dritten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil offen ist. Somit kann eine große Wassermenge eingespritzt werden.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zu schließen, wenn das Einlassventil noch offen ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die gesamte eingespritzte Wassermenge in den Brennraum gelangt. Somit verbleiben keine Wasserreste im Einlasskanal, welche anderenfalls durch die hohen Temperaturen der Brennkraftmaschine verdampfen könnten und einen Druckanstieg im Einlasskanal verursachen könnten.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wasserinjektor eingerichtet, Wasser auf einen Halsbereich und/oder einen Übergangsbereich und/oder einen Tellerbereich des Ventilelements aufzuspritzen, wobei der Übergangsbereich den Halsbereich mit dem Tellerbereich verbindet. Somit wird je nach Anwendung und/oder Einlassventildesign Wasser gezielt auf einen oder mehrere Bereiche des Ventilelements aufgespritzt. Somit wird die Einspritzung an die jeweiligen Anforderungen angepasst, wodurch eine optimale Zerstäubung der Wassertropfen und ein optimaler Transport des eingespritzten Wassers in den Brennraum realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche eine erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung, ein Einlassventil und einen Einlasskanal umfasst, wobei der Wasserinjektor am Einlasskanal angeordnet ist, um Wasser in den Einlasskanal einzuspritzen.
Insbesondere ist der Wasserinjektor eingerichtet, Wasser einlassventilnah in einen Vorventilraum in den Einlasskanal einzuspritzen. Als Vorventilraum ist der Raum des Einlasskanals zu verstehen, der sich vor dem Einlassventil im Einlasskanal befindet. Vorzugsweise erstreckt sich der Vorventilraum von einem dem Brennraum zugewandten Ende des Einlasskanals stromaufwärts in einer Längsrichtung des Einlasskanals. Der Vorventilraum umschließt somit im geschlossenen Zustand des Einlassventils den Tellerbereich, den Übergangsbereich und den Halsbereich des Ventilelements.
Besonders bevorzugt wird die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Otto-Prinzip und mit Benzin betrieben. Als eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt. Da bei einer solchen Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt durch die Fremdzündung genau vorbestimmt ist, können die in Bezug auf die erfindungsgemäße Wassereinspritzung beschriebenen Vorteile komplett ausgenutzt werden. Somit kann bei einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung der Zündzeitpunkt und somit auch die Schwerpunktlage der Verbrennung in konkreter Weise nach vorne verschoben werden.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung und Turboaufladung eingesetzt, da diese eine besonders hohe Klopfneigung aufweisen kann und somit die Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung das höchste Potenzial hat.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser mittels eines Wasserinjektors in den Einlasskanal einer Brennkraftmaschine, wobei Wasser in Richtung eines Ventilelements eines Einlassventils eingespritzt wird. Die in Bezug auf die Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser erwähnten Vorteile werden auch durch das erfindungsgemäße Einspritzverfahren sichergestellt.
Vorzugsweise wird der Wasserinjektor zeitlich so geöffnet, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers das Ventilelement zu einem ersten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil geschlossen ist.
Bevorzugt wird hierbei der Wasserinjektor geschlossen, wenn das Einlassventil noch geschlossen ist.
Alternativ oder zusätzlich wird der Wasserinjektor zeitlich so geöffnet, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers zu einem zweiten Zeitpunkt am Einlassventil ankommt, wenn das Einlassventil gerade geöffnet wird.
Nach einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Wasserinjektor zeitlich so geöffnet, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers zu einem dritten Zeitpunkt am Einlassventil ankommt, wenn das Einlassventil offen ist.
Vorteilhafterweise wird hierbei der Wasserinjektor geschlossen, wenn das Einlassventil noch offen ist.
Es ist von Vorteil, wenn Wasser auf einen Halsbereich und/oder einen Übergangsbereich und/oder einen Tellerbereich des Ventilelements eingespritzt wird, wobei der Übergangsbereich den Halsbereich mit dem Tellerbereich verbindet.
Besonders bevorzugt wird das Wasser unter einem Druck von 3 × 10⁵ Pa bis 10 × 10⁵ Pa eingespritzt. Durch dieses Druckniveau des Wassers wird in Kombination mit einer optimalen Einspritzrichtung, so dass das Wasser mit dem Luftstrom mitgerissen wird, wird eine Wandbenetzung des Einlasskanals bzw. eines Saugrohrs minimiert oder eliminiert. Somit kann die gesamte eingespritzte Wassermenge zum Brennraum geführt werden, um ihn abzukühlen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3a, b bis 6 stark vereinfachte, schematische Schnittansichten eines Bereiches der Brennkraftmaschine der 1, anhand derer das Verfahren zum Einspritzen von Wasser gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert wird,
7 bis 10 stark vereinfachte, schematische Schnittansichten des Bereiches der 3 bis 6 zum Darstellen eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum Einspritzen von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung,
11, 12 stark vereinfachte, schematische Schnittansichten desselben Bereiches der Brennkraftmaschine von 1 zum Darstellen eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum Einspritzen von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung,
13 eine stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Bereichs eines Einlasskanals, wobei unterschiedliche Einspritzmöglichkeiten von Wasser dargestellt sind, und
14 eine vereinfachte schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 eine Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser einer Brennkraftmaschine 2 im Detail beschrieben. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben.
In 1 ist die Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt, welche eine Vielzahl von Zylindern aufweist. Die Brennkraftmaschine 2 umfasst pro Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist vorzugsweise die Brennkraftmaschine 2 pro Zylinder zwei Einlassventile 25 mit jeweils einem Einlasskanal 22 auf, über welche Luft zum Brennraum 20 zugeführt wird. Abgas wird über einen Auslasskanal 23 abgeführt. Hierzu ist am Auslasskanal 23 ein Auslassventil 26 angeordnet. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet ferner ein Kraftstoffeinspritzventil.
An jedem Einlasskanal 22 ist ferner ein Wasserinjektor 6 angeordnet, welcher über eine Steuereinheit 10 Wasser in Richtung eines Ventilelements 28 des Einlassventils 25 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximalen einspritzbaren Wassermenge zwei Wasserinjektoren 6 pro Zylinder vorgesehen. Alternativ kann ein Wasserinjektor pro Einlassventil angeordnet sein.
In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser im Detail gezeigt. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst ein als Pumpe ausgebildetes Förderelement 3 und einen elektrischen Antrieb 4 zum Antreiben des Förderelements. Des Weiteren ist ein Wassertank 5 vorgesehen, welcher durch eine erste Leitung 7 mit dem Förderelement 3 verbunden ist. Eine zweite Leitung 8 verbindet das Förderelement 3 mit einem Verteiler 9 bzw. einem Rail, an welchem eine Vielzahl von Wasserinjektoren 6 angeschlossen ist.
Zum Einspritzen von Wasser in die Einlasskanäle 22 der Brennkraftmaschine 2 wird Wasser aus dem Wassertank 5 durch das Förderelement 3 in die Wasserinjektoren 6 zugeführt. Dafür wird bevorzugt ein Kondensat eines nicht gezeigten Verdampfers einer Klimaanlage verwendet, wozu die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser eine Zulaufleitung 11 aufweist.
Alternativ oder zusätzlich zum Kondensat kann deionisiertes Wasser über eine Nachfüllleitung 12 in den Wassertank 5 gefördert werden. In der Nachfüllleitung 12 kann optional ein Sieb vorgesehen sein. Ferner sind ein Vorfilter 16 in der ersten Leitung 7 und ein Feinfilter 17 in der zweiten Leitung 8 angeordnet. Der Vorfilter 16 und der Feinfilter 17 sind optional beheizbar.
Wird nun über die Steuereinheit 10, welche insbesondere als eine Brennkraftmaschinensteuereinheit ausgebildet ist, eine Wassereinspritzung angefordert, so wird mittels des Förderelements 3 Wasser aus dem Wassertank 5 angesaugt. Zum Einstellen des gewünschten Systemdrucks im Verteiler 9 ist ein Druckregler 15 in der Form einer Blende in einer Rücklaufleitung 13 angeordnet, welche die zweite Leitung 8 mit dem Wassertank 5 verbindet.
Zur Druckregelung ist ferner ein Drucksensor 14 in der zweiten Leitung 8 vorgesehen, welcher in Kombination mit einer Drehzahlvariation der Pumpe gesteuert durch die Steuereinheit 10 den gewünschten Druck einregelt. Insbesondere ist der Systemdruck im Verteiler 9 im Bereich von 3 × 10⁵ Pa bis 10 × 10⁵ Pa eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass beim Einspritzen von Wasser in einen Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 eine Wandbenetzung des Einlasskanals 22 mit Wasser minimiert oder eliminiert wird. Somit gelingt das eingespritzte Wasser vollständig in den Brennraum 20.
Die angeforderte Wassermenge wird über den Verteiler 9 an die Wasserinjektoren 6 befördert und mittels Taktung der Wasserinjektoren 6 in den Einlasskanal 22 eingespritzt. Optional ist am Wassertank 5 ein Sensor 18 zur Messung des Wasserfüllstandes sowie der Wassertemperatur verbaut.
Während des Betriebes der Wassereinspritzvorrichtung 1 wird das Förderelement 3 mittels der Steuereinheit 10 über den elektrischen Antrieb 4 angetrieben. Die Steuereinheit 10 öffnet und schließt auch die Wasserinjektoren 6. Dadurch kann eine gesteuerte Wassereinspritzung in die Einlasskanäle 22 ermöglicht werden.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 das Wassereinspritzverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben. Zum besseren Verständnis ist in den 3 bis 6 nur ein Bereich eines Einlasskanals 22 der Brennkraftmaschine 2 gezeigt, in welchem das Ventilelement 28 des Einlassventils 25 angeordnet ist.
Wie aus den 3a und 3b ersichtlich ist, spritzt der Wasserinjektor 6, welcher am Einlasskanal 22 angeordnet ist, Wasser einlassventilnah in einen Vorventilraum 27 des Einlasskanals 22 ein. Als Vorventilraum 27 ist der Raum im Einlasskanal 22 zu verstehen, welcher sich von einem dem Brennraum 20 zugewandten Ende des Einlasskanals 22 bis zu einem Trennsteg 29 der beiden Einlasskanäle 22 erstreckt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird Wasser direkt auf einen Tellerbereich 28a des Ventilelements 28 gespritzt. Als Tellerbereich 28a ist der dem Brennraum 20 abgewandte Bereich des Ventilelements 28 zu verstehen, welcher im Wesentlichen flach ausgebildet ist.
Die Steuereinheit 10 öffnet den Wasserinjektor 6 zeitlich so, dass das eingespritzte Wasser zu einem Zeitpunkt am Ventilelement 28 ankommt, wenn das Einlassventil 25 gerade geöffnet wird. Zur besseren Erläuterung des Verfahrens ist in 4 das Einlassventil 25 in einem gerade geöffneten Zustand dargestellt. Durch die hohen Geschwindigkeiten der Luftströmung P am gerade geöffneten Einlassventil 25 wird das eingespritzte Wasser in den Brennraum 20 mitgerissen und optimal verteilt (4 und 5).
Die hohen Temperaturen im Brennraum 20 führen dazu, dass das Wasser im Brennraum 20 verdampft, wodurch die Ladung bzw. Luft gekühlt wird. Somit kann eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine 2 in Betriebspunkten mit hoher Last reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass frühere Zündzeitpunkte möglich sind, was wiederum eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung bewirkt. Ein reduzierter Kraftstoffverbrauch ist somit möglich.
Die Wassereinspritzung geht weiter bis die angeforderte Wassermenge in den Einlasskanal 22 eingespritzt wird, während das Einlassventil offen ist (5). Anschließend schließt die Steuereinheit 10 den Wasserinjektor 6 bei noch offenem Einlassventil 25. Somit wird sichergestellt, dass kein Wasser im Einlasskanal 22 bleibt, was durch Verdampfen eventuell zu einer Druckerhöhung im Einlasskanal 22 führen könnte.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Einspritzung von Wasser werden eine Leistungssteigerung und eine Verbrauchssenkung der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Um eine ausreichende bzw. die gewünschte Wassermenge während des kurzen Zeitraums der hohen Strömungsgeschwindigkeiten bei öffnendem Einlassventil 25 in den Einlasskanal 22 einzuspritzen, kann alternativ ein anhand der 7 bis 10 dargestellte zweite Einspritzverfahren ausgeführt werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich grundsätzlich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Steuereinheit 10 den Wasserinjektor 6 zeitlich so öffnet (7), dass das eingespritzte Wasser das Ventilelement 28 zu einem Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil 25 geschlossen ist (8). Somit wird die gesamte Menge des eingespritzten Wassers auf das Ventilelement 28 bzw. den Tellerbereich 28a vorgelagert, wie aus 9 ersichtlich ist.
Sobald das Einlassventil 25 im folgenden Ansaugzyklus geöffnet wird (10), wird das vorgelagerte Wasser in den Brennraum 20 gesaugt und durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Ventilspalt zerstäubt. Der Brennraum 20 wird durch die Verdampfung des Wassers gekühlt, wodurch eine Klopfneigung vermieden werden kann. Dadurch kann eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung realisiert werden.
Obwohl das Einspritzverfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel als eine Alternative zum ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens beschrieben wurde, ist es auch möglich, die zwei Varianten zu kombinieren. So kann z. B. ein erster Teil des zu einspritzenden Wassers auf den Tellerbereich 28a des Ventilelements 28 vorgelagert werden (wie in 9), wobei der Wasserinjektor 6 einen zweiten Teil des zu einspritzenden Wassers zeitlich so einspritzt, dass der zweite Teil am Tellerbereich 28a ankommt, wenn das Einlassventil 25 gerade geöffnet wird (wie in 4). Die Wassereinspritzung wird anschließend bei noch offenem Ventilelement 28 beendet, wie gemäß 6 beschrieben.
In den 11 und 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Einspritzen von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei wird der Wasserinjektor 6 über die Steuereinheit 10 zeitlich so geöffnet (11), dass das eingespritzte Wasser das Ventilelement 28 zu einem Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil 25 offen ist (12). Nachdem die benötigte Wassermenge in den Brennraum 20 eingespritzt worden ist, schließt die Steuereinheit 10 den Wasserinjektor 6, wobei sich das Einlassventil 25 in einem offenen Zustand befindet (wie in 6).
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird Wasser unmittelbar auf den Tellerbereich 28a des Ventilelements 28 gespritzt. Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserinjektor 6 Wasser auf einen Halsbereich 28c des Ventilelements 28, welcher im Wesentlichen senkrecht zum Tellerbereich 28a ausgebildet ist, und/oder auf einen Übergangsbereich 28b aufgespritzt werden (13). Der Übergangsbereich 28b, welcher vorzugsweise gekrümmt ausgebildet ist, verbindet den Tellerbereich 28a mit dem Halsbereich 28c. Der Wasserstrahl auf den Tellerbereich 28a ist mit dem Bezugszeichen a, der Wasserstrahl auf den Übergangsbereich 28b mit dem Bezugszeichen b und der Wasserstrahl auf den Halsbereich 28c mit dem Bezugszeichen c versehen.
In 14 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Wassereinspritzvorrichtung 1 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 der 2 dadurch, dass anstatt einer Blende ein mechanisch oder elektrisch betätigter Druckregler 15 bzw. Druckbegrenzer in der Form eines Rückschlagventils vorgesehen ist. Dementsprechend wird der Druck im Verteiler 9 über den Druckregler 15 in Kombination mit dem Drucksensor 14 eingestellt. Alternativ kann die Druckregelung über eine Drehzahlvorgabe der Pumpe 3 in Kombination mit dem Drucksensor 14 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/080266 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser für eine Brennkraftmaschine (2), umfassend: – einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser; – ein Förderelement (3) zur Förderung des Wassers, wobei das Förderelement (3) mit dem Wassertank (5) verbunden ist, – einen Antrieb (4) zum Antreiben des Förderelements (3), – mindestens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Förderelement (3) verbunden ist, und – eine Steuereinheit (10), welche eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser zu öffnen, – wobei der Wasserinjektor (6) angeordnet ist, um Wasser in Richtung eines Ventilelements (28) eines Einlassventils (25) der Brennkraftmaschine (2) einzuspritzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zeitlich so zu öffnen, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers das Ventilelement (28) zu einem ersten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil (25) geschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zu schließen, wenn das Einlassventil (25) noch geschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zeitlich so zu öffnen, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers zu einem zweiten Zeitpunkt am Ventilelement (28) ankommt, wenn das Einlassventil (25) gerade geöffnet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zeitlich so zu öffnen, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers den Ventilelement (28) zu einem dritten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil (25) offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, den Wasserinjektor (6) zu schließen, wenn das Einlassventil (25) noch offen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wasserinjektor (6) eingerichtet ist, Wasser auf einen Halsbereich (28c) und/oder einen Übergangsbereich (28b) und/oder einen Tellerbereich (28a) des Ventilelements (28) aufzuspritzen, wobei der Übergangsbereich (28b) den Halsbereich (28c) mit dem Tellerbereich (28a) verbindet.
Brennkraftmaschine, umfassend eine Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, ein Einlassventil (25) und einen Einlasskanal (22), wobei der Wasserinjektor (6) am Einlasskanal (22) angeordnet ist, um Wasser in den Einlasskanal (22) einzuspritzen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, welche eingerichtet ist, nach dem Otto-Prinzip und mit Benzin betrieben zu werden.
Verfahren zum Einspritzen von Wasser mittels eines Wasserinjektors (6) in einen Einlasskanal (22) einer Brennkraftmaschine (2), wobei Wasser in Richtung eines Ventilelements (28) eines Einlassventils (25) der Brennkraftmaschine (2) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wasserinjektor (6) zeitlich so geöffnet wird, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers den Ventilelement (28) zu einem ersten Zeitpunkt erreicht, wenn das Einlassventil (25) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wasserinjektor (6) geschlossen wird, wenn das Einlassventil (25) noch geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Wasserinjektor (6) zeitlich so geöffnet wird, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers zu einem zweiten Zeitpunkt am Einlassventil (25) ankommt, wenn das Einlassventil (25) gerade geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 13, wobei der Wasserinjektor (6) zeitlich so geöffnet wird, dass mindestens ein Teil des eingespritzten Wassers zu einem dritten Zeitpunkt am Einlassventil (25) ankommt, wenn das Einlassventil (25) offen ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Wasserinjektor (6) geschlossen wird, wenn das Einlassventil (25) noch offen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei Wasser auf einen Halsbereich (28c) und/oder einen Übergangsbereich (28b) und/oder einen Tellerbereich (28a) des Ventilelements (28) aufgespritzt wird, wobei der Übergangsbereich (28b) den Halsbereich (28c) mit dem Tellerbereich (28a) verbindet.