DE102015208480A1 - Water injection device of an internal combustion engine and method for operating such a water injection device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine (2), welche einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser, mindestens einen Wasserinjektor (6), ein Förderelement (3) zum Fördern des Wassers, welches über eine Ansaugleitung (7) und über eine Rücklaufleitung (13) mit dem Wassertank (3) verbunden ist, und ein erstes Heizungselement (19a) umfasst, welches zumindest teilweise an der Ansaugleitung (7) angeordnet ist. Erfindungsgemäße ist das erste Heizungselement (19a) eingerichtet, im Wassertank (5) und/oder in der Ansaugleitung (7) befindliches Wasser, welches gefroren ist, aufzutauen. Ferner ist das Förderelement (3) erfindungsgemäß eingerichtet, das aufgetaute Wasser in der Ansaugleitung (7) über die Rücklaufleitung (13) zurück in den Wassertank (5) zu fördern. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben der Wassereinspritzvorrichtung (1). The present invention relates to a water injection device of an internal combustion engine (2) having a water tank (5) for storing water, at least one water injector (6), a conveying element (3) for conveying the water, which via a suction line (7) and via a Return line (13) is connected to the water tank (3), and a first heating element (19 a) comprises, which is at least partially disposed on the suction line (7). According to the invention, the first heating element (19a) is arranged to thaw water which is frozen in the water tank (5) and / or in the suction line (7). Furthermore, the conveying element (3) according to the invention is adapted to convey the thawed water in the suction line (7) via the return line (13) back into the water tank (5). Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine having a water injection device (1) according to the invention and to a method for operating the water injection device (1).
Description
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wassereinspritzvorrichtung. The present invention relates to a water injection device of an internal combustion engine and such an internal combustion engine. Another aspect of the invention relates to a method of operating such a water injection device.
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
Ein Problem bei bekannten Wassereinspritzsystemen ist eine mögliche Vereisung von wasserführenden Komponenten des Wassereinspritzsystems. Um das System auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des im Wassereinspritzsystem verwendeten Wassers zu betreiben, wird ein Heizungselement benutzt. Nachteilig an diesem Heizungselement ist, dass sich die Wärme auf einen kleinen Ort um das Heizungselement reduziert. Dies kann ein nicht optimales Auftauen der vereisten Komponenten des Wassereinspritzsystems zur Folge haben. Insbesondere wenn Wasser aufgrund einer angeforderten Wassereinspritzung aus einem teilweise aufgetauten Wassertank angesaugt wird, kann es zu einem Kontaktverlust des Heizungselements mit dem noch gefrorenen Wasser führen. Dies ist als „Eishöhleneffekt“ bezeichnet. Dadurch ist es möglich, dass nicht genug Wasser zum weiteren Einspritzen zur Verfügung steht, was eine Beeinträchtigung der Funktionsweise der Brennkraftmaschine verursachen kann. One problem with known water injection systems is possible icing of water-bearing components of the water injection system. In order to operate the system even at temperatures below the freezing point of the water used in the water injection system, a heating element is used. A disadvantage of this heating element is that the heat is reduced to a small location around the heating element. This can result in a non-optimal thawing of the frozen components of the water injection system. In particular, when water is sucked due to a requested water injection from a partially thawed water tank, it may lead to a loss of contact of the heating element with the still frozen water. This is called "ice cave effect". This makes it possible that not enough water is available for further injection, which may cause an impairment of the operation of the internal combustion engine.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Auftauen von vereisten Komponenten der Wassereinspritzvorrichtung sicher und schnell erfolgen kann. Weiterhin wird der sogenannte Eishöhlen-Effekt vermieden, was anderenfalls zu einer erheblichen Reduzierung des Wirkungsgrads des Heizungselements führen könnte. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine erreicht, welche einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, mindestens einen Wasserinjektor, ein Förderelement zum Fördern des Wassers, welches über eine Ansaugleitung und über eine Rücklaufleitung mit dem Wassertank verbunden ist, und ein erstes Heizungselement umfasst, welches zumindest teilweise an der Ansaugleitung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das erste Heizungselement eingerichtet, im Wassertank und/oder in der Ansaugleitung befindliches Wasser, welches gefroren ist, aufzutauen, um das aufgetaute Wasser in der Ansaugleitung über die Rücklaufleitung zurück in den Wassertank zu fördern. Durch die Zirkulation des aufgetauten Wassers wird die durch das Heizungselement erzeugte Wärme gleichmäßig im Wassertank verteilt. Somit werden eine frühere Betriebsbereitschaft der Wassereinspritzvorrichtung bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Wassers sowie ein sicheres Auftauen der gesamten Wassermenge des Wassertanks in schneller Weise ermöglicht. Dadurch können die Anforderungen an das erste Heizungselement verringert werden, was zu einem kostengünstigen und kompakten Aufbau der Wassereinspritzvorrichtung führt. The water injection device of an internal combustion engine according to the invention with the features of
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Um das Auftauen des gefrorenen Wassers zu unterstützen, weist vorzugsweise die Wassereinspritzvorrichtung ferner ein zweites Heizungselement auf, welches zumindest teilweise an der Rücklaufleitung angeordnet ist. Das zweite Heizungselement ist eingerichtet, das durch das erste Heizungselement aufgetaute Wasser zusätzlich zu erwärmen. Außerdem kann das zweite Heizungselement eingeschaltet werden, wenn auch Wasser, welches sich in der Rücklaufleitung befindet, eingefroren ist. Somit kann das Wasser in der Rücklaufleitung durch die Abwärme des zweiten Heizungselements nebst der im schon aufgetauten Wasser eingetragenen Wärme aufgetaut werden. In order to assist the thawing of the frozen water, preferably, the water injection device further comprises a second heating element, which is at least partially disposed on the return line. The second heating element is arranged to additionally heat the water thawed by the first heating element. In addition, the second heating element can be turned on, even if water, which is located in the return line, is frozen. Thus, the water in the return line can be thawed by the waste heat of the second heating element in addition to the registered in already thawed water heat.
Ferner bevorzugt umfasst die Wassereinspritzvorrichtung eine Förderleitung, über welche das Förderelement mit dem Wasserinjektor verbunden ist, und an welcher ein drittes Heizungselement zumindest teilweise angeordnet ist. Das dritte Heizungselement kann unterstützend zu dem ersten Heizungselement und/oder dem zweiten Heizungselement wirken. Further preferably, the water injection device comprises a delivery line, via which the delivery element is connected to the water injector, and on which a third heating element is at least partially arranged. The third heating element may act to assist the first heating element and / or the second heating element.
Weiter bevorzugt umfasst die Wassereinspritzvorrichtung ein viertes Heizungselement, welches im Wassertank angeordnet ist. Durch das Vorsehen des vierten Heizungselements wird ein schnelleres Auftauen des vereisten Wassertanks erzielt. More preferably, the water injection device comprises a fourth heating element, which is arranged in the water tank. By providing the fourth heating element, a faster thawing of the iced water tank is achieved.
Das erste Heizungselement und/oder das zweite Heizungselement und/oder das dritte Heizungselement und/oder das vierte Heizungselement können vorzugsweise als eine Einheit ausgebildet sein. The first heating element and / or the second heating element and / or the third heating element and / or the fourth heating element may preferably be formed as a unit.
Besonders bevorzugt weist das erste Heizungselement und/oder das zweite Heizungselement und/oder das dritte Heizungselement und/oder das vierte Heizungselement ein elektrisches Heizungselement und/oder einen hydraulischen Wärmetauscher auf. Ein elektrisches Heizungselement bietet den Vorteil einer einfachen Steuerung. Auf der anderen Seite kann ein hydraulischer Wärmetauscher an die jeweiligen Platz- und Designanforderungen angepasst werden, was zu einer optimalen Wärmeübertragung auf das gefrorene Wasser führt. Particularly preferably, the first heating element and / or the second heating element and / or the third heating element and / or the fourth heating element to an electric heating element and / or a hydraulic heat exchanger. An electric heating element offers the advantage of easy control. On the other hand, a hydraulic heat exchanger can be adapted to the particular space and design requirements, resulting in optimum heat transfer to the frozen water.
Der hydraulische Wärmetauscher ist vorzugsweise eingerichtet, Kühlwasser der Brennkraftmaschine zum Auftauen des gefrorenen Wassers zu benutzen. Somit kann die Wärme, die im Kühlwasser durch das Abkühlen der Brennkraftmaschine steckt, wiederverwendet werden. The hydraulic heat exchanger is preferably arranged to use the cooling water of the internal combustion engine for thawing the frozen water. Thus, the heat contained in the cooling water by the cooling of the internal combustion engine can be reused.
In vorteilhafter Weise ist das Förderelement eingerichtet, in einem nicht optimalen Betriebspunkt des Förderelements betrieben zu werden, um Wärme zu erzeugen. Als nicht optimaler Betriebspunkt ist der Arbeitspunkt zu verstehen, an welchem ein Teil der der elektrischen Leistung in einem Antrieb des Förderelements in Wärme umgewandelt wird. Advantageously, the conveyor element is arranged to be operated in a non-optimal operating point of the conveyor element to generate heat. A non-optimal operating point is to be understood as the operating point at which a part of the electrical power in a drive of the conveying element is converted into heat.
Wenn das Förderelement als Pumpe ausgebildet ist, ist ein Betrieb der Pumpe bei niedrigerer Drehzahl als der bei einem optimalen Betriebspunkt erwünscht, so dass die erzeugte Wärme des Förderelements auf das Wasser übertragen wird. When the conveyor element is designed as a pump, operation of the pump at a lower speed than that at an optimum operating point is desired, so that the generated heat of the conveyor element is transferred to the water.
Das Förderelement ist weiterhin bevorzugt eingerichtet, bei einer aktiven Wassereinspritzung während des Auftauvorgangs so betrieben zu werden, dass eine Mindestmenge vom aufgetauten Wasser im Wassertank verbleibt. Somit kann das Auftauen des restlichen gefrorenen Wassers ununterbrochen erfolgen, auch wenn eine große Wassereinspritzmenge gefordert wird. The conveying element is furthermore preferably set up to be operated during an active water injection during the thawing process in such a way that a minimum amount of the thawed water remains in the water tank. Thus, the thawing of the remaining frozen water can be uninterrupted even if a large amount of water injection is required.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche eine erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung umfasst. Die in Bezug auf die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung erhaltenen Vorteile bleiben auch hier erhalten. Another aspect of the present invention relates to an internal combustion engine comprising a water injection device according to the invention. The advantages obtained in relation to the water injection device according to the invention remain here as well.
Insbesondere ist die Brennkraftmaschine eingerichtet, mit Benzin und nach dem Otto-Prinzip betrieben zu werden. Als eine solche Brennkraftmaschine ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung von Benzin bzw. Benzin-Luft-Gemisch durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt. Da bei einer solchen Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt durch die Fremdzündung genau vorbestimmt ist und durch die Wassereinspritzung die Verbrennung verbessert wird, wird durch die Zirkulation des durch das mindestens eine vorgesehene Heizungselement aufgetauten Wassers in der Wassereinspritzvorrichtung eine ausfallsichere Funktionsweise der Brennkraftmaschine erzielt. In particular, the internal combustion engine is set up to be operated with gasoline and according to the Otto principle. As such an internal combustion engine, the internal combustion engine is to be understood, in which a combustion of gasoline or gasoline-air mixture takes place by spark ignition in the form of a spark plug. Since in such an internal combustion engine, the ignition timing is precisely predetermined by the spark ignition and the combustion is improved by the water injection, a fail-safe operation of the internal combustion engine is achieved by the circulation of the water thawed by the at least one intended heating element in the water injection device.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Turboaufladung eingesetzt. In particular, the water injection device according to the invention is used in an internal combustion engine with direct injection and turbocharging.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wassereinspritzvorrichtung mit mindestens einem Wasserinjektor, und einem Förderelement zum Fördern des Wassers, welches über eine Ansaugleitung und über eine Rücklaufleitung mit einem Wassertank verbunden ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Wassertank und/oder in der Ansaugleitung befindliches Wasser, welches gefroren ist, durch ein erstes Heizungselement aufgetaut. Das aufgetaute Wasser in der Ansaugleitung wird erfindungsgemäß über die Rücklaufleitung zurück in den Wassertank der Wassereinspritzvorrichtung gefördert. Furthermore, the present invention relates to a method for operating a water injection device with at least one water injector, and a conveying element for conveying the water, which is connected via a suction line and a return line to a water tank. According to the method according to the invention, water which is frozen in the water tank and / or in the suction line is thawed by a first heating element. The thawed water in the intake is conveyed according to the invention via the return line back into the water tank of the water injection device.
Vorzugsweise wird das Förderelement in einem nicht optimalen Betriebspunkt des Förderelements betrieben, um Wärme zu erzeugen. Preferably, the conveyor element is operated at a non-optimal operating point of the conveyor element to generate heat.
Bevorzugt wird das Förderelement bei einer aktiven Wassereinspritzung während des Auftauvorgangs so betrieben, dass eine Mindestmenge vom aufgetauten Wasser im Wassertank verbleibt. Preferably, the conveying element is operated during an active water injection during the thawing process so that a minimum amount of thawed water remains in the water tank.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or functionally identical parts are designated by the same reference numerals. In the drawing is:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
In
An jedem Einlasskanal
In
Zum Einspritzen von Wasser in die Einlasskanäle
Alternativ oder zusätzlich zum Kondensat kann deionisiertes Wasser über eine Nachfüllleitung
Wird nun über die Steuereinheit
Wenn allerdings die Wassereinspritzvorrichtung
Zum Auftauen des gefrorenen Wasser ist ein erstes Heizungselement
Das Förderelement
Das erste Heizungselement
Für eine möglichst frühe Betriebsbereitschaft der Wassereinspritzvorrichtung
Es findet somit eine Zirkulation des aufgetauten Wassers statt, wodurch die im Wasser steckende Wärme gleichmäßig im Wassertank
Um den Effekt der Erwärmung durch Zirkulation zu verstärken, kann das Förderelement
Wird aufgrund der Fahrtbedingungen während dieses optimierten Auftauverfahrens eine Wassereinspritzung durch die Brennkraftmaschine
Falls die zugelassene Wassereinspritzmenge für die verbrennungsrelevante Einspritzung nicht ausreicht, d.h., wenn die zum Einspritzen verfügbare Wassereinspritzmenge kleiner als eine minimale Wassereinspritzmenge ist, welche für die Verbrennung benötigt ist, wird die Leistung der Brennkraftmaschine
Sobald sichergestellt wird, dass die im Wassertank
Durch die Zirkulation des durch das erste Heizungselement
Um das Auftauen des gefrorenen Wassers zu unterstützen, kann die Wassereinspritzvorrichtung
Das zweite Heizungselement
Die
Wie aus der
Das vierte Heizungselement
Es sei angemerkt, dass die Heizungselemente
Ferner können die Heizungselemente
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