DE102015208508A1 - Water injection device for 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 für eine Brennkraftmaschine, welche einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement (3) zur Förderung des Wassers, welches mit dem Wassertank (5) verbunden ist, mindestens zwei Wasserinjektoren (6a, 6b) zum Einspritzen von Wasser, welche jeweils mit dem Förderelement (3) verbunden sind, und eine Steuereinheit (10), welche eingerichtet ist, die Wasserinjektoren (6a, 6b) nacheinander zu öffnen, wobei das Förderelement (3) eingerichtet ist, in den Wasserinjektoren (6a, 6b) befindliches Wasser nacheinander anzusaugen und zu dem Wassertank (5) zuzuführen, wenn die Wasserinjektoren geöffnet sind, um eine Vereisung der Wasserinjektoren (6a, 6b) zu vermeiden.The present invention relates to a water injection device for an internal combustion engine, which comprises a water tank (5) for storing water, a conveying element (3) for conveying the water, which is connected to the water tank (5), at least two water injectors (6a, 6b) Injecting water, which are each connected to the conveying element (3), and a control unit (10), which is arranged to open the water injectors (6a, 6b) successively, wherein the conveying element (3) is arranged in the water injectors ( 6a, 6b) and to be fed to the water tank (5) when the water injectors are opened in order to avoid icing of the water injectors (6a, 6b).
Description
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung für eine 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 for 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, werden Frostschutzkomponenten dem Wasser des Wassereinspritzsystems zugesetzt. Diese Komponenten beeinflussen jedoch das Brennverhalten der Brennkraftmaschine und erfordern zusätzliche Betriebsstoffe. One problem with known water injection systems is possible icing of water-bearing components of the water injection system. To operate the system at temperatures below freezing point of the water used in the water injection system, antifreeze components are added to the water of the water injection system. However, these components affect the combustion behavior of the internal combustion engine and require additional supplies.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Beschädigung der Bauteile der Wassereinspritzvorrichtung durch Vereisung vermieden werden kann, ohne dass die Bauteile eisdruckfest ausgelegt sind. Dazu sind kein weitere Betriebsstoff oder zusätzliche Komponenten erforderlich. Ferner ist ein einfaches und günstiges Design der Wassereinspritzvorrichtung möglich. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine erreicht, welche einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement zur Förderung des Wassers, welches mit dem Wassertank verbunden ist, mindestens zwei Wasserinjektoren zum Einspritzen von Wasser, welche jeweils mit dem Förderelement verbunden sind, und eine Steuereinheit umfasst, welche eingerichtet ist, die Wasserinjektoren nacheinander zu öffnen, wobei das Förderelement eingerichtet ist, in den Wasserinjektoren befindliches Wasser nacheinander anzusaugen und zum Wassertank zuzuführen, wenn die Wasserinjektoren geöffnet sind, um eine Vereisung der Wasserinjektoren zu vermeiden. Da die Wasserinjektoren einer nach dem anderen geöffnet werden, kann sichergestellt werden, dass Wasserreste aus jedem Wasserinjektor sicher abgesaugt werden. Ferner tritt durch das Öffnen der Wasserinjektoren Luft in die Wasserinjektoren ein, was zu einer schnellen Förderung des Wassers aus den Wasserinjektoren zum Wassertank führt. The water injection device according to the invention for an internal combustion engine with the features of
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Vorzugsweise ist das Förderelement eingerichtet, in zwei Förderrichtungen betrieben zu werden. Somit kann das Wasser aus den Wasserinjektoren schnell ohne zusätzliche Komponenten zu dem Wassertank gefördert werden. Preferably, the conveying element is set up to be operated in two conveying directions. Thus, the water from the water injectors can be quickly conveyed to the water tank without additional components.
Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Wasserinjektoren nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine, insbesondere nach jedem Abstellen der Brennkraftmaschine, zu öffnen. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wassereinspritzvorrichtung empfindlicher für eine Vereisung ist, nachdem die Brennkraftmaschine abgestellt ist. Somit wird sichergestellt, dass die Wassereinspritzvorrichtung betriebsbereit beim nächsten Einschalten der Brennkraftmaschine ist. Preferably, the control unit is configured to open the water injectors after switching off the internal combustion engine, in particular after each shutdown of the internal combustion engine. This is particularly advantageous because the water injection device is more sensitive to icing after the engine is shut down. This ensures that the water injection device is ready for operation the next time the internal combustion engine is switched on.
Ferner bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den zweiten Wasserinjektor zu öffnen, wenn der erste Wasserinjektor geschlossen ist. Dadurch wird die gesamte Ansaugkraft des Förderelements zum Rücksaugen des Wassers aus jedem Wasserinjektor genutzt. Further preferably, the control unit is configured to open the second water injector when the first water injector is closed. As a result, the entire suction force of the conveying element is used for sucking back the water from each water injector.
Insbesondere ist die Steuereinheit eingerichtet, den zweiten Wasserinjektor nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit nach dem Schließen des ersten Wasserinjektors zu öffnen. Somit wird Unterdruck im zweiten Wasserinjektor aufgebaut. In vorteilhafter Weise ist die vorbestimmte Zeit weniger als eine Sekunde. In particular, the control unit is set up to open the second water injector after a predetermined time has elapsed after closing the first water injector. Thus, negative pressure is built up in the second water injector. Advantageously, the predetermined time is less than one second.
Nach einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit eingerichtet, die Wasserinjektoren nacheinander und in überlappender Weise zu öffnen. So kann z.B. der zweite Wasserinjektor geöffnet werden, kurz bevor der erste Wasserinjektor geschlossen wird. Dabei gibt es einen zeitlichen Überlappungsbereich, während dessen beide Wasserinjektoren geöffnet sind. Dadurch kann das Rücksaugen des Wassers aus den Wasserinjektoren schneller realisiert werden. According to an alternative preferred embodiment of the invention, the control unit is set up to open the water injectors in succession and in an overlapping manner. Thus, e.g. the second water injector are opened just before the first water injector is closed. There is a temporal overlap area during which both water injectors are open. As a result, the suck back of the water from the water injectors can be realized faster.
Es kann ferner von Vorteil sein, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor für eine erste Ansteuerzeit und den zweiten Wasserinjektor für eine zweite Ansteuerzeit zu öffnen, wobei die erste Ansteuerzeit und die zweite Ansteuerzeit gleich sind. Somit wird die Steuerung der Wasserinjektoren erleichtert. It may also be advantageous if the control unit is set up to open the first water injector for a first activation time and the second water injector for a second activation time, the first activation time and the second activation time being equal. Thus, the control of the water injectors is facilitated.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Wasserinjektoren vollständig zu entleeren. Dadurch wird eine Beschädigung der Wasserinjektoren durch ein Gefrieren vermieden, insbesondere nachdem die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist. Particularly preferably, the control unit is set up to completely empty the water injectors. As a result, damage to the water injectors is avoided by freezing, especially after the internal combustion engine is switched off.
Ferner bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Wasserinjektoren so zu öffnen, dass mindestens 10% eines jeweils in den Wasserinjektoren befindlichen Wasservolumens angesaugt wird. Da sich Wasser beim Gefrieren um ca. 9% ausdehnt, kann somit sichergestellt, dass keine Beschädigung der Wasserinjektoren geschieht, auch wenn die Wasserinjektoren nicht eisdruckfest ausgelegt sind. Further preferably, the control unit is set up to open the water injectors so that at least 10% of each located in the water injectors water volume is sucked. As water freezes by approx. 9%, it can be ensured that no damage to the water injectors occurs, even if the water injectors are not designed to withstand ice pressure.
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, dient das in Reihenfolge stattfindende Rücksaugen des Wassers aus den Wasserinjektoren dazu, dass eine ausfallsichere und optimale Funktionsweise der Brennkraftmaschine bei dem nächsten Einschalten erzielt ist. Da durch die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung eine Vereisung von wasserführenden Komponenten vermieden wird, kann sichergestellt werden, dass bei der nächsten verbrennungsrelevanten Wassereinspritzung die erforderte Wassermenge eingespritzt wird. 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, the successive sucking back of the water from the water injectors serves to ensure a fail-safe and optimal operation of the internal combustion engine is achieved at the next power. Since icing of water-conducting components is avoided by the water injection device according to the invention, it can be ensured that the required amount of water is injected at the next combustion-relevant water injection.
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.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieben einer Wassereinspritzvorrichtung mit mindestens zwei Wasserinjektoren einer Brennkraftmaschine, wobei die Wasserinjektoren nacheinander geöffnet werden, und das Förderelement in den Wasserinjektoren befindliches Wasser zu einem Wassertank der Wassereinspritzvorrichtung zuführt. A further aspect of the present invention relates to a method for operating a water injection device with at least two water injectors of an internal combustion engine, wherein the water injectors are opened one after the other, and the conveying element feeds water located in the water injectors to a water tank of the water injection device.
Zum Fördern des Wassers zum Wassertank ändert vorzugsweise das Förderelement die Betriebsrichtung. Insbesondere wenn das Förderelement als Pumpe ausgebildet ist, ist die Pumpe eingerichtet, die Drehrichtung zu ändern. For conveying the water to the water tank, the conveying element preferably changes the operating direction. In particular, when the conveying element is designed as a pump, the pump is set to change the direction of rotation.
Vorzugsweise werden die Wasserinjektoren nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine, insbesondere nach jedem Abstellen der Brennkraftmaschine, geöffnet. The water injectors are preferably opened after switching off the internal combustion engine, in particular after each shutdown of the internal combustion engine.
Weiter bevorzugt wird der zweite Wasserinjektor geöffnet, wenn der erste Wasserinjektor geschlossen ist. More preferably, the second water injector is opened when the first water injector is closed.
Insbesondere wird der zweite Wasserinjektor nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit nach dem Schließen des ersten Wasserinjektors geöffnet. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Zeit kleiner als eine Sekunde. In particular, the second water injector is opened after a predetermined time has elapsed after the closing of the first water injector. Preferably, the predetermined time is less than one second.
Alternativ wird zuerst der erste Wasserinjektor geöffnet und nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit der zweite Wasserinjektor geöffnet, wenn der erste Wasserinjektor noch offen ist. Dann wird zuerst der erste Wasserinjektor geschlossen und Wasser aus dem zweiten Wasserinjektor weitergesaugt. Anschließend wird der zweite Wasserinjektor ebenfalls geschlossen. Alternatively, first the first water injector is opened and after a predetermined time the second water injector is opened when the first water injector is still open. Then first the first water injector is closed and water is sucked out of the second water injector. Subsequently, the second water injector is also closed.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
Ausführungsform der Erfindung Embodiment of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
In
Am Einlasskanal
In
In
Dafür wird bevorzugt ein Kondensat eines nicht gezeigten Verdampfers einer Klimaanlage verwendet, wozu die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung
Alternativ oder zusätzlich zum Kondensat kann deionisiertes Wasser über eine Nachfüllleitung
Wird nun über die Steuereinheit
Wenn allerdings die Wassereinspritzvorrichtung
Um eine solche Vereisung zu vermeiden, wird das Wasser, welches sich in den Wasserinjektoren
Nachdem Unterdruck in der Förderleitung
Beim Öffnen der Wasserinjektoren
Insbesondere wird der erste Wasserinjektor
Nachdem eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, wird der zweite Wasserinjektor
In anderen Worten wird vorzugsweise jeder Wasserinjektor
Um eine gleichmäßige Entleerung aller Wasserinjektoren
Das Absaugen des Wassers des ersten Wasserinjektors
Es sei angemerkt, dass die Reihenfolge, in welcher die Wasserinjektoren
Durch die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung
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