DE102016200237A1

DE102016200237A1 - Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016200237A1
Application number: DE102016200237.6A
Authority: DE
Inventors: Krystian Dylong; Oliver Berkemeier; Bernd Steiner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-13
Anticipated expiration: 2036-01-13
Also published as: US10458365B2; US20170198661A1; DE102016200237B4; CN106958500A

Abstract

Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und mit mindestens einem Zylinderkopf (8) umfassend mindestens einen Zylinder (8a), bei der jedem Zylinder (8a) eine Einspritzdüse (1) zugeordnet ist, die – mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist, – in einem als Aufnahme dienenden Düsenhalter fixiert ist, und – mit einer in Richtung einer Längsachse (1a) in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens ein Düsenloch zwecks Einbringens von Kraftstoff freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkolben (2) vorgesehen ist, der – auf der Einspritzdüse (1) beweglich gelagert ist, – entlang der Längsachse (1a) der Einspritzdüse (1) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition translatorisch verschiebbar ist, und – mindestens eine Fluidverbindung (3) in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Wasser in den zugehörigen Zylinder (8a) freigibt, wobei der Steuerkolben (2) die mindestens eine Fluidverbindung (3) in der Arbeitsposition mit einer Kammer (4) verbindet, die als Bestandteil eines Wasserversorgungssystems via Versorgungsleitung (5) mit einem Wasserspeicher, der dem Bevorraten von Wasser dient, zumindest verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die

– mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist,
– in einem als Aufnahme dienenden Düsenhalter fixiert ist, und
– mit einer in Richtung einer Längsachse in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens ein Düsenloch zwecks Einbringens von Kraftstoff freigibt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren, insbesondere die Stickoxidemissionen.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, der mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Infolge der Drosselverluste hat die Quantitätsregelung insbesondere im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des mindestens einen Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung wie beim Dieselmotor zum Einsatz kommt.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann.
Bei der Verringerung der Stickoxidemissionen einer Brennkraftmaschine sind zwei grundsätzlich verschiedene Lösungsansätze voneinander zu unterscheiden.
Gemäß einem ersten Lösungsansatz wird versucht, den Verbrennungsprozess in der Weise zu beeinflussen, dass schon bei der Verbrennung des Kraftstoffes möglichst wenige Stickoxide entstehen, d. h. gebildet werden.
Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, sind unter anderem Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen bei der Reduzierung der Stickoxidemissionen zielführend, sogenannte Niedertemperaturverbrennverfahren (LTC – Low Temperature Combustion).
Niedrige Verbrennungstemperaturen können dadurch realisiert werden, dass der Zündverzug vergrößert und die Brenngeschwindigkeit verringert wird. Beides lässt sich durch die Beimischung von Verbrennungsgasen zur Zylinderfrischladung bzw. die Erhöhung des Abgasbestandteils an der Zylinderfrischladung erreichen, weshalb die Abgasrückführung (AGR) als eine geeignete Maßnahme zur Absenkung der Verbrennungstemperatur angesehen wird und zwar sowohl die externe Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, als auch die interne Abgasrückführung, d. h. das Zurückbehalten von Abgasen im Zylinder während des Ladungswechsels. Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden.
Um eine deutliche bzw. ausreichende Reduzierung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können. Daher wird das heiße Abgas vorzugsweise im Rahmen der Rückführung gekühlt. Die Kühlung des rückgeführten Abgases erleichtert bzw. ermöglicht die Realisierung hoher Rückführraten. Die Absenkung der Temperatur des Abgases im Rahmen der Kühlung führt zu einer Zunahme der Dichte und einem geringeren Abgasvolumen bei gleicher Abgasmasse. Zudem unterstützt die Kühlung des rückgeführten Abgases die Absenkung der Verbrennungstemperatur, da hierdurch auch die Temperatur der gesamten Zylinderfrischladung abgesenkt wird. Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Abgasrückführung ergibt sich dennoch ein Konflikt, da das rückgeführte Abgas regelmäßig stromaufwärts der Turbine aus der Abgasabführsystem entnommen wird und dann zum Antrieb der Turbine des Abgasturboladers nicht mehr zur Verfügung steht, weshalb die Drehmomentcharakteristik leidet.
Infolge der vorstehend beschriebenen Maßnahmen sinken nicht nur die Stickoxidemissionen, sondern auch die Rußemissionen.
Ein anderes Konzept, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu realisieren, um die Stickoxidemissionen zu reduzieren, betrifft die Wassereinspritzung, bei der neben dem Kraftstoff zusätzlich Wasser in den Zylinder eingebracht wird.
Das in den befeuerten Zylinder eingebrachte Wasser wird – wie der Kraftstoff – erwärmt und verdampft, so dass die Temperatur der Gasmischung im Zylinder sinkt, insbesondere aufgrund der Verdampfungsenthalpie. Zudem vergrößert sich durch die Verdampfung das Volumen des Wassers erheblich, wodurch der Druck im Zylinder ansteigt. Letzteres vergrößert die vom Zylinder an die Kurbelwelle abgegebene Arbeit bzw. erhöht die Leistung.
Im Gegensatz dazu weisen herkömmliche Niedertemperaturverfahren infolge des Brennverlaufs eher thermodynamische Nachteile auf, weshalb der Wirkungsgrad niedriger ist als bei einem Brennverfahren, das ohne Rücksicht auf die emittierten Schadstoffe ausschließlich hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, d. h. hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert ist.
Die DE 199 55 344 B4 beschreibt eine Baugruppe zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, mit der zusätzlich Wasser in den Zylinder eingebracht werden kann. Eine Membran bildet ein Rückschlagventil, welches ein Überströmen von Wasser in den Zylinder via Spritzlöchern bei Überschreiten eines bestimmten Systemdrucks zulässt, jedoch kein Rückströmen. Die vorgespannte Membran lässt aber einen reproduzierbaren Einspritzvorgang von Wasser mit einer definierten Öffnungsdauer, die von einer Öffnungszeit und einer Schließzeit determiniert wird, nicht zu. Zudem stellt die Dauerhaltbarkeit der Membran ein Problem dar.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschinen sind aber grundsätzlich sehr empfindlich gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere in Bezug auf die eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. Wassermenge. Für die Einspritzung des Kraftstoffes und Wassers, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Aufbereitung des Kraftstoffes und Wassers durch Verdampfung und die Durchmischung von Luft, Kraftstoffdampf und Wasserdampf, sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung. Auch aus diesem Grund ist eine sehr präzise Dosierung, d. h. Bemessung der eingebrachten Wassermenge zwingend erforderlich. Ungewollte Abweichungen bei der eingespritzten Wassermenge können den Betrieb der Brennkraftmaschine nachteilig beeinflussen und sogar zu erhöhten Schadstoffemissionen führen. Zudem können Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine, Fehlzündungen und Zündaussetzer auftreten.
Ein zweiter Lösungsansatz zur Verringerung der Stickoxidemissionen besteht in einer Nachbehandlung des während der Verbrennung entstandenen Abgases und der darin enthaltenen Schadstoffe. Nach dem Stand der Technik können Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet werden. Auch die Abgasnachbehandlung ist mit Nachteilen verbunden.
Zum einen ist die Nachbehandlung von Abgasen kostenintensiv, insbesondere aufgrund der erforderlichen Beschichtung der Katalysatoren mit Edelmetallen, wobei für verschiedene Schadstoffe regelmäßig unterschiedliche Nachbehandlungssysteme vorzusehen sind, was auch zu Packaging-Problemen führen kann.
Zum anderen ist der Betrieb der Abgasnachbehandlungssysteme als solcher mit Nachteilen verbunden, beispielsweise dem Einsatz von Kraftstoff zur Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit der Abgasnachbehandlungssysteme.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine, die gekennzeichnet ist durch hohe Zylinderdrücke und hohe Abgastemperaturen.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Hubraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich das Lastkollektiv bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Vor dem Hintergrund des vorstehend Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Wassereinspritzung verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die

– mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist,
– in einem als Aufnahme dienenden Düsenhalter fixiert ist, und
– mit einer in Richtung einer Längsachse in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens ein Düsenloch zwecks Einbringen von Kraftstoff freigibt,

– auf der Einspritzdüse beweglich gelagert ist,
– entlang der Längsachse der Einspritzdüse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition translatorisch verschiebbar ist, und
– mindestens eine Fluidverbindung in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Wasser in den zugehörigen Zylinder freigibt, wobei der Steuerkolben die mindestens eine Fluidverbindung in der Arbeitsposition mit einer Kammer verbindet, die als Bestandteil eines Wasserversorgungssystems via Versorgungsleitung mit einem Wasserspeicher, der dem Bevorraten von Wasser dient, zumindest verbindbar ist.

Jede Einspritzdüse eines Zylinders der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einem Steuerkolben ausgestattet, der eine definierte Wassereinspritzung ermöglicht bzw. sicherstellt. Zudem erweist sich der Steuerkolben hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit als unproblematisch.
Der Steuerkolben ist außen auf der Einspritzdüse beweglich gelagert und entlang der Längsachse der Einspritzdüse translatorisch verschiebbar. Während in der Ruheposition des Kolbens eine Fluidverbindung zum Zylinder verschlossen, d. h. versperrt bleibt, kann in einer Arbeitsposition Wasser via einer freigegebenen Fluidverbindung in den Zylinder eingebracht werden, wobei jede Position des Steuerkolbens mit Ausnahme der Ruheposition eine Arbeitsposition darstellt, die durch eine freigegebene passierbare Fluidverbindung gekennzeichnet ist. Die Fluidverbindung wird in jeder Arbeitsposition des Kolbens aus einer Kammer mit Wasser gespeist. Die Kammer ist Bestandteil eines Wasserversorgungssystems und ist selbst via Versorgungsleitung mit einem Wasserspeicher zumindest verbindbar.
Der Steuerkolben wird erfindungsgemäß von dem in der Kammer vorliegenden Druck sowie dem im Zylinder vorliegenden Druck, der via offener und versperrter Fluidverbindung auf den Kolben wirkt, kraftbeaufschlagt. Zusätzlich können Federmittel vorgesehen sein, die den Steuerkolben in Richtung Ruheposition, d. h. in Richtung Schließstellung, kraftbeaufschlagen. Sämtliche auf den Steuerkolben wirkenden Kräfte haben Einfluss auf die Betätigung, d. h. auf das Verschieben des Kolbens, so dass unter Nutzung des Zylinderdrucks und/oder mittels Steuerung des Wasserdrucks ein kontrolliertes Verschieben des Steuerkolbens möglich ist. Damit können die Öffnungszeit und die Schließzeit festgelegt und somit eine definierte Öffnungsdauer eingestellt werden. Die Öffnungsdauer und die vorliegenden Drücke bestimmen zusammen mit der bereitgestellten Fluidverbindung im Wesentlichen die in den Zylinder eingebrachte Wassermenge.
Das erfindungsgemäße Konzept zur Wassereinspritzung zeichnet sich auch dadurch aus, dass es sich zur Nachrüstung von bereits auf dem Markt befindlichen Einspritzdüsen bzw. herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen eignet. Denn zumindest das Innenleben betreffend bedarf die Einspritzdüse selbst keiner Modifikation. Lediglich das räumliche Umfeld, in welchem die Einspritzdüse positioniert wird und zum Einsatz kommt, muss gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept zur Wassereinspritzung angepasst werden. In diesem Zusammenhang ergeben sich auch Kostenvorteile, insbesondere gegenüber Konzepten, bei denen die Einspritzdüse zwecks Wassereinspritzung mit zusätzlichen Kanälen und dergleichen ausgestattet werden muss.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen betreffend die Wassereinspritzung eignen sich besonders für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Absenkung der Prozesstemperaturen ist folglich besonders vorteilhaft.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich der Wassereinspritzung verbessert ist.
Die gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich der Emission von Schadstoffen werden zunehmend restriktiver. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können auch zukünftige Grenzwerte für Schadstoffe eingehalten werden, indem nämlich die Brennkraftmaschine mit einer zusätzlichen Wassereinspritzung betrieben wird und das dabei generierte schadstoffarme Abgas anschließend umfänglich nachbehandelt wird, wodurch die Schadstoffkonzentrationen im Abgas nochmals reduziert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist. Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Einspritzdüse mit Federmitteln ausgestattet ist, die den zugehörigen Steuerkolben in Richtung Ruheposition, d. h. in Richtung Schließstellung, kraftbeaufschlagen. Die Federmittel stellen die Rückstellkräfte für den Steuerkolben bereit und sorgen dafür, dass kein Wasser ungewollt aus der Kammer austritt und in den Zylinder eingebracht wird. Vorzugsweise werden die Federmittel in Gestalt einer druckbelastbaren Feder bereitgestellt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Federmittel mindestens eine Schraubenfeder umfassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Steuerkolben über einen buchsenartigen Schaft verfügt, der auf der Einspritzdüse translatorisch verschiebbar gelagert ist und an dessen vom Zylinder abgewandten einen Ende ein tellerartiges Element angeordnet ist. Der buchsenartige Schaft bildet die Lagerung und Führung des Steuerkolbens auf der Einspritzdüse. Das tellerartige Element kann als Auflager bzw. Gegenlager für die Federmittel dienen und/oder zur Ausbildung der zugehörigen Kammer.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Schaft und das tellerartige Element jedes Steuerkolbens die zugehörige Kammer mit begrenzen.
Bei direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen jede Einspritzdüse mit Federmitteln ausgestattet ist, die den zugehörigen Steuerkolben in Richtung Ruheposition kraftbeaufschlagen, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Federmittel auf der vom Zylinder abgewandten Seite des tellerartigen Elements angeordnet sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Federmittel sich an dem tellerartigen Element abstützen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Federmittel sich an der Einspritzdüse abstützen. Dann sind die Federmittel im Einzelfall zwischen dem Gehäuse bzw. der Düsennadelführung der Einspritzdüse und dem tellerartigen Element angeordnet bzw. eingespannt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Entlüftungsleitung auf der vom Zylinder abgewandten Seite des tellerartigen Elements vorgesehen ist. Auf der der Kammer gegenüberliegenden Seite des tellerartigen Elements ist eine zweite Kammer bzw. ein Hohlraum angeordnet, welcher im Einzelfall die Federmittel aufnimmt und von dem aus eine Entlüftungsleitung abzweigen kann. Diese konstruktive Maßnahme trägt dem Umstand Rechnung, dass der bewegliche Steuerkolben die Kammer nicht vollständig, d. h. nicht leckagefrei abdichten kann, so dass sich die Aufgabe stellt, den Hohlraum, welcher auf der der Kammer gegenüberliegenden Seite des tellerartigen Elements angeordnet ist, zu entlüften.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der buchsenartige Schaft an seinem dem Zylinder zugewandten anderen Ende eine keilförmige Wandung aufweist, welche die mindestens eine Fluidverbindung in der Ruheposition verschließt. In der Ruheposition greift die keilförmige Wandung in die mindestens eine Fluidverbindung ein und verschließt diese.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Fluidverbindung mindestens zwei separate Fluidkanäle umfasst.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Fluidverbindung fünf bis acht separate Fluidkanäle umfasst.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die mindestens eine Fluidverbindung – im Schnitt quer zur Längsachse der Einspritzdüse – als ringförmiger Kanal ausgebildet ist, der die Einspritzdüse vollumfänglich umgibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Düsenhalter der Einspritzdüse von dem mindestens einen Zylinderkopf zumindest mit ausgebildet wird. Wird der Düsenhalter integral mit dem Zylinderkopf ausgeführt bzw. zumindest in Teilen vom Zylinderkopf ausgebildet, ergeben sich zahlreiche Vorteile. Zum einen verringern sich die Anzahl an Bauteilen und damit die Kosten für die Bereitstellung und die Montage der Bauteile. Zum anderen wird eine kompakte Bauweise des Einspritzsystems mitsamt Steuerkolben bzw. Wassereinspritzung ermöglicht und damit den beengten Platzverhältnissen und dem geringen Raumangebot im Zylinderkopf Rechnung getragen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kammer von dem mindestens einen Zylinderkopf zumindest mit ausgebildet wird. Das zur vorherigen Ausführungsform Gesagte gilt in analoger Weise auch für die in Rede stehende Ausführungsform.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Öffnungsdauer der mindestens einen Fluidverbindung, die von einer Öffnungszeit und einer Schließzeit determiniert wird, und damit die in den Zylinder eingebrachte Wassermenge von einem im Zylinder vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Der im Zylinder vorliegende Druck wirkt via Fluidverbindung auf den Steuerkolben und zwar sowohl in der Ruheposition als auch in jeder Arbeitsposition, d. h. bei offener und geschlossener Fluidverbindung. Insofern eignet sich der Zylinderdruck weniger zum Öffnen der Fluidverbindung als vielmehr zum Schließen bzw. zum Unterstützen des Schließvorganges, denn mit auslaufender Verbrennung nimmt der Zylinderdruck ab und gleichzeitig entfällt der Bedarf für eingespritztes Wasser bzw. für die Wassereinspritzung.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Schließzeit von dem im Zylinder vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Vorteilhaft können nichtsdestotrotz auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Öffnungszeit von dem im Zylinder vorliegenden Druck mit bestimmt wird. Diese Verfahrensvariante bietet sich an, falls eine Wassereinspritzung nur bei hohen Lasten angestrebt wird, bei denen regelmäßig das Druckniveau im Zylinder steigt. Dann würde der Steuerkolben nur aus der Ruheposition verschoben und die Fluidverbindung nur freigegeben, wenn der Zylinderdruck ausreichend hoch ist, d. h. einen vorgebbaren Wert übersteigt.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Öffnungsdauer der mindestens einen Fluidverbindung von einem in der Kammer vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Schließzeit der mindestens einen Fluidverbindung von einem in der Kammer vorliegenden Druck mit bestimmt wird. Eine Verringerung des Wasserdrucks kann genutzt werden, um den Schließvorgang einzuleiten, d. h. die Fluidverbindung zu schließen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Öffnungszeit der mindestens einen Fluidverbindung von einem in der Kammer vorliegenden Druck mit bestimmt wird. Eine Erhöhung des Wasserdrucks kann genutzt werden, um den Öffnungsvorgang einzuleiten, d. h. die Fluidverbindung zu öffnen. Im Gegensatz zu dem Zylinderdruck lässt sich der Wasserdruck unmittelbar beeinflussen bzw. steuern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine und gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a fragmentarisch in einer schematischen Darstellung das Kraftstoffeinspritzsystem einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt der Wassereinspritzung und einem in der Ruheposition befindlichen Steuerkolben, und
1b fragmentarisch in einer schematischen Darstellung das Kraftstoffeinspritzsystem der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt der Wassereinspritzung und einem in einer Arbeitsposition befindlichen Steuerkolben.
1a zeigt fragmentarisch in einer schematischen Darstellung das Kraftstoffeinspritzsystem einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mitsamt der Wassereinspritzung und einem in der Ruheposition befindlichen Steuerkolben 2.
Dargestellt ist ein Ausschnitt eines Zylinderkopfes 8, der die Einspritzdüse 1 des Kraftstoffeinspritzsystems eines Zylinders 8a der Brennkraftmaschine aufnimmt. Jedem Zylinder 8a ist zwecks direkter Einspritzung von Kraftstoff eine Einspritzdüse 1 zugeordnet, die mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist und mit einer in Richtung ihrer Längsachse 1a in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, welche im Rahmen einer Einspritzung mindestens ein Düsenloch zwecks Einbringen von Kraftstoff freigibt. Vorliegend dient der Zylinderkopf 8 als Düsenhalter, d. h. zur Aufnahme der Einspritzdüse 1.
Zwecks Wassereinspritzung ist ein Steuerkolben 2 vorgesehen, der auf der Einspritzdüse 1 beweglich gelagert ist und entlang der Längsachse 1a der Einspritzdüse 1 zwischen einer Ruheposition (1a) und einer Arbeitsposition (1b) translatorisch verschiebbar ist.
Der Steuerkolben 2 verfügt über einen buchsenartigen Schaft 2a, der auf der Einspritzdüse 1 translatorisch verschiebbar gelagert ist und die Lagerung und Führung des Steuerkolbens 2 auf der Einspritzdüse 1 bildet. An dem vom Zylinder 8a abgewandten Ende des Steuerkolbens 2 ist ein tellerartiges Element 2b angeordnet, das als Auflager für vorgesehene Federmittel 6 dient, die den Steuerkolben 2 in Richtung Ruheposition, d. h. in Richtung Schließstellung, kraftbeaufschlagen. Eine als Federmittel 6 dienende Schraubenfeder 6a stützt sich an ihrem anderen Ende an der Einspritzdüse 1 ab, so dass die Schraubenfeder 6a zwischen dem Gehäuse der Einspritzdüse 1 und dem tellerartigen Element 2b eingespannt ist. Der Hohlraum, in dem die Federmittel 6 angeordnet sind, ist mit einer Entlüftungsleitung 7 ausgestattet.
Der Schaft 2a und das tellerartige Element 2b des Steuerkolbens 2 bilden eine Kammer 4 mit aus, die als Bestandteil eines Wasserversorgungssystems via Versorgungsleitung 5 mit einem Wasserspeicher, der dem Bevorraten von Wasser dient, zumindest verbindbar ist. Die Kammer 4 lässt sich durch Verschieben des Steuerkolbens 2 in eine Arbeitsposition via einer Fluidverbindung 3 mit dem Zylinder 8a verbinden, um Wasser in den Zylinder 8a einzubringen.
Der Steuerkolben 2 verschließt in der in 1a dargestellten Ruheposition diese Fluidverbindung 3, die als ringförmiger Kanal ausgebildet ist und die Einspritzdüse 1 vollumfänglich umgibt. Dabei greift der buchsenartige Schaft 2a des Steuerkolbens 2 an seinem dem Zylinder 8a zugewandten Ende mittels keilförmiger Wandung 2c in die Fluidverbindung 3 ein und verschließt diese Fluidverbindung 3.
1b zeigt fragmentarisch in einer schematischen Darstellung das Kraftstoffeinspritzsystem der ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mitsamt der Wassereinspritzung und einem in einer Arbeitsposition befindlichen Steuerkolben 2. Es soll nur ergänzend zu 1a ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der gezeigten Arbeitsposition gibt der Steuerkolben 2 die Fluidverbindung 3 zum Einbringen von Wasser in den zugehörigen Zylinder 8a frei, wozu der Steuerkolben 2 die Fluidverbindung 3 mit einer Kammer 4 verbindet.
Bezugszeichenliste

1: Einspritzdüse
1a: Längsachse der Einspritzdüse
2: Steuerkolben
2a: buchsenartiger Schaft
2b: tellerartiges Element
2c: keilförmige Wandung
3: Fluidverbindung
4: Kammer
5: Versorgungsleitung
6: Federmittel
6a: Schraubenfeder
7: Entlüftungsleitung
8: Zylinderkopf
8a: Zylinder
AGR: Abgasrückführung
λ: Luftverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19955344 B4 [0017]

Claims

Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und mit mindestens einem Zylinderkopf (8) umfassend mindestens einen Zylinder (8a), bei der jedem Zylinder (8a) eine Einspritzdüse (1) zugeordnet ist, die – mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist, – in einem als Aufnahme dienenden Düsenhalter fixiert ist, und – mit einer in Richtung einer Längsachse (1a) in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens ein Düsenloch zwecks Einbringen von Kraftstoff freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkolben (2) vorgesehen ist, der – auf der Einspritzdüse (1) beweglich gelagert ist, – entlang der Längsachse (1a) der Einspritzdüse (1) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition translatorisch verschiebbar ist, und – mindestens eine Fluidverbindung (3) in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Wasser in den zugehörigen Zylinder (8a) freigibt, wobei der Steuerkolben (2) die mindestens eine Fluidverbindung (3) in der Arbeitsposition mit einer Kammer (4) verbindet, die als Bestandteil eines Wasserversorgungssystems via Versorgungsleitung (5) mit einem Wasserspeicher, der dem Bevorraten von Wasser dient, zumindest verbindbar ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einspritzdüse (1) mit Federmitteln (6) ausgestattet ist, die den zugehörigen Steuerkolben (2) in Richtung Ruheposition kraftbeaufschlagen.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steuerkolben (2) über einen buchsenartigen Schaft (2a) verfügt, der auf der Einspritzdüse (1) translatorisch verschiebbar gelagert ist und an dessen vom Zylinder (8a) abgewandten einen Ende ein tellerartiges Element (2b) angeordnet ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (2a) und das tellerartige Element (2b) jedes Steuerkolbens (2) die zugehörige Kammer (4) mit begrenzen.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, bei der jede Einspritzdüse (1) mit Federmitteln (6) ausgestattet ist, die den zugehörigen Steuerkolben (2) in Richtung Ruheposition kraftbeaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (6) auf der vom Zylinder (8a) abgewandten Seite des tellerartigen Elements (2b) angeordnet sind.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (6) sich an dem tellerartigen Element (2b) abstützen.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (6) sich an der Einspritzdüse (1) abstützen.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlüftungsleitung (7) auf der vom Zylinder (8a) abgewandten Seite des tellerartigen Elements (2b) vorgesehen ist.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der buchsenartige Schaft (2a) an dem dem Zylinder (8a) zugewandten anderen Ende eine keilförmige Wandung (2c) aufweist, welche die mindestens eine Fluidverbindung (3) in der Ruheposition verschließt.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidverbindung (3) mindestens zwei separate Fluidkanäle umfasst.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidverbindung (3) fünf bis acht separate Fluidkanäle umfasst.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhalter der Einspritzdüse (1) von dem mindestens einen Zylinderkopf (8) zumindest mit ausgebildet wird.
Direkteinspritzende aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (4) von dem mindestens einen Zylinderkopf (8) zumindest mit ausgebildet wird.
Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsdauer der mindestens einen Fluidverbindung (3), die von einer Öffnungszeit und einer Schließzeit determiniert wird, und damit die in den Zylinder (8a) eingebrachte Wassermenge von einem im Zylinder (8a) vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit von dem im Zylinder (8a) vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsdauer der mindestens einen Fluidverbindung (3) von einem in der Kammer (4) vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit der mindestens einen Fluidverbindung (3) von einem in der Kammer (4) vorliegenden Druck mit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit der mindestens einen Fluidverbindung (3) von einem in der Kammer (4) vorliegenden Druck mit bestimmt wird.