DE102017200045A1

DE102017200045A1 - Wassereinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102017200045A1
Application number: DE102017200045.7A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Burak; Peter Schenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2018-07-05
Also published as: WO2018127316A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, die einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement (3) zur Förderung von Wasser, und mindestens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser umfasst, welcher mit dem Förderelement (3) verbunden ist. Das Förderelement (3) ist in einer ersten Betriebsrichtung (B1) betreibbar, um Wasser zum Wasserinjektor (6) zu fördern, und in einer zweiten Betriebsrichtung (B2) betreibbar, um Wasser aus dem Wasserinjektor (6) zum Wassertank (5) zu fördern. Das Förderelement (3) umfasst eine rotierende Verdrängerpumpe. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, die eine solche Wassereinspritzvorrichtung umfasst, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wassereinspritzvorrichtung.

Description

Stand der Technik
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.
Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal hinsichtlich des Verbrauchs 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.
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, könnten beispielsweise Frostschutzkomponenten dem Wasser des Wassereinspritzsystems zugesetzt werden. Diese Komponenten beeinflussen jedoch das Brennverhalten der Brennkraftmaschine und erfordern zusätzliche Betriebsstoffe.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Beschädigung der wasserführenden Bauteile der Wassereinspritzvorrichtung, insbesondere der Wasserinjektoren, durch Vereisung vermieden werden kann, ohne dass die Bauteile eisdruckfest ausgelegt sind. Dabei sind weder zusätzliche Bauteile noch die kombinierte Verwendung einer Frostschutzkomponente und eines Betriebsstoffs erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, welche einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement zur Förderung von Wasser, und mindestens einen Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser umfasst, welcher mit dem Förderelement verbunden ist. Das Förderelement ist in einer ersten Betriebsrichtung betreibbar, um Wasser zum Wasserinjektor zu fördern. Ferner ist das Förderelement in einer zweiten Betriebsrichtung betreibbar, um Wasser aus dem Wasserinjektor und/oder anderen wasserführenden Komponenten zum Wassertank zu fördern. Das Förderelement umfasst vorzugsweise eine rotierende Verdrängerpumpe. Dabei entsprechen die erste Betriebsrichtung des Förderelements einer ersten Drehrichtung der rotierenden Verdrängerpumpe und die zweite Betriebsrichtung des Förderelements einer zweiten Drehrichtung der rotierenden Verdrängerpumpe. Bei Einsatz einer rotierenden Verdrängerpumpe kann durch die einfache Umkehrung der Drehrichtung die Wasserförderrichtung geändert werden, d.h., es sind kein zweites Förderelement bzw. keine zweite Pumpe und/oder ein Umschaltventil notwendig. Somit kann mindestens eine Teilmenge von Wasser aus dem Wasserinjektor und/oder den anderen wasserführenden Komponenten der Wassereinspritzvorrichtung entfernt werden, so dass auch bei einer Vereisung der Wasserinjektor und/oder die anderen wasserführenden Komponenten nicht beschädigt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist die Verdrängerpumpe als Zahnradpumpe ausgebildet. Eine Zahnradpumpe bietet den Vorteil einer gleichmäßigen Förderung des zu pumpenden Mediums. Alternativ kann die Verdrängerpumpe als Vielzellenpumpe, „Gerotor“-Pumpe, Innenzahnradpumpe, Schraubenpumpe, Roots-Gebläse, Kreiskolbenpumpe, Scrollpumpe, Sperrflügelpumpe, Sperrschieberpumpe, oder Flüssigkeitsringpumpe ausgebildet sein. Eine beliebige Kombination aus diesen Pumpenarten ist im Rahmen der Erfindung auch möglich.
Ferner bevorzugt ist die Verdrängerpumpe im Wassertank oder außerhalb des Wassertanks angeordnet. Durch eine Positionierung der Verdrängerpumpe im Wassertank wird eine raumsparende Anordnung erzielt. Wenn die Verdrängerpumpe außerhalb des Wassertanks angeordnet ist, ist ein leichter Zugang auf die Verdrängerpumpe, zum Beispiel für Wartungsarbeiten, möglich. Außerdem ist das Vorsehen der Verdrängerpumpe außerhalb des Wassertanks schonend für die Verdrängerpumpe im Falle einer Vereisung im Wassertank, wobei auch eine eisdruckfeste Ausgestaltung der Verdrängerpumpe nicht benötigt wird.
Die Verdrängerpumpe ist ferner bevorzugt eingerichtet, Luft anzusaugen. Die Verdrängerpumpe ist vorteilhafterweise selbstansaugend. So kann die Verdrängerpumpe ohne weitere Bedenken außerhalb des Wassertanks angeordnet sein. Die Verdrängerpumpe kann auch bei einer mit Wasser nicht oder nur teilweise befüllten Wassereinspritzvorrichtung angelaufen werden.
Des Weiteren ist die Verdrängerpumpe bevorzugt derart ausgebildet, dass die Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung leersaugbar ist. Somit kann auch das in der Verdrängerpumpe selbst befindliche Wasser aus der Verdrängerpumpe entfernt werden, wodurch die Verdrängerpumpe vor einer Vereisung geschützt wird. So kann eine Beschädigung der Verdrängerpumpe bei niedrigen Temperaturen, z.B. kleiner als 0 °C bei Umgebungsbedingungen, vermieden werden.
Weiterhin bevorzugt ist die Verdrängerpumpe derart ausgebildet, dass die Verdrängerpumpe befüllt einfrierbar ist. Dies bedeutet, dass die Verdrängerpumpe derart ausgestaltet ist, dass ihre Beschaffenheit nach einer Einfrierung nicht beeinträchtigt wird. Dabei sind vorzugsweise die Materialeigenschaften der Verdrängerpumpe, insbesondere die Elastizitätsmodul, die Festigkeit und die Streckgrenze, so gewählt, dass die Verdrängerpumpe die Volumenausdehnung des Wassers und/oder den Eisdruck bei einer Vereisung aushält.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die eine zuvor beschriebene Wassereinspritzvorrichtung umfasst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Wassereinspritzvorrichtung einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement zur Förderung von Wasser, und mindestens einen Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser umfasst, welcher mit dem Förderelement verbunden ist, wobei das Förderelement in einer ersten Betriebsrichtung betreibbar ist, um Wasser zum Wasserinjektor zu fördern. Das Verfahren umfasst den Schritt des Betreibens des Förderelements in einer zweiten Betriebsrichtung, um Wasser aus dem Wasserinjektor zum Wassertank zu fördern, wobei das Förderelement eine rotierende Verdrängerpumpe umfasst. Die mit Bezug auf die schon beschriebene Wassereinspritzvorrichtung erwähnten Vorteile sind auch hier gegeben.
Das Betreiben der Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung erfolgt vorzugsweise nach Abstellen der Brennkraftmaschine. Dies ist besonders vorteilhaft, weil nach Abstellen der Brennkraftmaschine keine (verbrennungsrelevante) Wassereinspritzung stattfindet, wodurch anderenfalls das Wasser in der Wassereinspritzung stehen bleiben würde. Dies könnte bei niedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers eine Beschädigung der Bauteile der Wassereinspritzvorrichtung, insbesondere des Wasserinjektors, aufgrund einer Vereisung hervorrufen.
In der zweiten Betriebsrichtung wird bevorzugt die Verdrängerpumpe vom Wasser leergesaugt, wobei die Verdrängerpumpe eingerichtet ist, Luft anzusaugen.
In der ersten Betriebsrichtung saugt vorteilhafterweise die entleerte Verdrängerpumpe zunächst Luft an, wonach die Verdrängerpumpe mit Wasser befüllt wird. Somit erfolgt eine Befüllung der Wassereinspritzvorrichtung, auch wenn sich Luft in der Wassereinspritzvorrichtung befindet. Ferner kann sichergestellt werden, dass die in der Wassereinspritzvorrichtung befindliche Luft bei der Befüllung der Wassereinspritzvorrichtung entfernt wird. Dadurch können potentielle Kavitationen in den Bauteilen der Wassereinspritzvorrichtung eliminiert werden.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Wassereinspritzvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus, und
3 eine vereinfachte schematische Ansicht der Wassereinspritzvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Betriebsmodus.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Wassereinspritzvorrichtung 1 einer Brennkraftmaschine 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung 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, sowie ein Teil der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung 1. 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 Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu ist am Abgaskanal 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 den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Wasserinjektoren 6 pro Zylinder vorgesehen, was zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge führt. Alternativ kann ein Wasserinjektor pro Zylinder angeordnet sein.
In 2 ist die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung 1 im Detail gezeigt. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst ein als rotierende Verdrängerpumpe ausgebildetes Förderelement 3 und einen elektrischen Antrieb 4 zum Antreiben des Förderelements 3.
Des Weiteren ist ein Wassertank 5 vorgesehen, welcher durch eine erste Leitung 7 mit der 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. Die Anzahl der Wasserinjektoren kann je nach Design der Brennkraftmaschine und Anforderungen der Verbrennung variieren.
Die rotierende Verdrängerpumpe ist in einer ersten Betriebsrichtung B1 betreibbar, um Wasser in einer ersten Förderrichtung X1 zu den Wasserinjektoren 6 zu fördern. Ferner ist die rotierende Verdrängerpumpe in einer zweiten Betriebsrichtung B2 betreibbar, um Wasser in einer zweiten Förderrichtung aus den Wasserinjektoren zum Wassertank 5 zu fördern. Somit kann mindestens eine Teilmenge von Wasser aus den Wasserinjektoren und/oder aus der zweiten Leitung 8 entfernt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Beschädigung der Wasserinjektoren und/oder der zweiten Leitung 8 durch Vereisung vermieden werden kann.
Die rotierende Verdrängerpumpe ist besonders bevorzugt als Zahnradpumpe ausgebildet. Andere Typen von rotierenden Verdrängerpumpen sind im Rahmen der Erfindung allerdings auch vorstellbar.
Die rotierende Verdrängerpumpe ist in diesem Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise außerhalb des Wassertanks 5 angeordnet.
Zudem ist vorzugsweise die rotierende Verdrängerpumpe eingerichtet, Luft anzusaugen bzw. ist die rotierende Verdrängerpumpe selbstansaugend.
Die Verdrängerpumpe ist ferner bevorzugt derart ausgebildet ist, dass die Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung B2 leersaugbar ist.
In 2 ist die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung 1 in einem ersten Betriebsmodus bzw. im normalen Betrieb dargestellt. Als normaler Betrieb ist der Betrieb zu verstehen, bei welchem Wasser vom Wassertank 5 in der ersten Förderrichtung X1 zu den Wasserinjektoren 6 gefördert wird, so dass das Wasser in die Einlasskanäle 22 der Brennkraftmaschine 2 eingespritzt wird. Wie schon erwähnt, entspricht dabei die erste Förderrichtung X1 der ersten Betriebsrichtung B1 des Förderelements 3.
Wird nun über die Steuereinheit 10, welche bevorzugt als die Steuereinheit der Brennkraftmaschine 2 ausgebildet ist, eine Wassereinspritzung unter normalen Umgebungstemperaturen angefordert, so wird mittels des Förderelements 3 Wasser aus dem Wassertank 5 angesaugt. Die rotierende Verdrängerpumpe wird dazu in der ersten Betriebsrichtung B1 betrieben bzw. in der ersten Drehrichtung gedreht. Der Vollständigkeit halber ist in 2 auch die zweite Betriebsrichtung B2 der Verdrängerpumpe mit gestrichelter Linie dargestellt.
Wenn allerdings die Wassereinspritzvorrichtung 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Wassers beim Fahren oder Abstellen der Brennkraftmaschine deaktiviert ist, kann es aufgrund des in der Wassereinspritzvorrichtung 1 stehenden Wassers zu einer Vereisung von wasserführenden Komponenten und insbesondere der Wasserinjektoren 6 führen.
Um eine solche Vereisung zu vermeiden, wird das Wasser, welches sich in den Wasserinjektoren 6 befindet, insbesondere im Abstellfall der Brennkraftmaschine 2, aus den Wasserinjektoren 6 abgesaugt (3). Dazu wird der Antrieb 4 des Förderelements 3 über die Steuereinheit 10 gesteuert, die Betriebsrichtung des Förderelements 3 zu ändern, so dass das Wasser in einer zweiten Förderrichtung X2 durch die zweite Leitung 8 und die erste Leitung 7 zum Wassertank 5 zugeführt wird. Dabei wird die rotierende Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung B2 betrieben bzw. in der zweiten Drehrichtung gedreht. Die Wassereinspritzvorrichtung wird hierbei in einem zweiten Betriebsmodus betrieben.
Analog zur 2 ist der Vollständigkeit halber in 3 die erste Betriebsrichtung B1 mit gestrichelter Linie eingezeichnet.
In der zweiten Betriebsrichtung B2 wird vorzugsweise die Verdrängerpumpe selbst vom Wasser leergesaugt, wobei die Verdrängerpumpe die in der, vom Wasser entleerten, zweiten Leitung 8 befindliche Luft ansaugt.
Bei einem späteren Befüllen der Wassereinspritzvorrichtung 1 wird die Verdrängerpumpe wieder in der ersten Betriebsrichtung B1 betrieben, wobei die Verdrängerpumpe zunächst die in der, vom Wasser entleerten, ersten Leitung 7 befindliche Luft ansaugt.
Durch die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung 1 werden die Wasserinjektoren 6 vor einem Gefrieren, insbesondere im Abstellfall der Brennkraftmaschine 2, geschützt. Eine ausfallsichere Funktionsweise der Wassereinspritzvorrichtung 1 und damit der Brennkraftmaschine 2 wird hierdurch sichergestellt. Ferner kann durch die Benutzung der rotierenden Verdrängerpumpe der vorliegenden Erfindung auf weitere Bauteile, wie etwa eine zusätzliche Pumpe, verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/080266 A1 [0002]

Claims

Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend: - einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser; - ein Förderelement (3) zur Förderung von Wasser; - mindestens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Förderelement (3) verbunden ist; - wobei das Förderelement (3) in einer ersten Betriebsrichtung (B1) betreibbar ist, um Wasser zum Wasserinjektor (6) zu fördern, und in einer zweiten Betriebsrichtung (B2) betreibbar ist, um Wasser aus dem Wasserinjektor (6) zum Wassertank (5) zu fördern, - wobei das Förderelement (3) eine rotierende Verdrängerpumpe umfasst.
Wassereinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe als Zahnradpumpe ausgebildet ist.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe im Wassertank (5) oder außerhalb des Wassertanks (5) angeordnet ist.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eingerichtet ist, Luft anzusaugen.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe derart ausgebildet ist, dass die Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung (B2) leersaugbar ist.
Brennkraftmaschine, umfassend eine Wassereinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Betreiben einer Wassereinspritzvorrichtung (1) einer Brennkraftmaschine (2), wobei die Wassereinspritzvorrichtung (2) einen Wassertank (5) zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement (3) zur Förderung von Wasser, und mindestens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen von Wasser umfasst, welcher mit dem Förderelement (3) verbunden ist, wobei das Förderelement (3) in einer ersten Betriebsrichtung (B1) betreibbar ist, um Wasser zum Wasserinjektor (6) zu fördern, wobei das Verfahren umfasst: - Betreiben des Förderelements (3) in einer zweiten Betriebsrichtung (B2) um Wasser aus dem Wasserinjektor (6) zum Wassertank (5) zu fördern, wobei das Förderelement (3) eine rotierende Verdrängerpumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betreiben der Verdrängerpumpe in der zweiten Betriebsrichtung (B2) nach Abstellen der Brennkraftmaschine (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsrichtung (B2) die Verdrängerpumpe vom Wasser leergesaugt wird, wobei die Verdrängerpumpe eingerichtet ist, Luft anzusaugen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsrichtung (B1) die entleerte Verdrängerpumpe zunächst Luft ansaugt und dann mit Wasser befüllt wird.