DE102017203609A1 - Einrichtung zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine (2),
- mit zumindest einer Einspritzdüse (3), über welche Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (2) einspritzbar ist,
- mit einem Wassertank (4),
- mit einer den Wassertank (4) mit der zumindest einen Einspritzdüse (3) verbindenden Wasserleitung (5),
- mit einer Pumpe (6) zum Fördern des einzuspritzenden Wassers vom Wassertank (4) zu der zumindest einen Einspritzdüse (3).
Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Pumpe (6) als Peripheralradpumpe (6') ausgebildet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzdüse, über welche Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Einrichtung.
• Aus der DE 10 2014 222 463 A1 ist eine gattungsgemäße Einrichtung zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzdüse bekannt, über die Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Ebenfalls umfasst die Einrichtung einen Wassertank sowie eine den Wassertank mit der Einspritzdüse verbindende Wasserleitung, wobei im Bereich der Wasserleitung eine Pumpe zum Fördern des einzuspritzenden Wassers angeordnet ist.
• Aus der DE 295 18 798 U1 ist eine Wassereinspritzung für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei eine zur Verfügungstellung des erforderlichen Einspritzdrucks des Wassers vorhandene Pumpe direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben ist.
• Aus der DE 10 2013 206 102 A1 ist eine weitere Einrichtung zur Wassereinspritzung für Brennkraftmaschine bekannt. Diese weist erste Injektoren auf, die jeweils eine Flüssigkeit direkt in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine einspritzen sowie zweite Injektoren, die jeweils eine Flüssigkeit in ein Saugrohr vor der Brennkraftmaschine einspritzen. Darüber hinaus sind wenigstens ein zwischen einem Kraftstofftank und den ersten und zweiten Injektoren angeordnetes Kraftstoffzuleitungsventil und ein zwischen einem Wasservorratsbehälter und den ersten Injektoren angeordnetes Wasserzuleitungsventil vorgesehen. Die Ventile sind dabei derart schaltbar, dass die ersten Injektoren sowohl in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank als auch mit dem Wasservorratsbehälter und die zweiten Injektoren in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank bringbar sind. Um dabei die Wassereinspritzung zu verbessern, wird Wasser nur in bestimmten Lastbereichen über die ersten Injektoren in die Brennkammern eingespritzt.
• Aus der DE 10 2015 208 509 A1 ist eine weitere Einrichtung zur Wassereinspritzung einer Brennkraftmaschine bekannt.
• Sämtlichen aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten ist dabei gemein, dass das einzuspritzende Wasser unter hohem Druck mittels Einspritzdüsen in die Luftzufuhr in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eingespritzt wird. Dabei ist der zu fördernde Wasserstrom, das heißt Volumenstrom, sehr klein, der hierfür benötigte Druck mit 7 bis 10 bar jedoch sehr hoch. Um derart hohe Drücke zu erreichen, werden üblicherweise Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Kolbenpumpen, eingesetzt. Ebenfalls bekannt sind auch schon Membranpumpen. Kolbenpumpen sind dabei jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch schwer und relativ teuer. Auch die aus der DE 10 2014 222 463 A1 bekannte Membranpumpe ist konstruktiv aufwändig und damit teuer.
• Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere konstruktiv einfach und kostengünstig realisierbar ist.
• Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals eine Peripheralradpumpe zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine zu verwenden. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine besitzt dabei zumindest eine Einspritzdüse, über welche Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Ebenfalls vorgesehen sind ein Wassertank, sowie eine den Wassertank mit der Einspritzdüse verbindende Wasserleitung, in deren Verlauf eine Pumpe zum Fördern des einzuspritzenden Wassers angeordnet ist. Durch den erstmaligen erfindungsgemäßen Einsatz einer Peripheralradpumpe kann eine konstruktiv äußerst einfach aufgebaute und damit kostengünstige Pumpe bereitgestellt werden, deren bewegte Teile keine direkte Schmierung erfordern. Als bewegtes Teil weist eine derartige Peripheralradpumpe lediglich ein sich drehendes Laufrad (Peripheralrad) auf und überzeugt darüber hinaus durch ein äußerst geringes Verschleißverhalten. Peripheralradpumpen gehören zum Typ der Kreiselpumpen, bei welchen das Medium in einem Peripheralkanal gefördert wird. Das zur Förderung erforderliche Peripheralrad besteht aus radialen Schaufeln, die zwischen sich Förderkammern begrenzen und das zu fördernde Medium, hier Wasser, in eine Rotationsbewegung versetzen. In dem Peripheralkanal wird die Bewegungsenergie von den Schaufeln auf das Medium übertragen und dadurch der Druck erhöht. Peripheralradpumpen eignen sich dabei insbesondere für kleine Fördermengen und hohe Förderdrücke und sind deshalb besonders für den Einsatz zur Wassereinspritzung in Brennkraftmaschinen geeignet.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist in der Wasserleitung stromab der Pumpe und stromauf der Einspritzdüse eine Filtereinrichtung angeordnet. Eine derartige Filtereinrichtung ermöglicht es, Verunreinigungen aus dem einzuspritzenden Wasser herauszufiltern, wodurch der Verbrennungsprozess optimal ablaufen und eine Beschädigung der Brennkraftmaschine durch Schmutzpartikel vermieden werden kann.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Pumpe, das heißt die Peripheralradpumpe, von einer Antriebseinrichtung, insbesondere von der Brennkraftmaschine oder von einem Elektromotor, angetrieben. Bei einer Antriebskopplung mit der Brennkraftmaschine kann auf eine separate Antriebseinrichtung verzichtet werden, wodurch insbesondere die Teilevielfalt und auch die Herstellungskosten reduziert werden können. Bei einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinrichtung ist eine besonders exakte und individuelle Steuerung und zwar sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf, möglich, wobei zusätzlich der Vorteil besteht, dass die erfindungsgemäße Peripheralradpumpe keine direkte mechanische Antriebsverbindung mit der Brennkraftmaschine erfordert und dadurch auch an nahezu beliebigen Stellen im Motorraum angeordnet werden kann.
• Zweckmäßig ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, dass sie die Pumpe vorwärts und rückwärts antreiben kann. Dies ist insbesondere bei der Förderung von Wasser zur Einspritzung in eine Brennkraftmaschine von großem Vorteil, da sowohl einzuspritzendes Wasser den Einspritzdüsen zugeführt als auch nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine noch in der Wasserleitung vorhandenes Wasser zurück in den Wassertank gefördert werden kann, was insbesondere die Gefahr von Frostschäden reduziert, sofern der Wassertank beispielsweise isoliert und/oder beheizbar ist.
• Eine Peripheralradpumpe muss Prinzip bedingt, bei in Fahrzeuganwendungen üblichen Baugrößen, mit einer großen Drehzahl betrieben werden, um einen hohen Druck zu erzeugen. Damit die Peripheralradpumpe nicht während der gesamten Betriebszeit der Brennkraftmaschine mitlaufen muss, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung in der Wasserleitung stromab der Filtereinrichtung und stromauf der Einspritzdüse ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses Rückschlagventil ermöglicht einen Durchtritt von Wasser, wenn die Pumpe in Betrieb ist. Sobald die Pumpe abgeschaltet wird, verschließt das Rückschlagventil die Wasserleitung, so dass ein Betriebsdruck im Bereich der Einspritzdüsen gehalten werden kann. Erst wenn durch mehrere Einspritzvorgänge der benötigte Betriebsdruck abgefallen ist, wird die Pumpe wieder eingeschaltet und Druck aufgebaut. Die Steuerung der Pumpe kann dabei beispielsweise durch einen im Bereich der Einspritzdüsen angeordneten Drucksensor erfolgen oder durch eine Kennfeldsteuerung, die nach einer festgelegten Anzahl von Einspritzvorgängen die Pumpe aktiviert.
• In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist stromab des Rückschlagventils und stromauf der Einspritzdüsen ein Druckspeicher angeordnet, der es ermöglicht im Bereich der Einspritzdüsen besonders lange einen bestimmten Betriebsdruck aufrecht zu erhalten, ohne dass die Pumpe neuen Druck aufbauen muss. Vorteilhafterweise besteht der Druckspeicher aus einem Druckraum, in den Wasser einströmen kann und aus einer, einen zweiten Raum begrenzenden, Membran. Dabei wirkt in dem zweiten Raum eine Gegenkraft auf die Membran, die insbesondere durch eine Feder oder auch durch ein komprimiertes Gas aufgebracht werden kann.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist stromab der Filtereinrichtung eine das Rückschlagventil umgehende Leitung angeordnet. In der Leitung ist zweckmäßig ein schaltbares 2/2 Wege Ventil angeordnet. Im normalen Betriebsmodus während der Einspritzung von Wasser ist das Ventil geschlossen. Beim Abschalten der Brennkraftmaschine wird das Ventil geöffnet und es kann damit noch in der Wasserleitung befindliches Wasser durch die Pumpe, durch den Filter hindurch in den Wassertank zurück gepumpt werden. Dabei kann der im Druckspeicher anstehende Restdruck die Pumpe unterstützend das Wasser zurückfördern. Vorteilhafterweise ist das Ventil im geschlossenen Zustand stromlos, so dass nur für den kurzen Rückfördervorgang das Ventil bestromt werden muss.
• Da durch die Einspritzdüsen Verschmutzungen in die Wasserleitung gelangen können, erfolgt die Rücksaugung über die Filtereinrichtung, so dass nicht nur das Wasser, das aus dem Wassertank zu den Einspritzdüsen gelangt gefiltert wird, sondern auch das Wasser, das in den Wassertank zurückgefördert wird. Hiermit lassen sich insbesondere Verunreinigungen biologischer Art, zum Beispiel Algen vermeiden, die ansonsten den Wassertank verunreinigen können.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind der Wassertank und die Pumpe in einer Baueinheit zusammengefasst. Bei einer besonders bevorzugten Pumpe ist in diese Baueinheit zusätzlich auch noch die Filtereinrichtung integriert. In einer weiteren Ausführungsform ist zusätzlich noch das Rückschlagventil, der Druckspeicher, die Leitung und das schaltbare 2/2 Wege Ventil in diese Baueinheit integriert. Eine derartige Baueinheit ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise und dadurch einen besonders geringen Bauraumbedarf, was insbesondere in modernen und beengten Motorräumen von großem Vorteil ist.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Peripheralradpumpe ein Peripheralrad mit zwei Stirnseiten auf, wobei auf beiden Stirnseiten Förderkammern angeordnet sind, die durch radiale Schaufeln begrenzt sind und die auf beiden Stirnseiten entweder winkelgleich oder in der Art eines Läuferverbandes zueinander versetzt angeordnet sind.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Förderkammern jeweils einen mit einem Radius R₁ ausgerundeten Boden auf, wobei die Peripheralradpumpe zudem einen Peripheralkanal besitzt, in welchem das Peripheralrad mit seinen Förderkammern läuft und wobei der Peripheralkanal zumindest eine mit einem Radius R₂ und einem sich darin anschließenden Radius R₃ ausgerundete Seitenwand aufweist. Für die Beziehung zwischen R₁ und R₃ gilt, dass R₃ ca. 0,3 bis 0,6 R₁ beträgt, wobei besonders bevorzugt R₃ ungefähr 0,5 R₁ ist. Ein derartig ausgerundeter Peripheralkanal bietet eine besonders strömungsoptimierte Förderung.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weisen das Peripheralrad eine axiale Tiefe T₁ und die Förderkammern auf jeder Stirnseite eine axiale Tiefe T₂ auf, wobei hierzu gilt, dass T₂ ungefähr 30 - 60% von T₁, besonders bevorzugt ca. 50% T₁ ist. T₁ liegt dabei zwischen 4 und 8mm.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besitzen die Förderkammern jeweils einen mit einem Radius R₁ ausgerundeten Boden und die Peripheralpumpe besitzt den zuvor beschriebenen Peripheralkanal, der mit einem Radius R₂ und einem sich daran anschließenden Radius R₃ ausgerundete Seitenwände besitzt. Besonders günstige Strömungsverhältnisse bei geringem Strömungswiderstand ergeben sich dabei, sofern gilt: 0,9 R₂ ≤ R₁ ≤ 1,1 R₂, besonders bevorzugt R₂ = R₁.
• Die Verhältnisse für die Parameter R₁, R₂ und R₃ sind dabei im Rahmen von Versuchen entstanden, ausgehend von einer Standardgeometrie einer herkömmlichen Peripheralradpumpe. Diese hat einen im Verhältnis zur Breite des Peripheralrades T₁ deutlich breiteren Peripheralkanal T₃. Dies stellt den bei herkömmlichen Peripheralradpumpen gewünschten Kompromiss zwischen Druckaufbau und erreichbarem Volumenstrom dar. Bei der erfindungsgemäßen Peripheralradpumpe ist jedoch ein geringer Volumenstrom bei gleichzeitig hohem Druck erwünscht. In der Anwendung hier wird ja nur extrem wenig Wasser gefördert, das aber bei hohem Druck.
• Aus diesem Grund ist die Erfindung in der Ausbildung des Peripheralrades und des zugehörigen Peripheralkanals gezielt von der in der Literatur empfohlenen Geometrie abgewichen und hat zum einen das Peripheralrad möglichst schmal, das heißt mit geringer Breite T₁, und zum anderen einen hinsichtlich der Breite T₃ reduzierten Peripheralkanal geschaffen. Das ganze wird erfindungsgemäß mit Ausrundungen mit den entsprechenden Radien R₁, R₂ und R₃ versehen. So ist beispielsweise der Radius R₃ größer gewählt. Auch findet ein quasi fließender Übergang der Radien R₂, R₃ ineinander statt. Damit ein hoher Druckaufbau stattfinden kann, sollen zudem Turbulenzen (vernichten Druck) im Bereich des Peripheralrades und des Peripheralkanals möglichst vermieden und eine möglichst laminare Strömung dargestellt werden. Durch die Wahl der Parameter R₁, R₂, R₃, T₁, T₂ und T₃ kann ein sehr geringer Volumenstrom mit hohem Druck erzielt werden, was in der gewünschten Anwendung ein entscheidender Vorteil ist.
• Zweckmäßig ist der Wassertank isoliert und/oder mittels einer Heizeinrichtung beheizbar. Hierdurch kann insbesondere eine problemlose und zuverlässige Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung auch bei Frost gewährleistet werden. Zur Vorbeugung von Frostschäden wird dabei nach dem Abschalten der Brennkraftmaschinen das noch in der Leitung vorhandene Wasser zurück in den Wassertank gepumpt, indem die Pumpe, das heißt die Peripheralradpumpe, rückfördernd angetrieben wird.
• Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Einrichtung auszustatten und dadurch die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern sowie deren Verbrauch und Schadstoffausstoß zu senken, ohne das hierfür konstruktiv aufwändige und damit auch teure Pumpen erforderlich sind, da erfindungsgemäß die kostengünstige Peripheralradpumpe zur Wasserförderung eingesetzt wird.
• Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
• Es zeigen, jeweils schematisch,
• 1 eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einspritzung von Wasser,
• 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer Einrichtung, bei welcher der Wassertank, eine Filtereinrichtung und eine Pumpe als Baugruppe zusammengefasst sind,
• 3 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe der erfindungsgemäßen Einrichtung,
• 4 eine erste mögliche Ausführungsform eines Peripheralrades,
• 5 eine Schnittdarstellung durch die Peripheralradpumpe mit einem Peripheralrad gemäß der 4,
• 6 die alternative Ausführungsform eines Peripheralrades mit gleichgerichteten und nicht zueinander versetzten Förderkammern,
• 7 eine Darstellung wie in 5, jedoch bei einem Peripheralrad gemäß der 6,
• 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Drucks in Abhängigkeit einer Drehzahl einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Peripheralradpumpe,
• 9 eine Brennkraftmaschine mit einer weiteren erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einspritzung von Wasser,
• 10 eine Darstellung wie in 9, jedoch mit einer Einrichtung, bei welcher der Wassertank, eine Filtereinrichtung, ein Rückschlagventil, ein Druckspeicher, eine Leitung mit 2/2 Wege Ventil und eine Pumpe als Baugruppe zusammengefasst sind.
• Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine 2 zumindest eine Einspritzdüse 3 auf, über welche Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 2 einspritzbar ist. Ebenfalls umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung 1 einen Wassertank 4 sowie eine den Wassertank 4 mit einer Einspritzdüse 3 verbindende Wasserleitung 5. Ebenfalls vorgesehen ist eine Pumpe 6 zum Fördern des einzuspritzenden Wassers vom Wassertank 4 zur Einspritzdüse 3. Erfindungsgemäß ist nun die Pumpe 6 als Peripheralradpumpe 6' ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass hiermit eine konstruktiv äußerst einfach aufgebaute, kostengünstige und zugleich wenig verschleißanfällige Pumpe 6 bereitgestellt werden kann, die zudem auch geringe Fördermengen mit hohem Druck fördern kann. Durch den Umstand, dass eine derartige Peripheralradpumpe 6 lediglich ein bewegtes Teil, nämlich ein Peripheralrad 7 (vgl. 3 bis 7) aufweist, ist auch keine aufwändige Schmierung bzw. Lagerung bei einer derartigen Peripheralradpumpe 6' erforderlich.
• Die Pumpe 6 bzw. Peripheralradpumpe 6' ist dabei üblicherweise im Bereich der Wasserleitung 5 angeordnet, wobei stromab der Pumpe 6, 6' zusätzlich noch eine Filtereinrichtung 8 angeordnet sein kann, die noch im beförderten Wasser enthaltene Verunreinigungen herausfiltert, wodurch ein besonders optimierter Verbrennungsprozess erreicht werden kann und zudem eventuell noch mitgeführte Verunreinigungen nicht zu einer Beschädigung im Brennraum und damit in der Brennkraftmaschine 2 führen können.
• Damit an den Einspritzdüsen 3 ein Betriebsdruck auch bei abgeschalteter Pumpe 6, 6' gehalten wird, können stromab der Filtereinrichtung 8 und stromauf der Einspritzdüsen 3 ein Rückschlagventil 18 und ein Druckspeicher 19 angeordnet sein, wie es in der 9 gezeigt ist. Das Rückschlagventil 18 kann während des Betriebs der Pumpe 6, 6' öffnen und ermöglicht so einen Druckaufbau stromab des Rückschlagventils 18 in der Wasserleitung 5 und im Bereich der Einspritzdüsen 3 sowie im Druckspeicher 19. Mit dieser erfindungsgemäßen Einrichtung 1 kann die Pumpe 6, 6' nur bei Bedarf hinzugeschaltet werden, wenn der benötigte Betriebsdruck abgefallen ist. Dies spart Energie und fördert die Haltbarkeit der Pumpe 6, 6'. Durch eine stromab der Filtereinrichtung 8 angeordnete Leitung 24 mit einem schaltbaren 2/2 Wege Ventil 23, die das Rückschlagventil 18 umgeht, kann eine Rückförderung von Wasser in den Wassertank 4 ermöglicht werden, wenn die Brennkraftmaschine 2 abgeschaltet wird. Dies ist insbesondere als Frostschutz notwendig, da die Einspritzdüsen 3 sowie die Wasserleitungen 5 nicht zwangsläufig isoliert sind. Da das zurückgeförderte Wasser durch die Filtereinrichtung 8 hindurchgeleitet wird, erfolgt auch eine besonders vorteilhafte Filterung des Wassers, da damit eine Verschmutzung des Wassertanks 4 vermieden werden kann.
• Betrachtet man die erfindungsgemäße Einrichtung 1 gemäß den 1 und 9, so kann man erkennen, dass hier die einzelnen Komponenten wie der Wassertank 4, die Pumpe 6, das heißt die Peripheralradpumpe 6' , die Filtereinrichtung 8 sowie (vgl. 9) das Rückschlagventil 18, der Druckspeicher 19, die Leitung 24 mit dem 2/2 Wege Ventil 23 separat zueinander angeordnet sind. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass der Wassertank 4 und die Pumpe 6, das heißt die Peripheralradpumpe 6' in einer Baueinheit 9, 9' zusammengefasst sind, wie dies beispielsweise gemäß der 2 dargestellt ist, wobei hier zusätzlich noch die Filtereinrichtung 8 einen integralen Bestandteil der Baueinheit 9, 9' bildet. 10 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform für eine Baueinheit 9, 9', die auch noch das Rückschlagventil 18, den Druckspeicher 19 und die Leitung 24 mit dem 2/2 Wege Ventil 23 aufnimmt und somit eine besonders kompakte Baueinheit 9, 9' schafft, die einfach in einen Motorraum integriert werden kann, ohne die einzelnen Komponenten innerhalb des Motorraums miteinander verbinden zu müssen.
• Angetrieben wird die erfindungsgemäße Peripheralradpumpe 6' mittels einer Antriebseinrichtung 10, wobei diese Antriebseinrichtung 10 beispielsweise die Brennkraftmaschine 2 sein kann, sodass hierfür lediglich eine mechanische Kopplung, beispielsweise über einen entsprechenden Riementrieb mit einer Riemenscheibe 11 mit der Brennkraftmaschine 2 erfolgen muss. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Antriebseinrichtung 10 als Elektromotor 12 ausgebildet und dadurch einen individuellen und vor allen Dingen mechanisch nicht mit der Brennkraftmaschine 2 koppelbaren Antrieb ermöglicht. Dies bietet insbesondere den großen Vorteil, dass die Peripheralradpumpe 6' an nahezu beliebiger Stelle im Motorraum angeordnet werden kann.
• Betrachtet man nun die Peripheralradpumpe 6' genauer, so kann man erkennen, dass diese ein Peripheralrad 7 mit zwei Stirnseiten (vgl. insbesondere auch die 4 bis 7) aufweist, wobei auf beiden Stirnseiten Förderkammern 13 angeordnet sind, die auf beiden Stirnseiten entweder winkelgleich (vgl. die 6 und 7) oder in der Art eines Läuferverbandes zueinander winkelversetzt angeordnet sind, wie dies beispielsweise gemäß den 3 bis 5 dargestellt ist.
• Das Peripheralrad (7) besitzt dabei üblicherweise eine axiale Tiefe T₁, während die Förderkammern 13 auf jeder Stirnseite des Peripheralrades 7 eine axiale Tiefe T₂ aufweisen und wobei gilt: 0,3 T₁ ≤ T₂ ≤ 0,6 T₁, besonders bevorzugt soll dabei sogar gelten, dass T₂ ungefähr 0,5 T₁ ist. Die axiale Tiefe T₁ liegt dabei zwischen 4 und 8mm.
• Betrachtet man die Förderkammern 13 selbst, so kann man erkennen, dass diese jeweils einen mit einem Radius R₁ ausgerundeten Boden 14 aufweisen, wobei die Peripheralradpumpe 6' zudem einen Peripheralkanal 15 aufweist, in welchem das Peripheralrad 7 mit seinen Förderkammern 13 läuft. Der Peripheralkanal 15 weist dabei zumindest eine mit einem Radius R₂ und einem sich darin anschließenden Radius R₃ ausgerundete Seitenwand 16 (vgl. die 5 und 7) auf, wobei hier bevorzugt gilt $$\mathrm{0,9}{\text{ R}}_{\text{2}}\le {\text{R}}_1\le \mathrm{1,1}{\text{ R}}_2,{\text{ besonders bevorzugt R}}_2={\text{R}}_1.$$

  
• Bezüglich des Peripheralkanals 15 und der hierzu eingesetzten zumindest einen Seitenwand 16 soll bevorzugt gelten: $$\mathrm{0,3}{\text{ R}}_1\le {\text{R}}_3\le \mathrm{0,6}{\text{ R}}_1,{\text{ besonders bevorzugt R}}_3\approx \text{0}{\text{,5 R}}_1.$$

  
• Hierdurch lässt sich eine besonders widerstandsarme, das heißt laminare Strömung erreichen. Dabei ist selbstverständlich klar, dass nicht nur die bezeichnete Seitenwand 16 mit derartigen Radien R₂, R₃ ausgestattet sein kann, sondern auch eine gegenüberliegende Seitenwand 16', wobei die beiden Seitenwände 16, 16' bevorzugt bezüglich einer Mittellinie spiegelbildlich ausgebildet sind. Zumindest eine Seitenwand 16, 16' geht dabei über eine bevorzugt plane Mittelebene 18 in die gegenüberliegende Seitenwand 16', 16 über.
• Für eine ebenfalls besonders optimierte Förderleistung, das heißt einen geringen Strömungswiderstand, gilt für R₁ und T₂ folgende Beziehung: $$\mathrm{1,01}{\text{ T}}_1\le {\text{R}}_1\le \mathrm{1,3}{\text{ T}}_1,{\text{ besonders bevorzugt soll gelten R}}_1\approx \mathrm{1,2}{\text{ T}}_1.$$

  
• Die Verhältnisse für die Parameter R₁, R₂ und R₃ sind dabei im Rahmen von Versuchen entstanden, ausgehend von einer Standardgeometrie einer herkömmlichen Peripheralradpumpe. Diese hat einen im Verhältnis zur Breite des Peripheralrades T₁ deutlich breiteren Peripheralkanal T₃. Dies stellt den bei herkömmlichen Peripheralradpumpen gewünschten Kompromiss zwischen Druckaufbau und erreichbarem Volumenstrom dar. Bei der erfindungsgemäßen Peripheralradpumpe 6' ist jedoch ein geringer Volumenstrom bei gleichzeitig hohem Druck erwünscht. In der Anwendung hier wird ja nur extrem wenig Wasser gefördert, das aber bei hohem Druck.
• Aus diesem Grund ist die Erfindung in der Ausbildung des Peripheralrades 7 und des zugehörigen Peripheralkanals 15 gezielt von der in der Literatur empfohlenen Geometrie abgewichen und hat zum einen das Peripheralrad 7 möglichst schmal, das heißt mit geringer Breite T₁, und zum anderen einen hinsichtlich der Breite T₃ reduzierten Peripheralkanal 15 geschaffen. Das ganze wird erfindungsgemäß mit Ausrundungen mit den entsprechenden Radien R₂ und R₃ versehen. So ist beispielsweise der Radius R₃ deutlich kleiner gewählt. Auch findet bei einem herkömmlichen Peripheralkanal kein quasi fließender Übergang der Radien R₂, R₃ ineinander statt, wie dies bei dem erfindungsgemäßen Peripheralkanal 15 der Fall ist, was ebenfalls zur Reduzierung von Turbulenzen beiträgt. Damit ein hoher Druckaufbau stattfinden kann, sollen genau solche Turbulenzen (vernichten Druck) im Bereich des Peripheralrades 7 und des Peripheralkanals 15 möglichst vermieden und eine möglichst laminare Strömung dargestellt werden. Durch die Wahl der Parameter R₁, R₂, R₃, T₁, T₂ und T₃ kann ein sehr geringer Volumenstrom mit hohem Druck erzielt werden, was in der gewünschten Anwendung ein entscheidender Vorteil ist.
• Betrachtet man beispielsweise die 8, so kann man dort ein Diagramm eines Drucks in Abhängigkeit einer Drehzahl einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Peripheralradpumpe 6' erkennen. Die Kennlinie für die herkömmliche Peripheralradpumpe ist dabei mit unterbrochen gezeichneter Linie gezeichnet, während die Kennlinie für die erfindungsgemäße Peripheralradpumpe 6' mit durchgezogener Linie dargestellt ist. Es ist jedoch deutlich erkennbar, dass die erfindungsgemäße Peripheralradpumpe 6' bei gleicher Drehzahl deutlich höhere Drücke erreicht.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 ist der Wassertank 4 isoliert und/oder mittels einer Heizeinrichtung 17 beheizbar, wie dies beispielsweise gemäß der 1 dargestellt ist. Eine derartige Heizeinrichtung 17 ermöglicht eine deutlich verbesserte Frostsicherheit der erfindungsgemäßen Einrichtung 1. Unterstützt wird diese Frostsicherheit zusätzlich dadurch, dass die Antriebseinrichtung 10, das heißt beispielsweise der Elektromotor 12, derart ausgebildet ist, dass diese die Pumpe 6, das heißt im vorliegenden Fall die Peripheralradpumpe 6' wahlweise vorwärts oder alternativ rückwärts antreiben kann. Der Vorwärtsantrieb dient dabei Zuförderung von Wasser in Richtung der Einspritzdüse 3, während die Möglichkeit der Rückförderung ein Absaugen von Wasser aus der Wasserleitung 5 und der Filtereinrichtung 8 und ein Rückfördern des Wassers in den isolierten bzw. beheizbaren Wassertank 4 ermöglicht. Hierdurch können insbesondere Frostschäden im Bereich der Pumpe 6, bzw. der Filtereinrichtung 8 oder generell der Wasserleitung 5 zumindest reduziert, vorzugsweise sogar gänzlich ausgeschlossen werden.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 kann dabei Bestandteil der Brennkraftmaschine 2 sein, sodass mit vorliegender Anmeldung nicht nur Schutz für die Einrichtung 1 separat, sondern auch für eine Kombination einer Brennkraftmaschine 2 mit einer derartigen Einrichtung 1 begehrt wird.
• Mit der erfindungsgemäß erstmals als Peripheralradpumpe 6' ausgebildeten Pumpe 6 zur Förderung von Wasser in Richtung einer Einspritzdüse 3 lässt sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 2 hinsichtlich Verbrauch und Schadstoffausstoß sowie hinsichtlich ihrer Leistung optimieren, ohne dass hierfür die bislang konstruktiv aufwändige, verschleißanfällige und teure Pumpen erforderlich sind. Vielmehr kann mit der erfindungsgemäßen Peripheralradpumpe 6' eine konstruktiv einfache, kostengünstige und verschleißarme Lösung hierfür angeboten werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014222463 A1 [0002, 0006]
• DE 29518798 U1 [0003]
• DE 102013206102 A1 [0004]
• DE 102015208509 A1 [0005]

Claims (15)

1. Einrichtung (1) zur Einspritzung von Wasser in eine Brennkraftmaschine (2), - mit zumindest einer Einspritzdüse (3), über welche Wasser in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (2) einspritzbar ist, - mit einem Wassertank (4), - mit einer den Wassertank (4) mit der zumindest einen Einspritzdüse (3) verbindenden Wasserleitung (5), - mit einer Pumpe (6) zum Fördern des einzuspritzenden Wassers vom Wassertank (4) zu der zumindest einen Einspritzdüse (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6) als Peripheralradpumpe (6') ausgebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6,6') in der Wasserleitung (5) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserleitung (5) stromab der Pumpe (6,6') eine Filtereinrichtung (8) angeordnet ist.
4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6,6') von einer Antriebseinrichtung (10), insbesondere von der Brennkraftmaschine (2) oder von einem Elektromotor (12), angetrieben ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass sie die Pumpe (6,6') vorwärts und rückwärts antreiben kann.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Filtereinrichtung (8) und der zumindest einen Einspritzdüse (3) ein Rückschlagventil (18) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rückschlagventil (18) und der zumindest einen Einspritzdüse (3) ein Druckspeicher (19), insbesondere ein Druckspeicher (19) mit einem Druckraum (22), der mittels Feder (20) und Membran (21) vorgespannt wird, angeordnet ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine stromab der Filtereinrichtung (8) eine das Rückschlagventil (18) umgehende Leitung (24) angeordnet ist, in der ein schaltbares 2/2 Wege Ventil (23) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, - dass der Wassertank (4) und die Pumpe (6,6') in einer Baueinheit (9,9') zusammengefasst sind, oder - dass der Wassertank (4), die Filtereinrichtung (8) und die Pumpe (6,6') in einer Baueinheit (9,9') zusammengefasst sind, oder - dass der Wassertank (4), die Filtereinrichtung (8), die Pumpe (6,6'), das Rückschlagventil (18), der Druckspeicher (19) und die Leitung (24) in einer Baueinheit (9,9') zusammengefasst sind.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripheralradpumpe (6') ein Peripheralrad (7) mit zwei axialen Stirnseiten aufweist, wobei auf beiden Stirnseiten Förderkammern (13) angeordnet sind, die auf beiden Stirnseiten entweder winkelgleich oder zueinander versetzt angeordnet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, - dass die Förderkammern (13) jeweils einen mit einem Radius R₁ ausgerundeten Boden (14) aufweisen, - dass die Peripheralradpumpe (6') einen Peripheralkanal (15) aufweist, in welchem das Peripheralrad (7) mit seinen Förderkammern (13) läuft, wobei der Peripheralkanal (15) zumindest eine mit einem Radius R₂ und einem sich daran anschließenden Radius R₃ ausgerundete Seitenwand (16, 16') aufweist, wobei gilt $$\mathrm{0,3}{\text{R}}_1\le {\text{R}}_3\le \mathrm{0,6}{\text{R}}_1,{\text{ bevorzugt R}}_3\approx \mathrm{0,5}{\text{ R}}_1$$

    

    $$\mathrm{0,9}{\text{ R}}_2\le {\text{R}}_{\text{1}}\le \mathrm{1,1}{\text{ R}}_2,{\text{ bevorzugt R}}_2={\text{R}}_1.$$

    
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Peripheralrad (7) eine axiale Tiefe T₁ und die Förderkammern (13) auf jeder Stirnseite eine axiale Tiefe T₂ aufweisen wobei gilt $$\mathrm{0,3}{\text{T}}_{\text{1}}\le {\text{T}}_2\le \mathrm{0,6}{\text{T}}_{\text{1}},{\text{ bevorzugt T}}_2\approx \mathrm{0,5}{\text{ T}}_{\text{1}}$$

    

    mit 4mm ≤ T₁ ≤ 8mm.
13. Einrichtung nach Anspruch12, dadurch gekennzeichnet, dass für R₁ und T₁ folgende Beziehung gilt $$\mathrm{1,01}{\text{ T}}_{\text{1}}\le {\text{R}}_1\le \mathrm{1,3}{\text{ T}}_{\text{1}},{\text{ bevorzugt R}}_1\approx \mathrm{1,2}{\text{ T}}_1.$$

    
14. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (4) isoliert und/oder mittels einer Heizeinrichtung (17) beheizbar ist.
15. Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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