DE102017207833B3

DE102017207833B3 - Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017207833B3
Application number: DE102017207833.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Lauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2037-05-10

Abstract

Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer-Wasserdosiereinrichtung (14), welche aus einem Wassertank (1) mit Wasser zum Einbringen in die Brennkraftmaschine versorgbar ist, wobei bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine ein Abgasstrom entsteht, welcher über eine Abgasleitung (15) aus der Brennkraftmaschine abführbar ist, wobei die Abgasleitung (15) eine Schalldämpfereinrichtung (10) aufweist und wobei dem Wassertank (1) über eine Wärmetransfereinrichtung (5), welche von einem Abgasteilstrom (12) durchströmbar ist, Wärme aus dem Abgasstrom (11) zuführbar ist und wobei der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasleitung (15) entnehmbar ist, wobei
eine erste Abgasabzweigung (9a) vorgesehen ist, mittels welcher der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasleitung (15) entnehmbar und einer Abgasbypassleitung (7) zuführbar ist und dass die erste Abgasabzweigung (9a) stromaufwärts zu dieser Schalldämpfereinrichtung (10) angeordnet ist und dass eine zweite Abgasabzweigung (9b) vorgesehen ist, mittels welcher der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasbypassleitung (7) der Abgasleitung (15) wieder zuführbar ist und dass diese zweite Abgasabzweigung (9b) stromabwärts zu der Schalldämpfereinrichtung (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Wassereinspritzung in eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Eine Wassereinspritzung als solche ist aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere die DE 10 2013 206 1 02 A1 befasst sich allgemein mit einer Wassereinspritzung.
Mittels einer Wassereinspritzung sind die Emissionen einer Brennkraftmaschine verringerbar, insbesondere daher findet diese Technologie Anwendung bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge. Nachfolgend wird die Erfindung in Zusammenhang mit einer solchen Anwendung beschrieben, dies ist nicht als eine Beschränkung der Erfindung zu verstehen.
Bei einer Wassereinspritzung wird Wasser oder ein Gemisch auf Wasserbasis, allgemein also eine Flüssigkeit, einer Brennkraftmaschine zugeführt, um die Verdunstungsenthalpie dieser Flüssigkeit zu nutzen und so eine Brennkammertemperatur und bei der Verbrennung entstehende Emissionen zu verringern. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug können Außentemperaturen auftreten, welche diese Flüssigkeit gefrieren lassen. In einem solchen Fall ist es unmöglich, die Flüssigkeit der Brennkraftmaschine zu zuführen und dadurch ist die Betriebssicherheit der Wassereinspritzung beeinträchtigt.
Die DE 10 2011 057 052 A1 befasst sich mit einem Harnstoff-Heizsystem und einem Heizverfahren dafür. Die DE 10 2014 204 509 A1 befasst sich mit einer Wassereinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor. Die US2003/0025219 A1 befasst sich mit einem System zum Einbringen von Wasserdampf in ein einen Luftstrom.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wassereinspritzung mit verbesserter Betriebssicherheit anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Wassereinspritzsystem gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Wassereinspritzsystem eine Vorrichtung zum Zuführen einer nichtbrennbaren Flüssigkeit in eine Brennkraftmaschine zu verstehen, wobei diese Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zum Verdampfen in wenigstens einer Brennkammer der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Insbesondere durch dieses Verdampfen der Flüssigkeit wird deren Verdunstungsenthalpie dazu genutzt, eine Temperatur in dieser Brennkammer, sogenannte Brennkammertemperatur, zu senken und weiter vorzugsweise wird die Expansion der Flüssigkeit zum Leisten einer Arbeit genutzt. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit unmittelbar in wenigstens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine zuführbar und weiter vorzugsweise ist die Flüssigkeit in eine Luftzuführung zu dieser Brennkraftmaschine zuführbar.
Vorzugsweise weist das Wassereinspritzsystem eine Wasserdosiereinrichtung auf, vorzugsweise ist dieser Wasserdosiereinrichtung aus einem Wassertank des Wassereinspritzsystems die Flüssigkeit zuführbar, welche zum Einbringen in die Brennkraftmaschine vorgesehen ist, und weiter vorzugsweise ist diese Wasserdosiereinrichtung zum Dosieren der Flüssigkeit beim Einbringen in die Brennkraftmaschine eingerichtet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Wassertank eine Einrichtung zum Aufnehmen der Flüssigkeit, welche zum Einbringen in die Brennkraftmaschine vorgesehen ist, zu verstehen. Vorzugsweise ist unter einem Wassertank also eine Einrichtung zu verstehen, welche als Behälter zum Aufnehmen und Bevorraten dieser Flüssigkeit, insbesondere von Wasser oder einem Gemisch auf Basis von Wasser, eingerichtet ist.
Bei der Verbrennung von Kraftstoff in wenigstens einer Brennkammer der Brennkraftmaschine entsteht ein Abgasstrom. Bei dieser Verbrennung wird die mittels der Wasserdosiereinrichtung der Brennkraftmaschine zugeführte Flüssigkeit wenigstens zum Teil oder vorzugsweise vollständig, verdampft und mit dem Abgasstrom aus der Brennkammer abgeführt. Dieser Abgasstrom wird mittels einer sogenannten Abgasleitung aus der Brennkraftmaschine abgeführt. Insbesondere um Schallemissionen zu verringern, weist die Abgasleitung eine Schalldämpfereinrichtung auf, vorzugsweise weist die Abgasleitung mehrere Schalldämpfereinrichtungen auf. Weiter vorzugsweise weist die Abgasleitung wenigstens einen Nachschalldämpfer auf. Vorzugsweise ist dieser Nachschalldämpfer, bezogen auf diesen Abgasstrom, stromabwärts zu wenigstens einer Abgasreinigungseinrichtung angeordnet, vorzugsweise stromabwärts zu einem Katalysator.
Vorzugsweise weist das Wassereinspritzsystem eine Wärmetransfereinrichtung auf. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Wärmetransfereinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche zum Übertragen von Wärme aus diesem Abgasstrom der Brennkraftmaschine auf die in dem Wassertank , abspeicherbare Flüssigkeit eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Wärmetransfereinrichtung als Wärmetauscher ausgebildet. Vorzugsweise ist die Wärmetransfereinrichtung von einem Abgasteilstrom, vorzugsweise wenigstens zeitweise, durchströmbar, wobei dieser Abgasteilstrom aus diesem Abgasstrom abzweigbar ist, so dass die Wärmetransfereinrichtung von einem Teil dieses Abgasstroms durchströmbar ist.
Vorzugsweise ist dieser Abgasteilstrom bei einer ersten Abgasabzweigung aus der Abgasleitung in eine Abgasbypassleitung aus diesem Abgasstrom abzweigbar. Die Abgasbypassleitung ist vorzugsweise als eine strömungstechnisch parallelgeschaltete Leitung zu dieser Abgasleitung ausgebildet. Vorzugsweise ist die erste Abgasabzweigung, bezogen auf den Abgasstrom, stromaufwärts zu dieser Schalldämpfereinrichtung angeordnet.
Vorzugsweise ist eine zweite Abgasabzweigung vorgesehen und weiter vorzugsweise ist diese zweite Abgasabzweigung, - bezogen auf den Abgasstrom, stromabwärts zu der Schalldämpfereinrichtung angeordnet. Die zweite Abgasabzweigung ist zum Verbinden der Abgasbypassleitung mit der Abgasleitung eingerichtet, so dass der Abgasteilstrom aus der Abgasbypassleitung dem Abgasstrom in der Abgasleitung wieder zuführbar ist.
Insbesondere durch eine derartige Ausgestaltung des Wassereinspritzsystems ist es ermöglicht, dem Wassertank mit Wärme aus dem Abgasstrom über den Abgasteilstrom zu versorgen, dadurch ist es ermöglicht, eingefrorene Flüssigkeit im Wassertank aufzutauen und so die Betriebssicherheit des Wassereinspritzsystems zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Wassereinspritzsystem ein Abgasventil auf, insbesondere ist mittels des Abgasventils der Abgasteilstrom in der Abgasbypassleitung steuer- oder regelbar. Insbesondere durch die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Abgasteilstroms ist die Wärme, welche auf den Wassertank übertragbar ist, beeinflussbar und somit ist ein gezieltes Beheizen des Wassertanks ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Abgasventil in der Abgasbypassleitung angeordnet. Vorzugsweise ist, das Abgasventil bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgasteilstroms stromabwärts zu der Wärmetransfereinrichtung angeordnet. Insbesondere durch eine derartige Ausgestaltung des Wassereinspritzsystems ist eine besonders gute Steuerbarkeit des Abgasteilstroms erreichbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Wassereinspritzsystems ist am Wassertank ein Temperatursensor angeordnet. Vorzugsweise ist dieser Temperatursensor dazu eingerichtet, die Temperatur der im Wassertank gespeicherten Flüssigkeit, wenigstens qualitativ, zu erfassen. Insbesondere ist der Temperatursensor derart eingerichtet, dass mit diesem bestimmbar ist, ob die im Wassertank gespeicherte Flüssigkeit gefroren ist oder wenigstens teilweise gefroren ist oder ob diese Flüssigkeit noch im flüssigen Zustand vorliegt. Insbesondere ist der Temperatursensor derart eingerichtet, dass mit diesem die Flüssigkeitstemperatur der im Wassertank gespeicherten Flüssigkeit bestimmbar ist.
Vorzugsweise wird die von diesem Temperatursensor ermittelte Zustandsgröße (Aggregatszustand, Temperatur) der im Wassertank gespeicherten Flüssigkeit, zur Steuerung des Abgasventils herangezogen. Vorzugsweise wird der Abgasteilstrom mittels des Abgasventils abgesperrt. oder vorzugsweise wenigstens verringert, für den Fall, dass die Flüssigkeitstemperatur einen vorgebbaren Schwellenwert erreicht oder übersteigt. Vorzugsweise wird der Abgasteilstrom mittels des Abgasventils erhöht oder vorzugsweise maximiert, für den Fall; dass die Flüssigkeitstemperatur einen vorgebbaren weiteren Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Insbesondere mittels einer derartigen Ausgestaltung des Wassereinspritzsystems ist eine bedarfsgerechte Nutzung der Wärme des Abgasstroms ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wassertank ein Innenvolumen zur Aufnahme der, Flüssigkeit, welche zum Einbringen in die Brennkraftmaschine vorgesehen ist, auf. Vorzugsweise ist die Wärmetransfereinrichtung teilweise oder bevorzugt vollständig, innerhalb dieses Innenvolumens angeordnet. Insbesondere mittels einer vollständig innerhalb des Innenvolumens angeordneten Wärmetransfereinrichtung ist ein besonders effizienter Übertrag der Wärme aus dem Abgasteilstrom ermöglicht.
Nachfolgend ist die Erfindung, bzw. einzelne Merkmale dieser, anhand der teilweise schematisierten Figur näher dargestellt und erläutert, dabei zeigt:

1: eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Wassereinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine.

In 1 ist ein Wassereinspritzsystem der zuvor beschriebenen Bauart schematisiert dargestellt. Im Wassertank 1 ist Wasser bis zum Flüssigkeitsstand 2 gespeichert. Dieses Wasser ist über die Saugleitung 3 aus dem Wassertank 1 als Wasservolumenstrom 13 entnehmbar und mittels der Wasserdosiereinrichtung 4 als, zerstäubtes Wasser 14 einer Brennkraftmaschine in deren Brennkammer beziehungsweise in deren Luftansaugung (nicht dargestellt) zuführbar.
In der Brennkammer der Brennkraftmaschine wird ein Kraftstoff-Luftgemisch verbrannt, dabei entsteht ein Abgasstrom 11, welcher über die Abgasleitung 15 aus der Brennkammer in die Umweit abgeführt wird. Um die Schallemissionen zu senken, weist die Abgasleitung 15 eine als Nachschalldämpfer ausgebildete Schalldämpfereinrichtung 10 auf, welche vom Abgasstrom 11 durchströmt wird.
Bezogen auf den Abgasstrom 11 ist stromaufwärts zur Schalldämpfereinrichtung 10, die erste Abgasabzweigung 9a angeordnet.
Über die erste Abgasabzweigung 9a wird aus dem Abgasstrom 11 der Abgasteilstrom 12 abgezweigt, welcher im ersten Teil 7a der Abgasbypassleitung 7 dem Wassertank 1 zugeführt wird. Der Abgasteilstrom 12 durchströmt die als Wärmetauscher ausgebildete Wärmetransfereinrichtung 5, welche im Wässertank 1 angeordnet ist, und gibt dabei Wärme 17 an das im Wassertank gespeicherte Wasser ab. Ist das Wasser im Wassertank 1 aufgrund tiefer Temperaturen gefroren, wird es mit der Wärme 17 aus dem Abgasteilstrom aufgetaut oder es wird das Einfrieren verhindert, wenn das Wasser im Wassertank eine tiefe Temperatur aufweist, somit ist der Betrieb des Wassereinspritzsystems auch bei tiefen Temperaturen ermöglicht.
Die Wärmetransfereinrichtung 5 ist über den , zweiten Teil 7b der Abgasbypassleitung mit dem Abgasventil 8 verbunden. Durch das Abgasventil 8, welches einen in Richtung 8b beweglichen Ventilteller 8a aufweist, ist der Abgasteilstrom 12 steuerbar. Das Abgasventil 8 wird mittels dem Steuergerät 16 gesteuert. Das Steuergerät 16 liest dazu Messwerte des Temperatursensors 6 ein und setzt diese in Steuerbefehle für das Abgasventil 8 um. Der Temperatursensor 6 ist im Wassertank 1 angeordnet und erfasst die Temperatur des im Wassertank 1 gespeicherten Wassers. Das Abgasventil 8 ist als Tellerventil dargestellt, dabei ist die Funktion des Wassereinspritzsystems unabhängig von der Bauart des Abgasventils.
Unterschreitet die Temperatur des Wassers im Wassertank 1 einen vorgebbaren Schwellenwert, regelt das Steuergerät 16 das Abgasventil 8 derart, dass der Abgasteilstrom 12 im Verhältnis zum Abgasstrom 11 vergrößert wird und damit wird auch die, an das im Wassertank 1 gespeicherte Wasser abgegeben Wärme vergrößert.
Der über das Abgasventil 8 strömende Abgasteilstrom 12 wird über die zweite Abgasabzweigung 9b wieder dem Abgasstrom 11 und damit der Abgasleitung 15 zugeführt. Die zweite Abgasabzweigung 9b ist stromabwärts zu der Schalldämpfereinrichtung 10 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Wassertank
2: Flüssigkeitsstand
3: Saugleitung
4: Wasserdosiereinrichtung
5: Wärmetransfereinrichtung
6: Temperatursensor
7, 7a, 7b, 7c: Abgasbypassleitung
8: Abgasventil
8a: Ventilteller
8b: Bewegungsrichtungdes Ventiltellers
9a, 9b: erste, zweite Abgasabzweigung
10,: Schalldämpfereinrichtung
11: Abgasstrom
12: Abgasteilstrom
13: Wasservolumenstrom
14: eingespritztes Wasser
15: Abgasleitung
16: Steuergerät

Claims

Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Wasserdosiereinrichtung (14), welche - aus einem Wassertank (1) mit Wasser zum Einbringen in die Brennkraftmaschine versorgbar ist, wobei bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine ein Abgasstrom entsteht, welcher über eine Abgasleitung (15) aus der Brennkraftmaschine abführbar ist, wobei die Abgasleitung (15) eine Schalldämpfereinrichtung (10) aufweist und wobei dem Wassertank (1) über eine Wärmetransfereinrichtung (5), weiche von einem Abgasteilstrom (12) durchströmbar ist, Wärme aus dem Abgasstrom (11) zuführbar ist und wobei der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasleitung (15) entnehmbar ist, wobei eine erste Abgasabzweigung (9a) vorgesehen ist, mittels Welcher der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasleitung(15) entnehmbar und einer Abgasbypassleitung (7) zuführbar ist und wobei die erste Abgasabzweigung (9a) stromaufwärts zu dieser Schalldämpfereinrichtung (10) angeordnet ist und wobei eine zweite Abgasabzweigung(9b) vorgesehen ist, mittels welcher der Abgasteilstrom (12) aus der Abgasbypassleitung (7) der Abgasleitung (15) wieder zuführbar ist und wobei diese zweite Abgasabzweigung (9b) stromabwärts zu der Schalldämpfereinrichtung (10) angeordnet ist und wobei inderAbgasbypassleitung (7) ein Abgasventil (8) angeordnet ist, mit welchem der Abgasteilstrom (12) regelbar ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasventil (8) stromabwärts zu der Wärmetransfereinrichtung (5) angeordnet ist.
Wassereinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Wassertank, (1) ein Temperatursensor (6) vorgesehen ist, dass mit diesem Temperatursensor (6) die Temperatur einer im Wassertank (1) speicherbaren Flüssigkeit, die sogenannte Flüssigkeitstemperatur, bestimmbar ist und dass zur Steuerung des Abgasventils (8) die Flüssigkeitstemperatur herangezogen wird.
Wassereinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (1) eine Innenvolumen zur Aufnahme einer Flüssigkeit aufweist, dass der Wärmetransfereinrichtung (5) vollständig innerhalb dieses Innenvolumens angeordnet ist.