DE102017218385A1

DE102017218385A1 - Entnahmeeinrichtung für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeugs aus einem Behälter

Info

Publication number: DE102017218385A1
Application number: DE102017218385.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bruhn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Nach der Erfindung ist eine Einspritzeinrichtung zur Einspritzung von Wasser letztlich in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, diese bestehend wenigstens aus einem Wasservorratsbehälter, einer Wasserförderpumpe, einer Wasserleitung vom Wasservorratsbehälter zu einer Einspritzdüse und einer Heizeinrichtung für das Wasser mittels Wärmeübertrager, insbesondere den Verbrennungsmotor kühlenden Rekuperator, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung so ausgebildet ist, dass diese einen Vorlauf vom Wasservorratsbehälter zur Einspritzdüse und einen vom Vorlauf abzweigenden Rücklauf durch den Wärmeübertrager, zur Erwärmung des Wassers, und nachfolgender Rückförderung in den Wasservorratsbehälter besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entnahmeeinrichtung für eine Flüssigkeit aus einem Behälter in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Versorgung eines dieses antreibenden Verbrennungsmotors, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Bei manchen Verbrennungsmotoren wird Wasser zur Kühlung über die Einspritzanlage mit eingespritzt, um eine Vollastanreicherung des Gemischs vermeiden zu können. Wassereinspritzung erhöht das Füllungsvolumen und steigert die Leistung des Verbrennungsmotors oder aber reduziert deren Verbrauch. Dazu wird Wasser der Verbrennungsluft zugeführt. Das Wasser wird aufgrund der vergleichsweise warmen Verbrennungsluft verdampft, was dieser Energie entzieht, nämlich die erforderliche Verdampfungsenergie des Wassers. Folglich wird die Verbrennungsluft abgekühlt. Infolgedessen ist die Dichte der Verbrennungsluft erhöht, was zu einer Leistungssteigerung führt. Zudem wird der Verbrennungsmotor im Bereich der Wassereinspritzung gekühlt, was zu einer effektiveren Kühlung als lediglich mittels des Kühlmittelkreislaufs führt. Das Wasser wird meist in einen Ansaugkanal eines Zylinderkopfes oder aber in den Brennraum selbst eingespritzt. Die Wassereinspritzung weist üblicherweise eine Einspritzdüse auf, die mittels einer Wasserleitung mit einem Wassertank gekoppelt ist, in dem das Wasser zur Einspritzung bevorratet ist.
Die DE 10 2006 014 527 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zufuhr von Wasser aus einem Behälter in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors.
Bei negativen Temperaturen ist es möglich, dass das sich in der Wassereinspritzung, vorwiegend also in der Wasserleitung, aber auch im Behälter befindende Wasser gefriert und die Wassereinspritzung infolgedessen nicht einsatzbereit ist. Zudem kann eine Beschädigung der Wassereinspritzungs-vorrichtung auftreten, aufgrund der sich bei der Eisbildung auftretenden Volumenvergrößerung. Um dies zu vermeiden, wird üblicherweise nach Abstellen des Verbrennungsmotors überschüssiges Wasser aus der Wasserleitung abgepumpt, was vergleichsweise aufwändig ist.
Die DE 10 2006 017 399 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels in deren Abgas. Reduktionsmittel führende Schlauchleitungen sind hier zur Einfrierverhinderung paarig in enger Nachbarschaft mit Heizwasser führenden Schlauchleitungen angeordnet. Mindestens ein Schlauchleitungspaar endet mit mindestens einem Ende gemeinsam an einem einen Einsteckverbinder aufweisenden Anschlussblock. Die Harnstofflösung, das Reduktionsmittel, wird von dem Anschlussblock in das Innere des zu verbindenden Aggregats und das Heizwasser wird durch einen Durchflusskanal, der außerhalb des Aggregates einen Auslass aufweist, geführt.
Als Heizwasser wird aus dem Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors abgezweigtes temperiertes Kühlwasser verwendet.
Es ist auch bekannt, die Gefahr des Einfrierens durch elektrisch beheizbare Schläuche abzuwenden. Obwohl diese elektrisch beheizbaren Schläuche sich bewährt haben, sind Anwendungsfälle vorhanden, in denen diese technische Lösung ungenügend ist, wenn zum Beispiel zu wenig elektrische Leistung vorhanden ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einspritzeinrichtung zur Einspritzung von Wasser letztlich in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die auf einfache Weise eine sichere Versorgung mit Wasser gewährleistet, indem Sie ein Einfrieren des Wassers verhindert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist eine Einspritzeinrichtung, zur Einspritzung von Wasser letztlich in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, diese bestehend wenigstens aus einem Wasservorratsbehälter, einer Wasserförderpumpe, einer Wasserleitung vom Wasservorratsbehälter zu einer Einspritzdüse und einer Heizeinrichtung für das Wasser mittels Wärmeübertrager, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung so ausgebildet ist, dass diese einen Vorlauf vom Wasservorratsbehälter zur Einspritzdüse und einen vom Vorlauf abzweigenden Rücklauf durch den Wärmeübertager, zur Erwärmung des Wassers und nachfolgender Rückförderung in den Wasservorratsbehälter besitzt.
Eine solche Einspritzeinrichtung hat den Vorteil, dass durch die Umwälzung des Wassers über den Wärmeübertrager sowohl eine stabile Druckregelung, als auch ein effizienter Wärmetransport direkt in den Wasservorratsbehälter stattfinden kann. Letzteres erbringt eine sehr große Heizleistung. Durch die Grundumwälzmenge durch Vor- und Rücklauf bei der Wasserförderung zur Wassereinspritzung und Nutzung eines nah am Verbrennungsmotor verbauten Wärmeübertragers, vorteilhafterweise eines den Verbrennungsmotor kühlenden Rekuperators, kann der Wasservorratsbehälter auch an Stellen im Kraftfahrzeug eingebaut werden, die weit entfernt sind von der Einspritzdüse zur Wassereinspritzung, zum Beispiel aus Platzgründen, im Hinterbau des Kraftfahrzeugs, im Bereich des Kofferraums oder unter diesem.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass sowohl der Vorlauf als auch der Rücklauf mittels einer elektrischen Heizeinrichtung erwärmbar ist. Das hat den Vorteil, dass, zum Beispiel zu Beginn der Betriebszeit des Verbrennungsmotors, wenn der Rekuperator noch keine Wärme zur Verfügung stellt, das Wasser bereits erwärmt werden, beziehungsweise vorher ein Auftauvorgang stattfinden kann.
Wenn die Wasserleitung aus zwei konzentrischen Röhren gebildet ist, wovon ein Innenrohr den Vorlauf und ein Außenrohr den Rücklauf bildet, hat das, gegenüber zwei nebeneinander positionierten Röhren den Vorteil eines besseren Wirkungsgrades bezüglich der Wärmeausnutzung. Es ist Wärme auf einfache Weise ohne Zwischenräume oder Isolierköper vom Rücklauf auf den Vorlauf übertragbar. Selbstverständlich ist auch vom Schutzumfang umfasst, wenn Innenrohr und Außenrohr bezüglich Rücklauf und Vorlauf vertauscht sind.
Für ein besonders gutes Ansprechen der Einspritzeinrichtung beim Starten des Verbrennungsmotors, bei kalter Witterung ist vorteilhaft, wenn die elektrische Heizeinrichtung wenigstens abschnittsweise einen Außenumfang des Vorlaufs und/oder des Rücklaufs umgibt.
Ein automatisch gesteuertes Umschalten der Förderrichtung der Wasserförderpumpe, abhängig von der Betriebsanforderung an die Einspritzeinrichtung, ist ebenfalls von Vorteil. Des Weiteren ebenso ein bezüglich einer an den Rücklauf abzugebenden Wärmemenge abschalt- oder steuer- oder regelbarer Wärmeübertrager. Dadurch kann unter anderem die Wassertemperatur im Wasservorratsbehälter gesteuert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt, schematisch gezeichnet, eine Einspritzeinrichtung für Wasser in einen Verbrennungsmotor mit einem Behälter zur Speicherung von Wasser und mit einer Heizeinrichtung nach der Erfindung.
Die Figur zeigt, schematisch vereinfacht, für einen nicht gezeichneten Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit Brennräumen, in die ein Einspritzventil mit jeweils einer Einspritzdüse 1 mündet, diese als Bestandteil einer Wassereinspritzeinrichtung, die weiterhin einen Wasservorratsbehälter 2 sowie eine Wasserleitung 3 umfasst. Die Wasserleitung 3 ist mittels nicht dargestellten Anschlüssen sowohl mit dem Wasservorratsbehälter 2, als auch mit der Einspritzdüse 1 verbunden. Infolgedessen ist bei geöffneten Ventilen aufgrund einer eingebauten Wasserförderpumpe 4 ein Strömen von Wasser aus dem Wasservorratsbehälter 2 durch die Wasserleitung 3 zur Einspritzdüse 1 und von dort in die Brennräume oder alternativ in eine Luftansaugeinrichtung des Verbrennungsmotors möglich. Hierbei ist die Einspritzdüse 1 derart ausgestaltet, dass das Wasser im Brennraum oder in der Luftansaugeinrichtung zerstäubt wird.
Der Verbrennungsmotor weist ferner einen nicht gezeichneten Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager 5 auf, mit dem Abwärme des Verbrennungsmotors auf das Wasser der Einspritzeinrichtung übertragen werden kann. Dazu ist der insbesondere als Rekuperator ausgebildete Wärmeübertrager 5 verbrennungsmotornah in einen Vorlauf 6 der Wasserleitung 3, möglichst nah an der Einspritzdüse 1, so eingebaut, dass er, einen Rücklauf 7 bildend, Abwärmeenergie des Verbrennungsmotors auf den Vorlauf 6 und auf den Rücklauf 7 überträgt, wobei dieser letztlich im Wasservorratsbehälter 2 endet. Dabei umgibt der Rücklauf 7 auf einem Teil seiner Länge den Vorlauf 6 konzentrisch und die Wasserförderpumpe 4 ist in den Vorlauf 6 eingebaut, integriert in den Wasservorratsbehälter 2.
Alternativ und nicht gezeichnet ist es ist auch möglich, den Vorlauf und den Rücklauf in zwei Wasserleitungen nebeneinander paarig in enger Nachbarschaft einander wärmeabgebend anzuordnen. Durch Abwärmeenergie des Verbrennungsmotors erhitztes Wasser des Rücklaufs erwärmt dann über die beiden Schlauchleitungen von Rück- und Vorlauf das Einspritzwasser im Vorlauf, da aufgrund der engen Nachbarschaftsanordnung der Schlauchleitungen Wärmeenergie auf das Vorlaufwasser übergeht.
In allen Ausführungsformen können die Schlauchleitungen bzw. die Wasserleitung 3 von einer elektrischen Heizeinrichtung 8 umgeben sein. Diese erhitzt das Wasser in Fällen, wo durch den Wärmeübertrager 5 zu wenig oder keine Wärmeenergie zur Verfügung gestellt wird, das heißt, zumindest beim Starten des Kraftfahrzeugs, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als 0 Grad Celsius. Es kann vorgesehen werden, dass die elektrische Heizeinrichtung 8 in solchen Fällen zeitlich bereits vor dem Anlassen des Verbrennungsmotors betrieben wird, ausgelöst zum Beispiel durch einen Schalter, der durch Öffnen einer Fahrzeugtür betätigt wird oder mittels einer Fernbedienung, die durch den Fahrer betätigbar ist oder automatisch, beim Annähern eines Funksenders an das Kraftfahrzeug, betätigt wird.
Die Förderrichtung der Wasserförderpumpe 4 ist umschaltbar, symbolisch dargestellt durch einen Doppelpfeil 9 auf der symbolisch dargestellten Wasserförderpumpe 4.
Um die herrschende Umgebungstemperatur bei der Steuerung der Heizeinrichtung berücksichtigen zu können, ist der Wärmeübertrager 5 bezüglich der an den Rücklauf 7 abzugebenden Wärmemenge abschalt- oder Steuer- oder regelbar ausgebildet. Dazu ist es auch möglich, die Heizeinrichtung 8, zum Beispiel im Wasservorratsbehälter 2 oder an einer anderen besonders geeigneten Stelle, mit einem nicht gezeichneten Temperatursensor auszustatten und mit diesem, über eine Steuereinrichtung im Bedarfsfall sowohl die elektrische Heizeinrichtung 8, als auch den Wärmeübertager 5 bezüglich der abzugebenden Wärmemenge anzusteuern, damit, spätestens wenn die Umgebungstemperatur geringer als 0 °C ist, die Wasserleitung 3 mit Wärme aus einer der beiden Wärmequellen beaufschlagt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006014527 A1 [0003]
DE 102006017399 A1 [0005]

Claims

Einspritzeinrichtung zur Einspritzung von Wasser letztlich in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, diese bestehend wenigstens aus einem Wasservorratsbehälter (2), einer Wasserförderpumpe (4), einer Wasserleitung (3) vom Wasservorratsbehälter (2) zu einer Einspritzdüse (1) und einer Heizeinrichtung für das Wasser mittels Wärmeübetrager (5), unter Verwendung von heißem Kühlmittel aus dem Verbrennungsmotorkühlkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (3) so ausgebildet ist, dass diese einen Vorlauf (6) vom Wasservorratsbehälter (2) zur Einspritzdüse (1) und einen vom Vorlauf (6) abzweigenden Rücklauf (7) durch den Wärmeübertrager (5) zur Erwärmung des Wassers und nachfolgender Rückförderung in den Wasservorratsbehälter (2) besitzt.
Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (6) und/oder der Rücklauf (7) mittels einer elektrischen Heizeinrichtung (8) erwärmbar sind.
Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (3) aus zwei konzentrischen Röhren gebildet ist, wovon ein Innenrohr den Vorlauf (6) und ein Außenrohr den Rücklauf (7) bildet.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (8) wenigstens abschnittsweise einen Außenumfang des Vorlaufs (6) und/oder des Rücklaufs (7) umgibt.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderrichtung (9) der Wasserförderpumpe (4) umschaltbar ist.
Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (5) bezüglich einer an den Rücklauf (7) abzugebenden Wärmemenge abschalt- oder Steuer- oder regelbar ist.