DE102018008914A1

DE102018008914A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und Einspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102018008914A1
Application number: DE102018008914.3A
Authority: DE
Inventors: Normann Freisinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in wenigstens einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (14) Luft und Kraftstoff eingebracht werden, und bei welchem Wasser (12) in den wenigstens einen Brennraum (16) eingebracht wird. Dem Wasser (12) wird Kohlendioxid zugesetzt, und das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser (12) wird in den wenigstens einen Brennraum (16) eingebracht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einspritzvorrichtung (10) zum Einbringen von Wasser (12) in wenigstens einen Brennraum (16) einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff eingebracht werden, und bei welchem Wasser in den wenigstens einen Brennraum eingebracht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einspritzvorrichtung zum Einbringen von Wasser in wenigstens einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Eine Wassereinspritzung in eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird unter anderem vorgenommen, um eine Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine zu verringern. Als Klopfen wird eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung von Kraftstoff bei als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen bezeichnet. Das Einspritzen von Wasser in die Verbrennungskraftmaschine zur Verringerung einer Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Klopfen auftritt, bringt jedoch zwei wesentliche technische Probleme mit sich. Einerseits ist es aufgrund der Stoffeigenschaften von Wasser schwer, eine gute Gemischaufbereitung zu erreichen. Zum anderen gefriert Wasser bei 0 Grad Celsius. Deswegen ist eine Verwendung von Wasser in einer Einspritzvorrichtung, welche zum Einbringen des Wassers in die Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius nicht ohne Weiteres möglich.
Die DE 10 2015 208 472 A1 beschäftigt sich mit dem Problemkreis eines möglichen Einfrierens eines Wassersystems, vor allem wenn ein Fahrzeug abgestellt wird, und beschreibt eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine. Die Wassereinspritzvorrichtung umfasst eine erste Leitung, welche von einem Wassertank zu einer Pumpe der Wassereinspritzvorrichtung führt, und eine zweite Leitung, welche von der Pumpe zu einem Einspritzventil führt. Über das Einspritzventil kann Wasser in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Um ein Entleeren der Leitungen und des Einspritzventils beim Abstellen der Brennkraftmaschine zu unterstützen, kann eine Steuereinheit die Pumpe auch rückwärts betreiben.
Eine weitere Möglichkeit, eine Gefrierpunktserniedrigung von Wasser zu erreichen, welches in eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingebracht werden soll, besteht darin, dem Wasser Alkohol beizumengen. Wesentliche Nachteile sind hierbei zum einen, dass Alkohol an der Verbrennung teilnimmt, und zum anderen, dass durch die Zugabe von Alkohol die Wirksamkeit des Wassers im Hinblick auf das Verringern der Klopfneigung beziehungsweise auf die Klopffestigkeitserhöhung reduziert wird.
Um die Möglichkeit des Einfrierens des Wassers zu verhindern, ist auch eine Beheizung des Wassers möglich. Die Nachteile hierbei sind jedoch ein hoher technischer Aufwand, ein hoher Energieverbrauch und hohe Kosten. Darüber hinaus tragen weder das Zugeben von Alkohol in das Wasser noch das Beheizen des Wassers zum Zwecke eines Verhinderns des Einfrierens dazu bei, dass die Gemischbildung verbessert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einerseits eine höhere Klopffestigkeit mit sich bringt und andererseits bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser eine bessere Verfügbarkeit des Wassers, sowie eine entsprechend verbesserte Einspritzvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs werden in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff eingebracht. Des Weiteren wird in den wenigstens einen Brennraum Wasser eingebracht. Dem Wasser wird Kohlendioxid zugesetzt, und das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser wird in den wenigstens einen Brennraum eingebracht. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung von kohlendioxidhaltigem Wasser einerseits der Gefrierpunkt des Wassers verringert werden kann. Entsprechend lässt sich das Einfrieren des Wassers besser vermeiden.
Folglich ist auch bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser eine bessere Verfügbarkeit des Wassers erreicht.
Andererseits wird durch die Verwendung von mit Kohlendioxid versetztem Wasser, welches in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, eine Verbesserung der das Klopfen mindernden Eigenschaften des Wassers erreicht. Dementsprechend bringt die Verwendung des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine höhere Klopffestigkeit der Verbrennungskraftmaschine mit sich. Zudem trägt die Verwendung des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers zu einer Verbesserung der Gemischbildung beim Einbringen des Wassers in den wenigstens einen Brennraum, also bei der Wassereinspritzung bei.
Unter dem Zusetzen des Kohlendioxids zu dem Wasser soll vorliegend ein Erhöhen des Kohlendioxidgehalts des Wassers über den Gehalt hinaus verstanden werden, welcher sich aufgrund eines Kontakts des Wassers mit atmosphärischer Luft einstellt. Dementsprechend enthält das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser mehr Kohlendioxid als dies allein aufgrund eines Kontakts des Wassers mit atmosphärischer Luft der Fall wäre. Denn dem Wasser ist Kohlendioxid zugesetzt. Das Zusetzen von Kohlendioxid wird in der Getränkeindustrie beziehungsweise bei der Getränkeherstellung als Karbonisierung bezeichnet und beschreibt auch hier das Einpressen von Kohlendioxid in eine Flüssigkeit, wobei sich der größte Teil des Kohlendioxids in der Flüssigkeit als Gas löst und lediglich ein geringer Anteil des Kohlendioxids mit Wasser zu Kohlensäure reagiert.
Vorliegend macht man sich den Umstand zunutze, dass bei dem Einbringen von Wasser in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Einspritzdrücke von wenigstens 5 bar verwendet werden. Wird das Wasser in ein Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt, so liegen üblicherweise verwendete Drücke, mit welchen das Wasser in das Saugrohr eingebracht wird, im Bereich von etwa 7 bar bis etwa 10 bar. Die Tendenz ist hierbei steigend, sodass auch bei einer Einspritzung von Wasser in das Saugrohr zunehmend höhere Drücke verwendet werden. Wenn das Wasser nicht zunächst in das Saugrohr und somit über das Saugrohr in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, sondern direkt in den Brennraum eingespritzt wird, so findet die Einspritzung von Wasser sogar bei Drücken von etwa 160 bar oder sogar noch höheren Drücken statt.
Dadurch, dass das Wasser mit derartig hohen Drücken von in der Regel über 5 bar in den Brennraum eingebracht wird, ist es möglich, in dem Wasser eine vergleichsweise große Menge an Kohlendioxid zu lösen. Beispielsweise beträgt die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur des Wassers von 20 Grad Celsius etwa 1,8 Gramm CO₂ in 1000 Gramm Wasser. Bei einem Druck von 25 bar lassen sich demgegenüber schon etwa 32,3 Gramm Kohlendioxid in 1000 Gramm Wasser lösen, welches eine Temperatur von 20 Grad Celsius aufweist. Um den Gefrierpunkt des Wassers von 0 Grad Celsius auf etwa -5 Grad Celsius zu senken, ist es daher bereits ausreichend, etwa 7,5 Gramm Kohlendioxid in 1000 Gramm Wasser einzubringen, also dem Wasser eine Menge von 7,5 Gramm Kohlendioxid zuzusetzen. Je nach der Temperatur des Wassers sind hierfür bereits Drücke von 6 bis 7 bar ausreichend. Dem Wasser kann jedoch auch mehr oder weniger als die vorliegend beispielhaft genannte Menge an Kohlendioxid zugesetzt sein, um das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser zu erhalten.
Gelangt nun das kohlendioxidhaltige Wasser in das Saugrohr beziehungsweise direkt in den Brennraum, so gast nach dem Einbringen oder Einspritzen des Wassers in das Saugrohr oder direkt in den Brennraum das Kohlendioxid aus. Dies verbessert die Gemischaufbereitung deutlich.
Selbst bei einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher aufgrund einer Aufladung im Saugrohr ein höherer Druck eingestellt wird, beispielsweise durch Betreiben eines Abgasturboladers und/oder eines Kompressors, liegt der Druck im Saugrohr lediglich bei etwa 2 bar. Wird das Wasser hingegen mit einem Druck von 5 bar oder mehr, beispielsweise also mit einem Druck von etwa 10 bar, in das Saugrohr eingebracht, so ist das Druckgefälle ausreichend, dass es zu einem Ausgasen des Kohlendioxids kommt.
Das frei werdende Kohlendioxid wirkt als Inertgas im Hinblick auf die Verbrennung klopfreduzierend, es verringert somit die Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine. Zudem wirkt sich das Kohlendioxid durch seine Stoffeigenschaften positiv auf die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem wenigstens einen Brennraum aus.
Es werden also durch das Zusetzen des Kohlendioxids zu dem in den wenigstens einen Brennraum einzubringenden Wasser sowohl eine Gefrierpunktserniedrigung des Wassers als auch eine Klopffestigkeitserhöhung der Verbrennungskraftmaschine erreicht.
Vorzugsweise wird das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser in einem Wassertank einer Einspritzvorrichtung des Kraftfahrzeugs bevorratet. Dadurch ist dafür gesorgt, dass ein Gefrierpunkt des sich in dem Wassertank befindenden Wassers verringert ist.
Dem Wasser kann das Kohlendioxid zugesetzt werden, wenn es sich in dem Wassertank befindet. Zusätzlich oder alternativ kann bereits mit Kohlendioxid versetztes Wasser in den Wassertank eingebracht werden.
Vorzugsweise wird in dem Wassertank ein Druck eingestellt, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck. Durch die Auslegung des Wassertanks als Drucktank kann einerseits dafür gesorgt werden, dass das kohlendioxidhaltige Wasser in dem Kraftfahrzeug transportiert werden kann, ohne dass übermäßig viel Kohlendioxid aus dem Wasser ausgast, bevor das Wasser in den wenigstens einen Brennraum eingebracht ist. Zudem kann dann auch kohlendioxidhaltiges Wasser in den Wassertank eingebracht werden. Der Wassertank kann also mit kohlendioxidhaltigem Wasser betankt werden.
An einem Anschluss des Wassertanks kann ein Behältnis angebracht werden, in welchem unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert ist. Hierbei wird durch das Anbringen des Behältnisses an dem Anschluss aus dem Behältnis Kohlendioxid freigesetzt und in den Wassertank eingebracht. Beispielsweise kann beim Anbringen des Behältnisses an dem Anschluss des Wassertanks eine das Behältnis verschließende Kappe durchstoßen werden, sodass aus dem Behältnis das unter Druck stehende Kohlendioxid freigesetzt wird.
Dadurch ist es ermöglicht, handelsübliche Behältnisse wie etwa Kohlendioxidkapseln beziehungsweise Kohlendioxidpatronen zu verwenden, um dem Wasser das Kohlendioxid zuzusetzen. Derartige Behältnisse etwa mit einem Inhalt von 16 Gramm Kohlendioxid oder 88 Gramm Kohlendioxid werden beispielsweise in mit Kohlendioxid betriebenen Waffen verwendet und sind dadurch einfach und aufwandsarm verfügbar. Des Weiteren können auch Behältnisse in Form von Gaskartuschen verwendet werden, wie sie zum Aufsprudeln von Trinkwasser verwendet werden, also um durch den Zusatz von Kohlendioxid zu Leitungswasser aus dem Leitungswasser ein kohlensäurehaltiges Tafelwasser zu erzeugen. Auch die Verwendung derartiger handelsüblicher Behältnisse zum Anbringen an dem Anschluss des Wassertanks vereinfacht das Zusetzen des Kohlendioxids zu dem Wasser.
Zwischen dem Anschluss und einem Aufnahmeraum des Wassertanks für das Wasser kann ein Druckminderer angeordnet sein, mittels welchem sich in dem Wassertank auch bei geöffnetem Behältnis ein im Wesentlichen konstanter Druck einstellen lässt. Dies ist im Hinblick auf den Betrieb der Einspritzvorrichtung des Kraftfahrzeugs vorteilhaft.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Anbringen des Behältnisses an dem Anschluss des Wassertanks kann an einen Leitungsanschluss des Wassertanks eine Leitung angeschlossen werden, über welche Kohlendioxid in den Wassertank eingebracht wird. Über einen derartigen Leitungsanschluss kann also das Kohlendioxid dem Wasser zugesetzt werden, etwa durch Tanken an einer Tankstelle, welche mit einem entsprechenden Gastank und der Leitung ausgestattet ist, die mit dem Leitungsanschluss verbunden werden kann. Dadurch kann ein Nutzer des Kraftfahrzeugs bei Bedarf den Kohlendioxidgehalt des in dem Wassertank bevorrateten Wassers erhöhen. Ein solches Erhöhen des Kohlendioxidgehalts des in dem Wassertank bevorrateten Wassers ist im Übrigen auch möglich, indem der Nutzer oder eine andere Person an dem wenigstens einen Anschluss des Wassertanks das Behältnis anbringt.
Das Kohlendioxid kann über die Leitung auch aus einem Gastank des Kraftfahrzeugs bezogen werden, in welchem unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert ist. Dann braucht der Nutzer des Kraftfahrzeugs keine Tankstelle aufsuchen, um den Kohlendioxidgehalt des in dem Wassertank bevorrateten Wassers zu erhöhen. Vielmehr kann in dem Gastank eine besonders große Menge an Kohlendioxid mit dem Kraftfahrzeug mitgeführt werden. Zudem ist es dann nicht erforderlich, den Wassertank derart auszustatten, dass er zum Zwecke des Einbringens von unter Druck stehendem Kohlendioxid in das Wasser mit handelsüblichen Behältnissen verbunden werden kann.
In der Leitung kann ein Druckminderer angeordnet sein, um dafür zu sorgen, dass der Druck in dem Wassertank im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Das Einbringen des Kohlendioxids aus dem Gastank in den Wassertank kann insbesondere mittels einer Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs durch Öffnen eines Ventils bewerkstelligt werden.
Vorzugsweise wird in dem Wassertank ein Gasvolumen ausgebildet, welches mit dem Kohlendioxid beaufschlagt wird. Mit anderen Worten wird also der Wassertank bevorzugt nicht vollständig mit Wasser befüllt. Vielmehr verbleibt in dem Wassertank ein Restvolumen, in welchem sich insbesondere das Kohlendioxid befindet. Das Beaufschlagen des Gasvolumens mit dem Kohlendioxid kann durch direktes Einleiten des Kohlendioxids in das Gasvolumen und/oder durch Einleiten des Kohlendioxids in das Wasser bewerkstelligt werden.
Vorzugsweise wird durch das Einbringen des Kohlendioxids in das Gasvolumen in dem Wassertank ein Druck eingestellt, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck. Insbesondere kann ein Druck von mehr als 5 bar in dem Wassertank eingestellt werden, beispielsweise ein Druck von etwa 7 bar bis etwa 10 bar. Das Einstellen eines derartigen Drucks in dem Gasvolumen führt dazu, dass auf eine Pumpeinrichtung verzichtet werden kann, mittels welcher üblicherweise das Wasser aus dem Wassertank hin zu dem wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird. Denn der Druck in dem Gasvolumen ist ausreichend, um das Einbringen des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu bewirken. Der in dem Gasvolumen herrschende Druck ist nämlich ausreichend zum Fördern des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers in den wenigstens einen Brennraum. Dies macht die zum Einbringen des Wassers in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Einspritzvorrichtung besonders aufwandsarm.
Vorzugsweise wird mittels des wenigstens eines Drucksensors ein in dem Wassertank vorliegender Druck erfasst. Dies ermöglicht es, den in dem Wassertank vorliegenden Druck unter Verwendung der Messwerte des Drucksensors zu regeln. So kann einerseits sichergestellt werden, dass aufgrund des in dem Wassertank herrschenden Drucks eine gewünschte Menge an Kohlendioxid dem Wasser zugesetzt wird. Andererseits kann so sichergestellt werden, dass es nicht aufgrund des in dem Wassertank herrschenden Drucks zu einer Beschädigung des Wassertanks kommt.
Zusätzlich oder alternativ kann mittels wenigstens eines Gassensors ein Gehalt an Kohlendioxid in dem sich in dem Wassertank befindenden Wasser erfasst werden. Hierbei wird in Abhängigkeit von dem Gehalt an Kohlendioxid das Einbringen des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers in den wenigstens einen Brennraum freigegeben. Beispielsweise kann ein in einer Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs abgelegtes Auswerteprogramm anhand des Kohlendioxidgehalts des sich in dem Wassertank befindenden Wassers, insbesondere unter Berücksichtigung des Drucks und der Temperatur in dem Wassertank, den Gefrierpunkt des Wassers ermitteln und die einzuspritzende Wassermenge in Abhängigkeit des Kohlendioxidgehalts berechnen. Der Gefrierpunkt des Wassers wird dann vorzugsweise als Eingangsgröße für eine Freigabe verwendet, dass tatsächlich Wasser in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden darf. So wird dafür gesorgt, dass lediglich dann das Wasser in die Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs eingespritzt wird, wenn das Wasser in dem Wassertank nicht gefroren vorliegt. Des Weiteren kann so insbesondere sichergestellt werden, dass bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einbringen von Wasser in den wenigstens einen Brennraum aufgrund des Gefrorenseins des Wassers in dem Wassertank noch nicht möglich ist, die Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine auf anderem Wege verringert werden. Dies kann etwa durch ein Anfetten des Luft-Kraftstoff-Gemischs und/oder durch eine Lastrücknahme der Verbrennungskraftmaschine geschehen.
Vorzugsweise wird anhand des Gehalts an Kohlendioxid ein Gefrierpunkt des Wassers ermittelt, wobei einem Nutzer des Kraftfahrzeugs der Gefrierpunkt und/oder eine mit dem Gefrierpunkt im Zusammenhang stehende Meldung kommuniziert wird. Wenn dem Nutzer des Kraftfahrzeugs kommuniziert wird, welchen Gefrierpunkt das sich in dem Wassertank befindende Wasser aufweist, so kann der Nutzer Maßnahmen ergreifen, um den Gefrierpunkt des Wassers zu erniedrigen, etwa indem dem Wasser mehr CO₂ zugesetzt wird. Dies kann beispielsweise vorbeugend vorgenommen werden, wenn in der nahen Zukunft mit sehr niedrigen Umgebungstemperaturen zu rechnen ist.
Des Weiteren kann dem Fahrer als mit dem Gefrierpunkt in Zusammenhang stehende Meldung etwa kommuniziert werden, dass ein Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nicht möglich ist, da kein aufgetautes, mit dem Kohlendioxid versetztes Wasser zur Verfügung steht, welches mittels der Einspritzvorrichtung in den wenigstens einen Brennraum des Kraftfahrzeugs eingebracht werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann dem Nutzer kommuniziert werden, dass ein Volllastbetrieb lediglich unter Inkaufnahme eines höheren Kraftstoffverbrauchs möglich ist, als dies bei einer Verfügbarkeit von Wasser zum Einbringen in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine der Fall wäre. Ein solch erhöhter Kraftstoffverbrauch kann beispielsweise dadurch bewirkt sein, dass bei Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine und in dem Wassertank noch nicht aufgetaut vorliegendem Wasser die Verbrennungskraftmaschine mit einem fetteren Gemisch betrieben wird, also ein Verbrennungsluftverhältnis kleiner 1 eingestellt wird.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser aufgetaut wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass kohlendioxidhaltiges, in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzubringendes Wasser bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen nicht sofort nach dem Kaltstart betriebsbereit beziehungsweise aufgetaut vorzuliegen braucht. Denn das Einbringen von Wasser in eine insbesondere als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine findet insbesondere bei einem Volllastbetrieb statt, um eine Reduzierung der Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen.
Ein Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart ist bei sehr niedrigen Außentemperaturen jedoch eher selten. Dies liegt daran, dass die Straßenverhältnisse bei Außentemperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt meist schlechter sind als bei Außentemperaturen oder Umgebungstemperaturen über dem Gefrierpunkt. Der Fahrer fährt daher intuitiv das Kraftfahrzeug zunächst einmal warm. Wenn dennoch in einer Ausnahmesituation die Verbrennungskraftmaschine direkt nach dem Kaltstart mit Volllast betrieben werden sollte, dann kann durch ein Anfetten des Luft-Kraftstoff-Gemischs und/oder durch eine Lastrücknahme, also durch eine Verringerung der Last der Verbrennungskraftmaschine, eine Verringerung der Stickoxidemissionen der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.
Auch im Hinblick auf die durch das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser erreichbare Erhöhung der Klopffestigkeit der Verbrennungskraftmaschine ist es ausreichend, das kohlendioxidhaltige Wasser nach dem Kaltstart erst langsam aufzutauen. Denn das kohlendioxidhaltige Wasser erhöht zwar die Klopffestigkeit der Verbrennungskraftmaschine, jedoch ist bei niedriger Temperatur der Verbrennungskraftmaschine die Klopfneigung grundsätzlich geringer als bei hohen Temperaturen der Verbrennungskraftmaschine. Es ist daher weniger stark einschränkend, wenn bei niedrigen Außentemperaturen nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine das dem Erhöhen der Klopffestigkeit dienende kohlendioxidhaltige Wasser nicht sofort verfügbar ist, weil das kohlendioxidhaltige Wasser noch nicht aufgetaut ist.
Das langsame Auftauen des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers beziehungsweise des kohlendioxidhaltigen Wassers nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere mittels der (im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs zunächst zunehmenden) Wärme einer Kühlflüssigkeit erreicht werden, mit welcher die Verbrennungskraftmaschine zu Kühlzwecken beaufschlagt wird.
Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung ist zum Einbringen von Wasser in wenigstens einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. In den wenigstens einen Brennraum sind Luft und Kraftstoff einbringbar. Hierbei enthält wenigstens eine Komponente der Einspritzvorrichtung Wasser, welchem Kohlendioxid zugesetzt ist, und mittels der Einspritzvorrichtung ist das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser in den wenigstens einen Brennraum einbringbar. Dementsprechend ist eine verbesserte Einspritzvorrichtung geschaffen, mittels welcher sich einerseits eine höhere Klopffestigkeit der Verbrennungskraftmaschine erreichen lässt und andererseits auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser eine bessere Verfügbarkeit des Wassers vorliegt. Bei der wenigstens einen Komponente der Einspritzvorrichtung kann es sich insbesondere um einen Wassertank der Einspritzvorrichtung handeln.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung und umgekehrt.
Insbesondere umfasst die Einspritzvorrichtung wenigstens einen Auslass, insbesondere wenigstens eine Düse, welcher beziehungsweise welche in ein Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine und/oder in den wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mündet. Über diesen Auslass kann das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser in den wenigstens einen Brennraum eingebracht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 stark schematisiert eine Einspritzvorrichtung zum Einbringen von Wasser in eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Wassertank der Einspritzvorrichtung einen Anschluss zum Anschließen einer Kohlendioxidpatrone aufweist;
2 eine Variante der Einspritzvorrichtung, bei welcher der Wassertank der Einspritzvorrichtung mit einem Gastank des Kraftfahrzeugs verbunden ist, in welchem unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert ist; und
3 eine weitere Variante der Einspritzvorrichtung, bei welcher der Wassertank über eine Leitung mit Kohlendioxid beaufschlagt wird.

In 1 ist stark schematisiert eine Einspritzvorrichtung 10 eines Kraftfahrzeugs gezeigt, mittels welcher sich mit Kohlendioxid versetztes Wasser 12 in eine Verbrennungskraftmaschine 14 des Kraftfahrzeugs einbringen lässt. Die vorliegend lediglich schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 14 weist eine Mehrzahl von Zylindern mit jeweiligen Brennräumen 16 auf, welche ebenfalls lediglich schematisch gezeigt sind. Über ein Saugrohr 18 der Verbrennungskraftmaschine 14 wird im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 den Zylindern und somit auch den Brennräumen 16 Luft zugeführt. Das bei der Verbrennung der Luft und von Kraftstoff in den Brennräumen 16 gebildete Abgas wird über eine Abgasleitung 20 abgeführt.
Das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser 12 kann in das Saugrohr 18 eingespritzt werden und über dieses weiter in den jeweiligen Brennraum 16 gelangen. Zusätzlich oder alternativ kann das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser 12 unmittelbar in den jeweiligen Brennraum 16 eingespritzt werden. Diese vorstehend beschriebenen Arten des Einbringens des Wassers 12 in den jeweiligen Brennraum 16 dienen einerseits einer Verringerung einer Neigung der Verbrennungskraftmaschine 14 zum Klopfen und einem Schutz von, insbesondere in der Abgasleitung 20 angeordneten, Komponenten vor unerwünscht hohen thermischen Belastungen. Zudem wird beispielsweise in einem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 das Wasser 12 in die Brennräume 16 eingebracht, um Stickoxidemissionen der Verbrennungskraftmaschine 14 zu verringern.
Vorliegend wird dem Wasser 12 Kohlendioxid zugesetzt und so das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser 12 erhalten. Der durch das Zusetzen des Kohlendioxids erhöhte Kohlendioxidgehalt des Wassers 12 bringt mehrere Vorteile mit sich. Einerseits wird die Gemischbildung bei der Einspritzung des Wassers 12 in die Verbrennungskraftmaschine 14 verbessert.
Zudem verbessert das Kohlendioxid die klopfmindernden Eigenschaften, welche durch das Einbringen des Wassers 12 in die Verbrennungskraftmaschine 14 erreicht werden sollen. Denn das in dem Wasser 12 enthaltene Kohlendioxid gast nach dem Einspritzen des Wassers 12 etwa in das Saugrohr 18 (oder direkt in den wenigstens einen Brennraum 16) aus. Dies verbessert die Gemischaufbereitung. Des Weiteren wirkt das frei werdende Kohlendioxid als Inertgas klopfreduzierend beziehungsweise die Klopffestigkeit der Verbrennungskraftmaschine 14 erhöhend. Darüber hinaus wirkt sich das frei werdende CO2 aufgrund seiner Stoffeigenschaften positiv auf die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 16 aus.
Das Wasser 12 wird vorliegend in einem Wassertank 22 der Einspritzvorrichtung 10 bevorratet. Das Einbringen des Kohlendioxids in das Wasser 12, welches sich in dem Wassertank 22 befindet, führt zudem zu einer vorteilhaften Erniedrigung des Gefrierpunkts des Wassers 12. Beispielsweise reicht bereits ein Gehalt von 7,5 Gramm Kohlendioxid in 1000 Gramm Wasser aus, um den Gefrierpunkt des Wassers von 0 Grad Celsius auf etwa -5 Grad Celsius zu verringern. Bei 20 Grad Celsius beträgt die Löslichkeit von Kohlendioxid bei einem Druck von 1 bar in dem Wassertank 22 etwa 1,8 Gramm in 1000 Gramm Wasser. Bei einem Druck von 25 bar und 20 Grad Celsius liegt die Löslichkeit von Kohlendioxid bereits bei etwa 32,3 Gramm pro 1000 Gramm Wasser.
Das Zusetzen des Kohlendioxids zu dem sich in dem Wassertank 22 befindenden Wasser 12 kann beispielsweise erreicht werden, indem an einem Anschluss 24 des Wassertanks 22 ein Behältnis 26 in Form einer Kohlendioxidkapsel oder Kohlendioxidpatrone angebracht wird. In dem Behältnis 26 ist somit unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert. Beim Anbringen des Behältnisses 26 an dem Anschluss 24 wird aus dem Behältnis 26 Kohlendioxid freigesetzt, welches daraufhin in den Wassertank 22 gelangt. Ein vorliegend schematisch gezeigter Druckminderer 28 kann hierbei dafür sorgen, dass der Druck in dem Wassertank 22 konstant gehalten wird. Über einen Drucksensor 30 kann der in dem Wassertank 22 vorliegende Druck erfasst werden. Durch Ansteuern des Druckminderers 28 etwa mittels einer in 1 schematisch gezeigten Steuerungseinrichtung 32 der Einspritzvorrichtung 10 kann der Druck in dem Wassertank 22 auf einen gewünschten Wert eingestellt und/oder geregelt werden.
Vorzugsweise wird der Wassertank 22 nicht vollständig mit Wasser 12 befüllt, sondern in dem Wassertank 22 wird ein Gasvolumen 34 ausgebildet, welches insbesondere von dem in dem Wassertank 22 eingebrachten Kohlendioxid eingenommen wird. Wenn in dem Gasvolumen 34 ein Druck von beispielsweise mehr als 5 bar herrscht, so kann auf eine Pumpe verzichtet werden, um das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser 12 aus dem Wassertank 22 über eine Verbindungsleitung 36 der Einspritzvorrichtung 10 hin zu einem Auslass 38 der Einspritzvorrichtung 10 zu fördern, welcher insbesondere als Düse ausgebildet sein kann. Es kann dann darauf verzichtet werden, die Einspritzvorrichtung 10 mit einer Pumpe auszustatten, um das Wasser von dem Wassertank 22 hin zu dem Auslass 38 zu fördern.
In dem Wassertank 22 kann ein Gassensor 40 angeordnet sein, um den Kohlendioxidgehalt des Wassers 12 zu erfassen, welches sich in dem Wassertank 22 befindet. Ein beispielsweise in der Steuerungseinrichtung 32 abgelegtes Auswerteprogramm kann dann basierend auf dem Kohlendioxidgehalt den Gefrierpunkt des Wassers 12 ermitteln, insbesondere errechnen. Basierend auf dem Gefrierpunkt des Wassers 12 kann die Steuerungseinrichtung 32 dann das Einbringen von Wasser 12 in den wenigstens einen Brennraum 16 der Verbrennungskraftmaschine 14 freigeben. Der Gefrierpunkt des Wassers 12 kann also als Eingangsgröße für die Freigabe der Wassereinspritzung verwendet werden. Zudem kann einem Nutzer des Kraftfahrzeugs der Gefrierpunkt des Wassers 12 angezeigt beziehungsweise kommuniziert werden. Dann kann der Fahrer beziehungsweise ein derartiger Nutzer des Kraftfahrzeugs oder eine andere Person beispielsweise dafür sorgen, dass durch Einbringen von mehr Kohlendioxid in das Wasser 12 der Gefrierpunkt des Wassers 12 weiter verringert wird.
Die in 2 schematisch gezeigte Variante der Einspritzvorrichtung 10 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Variante. Zusätzlich oder alternativ zu dem Anschluss 24 zum Anbringen des Behältnisses 26 kann der Wassertank 22 dementsprechend über eine als Gasleitung ausgebildete Leitung 42 mit einem Gastank 44 des Kraftfahrzeugs verbunden sein. In dem Gastank 44 der Einspritzvorrichtung 10 ist unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert. Die Gasleitung kann an einem Leitungsanschluss 46 an den Wassertank 22 angeschlossen sein. Auch bei der in 2 gezeigten Variante der Einspritzvorrichtung 10 ist vorzugsweise der Druckminderer 28 vorgesehen, damit der Druck in dem Wassertank 22 im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.
In 3 ist eine weitere Variante der Einspritzvorrichtung 10 gezeigt. Dementsprechend kann zusätzlich oder alternativ an den Leitungsanschluss 46 eine Leitung 48 angeschlossen werden, über welche von einer ortsfesten, also nicht zu dem Kraftfahrzeug gehörenden Einrichtung 50 Kohlendioxid bezogen werden kann, welches dann in das Wasser 12 in dem Wassertank 22 eingebracht wird. Bei der Einrichtung 50 kann es sich beispielsweise um einen Gasspeicher handeln, welcher an einer Tankstelle oder dergleichen Einrichtung zur Verfügung steht, um eine Zufuhr von Kohlendioxid in das Wasser 12 zu ermöglichen, welches sich in dem Wassertank 22 befindet. Der Nutzer des Kraftfahrzeugs kann also auch eine derartige Tankstelle aufsuchen und die Leitung 48 an den Leitungsanschluss 46 anschließen, um dann das Versetzen des Wassers 12 mit dem Kohlendioxid zu bewirken. Der auch bei dieser Variante der Einspritzvorrichtung 10 vorzugsweise vorgesehene Druckminderer 28 ist in 3 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Verwendung des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers 12 einerseits eine Verbesserung der Gemischbildung und eine Klopffestigkeitserhöhung der Verbrennungskraftmaschine 14 und andererseits eine Gefrierpunktserniedrigung des Wassers 12 erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Einspritzvorrichtung
12: Wasser
14: Verbrennungskraftmaschine
16: Brennraum
18: Saugrohr
20: Abgasleitung
22: Wassertank
24: Anschluss
26: Behältnis
28: Druckminderer
30: Drucksensor
32: Steuerungseinrichtung
34: Gasvolumen
36: Verbindungsleitung
38: Auslass
40: Gassensor
42: Leitung
44: Gastank
46: Leitungsanschluss
48: Leitung
50: Einrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015208472 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in wenigstens einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (14) Luft und Kraftstoff eingebracht werden, und bei welchem Wasser (12) in den wenigstens einen Brennraum (16) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser (12) Kohlendioxid zugesetzt wird und das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser (12) in den wenigstens einen Brennraum (16) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser (12) in einem Wassertank (22) einer Einspritzvorrichtung (10) des Kraftfahrzeugs bevorratet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wassertank (22) ein Druck eingestellt wird, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Anschluss (24) des Wassertanks (22) ein Behältnis (26) angebracht wird, in welchem unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert ist, wobei durch das Anbringen des Behältnisses (26) an dem Anschluss (24) aus dem Behältnis (26) Kohlendioxid freigesetzt und in den Wassertank (22) eingebracht wird, und/oder an einen Leitungsanschluss (46) des Wassertanks (22) eine Leitung (42, 48) angeschlossen wird, über welche Kohlendioxid in den Wassertank (22) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid über die Leitung (42) aus einem Gastank (44) des Kraftfahrzeugs bezogen wird, in welchem unter Druck stehendes Kohlendioxid gespeichert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wassertank (22) ein Gasvolumen (34) ausgebildet wird, welches mit dem Kohlendioxid beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens eines Drucksensors (30) ein in dem Wassertank (22) vorliegender Druck erfasst wird und/oder mittels wenigstens eines Gassensors (40) ein Gehalt an Kohlendioxid in dem sich in dem Wassertank (22) befindenden Wasser (12) erfasst wird, wobei in Abhängigkeit von dem Gehalt an Kohlendioxid das Einbringen des mit dem Kohlendioxid versetzten Wassers (12) in den wenigstens einen Brennraum (16) freigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Gehalts an Kohlendioxid ein Gefrierpunkt des Wassers (12) ermittelt wird, wobei einem Nutzer des Kraftfahrzeugs der Gefrierpunkt und/oder eine mit dem Gefrierpunkt in Zusammenhang stehende Meldung kommuniziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine (14) das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser (12) aufgetaut wird.
Einspritzvorrichtung zum Einbringen von Wasser (12) in wenigstens einen Brennraum (16) einer Verbrennungskraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs, wobei in den wenigstens einen Brennraum (16) Luft und Kraftstoff einbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komponente (22) der Einspritzvorrichtung (10) Wasser (12) enthält, welchem Kohlendioxid zugesetzt ist, wobei mittels der Einspritzvorrichtung (10) das mit dem Kohlendioxid versetzte Wasser (12) in den wenigstens einen Brennraum (16) einbringbar ist.