DE102018200034A1

DE102018200034A1 - Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018200034A1
Application number: DE102018200034.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Eichhorn; Andreas Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-03
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung (1) und eine die Wassereinspritzvorrichtung (1) umfassende Brennkraftmaschine (100). Die Wassereinspritzvorrichtung (1) umfasst einen Wassertank (90) zur Speicherung von Wasser, wenigstens einen ersten Wasserinjektor (2) und gegebenenfalls einen zweiten Wasserinjektor (3) zum Einspritzen des Wassers, eine Steuereinrichtung (4), welche eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor (2) und den zweiten Wasserinjektor (3) zu steuern, wobei der erste Wasserinjektor (2) eingerichtet ist, Wasser in Strömungsrichtung (a) von Verbrennungsluft in einem Saugrohr (21) stromab eines Verbrennungsluft-Verdichters (5) in die Verbrennungsluft einzuspritzen, und wobei der zweite Wasserinjektor (3) eingerichtet ist, Wasser direkt in einen Brennraum (20) oder in das Saugrohr (21) an einer Position in Strömungsrichtung (A) stromab des ersten Wasserinjektors (2) einzuspritzen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine.
Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist z.B. aus der WO 2014/080266 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, bei dem das Wasser in den Massenstrom der Abgasrückführung eingespritzt wird.
Ein Problem bei bekannten Wassereinspritzsystemen, welche Wasser ausschließlich in ein Saugrohr oder direkt in einen Brennraum einspritzen, ist die hohe Wassermenge, welche erforderlich ist, um die erwünschten Effekte zu erzielen. Durch eine unvollständige Verdunstung von Wasser nach der Einspritzung werden beispielsweise angrenzende Bauteile von Wasser benetzt. Dabei werden zwar die benetzten Bauteile gekühlt, jedoch wird der Kühleffekt auf die Verbrennungsluft verringert. Somit müssen sehr hohe Wassermengen eingespritzt werden, um ausreichend Wasser zu verdunsten und die positiven Effekte einer Wassereinspritzung nutzen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber Vorteil auf, dass eine optimierte Verdunstung von in Verbrennungsluft eingespritztem Wassers erzielt wird und die benötigte Wassermenge reduziert wird. Dies wird durch eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine erreicht, welche einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, wenigstens einen ersten Wasserinjektor und einen zweiten Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers und eine Steuereinrichtung, welche eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor und den zweiten Wasserinjektor zu steuern, umfasst. Der erste Wasserinjektor ist eingerichtet, Wasser stromab eines Verbrennungsluft-Verdichters in die Verbrennungsluft einzuspritzen. Betrachtet wird dabei eine Strömungsrichtung der Verbrennungsluft in einem Saugrohr. Insbesondere kann das Einspritzen nahe oder unmittelbar stromab des Verbrennungsluft-Verdichters erfolgen, in einem Bereich, in welchem die Verbrennungsluft aufgrund der Verdichtung im Verbrennungsluft-Verdichter eine hohe Temperatur aufweist. Der Verbrennungsluft-Verdichter kann beispielsweise ein Verdichter eines Turboladers sein. Der zweite Wasserinjektor ist eingerichtet, Wasser direkt in einen Brennraum oder in das Saugrohr an einer Position in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft stromab des ersten Wasserinjektors einzuspritzen. Insbesondere kann das Einspritzen mittels des zweiten Wasserinjektors in das Saugrohr unmittelbar stromauf des Brennraums erfolgen. Das Einspritzen des Wassers mit dem ersten Wasserinjektor stromab des Verbrennungsluft-Verdichters wirkt sich besonders vorteilhaft auf eine Maximierung des Massenanteils an Wasser in der Verbrennungsluft aus. Die Verbrennungsluft weist nach dem Austritt aus dem Verbrennungsluft-Verdichter eine hohe Temperatur auf, welche beispielsweise über 80°C liegen kann. Somit ist im Vergleich zum Einspritzen an einer weiter stromab liegenden Position, insbesondere unmittelbar stromauf des Brennraums, wo die Verbrennungsluft niedrige Temperaturen aufweist, eine deutlich schnellere Verdunstung des eingespritzten Wassers und zudem ein gesteigertes Aufnahmevermögen von Wasser in der Verbrennungsluft möglich. Die einzuspritzende Wassermenge, um durch Verdunstung des Wassers eine bestimmte Kühlung der Verbrennungsluft zu erreichen, wird somit erheblich reduziert. Mittels des zweiten Wasserinjektors wird gegebenenfalls zusätzliches Wasser für eine weitere Erhöhung der Wassermenge in der Verbrennungsluft eingespritzt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfasst die Wassereinspritzvorrichtung ferner wenigstens einen Sensor zur Bestimmung eines Feuchtegehalts und/oder einer Temperatur von Verbrennungsluft im Saugrohr nach dem Einspritzen des Wassers mittels des ersten Wasserinjektors. Dabei ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den ersten Wasserinjektor derart zu steuern, dass die Verbrennungsluft nach dem Einspritzen des Wassers einen Feuchtegehalt von 100% relativer Feuchte aufweist. Durch die Bestimmung des Feuchtegehalts der Verbrennungsluft und einer entsprechenden Steuerung des Wasserinjektors mittels der Steuereinrichtung, kann besonders effizient eine maximal mögliche Wassermenge in die Verbrennungsluft eingespritzt und verdampft werden. Beispielsweise ist es auch möglich, weitere Sensoren vorzusehen. So können Temperatursensoren verwendet werden, um die Temperaturen des Wassers, der Verbrennungsluft vor dem Einspritzen des Wassers, der Verbrennungsluft stromauf des Brennraums und/oder der Umgebung zu messen. Mittels der Steuereinrichtung kann aus diesen Temperaturen beispielsweise der Feuchtegehalt der Verbrennungsluft und die erforderliche einzuspritzende Wassermenge für eine relative Feuchte von 100% nach dem Einspritzen berechnet werden.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Wasserinjektor eingerichtet ist, Wasser entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft einzuspritzen. Durch eine im Vergleich zu einem Einspritzen in Strömungsrichtung größere Relativbewegung des eingespritzten Wassers und der Verbrennungsluft zueinander wird eine schnelle und vollständige Verdunstung des Wassers begünstigt.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den ersten Wasserinjektor derart zu steuern, dass das Einspritzen des Wassers kontinuierlich erfolgt. Dabei ist eine besonders einfache Ansteuerung des Wasserinjektors möglich. Die einzuspritzende Wassermenge kann beispielsweise durch eine Variation eines Wasserdrucks vor dem Wasserinjektor gesteuert werden.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den ersten Wasserinjektor derart zu steuern, dass das Einspritzen des Wassers diskontinuierlich erfolgt. Dabei können beispielsweise mehrere Einspritzungen gleichmäßig verteilt erfolgen. Hierdurch ist es möglich, die einzuspritzende Wassermenge weiter zu reduzieren.
Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verbrennungsluft-Verdichter und einer Wassereinspritzvorrichtung. Dabei kann der erste Wasserinjektor eingerichtet sein, Wasser stromab des Verbrennungsluft-Verdichters, beispielsweise eines Verdichters eines Turboladers der Brennkraftmaschine, in die Verbrennungsluft einzuspritzen. Der zweite Wasserinjektor kann eingerichtet sein, Wasser an einer Position stromab des ersten Wasserinjektors in ein Saugrohr, oder direkt in den Brennraum einzuspritzen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Brennkraftmaschine ferner einen Ladeluftkühler umfasst, wobei der erste Wasserinjektor eingerichtet ist, Wasser zwischen dem Verbrennungsluft-Verdichter und dem Ladeluftkühler einzuspritzen. Das Einspritzen von Wasser zwischen Verbrennungsluft-Verdichter und Ladeluftkühler wirkt sich besonders günstig auf eine effiziente Kühlung der Verbrennungsluft durch das beim Einspritzen verdunstende Wasser aus. Zudem ist es durch das Einspritzen des Wassers in die heiße Verbrennungsluft nach dem Verbrennungsluft-Verdichter und vor dem Ladeluftkühler besonders vorteilhaft möglich, genau so viel Wasser einzuspritzen und zu verdampfen, dass nach dem Abkühlen im Ladeluftkühler eine relative Feuchte von 100% vorliegt.
Besonders bevorzugt ist der erste Wasserinjektor eingerichtet, Wasser in eine erste Saugrohrstrecke zwischen dem Verbrennungsluft-Verdichter und dem Ladeluftkühler einzuspritzen. Der zweite Wasserinjektor ist dabei eingerichtet, Wasser in eine zweite Saugrohrstrecke zwischen dem Ladeluftkühler und einem Brennraum oder direkt in den Brennraum einzuspritzen. Besonders effizient wird der Betrieb der Brennkraftmaschine durch zwei Effekte. Zum einen kann durch die optimierte Verdampfung des Wassers durch das Einspritzen mit dem ersten Wasserinjektor eine bessere Abkühlung der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum erzielt werden. Weiterhin kann durch eine möglichst hohe relative Feuchte der Verbrennungsluft der gesamte Massenanteil von Wasser in der Verbrennungsluft und dadurch die Ladungsmasse im Brennraum erhöht werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und die Temperaturbelastung der Bauteile bei hohen Lasten sinkt.
Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschine ferner eine Rücklaufleitung. Die Rücklaufleitung verbindet den Ladeluftkühler mit dem Wassertank, zur Rückleitung von im Ladeluftkühler kondensiertem Wasser. Dadurch kann überschüssiges Wasser, welches nicht mehr von der mit Wasser gesättigten Verbrennungsluft aufgenommen werden kann, wiederverwendet werden. Dadurch kann die Effizienz der Wassereinspritzvorrichtung und somit der Brennkraftmaschine weiter gesteigert werden.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Figur beschrieben. In der Figur sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsform der Erfindung
Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 100 mit einer Wassereinspritzvorrichtung 1 und einem Verbrennungsluft-Verdichter 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Verbrennungsluft strömt in Strömungsrichtung A von dem Verbrennungsluft-Verdichter 5, welcher die Verbrennungsluft komprimiert, in eine erste Saugrohrstrecke 11. In der ersten Saugrohrstrecke 11 wird in die Verbrennungsluft Wasser mittels eines ersten Wasserinjektors 2 eingespritzt. Der erste Wasserinjektor 2 ist derart eingerichtet, dass das Einspritzen des Wassers entgegen der Strömungsrichtung A der Verbrennungsluft erfolgt.
Durch die Komprimierung der Verbrennungsluft im Verbrennungsluft-Verdichter 5 weist diese in der ersten Saugrohrstrecke 11 eine sehr hohe Temperatur auf. Dadurch wird das eingespritzte Wasser effizient verdampft. Somit kann eine große Wassermenge eingespritzt werden, ohne dass das Wasser in flüssigem Zustand vorliegt.
Nach dem Einspritzen des Wassers strömt die Verbrennungsluft in einen Ladeluftkühler 6, wo diese gekühlt wird, und anschließend in eine zweite Saugrohrstrecke 12. Die erste und die zweite Saugrohrstrecke 12 bilden in dem Ausführungsbeispiel ein Saugrohr 21, welches die Verbrennungsluft in einen Brennraum 20 der Brennkraftmaschine 100 leitet. In der zweiten Saugrohrstrecke 12 befindet sich eine Drosselklappe 15 zur Regulierung der in den Brennraum 20 strömenden Verbrennungsluft.
Mittels eines zweiten Wasserinjektors 3 wird weiteres Wasser in die zweite Saugrohrstrecke 12 an einer Position stromab des Ladeluftkühlers 6 und unmittelbar stromauf des Brennraum 20 eingespritzt. Dadurch kann die gesamte Wassermenge in der Verbrennungsluft im Brennraum 20 weiter erhöht werden.
Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 4, welche eingerichtet ist, die beiden Wasserinjektoren 2, 3 zu steuern. Dabei wird insbesondere die jeweils einzuspritzende Wassermenge mittels der Steuereinrichtung 4 gesteuert.
Der erste Wasserinjektor 2 wird derart gesteuert, dass das Einspritzen des Wassers kontinuierlich erfolgt.
Die Steuereinrichtung 4 ist zudem eingerichtet den ersten Wasserinjektor 2 in Abhängigkeit von Messwerten von Sensoren 7, 8, 9, 10 zu steuern. Diese sind dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel Temperatursensoren. Ein erster Sensor 7 erfasst die Temperatur der Verbrennungsluft stromab des Verbrennungsluft-Verdichters 5 und noch vor dem Einspritzen des Wassers. Ein zweiter Sensor 8 erfasst die Temperatur der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung A nach dem Ladeluftkühler 6 und vor der Drosselklappe 15. Weiterhin erfassen ein dritter Sensor 9 die Wassertemperatur in einem Wassertank 90, welcher das einzuspritzende Wasser speichert, und ein vierter Sensor 10 eine Umgebungstemperatur.
Mittels der Steuereinrichtung 4 kann somit basierend auf den Temperaturen genau die gewünschte einzuspritzende Wassermenge bestimmt und gesteuert werden. Dabei kann der erste Wasserinjektor 2 derart gesteuert werden, dass die Verbrennungsluft am Eintritt des Ladeluftkühlers 6 eine relative Feuchte von 100% aufweist. In diesem Fall kondensiert durch die Kühlwirkung des Ladeluftkühlers 6 ein Teil des Wasserdampfes in der Verbrennungsluft innerhalb des Ladeluftkühlers 6 zu Wasser. Das kondensierte Wasser wird in einer Rücklaufleitung 95, welche ein Ventil 93 aufweist, vom Ladeluftkühler 6 zu dem Wassertank 90 zurückgeführt. Eine Pumpe ist dabei nicht erforderlich, da aufgrund der Komprimierung der Verbrennungsluft im Verbrennungsluft-Verdichter 5 ein Druckgefälle vom Ladeluftkühler 6 zum Wassertank 90 vorliegt.
Weiterhin ist es bevorzugt auch möglich, den ersten Wasserinjektor 2 derart zu steuern, dass genau so viel Wasser eingespritzt wird, dass in Strömungsrichtung A unmittelbar stromab des Ladeluftkühlers 6 eine relative Feuchte der Verbrennungsluft von 100% vorliegt, wobei kein Wasser im Ladeluftkühler 6 kondensiert.
Eine Bereitstellung des Wassers an die beiden Wasserinjektoren 2, 3 erfolgt mit einer Wasserpumpe 91, welche mittels der Steuereinrichtung 4 gesteuert wird. Die Wasserpumpe 91 ist innerhalb des Wassertanks 90 angeordnet. Weiterhin ist in dem Wassertank 90 ein Filter 92 zur Filterung des Wassers angeordnet. Durch die Anordnung dieser Teile im Inneren des Wassertanks 90 ergibt sich eine besonders platzsparende und einfach zu montierende Konfiguration der Wassereinspritzvorrichtung 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/080266 A1 [0002]

Claims

Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend: - einen Wassertank (90) zur Speicherung von Wasser, - wenigstens einen ersten Wasserinjektor (2) und einen zweiten Wasserinjektor (3) zum Einspritzen des Wassers, - eine Steuereinrichtung (4), welche eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor (2) und den zweiten Wasserinjektor (3) zu steuern, - wobei der erste Wasserinjektor (2) eingerichtet ist, Wasser bezüglich einer Strömungsrichtung (A) von Verbrennungsluft in einem Saugrohr (21) stromab eines Verbrennungsluft-Verdichters (5) in die Verbrennungsluft einzuspritzen, und - wobei der zweite Wasserinjektor (3) eingerichtet ist, Wasser direkt in einen Brennraum (20) oder in das Saugrohr (21) an einer Position in Strömungsrichtung (A) stromab des ersten Wasserinjektors (2) einzuspritzen.
Wassereinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend wenigstens einen Sensor (7) zur Bestimmung eines Feuchtegehalts und/oder einer Temperatur von Verbrennungsluft im Saugrohr (21) nach dem Einspritzen des Wassers mittels des ersten Wasserinjektors (2), wobei die Steuereinrichtung (4) eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor (2) derart zu steuern, dass die Verbrennungsluft nach dem Einspritzen des Wassers einen Feuchtegehalt von 100% relativer Feuchte aufweist.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wasserinjektor (2) eingerichtet ist, Wasser bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung (A) der Verbrennungsluft einzuspritzen.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (4) eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor (2) derart zu steuern, dass das Einspritzen des Wassers kontinuierlich erfolgt.
Wassereinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (4) eingerichtet ist, den ersten Wasserinjektor (2) derart zu steuern, dass das Einspritzen des Wassers diskontinuierlich erfolgt.
Brennkraftmaschine umfassend einen Verbrennungsluft-Verdichter (5) und eine Wassereinspritzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Ladeluftkühler (6), welcher in Strömungsrichtung (A) der Verbrennungsluft im Saugrohr (21) nach dem Verbrennungsluft-Verdichter (5) angeordnet ist, wobei der erste Wasserinjektor (2) eingerichtet ist, Wasser zwischen dem Verbrennungsluft-Verdichter (5) und dem Ladeluftkühler (6) in die Verbrennungsluft einzuspritzen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei der erste Wasserinjektor (2) eingerichtet ist, Wasser in eine erste Saugrohrstrecke (11) zwischen dem Verbrennungsluft-Verdichter (5) und dem Ladeluftkühler (6) einzuspritzen, und wobei der zweite Wasserinjektor (3) eingerichtet ist, Wasser in eine zweite Saugrohrstrecke (12) zwischen dem Ladeluftkühler (6) und einem Brennraum (20) oder direkt in den Brennraum (20) einzuspritzen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, ferner umfassend eine Rücklaufleitung (95), wobei die Rücklaufleitung (95) den Ladeluftkühler (6) mit dem Wassertank (90) verbindet, zur Rückleitung von im Ladeluftkühler (6) kondensiertem Wasser.