DE102018200034A1 - Water injection device of an internal combustion engine - Google Patents
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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.The invention relates to a water injection device (1) and an internal combustion engine (100) comprising the water injection device (1). The water injection device (1) comprises a water tank (90) for storing water, at least one first water injector (2) and optionally a second water injector (3) for injecting the water, a control device (4) which is set up, the first water injector ( 2) and the second water injector (3), wherein the first water injector (2) is arranged to inject water in the flow direction (a) of combustion air in a suction pipe (21) downstream of a combustion air compressor (5) into the combustion air, and wherein the second water injector (3) is arranged to inject water directly into a combustion chamber (20) or into the suction pipe (21) at a position in the flow direction (A) downstream of the first water injector (2).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine.The present invention relates to a water injection device of an internal combustion engine and such an internal combustion engine.
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
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.A problem with known water injection systems which inject water exclusively into a suction pipe or directly into a combustion chamber is the large amount of water required to achieve the desired effects. Due to incomplete evaporation of water after the injection, for example, adjacent components are wetted by water. Although the wetted components are cooled, but the cooling effect is reduced to the combustion air. Thus, very high amounts of water must be injected in order to evaporate enough water and to be able to use the positive effects of water injection.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.The water injection device of an internal combustion engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an optimized evaporation of injected water in combustion air water is achieved and the required amount of water is reduced. This is achieved by a water injection device of an internal combustion engine comprising a water tank for storing water, at least a first water injector and a second water injector for injecting the water, and a control device configured to control the first water injector and the second water injector. The first water injector is configured to inject water downstream of a combustion air compressor into the combustion air. Considered is a flow direction of the combustion air in a suction pipe. In particular, the injection may occur near or immediately downstream of the combustion air compressor, in a region where the combustion air has a high temperature due to the compression in the combustion air compressor. The combustion air compressor may be, for example, a compressor of a turbocharger. The second water injector is configured to inject water directly into a combustion chamber or into the suction pipe at a position in the flow direction of the combustion air downstream of the first water injector. In particular, the injection can take place by means of the second water injector in the suction pipe immediately upstream of the combustion chamber. The injection of the water with the first water injector downstream of the combustion air compressor has a particularly advantageous effect on maximizing the mass fraction of water in the combustion air. After leaving the combustion air compressor, the combustion air has a high temperature, which may be above 80 ° C., for example. Thus, in comparison to the injection at a farther downstream position, in particular immediately upstream of the combustion chamber, where the combustion air has low temperatures, a much faster evaporation of the injected water and also an increased capacity of water in the combustion air is possible. The amount of water to be injected, in order to achieve a certain cooling of the combustion air by evaporation of the water, is thus considerably reduced. If necessary, additional water is injected by means of the second water injector for a further increase in the amount of water in the combustion air.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
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.Particularly preferably, the water injection device further comprises at least one sensor for determining a moisture content and / or a temperature of combustion air in the intake manifold after the injection of the water by means of the first water injector. In this case, the control device is set up to control the first water injector such that the combustion air has a moisture content of 100% relative humidity after the injection of the water. By determining the moisture content of the combustion air and a corresponding control of the water injector by means of the control device, a maximum possible amount of water can be injected and evaporated into the combustion air in a particularly efficient manner. For example, it is also possible to provide additional sensors. Thus, temperature sensors can be used to measure the temperatures of the water, the combustion air before the injection of water, the combustion air upstream of the combustion chamber and / or the environment. By means of Control device can be calculated from these temperatures, for example, the moisture content of the combustion air and the required amount of water to be injected for a relative humidity of 100% after injection.
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.Furthermore, it is particularly advantageous if the first water injector is set up to inject water counter to the flow direction of the combustion air. By relative to an injection in the direction of flow greater relative movement of the injected water and the combustion air to each other a quick and complete evaporation of the water is favored.
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.Preferably, the control device is set up to control the first water injector such that the injection of the water takes place continuously. In this case, a particularly simple control of the water injector is possible. The amount of water to be injected can be controlled, for example, by a variation of a water pressure upstream of the water injector.
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.Preferably, the control device is set up to control the first water injector such that the injection of the water takes place discontinuously. In this case, for example, several injections can be distributed evenly. This makes it possible to further reduce the amount of water to be injected.
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.Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a combustion air compressor and a water injection device. In this case, the first water injector may be configured to inject water downstream of the combustion air compressor, for example a compressor of a turbocharger of the internal combustion engine, into the combustion air. The second water injector may be configured to inject water at a position downstream of the first water injector into a suction pipe, or directly into the combustion chamber.
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.It is considered particularly advantageous if the internal combustion engine further comprises a charge air cooler, wherein the first water injector is arranged to inject water between the combustion air compressor and the intercooler. The injection of water between the combustion air compressor and intercooler has a particularly favorable effect on an efficient cooling of the combustion air through the water evaporating during the injection. In addition, by injecting the water into the hot combustion air downstream of the combustion air compressor and upstream of the charge air cooler, it is particularly advantageously possible to inject and evaporate just as much water that a relative humidity of 100% is present after cooling in the charge air cooler.
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.Particularly preferably, the first water injector is arranged to inject water into a first intake manifold between the combustion air compressor and the intercooler. The second water injector is arranged to inject water into a second intake manifold between the intercooler and a combustion chamber or directly into the combustion chamber. The operation of the internal combustion engine is particularly efficient due to two effects. On the one hand, a better cooling of the combustion air before entry into the combustion chamber can be achieved by the optimized evaporation of the water by the injection with the first water injector. Furthermore, by a high relative humidity of the combustion air, the total mass fraction of water in the combustion air and thereby the charge mass in the combustion chamber can be increased. This increases the efficiency of the internal combustion engine and the temperature load of the components at high loads decreases.
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.Preferably, the internal combustion engine further comprises a return line. The return line connects the intercooler with the water tank, for the return of condensed water in the intercooler. As a result, excess water, which can no longer be absorbed by the water-saturated combustion air, can be reused. Thereby, the efficiency of the water injection device and thus the internal combustion engine can be further increased.
Figurenlistelist of figures
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.
-
1 a simplified schematic view of an internal combustion engine with a water injection device according to an embodiment of the invention.
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
Die
Verbrennungsluft strömt in Strömungsrichtung A von dem Verbrennungsluft-Verdichter
Durch die Komprimierung der Verbrennungsluft im Verbrennungsluft-Verdichter
Nach dem Einspritzen des Wassers strömt die Verbrennungsluft in einen Ladeluftkühler
Mittels eines zweiten Wasserinjektors
Die Wassereinspritzvorrichtung
Der erste Wasserinjektor
Die Steuereinrichtung
Mittels der Steuereinrichtung
Weiterhin ist es bevorzugt auch möglich, den ersten Wasserinjektor
Eine Bereitstellung des Wassers an die beiden Wasserinjektoren
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |