DE102018208389A1

DE102018208389A1 - Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018208389A1
Application number: DE102018208389.4A
Authority: DE
Inventors: Manfred Lauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelwärmetauscher und mit einem Kraftstoffversorgungssystem mit einer in einer Kraftstoffleitung angeordneten Kraftstoffpumpe und mit einem Wasserversorgungssystem mit dem Wasser aus einem Wassertank mittels einer in einer ersten Wasserleitung angeordneten förderrichtungsumkehrbaren elektrischen Wasserpumpe der Kraftstoffleitung in Strömungsrichtung des Kraftstoffs vor der Kraftstoffpumpe dem Kraftstoff an einer Mischstelle zumischbar ist, wobei in der Wasserleitung vor der Mischstelle ein erstes Ventil angeordnet ist und vor dem ersten Ventil ist eine zweite Wasserleitung abzweigt, in der ein zweites Ventil angeordnet ist, wobei das erste Ventil ein 3/2-Wege-Ventil ist und die zweite Wasserleitung mit zumindest einem Wasserinjektor Wasser führend verbunden ist, mit dem der Kühlmittelwärmetauscher mit Wasser anspritzbar ist.Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der Kühlmittelwärmetauscher zusätzlich gekühlt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten der Patentansprüche 6 bis 9.
Die Fluideinspritzung bzw. Wassereinspritzung ist ein bekanntes Verfahren zur Leistungssteigerung oder Schadstoffreduzierung, insbesondere der NOx Rohemissionen von Brennkraftmaschinen, die nach dem Otto- oder nach dem Dieselprinzip arbeiten. Dabei wird meist in das Ansaugsystem oder direkt in den Brennraum einer häufig aufgeladenen Brennkraftmaschine Wasser oder ein Wasser-Alkoholgemisch als Fluid eingespritzt. Die verdampfende Flüssigkeit hat eine kühlende Wirkung auf die angesaugte Verbrennungsluft und vermindert somit die Verdichtungsarbeit. Die Wassereinspritzung dient jedoch nur der Leistungssteigerung, nicht der Wirkungsgradsteigerung. Weiter wird die Wassereinspritzung bei Ottobrennkraftmaschinen eingesetzt, um eine klopfende Verbrennung zu unterdrücken und damit wiederum die erzielbare Leistung zu steigern.
Die Wasserzufuhr in das Ansaugsystem ist jedoch weniger wirksam als die direkte Einspritzung in den Brennraum, da ein Teil des Kühleffekts durch die Erwärmung im Einlasskanal und am Einlassventil verloren geht.
Die direkte Mischung des Kraftstoffs mit dem Fluid ist vor allem im instationären Betrieb ungünstig, da das zugeführte Fluid erst mit Verzögerung in den Brennraum gefördert wird und nach der Abschaltung der Fluidzugabe zum Kraftstoff noch längere Zeit wirksam ist. Vor dem Abstellen der Brennkraftmaschine muss weiter bei niedrigen Umgebungstemperaturen das Kraftstoffeinspritzsystem vollständig mit reinem Kraftstoff gespült werden, da ansonsten das Einspritzsystem in nachteiliger Weise einfrieren kann.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung EP 2 653 693 A1 bekannt. In dieser wird eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinbringung direkt in den Brennraum vorgeschlagen, der von einem in einem Zylinder beweglich angeordneten Kolben, dem Zylinder und einem Zylinderkopf begrenzt ist. In dem Zylinderkopf sind Gaswechselventile für den Gaswechsel und ein Kraftstoffinjektor zur Einbringung des Kraftstoffes angeordnet sind. Weiter ist in dem Zylinderkopf ein Wasserinjektor vorgesehen, zur Einbringung von Wasser direkt in den Brennraum, wobei der Wasserinjektor derart angeordnet ist, dass in einem Brennraumbereich, in dem eine klopfende Verbrennung stattfinden kann, die Brennraumoberfläche mit Wasser anspritzbar ist. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung wird der heiße Brennraumbereich gezielt gekühlt, um eine klopfende Verbrennung sicher zu verhindern.
Zum technischen Umfeld wird weiter auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 222 471 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer Funktionseinheit eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei

- ein Füllstand in einem Tank zum Bevorraten von Wasser überwacht wird,
- wobei während der Überwachung des Füllstands in dem Tank der jeweils erfasste Füllstand mit einem vorgegebenen, minimalen Füllstandsgrenzwert verglichen wird,
- wobei, wenn aus dem jeweiligen Vergleich folgt, dass der jeweilig erfasste Füllstand den vorgegebenen minimalen Füllstandsgrenzwert unterschreitet,
- ein momentaner Massenstrom einer einen Verdampfer einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs umströmenden Luft erfasst wird,
- wobei über eine Fluidleitung ein an dem Verdampfer kondensiertes Wasser dem Tank zugeleitet wird,
- wobei ein momentaner Feuchtegehalt der den Verdampfer umströmende Luft erfasst wird,
- wobei ein momentaner Massenstrom des dem Brennraum zugeführten Wassers erfasst wird,
- wobei ein theoretischer Füllstand in dem Tank aus dem jeweilig erfassten momentanen Massenstrom der Luft den jeweilig erfassten momentanen Feuchtigkeitsgehalt der Luft und dem jeweilig erfassten momentanen Wasserstrom des Wassers modelliert wird, und
- die Funktionseinheit in Abhängigkeit des jeweilig modellierten theoretischen Füllstands und/oder eines jeweiligen Gradienten des modellierten theoretischen Füllstands betrieben wird.

Weiter ist aus der Deutschen noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2017 219 369, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine bekannt. Es wird ein Verfahren zum Verhindern des Vereisens einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beschrieben, mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe welcher neben Kraftstoff über eine Zuführleitung auch Wasser zuführbar ist.
Ferner wird eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Zur Erhöhung der Kühlleistung in Hochleistungsfahrzeugen wird der Kühlmittelwärmetauscher der Brennkraftmaschine mit Wasser angespritzt. Durch die Erhöhung des Wärmeübergangs vom Kühlmittelwärmetauscher zur Luft und den Phasenübergang des verdunstenden Wassers wird die Kühlleistung des Kühlmittelwärmetauschers deutliche erhöht. Zur Wasserförderung wird entweder eine zusätzliche Förderpumpe eingesetzt oder es wird einfach die Wassermenge der Scheibenwaschpumpe auf den Kühlmittelwärmetauscher umgeleitet.
Bei der Nutzung der Scheibenwaschpumpe wird mit Wasch- und Frostschutzmitteln kontaminiertes Wasser auf den heißen Kühlmittelwärmetauscher gespritzt, dies kann in nachteiliger Weise zur Korrosion des Wärmetauschermaterials führen. Bei Einsatz einer eigenen Pumpe für die Kühlung des Kühlmittelwärmetauschers ist ein vergleichsweise hoher Aufwand notwendig, beispielsweise für einen eigenen Wassertank, die zugehörige Verschlauchung, usw..
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannten Nachteil zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird hardwaremäßig durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 6 bis 9 gelöst.
Da eine Wassereinspritzung bei Brennkraftmaschinen in den Verbrennungsvorgang üblicher Weise entionisiertes Wasser verwendet, muss der Kühlmittelwärmetauscher nur dagegen resistent sein. D. h. alle heute üblichen Kühlmittelwärmtauscher erfüllen in vorteilhafter Weise diese Bedingung.
Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 2 bis 5 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten, zur Durchführung der nachfolgend genannten Verfahren.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 6 ist es möglich, den Kraftstoff Wasser beizumischen, um eine Kraftstoff/Wasser-Emulsion zu erhalten.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 ist es möglich den Kühlmittelwärmetauscher der Brennkraftmaschine mit Wasser anzuspritzen, um eine Kühlung des Kühlmittelwärmetauschers zu erzielen.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 8 ist es möglich gleichzeitig dem Kraftstoff Wasser beizumischen und den Kühlmittelwärmetauscher der Brennkraftmaschine mit Wasser zur Kühlung anzuspritzen.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 9 ist es möglich das gesamte Wasserversorgungssystem nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine zu entwässern, damit beispielsweise ein Einfrieren des Wasserversorgungssystems sicher verhindert ist.

1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Aufbau.

1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Aufbau für eine flüssigkeitsgekühlte, nicht dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelwärmetauscher 1 und einem Kraftstoffversorgungssystem 2 mit einer, in einer Kraftstoffleitung 3 angeordneten Kraftstoffpumpe 4. Weiter ist für die Brennkraftmaschine ein Wasserversorgungssystem 5 vorgesehen, mit dem Wasser aus einem Wassertank 6 mittels einer in einer ersten Wasserleitung 7 angeordneten förderrichtungsumkehrbaren, elektrischen Wasserpumpe 8 der Kraftstoffleitung 3 in Strömungsrichtung des Kraftstoffs vor der Kraftstoffpumpe 4 dem Kraftstoff in einer Mischstelle 9 zumischbar ist. Hierbei ist in der ersten Wasserleitung 7 vor der Mischstelle 9 ein erstes Ventil 10 angeordnet, wobei vor dem ersten Ventil 10 eine zweite Wasserleitung 11 abzweigt, in der ein zweites Ventil 12 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist das erste Ventil 10 ein Drei/Zwei-Wegeventil und die zweite Wasserleitung 11 ist mit zumindest einem Wasserinjektor 13 wasserführend verbunden, mit dem der Kühlmittelwärmetauscher 1 mit Wasser anspritzbar ist.
Der Kraftstoff wird von einer Vorförderpumpe 15 durch die Kraftstoffleitung 3 zu der Kraftstoffpumpe 4 gefördert und weiter in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in drei Kraftstoffinjektoren 16 gefördert. Selbstverständlich können mehr oder weniger Kraftstoffinjektoren 16 vorgesehen sein, je nachdem wie viele Zylinder die Brennkraftmaschine aufweist. Die Mischung von Kraftstoff und Wasser erfolgt in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vor und in der Hochdruckpumpe 4.
Weiter ist in der ersten Wasserleitung 7 ein drittes Ventil 14 vorgesehen, mit dem die erste Wasserleitung 7 abgesperrt werden kann. Das erste Ventil 10, das zweite Ventil 12, und das dritte Ventil 14 sind elektrisch ansteuerbar. Hierbei ist das erste Ventil 10 bei elektrischer Ansteuerung offen. Auch das zweite Ventil 12 ist elektrisch angesteuert offen.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind nun vier unterschiedliche Betriebsarten darstellbar:

1. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, um dem Kraftstoff Wasser beizumischen, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe 8 und
- - Elektrisches Ansteuern des ersten Ventils 10.
2. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, um den Kühlmittelwärmetauscher 1 mit Wasser anzuspritzen, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe 8 und
- - Elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils 12.
3. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, um dem Kraftstoff Wasser beizumischen und um den Kühlmittelwärmetauscher 1 mit Wasser anzuspritzen, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe 8 und
- - Elektrisches Ansteuern des ersten Ventils 10 und
- - Elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils 12.
4. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, um das Wasserversorgungssystem zu Entwässern, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe 8 mit Drehrichtungsumkehr und
- - Elektrisches Ansteuern des ersten Ventils 10 und
- - Elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils 12
- - Bis das Wasserversorgungssystem 5 entwässert ist.

Mit anderen Worten:

Das erste Ventil 10, das Drei-/Zwei-Wegeventil, schaltet in der Ruhestellung den Weg von der Pumpe 8 zum Ventil 12 frei. Zum Benetzen des Kühlmittelwärmetauschers 1 mit Wasser werden die Wasserpumpe 8 und das zweite Ventil 12 angesteuert. Zum Wassereinspritzen in die Brennkraftmaschine werden die Wasserpumpe 8 und das erste Ventil 10 angesteuert. Zum Entwässern des Gesamtsystems wird Wasserpumpe 8 im Rückwärtslauf angesteuert, dann werden das erste Ventil 10 und das zweite Ventil 12 angesteuert, bis das gesamte Wasserversorgungssystem 5 entwässert ist. Durch die dünnen Düsenbohrungen in dem Wasserinjektor 13 ist eine Verunreinigung bei einem Rücksaugen des Wassers ausgeschlossen. Da das erfindungsgemäße Wasserversorgungssystem 5 mit entionisiertem Wasser arbeitet, muss der Kühlmittelwärmetauscher 1 der Brennkraftmaschine nur hiergegen resistent sein.

Bezugszeichenliste

1.: Kühlmittelwärmetauscher
2.: Kraftstoffversorgungssystem
3.: Kraftstoffleitung
4.: Kraftstoffpumpe
5.: Wasserversorgungssystem
6.: Wassertank
7.: erste Wasserleitung
8.: Wasserpumpe
9.: Mischstelle
10.: erstes Ventil
11.: zweite Wasserleitung
12.: zweites Ventil
13.: Wasserinjektor
14.: drittes Ventil
15.: Vorförderpumpe
16.: Kraftstoffinjektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2653693 A1 [0005]
DE 102014222471 A1 [0006]

Claims

Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelwärmetauscher (1) und mit einem Kraftstoffversorgungssystem (2) mit einer in einer Kraftstoffleitung (3) angeordneten Kraftstoffpumpe (4) und mit einem Wasserversorgungssystem (5) mit dem Wasser aus einem Wassertank (6) mittels einer in einer ersten Wasserleitung (7) angeordneten förderrichtungsumkehrbaren elektrischen Wasserpumpe (8) der Kraftstoffleitung (3) in Strömungsrichtung des Kraftstoffs vor der Kraftstoffpumpe (4) dem Kraftstoff an einer Mischstelle (9) zumischbar ist, wobei in der ersten Wasserleitung (7) vor der Mischstelle (9) ein erstes Ventil (10) angeordnet ist und vor dem ersten Ventil (10) eine zweite Wasserleitung (11) abzweigt, in der ein zweites Ventil (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) ein 3/2-WegeVentil ist und die zweite Wasserleitung (11) mit zumindest einem Wasserinjektor (13) Wasser führend verbunden ist, mit dem der Kühlmittelwärmetauscher (1) mit Wasser anspritzbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) elektrisch betätigbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (12) elektrisch betätigbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) elektrisch angesteuert offen ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (12) elektrisch angesteuert offen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, um dem Kraftstoff Wasser beizumischen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe (8) und - elektrisches Ansteuern des ersten Ventils (10).
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, um den Kühlmittelwärmetauscher mit Wasser anzuspritzen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe (8) und - elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils (12).
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, um dem Kraftstoff Wasser beizumischen und um den Kühlmittelwärmetauscher mit Wasser anzuspritzen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe (8) und - elektrisches Ansteuern des ersten Ventils (10) und - elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils (12).
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, um das Wasserversorgungssystem zu entwässern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Elektrisches Ansteuern der Wasserpumpe (8) mit Drehrichtungsumkehr und - elektrisches Ansteuern des ersten Ventils (10) und - elektrisches Ansteuern des zweiten Ventils (12), - bis das Wasserversorgungssystem entwässert ist.