DE102018209135A1 - Internal combustion engine with water injection and method for operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Wassereinspritzsystem (2) und einem Kraftstoffeinspritzsystem (3), umfassend einen Kraftstoffinjektor (32), welcher direkt an einem Brennraum (10) angeordnet ist, und einen Wasserinjektor (22), welcher an einem Saugbereich (8) der Brennkraftmaschine angeordnet ist, um Wasser in den Saugbereich (8) einzuspritzen, wobei der Kraftstoffinjektor eingerichtet ist, ausschließlich Kraftstoff direkt in den Brennraum einzuspritzen oder mit dem Wassereinspritzsystem (2) verbunden zu werden, um ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch in den Brennraum einzuspritzen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.The present invention relates to an internal combustion engine having a water injection system (2) and a fuel injection system (3), comprising a fuel injector (32), which is arranged directly on a combustion chamber (10), and a water injector (22), which at a suction region (8 ) of the internal combustion engine is arranged to inject water into the suction region (8), wherein the fuel injector is arranged to inject only fuel directly into the combustion chamber or to be connected to the water injection system (2) to a fuel-water mixture in the combustion chamber inject. Furthermore, the invention relates to a method for operating an internal combustion engine.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Wassereinspritzsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung.The present invention relates to an internal combustion engine with a water injection system and a method for operating an internal combustion engine with water injection.
Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzsystemen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Durch eine Wassereinspritzung kann hierbei eine Reduzierung einer Klopfneigung und eine Senkung von Abgastemperaturen erreicht werden. Bekannt sind hierbei üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme, welche die Wassereinspritzung ermöglichen. Hierbei ist beispielsweise aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass im Vergleich mit bekannten Wassereinspritzsystemen insbesondere eine Einsparung von eingespritztem Wasser möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine ein Wassereinspritzsystem und ein Kraftstoffeinspritzsystem aufweist, wobei ein Kraftstoffinjektor direkt an einem Brennraum angeordnet ist. Hierdurch kann eine Direkteinspritzung verwirklicht werden. Das Wassereinspritzsystem umfasst ferner einen separaten Wasserinjektor, welcher an einem Saugbereich der Brennkraftmaschine angeordnet ist, um Wasser in den Saugbereich einzuspritzen. Der Kraftstoffinjektor ist nun derart eingerichtet, um entweder ausschließlich Kraftstoff direkt in den Brennraum einzuspritzen oder mit dem Wassereinspritzsystem verbunden zu werden, um auch Gemisch aus Kraftstoff und Wasser direkt in den Brennraum einzuspritzen. Das Gemisch ist hierbei eine Emulsion von Kraftstoff und Wasser, wobei durch die Direkteinspritzung von Wasser in den Brennraum ein höherer Wirkungsgrad bei der Wassereinspritzung ermöglicht wird, so dass insgesamt Wasser eingespart werden kann. Somit kann eine Kraftstoff-Wasser-Emulsions-Einspritzung direkt in einen Brennraum mit einer Saugrohr-Wassereinspritzung kombiniert werden.The internal combustion engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that, in comparison with known water injection systems in particular a saving of injected water is possible. This is inventively achieved in that the internal combustion engine comprises a water injection system and a fuel injection system, wherein a fuel injector is arranged directly on a combustion chamber. As a result, a direct injection can be realized. The water injection system further includes a separate water injector disposed at a suction region of the internal combustion engine to inject water into the suction region. The fuel injector is now configured to either inject only fuel directly into the combustion chamber or to be connected to the water injection system to also inject mixture of fuel and water directly into the combustion chamber. The mixture is in this case an emulsion of fuel and water, whereby a higher efficiency in the water injection is made possible by the direct injection of water into the combustion chamber, so that a total of water can be saved. Thus, a fuel-water emulsion injection can be combined directly into a combustion chamber with intake manifold water injection.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Vorzugsweise weist das Wassereinspritzsystem eine Wasserleitung auf, welche einen Wassertank mit dem Wasserinjektor verbindet. Hierbei ist eine von der Wasserleitung abzweigende Wasserverbindungsleitung vorgesehen, wobei ein Dosierventil in der Wasserverbindungsleitung angeordnet ist, um eine Verbindung zum Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen oder zu unterbinden. Hierdurch kann bei geöffnetem Dosierventil Wasser in das Kraftstoffeinspritzsystem zugeführt werden und somit eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion über den Kraftstoffinjektor direkt in den Brennraum eingespritzt werden.Preferably, the water injection system has a water pipe connecting a water tank to the water injector. Here, a branched from the water line water connection line is provided, wherein a metering valve is arranged in the water connection line to provide a connection to the fuel injection system or to prevent. As a result, water can be supplied to the fuel injection system when the metering valve is open, and thus a fuel-water emulsion can be injected directly into the combustion chamber via the fuel injector.
Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem eine Kraftstoffpumpe, um Kraftstoff zum Kraftstoffinjektor zuzuführen, wobei die Wasserverbindungsleitung an der Kraftstoffpumpe mündet und somit Wasser zur Kraftstoffpumpe zuführen kann. Somit wird eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Wasser beim Zuführen von Wasser zur Kraftstoffpumpe erreicht.Preferably, the fuel injection system comprises a fuel pump to supply fuel to the fuel injector, wherein the water connection line opens at the fuel pump and thus can supply water to the fuel pump. Thus, a good mixing of fuel and water when supplying water to the fuel pump is achieved.
Weiter bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das Dosierventil zu öffnen und zu schließen. Die Steuereinheit öffnet vorzugsweise das Dosierventil dann, wenn ein Klopfen der Brennkraftmaschine erfasst wird oder die Gefahr eines Klopfens erkannt wird. More preferably, the internal combustion engine comprises a control unit which is set up to open and close the metering valve. The control unit preferably opens the metering valve when a knocking of the internal combustion engine is detected or the risk of knocking is detected.
Die Kraftstoffpumpe ist vorzugsweise eine Hochdruckpumpe, um ein hohes Druckniveau für die Einspritzung über den Kraftstoffinjektor bereitzustellen.The fuel pump is preferably a high pressure pump to provide a high pressure level for injection via the fuel injector.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, bei einem Wasserbedarf der Brennkraftmaschine sowohl den Wasserinjektor zu öffnen als auch gleichzeitig das Dosierventil zu öffnen. Hierdurch wird eine sehr kurze Ansprechzeit der Wassereinspritzung ermöglicht, da durch die Wassereinspritzung in das Saugrohr sofort Wasser in den Brennraum zugeführt werden kann, so dass eine Zeitspanne, in welcher das in den Kraftstoffkreislauf zugeführte Wasser bis zum Kraftstoffinjektor gelangt, überbrückt werden kann. Bedingt durch das hydraulische Volumen im Kraftstoffeinspritzsystem von dem Punkt, in welchem das Wasser in das Kraftstoffeinspritzsystem zugeführt wird, bis zum Kraftstoffinjektor kann dieser Vorgang mehrere Sekunden betragen.More preferably, the control unit is set up to both open the water injector when a water requirement of the internal combustion engine and at the same time to open the metering valve. As a result, a very short response time of the water injection is possible because water can be supplied into the combustion chamber immediately by the water injection into the intake manifold, so that a period of time in which the fed into the fuel circuit water reaches the fuel injector, can be bridged. Due to the hydraulic volume in the fuel injection system from the point at which the water is supplied to the fuel injection system to the fuel injector, this process can take several seconds.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Otto-Brennkraftmaschine.The internal combustion engine is preferably an Otto internal combustion engine.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Otto-Brennkraftmaschine. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann hierbei ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch mittels eines Kraftstoffinjektors direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden und ferner kann auch Wasser mittels eines Wasserinjektors in einen Saugbereich der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Der Kraftstoffinjektor ist ferner derart eingerichtet, auch ausschließlich Kraftstoff in den Brennraum direkt einzuspritzen. Somit kann eine Kombination einer Saugrohreinspritzung von Wasser und einer Direkteinspritzung von Wasser in Form einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion in den Brennraum ermöglicht werden, wobei ein bereits vorhandener Kraftstoffinjektor auch für die Wassereinspritzung nutzbar ist. Furthermore, the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular an Otto internal combustion engine. In the method according to the invention, in this case a fuel-water mixture can be injected by means of a fuel injector directly into a combustion chamber of the internal combustion engine and also water can be injected by means of a water injector in a suction region of the internal combustion engine. The fuel injector is further configured to also inject only fuel directly into the combustion chamber. Thus, a combination of a port injection of water and a direct injection of water in the form of a fuel-water emulsion can be made possible in the combustion chamber, wherein an existing fuel injector is also available for the water injection.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass bei einem Wasserbedarf Wasser zuerst mittels des Wasserinjektors in den Saugbereich der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierdurch kann eine Zeitspanne überbrückt werden, in welcher das Wasser von einem Wassereinspeisepunkt in das Kraftstoffeinspritzsystem bis zum Kraftstoffinjektor zugeführt ist.The method according to the invention is preferably configured in such a way that, when water is required, water is first injected into the suction region of the internal combustion engine by means of the water injector. In this way, a time span can be bridged, in which the water is supplied from a water feed point in the fuel injection system to the fuel injector.
Weiter bevorzugt erfolgt bei einem Wasserbedarf der Brennkraftmaschine eine Einspritzung von Wasser gleichzeitig durch den Wasserinjektor in den Saugbereich der Brennkraftmaschine als auch durch eine Direkteinspritzung eines Kraftstoff-Wasser-Gemischs mittels des Kraftstoffinjektors direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Hierdurch kann insbesondere eine große Wassermenge in den Brennraum zugeführt werden, wobei zur Wassereinspritzung in dem separaten Wasserinjektor zusätzlich auch der Kraftstoffinjektor verwendet werden kann.With a water requirement of the internal combustion engine, it is also preferable for water to be injected simultaneously through the water injector into the intake region of the internal combustion engine as well as through direct injection of a fuel-water mixture by means of the fuel injector directly into the combustion chamber of the internal combustion engine. In this way, in particular a large amount of water can be supplied into the combustion chamber, wherein for the injection of water in the separate water injector in addition, the fuel injector can be used.
Besonders bevorzugt wird eine Einspritzung von Wasser mittels des Wasserinjektors beendet, wenn bestimmt wird, dass eine Menge von eingespritztem Wasser, welche durch das Kraftstoff-Wasser-Gemisch über den Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, ausreichend ist. Hierdurch kann ein hoher Wasserverbrauch vermieden werden, da ein höherer Wirkungsgrad durch die Wasserdirekteinspritzung in den Brennraum ermöglicht wird.More preferably, injection of water by means of the water injector is terminated when it is determined that an amount of injected water injected through the fuel-water mixture via the fuel injector is sufficient. As a result, a high water consumption can be avoided because a higher efficiency is made possible by the direct water injection into the combustion chamber.
Weiter bevorzugt wird nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine eine Wasserpumpe durch Umkehr einer Förderrichtung der Wasserpumpe betrieben, um Wasser aus der Wasserleitung zurück in einen Wassertank zu führen. Hierdurch können insbesondere Schäden durch ein Gefrieren des Wassers im Wassereinspritzsystem vermieden werden.Further preferably, after a shutdown of the internal combustion engine, a water pump is operated by reversing a conveying direction of the water pump in order to lead water from the water line back into a water tank. As a result, in particular damage can be avoided by freezing the water in the water injection system.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
2 eine schematische Schnittansicht eines Teils der Brennkraftmaschine von1 .
-
1 a schematic view of an internal combustion engine according to a preferred embodiment of the invention, and -
2 a schematic sectional view of a part of the internal combustion engine of1 ,
Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Die Brennkraftmaschine
Das Wassereinspritzsystem
Wie aus
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe
Wie weiter aus
Wie aus
Die Wasser-Verbindungsleitung
Somit kann bei der Brennkraftmaschine
Das Dosierventil
Da erfindungsgemäß die Einspritzung von Wasser unmittelbar vor dem Einlassventilen
Weiterhin kann erfindungsgemäß über den Kraftstoffinjektor
Sobald dann Wasser zusammen mit dem Kraftstoff über den Kraftstoffinjektor
Somit kann die Brennkraftmaschine
Wenn die Brennkraftmaschine
Somit kann die Brennkraftmaschine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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