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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Zur Durchführung des Verfahrens kann insbesondere die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden.
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Stand der Technik
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Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen gilt es den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu optimieren, beispielsweise durch eine Erhöhung der Verdichtung oder durch Downsizing Konzepte in Kombination mit einer Turboaufladung. Bei hoher Motorlast ist jedoch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Betriebspunkt, der im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimal wäre, in der Regel nicht möglich, da dem Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen Grenzen gesetzt werden. Maßnahmen zur Reduzierung der Klopfneigung und/oder Senkung der Abgastemperaturen sehen die Einspritzung von Wasser vor, wobei die Einspritzung direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erfolgen kann.
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Bei der Brennraumeinspritzung erfolgt die Einspritzung von Wasser in der Regel mittels Injektoren, die zugleich der Einspritzung von Kraftstoff dienen. Das Wasser wird hierzu zuvor mit dem Kraftstoff vermischt, so dass in den Brennraum eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion eingespritzt wird. Die Versorgung mit der Kraftstoff-Wasser-Emulsion erfolgt in der Regel über eine Hochdruckpumpe, in der die Medien Kraftstoff und Wasser gemischt und mit Hochdruck beaufschlagt werden. Über eine an die Hochdruckpumpe angeschlossene Versorgungsleitung wird die Kraftstoff-Wasser-Emulsion dann einer Verteilerleiste zugeführt, an die mindestens ein Injektor bzw. Einspritzventil zum Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
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Aus der
DE 10 2014 205 179 A1 ist eine Kraftstoffverteilerleiste für eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Einleger zur Volumenverkleinerung aufweist. Durch die Volumenverkleinerung soll eine zwischen der Wasserzugabe und der Einspritzung bestehende Verzugszeit reduziert werden. Darüber hinaus wird ein hydraulisches Dämpfungsvolumen bereitgestellt, das Druckschwankungen in der Verteilerleiste verringert, die darauf zurückzuführen sind, dass Einspritzmengen entnommen und Nachfördermengen zugeführt werden.
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In der Regel lässt es sich nicht vermeiden, dass im Emulsionsbetrieb auch Wasser in das Dämpfungsvolumen der Verteilerleiste gelangt. Dieses kann bei abgestelltem Verbrennungsmotor und niedrigen Außentemperaturen gefrieren und zu Schäden durch Eisdruck führen. Gelangt zudem Wasser in das Einspritzventil und gefriert, lässt sich der Verbrennungsmotor ggf. nicht mehr starten. Befindet sich eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion in dem Dämpfungsvolumen kann sich diese entmischen, so dass Wasser in konzentrierter Form aus dem Dämpfungsvolumen austritt. Dies kann dazu führen, dass eine zu große Wassermenge in den Brennraum eingespritzt wird, so dass es zu einer Fehlzündung kommt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion anzugeben, mittels welcher die vorstehend genannten Nachteile behoben oder zumindest deutlich gemindert werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe und eine mit der Hochdruckpumpe über eine Versorgungsleitung verbundene Verteilerleiste, die mindestens einen Anschluss für ein Einspritzventil zum Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum des Verbrennungsmotors sowie ein von einem Hochdruckvolumen abgetrenntes hydraulisches Dämpfungsvolumen aufweist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Hochdruckvolumen, dem Dämpfungsvolumen und der Versorgungsleitung eine Strahlpumpe angeordnet, welche die über die Versorgungsleitung zugeführte Fördermenge der Hochdruckpumpe als Treibstrahl zum Durchspülen des Dämpfungsvolumens nutzt.
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Mit Hilfe der Strahlpumpe kann demnach das Dämpfungsvolumen der Verteilerleiste im Betrieb der Vorrichtung durchspült werden, was zu einem Austrag einer sich ggf. im Dämpfungsvolumen angesammelten Wassermenge führt, so dass kein oder nur wenig Wasser im Dämpfungsvolumen verbleibt, das bei abgestelltem Verbrennungsmotor und tiefen Außentemperaturen zu Eisdruckschäden führen könnte. Ferner wird mit Hilfe der Strahlpumpe eine gute Kraftstoff-Wasser-Durchmischung im Hochdruckvolumen der Verteilerleiste erreicht, so dass die Gefahr einer lokalen Überhöhung der Wasserkonzentration reduziert ist.
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Die Strahlpumpe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht eine permanente Durchspülung des Dämpfungsvolumens. Diese führt zwar dazu, dass im Emulsionsbetrieb auch Emulsion und damit Wasser in das Dämpfungsvolumen gelangt, aber dadurch, dass das Dämpfungsvolumen ständig durchströmt wird, wird einem Zerfallen der Emulsion in ihre Bestandteile Kraftstoff und Wasser entgegengewirkt. Zudem gelangt mit der Emulsion eine vergleichsweise geringe Menge Wasser in das Dämpfungsvolumen, da der Sollwasseranteil der Emulsion gering ist. Bei Zurückschalten in den reinen Kraftstoffbetrieb wird zudem die eingetragene Wassermenge schnell wieder ausgespült.
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Die Strahlpumpe ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass der Anteil der aus dem Dämpfungsvolumen angesaugten Menge gegenüber der Menge des über die Versorgungsleitung zugeführten Hauptstroms, der sogenannten Treibströmung, relativ gering ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass für den Fall, dass reines Wasser aus dem Dämpfungsvolumen angesaugt wird, der Kraftstoffanteil noch vergleichsweise hoch bleibt, so dass Fehlzündungen vermieden werden. Der Effekt wird zudem dadurch verstärkt, dass die Strahlpumpe zugleich als Emulsionserzeuger dient.
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Die vorgeschlagene Strahlpumpe hat demnach mindestens zwei Aufgaben, die darin bestehen, das Dämpfungsvolumen zu durchspülen und die Emulsion zu erzeugen bzw. die Aufbereitung der Emulsion zu optimieren.
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Die Verteilerleiste der vorgeschlagenen Vorrichtung weist vorzugweise eine längliche Form auf. Diese entspricht dem Stand der Technik. Der mindestens eine Anschluss des mindestens einen Einspritzventils ist bevorzugt an einer Längsseite angeordnet und weiterhin bevorzugt nach unten orientiert, so dass die Schwerkraft die Versorgung des Einspritzventils mit der Emulsion unterstützt. Die Strahlpumpe, insbesondere ein Einlass der Strahlpumpe, kann in Bezug auf die Verteilerleiste entweder im Bereich einer Längsseite oder im Bereich einer Querseite angeordnet sein.
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Des Weiteren bevorzugt ist das Dämpfungsvolumen der Verteilerleiste über mindestens eine Drosselstelle mit dem Hochdruckvolumen verbunden. Die Drosselstelle verstärkt den Dämpfungseffekt, da ein Teil der ankommenden Druckwellen reflektiert werden und durch gegenläufige Druckwellen aufgehoben werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Versorgungsleitung über eine Treibdüse der Strahlpumpe mit dem Hochdruckvolumen der Verteilerleiste verbunden ist. Die Treibdüse formt einen treibenden Fluidstrahl, der weiteres Fluid aus dem Dämpfungsvolumen ansaugt und mitreißt. Die Saugwirkung entsteht gemäß dem Gesetz von Bernoulli aufgrund eines Druckabfalls im Bereich der Treibdüse. Durch Impulsübertragung wird das aus dem Dämpfungsvolumen angesaugte Fluid beschleunigt und mitgerissen. Innere Spannungen sorgen dabei für eine gute Durchmischung, was sich wiederum vorteilhaft auf die Aufbereitung der Emulsion auswirkt.
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Um die vorstehend genannten Effekte optimal zu nutzen, ist vorzugsweise das Dämpfungsvolumen der Verteilerleiste im Bereich der Treibdüse an die Strahlpumpe angeschlossen.
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Bevorzugt ist die Strahlpumpe an oder zumindest teilweise in der Verteilerleiste angeordnet. Beispielsweise kann die Strahlpumpe in die Verteilerleiste integriert sein. Auf diese Weise wird eine kompakt bauende Anordnung geschaffen. Die Strahlpumpe kann insbesondere an der Stelle angeordnet sein, an der üblicherweise ein Einlass zur Verbindung der Verteilerleiste mit der Versorgungsleitung vorgesehen ist. In diesem Fall können bauliche Veränderungen minimal gehalten werden.
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Vorteilhafterweise ist die Strahlpumpe in der Weise an oder in der Verteilerleiste angeordnet, dass sie eine Eingangsdrossel der Verteilerleiste ersetzt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verteilerleisten dient die Eingangsdrossel der Dämpfung von Druckwellen, so dass diese nicht ungehindert in das Hochdruckvolumen der Verteilerleiste eingetragen werden. Die Dämpfungsfunktion kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung von der Treibdüse der Strahlpumpe übernommen werden. Das heißt, dass zu den zwei bereits genannten Funktionen eine dritte Funktion hinzutritt, nämlich das Dämpfen von Druckpulsationen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Dämpfungsvolumen der Verteilerleiste und der Strahlpumpe ein Rückschlagventil angeordnet ist, das ein Rückströmen in das Dämpfungsvolumen verhindert. Das heißt, dass Fluid ausschließlich aus dem Dämpfungsvolumen angesaugt werden kann. Das Rückschlagventil trägt somit dazu bei, dass das Dämpfungsvolumen besser und schneller durchspült wird.
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Ferner wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass das Dämpfungsvolumen einen an der Strahlpumpe angeordneten Bereich aufweist, in dem sich bei einer Entmischung der Kraftstoff-Wasser-Emulsion das hieraus ausgelöste Wasser sammelt. Das sich in diesem Bereich sammelnde Wasser kann dann umso schneller aus dem Dämpfungsvolumen ausgetragen werden.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird die Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe einer Hochdruckpumpe über eine Versorgungsleitung in eine Verteilerleiste gefördert und über mindestens ein an die Verteilerleiste angeschlossenes Einspritzventil in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt. Dabei werden in der Verteilerleiste auftretende Druckschwankungen mit Hilfe eines in der Verteilerleiste ausgebildeten hydraulischen Dämpfungsvolumens gedämpft, das von einem Hochdruckvolumen der Verteilerleiste abgetrennt ist. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer Strahlpumpe, die zwischen dem Hochdruckvolumen, dem Dämpfungsvolumen und der Versorgungsleitung angeordnet ist, das Dämpfungsvolumen durchspült, wobei die Strahlpumpe die über die Versorgungsleitung zugeführte Fördermenge der Hochdruckpumpe als Treibstrahl nutzt.
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Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann eine effiziente Durchspülung des Dämpfungsvolumens erzielt werden, so dass die eingangs in Verbindung mit dem Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden. Ferner kann eine gute Kraftstoff-Wasser-Durchmischung erreicht werden, so dass eine lokale Überhöhung der Wasserkonzentration vermieden wird. Die Strahlpumpe wird demnach auch zur Emulsionsaufbereitung genutzt. Darüber hinaus können mit Hilfe der Strahlpumpe Druckpulsationen gedämpft werden, so dass die sonst übliche Eingangsdrossel der Verteilerleiste entfallen kann.
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Mit Wegfall der Eingangsdrossel kann die Energie, die sonst an der Eingangsdrossel dissipiert, dazu verwendet werden, Fluid aus dem Dämpfungsvolumen anzusaugen und dem Hauptstrom unterzumischen. Das Dämpfungsvolumen wird dabei permanent durchspült, so dass zugleich einer Entmischung der Emulsion im Dämpfungsvolumen entgegengewirkt wird.
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In Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei kleinen Drehzahlen und/oder Fördermengen der Hochdruckpumpe die regelmäßige Nachförderung ausgesetzt wird und die Fördermengen gesammelt werden, bevor sie mittels der Hochdruckpumpe der Verteilerleiste zugeführt werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei kleinen Drehzahlen und/oder Fördermengen ein ausreichend großer Treibstrahl gebildet wird, der eine effiziente Durchspülung des Dämpfungsvolumens ermöglicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe 1, die über eine Versorgungsleitung 2 mit einer Verteilerleiste 3 verbunden ist. Die Verteilerleiste 3 weist mehrere Anschlüsse 4 auf, die jeweils dem Anschluss eines Einspritzventils (nicht dargestellt) dienen, mittels dessen Kraftstoff oder eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzbar ist.
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Die Verteilerleiste 3 bildet ein Hochdruckvolumen 5 und ein Dämpfungsvolumen 6 aus, die über Drosselstellen 8 verbunden sind. Das Dämpfungsvolumen 6 wirkt Druckpulsationen in der Verteilerleiste 3 entgegen, die darauf zurückzuführen sind, dass Fluid bei einer Einspritzung aus dem Hochdruckvolumen 5 entnommen und/oder Fluid bei einer Nachförderung dem Hochdruckvolumen 5 zugeführt wird.
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Um im Emulsionsbetrieb des Verbrennungsmotors zu große Wasseransammlungen im Dämpfungsvolumen 6 zu verhindern, weist die dargestellte Vorrichtung eine Strahlpumpe 7 auf, die über eine Treibdüse 9 mit der Versorgungsleitung 2 verbunden ist und andernends in Verbindung mit dem Hochdruckvolumen 5 steht. Im Bereich der Treibdüse 9 ist zudem das Dämpfungsvolumen 6 an die Strahlpumpe 7 angebunden.
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Wird nun über die Strahlpumpe 7 in die Verteilerleiste 3 nachgefördert, bewirkt die Treibdüse 9 einen Treibstrahl, über den Fluid aus dem Dämpfungsvolumen 6 angesaugt und mitgerissen wird. Das Dämpfungsvolumen 6 wird auf diese Weise effizient durchspült. Zugleich wird das angesaugte Fluid dem Hauptstrom zugemischt, so dass die Gemischaufbereitung verbessert wird.
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Der 2 ist eine Weiterbildung der Vorrichtung der 1 zu entnehmen, die zusätzliche mit einem Rückschlagventil 10 ausgestattet ist. Das Rückschlagventil 10 ist zwischen dem Dämpfungsvolumen 6 und der Strahlpumpe 7 angeordnet und in der Weise orientiert, dass ein Rückströmen von Fluid in das Dämpfungsvolumen 6 verhindert wird. Das Dämpfungsvolumen 6 kann somit noch besser und noch schneller durchspült werden.
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Der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen, die sich von den beiden vorhergehenden durch die Anordnung der Strahlpumpe 7 unterscheidet. In der 3 ist die Strahlpumpe 7 seitlich in Bezug auf die Verteilerleiste 3 angeordnet, so dass ein Einlass 11 der Strahlpumpe 7 seitlich bzw. im Bereich einer Querseite der Verteilerleiste 3 zu liegen kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014205179 A1 [0004]
