DE102019133796A1

DE102019133796A1 - Ein wärmetauscher für ein wassereinspritzsystem, ein system, ein steuersystem, ein verfahren und ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102019133796A1
Application number: DE102019133796.8A
Authority: DE
Inventors: James Harris; John Geddes
Original assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-06-10
Also published as: GB2579643B; GB201820054D0; GB2579643A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors. Der Wärmetauscher umfasst einen ersten Einlass zur Aufnahme von Wasser, einen zweiten Einlass zur Aufnahme eines zweiten Fluids, Wärmeübertragungsmittel, die konfiguriert sind, um Wärme von dem zweiten Fluid auf das Wasser zu übertragen, und einen ersten Auslass zur Abgabe des erwärmten Wassers zur Einspritzung in einen Zylinder des Verbrennungsmotors. Die Wärmeübertragungsmittel können Folgendes umfassen:eine erste Leitung, die sich vom ersten Einlass zum ersten Auslass erstreckt und innerhalb eines Strömungsweges des zweiten Fluids angeordnet ist, das sich vom zweiten Einlass erstreckt, wobei das zweite Fluid Luft zum Einlass in den Zylinder des Verbrennungsmotors sein kann. Alternativ können die Wärmeübertragungsmittel auch einen Körper umfassen, undder erste Einlass, der zweite Einlass und der erste Auslass befinden sich innerhalb des Körpers. Der Körper kann die Form einer Wasserinjektionsschiene annehmen. Ebenfalls beansprucht werden ein System, ein Steuerungssystem, ein Verfahren und ein Fahrzeug.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Wassereinspritzung des Verbrennungsmotors. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf einen Wärmetauscher, ein System mit einem Wärmetauscher, ein Steuerungssystem, ein Verfahren und ein Fahrzeug.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass einem Zylinder eines Verbrennungsmotors während einer Ansaugstufe des Zylinders Druckwasser zugeführt wird. Dies wird in der Technik als „Wassereinspritzung“ bezeichnet. Der Zweck der Wassereinspritzung besteht darin, die Temperatur der im Zylinder vorhandenen Luft-Kraftstoff-Ladung vor der Zündung der Ladung zu senken. Dies hat den Effekt, dass die Wahrscheinlichkeit eines Motorklopfens verringert wird, was ansonsten eine Verzögerung des Zündzeitpunktes zur Vermeidung erfordern würde. Der Verzögerungszündzeitpunkt reduziert die Leistungsabgabe eines Motors, so dass durch den Wegfall dieser Notwendigkeit die Leistung des Motors verbessert wird. Die Wassereinspritzung kann die Leistung des Motors weiter verbessern, indem sie die Dichte der im Zylinder vorhandenen Luft erhöht und damit den Verbrennungswirkungsgrad verbessert. Darüber hinaus kann die Wassereinspritzung auch zu einer Verringerung der Stickoxid- und Kohlenmonoxidemissionen beitragen.
Wenn Wasser in den Zylinder eingespritzt wird, wird die Wärmeenergie von der Luft-Kraftstoffladung auf das Wasser übertragen, wodurch das Wasser verdampft und die Temperatur der Luft-Kraftstoffladung sinkt. Eine Menge des eingespritzten Wassers darf nicht verdunsten, bevor die Luft-Kraftstoff-Ladung gezündet wird, und trägt daher nicht zur Verringerung der Temperatur der Luft-Kraftstoff-Ladung bei. Um sicherzustellen, dass ein bestimmtes Volumen an Wasser, das in den Zylinder eingespritzt wird, verdampft, bevor die Luftkraftstoffladung gezündet wird, und somit eine bestimmte Menge an Wärmeenergie aus der Luftkraftstoffladung entfernt wird, kann es erforderlich sein, dass ein Volumen an Wasser, das größer als das vorgegebene Volumen ist, eingespritzt wird, um eine bekannte Menge an Wasser, das nicht verdunstet, auszugleichen. Wasser, das für die Wassereinspritzung verwendet wird, wird oft aus einer endlichen Ressource, z.B. einem Tank oder Reservoir, bezogen, so dass es sinnvoll wäre, diese zusätzliche Menge an eingespritztem Wasser zu reduzieren.
Tropfen von nicht verdunstetem Wasser können mit den Wänden des Zylinders oder den Wänden einer Ein- oder Auslassöffnung des Zylinders in Berührung kommen. Ein solcher Kontakt würde die Masse des Motors und damit des Motorschmierstoffs kühlen, was wiederum die Viskosität des Motorschmierstoffs erhöhen und zu Effizienzverlusten führen könnte. Es ist daher vorteilhaft, die Menge an eingespritztem Wasser, das nicht verdunstet, zu reduzieren, bevor es an die Zylinderwände oder Portwände gelangt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Auswirkungen von Wasser, das in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird und nicht wie erforderlich verdunstet, zu mildern .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aspekte der Erfindung beziehen sich auf einen Wärmetauscher, ein System, das den Wärmetauscher, ein Steuerungssystem, ein Verfahren und ein Fahrzeug umfasst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmetauscher für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Der Wärmetauscher umfasst einen ersten Einlass zur Aufnahme von Wasser, einen zweiten Einlass zur Aufnahme eines zweiten Fluids, Wärmeübertragungsmittel, die konfiguriert sind, um Wärme von dem zweiten Fluid auf das Wasser zu übertragen, und einen ersten Auslass zur Abgabe des erwärmten Wassers zur Einspritzung in einen Zylinder des Verbrennungsmotors.
Der Wärmetauscher ermöglicht die Erwärmung von Wasser vor der Einspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors während eines Ansaughubs des Zylinders. Auf diese Weise kann die Temperatur des Wassers vor der Injektion auf nahezu seine Verdampfungstemperatur oder auf seine Verdampfungstemperatur erhöht werden. Um sicherzustellen, dass eine bestimmte Menge an Wasser verdampft, und die Menge an unverdampftem Wasser, das in Kontakt mit den Wänden des Zylinders kommen kann, reduziert wird, wird die Menge an eingespritztem Wasser, das zwischen der Einspritzung des Wassers in den Zylinder und der Zündung der Luft-Kraftstoff-Ladung nicht verdampft, reduziert, so dass die zusätzliche Menge an Wasser, die eingespritzt werden muss,ebenfalls reduziert wird. Die Erfindung befasst sich daher mit den oben diskutierten Problemen einer begrenzten Wasserversorgung und unerwünschten Kühlung der Zylinderwände.
Die Wärmeübertragungseinrichtung kann eine erste Leitung umfassen, die sich vom ersten Einlass zum ersten Auslass erstreckt und sich innerhalb eines Strömungsweges des zweiten Fluids befindet, der sich vom zweiten Einlass erstreckt.
Das zweite Fluid kann Luft zum Ansaugen in den Zylinder des Verbrennungsmotors sein. Diese Funktion bietet den Vorteil, dass eine vorhandene Wärmequelle des Verbrennungsmotors genutzt wird, um das Wasser vor der Einspritzung zu erwärmen. Somit sind keine zusätzlichen energieverbrauchenden Wärmequellen erforderlich.
Der Wärmetauscher kann einen zweiten Auslass zum Zuführen des zweiten Fluids zum Zylinder des Verbrennungsmotors umfassen. Der Strömungsweg des zweiten Fluids kann sich vom zweiten Einlass bis zum zweiten Auslass erstrecken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System mit einem Wärmetauscher wie vorstehend beschrieben vorgesehen. Das System kann einen Kompressor umfassen. Wenn das System einen Kompressor umfasst, kann der zweite Einlass des Wärmetauschers mit einem Auslass des Kompressors in Verbindung stehen. Das System kann ferner einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft zum Zylinder des Verbrennungsmotors umfassen. Wenn das System einen Lufteinlass umfasst, kann der zweite Auslass in Verbindung mit einem Einlass des Lufteinlasses stehen. Der Lufteinlass kann einen Nachkühler und/oder einen Ansaugkrümmer umfassen.
Ein Vorteil eines Systems nach dem vorstehend beschriebenen weiteren Aspekt der Erfindung ist, dass der Wärmetauscher dazu dient, die Ansaugluft stromabwärts des Kompressors und stromaufwärts des Lufteinlasses zusätzlich zu kühlen. In Verbindung mit dem Nachkühler, falls vorhanden, dient dies dazu, die Dichte der Luft vor der Zuführung zum Motor zu erhöhen und damit den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.
Die Wärmeübertragungsmittel können alternativ auch einen Körper umfassen. In solchen Fällen befinden sich der erste Einlass, der zweite Einlass und der erste Auslass innerhalb des Körpers, und das zweite Fluid kann eine Flüssigkeit sein.
Wenn der Wärmetauscher einen Körper umfasst, kann sich ein erster Strömungsweg durch den Körper vom ersten Einlass bis zum ersten Auslass erstrecken, und der Wärmetauscher kann auch ein Innenvolumen mit einer durch den zweiten Einlass definierten Öffnung umfassen.
Der erste Strömungsweg und das Innenvolumen können jeweils eine Bohrung umfassen, die sich durch den Körper erstreckt. Die Längsachsen der Bohrungen erstrecken sich parallel zueinander.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System vorgesehen, das einen Wärmetauscher mit einem Körper umfasst, der wie vorstehend beschrieben am Verbrennungsmotor montiert ist. Der Wärmetauscher kann durch eine Montage am Ansaugkrümmer montiert werden, wobei mindestens einer der Wärmetauscher und die Montage aus einem wärmeisolierenden Material bestehen.
Wenn der Wärmetauscher die vorstehend beschriebenen alternativen Wärmeübertragungsmittel umfasst, kann der Wärmetauscher in Form einer Wassereinspritzschiene ausgeführt werden. Eine Wassereinspritzschiene ist eine konventionelle Komponente bekannter Wassereinspritzsysteme. Durch die Integration eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer Wassereinspritzschiene kann die Gesamtzahl der Komponenten eines Wassereinspritzsystems reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuerung für ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Das Steuersystem umfasst eine oder mehrere Steuerungen, die konfiguriert sind, um ein oder mehrere Steuersignale auszugeben, um das Wassereinspritzsystem zum Erwärmen von in einen Zylinder des Verbrennungsmotors einzuspeisendem Wasser zu steuern, und ein Einspritzsignal auszugeben, um das Wassereinspritzsystem zum Einspritzen des erwärmten Wassers in den Zylinder während eines Einlasshubs des Zylinders zu steuern. In diesem Aspekt der Erfindung kann das Wassereinspritzsystem einen Wärmetauscher wie vorstehend beschrieben umfassen und ferner kann es einen Strömungsweg zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass, der die Wärmeübertragungsmittel umgeht, und ein Ventil, das so betrieben werden kann, dass es selektiv den Strömungsweg durchströmt und die Strömung durch den Strömungsweg verhindert, umfassen. Wenn der Wärmetauscher, der Strömungsweg und das Ventil vorgesehen sind, können eins oder mehrere Steuersignale ein Signal zum Betätigen des Ventils umfassen.
Eine Anordnung, die das Steuersystem und das Wassereinspritzsystem umfasst, wie vorstehend und nachstehend beschrieben, ermöglicht es, die Temperatur des Wassers vor der Einspritzung in Abhängigkeit von einer der zahlreichen Betriebsanforderungen zu verändern.
Die eine oder die mehreren Steuerungen können konfiguriert werden, um ein Solltemperatursignal zu empfangen, das eine Solltemperatur des Wassers vor der Einspritzung in den Zylinder anzeigt, und ein Ausgangstemperatursignal, das eine Temperatur des Wassers anzeigt, wenn es aus dem ersten Ausgang austritt. Wenn das eine oder die mehreren Steuersignale ein Signal zum Betätigen des Ventils wie vorstehend beschrieben umfassen, kann das Signal das Ventil betätigen, um einen Durchfluss durch den Strömungsweg zu ermöglichen, wenn die Temperatur des Wassers, das aus dem ersten Auslass austritt, die Solltemperatur überschreitet.
Das Wassereinspritzsystem kann eine Pumpe umfassen. Wenn eine Pumpe vorgesehen ist, können das eine oder die mehreren Steuersignale ein Signal zum Steuern der von der Pumpe gelieferten Durchflussmenge in Abhängigkeit von der Solltemperatur und der Temperatur des Wassers beim Austritt aus dem ersten Auslass umfassen.
Das Wassereinspritzsystem kann eine Vielzahl von Strömungswege umfassen, die sich jeweils von einer Wasserquelle über eine entsprechende Wärmequelle erstrecken, und ein zweites Ventil, das so betrieben werden kann, dass es selektiv den Durchfluss des Wassers durch jeden der Strömungswege ermöglicht und verhindert. Wenn diese Anordnung vorgesehen ist, können das eine oder die mehreren Steuersignale ein Signal zum Steuern des zweiten Ventils in Abhängigkeit von der Solltemperatur und der Temperatur des Wassers beim Ausströmen aus dem ersten Auslass umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors vorgesehen, umfassend das Erwärmen des Wassers vor dem Einspritzen des Wassers in den Zylinder während eines Einlasshubs des Zylinders.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Wärmetauscher, einem System mit dem Wärmetauscher oder einem Steuerungssystem wie vorstehend beschrieben vorgesehen.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur noch exemplarisch beschrieben, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

zeigt ein Beispielsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
zeigt einen exemplarischen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die 3 bis 6 zeigen einen exemplarischen Wärmetauscher gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
zeigt ein Beispielsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System 10 beinhaltet einen Wärmetauscher 1 und einen Verbrennungsmotor 2. Es versteht sich, dass, obwohl der Motor 2 als vier Zylinder dargestellt ist, die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern anwendbar ist. Der Wärmetauscher 1 ist Teil eines Wassereinspritzsystems, das konfiguriert ist, um Wasser zu den Zylindern des Motors 2 zu fördern.
Es ist zu beachten, dass, wenn von Wasser zum Einspritzen in einen oder mehrere Zylinder eines Verbrennungsmotors die Rede ist, dies jedes geeignete wasserbasierte Fluid wie destilliertes Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch umfasst. Es ist bekannt, dass Alkohol zu Wasser hinzugefügt wird, um in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzt zu werden, um das Einfrieren des Wassers zu verhindern.
zeigt eine vergrößerte Ansicht des in dargestellten Wärmetauschers 1.
In Bezug auf die 1 und 2 weist der Wärmetauscher 1 einen ersten Einlass 3 auf, der im Betrieb Wasser aufnimmt. Der Wärmetauscher weist auch einen zweiten Einlass 4 auf, der Luft aus dem Ausgang eines Kompressors 7 eines verwendeten Turboladers aufnimmt. Wenn ein Luftvolumen durch den Kompressor 7 strömt, steigt der Druck des Luftvolumens und damit die Temperatur des Luftvolumens von der Umgebungstemperatur an. So kann beispielsweise die Temperatur der aus dem Kompressor 7 austretenden Luft im Bereich von 180 Grad Celsius liegen.
Der Wärmetauscher 1 weist eine Wärmeübertragungseinrichtung 5 in Form einer Leitung 8 auf, die sich vom ersten Einlass 3 zu einem ersten Auslass 6 des Wärmetauschers 1 erstreckt und sich innerhalb eines Kanals 9 befindet, der sich vom zweiten Eingang 4 zu einem zweiten Ausgang 11 erstreckt. Wenn Wasser durch die Leitung 8 vom ersten Einlass 3 zum ersten Auslass 6 und Luft durch den Kanal 9 vom zweiten Einlass 4 zum zweiten Auslass 11 strömt, wird Wärmeenergie von der Luft zum Wasser übertragen und dadurch die Temperatur des Wassers erhöht, so dass die Temperatur des Wassers am ersten Auslass 6 höher ist als am ersten Einlass 3. Im Gegenzug ist die Temperatur der Luft am zweiten Auslass 11 niedriger als am zweiten Einlass 4. Es ist zu beachten, dass Wasser mit geeigneten Mitteln durch die Leitung 8 strömt, z.B. durch Pumpen des Wassers aus einem Behälter. Beim Verlassen des ersten Auslasses 6 wird das Wasser an eine Reihe von Einspritzdüsen abgegeben (nicht dargestellt), wobei jede Einspritzdüse innerhalb der Reihe einem Zylinder des Verbrennungsmotors 2 entspricht.
Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform der Erfindung zwar die Einspritzung von Wasser direkt in die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 beschrieben ist, aber auch alternative geeignete Wassereinspritzmittel verwendet werden können. So kann beispielsweise Wasser mit weniger Einspritzdüsen als eine pro Zylinder in einen Ansaugkrümmer 22 des Verbrennungsmotors 2 eingespritzt werden. In einem weiteren Beispiel kann Wasser, das den ersten Auslass 6 verlässt, zuerst einem Mischer zugeführt werden, in dem das erwärmte Wasser mit Kraftstoff vermischt wird, um ein emulgiertes Kraftstoff-Wasser-Gemisch zu erzeugen, bevor es zu den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 geleitet wird.
Das System 10 beinhaltet ferner ein Steuerungssystem mit einer Steuerung 19, die konfiguriert ist, um weitere Komponenten, wie nachstehend beschrieben, so zu steuern, dass die Temperatur des Wassers vor der Einspritzung in die Zylinder des Motors 2 einen Sollwert erreicht. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „Steuerung“ sowohl eine einzelne Steuereinheit oder Steuerung als auch eine Vielzahl von Steuereinheiten oder Steuerungen, die gemeinsam betrieben werden, um eine bestimmte Steuerungsfunktionalität bereitzustellen. Um eine Steuerung zu konfigurieren, kann ein geeigneter Satz von Anweisungen bereitgestellt werden, die, wenn sie ausgeführt wird, bewirken, dass die Steuereinheit oder die Rechenvorrichtung die hierin spezifizierten Steuertechniken implementiert. Der Befehlssatz kann geeignet in den einen oder die mehreren elektronischen Prozessoren eingebettet sein. Alternativ kann der Befehlssatz auch als Software bereitgestellt werden, die in einem oder mehreren Speichern gespeichert ist, die der Steuerung zugeordnet sind, um auf der Rechenvorrichtung ausgeführt zu werden. Eine erste Steuerung kann in einer Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren läuft. Eine oder mehrere andere Steuerungen können in Software implementiert werden, die auf einem oder mehreren Prozessoren läuft, optional ein oder mehrere Prozessoren wie die erste Steuerung. Es können auch andere geeignete Vorkehrungen getroffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten Einlass 3 und dem ersten Auslass 6 ein Strömungsweg 12 vorgesehen, der die Wärmeübertragungseinrichtung 5 umgeht. Der Wasserfluss durch diesen Bypass-Strömungsweg 12 wird durch ein Ventil 13 gesteuert, das so betrieben werden kann, dass es den Wasserfluss durch die Leitung 8 verhindert oder hemmt und den Wasserfluss durch den Strömungsweg 12 ermöglicht, wenn die Temperatur des Wassers den Sollwert überschreitet. Darüber hinaus weist das Wassereinspritzsystem eine Reihe von Strömungswege 14a, b, c auf, die sich von einer Wasserquelle, wie beispielsweise einem Speicher 15, bis zum ersten Einlass 3 über verschiedene dem Verbrennungsmotor zugeordnete Wärmequellen 16a, b, c erstrecken, wobei die Temperatur des Wassers so gesteuert wird, dass festgelegt wird, welchen oder mehrere dieser Strömungswege das Wasser mittels eines Ventils 17 einnimmt. So kann beispielsweise eine erste Wärmequelle 16a in Form eines Motorkühlmittelaustritts des Verbrennungsmotors 2 und ein erster Strömungsweg 14a vorgesehen werden, der sich vom Speicher 15 bis zum ersten Einlass 3 über die erste Wärmequelle 16a erstreckt. Eine zweite Wärmequelle 16b kann die Form eines Motorkühlmitteleinlasses des Verbrennungsmotors 2 annehmen, und ein zweiter Strömungsweg 14b kann sich über die zweite Wärmequelle 16b erstrecken. Die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Motorkühlmittelaustritts liegt typischerweise um 8 Grad Celsius höher als die Temperatur des Kühlmittels vor dem Motorkühlmitteleinlass. Somit kann die Temperatur des Wassers variiert werden, indem man wählt, welchen der ersten und zweiten Strömungswege 14a,b das Wasser einnimmt, bevor es zum ersten Einlass 3 geleitet wird. Obwohl in 1 nicht dargestellt, kann auch ein Strömungsweg vorgesehen werden, der sich vom Ventil 17 zum ersten Einlass 3 erstreckt, ohne sich über eine Wärmequelle zu erstrecken. Es kann auch eine beliebige Anzahl von Wärmequellen vorgesehen werden. Somit kann Wasser so geleitet werden, dass es vom Speicher 15 zum ersten Einlass 3 über eine oder mehrere Wärmequellen oder über keine Wärmequelle durch Steuerung des Ventils 17 strömt.
In dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Wassers durch Steuern der Durchflussmenge, mit der das Wasser durch die Leitung 8 geleitet wird, weiter geregelt. Dies wird durch eine geeignete Steuerung der Leistungsabgabe einer Pumpe 18 erreicht, die Wasser aus dem Speicher 15 zum ersten Einlass 3 fördert.
Die Steuerung 19 ist konfiguriert, um das Ventil 13, das Ventil 17 und die Pumpe 18 zu steuern, um die Temperatur des in die Zylinder des Motors einzuspritzenden Wassers in Abhängigkeit vom Sollwert zu regeln. Im Gebrauch empfängt die Steuerung 19 ein erstes Signal, das den Sollwert anzeigt, und ein zweites Signal, das eine Temperatur des Wassers anzeigt, wenn es aus dem ersten Auslass 6 austritt. Dieses zweite Signal kann von einem Temperatursensor 20 erzeugt werden, der stromabwärts des ersten Auslasses 6 in Bezug auf einen Wasserstrom aus dem ersten Auslass 6 angeordnet ist. Es ist zu beachten, dass das erste Signal von einer geeigneten Steuerung oder einem geeigneten Steuersystem erzeugt wurde, z.B. einem Motormanagementsystem oder einem Antriebsstrangsteuermodul. Nach dem Empfangen des ersten Signals bestimmt die Steuerung die erforderliche Position jedes der Ventile 13 und 17 und die erforderliche Durchflussmenge, die von der Pumpe 18 geliefert wird, um die Temperatur des Wassers, das aus dem ersten Auslass 6 austritt, auf den Sollwert zu erhöhen. Die Steuerung gibt dann eine Reihe von Signalen aus, um die Ventile 13 und 17 sowie die Pumpe 18 nach Bedarf zu betätigen.
Das Steuersystem gibt auch ein Signal aus, um die Einspritzdüsen zu betätigen, um das erwärmte Wasser während eines jeweiligen Einlasshubs der Zylinder in die Zylinder einzuspritzen. Dieses Signal kann von der Steuerung 19 oder von einer separaten Steuerung bereitgestellt werden (nicht dargestellt).
Der Sollwert der Temperatur des Wassers vor dem Einspritzen kann beispielsweise im Bereich von 90-120 Grad Celsius liegen. Der Zielwert kann so gewählt werden, dass das Wasser eine vorgegebene Temperatur unterhalb seiner Verdampfungstemperatur erreicht, zum Beispiel 10 oder 20 Grad Celsius unterhalb seiner Verdampfungstemperatur. Alternativ kann der Sollwert auch die Verdampfungstemperatur des Wassers sein. Es ist zu beachten, dass die Verdampfungstemperatur des Wassers mit dem Druck des Wassers variiert.
Es versteht sich, dass die Menge an Wärmeenergie, die zur Erreichung der Solltemperatur auf das Wasser übertragen werden muss, vom Druck des Wassers innerhalb des Wassereinspritzsystems abhängt. Der Druck des Wassers hängt von dem Mechanismus ab, mit dem das Wasser in den Zylinder eingespritzt wird. Wird das Wasser beispielsweise durch Port-Einspritzung eingespritzt, d.h. das Wasser wird stromaufwärts der Lufteinlassöffnungen der Zylinder in Bezug auf den Luftstrom in die verwendeten Zylinder eingespritzt, so kann das Wasser mit einem Druck im Bereich von 1000 kPa in die Zylinder eingespritzt werden. In einem alternativen Beispiel, bei dem das Wasser direkt in die verwendeten Zylinder eingespritzt wird, kann das Wasser mit einem Druck im Bereich von 20 MPa eingespritzt werden.
Der zweite Auslass 11 ist so angeordnet, dass er Druckluft vom Auslass des Kompressors 7 zu einem Einlass des Verbrennungsmotors 2 fördert. Der zweite Auslass 11 steht in fließender Verbindung mit einem herkömmlichen Nachkühler 21, auch bekannt als „Ladeluftkühler“ oder „Ladeluftkühler“, der im Betrieb die aus dem Auslass des Kompressors 7 austretende Druckluft kühlt, bevor er sie an einen Ansaugkrümmer 22 abgibt. Der Ansaugkrümmer 22 ist so angeordnet, dass er Luft zwischen den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 verteilt. Die Luftmenge, die dem Nachkühler 21 zugeführt wird, wird über eine Drosselklappe 23 geregelt. Nach dem Verständnis des Fachmanns wird ein Nachkühler vorgesehen, um die Dichte eines Luftvolumens zu erhöhen, bevor es einem Motor zugeführt wird, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad des Motors erhöht wird. Häufig wird neben einem Turbolader ein Nachkühler vorgesehen, da die Erhöhung des Drucks eines Luftvolumens, das einem Motor zugeführt werden soll, zu einer Erhöhung der Temperatur dieses Volumens führt. Im Gebrauch, wenn Wasser durch die Leitung 8 und Luft durch den Kanal 9 strömt, wird Wärmeenergie von der Luft auf das Wasser übertragen, was dazu führt, dass die Temperatur der Luft beim Durchgang durch den Kanal 9 sinkt. Wie vorstehend beschrieben, ist dies im Hinblick auf den volumetrischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 von Vorteil. Die Erfindung bietet somit den weiteren Vorteil, den Kühlbedarf am Nachkühler 12 zu reduzieren. Der Nachkühler 12 kann daher kleiner gestaltet werden, was den Bauraum innerhalb eines Fahrzeugs mit dem System 10 freigibt.
Es können eine Reihe von Alternativen zur Wärmeübertragung 5 vorgesehen werden. So könnte beispielsweise anstelle der im Kanal 9 vorgesehenen Leitung 8 diese in einem Gehäuse des Kompressors 7 vorgesehen oder in den Nachkühler 12 integriert werden. Ein herkömmlicher Nachkühler umfasst eine erste Leitung, die zur Aufnahme eines Luftstroms angeordnet ist, und eine zweite Leitung, die zur Aufnahme eines Kühlfluids angeordnet ist. Die erste und zweite Leitung sind so angeordnet, dass Wärmeenergie von der von der ersten Leitung aufgenommenen Luft auf das von der zweiten Leitung aufgenommene Kühlfluid übertragen wird, bevor die Luft an einen Motor abgegeben wird. Die Leitung 8 könnte in diesem Fall die zweite Leitung bilden, das Wasser oder Wasser-Alkohol-Gemisch, das durch die Leitung 8 gefördert wird und das Kühlmittel bildet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben. In dieser Ausführungsform nimmt der Wärmetauscher 100 die Form einer einzelnen einteiligen Komponente an, in der eine Wärmeübertragungseinrichtung 105, ein erster Einlass 103, ein zweiter Einlass 104 und ein erster Auslass 106, die in Funktion mit der Wärmeübertragungseinrichtung 5, dem ersten Einlass 3, dem zweiten Einlass 4 und dem ersten Einlass 6 der zuvor beschriebenen Ausführungsform korrespondieren, integral miteinander verbunden sind. Die Wärmeübertragungseinrichtung 105 wird durch den Körper des Wärmetauschers 100 bereitgestellt, wobei der erste und zweite Einlass 103, 104 und der erste Auslass 106 in dem Körper 105 vorgesehen sind. Eine erste Bohrung 114 erstreckt sich durch den Körper 105 und verbindet den ersten Einlass 103 und den ersten Auslass 106, um einen ersten Strömungsweg zu definieren. Ein Innenvolumen, das sich am zweiten Einlass 104 öffnet, ist innerhalb des Körpers in Form einer zweiten Bohrung 115 vorgesehen. Zusätzlich zum ersten Auslass 106 sind weitere Auslässe 106' zur Abgabe von erwärmtem Wasser zur Einspritzung in weitere Zylinder des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen. Die weiteren Auslässe 106' sind ebenfalls Teil des ersten Strömungsweges. Auf diese Weise nimmt der Wärmetauscher 100 dieser Ausführungsform der Erfindung die Form einer Wassereinspritzleiste an.
Im Gebrauch wird das zu erwärmende Wasser über den ersten Einlass 103 in die erste Bohrung 114 des Wärmetauschers 100 geleitet und ein heißeres zweites Fluid, zum Beispiel Kühlmittel, Schmiermittel oder Wasser, das durch eine andere Komponente des Verbrennungsmotors 2 erwärmt wird, über den zweiten Einlass 104 in die zweite Bohrung 115 geleitet. Dadurch wird die Wärmeenergie aus dem zweiten Fluid in der zweiten Bohrung 115 durch Leitung auf den Körper des Wärmetauschers 100 übertragen, bevor sie auf das Wasser in der ersten Bohrung 114 übertragen wird. Es ist zu beachten, dass der Körper des Wärmetauschers 100 aus einem beliebigen wärmeleitenden Material, z.B. Aluminium, gefertigt ist.
Wenn ein emulgiertes Wasser-Kraftstoff-Gemisch in die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 eingespritzt werden soll, kann der Wärmetauscher 100 auch Mittel (nicht dargestellt) zum Mischen von am ersten Einlass 103 aufgenommenem Wasser mit Kraftstoff umfassen. Daher wird Wärmeenergie vom zweiten Fluid auf das Wasser-Kraftstoff-Gemisch übertragen, bevor das Gemisch an den ersten Auslass 106 und die weiteren Auslässe 106' (falls vorhanden) abgegeben wird. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher 100 dieser Ausführungsform der Erfindung in Form eines Wasser-Kraftstoff-Mischblocks ausgeführt werden.
Die zweite Bohrung 115 kann sich vom zweiten Einlass 104 entlang der Länge des Wärmetauschers 100 parallel zur ersten Bohrung 114 erstrecken. Der zweite Einlass 104 befindet sich an einem Ende des Wärmetauschers 100 und die zweite Bohrung 115 kann an jeder beliebigen Stelle entlang der Länge des Wärmetauschers 100 enden und definiert so eine geschlossene Kammer zur Aufnahme des zweiten Fluids. In solchen Ausführungsformen kann das zweite Fluid der Kammer zugeführt werden, bis die Kammer voll ist. Sobald die Temperatur des zweiten in der Kammer enthaltenen Fluids unter einen Schwellenwert gesunken ist, kann das zweite Fluid veranlasst werden, die Kammer über den zweiten Einlass zu evakuieren, bevor das zweite Fluid wieder heißer in die Kammer geleitet wird. Temperaturmessmittel können vorgesehen werden, um zu bestimmen, wann die Temperatur des zweiten Fluids unter den Schwellenwert gesunken ist, oder die Kammer kann nach einer vorbestimmten Zeitspanne evakuiert werden, nach der bekannt ist, dass die Temperatur des zweiten Fluids unter die Schwellentemperatur fällt. Es kann ausreichen, nur ein Ende des Körpers des Wärmetauschers 100 mit dem zweiten Fluid zu erwärmen. In diesem Fall wird die Wärmeenergie von diesem Ende des Körpers zum Rest des Körpers geleitet, bevor sie auf das Wasser übertragen wird. Die Kammer kann sich daher teilweise über die Länge des Wärmetauschers 100 erstrecken.
Alternativ kann sich die zweite Bohrung 115 zu einem zweiten Auslass 111 erstrecken, um einen zweiten Strömungsweg so zu definieren, dass das zweite Fluid nach der Wärmeübertragung auf den Körper des Wärmetauschers 100 vom zweiten Auslass 111 zu einer Wärmequelle und zurück zum zweiten Einlass 104 zurückgeführt werden kann. Der zweite Auslass 111 kann an jeder geeigneten Stelle entlang der Länge des Wärmetauschers 100 angeordnet sein, beispielsweise an einem Ende des Wärmetauschers 100 gegenüber dem Ende, an dem sich der zweite Einlass 104 befindet. Die zweite Bohrung 115 kann sich eine zentrale Längsachse mit dem Körper des Wärmetauschers 100 teilen, um die Übertragung der Wärmeenergie von der zweiten Flüssigkeit auf den Körper zu unterstützen. Der erste und zweite Einlass 103,104 können am gleichen Ende des Wärmetauschers 100 angeordnet sein, um einen Parallelströmungswärmetauscher bereitzustellen. Alternativ können der erste und der zweite Einlass 103.104 an den gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 100 angeordnet sein, um einen Gegenstromwärmetauscher bereitzustellen.
Obwohl ein einzelner erster Strömungsweg und ein einzelner zweiter Strömungspfad vorstehend beschrieben wurden, kann der Wärmetauscher 100 gemäß der weiteren Ausführungsform der Erfindung mehrere Strömungswege zum Zuführen von erwärmtem Wasser zu mehreren Bänken oder Sätzen von Zylindern und/oder mehreren Strömungswege zum Fördern des zweiten Fluids durch den Wärmetauscher 100 umfassen. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher 100 in Form eines Mehrzugwärmetauschers ausgeführt werden.
Wie in den und dargestellt, ist der Wärmetauscher 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Gebrauch am Ansaugkrümmer 22 des Verbrennungsmotors 2 montiert. Dies geschieht so, dass der Körper des Wärmetauschers 100 vom Ansaugkrümmer 22 thermisch isoliert wird, zum Beispiel durch den Einsatz von Nylonhalterungen. Alternativ kann ein Kunststoff-Ansaugkrümmer in Verbindung mit dem Wärmetauscher 100 verwendet werden. Dadurch wird die Menge an Wärmeenergie reduziert, die vom Körper des Wärmetauschers 100 auf den Einlasskrümmer 22 und nicht auf das Wasser in der ersten Bohrung 114 übertragen wird. Der Ansaugkrümmer 22 umfasst eine Lufteinlassöffnung 24, die jedem Zylinder des Verbrennungsmotors 2 entspricht. Jeder der ersten und weiteren Auslässe 106,106' des Wärmetauschers 100 ist so angeordnet, dass er Wasser an die entsprechende Lufteinlassöffnung liefert. Auf diese Weise wird Wasser in einen Zuluftstrom geleitet, bevor die Luft zu den Zylindern geleitet wird.
Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher 100 gemäß der weiteren Ausführungsform der Erfindung Teil eines Wassereinspritzsystems, dem ein Steuerungssystem zugeordnet ist. Dieses Steuerungssystem umfasst alle Merkmale des vorstehend beschriebenen Steuerungssystems, mit Ausnahme des Strömungsweges 12 und des Ventils 13.
Die Erfindung wird nach den folgenden nummerierten Klauseln definiert.

1. Wärmetauscher 1, 100 für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors 2, umfassend:
- einen ersten Einlass 3, 103 für die Wasseraufnahme;
- einen zweiten Einlass 4, 104 zur Aufnahme eines zweiten Fluids;
- Wärmeübertragungsmittel, die konfiguriert sind, um Wärme von dem zweiten Fluid auf das Wasser zu übertragen; und
- einen ersten Auslass 3, 103 zum Zuführen des erwärmten Wassers zum Einspritzen in einen Zylinder des Verbrennungsmotors 2.
2. Wärmetauscher 1, 100 gemäß Klausel 1, worin die Wärmeübertragungseinrichtung 5, 105 eine erste Leitung 8 umfasst, die sich vom ersten Einlass 3, 103 zum ersten Auslass 6, 106 erstreckt und innerhalb eines Strömungsweges 12 des zweiten Fluids angeordnet ist, das sich vom zweiten Einlass 11 erstreckt.
3. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 1 oder 2, wobei das zweite Fluid Luft zum Einlassen in den Zylinder des Verbrennungsmotors 2 ist.
4. Wärmetauscher 1, 101 gemäß einer vorhergehenden Klausel, umfassend einen zweiten Auslass 11 zum Zuführen des zweiten Fluids zu dem Zylinder des Verbrennungsmotors 2.
5. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 4, wenn er von Klausel 2 abhängig ist, wobei sich der Strömungsweg 12 des zweiten Fluids vom zweiten Einlass 4, 104 zum zweiten Auslass 11 erstreckt.
6. System 10, umfassend einen Wärmetauscher 1, 101 gemäß einer vorhergehenden Klausel und einen Kompressor 7, wobei der zweite Einlass 4, 104 mit einem Auslass des Kompressors 7 in Verbindung steht.
7. System 10, umfassend einen Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 4 oder 5 oder ein System 10 gemäß Klausel 6, umfassend einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft zum Zylinder des Verbrennungsmotors 2, wobei der zweite Auslass 11 in Verbindung mit einem Einlass des Lufteinlasses steht.
8. System 10 gemäß Klausel 7, worin der Lufteinlass einen Nachkühler 21 und/oder einen Ansaugkrümmer 22 umfasst.
9. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 1, worin die Wärmeübertragungseinrichtung 5, 105 einen Körper umfasst, und der erste Einlass 3, 103, der zweite Einlass 4, 104 und der erste Auslass 6, 106 innerhalb des Körpers angeordnet sind.
10. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 9, wobei das zweite Fluid eine Flüssigkeit ist.
11. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 9 oder Klausel 10, umfassend einen ersten Strömungsweg 12, der sich durch den Körper vom ersten Einlass 3, 103 bis zum ersten Auslass 6, 106 erstreckt, und ein Innenvolumen mit einer durch den zweiten Einlass 4, 104 definierten Öffnung.
12. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 11, wobei das Innenvolumen durch eine geschlossene Kammer definiert ist.
13. Wärmetauscher 1, 101 gemäß Klausel 11 oder Klausel 12, wobei der erste Strömungsweg 12 und das Innenvolumen jeweils eine Bohrung 114, 115 umfassen, die sich durch den Körper erstreckt, und die Längsachsen der Bohrungen 114, 115 parallel zueinander verlaufen.
14. System 10, umfassend einen Wärmetauscher 1, 101 gemäß einer der Klauseln 9 bis 13 und den Verbrennungsmotor 2, wobei der Wärmetauscher 1, 101 an dem Verbrennungsmotor 2 montiert ist.
15. System gemäß Klausel 14, worin der Wärmetauscher 1, 101 durch eine Halterung an einem Ansaugkrümmer 22 des Verbrennungsmotors 2 befestigt ist und mindestens einer der Ansaugkrümmer 22 oder die Halterung aus einem wärmeisolierenden Material besteht.
16. Steuersystem für ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor 2, wobei das Steuersystem eine oder mehrere Steuerungen 19 umfasst, die konfiguriert sind um:
- Ausgabe eines oder mehrerer Steuersignale zum Steuern des Wassereinspritzsystems zum Erwärmen von Wasser, das in einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt werden soll; und
- ein Einspritzsignal zum Steuern des Wassereinspritzsystems ausgeben, um das erwärmte Wasser während eines Einlasshubs des Zylinders in den Zylinder einzuspritzen.
17. Steuerungssystem gemäß Klausel 16, worin das Wassereinspritzsystem einen Wärmetauscher 1, 101 gemäß einer der Klauseln 1 bis 5 oder 9 bis 13 umfasst.
18. Steuersystem gemäß Klausel 17, worin das Wassereinspritzsystem einen Strömungsweg 12 zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass, der die Wärmeübertragungseinrichtung 5, 105 umgeht, und ein Ventil 13 umfasst, das so betreibbar ist, dass es selektiv einen Fluss durch den Strömungsweg 12 zulässt und einen Fluss durch den Strömungsweg 12 verhindert, worin das eine oder die mehreren Steuersignale 19 ein Signal zum Betätigen des Ventils 13 umfassen.
19. Steuersystem gemäß Klausel 17 oder Klausel 18, wobei die eine oder die mehreren Steuerungen konfiguriert sind, um ein Solltemperatursignal zu empfangen, das eine Solltemperatur des Wassers vor der Einspritzung in den Zylinder anzeigt, und ein Ausgangstemperatursignal, das eine Temperatur des Wassers anzeigt, wenn es aus dem ersten Auslass 3, 103 austritt.
20. Steuersystem gemäß Klausel 18 und Klausel 19, wobei das Signal zum Betätigen des Ventils 13 das Ventil 13 betätigt, um einen Durchfluss durch den Strömungsweg 12 zu ermöglichen, wenn die Temperatur des Wassers, wenn es aus dem ersten Auslass 3, 103 austritt, die Solltemperatur überschreitet.
21. Steuersystem gemäß Klausel 19 oder Klausel 20, wenn es von Klausel 19 abhängig ist, worin das Wassereinspritzsystem eine Pumpe 18 umfasst und das eine oder die mehreren Steuersignale 19 ein Signal zum Steuern der von der Pumpe 18 gelieferten Durchflussmenge in Abhängigkeit von der Solltemperatur und der Temperatur des Wassers, wenn es aus dem ersten Auslass 3, 103 austritt, umfassen.
22. Steuersystem gemäß Klausel 19 oder Klausel 20 oder Klausel 21, wenn sie von Klausel 19 abhängig sind, wobei das Wassereinspritzsystem eine Vielzahl von Strömungspfaden 12 umfasst, die sich jeweils von einer Quelle des Wassers über eine jeweilige Wärmequelle erstrecken, und ein zweites Ventil 17, das betreibbar ist, um selektiv den Fluss des Wassers durch jeden der Strömungswege 12 zuzulassen und zu verhindern, wobei das eine oder die mehreren Steuersignale ein Signal zum Steuern des zweiten Ventils in Abhängigkeit von der Solltemperatur und der Temperatur des Wassers umfassen, wenn es aus dem ersten Auslass 3, 103 austritt.
23. Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors 2, umfassend das Erwärmen des Wassers vor dem Einspritzen des Wassers in den Zylinder während eines Einlasshubs des Zylinders.
24. ein Fahrzeug, umfassend einen Wärmetauscher 1, 101 gemäß einer der Klauseln 1 bis 5 oder einer der Klauseln 9 bis 13, ein System 10 gemäß einer der Klauseln 6 bis 8, Klausel 14 oder Klausel 15 oder ein Steuersystem gemäß einer der Klauseln 16 bis 22.

Claims

Wärmetauscher für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen ersten Einlass (3, 103) für die Wasseraufnahme; einen zweiten Einlass (4, 104) zur Aufnahme eines zweiten Fluids; Wärmeübertragungsmittel, die konfiguriert sind, um Wärme von dem zweiten Fluid auf das Wasser zu übertragen; und einen ersten Auslass (6, 106) zum Zuführen des erwärmten Wassers zum Einspritzen in einen Zylinder des Verbrennungsmotors (2), wobei die Wärmeübertragungseinrichtung (5, 105) eine erste Leitung (8) umfasst, die sich vom ersten Einlass (3, 103) zum ersten Auslass (6, 106) erstreckt und sich innerhalb eines Strömungsweges (12) des zweiten Fluids befindet, das sich vom zweiten Einlass (4, 104) erstreckt, und wobei das zweite Fluid Luft zum Ansaugen in den Zylinder des Verbrennungsmotors (2) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, umfassend einen zweiten Auslass (11) zum Zuführen des zweiten Fluids zum Zylinder des Verbrennungsmotors (2).
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei sich der Strömungsweg (12) des zweiten Fluids vom zweiten Einlass (4, 104) zum zweiten Auslass (11) erstreckt.
System, umfassend einen Wärmetauscher (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Kompressor (7), wobei der zweite Einlass (3, 103) mit einem Auslass des Kompressors (7) in Verbindung steht.
System, umfassend einen Wärmetauscher (1, 101) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder ein System (10) nach Anspruch 4, umfassend einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft zum Zylinder des Verbrennungsmotors (2), wobei der zweite Auslass (11) in Verbindung mit einem Einlass des Lufteinlasses steht.
System nach Anspruch 5, worin der Lufteinlass einen Nachkühler (21) und/oder einen Ansaugkrümmer (22) umfasst.
System, umfassend einen Wärmetauscher (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und den Verbrennungsmotor (2), worin der Wärmetauscher (1, 101) an dem Verbrennungsmotor (2) montiert ist.
System nach Anspruch 7, wobei der Wärmetauscher (1, 101) durch eine Halterung an einem Ansaugkrümmer (22) des Verbrennungsmotors (2) befestigt ist und mindestens einer der Ansaugkrümmer (22) oder die Halterung aus einem wärmeisolierenden Material besteht.
Fahrzeug, umfassend einen Wärmetauscher (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder ein System (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.