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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung und eine Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung.
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Für einen optimalen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einem Motor eines Kraftfahrzeugs, müssen die Temperaturen der Komponenten der Verbrennungskraftmaschine unterhalb vorbestimmter Grenzwerte bleiben. Ein Überschreiten dieser Grenzwerte kann zu Beschädigungen von Komponenten der Verbrennungskraftmaschine führen. Des Weiteren muss die Temperatur der in der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgase kontrolliert werden, um Bauteilgrenztemperaturen einzuhalten und eine zuverlässige Abgasreinigung im nachgeschalteten Abgaskatalysator zu erzielen.
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Eine Möglichkeit der Temperaturkontrolle einer Verbrennungskraftmaschine ist die Kühlung des Brennraumgases mittels einer Wassereinspritzung. Eine derartige Wassereinspritzung kann über eine sogenannte Direktwassereinspritzung erfolgen, was auch als Direct Water Injection (DWI) bezeichnet wird, mittels der bei Bedarf über ein Direkteinspritzungsventil Kraftstoff oder eine Wasser-Kraftstoff-Mischung in eine Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
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Ein beispielhaftes System mit Wassereinspritzung ist in der
EP 2 789 830 A2 beschrieben, in der eine Brennkammer über erste Injektoren mit Wasser oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Mischung und über zweite Injektoren mit reinem Kraftstoff versorgt werden kann. Die Entscheidung darüber, ob Kraftstoff, eine Wasser-Kraftstoff-Mischung oder reines Wasser in die Brennkammer eingespritzt wird, erfolgt in Abhängigkeit des aktuellen Lastbereichs der Verbrennungskraftmaschine.
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Verbrennungskraftmaschinen mit Wassereinspritzung benötigen neben einem Kraftstofftank zusätzlich einen Wassertank, in dem eine ausreichende Menge Wasser mitgeführt werden muss. Um einen möglichst geringen Platzbedarf zu erreichen und das zusätzliche Gewicht durch mitgeführtes Wasser zu reduzieren, ist die Verwendung eines kleinen Wassertanks gewünscht. Gleichzeitig muss jedoch immer eine ausreichende Menge Wasser zur Verfügung stehen, um eine optimale Wassereinspritzung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung sowie eine solche Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, das bzw. die einen reduzierten Wasserverbrauch ermöglicht bzw. aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Hochdruckpumpe, eine Druckkammer und eine mit der Druckkammer in Strömungsverbindung stehende Brennkammer umfasst. Die Brennkammer ist der Druckkammer und die Druckkammer der Hochdruckpumpe in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Der Brennkammer sind ein Kolben, ein Einspritzventil, ein Einlassventil für Luft und ein Auslassventil zugeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: zunächst wird eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion in der Hochdruckpumpe durch Zuführen von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank und von Wasser aus einem Wassertank hergestellt. Die Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird in die Druckkammer eingespeist und anschließend von der Druckkammer über das Einspritzventil in die Brennkammer eingespritzt, wobei das Einspritzen im Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine beginnend zu einem Zeitpunkt im Bereich von 300° bis 200° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt bei Zündung (ZOT) und andauernd bis maximal 80° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt bei Zündung erfolgt. Die Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird schließlich in der Brennkammer verbrannt.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist ein Viertakt-Kolbenmotor, der innerhalb eines Betriebszyklus einen Ansaug-, einen Kompressions-, einen Arbeits- und einen Ausstoßtakt aufweist. Der sogenannte „ZOT“ stellt den Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus zwischen Kompressions- und Arbeitstakt dar.
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Der Kurbelwinkel vor dem ZOT gibt den Winkel einer Kurbelwelle an, die den Kolben innerhalb der Brennkammer bewegt. In einem vollen Betriebszyklus wird ein Bereich von insgesamt 720° Kurbelwinkel durchlaufen.
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In der vorliegenden Anmeldung wird der Kurbelwinkel vor dem ZOT genutzt, um den Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus anzugeben. Ein größerer Wert entspricht daher einem früheren Zeitpunkt vor dem ZOT. Beispielsweise gibt ein Wert von 360° Kurbelwinkel vor dem ZOT den Zeitpunkt zwischen Ausstoß- und Ansaugtakt an.
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Es wurde herausgefunden, dass durch eine Verschiebung des Beginns der Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion auf einen späteren Zeitpunkt im Betriebszyklus im Bereich von 300° bis 200° Kurbelwinkel vor dem ZOT ein geringerer Wasserverbrauch ermöglicht wird bei gleichbleibend guter Verbrennung des Kraftstoffs. Gleichzeitig erfolgt die Einspritzung bis maximal 80° Kurbelwinkel vor dem ZOT, da bei einem noch späteren Einspritzzeitpunkt der Kraftstoff schlechter verbrennen würde.
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Zusätzlich wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein einzelnes Einspritzventil für die Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion genutzt, also gerade keine Einspritzung von Wasser und Kraftstoff getrennt voneinander über einzelne Einspritzventile. Durch die Verwendung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion werden ein besonders gut kontrollierbares Einspritzverhalten sowie eine innerhalb der Brennkammer gleichmäßige Kühlwirkung ermöglicht. Zudem vereinfacht sich der Aufbau der Verbrenn ungskraftmaschi ne.
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Die für die Verbrennung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion benötigte Luft kann über ein Einlassventil der Brennkammer zugeführt werden.
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In einer Variante wird die Wasser-Kraftstoff-Emulsion in einem Zeitintervall im Bereich von 300° bis 100° Kurbelwinkel vor dem ZOT eingespritzt, d. h. die Einspritzung ist spätestens 100° Kurbelwinkel vor ZOT beendet. Auf diese Weise wird durch den späten Beginn der Einspritzung der Wasserbedarf minimiert und gleichzeitig über einen ausreichend langen Zeitraum eingespritzt, um die notwendige Menge an Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Brennkammer einzubringen.
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Das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine kann im Bereich von 8 bis 18 liegen, insbesondere von 10 bis 12,5. Durch die Verwendung der Wassereinspritzung erfolgt eine Abkühlung der Brennkammer durch das zugeführte Wasser. Daraus resultiert eine niedrigere Klopfneigung des Kraftstoff-Luftgemisches innerhalb der Brennkammer, wodurch wiederum höhere Verdichtungsverhältnisse erzielt werden können. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für den Einsatz in klopfbegrenzten Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine.
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Um eine optimale Abgasreinigung zu gewährleisten, kann das Verbrennungsluftverhältnis Ä während des Verbrennens der Wasser-Kraftstoff-Emulsion im Bereich 0,95 bis 1,05 liegen, insbesondere im Bereich 0,97 bis 1,03. Durch die Wassereinspritzung wird es ermöglicht, auch in hohen Lastbereichen einen Wert von Ä nahe 1 zu erreichen. Entsprechend wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt eingesetzt, wenn die Verbrennungskraftmaschine bisher unter hoher Last mit einem fetten Kraftstoff-Luftgemisch betrieben werden müsste.
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Die Masse an Wasser in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion kann 5 bis 100 % der Masse an Kraftstoff in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion entsprechen, bevorzugt von 5 bis 80 %, besonders bevorzugt von 5 bis 50 %. Der relative Gehalt an Masse von Wasser zu Masse an Kraftstoff in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird hier auch als Wasserrate WH20 bezeichnet. Geringere Wasserraten können zu einer ungenügenden Kühlungswirkung führen, während höhere Wasserraten einen höheren Wasserverbrauch verursachen würden.
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Die Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird insbesondere mit einem Einspritzdruck im Bereich von 100 bis 600 bar in die Brennkammer eingespritzt. Der hohe Druck ermöglicht eine ausreichend schnelle Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, sodass innerhalb des erfindungsgemäß vorgesehenen Bereiches eingespritzt werden kann. Des Weiteren ist die Druckkammer insbesondere eine Common-Rail, d. h., dass im Fall mehrerer Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine alle Einspritzventile über die gleiche Druckkammer mit Kraftstoff und/oder der Wasser-Kraftstoff-Emulsion versorgt werden.
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Die Wassereinspritzung sichert auch bei hoher Last oder Volllast eine hervorragende Abgasreinigung, indem über die Wassereinspritzung die Abgastemperatur des Gases eingestellt und ein Motorbetrieb am oder nahe am stöchiometrischen Verhältnis Ä = 1 ermöglicht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere in einem Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, wenn über das Auslassventil aus der Brennkammer abgeführtes Abgas eine Temperatur von mindestens 850 °C hat, bevorzugt von mindestens 900 °C, besonders bevorzugt von mindestens 980 bis 1000 °C..
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Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch eine Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Hochdruckpumpe, eine Druckkammer und eine mit der Druckkammer in Strömungsverbindung stehende Brennkammer umfasst. Die Brennkammer ist der Druckkammer und die Druckkammer der Hochdruckpumpe in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Der Brennkammer sind ein Kolben, ein Einspritzventil, ein Einlassventil für Luft und ein Auslassventil zugeordnet. Zudem ist die Verbrennungskraftmaschine dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die Brennkammer kann über ein Einlassventil verfügen, über das der Brennkammer eine für die Verbrennung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion benötigte Menge an Luft zugeführt werden kann. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung einer einfindungsgemäßen Verbrenn ungskraftmaschi ne,
- - 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine aus 1,
- - 3 einen Vergleich der Wasserrate bei verschiedenen Zeitpunkten der Einspritzung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Verbrennungskraftmaschine aus 1, und
- - 4 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aus 1.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit Wassereinspritzung gezeigt.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Hochdruckpumpe 12. An einen Kraftstoffeingang 14 der Hochdruckpumpe 12 ist ein Kraftstofftank 16 und an einen Wassereingang 18 der Hochdruckpumpe 12 ist ein Wassertank 20 angeschlossen.
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Der Wassertank 20 hat ein Volumen im Bereich von 6 bis 10 Litern. Zudem kann der Wassertank 20 eine (nicht dargestellte) Heizvorrichtung aufweisen, um ein Einfrieren des Wassers bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
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Die Hochdruckpumpe 12 steht über einen Ausgang 22 mittels einer Zufuhrleitung 24 mit einer Druckkammer 26 in Strömungsverbindung, wobei die Zufuhrleitung 24 an einen Einlass 28 der Druckkammer 26 angeschlossen ist.
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Die Druckkammer 26 ist über mehrere Auslässe 30 jeweils an eines von mehreren Einspritzventilen 32 angeschlossen, die mit einem Motorblock 34 in Strömungsverbindung stehen. Bei der Druckkammer 26 handelt es sich entsprechend um eine Common-Rail. Der Motorblock 34 ist insbesondere ein Motor eines Kraftfahrzeugs.
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Der Motorblock 34 weist mehrere Brennkammern 36 auf, wobei jedes der Einspritzventile 32 jeweils einer der Brennkammern 36 zugeordnet ist.
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Ferner weist jede der Brennkammern 36 ein Einlassventil 37 auf, über das Luft in die jeweilige Brennkammer 36 zugeführt werden kann.
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In der dargestellten Ausführungsform weist der Motorblock 34 insgesamt vier Brennkammern 36 auf, sodass die Verbrennungskraftmaschine 10 ein Vierzylindermotor ist. Grundsätzlich könnte eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 jedoch auch weniger oder mehr Brennkammern 36 aufweisen.
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Jede der Brennkammern 36 weist einen Kolben 38 und ein Auslassventil 40 auf, durch das Abgase aus dem Inneren der Brennkammer 36 abströmen und zu einer Vorrichtung 42 zur Abgasnachbehandlung geleitet werden können, die die gereinigten Abgase ausstößt (angedeutet durch einen Pfeil in 1).
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Jeder Kolben 38 kann, wie durch Doppelpfeile in 1 angedeutet, auf- und abbewegt werden. In einem vollen Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine 10 wird der Kolben zweimal auf- und wieder abbewegt. Diese Bewegung wird durch den Kurbelwinkel angegeben, der für einen vollen Betriebszyklus 720° beträgt.
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In 2 ist ein Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt.
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Jeder Betriebszyklus weist einen Ansaug-, einen Kompressions-, einen Arbeits- und einen Ausstoßtakt auf. Der obere Totpunkt bei Zündung (ZOT) stellt den Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus zwischen Kompressions- und Arbeitstakt dar.
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In der vorliegenden Anmeldung wird der Kurbelwinkel vor dem ZOT genutzt, um einen Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus anzugeben. Ein größerer Wert entspricht daher einem früheren Zeitpunkt vor dem ZOT. Beispielsweise gibt ein Wert von 360° Kurbelwinkel vor dem ZOT den Zeitpunkt zwischen Ausstoß- und Ansaugtakt an.
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2 stellt schematisch den Ventilhub s des Einlassventils 37 und des Auslassventils 40 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel vor dem ZOT dar, wobei der Wert Smax dem maximalen Ventilhub entspricht.
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Die gestrichelte Linie a beschreibt den Ventilhub des Auslassventils 40 und die durchgezogene Linie b den Ventilhub des Einlassventils 37.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben.
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Zunächst wird in der Hochdruckpumpe 12 eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion hergestellt, indem aus dem Kraftstofftank 16 Kraftstoff und aus dem Wassertank 20 Wasser in die Hochdruckpumpe 12 geleitet wird (Schritt S1 in 4).
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Die hergestellte Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird über die Zufuhrleitung 24 zur Druckkammer 26 geleitet (Schritt S2 in 4).
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Innerhalb der Druckkammer 26 liegt die Wasser-Kraftstoff-Emulsion mit einem Druck im Bereich von 100 bis 600 bar vor.
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Der Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine 10 wird im Folgenden lediglich anhand einer einzelnen Brennkammer 36 beschrieben.
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Die Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird von der Druckkammer 26 über das Einspritzventil 32 in die Brennkammer 36 eingespritzt (Schritt S3 in 4).
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Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt, der innerhalb des in 2 eingezeichneten Bereichs c liegt. Speziell wird die Wasser-Kraftstoff-Emulsion beginnend zu einem Zeitpunkt im Bereich von 300° bis 200° Kurbelwinkel vor dem ZOT und andauernd bis maximal 80° Kurbelwinkel, insbesondere bis maximal 100° Kurbelwinkel, vor dem ZOT eingespritzt.
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Der in 2 eingezeichnete Bereich d gibt einen bislang angedachten Bereich an, in dem eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion in eine Verbrennungskraftmaschine 10 in die Brennkammer 36 eingespritzt wurde.
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Entsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion innerhalb des Betriebszyklus der Verbrennungskraftmaschine 10 auf einen späteren Zeitpunkt zu verschieben.
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Durch diese Verschiebung wird eine Einsparung der benötigten Menge an Wasser der Wasser-Kraftstoff-Emulsion erzielt. Dieser Effekt ist in 3 dargestellt.
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In 3 ist die Wasserrate WH20 in Abhängigkeit des Beginns der Wassereinspritzung bei gleichbleibender Dauer der Wassereinspritzung dargestellt. Die Wasserrate beschreibt die Masse an Wasser relativ zur Masse an Kraftstoff in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion. So gibt eine Wasserrate WH20 von 40 % an, dass die Masse an Wasser in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion 40 % der Masse an Kraftstoff in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion entspricht.
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Aus 3 wird ersichtlich, dass eine Verschiebung des Beginns des Einspritzzeitpunkts auf einen späteren Zeitpunkt, d. h. auf niedrigere Werte des Kurbelwinkels vor dem ZOT, die Wasserrate WH20 und somit den Wasserverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 absenkt.
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Die Masse an Wasser in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion entspricht erfindungsgemäß 5 bis 100 % der Masse an Kraftstoff in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, bevorzugt von 5 bis 80 %, besonders bevorzugt von 5 bis 50 %.
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Gleichzeitig muss die Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion jedoch früh genug erfolgen, damit die gewünschte Menge an Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Brennkammer 36 eingespritzt werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einspritzung bis maximal 80° Kurbelwinkel vor dem ZOT andauert. Eine noch spätere Einspritzung verschlechtert die nachfolgende Verbrennung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion.
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Nach bzw. während der Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Druckkammer 26, während der auch Luft über das Einlassventil 37 in die Brennkammer 36 angesaugt wird, wird das Gemisch aus der Wasser-Kraftstoff-Emulsion und Luft mittels des Kolbens 38 verdichtet. Das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 liegt im Bereich von 8 bis 18, insbesondere von 10 bis 12,5.
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Schließlich wird die Wasser-Kraftstoff-Emulsion in der Brennkammer 36 verbrannt (Schritt S4 in 4). Während der Verbrennung wird ein Verbrennungsluftverhältnis λ im Bereich von 0,95 bis 1,05 eingestellt, insbesondere im Bereich 0,97 bis 1,03.
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Die bei der Verbrennung erzeugten Abgase werden über das Auslassventil 40 an die Vorrichtung 42 zur Abgasnachbehandlung geleitet. Das abgeführte Abgas hat eine Temperatur von mindestens 850 °C, bevorzugt von mindestens 900 °C, besonders bevorzugt von mindestens 980 °C.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 ermöglicht es, durch die im Vergleich zum Stand der Technik spätere Einspritzung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion auch im Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 und bei hohen Verdichtungsverhältnissen ein nahezu stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λ und gleichzeitig eine gewünschte Abgastemperatur zu erreichen. Zudem wird der Wasserverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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