DE102020108134B3

DE102020108134B3 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102020108134B3
Application number: DE102020108134.0A
Authority: DE
Inventors: Henrik Faber
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: US11230967B2; CN113446135A; US20210301716A1; CN113446135B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Kurbelgehäuse (12), einem Zylinderkopf (14), wobei der Zylinderkopf (14) und das Kurbelgehäuse (12) mindestens einen Zylinder (16) begrenzen, in welchem ein sich translatorisch bewegender Kolben (18) angeordnet ist, einer Wassereinspritzvorrichtung (30) zur Einspritzung von Wasser in den mindestens einen Zylinder (16), und einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40), welche mit dem Kurbelgehäuse (12) fluidisch verbunden ist, wobei die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40) von einem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmbar ist, wobei die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40) einen Aktivkohlefilter (42) aufweist, wobei der Aktivkohlefilter (42) von dem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, einem Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse mindestens einen Zylinder begrenzen, in welchem ein sich translatorisch bewegender Kolben angeordnet ist, einer Wassereinspritzvorrichtung zur Einspritzung von Wasser in mindestens einen Zylinder, und einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung, welche mit dem Kurbelgehäuse fluidisch verbunden ist, wobei die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung von einem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmbar ist.
Derartige Verbrennungsmotoren sind hinlänglich bekannt. Während des Betriebs der Verbrennungsmotoren kommt es zu einem Übertritt eines Gas-ÖI-Gemisches aus einem Zylinder des Verbrennungsmotors über einen zwischen den Kolbenringen und einer Laufbüchse des Verbrennungsmotors ausgebildeten Bewegungsspalt in das Kurbelgehäuse. Diese Gemische werden allgemein als Blow-By-Gase oder Blow-By-Gemische bezeichnet. Um zu verhindern, dass der Druck im Kurbelgehäuse nicht unzulässig ansteigt, weisen die Verbrennungsmotoren üblicherweise eine Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung auf. Einen derartigen Verbrennungsmotor offenbart beispielsweise die DE 10 2017 108 249 A1 . Die DE 103 10 452 B4 offenbart, dass die flüssigen Bestandteile des Blow-By-Gemisches, insbesondere Öl, Kraftstoff und Wasser, voneinander getrennt werden und gasförmige Bestandteile aus dem Wasser und dem Kraftstoff über einen Partikelfilter einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zuführen.
Zur Kraftstoffeinsparung, Erhöhung der Verbrennungsmotorleistung und/oder zur Verminderung der Verbrennungsmotoremissionen werden Verbrennungsmotoren mit einer Wassereinspritzvorrichtung ausgestattet. Dabei wird über die Wassereinspritzvorrichtung Wasser in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors oder direkt in den Zylinder eingespritzt. Ein Beispiel eines derartigen Verbrennungsmotors mit einer Wassereinspritzvorrichtung ist in DE 10 2015 208 508 A1 dargelegt. Dabei wird die Wärme von der Verbrennungsmotor-Ansaugluft und/oder von den Verbrennungsmotorkomponenten auf das Wasser übertragen, wodurch das Wasser verdampft und dadurch eine Kühlwirkung der Verbrennungsmotor-Ansaugluft und/oder der Verbrennungsmotorkomponenten bewirkt wird.
Das in den Zylinder durch die Verbrennungsmotor-Ansaugluft eingebrachte Wasser vermischt sich im Brennraum mit den restlichen Komponenten und ist dadurch in dem Blow-By-Gemisch in Form von Wasserdampf enthalten, so dass das als Wasserdampf vorliegende Wasser auch in das Kurbelgehäuse strömt. Ausgehend von dem Kurbelgehäuse strömt der Wasserdampf über die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung aus dem Kurbelgehäuse in einen Sammelbehälter oder wird in die Atmosphäre entsorgt, wobei sich der Wasserdampf in der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung derart abkühlt, dass es sich verflüssigt und sich dadurch von den gasförmigen Komponenten des Blow-By-Gemisches abscheidet.
Problematisch ist, dass in dem in den Sammelbehälter strömenden oder in die Atmosphäre abgelassenen Wasser Schadstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe, enthalten sind, wobei sowohl die Wiederverwendung dieses verunreinigten Wassers zur Einspritzung in den Ansaugtrakt als auch die umweltgerechte Entsorgung des Wassers in die Atmosphäre nicht oder nur beschränkt möglich ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welcher die Wiederverwendung des aus dem Kurbelgehäuse abströmenden Wassers sowie die umweltgerechte Entsorgung des Wassers auf eine einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung einen Aktivkohlefilter aufweist, wobei der Aktivkohlefilter von dem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmt ist, wird das Blow-By-Gemisch, insbesondere das im Blow-By-Gemisch enthaltene Wasser, von den umweltschädlichen Kohlenwasserstoffen gereinigt, wodurch das Wasser ausgehend von der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung einfach in die Atmosphäre entsorgt werden kann oder zur Wiederverwendung der Wassereinspritzvorrichtung zur Verfügung steht. Dabei werden die Kohlenwasserstoffe durch den Aktivkohlefilter aus dem Wasser bzw. aus dem Blow-By-Gemisch herausgefiltert, indem sich die Kohlenwasserstoffe an dem Aktivkohlefilter anlagern.
In dem Kurbelgehäuse ist das Wasser aufgrund der hohen in dem Kurbelgehäuse vorliegenden Temperatur dampfförmig. Wenn das einspritzwasserhaltige Blow-By-Gemisch durch die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung und damit durch den Aktivkohlefilter strömt, kühlt sich das Blow-By-Gemisch derart ab, dass sich das Wasser verflüssigt und sich dadurch von den restlichen gasförmigen Bestandteilen des Blow-By-Gemisches abscheidet. Durch die Durchströmung des Aktivkohlefilters ist das Blow-By-Gemisch und insbesondere das Wasser nach dem Aktivkohlefilter frei von Kohlewasserstoffen, so dass das Wasser unschädlich für die Umwelt ist und in die Umwelt entsorgt werden kann.
Die Wassereinspritzvorrichtung weist einen Wassertank und einen Wasserinjektor auf, wobei die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung mit dem Wassertank derart fluidisch verbunden ist, dass das aus dem Blow-By-Gemisch abgeschiedene und den Aktivkohlefilter durchströmte Wasser in den Wassertank strömt. Der Wasserinjektor ist über eine Wasserleitung mit dem Wassertank fluidisch verbunden, welcher an einer vom Wasserinjektor entfernten Stelle am Kraftfahrzeug angeordnet ist. Die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung ist ebenfalls mit dem Wassertank fluidisch verbunden, wobei das von den restlichen Bestandteilen des Blow-By-Gemisches abgeschiedene und durch den Aktivkohlefilter gereinigte Wasser in den Wassertank strömt, in dem Wassertank gesammelt wird und zur Wassereinspritzung wiederverwendet werden kann. Anderenfalls wird das gereinigte Wasser in die Umgebung abgelassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Aktivkohlefilter einen Wasser-Zwischenspeicher auf, welcher mit einem Wasserinjektor der Wassereinspritzvorrichtung fluidisch verbunden ist. Dadurch kann das in dem Wasser-Zwischenspeicher gesammelte, gereinigte Wasser unverzüglich und direkt in die Ansaugluft oder direkt in den Zylinder eingespritzt werden. Der Wasser-Zwischenspeicher kann in dem Gehäuse des Aktivkohlefilters, beispielsweise durch ein doppelwandiges Gehäuse, vorgesehen sein, wobei der Wasser-Zwischenspeicher kleiner als der Wassertank der Wassereinspritzvorrichtung ausgeführt ist.
Vorzugsweise weist die Wassereinspritzvorrichtung einen Wasserinjektor auf, welcher in einem mit dem Zylinder fluidisch verbindbaren Ansaugtrakt angeordnet ist, wobei die Ansaugluft das eingespritzte Wasser in den Zylinder mitreißt. Dadurch wird die Wassereinspritzung vereinfacht und die Herstellungskosten des Wasserinjektors reduziert, da die thermische Belastung des Wasserinjektors geringer ist und dadurch kostengünstigere Werkstoffe zur Herstellung des Wasserinjektors verwendet werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung derart fluidisch mit dem Ansaugtrakt verbunden, dass die Gase des Blow-By-Gemisches in den Ansaugtrakt eingeleitet werden. In der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung kondensiert der in dem Blow-By-Gemisch enthaltene Wasserdampf, so dass das Wasser von den restlichen Gasen des Blow-By-Gemisches getrennt wird. Die gasförmigen Bestandteile des Blow-By-Gemisches werden in den Ansaugtrakt eingeleitet, strömen mit der Verbrennungsmotor-Ansaugluft in den Zylinder und ausgehend von dem Zylinder über eine Abgasanlage mit mehreren Abgasreinigungskomponenten in die Umgebung.
Es wird somit ein Verbrennungsmotor mit einer Wassereinspritzung geschaffen, wobei das durch das Blow-By-Gemisch in das Kurbelgehäuse und in die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung strömende Wasser von den Kohlenwasserstoffen auf eine einfache und kostengünstige Weise gereinigt wird und dadurch umweltfreundlich in die Atmosphäre abgelassen werden kann oder zur Wiederverwendung in der Wassereinspritzanlage verwendet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einer ersten Ausführung einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung, und
2 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einer zweiten Ausführung einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung.

1 offenbart einen Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 10 weist ein Kurbelgehäuse 12, einen Zylinderkopf 14 und mehrere Zylinder 16 auf, wobei in den Figuren lediglich ein Zylinder 16 dargestellt ist. In dem Zylinder 16 ist ein Kolben 18 angeordnet, welcher sich im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 oszillierend bewegt. Der Kolben 18 ist mit einem Pleuel 20 verbunden, wobei der Pleuel mit seinem ersten Ende drehbar an dem Kolben 18 befestigt ist und mit einem zweiten Ende drehbar und exzentrisch mit einer Kurbelwelle 22 verbunden ist. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 bewegt sich der Kolben 18 oszillierend zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt.
Der Zylinder 16 weist oberhalb des oberen Totpunkts einen Einlass 23 auf, welcher mit einem Luftansaugtrakt 24 fluidisch verbunden ist. Der Einlass 23 ist durch ein Einlassventil 25 verschließbar, wobei das Einlassventil 25 den Einlass 23 bedarfsgerecht öffnet und verschließt. Ebenfalls oberhalb des oberen Totpunkts und zum Einlass 23 benachbart weist der Zylinder 16 einen Auslass 29 auf, welcher mit einem Abgastrakt 26 fluidisch verbunden ist. Der Auslass 29 wird mittels eines Auslassventils 27 verschlossen und geöffnet. Zwischen dem Einlass 23 und dem Auslass 29 ist ein Kraftstoffinjektor 28 angeordnet.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird über den Einlass 23 und den Luftansaugtrakt 24 Luft angesaugt und über den Kraftstoffinjektor 28 Kraftstoff in den Zylinder 16 eingespritzt. Nach der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches wird das Abgas über den Auslass 29 und den Abgastrakt 26 aus dem Zylinder 16 ausgestoßen.
Zur Kraftstoffeinsparung, Erhöhung der Verbrennungsmotorleistung und/oder zur Verminderung der Verbrennungsmotoremissionen weist der Verbrennungsmotor 10 eine Wassereinspritzvorrichtung 30 auf. Die Wassereinspritzvorrichtung 30 weist einen Wasserinjektor 31 und einen Wassertank 34 auf. Der Wasserinjektor 31 ist in dem Ansaugtrakt 24 angeordnet und ist über eine Wasserleitung 32 mit dem Wassertank 34 fluidisch verbunden. Durch eine derartige Anordnung des Wasserinjektors 31 wird Wasser in Form von feinem Nebel in den Ansaugtrakt 24 eingespritzt, wobei das eingespritzte Wasser durch den im Ansaugtrakt 24 vorliegenden Luftstrom mitgerissen wird und dadurch das Wasser in den Zylinder 16 gefördert wird.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 und die oszillierende Bewegung des Kolbens 18 kommt es zu einem Übertritt eines sogenannten Blow-By-Gemisches aus dem Zylinder 16 über einen zwischen einem in der Figur nicht gezeigten Kolbenring und einer Zylinderwandung 17 ausgebildeten Bewegungsspalt 19 in das Kurbelgehäuse 12. Um zu verhindern, dass der Druck im Kurbelgehäuse 12 nicht unzulässig ansteigt, ist das Kurbelgehäuse 12 über eine Gasleitung 44 mit einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 fluidisch verbunden, durch welche die in das Kurbelgehäuse 12 strömenden Blow-By-Gemische entweichen können.
Aufgrund der Wassereinspritzung in dem Zylinder 16 ist das eingespritzte Wasser auch im Blow-By-Gemisch enthalten. Das in den Ansaugtrakt 24 und damit in den Zylinder 16 eingebrachte Wasser vermischt sich im Zylinder 16 mit den restlichen Komponenten, insbesondere mit dem Kraftstoff, dem Schmieröl und mit dem im Zylinder 16 verbliebenen heißen Restabgas, wobei das Wasser in Form von Wasserdampf in dem Blow-By-Gemisch enthalten ist. Damit strömt das Wasser gemeinsam mit den anderen Komponenten in das Kurbelgehäuse 12, in dem das Wasser weiterhin in Form von Wasserdampft vorliegt. Ausgehend von dem Kurbelgehäuse 12 strömt das Wasser gemeinsam mit den anderen Komponenten über die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 aus dem Kurbelgehäuse 12.
Erfindungsgemäß ist in der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 ein Aktivkohlefilter 42 vorgesehen. Das einspritzwasserhaltige Blow-By-Gemisch durchströmt den Aktivkohlefilter 42, wobei in dem Aktivkohlefilter 42 die im Blow-By-Gemisch enthaltenen Kohlenwasserstoffe herausgefiltert werden, indem die Kohlenwasserstoffe an der Aktivkohle des Aktivkohlefilters 42 anhaften. Anschließend oder währenddessen kühlt das Blow-By-Gemisch derart ab, dass das Wasser kondensiert und sich von den gasförmigen Bestandteilen des Blow-By-Gemisches abscheidet, wobei nach der Durchströmung des Aktivkohlefilters 42 in dem Wasser keine Kohlenwasserstoffe mehr enthalten sind. Die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 ist mit dem Wassertank 34 fluidisch verbunden, so dass das von den Kohlenwasserstoffen gereinigte Wasser zurück in den Wassertank 34 strömt und zur Wassereinspritzung wiederverwendet werden kann. Anderenfalls kann das Wasser ausgehend von der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 in die Umgebung strömen, da die umweltbelastenden Kohlenwasserstoffe nicht mehr im Wasser gelöst sind.
Die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 ist außerdem über eine Leitung 50 mit dem Ansaugtrakt 24 fluidisch verbunden, wobei die gasförmigen Bestandteile des Blow-By-Gemisches ausgehend vom Aktivkohlefilter 42 über die Leitung 50 in den Ansaugtrakt 24 eingeleitet werden.
Die 2 zeigt eine zweite Ausführung des Verbrennungsmotors 10, wobei der einzige Unterschied zur ersten, in 1 gezeigten Ausführung ist, dass der Aktivkohlefilter 42 einen Wasser-Zwischenspeicher 48 aufweist, in welchem das gereinigte Wasser gesammelt wird. Der Wasser-Zwischenspeicher 48 ist über eine Leitung 52 direkt mit dem Wasserinjektor 31 der Wassereinspritzvorrichtung 30 fluidisch verbunden, so dass das gereinigte Wasser direkt zur Wassereinspritzung genutzt werden kann.
Damit wird ein Verbrennungsmotor 10 mit einer Wassereinspritzung 30 geschaffen, wobei das durch das Blow-By-Gemisch in das Kurbelgehäuse 12 und in die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 strömende Wasser von den Kohlenwasserstoffen auf eine einfache und kostengünstige Weise durch ein Vorsehen eines Aktivkohlefilters 42 in der Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung 40 gereinigt wird und dadurch das Wasser umweltfreundlich in die Atmosphäre abgelassen werden kann oder zur Wiederverwendung in der Wassereinspritzanlage 30 verwendet werden kann.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
Beispielsweise könnten der Zylinder 16 oder die Wassereinspritzvorrichtung 30 anders ausgeführt sein.

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit einem Kurbelgehäuse (12), einem Zylinderkopf (14), wobei der Zylinderkopf (14) und das Kurbelgehäuse (12) mindestens einen Zylinder (16) begrenzen, in welchem ein sich translatorisch bewegender Kolben (18) angeordnet ist, einer Wassereinspritzvorrichtung (30) zur Einspritzung von Wasser in den mindestens einen Zylinder (16), welche einen Wassertank (34) und einen Wasserinjektor (31) aufweist, und einer Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40), welche mit dem Kurbelgehäuse (12) fluidisch verbunden ist, wobei die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40) von einem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40) einen Aktivkohlefilter (42) aufweist, wobei der Aktivkohlefilter (42) von dem einspritzwasserhaltigen Blow-By-Gemisch durchströmbar ist, derart, dass das aus dem Blow-By-Gemisch abgeschiedene und den Aktivkohlefilter (42) durchströmte Wasser in den Wassertank (34) oder in die Atmosphäre strömt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivkohlefilter (42) einen Wasser-Zwischenspeicher (48) aufweist, welcher mit dem Wasserinjektor (31) der Wassereinspritzvorrichtung (30) fluidisch verbunden ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserinjektor (31) in einem mit dem Zylinder (16) fluidisch verbindbaren Ansaugtrakt (24) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung (40) derart fluidisch mit dem Ansaugtrakt (24) verbunden ist, dass die Gase des Blow-By-Gemisches in den Ansaugtrakt (24) eingeleitet werden.