DE102020119056B4

DE102020119056B4 - Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung

Info

Publication number: DE102020119056B4
Application number: DE102020119056.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Sailer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: DE102020119056A1

Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit Wassereinspritzung, umfassend ein Kurbelgehäuse (2), eine Abgasanlage (3) mit zumindest einem Abgaskatalysator (31), die an die Brennkraftmaschine (2) angeschlossen ist, eine Wassereinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasser in einen Brennraum oder in ein Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine einzuspritzen, sowie eine Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, das Kurbelgehäuse (2) zu entlüften, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, das bei der Entlüftung des Kurbelgehäuses (2) aus diesem ausgetragene kondensierte Wasser in Strömungsrichtung der während des Betriebs der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgase vor dem Abgaskatalysator (31) in die Abgasanlage (3) einzuspritzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung, umfassend ein Kurbelgehäuse, eine Abgasanlage mit zumindest einem Abgaskatalysator, die an das die Brennkraftmaschine angeschlossen ist, eine Wassereinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasser in einen Brennraum oder in ein Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine einzuspritzen, sowie eine Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Kurbelgehäuse zu entlüften.
Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Wassereinspritzung dient insbesondere dem Zweck, eine Ansauglufttemperatur der Brennkraftmaschine zu verringern. Dabei wird Wasser - je nach Ausführung der Brennkraftmaschine und der Wassereinspritzvorrichtung - entweder in einen Brennraum oder in ein Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine eingespritzt. Typischerweise wird hierfür ein Wasser-Rail mit einer Mehrzahl von Wasserinjektoren verwendet, mittels derer Wasser in den Brennraum oder in das Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Bei den aus dem Stand der Technik vorbekannten Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzung wird ein Teil des in die Brennkraftmaschine eingespritzten Wassers über die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung, mittels derer das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine entlüftet werden kann, als kondensiertes Wasser ausgetragen. Dabei besteht das Problem, dass dieses kondensierte Wasser mit Kohlenwasserstoffen und weiteren Bestandteilen verunreinigt ist und somit umwelt- und gesetzeskonform gereinigt beziehungsweise entsorgt werden muss.
Die DE 10 2017 112 289 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, bei der dem Abgasturbolader Kondenswasser aus einem Ladeluftkühlersystem zugeführt wird.
Die DE 10 2014 211 307 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung, bei der Wasser oder Scheibenwischerflüssigkeit mittels einer Kanalwassereinspritzdüse in einen Auslasskrümmer einer Abgasanlage stromabwärts eines Auslassventils der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Die Wassereinspritzung erfolgt dabei an einem Auslasskrümmer eines deaktivierten Zylinders, bevor sich das Auslassventil öffnet. Ferner weist die Brennkraftmaschine ein Kurbelwellenentlüftungssystem auf. Dieses Kurbelwellenentlüftungssystem entlüftet Gase aus dem Kurbelgehäuse in einen Einlasskrümmer über eine entsprechende Fluidleitung, mittels derer das Kurbelgehäuse und der Einlasskrümmer in Fluidverbindung miteinander stehen.
Die DE 103 10 452 B4 offenbart ein Verfahren zur Behandlung eines Kurbelgehäuseentlüftungsgases einer Brennkraftmaschine. Bei diesem Verfahren wird das während der Aufbereitung abgeschiedene Wasser entweder unmittelbar oder über ein automatisches Dosierventil einem Service-Behälter zugeführt, in dem das Wasser gesammelt wird. Da das Wasser in der Regel noch Schadstoffe enthält, wird dieses in dem Behälter in der Zeit zwischen zwei Wartungsintervallen der zugehörigen Brennkraftmaschine aufbewahrt und bei der Wartung der Brennkraftmaschine geordnet entsorgt. Alternativ kann das Wasser verdampft oder verflüchtigt werden und dann gasförmig dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der eine wirksame Reinigung des mittels der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung ausgetragenen Wassers auf sehr einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das bei der Entlüftung des Kurbelgehäuses aus diesem ausgetragene kondensierte Wasser in Strömungsrichtung der während des Betriebs der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase vor dem Abgaskatalysator in die Abgasanlage einzuspritzen. Der ohnehin in der Abgasanlage vorgesehene Abgaskatalysator sorgt dafür, dass das der Abgasanlage mittels der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung zugeführte Wasser wirksam gereinigt wird. Denn die in dem kondensierten Wasser enthaltenen Verunreinigungen, insbesondere die in dem Wasser enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe, werden von dem Abgaskatalysator chemisch umgesetzt, so dass dadurch ungiftiges Kohlendioxid und Wasser erhalten wird. Somit kann die Reinigung des kondensierten Wassers auf sehr einfache und kostengünstige Weise erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung eine Pumpvorrichtung aufweist. Mittels der Pumpvorrichtung kann eine besonders wirksame Entlüftung des Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine erfolgen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung eine Dosiereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das kondensierte Wasser dosiert in die Abgasanlage einzuspritzen. Die Dosiereinrichtung ermöglicht eine dosierte und damit auch kontrollierte Einspritzung des kondensierten Wassers aus der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung in die Abgasanlage. Dadurch kann erreicht werden, dass stets die optimale Menge des kondensierten Wassers in die Abgasanlage eingespritzt wird.
Vorzugsweise kann die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader mit einer Turbine aufweisen, die innerhalb der Abgasanlage stromaufwärts vor dem Abgaskatalysator angeordnet ist.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung eine Fluidleitung aufweist, die stromaufwärts vor der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage mündet. Mit anderen Worten mündet diese Fluidleitung in Strömungsrichtung der während des Betriebs der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase vor der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage, insbesondere in einen Krümmer der Abgasanlage. Das unmittelbar vor der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingespritzte Wasser bewirkt einen Kühleffekt und sorgt somit für eine zusätzliche Kühlung der Turbine. Darüber hinaus expandiert das vor der Turbine in die Abgasanlage eingespritzte Wasser durch einen Verdampfungsprozess, so dass eine zusätzliche Expansionsenergie auf die Turbine des Abgasturboladers übertragen werden kann. Dadurch ist ein effizienterer Betrieb des Abgasturboladers möglich.
Vorzugsweise kann die stromaufwärts vor der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage mündende Fluidleitung an die Dosiereinrichtung angeschlossen sein, welche die dosierte Einspritzung des kondensierten Wassers ermöglicht.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung eine Fluidleitung aufweist, die zwischen der Turbine des Abgasturboladers und dem Abgaskatalysator in die Abgasanlage mündet. Mit anderen Worten mündet diese Fluidleitung in Strömungsrichtung der Abgase hinter der Turbine des Abgasturboladers und vor dem Abgaskatalysator in die Abgasanlage. Das unmittelbar vor dem Abgaskatalysator in die Abgasanlage eingespritzte Wasser sorgt für eine zusätzliche Kühlung des Abgaskatalysators.
Vorzugsweise kann die zwischen der Turbine des Abgasturboladers und dem Abgaskatalysator in die Abgasanlage mündende Fluidleitung an die Dosiereinrichtung angeschlossen sein, welche die dosierte Einspritzung des kondensierten Wassers ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen:

1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung, die gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.

Der grundlegende Aufbau einer Brennkraftmaschine 1, die gemäß einem ersten beziehungsweise einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, weist zahlreiche technische Gemeinsamkeiten auf, die nachfolgend erläutert werden, bevor daran anschließend die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden sollen.
Die Brennkraftmaschine 1 weist in an sich bekannter Weise ein Kurbelgehäuse 2 und eine angeschlossene Abgasanlage 3 auf, mittels derer die während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 entstehenden Abgase ausgetragen werden können. Die Abgasanlage 3 umfasst einen Abgaskrümmer 30, der mit einem hier nicht explizit dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist, sowie zumindest einen Abgaskatalysator 31, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator, der für eine Abgasreinigung vorgesehen ist.
Die Brennkraftmaschine 1 weist in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen zudem einen Abgasturbolader 5 mit mindestens einer Turbine 50 auf, der an dem Abgaskrümmer 30 montiert ist. Die Turbine 50 des Abgasturboladers 5 ist dabei in der Abgasanlage 3 in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Abgaskrümmer 30 und vor dem Abgaskatalysator 31 angeordnet. Der Abgasturbolader 5 umfasst ferner in an sich bekannter Weise einen Verdichter, der in 1 und 2 jedoch aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zudem mit einer Wassereinspritzung ausgestattet, die insbesondere dem Zweck dient, eine Ansauglufttemperatur der Brennkraftmaschine 1 zu verringern. Dabei wird Wasser-je nach Ausführung der Brennkraftmaschine 1 und einer entsprechenden, hier ebenfalls nicht explizit dargestellten Wassereinspritzvorrichtung - entweder in einen Brennraum oder in ein Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Typischerweise wird hierfür ein so genanntes Wasser-Rail mit einer Mehrzahl von Wasserinjektoren verwendet, mittels derer Wasser in den Brennraum beziehungsweise in das Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt werden kann.
Um das Kurbelgehäuse 2 der Brennkraftmaschine 1 wirksam entlüften zu können, ist eine Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 vorgesehen, die an das Kurbelgehäuse 2 angeschlossen ist und mit diesem in Fluidverbindung steht. Ein Teil des während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 mittels der Wassereinspritzvorrichtung eingespritzten Wassers wird über die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 wieder aus dem Kurbelgehäuse ausgetragen. Hierbei besteht das Problem, dass dieses kondensierte Wasser durch Kohlenwasserstoffe und weitere Bestandteile verunreinigt ist und daher umwelt- und gesetzeskonform gereinigt beziehungsweise entsorgt werden muss. Weiter unten sollen mögliche Ausführungsvarianten näher erläutert werden, mittels derer eine derartige Reinigung des kondensierten Wassers, das mittels der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 aus dem Kurbelgehäuse 2 der Brennkraftmaschine 1 ausgetragen wird, erfolgen kann.
Die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 weist eine Pumpvorrichtung 40 und eine Dosiereinrichtung 41 auf, die mit der Pumpvorrichtung 40 in Fluidverbindung steht. Mittels der Pumpvorrichtung 40 wird das Wasser aus dem Kurbelgehäuse 2 der Brennkraftmaschine in kondensierter Form zu der Dosiereinrichtung 41 gepumpt. Die Dosiereinrichtung 41 steht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 1 dargestellt ist, über eine Fluidleitung 42a mit der Abgasanlage 3 der Brennkraftmaschine 1 in Fluidverbindung. Diese Fluidleitung 42a mündet in Strömungsrichtung der Abgase vor der Turbine 50 des Abgasturboladers 5 in den Abgaskrümmer 30 der Abgasanlage 3 der Brennkraftmaschine 1. In diesem Ausführungsbeispiel wird also mit anderen Worten mittels der Dosiereinrichtung 41 der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 kondensiertes Wasser in einen Bereich der Abgasanlage 3 eingespritzt, der sich in Strömungsrichtung der Abgase vor der Turbine 50 des Turboladers 5 befindet. Dadurch kann eine zusätzliche Kühlung der Turbine 50 des Abgasturboladers 5 erreicht werden. Zudem expandiert das vor der Turbine 50 in die Abgasanlage 3 eingespritzte Wasser durch Verdampfen, so dass eine zusätzliche Expansionsenergie auf die Turbine 50 des Abgasturboladers 5 übertragen werden kann. Die Dosiereinrichtung 41 ermöglicht eine dosierte und damit auch kontrollierte Einspritzung des kondensierten Wassers aus der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 in die Abgasanlage 3. Dadurch kann erreicht werden, dass stets eine optimale Menge des kondensierten Wassers in die Abgasanlage 3 eingespritzt wird.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 2 gezeigt ist, steht die Dosiereinrichtung 41 der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 über eine Fluidleitung 42b mit einem Leitungsabschnitt 32 der Abgasanlage 3, der sich zwischen der Turbine 50 des Abgasturbolader 5 und dem Abgaskatalysator 31 erstreckt, in Strömungsverbindung. Diese Fluidleitung 42b mündet also in Strömungsrichtung der Abgase zwischen der Turbine 50 des Abgasturboladers 5 und dem Abgaskatalysator 31 in den Leitungsabschnitt 32 der Abgasanlage 3 der Brennkraftmaschine 1. In diesem Ausführungsbeispiel wird also mit anderen Worten kondensiertes Wasser in einen Bereich der Abgasanlage 3 eingespritzt, der sich in Strömungsrichtung der Abgase hinter der Turbine 50 des Turboladers 5 und vor dem Abgaskatalysator 31 befindet. Dadurch kann eine zusätzliche Kühlung des Abgaskatalysators 31 erreicht werden.
An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass auch eine Kombination der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich ist und somit eine erste Fluidleitung 42a in Strömungsrichtung der Abgase vor der Turbine 50 des Abgasturboladers 5 in die Abgasablage 3 der Brennkraftmaschine 1, insbesondere in den Krümmer 30 der Abgasanlage 3, mündet und eine zweite Fluidleitung 42b in Strömungsrichtung der Abgase in den Leitungsabschnitt 32 zwischen der Turbine 50 des Abgasturboladers 5 und dem Abgaskatalysator 31 in die Abgasanlage 3 der Brennkraftmaschine 1 mündet.
In sämtlichen Ausführungsbeispielen sorgt der Abgaskatalysator 31 dafür, dass das der Abgasanlage 3 aus der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung 4 zugeführte Wasser wirksam gereinigt wird. Denn die in dem Wasser enthaltenen Verunreinigungen, insbesondere die in dem Wasser enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe, werden von dem Abgaskatalysator 31 chemisch umgesetzt, so dass dadurch ungiftiges Kohlendioxid und Wasser erhalten werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit Wassereinspritzung, umfassend ein Kurbelgehäuse (2), eine Abgasanlage (3) mit zumindest einem Abgaskatalysator (31), die an die Brennkraftmaschine (2) angeschlossen ist, eine Wassereinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, während des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasser in einen Brennraum oder in ein Luftansaugsystem der Brennkraftmaschine einzuspritzen, sowie eine Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, das Kurbelgehäuse (2) zu entlüften, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, das bei der Entlüftung des Kurbelgehäuses (2) aus diesem ausgetragene kondensierte Wasser in Strömungsrichtung der während des Betriebs der Brennkraftmaschine (1) erzeugten Abgase vor dem Abgaskatalysator (31) in die Abgasanlage (3) einzuspritzen.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) eine Pumpvorrichtung (40) aufweist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) eine Dosiereinrichtung (41) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das kondensierte Wasser dosiert in die Abgasanlage (3) einzuspritzen.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) einen Abgasturbolader (5) mit einer Turbine (50) aufweist, die innerhalb der Abgasanlage (3) stromaufwärts vor dem Abgaskatalysator (31) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) eine Fluidleitung (42a) aufweist, die stromaufwärts vor der Turbine (50) des Abgasturboladers (5) in die Abgasanlage (3) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärts vor der Turbine (50) des Abgasturboladers (5) in die Abgasanlage (3) mündende Fluidleitung (42a) an die Dosiereinrichtung (41) angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung (4) eine Fluidleitung (42b) aufweist, die zwischen der Turbine (50) des Abgasturboladers (5) und dem Abgaskatalysator (31) in die Abgasanlage (3) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Turbine (50) des Abgasturboladers (5) und dem Abgaskatalysator (31) in die Abgasanlage (3) mündende Fluidleitung (42b) an die Dosiereinrichtung (41) angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.