EP2789839B1 - System und Verfahren zur Wassereinspritzung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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- EP2789839B1 EP2789839B1 EP14156485.6A EP14156485A EP2789839B1 EP 2789839 B1 EP2789839 B1 EP 2789839B1 EP 14156485 A EP14156485 A EP 14156485A EP 2789839 B1 EP2789839 B1 EP 2789839B1
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Definitions
- the invention relates to a method for water injection for an internal combustion engine in the form of a gasoline engine.
- the generic US 5,875,743 describes a method for operating a diesel engine, in which water is injected into the combustion chambers of the diesel engine in certain load ranges.
- the diesel engine is operated in a medium load range at medium and high speeds in a so-called HCCI mode in which a homogeneous lean mix is injected either into the intake manifold upstream of the combustion chamber or directly into the combustion chambers.
- a water addition is not provided in HCCI mode.
- water is mixed with the diesel fuel injected directly into the combustion chamber for cooling.
- a water addition in a cylinder of an internal combustion engine can also be done to obtain from a hydrocarbonaceous fuel by a reforming process hydrogen, which in turn can be added to the actual fuel.
- a combustion engine is in the JP 2007-332891A shown.
- EP 2 071 164 A1 discloses a method of operating a gasoline engine wherein at full load fuel is injected via first injectors into the combustion chambers and via the second injectors into the intake manifold.
- WO 2006/079172 A1 discloses a method of operating an Otto engine having injectors disposed in the combustion chambers and in the intake manifold, wherein at full load, fuel and water are injected via injectors into the combustion chambers.
- the object of the invention is to optimize a water injection.
- the fuel injection is preferably carried out either exclusively in the combustion chamber or exclusively in the Saugrohrabites, but not in both areas simultaneously.
- the water injection preferably always takes place only in the combustion chamber and not in the Saugrohrabites, but it can be suspended depending on the load range of the internal combustion engine or its operating mode.
- no water can be injected in a first load range or operating mode of the internal combustion engine, and fuel can be injected into the combustion chambers exclusively via the first injectors.
- This mode of operation is approximately favorable in the case of a cold start of the internal combustion engine or in the regeneration of a catalytic converter, ie in cases where heating of the internal combustion engine or generation of a high exhaust gas temperature is desired.
- a second load range which is in particular in a medium speed range below the full load, preferably no water is injected, and fuel is injected exclusively via the second injectors in the respective Saugrohrabites.
- This second load range may, depending on the internal combustion engine, for example below 4,000 1 / min and below about 200 Nm (or less than 100 Nm / liter displacement).
- a third load range which is in a medium speed range substantially at full load, however, water is injected via the first injectors into the combustion chambers and fuel is injected exclusively via the second injectors in the Saugrohrabites.
- This third load range for example, at less than 4,000 1 / min and from about 200 Nm (or from about 100 Nm / liter displacement) are.
- the cooling effect is desired by injected water and ensures, for example, an increase in performance of Internal combustion engine.
- the timing of the water injection may be offset from the timing of the fuel injection in the duty cycle of the internal combustion engine.
- a fourth load range which is in particular in a high speed range substantially at full load, water and fuel can be injected via the first injectors in the combustion chambers.
- This fourth load range may, for example, be above 4,000 rpm and above approximately 150 Nm (or approximately 75 Nm / liter displacement).
- the method described above is practicable, for example, with a system for injecting water for an internal combustion engine having first injectors each injecting a liquid directly into a combustion chamber of the internal combustion engine and second injectors each injecting a liquid into a suction pipe in front of the combustion chamber.
- the fuel supply valve and the water supply valve are switchable so that the first injectors are in fluid communication with the fuel tank as well as with the water reservoir and the second injectors in fluid communication with the fuel tank can be brought.
- this system allows to provide the fuel supply in two ways, regardless of the water injection, namely on the one direct injection by the first injectors directly into the combustion chamber and the other via a port injection before the combustion chamber, wherein the fuel mixes with the introduced air.
- the System thus allows to optimize the performance and the fuel consumption over the entire working range of the internal combustion engine.
- the injection timing of the water injection may be varied and shifted with respect to the time of fuel injection.
- the first injectors are preferably preceded by a high-pressure pump, which can be brought into fluid communication with the fuel tank via the fuel supply valve and via the water supply valve with the water reservoir.
- the high-pressure pump advantageously corresponds to the usual high-pressure fuel pump of a direct-injection system, which is used to generate the necessary injection pressure for the first injectors. Water and fuel may be mixed before or in the pump and the mixture injected. It is also possible, if no fuel is to be supplied via the first injectors, only to promote water with the high-pressure pump.
- the water supply valve is preferably a metering valve, via which the water injection is freely adjustable up to a predetermined maximum flow. In this way one gains another variable parameter that can be used to optimize combustion.
- the necessary injection pressure for the second injectors can usually already be achieved by a fuel prefeed pump upstream of the high-pressure pump, which is usually part of the direct injection system.
- an additional water pump is preferably connected between the water reservoir and the water supply valve, which promotes water to the high pressure pump.
- the fuel supply valve, the water supply valve and also the water pump are preferably switched by a control unit as needed, the control unit advantageously also the second injectors can drive.
- the control unit is connected, for example, to an engine electronics of the internal combustion engine or integrated into these.
- FIG. 1 schematically shows a system 10 for injection of water for an internal combustion engine 12, in which the internal combustion engine 12 in addition to conventional fuel and water or a mixture of water with other liquids can be supplied.
- the internal combustion engine 12 is a gasoline engine and the fuel is gasoline.
- the amount of water injected is less than the amount of fuel injected.
- the internal combustion engine 12 has a plurality of combustion chambers 14, in each of which an unillustrated piston is moved to generate the drive energy.
- Each of the combustion chambers 14 is in direct flow communication with a first injector 16, which injects liquid supplied by a high pressure pump 18 into the combustion chamber 14.
- the high-pressure pump 18 generates, for example, a pressure of 200 to 250 bar.
- the combustion chambers 14 are also supplied via a suction pipe 20, a gas mixture for combustion of the fuel, wherein a separate Saugrohrabchanging 22 leads to each of the combustion chambers 14.
- a second injector 24 is arranged, which can inject a liquid in the Saugrohrabites 22 in front of the combustion chamber 14.
- the internal combustion engine 12 is provided with a turbocharger so that compressed air, optionally mixed with recirculated exhaust gas, is introduced into the intake manifold 20.
- the compressed charge air is cooled in a charge air cooler 26, which is downstream of a compressor 28 in terms of flow.
- the compressor 28 is driven by a turbine 30 in the exhaust system 32.
- the charge air flow is controlled in a known manner by an air mass meter 34.
- one or more exhaust treatment systems 36 are provided here, for example, conventional catalysts or particulate filters that absorb pollutants from the exhaust.
- the fuel is supplied to the high pressure pump 18 and the second injectors 24 from a fuel tank 38.
- a fuel line connected to the fuel tank 38 branches into a fuel line 44 leading to the second injectors 24 and a fuel line 46 leading to the high pressure pump 18 and to the first injectors 16.
- a valve 40 disposed in the fuel line 46 upstream of the high pressure pump 18 allows shutoff of the fuel flow to the first injectors 16.
- the injection pressure for the second injectors 24 is generated here alone via a fuel feed pump 42, which also delivers the fuel from the fuel tank 38 to the high-pressure pump 18.
- the injection via the second injectors 24 is controlled by valves of the injectors 24. It would also be possible to use a further valve in the fuel line 44 from the fuel tank 38 to the second injectors 24 or to place the valve 40 at the branch of the fuel lines 44, 46 and form it, for example as a 3/2-way valve to a To selectively open or close fuel supply to the high-pressure pump 18 or to the second injectors 24.
- a water reservoir 48 is connected to the high-pressure pump 18 via a water supply pump 50 and a water supply valve 52 in a water supply line 54.
- the water supply valve 52 is designed as a metering valve, so that the water flow to the high pressure pump 18th and about the injected amount of water can be varied.
- the necessary prefeed pressure can be set via the water feed pump 50, this can for example generate a pressure of about 1 to 10 bar.
- the water reservoir 48 has, for example, a volume of 8 to 10 liters.
- control of the second injectors 24, optionally the first injectors 16, the fuel supply valve 40, the water supply valve 52 and the water supply pump 50 is here taken over by a control unit 56 which can communicate via control lines 58 with these components (in the FIG. 1 For reasons of clarity, only one of the lines is provided with a reference numeral).
- the control unit 56 also receives information from a pressure sensor 60 located upstream of the water supply valve 52 in the water supply 54, and from a temperature sensor 62 which measures the temperature of the water in the water supply 48.
- a level gauge 64 monitors the level of the water in the water reservoir 48 and also reports this to the control unit 56th
- the inlet of the water supply line 54 is here protected by a filter 66, which filters out contaminants from the water.
- a heater 68 is provided for heating the water in the water reservoir 48 to prevent it from freezing at low ambient temperatures or thaw at low ambient temperatures when starting the vehicle.
- the heater is also controlled via the control unit 56 here.
- the system 10 may be switched so that fuel is selectively injected through the first injectors 16 at high pressure directly into the combustion chambers 14 or alternatively under low pressure via the second injectors 24 in the Saugrohrabête 22 and from there with the combustion chambers 14 supplied air flow enters the combustion chambers 14.
- fuel is supplied either via the first injectors 16 or via the second injectors 24.
- the choice of fuel injection is, as will be described below, depending on the load range or operating mode in which the internal combustion engine 12 is working.
- Water can be mixed with the fuel injected via the first injectors 16 directly into the combustion chambers 14 via the water supply line 54.
- the mixing takes place here directly in the high pressure pump 18 or in a supply line directly upstream of the high pressure pump 18.
- the interconnection is designed so that water also reaches the high pressure pump 18 when the fuel supply valve 40 is closed and the fuel exclusively via the second injectors 24 is injected into the suction pipe sections 22. In this case it is also possible to choose the timing of the water injection so that it does not coincide with the fuel injection.
- the water injection is switched on only in certain load ranges, in which a performance improvement by the water supply can be achieved.
- the water supply is turned off when the level gauge 64 indicates too low a level or the temperature sensor 62 a too low temperature in the water reservoir 48, which is at risk of freezing.
- FIG. 2 It is shown how the system 10, the water and fuel injection in different load ranges of the internal combustion engine 12 can be varied.
- load ranges or operating modes are given.
- the details of the individual load ranges are, of course, variable at the discretion of the skilled person.
- Injection via the first injectors 16 is marked with a "B", injection via the second injectors 24 with an "S".
- a first load range or operating mode I which corresponds to a cold start of the internal combustion engine, but also alternatively during operation of the motor vehicle a state in which a regeneration of the exhaust gas treatment plants 36 is to be made, the fuel is exclusively via the first injectors 16 in the combustion chambers 14 injected. There is no water discharge. In these operating modes, rapid heating of the internal combustion engine 12 or a high exhaust gas temperature is desired.
- a second load range II which is in a medium speed range and at a torque below the full load of the internal combustion engine 12 (in the example of FIG. 2 below about 4,000 1 / min and below about 200 Nm)
- a torque below the full load of the internal combustion engine 12 in the example of FIG. 2 below about 4,000 1 / min and below about 200 Nm
- the fuel is injected completely via the second injectors 24 into the suction pipe sections 22 in front of the combustion chambers 14.
- the fuel supply valve 40 in the fuel line 44 is closed.
- the high pressure pump 18 may be turned off in this case.
- a third load range III which is also in a medium speed range, but at a higher load, especially at full load (in the example of FIG. 2 below about 4,000 rpm and at torques of above about 200 Nm)
- the fuel injection continues to take place exclusively via the second injectors 24 in the Saugrohrabête 22 in front of the combustion chamber 14, but it is simultaneously water through the first injectors 16 in the Combustion chambers 14 injected.
- Water is now conveyed via the water supply pump 50, the water supply valve 52 and the high-pressure pump 18 from the water reservoir 48 to the first injectors 16 and injected with high injection pressure into the combustion chambers 14. There it can develop a cooling effect and thus positively influence the combustion in the combustion chambers 14.
- a fourth load range IV which is here at high speed and preferably also at full load (above about 4,000 rpm and at torques above about 150 Nm)
- the water injection via the first injectors 16, which changes fuel injection is finally maintained however, from the second injectors 24 to the first injectors 16.
- Fuel and water are mixed in and before the high pressure pump 18, respectively.
- the amount of water to be injected is determined by controlling the flow through the water supply valve 52 by the control unit 56.
- the mixture of water and fuel is injected via the first injectors 16 into the combustion chambers 14.
- the amount of water to be injected may e.g. Even within the load ranges can still be varied within a certain range to optimally adjust the combustion process.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Ottomotors.
- Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Ottomotoren für Personenkraftfahrzeuge, kann eine Einspritzung von Wasser zusätzlich zum eigentlichen Kraftstoff die Fahreigenschaften günstig beeinflussen, indem beispielsweise eine Kühlwirkung erzielt wird. Es hat sich gezeigt, dass eine klopfende Verbrennung unterdrückt werden kann, und der Wirkungsgrad der Verbrennung und damit die Leistung gesteigert bzw. der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
- Die gattungsgemäße
US 5 875 743 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, bei dem in bestimmten Lastbereichen Wasser in die Brennkammern des Dieselmotors eingespritzt wird. Der Dieselmotor wird in einem mittleren Lastbereich bei mittleren und hohen Drehzahlen in einem sogenannten HCCI-Modus betrieben, bei dem ein homogener Magermix entweder in das Saugrohr vor der Brennkammer oder direkt in die Brennkammern eingespritzt wird. Eine Wasserbeimischung ist im HCCI-Modus nicht vorgesehen. In einem Volllastbereich wird zur Kühlung Wasser dem direkt in die Brennkammer eingespritztem Dieselkraftstoff beigemischt.. - Eine Wasserbeimischung in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine kann auch erfolgen, um aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Treibstoff durch einen Reformierungs-Prozess Wasserstoff zu erhalten, der wiederum dem eigentlichen Treibstoff beigemischt werden kann. Ein eine solche Verbrennungskraftmaschine ist in der
JP 2007-332891A - Wiederum eine andere Möglichkeit, eine Verbrennungskraftmaschine zu betreiben, ist in der
US 2007/0219674 A1 diskutiert. Hier wird aus einem alkoholhaltigen Treibstoff durch einen Separationsprozess eine erste Mischung mit einem höheren Alkoholgehalt und eine zweite Mischung mit einem niedrigeren Alkoholgehalt gewonnen. Unter verschiedenen Betriebsbedingungen wird der Verbrennungskraftmaschine jeweils ein unterschiedliches Mischungsverhältnis zu geführt. -
EP 2 071 164 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors, wobei bei Volllast Kraftstoff über erste Injektoren in die Brennkammern und über die zweiten Injektoren in das Saugrohr eingespritzt wird. -
WO 2006/079172 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors mit in den Brennkammern und in dem Saugrohr angeordneten Injektoren, wobei bei Volllast Kraftstoff und Wasser über Injektoren in die Brennkammern eingespritzt werden. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wassereinspritzung zu optimieren.
- Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine sind zu diesem Zweck die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
- Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt vorzugsweise entweder ausschließlich in die Brennkammer oder ausschließlich in den Saugrohrabschnitt, aber nicht in beide Bereiche gleichzeitig. Die Wassereinspritzung hingegen erfolgt bevorzugt immer nur in die Brennkammer und nicht in den Saugrohrabschnitt, sie kann aber abhängig vom Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine bzw. von deren Betriebsmodus ausgesetzt werden.
- Beispielsweise kann in einem ersten Lastbereich bzw. Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine kein Wasser eingespritzt werden, und Kraftstoff ausschließlich über die ersten Injektoren in die Brennkammern eingespritzt werden. Diese Betriebsweise ist etwa günstig bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine oder beim Regenerieren eines Katalysators, also in Fällen, wo ein Aufheizen der Verbrennungskraftmaschine bzw. das Erzeugen einer hohen Abgastemperatur gewünscht ist.
- In einem zweiten Lastbereich, der insbesondere in einem mittleren Drehzahlbereich unterhalb der Volllast liegt, wird bevorzugt kein Wasser eingespritzt, und Kraftstoff wird ausschließlich über die zweiten Injektoren in den jeweiligen Saugrohrabschnitt eingespritzt. Dieser zweite Lastbereich kann, abhängig von der Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel bei unter 4.000 1/min und unterhalb von etwa 200 Nm (oder unter 100 Nm/Liter Hubraum) liegen.
- In einem dritten Lastbereich, der in einem mittleren Drehzahlbereich im Wesentlichen bei Volllast liegt, wird hingegen Wasser über die ersten Injektoren in die Brennkammern eingespritzt und Kraftstoff ausschließlich über die zweiten Injektoren in den Saugrohrabschnitt eingespritzt. Dieser dritte Lastbereich kann beispielsweise bei unter 4.000 1/min und ab etwa 200 Nm (oder ab etwa 100 Nm/Liter Hubraum) liegen. In diesem Bereich ist die Kühlwirkung durch eingespritztes Wasser erwünscht und sorgt z.B. für eine Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine. Der Zeitpunkt der Wassereinspritzung kann im Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine gegenüber dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung versetzt sein.
- In einem vierten Lastbereich, der insbesondere in einem hohen Drehzahlbereich im Wesentlichen bei Volllast liegt, können Wasser und Kraftstoff über die ersten Injektoren in die Brennkammern eingespritzt werden. Dieser vierte Lastbereich kann beispielsweise oberhalb von 4.000 1/min und oberhalb von ca. 150 Nm (oder etwa 75 Nm/Liter Hubraum) liegen.
- Die genannten Zahlenwerte sind natürlich abhängig vom jeweiligen Motor und können von Verbrennungskraftmaschine zu Verbrennungskraftmaschine variieren. Prinzipiell empfiehlt sich die Wassereinspritzung bei hohen Drehzahlen und hohen Lastbereichen, wo eine Kühlwirkung vorteilhaft ist.
- Das oben beschrieben Verfahren ist beispielsweise mit einem System zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine durchführbar, das erste Injektoren aufweist, die jeweils eine Flüssigkeit direkt in eine Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine einspritzen, und zweite Injektoren, die jeweils eine Flüssigkeit in ein Saugrohr vor der Brennkammer einspritzen. Es ist wenigstens ein Kraftstoffzuleitungs-Ventil vorgesehen, das zwischen einem Kraftstofftank und den ersten und zweiten Injektoren angeordnet ist, und ein Wasserzuleitungs-Ventil, das zwischen einem Wasser-Vorratsbehälter und den ersten Injektoren angeordnet ist. Das Kraftstoff-Zuleitungsventil und das Wasser-Zuleitungsventil sind so schaltbar, dass die ersten Injektoren sowohl in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank als auch mit dem Wasser-Vorratsbehälter und die zweiten Injektoren in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank bringbar sind. Auf diese Weise lässt sich in bestimmten Lastbereichen oder Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine Wasser zur Einspritzung direkt in die Brennkammer bereitstellen, gegebenenfalls gemischt mit Kraftstoff. Außerdem erlaubt dieses System unabhängig von der Wassereinspritzung die Kraftstoffversorgung auf zwei Arten vorzunehmen, nämlich zum einen über eine Direkteinspritzung mittels der ersten Injektoren direkt in die Brennkammer und zum anderen über eine Saugrohreinspritzung vor der Brennkammer, wobei sich der Kraftstoff mit der eingeleiteten Luft mischt. Das System erlaubt es so, die Leistung und den Kraftstoffverbrauch über den gesamten Arbeitsbereich der Verbrennungskraftmaschine zu optimieren.
- Wenn Kraftstoff über die zweiten Injektoren und Wasser über die ersten Injektoren eingespritzt wird, kann der Einspritzzeitpunkt der Wasserinjektion variiert und bezüglich des Zeitpunkts der Kraftstoffinjektion verschoben werden.
- Den ersten Injektoren ist vorzugsweise eine Hochdruckpumpe vorgeschaltet, die über das Kraftstoffzuleitungs-Ventil mit dem Kraftstofftank und über das Wasserzuleitungs-Ventil mit dem Wasser-Vorratsbehälter in Strömungsverbindung bringbar ist. Die Hochdruckpumpe entspricht vorteilhaft der gewöhnlichen Kraftstoffhochdruckpumpe eines Direkteinspritzsystems, die zum Erzeugen des notwendigen Einspritzdrucks für die ersten Injektoren verwendet wird. Wasser und Kraftstoff können vor oder in der Pumpe gemischt und das Gemisch eingespritzt werden. Es ist auch möglich, wenn kein Kraftstoff über die ersten Injektoren zugeführt werden soll, nur Wasser mit der Hochdruckpumpe zu fördern.
- Das Wasserzuleitungs-Ventil ist vorzugsweise ein Dosierventil, über das die Wassereinspritzung bis zu einem vorbestimmten Maximalfluss frei einstellbar ist. Auf diese Weise gewinnt man einen weiteren variablen Parameter, der zur Optimierung der Verbrennung verwendet werden kann.
- Der notwendige Einspritzdruck für die zweiten Injektoren kann meist bereits von einer der Hochdruckpumpe vorgeschalteten Kraftstoff-Vorförderpumpe erreicht werden, die für gewöhnlich Teil des Direkteinspritzsystems ist.
- Um das Wasser aus dem Wasser-Vorratsbehälter zu fördern, ist vorzugsweise eine zusätzliche Wasserförderpumpe zwischen den Wasser-Vorratsbehälter und das Wasserzuleitungs-Ventil geschaltet, die Wasser zur Hochdruckpumpe fördert.
- Das Kraftstoff-Zuleitungsventil, das Wasser-Zuleitungsventil und auch die Wasserförderpumpe werden vorzugsweise von einer Steuereinheit je nach Bedarf geschaltet, wobei die Steuereinheit vorteilhaft auch die zweiten Injektoren ansteuern kann. Die Steuereinheit ist beispielsweise mit einer Motorelektronik der Verbrennungskraftmaschine verbunden oder in diese integriert.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
-
Figur 1 ein schematisches hydraulisches und elektronisches Schaltbild eines Systems zur Wassereinspritzung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und -
Figur 2 eine schematische Darstellung der Einspritzung von Wasser und Kraftstoff in verschiedenen Lastbereichen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wassereinspritzung. -
Figur 1 zeigt schematisch ein System 10 zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine 12, in dem der Verbrennungskraftmaschine 12 neben konventionellem Kraftstoff auch Wasser bzw. ein Gemisch von Wasser mit anderen Flüssigkeiten zugeführt werden kann. In diesem Beispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 12 ein Otto-Motor und bei dem Kraftstoff handelt es sich um Benzin. - Normalerweise ist die eingespritzte Wassermenge kleiner als die eingespritzte Kraftstoffmenge.
- Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist mehrere Brennkammern 14 auf, in denen jeweils ein nicht dargestellter Kolben zur Erzeugung der Antriebsenergie bewegt wird. Jede der Brennkammern 14 steht in direkter Strömungsverbindung mit einem ersten Injektor 16, der Flüssigkeit, die von einer Hochdruckpumpe 18 geliefert wird, in die Brennkammer 14 einspritzt. Die Hochdruckpumpe 18 erzeugt beispielsweise einen Druck von 200 bis 250 bar.
- Den Brennkammern 14 wird zur Verbrennung des Kraftstoffs außerdem über ein Saugrohr 20 ein Gasgemisch zugeführt, wobei ein separater Saugrohrabschnitt 22 zu jeder der Brennkammern 14 führt. An jedem der Saugrohrabschnitte 22 ist ein weiterer, zweiter Injektor 24 angeordnet, der eine Flüssigkeit in den Saugrohrabschnitt 22 vor der Brennkammer 14 einspritzen kann.
- Bei dem in
Figur 1 dargestellten System 10 ist die Verbrennungskraftmaschine 12 mit einem Turbolader versehen, sodass verdichtete Luft, optional gemischt mit rückgeführtem Abgas, in das Saugrohr 20 eingebracht wird. Die verdichtete Ladeluft wird in einem Ladeluftkühler 26 gekühlt, der einem Verdichter 28 strömungsmäßig nachgeschaltet ist. Der Verdichter 28 wird von einer Turbine 30 im Abgassystem 32 angetrieben. Der Ladeluftstrom wird auf bekannte Weise durch einen Luftmassenmesser 34 gesteuert. - Im Abgassystem 32 sind hier ein oder mehrere Abgasbehandlungsanlagen 36 vorgesehen, beispielsweise herkömmliche Katalysatoren oder Rußpartikelfilter, die Schadstoffe aus dem Abgas aufnehmen.
- Der Kraftstoff wird der Hochdruckpumpe 18 bzw. den zweiten Injektoren 24 aus einem Kraftstofftank 38 zugeführt. Eine mit dem Kraftstofftank 38 verbundene Kraftstoffleitung verzweigt sich in eine Kraftstoffleitung 44, die zu den zweiten Injektoren 24 führt, und eine Kraftstoffleitung 46, die zur Hochdruckpumpe 18 und zu den ersten Injektoren 16 führt. Ein Ventil 40, das in der Kraftstoffleitung 46 stromaufwärts der Hochdruckpumpe 18 angeordnet ist, erlaubt eine Abschaltung des Kraftstoffflusses zu den ersten Injektoren 16.
- Der Einspritzdruck für die zweiten Injektoren 24 wird hier alleine über eine Kraftstoff-Vorförderpumpe 42 erzeugt, die den Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 38 auch zur Hochdruckpumpe 18 fördert.
- Die Einspritzung über die zweiten Injektoren 24 wird durch Ventile der Injektoren 24 kontrolliert. Es wäre auch möglich, in der Kraftstoffleitung 44 vom Kraftstofftank 38 zu den zweiten Injektoren 24 ein weiteres Ventil einzusetzen oder das Ventil 40 an die Verzweigung der Kraftstoffleitungen 44, 46 zu platzieren und es beispielsweise als 3/2-Wege-Ventil auszubilden, um einen Kraftstoffzufluss wahlweise zur Hochdruckpumpe 18 oder zu den zweiten Injektoren 24 freizugeben oder zu verschließen.
- Ein Wasser-Vorratsbehälter 48 ist über eine Wasserförderpumpe 50 und ein Wasserzuleitungs-Ventil 52 in einer Wasserzuleitung 54 mit der Hochdruckpumpe 18 verbunden. Das Wasserzuleitungs-Ventil 52 ist als Dosierventil ausgebildet, sodass die der Wasserfluss zur Hochdruckpumpe 18 und darüber die eingespritzte Wassermenge variiert werden kann. Der notwendige Vorförderdruck lässt sich über die Wasserförderpumpe 50 einstellen, diese kann z.B. einen Druck von etwa 1 bis 10 bar erzeugen. Der Wasser-Vorratsbehälter 48 hat beispielsweise ein Volumen von 8 bis 10 Litern.
- Die Ansteuerung der zweiten Injektoren 24, optional der ersten Injektoren 16, des Kraftstoffzuleitungs-Ventils 40, des Wasserzuleitungs-Ventils 52 sowie der Wasserförderpumpe 50 wird hier von einer Steuereinheit 56 übernommen, die über Steuerleitungen 58 mit diesen Komponenten kommunizieren kann (in der
Figur 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine der Leitungen mit einem Bezugszeichen versehen). - Die Steuereinheit 56 erhält auch Informationen von einem Drucksensor 60, der stromaufwärts des Wasserzuleitungs-Ventils 52 in der Wasserzuleitung 54 angeordnet ist, sowie von einem Temperatursensor 62, der die Temperatur des Wassers im Wasser-Vorratsbehälter 48 misst. Ein Füllstandmesser 64 überwacht den Füllstand des Wassers im Wasser-Vorratsbehälter 48 und meldet diesen ebenfalls an die Steuereinheit 56.
- Der Einlass der Wasserzuleitung 54 ist hier durch einen Filter 66 geschützt, der Verschmutzungen aus dem Wasser ausfiltert.
- Optional ist eine Heizung 68 für die Beheizung des Wassers im Wasser-Vorratsbehälter 48 vorgesehen, um dieses bei niedrigen Umgebungstemperaturen am Einfrieren zu hindern bzw. bei niedrigen Umgebungstemperaturen beim Starten des Fahrzeugs aufzutauen. Die Heizung wird hier ebenfalls über die Steuereinheit 56 gesteuert.
- Das System 10 kann so geschaltet werden, dass Kraftstoff wahlweise durch die ersten Injektoren 16 mit hohem Druck direkt in die Brennkammern 14 oder alternativ unter niedrigem Druck über die zweiten Injektoren 24 in die Saugrohrabschnitte 22 eingespritzt wird und von dort mit dem den Brennkammern 14 zugeführten Luftstrom in die Brennkammern 14 gelangt.
- In diesem Beispiel wird Kraftstoff entweder über die ersten Injektoren 16 oder über die zweiten Injektoren 24 zugeführt. Die Wahl der Kraftstoffinjektion ist, wie im Folgenden noch beschrieben wird, abhängig vom Lastbereich oder Betriebsmodus, in dem die Verbrennungskraftmaschine 12 gerade arbeitet.
- Über die Wasserzuleitung 54 kann Wasser dem über die ersten Injektoren 16 direkt in die Brennkammern 14 eingespritzten Kraftstoff beigemischt werden. Die Vermischung erfolgt hier direkt in der Hochdruckpumpe 18 oder in einer Zuleitung direkt stromaufwärts der Hochdruckpumpe 18. Die Verschaltung ist so ausgeführt, dass Wasser auch dann zur Hochdruckpumpe 18 gelangt, wenn das Kraftstoffzuleitungs-Ventil 40 geschlossen ist und der Kraftstoff ausschließlich über die zweiten Injektoren 24 in die Saugrohrabschnitte 22 eingespritzt wird. In diesem Fall ist es auch möglich, dass Timing der Wassereinspritzung so zu wählen, dass diese nicht zeitgleich mit der Kraftstoffeinspritzung erfolgt.
- Die Wassereinspritzung wird nur in bestimmten Lastbereichen zugeschaltet, in denen eine Leistungsverbesserung durch die Wasserzufuhr erreicht werden kann. Außerdem wird die Wasserzufuhr abgestellt, wenn der Füllstandsmesser 64 einen zu niedrigen Füllstand bzw. der Temperatursensor 62 eine zu niedrige Temperatur im Wasser-Vorratsbehälter 48 meldet, bei der die Gefahr des Einfrierens besteht.
- In
Figur 2 ist dargestellt, wie über das System 10 die Wasser- und Kraftstoffeinspritzung in verschiedenen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 12 variiert werden kann. - Beispielhaft sind vier Lastbereiche bzw. Betriebsmodi angeführt. Die Details der einzelnen Lastbereiche sind natürlich im Ermessen des Fachmanns variabel.
- Einspritzung über die ersten Injektoren 16 ist mit einem "B" gekennzeichnet, Einspritzung über die zweiten Injektoren 24 mit einem "S".
- In einem ersten Lastbereich bzw. Betriebsmodus I, der einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine entspricht, aber auch alternativ während des Betriebs des Kraftfahrzeugs einem Zustand, in dem eine Regenerierung der Abgasbehandlungsanlagen 36 vorgenommen werden soll, wird der Kraftstoff ausschließlich über die ersten Injektoren 16 in die Brennkammern 14 eingespritzt. Es erfolgt keine Wassereinleitung. In diesen Betriebsmodi ist eine schnelle Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine 12 bzw. eine hohe Abgastemperatur erwünscht.
- In einem zweiten Lastbereich II, der in einem mittleren Drehzahlbereich und bei einem Drehmoment unterhalb der Volllast der Verbrennungskraftmaschine 12 liegt (im Beispiel der
Figur 2 unterhalb von etwa 4.000 1/min und unterhalb von etwa 200 Nm), erfolgt ebenfalls keine Wassereinspritzung, der Kraftstoff wird aber vollständig über die zweiten Injektoren 24 in die Saugrohrabschnitte 22 vor den Brennkammern 14 eingespritzt. Das Kraftstoffzuleitungs-Ventil 40 in der Kraftstoffleitung 44 ist geschlossen. Die Hochdruckpumpe 18 kann in diesem Fall abgeschaltet sein. - In einem dritten Lastbereich III, der ebenfalls in einem mittleren Drehzahlbereich, aber bei einer höheren Last, insbesondere bei Volllast liegt (im Beispiel der
Figur 2 unterhalb von etwa4.000 1/min und bei Drehmomenten von oberhalb ca. 200 Nm), erfolgt die Kraftstoffeinspritzung weiterhin ausschließlich über die zweiten Injektoren 24 in die Saugrohrabschnitte 22 vor der Brennkammer 14, es wird aber gleichzeitig Wasser über die ersten Injektoren 16 in die Brennkammern 14 eingespritzt. Wasser wird jetzt über die Wasserförderpumpe 50, das Wasserzuleitungs-Ventil 52 und die Hochdruckpumpe 18 aus dem Wasser-Vorratsbehälter 48 zu den ersten Injektoren 16 gefördert und mit hohem Einspritzdruck in die Brennkammern 14 eingespritzt. Dort kann es eine Kühlwirkung entfalten und so die Verbrennung in den Brennkammern 14 positiv beeinflussen. - In einem vierten Lastbereich IV schließlich, der hier bei hoher Drehzahl und vorzugsweise ebenfalls bei Volllast liegt (oberhalb von etwa 4.000 1/min und bei Drehmomenten oberhalb von etwa 150 Nm), wird schließlich die Wassereinspritzung über die ersten Injektoren 16 beibehalten, die Kraftstoffeinspritzung wechselt jedoch von den zweiten Injektoren 24 auf die ersten Injektoren 16. Kraftstoff und Wasser werden in bzw. vor der Hochdruckpumpe 18 gemischt. Die Menge des einzuspritzenden Wassers wird über Regelung des Durchflusses durch das Wasserzuleitungs-Ventil 52 durch die Steuereinheit 56 festgelegt. Das Gemisch aus Wasser und Kraftstoff wird über die ersten Injektoren 16 in die Brennkammern 14 eingespritzt.
- Die einzuspritzende Wassermenge kann z.B. auch innerhalb der Lastbereiche noch in einem gewissen Rahmen variiert werden, um den Verbrennungsprozess optimal einzustellen.
Claims (5)
- Verfahren zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Otto-Motors, bei dem nur in bestimmten Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine (12) Wasser über erste Injektoren (16) in Brennkammern (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) eingespritzt wird sowie Kraftstoff abhängig vom Lastbereich entweder über die ersten Injektoren (16) direkt in die Brennkammern (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) oder über zweite Injektoren (24) in ein Saugrohr (20) stromaufwärts der Brennkammern (14) eingespritzt wird, wobei in einem dritten Lastbereich (III), der in einem mittleren Drehzahlbereich im Wesentlichen bei Volllast liegt, Wasser über die ersten Injektoren (16) in die Brennkammern (14) eingespritzt wird und Kraftstoff ausschließlich über die zweiten Injektoren (24) in das Saugrohr (20) eingespritzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Lastbereich (I) beim Start der Verbrennungskraftmaschine (12) kein Wasser eingespritzt wird und Kraftstoff ausschließlich über die ersten Injektoren (16) in die Brennkammern (14) eingespritzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Lastbereich (II), der in einem mittleren Drehzahlbereich unterhalb der Volllast liegt, kein Wasser eingespritzt wird und Kraftstoff ausschließlich über die zweiten Injektoren (24) in das Saugrohr (20) eingespritzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Lastbereich (IV), der insbesondere in einem hohen Drehzahlbereich im Wesentlichen bei Volllast liegt, Wasser und Kraftstoff über die ersten Injektoren (16) in die Brennkammern (14) eingespritzt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Lastbereich (III) unterhalb von etwa 4000 1/min und oberhalb von ca. 100 Nm/ Liter Hubraum liegt.
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