EP3642468A1 - Wassereinspritzvorrichtung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Wassereinspritzvorrichtung einer brennkraftmaschine

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EP3642468A1
EP3642468A1 EP18727012.9A EP18727012A EP3642468A1 EP 3642468 A1 EP3642468 A1 EP 3642468A1 EP 18727012 A EP18727012 A EP 18727012A EP 3642468 A1 EP3642468 A1 EP 3642468A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
injection device
water injection
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18727012.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Obergfaell
Pascal Gladel
Ingmar Burak
Peter Schenk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3642468A1 publication Critical patent/EP3642468A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/028—Adding water into the charge intakes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a water injection device of a
  • Knock tendency and high exhaust gas temperatures is limited.
  • One possible measure to reduce the tendency to knock and to lower the exhaust gas temperatures is the
  • DE 10 2015 208 476 A1 discloses a water injection system for an internal combustion engine.
  • a water tank In water injection systems for internal combustion engines, a water tank is normally provided so that at any time water for injection into the intake manifold or the
  • Combustion chamber of the internal combustion engine is available.
  • water can be obtained by means of a water extraction plant
  • the exhaust system of the internal combustion engine in the motor vehicle or from the environment of the motor vehicle can be obtained from the exhaust system of the internal combustion engine in the motor vehicle or from the environment of the motor vehicle and, for example, also supplied to the water tank.
  • the water tank for example, water by means of a conveying element, for example by means of a pump, via a distributor to
  • Water injectors are transported. By the water injectors, the water is then injected for example in a suction pipe or a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the manifold may be designed to store and distribute water to multiple water injectors. Between the operating points of the internal combustion engine, in which the water injection system is activated, the pump used to convey the water is switched off. This means that the water is in the water injectors and the lines of the water injection system.
  • a water injection device for an internal combustion engine of a motor vehicle comprises at least one water tank for storing water, at least one water injector for injecting the water into the internal combustion engine, at least one conveying element for conveying water from the water tank into the water injector, wherein the
  • the water injection device further comprises a pressure accumulator for storing the water, wherein the pressure accumulator is fluidly connected to the water injector.
  • the water injection device for an internal combustion engine of a motor vehicle has the advantage that pressure drops in the water pressure in the water injection device can be avoided. If the
  • the existing system pressure for example between the conveyor element and the injection valves, can be advantageously maintained by means of the pressure accumulator. If the internal combustion engine then comes into a relevant operating point for the water injection, so that water is to be injected into the internal combustion engine again, then the stored system pressure is available before the conveying element has run up again. The one for the first
  • Prevent water injection system by freezing and expanding water. This can be done for example by the conveying element, which sucks the water from the water injectors.
  • the conveying element which sucks the water from the water injectors.
  • Water injector is arranged.
  • An accumulator arranged in this way can advantageously maintain the system pressure between the delivery element and the water injector and prevent a delayed activation of the water injection.
  • Accumulator is designed as a hydraulic accumulator with a gas as a compressible medium. According to an advantageous embodiment, it is provided that the
  • Pressure accumulator comprises a spring element. According to an advantageous embodiment, it is provided that the
  • Water injection device further comprises a shut-off, which is adapted to interrupt a connection between the water tank and the water injector.
  • a shut-off element designed in this way, advantageously an area between the shut-off element and the water injectors can be closed and thus a system pressure, for example generated by the conveying element, can be maintained in this area.
  • a system pressure for example generated by the conveying element
  • conveying element advantageously also the conveying element are protected and it can, for example, also conveying elements are used, which can not hold the system pressure alone after switching off the conveying element.
  • the shut-off element can be closed when the area between the shut-off element and water injectors is filled with water.
  • the closed shut-off element forms a closed region between the closed shut-off element and the water injectors. So can the
  • Shutoff comprises a check valve, wherein the check valve is adapted to allow the flow of water in only one direction from the water tank to the pressure accumulator.
  • the check valve opens and water can flow from the water tank via the check valve to the water injectors. If the operating point of the internal combustion engine leaves the area with active water injection and the conveyor element accordingly reduces the delivery rate of the water or the conveyor element is switched off, the existing system pressure, for example between the conveying element and the injection valves, are maintained advantageously by means of the pressure accumulator. This can be advantageously supported by a check valve between the conveyor element and the pressure accumulator, since the
  • the check valve prevents water from the water injectors and / or accumulator from flowing back into the tank, thus maintaining the system pressure between the check valve and the water injectors. Is switched on a renewed activation of the water injection, the conveyor element, or the
  • the check valve opens as soon as the conveyor element has built up to the necessary system pressure. Then, on the one hand, the water injectors supplied and on the other biased the accumulator again.
  • Pressure accumulator is adapted to maintain a system pressure in the water injection device at a level greater than 3 x 10 5 Pa, preferably greater than 5 x 10 5 Pa, more preferably greater than 5 x 10 5 Pa and less than 10 x 10 5 Pa.
  • a system pressure in the water injection device at a level greater than 3 x 10 5 Pa, preferably greater than 5 x 10 5 Pa, more preferably greater than 5 x 10 5 Pa and less than 10 x 10 5 Pa.
  • an internal combustion engine comprising a water injection device according to the invention for the injection of water.
  • the internal combustion engine is operated according to the Otto principle and with gasoline.
  • the internal combustion engine is to be understood, in which a combustion of gasoline or gasoline-air mixture takes place by spark ignition in the form of a spark plug. Since in such an internal combustion engine, the ignition by the spark ignition is precisely predetermined, which can be compared with respect to the inventive
  • FIG. 1 is a highly simplified schematic view of an internal combustion engine with a water injection device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a simplified schematic view of the water injection device according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a highly simplified schematic view of an internal combustion engine with a water injection device according to a second embodiment of the present invention
  • Fig. 4 is a simplified schematic view of the water injection device according to the second embodiment.
  • the internal combustion engine 2 is operated according to the Otto principle and with gasoline direct injection.
  • the internal combustion engine 2 comprises per cylinder a combustion chamber 20 in which a piston 21 is movable back and forth. Furthermore, the internal combustion engine 2 per cylinder has an inlet channel 22, via which air is supplied to the combustion chamber 20. Exhaust gas is removed via an exhaust duct 23. For this purpose, at the inlet channel 22 a
  • Reference numeral 24 denotes a fuel injection valve.
  • a water injector 6 is further arranged, which injects water into the inlet channel 22 of the internal combustion engine 2 via a control unit 10.
  • a water injector 6 per cylinder is provided.
  • two water injectors 6 per cylinder may also be arranged.
  • the water injectors 6 are controlled by the control unit 10.
  • the water injection device 1 is designed as a pump
  • Conveying element 3 and an electric drive 4 for driving the pump As can be seen from FIG. 2, a water tank 5 is furthermore provided, which is fluidically connected to the conveying element 3 by a first line 7. A second line 8 fluidly connects the conveying element 3 to a distributor 9 or a rail, to which a multiplicity of water injectors 6 are connected.
  • the electric drive 4 of the conveying element 3 is controlled by a control unit 10.
  • the water injection device 1 in this embodiment comprises a pressure accumulator 14.
  • the accumulator 14 is fluidly with the water injector. 6 connected.
  • the accumulator 14 is intended to receive and store water.
  • pressure is built up in the pressure accumulator 14 when receiving water. This can be done, for example, in which is conveyed by the conveying element 3 water from the water tank 5 to the water injectors 6 and the pressure accumulator 14 and thus in the second line 8, to the pressure accumulator 14 and to the
  • Water injectors 6 pressure is built up. Part of this pressure can be stored in the pressure accumulator 14.
  • the accumulator 14 water, for example, from the second line 8, record and is biased by the inclusion of water, for example.
  • the pressure accumulator 14 may be formed, for example, as a hydraulic accumulator.
  • a hydraulic accumulator is used in the context of the present application.
  • Pressure accumulator understood in which a liquid, in this case water, is kept under pressure, wherein the pressure is applied from an external source.
  • the pressure of the liquid compresses the external source.
  • the external source may be, for example, a spring element or a gas and is compressed by the pressure of the liquid.
  • the hydraulic accumulator can store the pressure and compensate for pressure fluctuations.
  • the pressure accumulator 14 can advantageously absorb pressure from the region between the conveying element 3 and the water injectors 6, that is, for example, pressure from the second line 8 or the distributor 9 and compensate for pressure fluctuations.
  • the pressure accumulator 14 is arranged in this embodiment on the second line 8 and fluidly connected thereto.
  • the pressure accumulator 14 is arranged fluidically between the conveying element 3 and the water injector 6.
  • the pressure accumulator 14 can receive water directly from the second line 8.
  • Pressure accumulator 14 can also be arranged, for example, on the distributor 9 and be fluidly connected to it, so that the pressure accumulator 14 can receive water directly from the distributor 9.
  • the water injection device 1 furthermore comprises a shut-off element 11.
  • the shut-off element 1 1 is set up to interrupt a connection between the water tank 5 and the water injector 6.
  • the shut-off element 1 1 is arranged between the conveying element 3 and the distributor 9 or the water injectors 6.
  • the shut-off element 1 1 divides the second line 8 into a first line section 8a and a second line section 8b.
  • the shut-off element 1 1 can be controlled by a control unit 10.
  • the shut-off element 1 1 is set up, a system pressure between the
  • shut-off 1 1 and the water injectors 6 in the first line section 8a of the second line 8 to maintain a level.
  • the shut-off 1 1 can be
  • a shut-off 1 for example, an electrically operated
  • shut-off element 1 1 is for example a 2/2-way valve.
  • the shut-off element 1 1 can be switched between two switching positions, a first switching position of the shut-off 1 1 and a second switching position of
  • shut-off elements 1 The shut-off element 1 1, for example, be designed so that it is normally closed, for example, by a closing force of a spring element 12. In a deactivated water injection, the shut-off element 1 1 is de-energized and closed (first switching position of the shut-off 1 1). Upon activation of the water injection, the shut-off element 1 1 is energized and thus allows a promotion of the water to the water injectors 6 (second switching position of
  • shut-off element 1 1 between the conveying element 3 and the plurality of water injectors 6, a system pressure between the conveying element 3 and the water injectors 6 can be maintained and the bias voltage in the pressure accumulator 14 can be maintained.
  • the water injection device 1 is at inactive
  • the check valve comprises in this embodiment a check valve 13.
  • the check valve 13 is adapted to allow the flow of water in only one direction from the water tank 6 to the pressure accumulator 14.
  • the check valve 13 is designed to be normally opened by a pressure of the water in the second line section 8b, which acts against eg a force of a spring element 13, to be opened (open position of the check valve 13).
  • a pressure of the water in the second line section 8b acts against eg a force of a spring element 13, to be opened (open position of the check valve 13).
  • shut-off element 1 1 between a first switching position of the shut-off 1 1, wherein the first line section 8a is fluidly separated from the second line section 8b, and a second switching position of the shut-off element 1 1, wherein the first line section 8a through the check valve 13 is fluidically connected to the second line section 5b, are switched.
  • the shut-off is 1 1
  • the shut-off element 1 1, in particular the check valve 13 of the shut-off 1 1, may be adapted to maintain the system pressure in the first line region 8a of the second line 8 at a level greater than 3 x 10 5 Pa, preferably greater than 5 x 10 5 Pa , In order to enable optimal water injection and thus also optimal combustion, the shut-off element 1 1, in particular the check valve 13 of the shut-off 1 1, so arranged that the system pressure in the first line region 8a is also less than 10 x 10 5 Pa is maintained.
  • other embodiments and hybrid forms of the illustrated embodiments are possible.

Landscapes

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Abstract

Für eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (2)eines Kraftfahrzeugs, umfassend wenigstens einen Wassertank (5) zum Speichern von Wasser, wenigstens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine (2),wenigstens ein Förderelement (3) zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank (5) in den Wasserinjektor (6),wobei das Förderelement (3) über eine erste Leitung (7) mit dem Wassertank (6) verbunden ist und über eine zweite Leitung (8) mit dem Wasserinjektor (6) verbunden ist,wird vorgeschlagen, dass die Wassereinspritzvorrichtung (1) weiterhin einen Druckspeicher (14)zum Speichern des Wassers umfasst, wobei der Druckspeicher (14) mit dem Wasserinjektor (6) fluidisch verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
Wassereinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wassereinspritzvorrichtung einer
Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine.
Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert.
Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch
Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die
Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorgesehen, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist beispielsweise aus der DE 10 2015 208 476 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt.
Bei Wassereinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen ist normalerweise ein Wassertank vorgesehen, so dass jederzeit Wasser zur Einspritzung in das Saugrohr oder die
Brennkammer der Brennkraftmaschine verfügbar ist. Zusätzlich kann bei derartigen Wassereinspritzsystemen Wasser mit Hilfe einer Wassergewinnungsanlage
beispielsweise aus dem Abgassystem der Brennkraftmaschine in dem Kraftfahrzeug oder aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs gewonnen werden und beispielsweise auch dem Wassertank zugeführt werden. Von dem Wassertank kann Wasser beispielsweise mittels eines Förderelements, beispielsweise mittels einer Pumpe, über einen Verteiler zu
Wasserinjektoren befördert werden. Durch die Wasserinjektoren wird das Wasser dann beispielsweise in ein Saugrohr oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dazu kann, wie bei Einspritzsystemen für Brennstoff, der Verteiler dazu vorgesehen sein Wasser zu speichern und auf mehrere Wasserinjektoren zu verteilen. Zwischen den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, bei denen das Wassereinspritzsystem aktiviert wird, ist die zum Fördern des Wassers benutzte Pumpe abgeschaltet. Das heißt, dass das Wasser in den Wasserinjektoren und den Leitungen des Wassereinspritzsystems steht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Wassereinspritzvorrichtung umfasst wenigstens einen Wassertank zum Speichern von Wasser, wenigstens einen Wasserinjektor zum Einspritzen des Wassers in die Brennkraftmaschine, wenigstens ein Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank in den Wasserinjektor, wobei das
Förderelement über eine erste Leitung mit dem Wassertank verbunden ist und über eine zweite Leitung mit dem Wasserinjektor verbunden ist. Erfindungsgemäß umfasst die Wassereinspritzvorrichtung weiterhin einen Druckspeicher zum Speichern des Wassers, wobei der Druckspeicher mit dem Wasserinjektor fluidisch verbunden ist.
Vorteile der Erfindung
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs den Vorteil auf, dass Druckeinbrüche des Wasserdrucks in der Wassereinspritzvorrichtung vermieden werden. Wenn der
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine den Bereich mit aktiver Wassereinspritzung verlässt und das Förderelement dementsprechend die Fördermenge des Wassers reduziert oder das Förderelement abgeschaltet wird, kann der vorhandene Systemdruck, beispielsweise zwischen dem Förderelement und den Einspritzventilen, mittels des Druckspeichers vorteilhaft aufrechterhalten werden. Kommt die Brennkraftmaschine dann in einen für die Wassereinspritzung relevanten Betriebspunkt, so dass wieder Wasser in die Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, dann ist der gespeicherte Systemdruck verfügbar, bevor das Förderelement wieder hoch gelaufen ist. Die für die ersten
Einspritzungen benötigte Wassermenge kann vorteilhaft aus dem Druckspeicher zur Verfügung gestellt werden. Somit kann vorteilhaft eine verzögerte Aktivierung der Wassereinspritzung durch verzögerten Druckaufbau durch das Förderelement vermieden werden. Somit können durch das erfindungsgemäße Wassereinspritzsystem
Druckeinbrüche im Wassereinspritzsystem, insbesondere in den Übergangsbereichen zwischen aktivierter und deaktivierter Wassereinspritzung, vorteilhaft vermieden werden. Somit kann auch bei den hohen Dynamikanforderungen in den Übergangsbereichen zwischen aktivierter und deaktivierter Wassereinspritzung eine unmittelbare Verfügbarkeit von Wasser im gewünschten Druckbereich sichergestellt werden. Weiterhin kann durch Druckausgleich durch den Druckspeicher auch vorteilhaft das Förderelement entlastet werden. Weiterhin ergibt sich durch den Druckspeicher ein Vorteil bei der Rücksaugung von
Wasser aus den Wasserinjektoren. Eine Besonderheit von Wassereinspritzvorrichtungen gegenüber Einspritzvorrichtungen von Brennstoffen ist, dass die Einspritzventile bei der Wassereinspritzung nach Abstellen der Brennkraftmaschine geleert werden, um möglichen Schäden der Wasserinjektoren und/oder des gesamten
Wassereinspritzsystems durch gefrierendes und sich dabei ausdehnendes Wasser vorzubeugen. Dies kann beispielsweise durch das Förderelement geschehen, das das Wasser aus den Wasserinjektoren zurücksaugt. Beim Leersaugen der Wasserinjektoren und des Wassereinspritzsystems wird das in dem Druckspeicher gespeicherte Wasser ausgeschoben und kann somit vorteilhaft das Leersaugen unterstützen. Weiterhin kann sich beispielsweise in den Leitungen oder in anderen Komponenten der
Wassereinspritzvorrichtung verbliebenes Restwasser nach dem Rücksaugen des Restwassers bei Einfrieren in den Druckspeicher hinein ausdehnen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der
Druckspeicher an der zweiten Leitung zwischen dem Förderelement und dem
Wasserinjektor angeordnet ist. Ein derart angeordneter Druckspeicher kann vorteilhaft den Systemdruck zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor aufrechterhalten und eine verzögerte Aktivierung der Wassereinspritzung verhindern.
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der
Druckspeicher ais Hydraulikspeicher mit einem Gas als kompressibles Medium ausgebildet ist. Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der
Druckspeicher ein Federelement umfasst. Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die
Wassereinspritzvorrichtung weiterhin ein Absperrelement umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine Verbindung zwischen dem Wassertank und dem Wasserinjektor zu unterbrechen. Durch ein derart ausgebildetes Absperrelement kann vorteilhaft ein Bereich zwischen dem Absperrelement und den Wasserinjektoren abgeschlossen werden und somit ein, beispielsweise durch das Förderelement erzeugter, Systemdruck in diesem Bereich aufrechterhalten werden. Darüber hinaus kann durch ein derart ausgebildetes
Absperrelement vorteilhaft auch das Förderelement geschützt werden und es können beispielsweise auch Förderelemente verwendet werden, die den Systemdruck nach Abschalten des Förderelements alleine nicht halten können.
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das
Absperrelement an der zweiten Leitung zwischen dem Förderelement und dem
Druckspeicher oder an der ersten Leitung zwischen dem Wassertank und dem
Förderelement angeordnet ist. Das Absperrelement kann geschlossen werden wenn der Bereich zwischen Absperrelement und Wasserinjektoren mit Wasser gefüllt ist. Durch das geschlossene Absperrelement wird ein abgeschlossener Bereich zwischen dem geschlossenen Absperrelement und den Wasserinjektoren gebildet. So kann der
Systemdruck in diesem Bereich zwischen Absperrelement und Wasserinjektoren auch in inaktiven Phasen der Wassereinspritzvorrichtung oberhalb eines Grenzwertes gehalten werden kann.
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das
Absperrelement ein Rückschlagventil umfasst, wobei das Rückschlagventil dazu eingerichtet ist, die Strömung von Wasser nur in einer Richtung von dem Wassertank zu dem Druckspeicher zuzulassen. Sobald das Förderelement den notwendigen Druck aufgebaut hat öffnet sich das Rückschlagventil und Wasser kann von dem Wassertank über das Rückschlagventil zu den Wasserinjektoren fließen. Wenn der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine dem Bereich mit aktiver Wassereinspritzung verlässt und das Förderelement dementsprechend die Fördermenge des Wassers reduziert oder das Förderelement abgeschaltet wird, kann der vorhandene Systemdruck, beispielsweise zwischen dem Förderelement und den Einspritzventilen, mittels des Druckspeichers vorteilhaft aufrechterhalten werden. Dies kann vorteilhaft durch ein Rückschlagventil zwischen dem Förderelement und dem Druckspeicher unterstützt werden, da das
Rückschlagventil verhindert, dass Wasser aus den Wasserinjektoren und/oder dem Druckspeicher zurück in den Tank fließen kann und somit den Systemdruck zwischen dem Rückschlagventil und den Wasserinjektoren aufrecht erhält. Wird bei einer erneuten Aktivierung der Wassereinspritzung das Förderelement angeschaltet, bzw. die
Fördermenge des Wassers wieder erhöht, so öffnet sich das Rückschlagventil sobald das Förderelement zur notwendigen Systemdruck aufgebaut hat. Dann werden zum einen die Wasserinjektoren versorgt und zum anderen der Druckspeicher wieder vorgespannt.
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der
Druckspeicher eingerichtet ist, einen Systemdruck in der Wassereinspritzvorrichtung auf einem Niveau größer als 3 x105 Pa, bevorzugt größer als 5 x105 Pa, besonders bevorzugt größer als 5 x105 Pa und kleiner als 10 x105 Pa, zu halten. Somit kann zum einen eine Dampfbildung im Bereich zwischen dem Absperrelement und dem Wasserinjektor vermieden werden, und zum anderen eine Wandbenetzung des Wassers am Einlasskanal vermieden werden, wenn Wasser in einen Einlasskanal einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Während aktiver Wassereinspritzung werden die Komponenten des Wassereinspritzsystems durch nachströmendes Wasser aus dem Tank gekühlt. Bei hohen Temperaturen und stehendem Wasser in dem Wassereinspritzsystem steigt die Temperatur jedoch bis zur Dampfbildung. Dieser Effekt verschärft sich in der Höhe, beispielsweise bei einer Bergfahrt, auf Grund des sinkenden Luftdrucks und der damit abnehmenden Siedetemperatur. Ist der Systemdruck zwischen dem Absperrelement und dem Wasserinjektor auf einem Niveau größer als 3 x105 Pa, bevorzugt größer als 5 x105 Pa und/oder kleiner als 10 x105 Pa, so wird dem Effekt der Dampfbildung entgegengewirkt und es kann auch bei deaktivierter Wassereinspritzung eine Dampfbildung verhindert werden, da dann die Siedetemperatur des Wassers auf bis zu 140° Celsius ansteigt.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass durch den Druckspeicher der Druck in der Leitung zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor immer oberhalb eines an der Spitze des Wasserinjektors und/oder einer Spritzlochscheibe des Wasserinjektors anstehenden Ladedruckes, der kurzzeitig bis zu 3 x105 Pa relativ betragen kann, gehalten werden kann. Somit kann vorteilhaft ein Eindringen von Luft über die Spitze des
Wasserinjektors und/oder über die Spritzlochscheibe des Wasserinjektors verhindert werden. Weiterhin vorteilhaft ist eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Wasser. Dabei werden die in Bezug auf die erfindungsgemäße Wassereinspritzvorrichtung erhaltenen Vorteile ebenfalls erhalten. Besonders bevorzugt wird die Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip und mit Benzin betrieben. Als eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung von Benzin bzw. Benzin-Luft-Gemisch durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt. Da bei einer solchen Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt durch die Fremdzündung genau vorbestimmt ist, können die in Bezug auf die erfindungsgemäße
Wassereinspritzvorrichtung beschriebenen Vorteile komplett ausgenutzt werden. Durch die kurzen Druckaufbauzeiten und die schnelle Einspritzfreigabe der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung kann auch bei schnellen Lastsprüngen eine Klopfneigung vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Wassereinspritzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Ansicht der Wassereinspritzvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine
Wassereinspritzvorrichtung 1 einer Brennkraftmaschine 2 im Detail gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine beschrieben. Weiterhin wird unter
Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 eine Wassereinspritzvorrichtung 1 einer
Brennkraftmaschine 2 im Detail gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel er
Brennkraftmaschine beschrieben. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben.
In Figur 1 ist die Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt, welche eine Vielzahl von Zylindern aufweist, sowie ein Teil der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung 1 . Die Brennkraftmaschine 2 umfasst pro Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist die Brennkraftmaschine 2 pro Zylinder einen Einlasskanal 22 auf, über welchen Luft zum Brennraum 20 zugeführt wird. Abgas wird über einen Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu sind am Einlasskanal 22 ein
Einlassventil 25 und am Abgaskanal 23 ein Auslassventil 26 angeordnet. Das
Bezugszeichen 24 bezeichnet ferner ein Kraftstoffeinspritzventil.
Am Einlasskanal 22 ist ferner ein Wasserinjektor 6 angeordnet, welcher über eine Steuereinheit 10 Wasser in den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wasserinjektor 6 pro Zylinder vorgesehen. Alternativ können zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge beispielsweise auch zwei Wasserinjektoren 6 pro Zylinder angeordnet sein. Die Wasserinjektoren 6 werden über die Steuereinheit 10 gesteuert.
Ferner weist die Wassereinspritzvorrichtung 1 ein als Pumpe ausgebildetes
Förderelement 3 und einen elektrischen Antrieb 4 zum Antreiben der Pumpe auf. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, ist des Weiteren ein Wassertank 5 vorgesehen, welcher durch eine erste Leitung 7 mit dem Förderelement 3 fluidisch verbunden ist. Eine zweite Leitung 8 verbindet das Förderelement 3 fluidisch mit einem Verteiler 9 bzw. einem Rail, an welchem eine Vielzahl von Wasserinjektoren 6 angeschlossen ist. Der elektrische Antrieb 4 des Förderelements 3 wird über eine Steuereinheit 10 gesteuert.
Weiterhin umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel einen Druckspeicher 14. Der Druckspeicher 14 ist dabei fluidisch mit dem Wasserinjektor 6 verbunden. Der Druckspeicher 14 ist dazu vorgesehen Wasser aufzunehmen und zu speichern. Dabei wird in dem Druckspeicher 14 bei der Aufnahme von Wasser Druck aufgebaut. Dies kann beispielsweise erfolgen in dem durch das Förderelement 3 Wasser aus dem Wassertank 5 zu den Wasserinjektoren 6 und dem Druckspeicher 14 gefördert wird und somit in der zweiten Leitung 8, an dem Druckspeicher 14 und an den
Wasserinjektoren 6 Druck aufgebaut wird. Ein Teil dieses Drucks kann im Druckspeicher 14 gespeichert werden. Dazu kann der Druckspeicher 14 Wasser, beispielsweise aus der zweiten Leitung 8, aufnehmen und wird durch die Aufnahme des Wassers beispielsweise vorgespannt. Dazu kann der Druckspeicher 14 beispielsweise als Hydraulikspeicher ausgebildet sein.
Unter einem Hydraulikspeicher wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein
Druckspeicher verstanden, in dem eine Flüssigkeit, in diesem Fall Wasser, unter Druck gehalten wird, wobei der Druck von einer externen Quelle angelegt wird. Der Druck der Flüssigkeit komprimiert die externe Quelle. Die externe Quelle kann beispielsweise ein Federelement oder ein Gas sein und wird durch den Druck der Flüssigkeit komprimiert. Somit kann der Hydraulikspeicher den Druck speichern und Druckschwankungen ausgleichen. Der Druckspeicher 14 kann in dem ersten Ausführungsbeispiel vorteilhaft Druck aus dem Bereich zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6, also beispielsweise Druck aus der zweiten Leitung 8 oder dem Verteiler 9 aufnehmen und Druckschwankungen ausgleichen.
Der Druckspeicher 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der zweiten Leitung 8 angeordnet und mit dieser fluidisch verbunden. Dabei ist der Druckspeicher 14 fluidisch zwischen dem Förderelement 3 und dem Wasserinjektor 6 angeordnet. So kann der Druckspeicher 14 Wasser direkt aus der zweiten Leitung 8 aufnehmen. Der
Druckspeicher 14 kann aber beispielsweise auch an dem Verteiler 9 angeordnet und mit diesem fluidisch verbunden sein, so dass der Druckspeicher 14 Wasser direkt aus dem Verteiler 9 aufnehmen kann.
In einem in den Figuren 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Wassereinspritzvorrichtung 1 weiterhin ein Absperrelement 1 1 . Das Absperrelement 1 1 ist dazu eingerichtet eine Verbindung zwischen dem Wassertank 5 und dem Wasserinjektor 6 zu unterbrechen. Dazu ist das Absperrelement 1 1 zwischen dem Förderelement 3 und dem Verteiler 9 bzw. den Wasserinjektoren 6 angeordnet. Das Absperrelement 1 1 unterteilt die zweite Leitung 8 in einen ersten Leitungsabschnitt 8a und einen zweiten Leitungsabschnitt 8b. Das Absperrelement 1 1 kann über eine Steuereinheit 10 gesteuert werden. Das Absperrelement 1 1 ist eingerichtet, einen Systemdruck zwischen dem
Absperrelement 1 1 und den Wasserinjektoren 6 im ersten Leitungsabschnitt 8a der zweiten Leitung 8 auf einem Niveau zu halten. Das Absperrelement 1 1 kann
beispielsweise ein Absperrelement 1 1 , beispielsweise ein elektrisch betätigtes
Absperrelement 1 1 sein. Das Absperrelement 1 1 ist beispielsweise ein 2/2-Wegeventil.
Das Absperrelement 1 1 kann zwischen zwei Schaltstellungen geschaltet werden, eine erste Schaltstellung des Absperrelements 1 1 und eine zweite Schaltstellung des
Absperrelements 1 1 . Das Absperrelement 1 1 kann beispielsweise so gestaltet sein, dass es stromlos beispielsweise durch eine Schließkraft eines Federelements 12 geschlossen wird. Bei einer deaktivierten Wassereinspritzung wird das Absperrelement 1 1 stromlos geschaltet und geschlossen (erste Schaltstellung des Absperrelements 1 1 ). Bei einer Aktivierung der Wassereinspritzung wird das Absperrelement 1 1 bestromt und ermöglicht somit eine Förderung des Wassers zu den Wasserinjektoren 6 (zweite Schaltstellung des
Absperrelements 1 1 ).
Durch das Vorsehen eines Absperrelements 1 1 zwischen dem Förderelement 3 und der Vielzahl von Wasserinjektoren 6 kann ein Systemdruck zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 gehalten werden und die Vorspannung im Druckspeicher 14 aufrechterhalten werden. Somit ist die Wassereinspritzvorrichtung 1 bei inaktiven
Betriebspunkten betriebsbereit und kann schnell in Einsatz gebracht werden, wenn die Verbrennung der Brennkraftmaschine 2 eine Wassereinspritzung anfordert. Das Absperrelement umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Rückschlagventil 13. Das Rückschlagventil 13 ist dazu eingerichtet, die Strömung von Wasser nur in einer Richtung von dem Wassertank 6 zu dem Druckspeicher 14 zuzulassen. Das Rückschlagventil 13 ist eingerichtet, stromlos durch einen Druck des Wassers im zweiten Leitungsabschnitt 8b, welcher gegen z.B. eine Kraft eines Federelements 13 wirkt, geöffnet zu werden (offene Stellung des Rückschlagventils 13). Wenn der Druck im zweiten Leitungsabschnitt 8b die Kraft des Federelements 13 und den Druck des im ersten Leitungsbereich 8a befindlichen Wassers nicht mehr überwinden kann, schließt das Rückschlagventil 13 (geschlossene Stellung). Die offene und die geschlossene Stellung des Rückschlagventils 13
entsprechen einer ersten Schaltstellung des Absperrelements 1 1 . In Figur 3 befindet sich das Absperrelement 1 1 in der ersten Schaltstellung und das Rückschlagventil 13 in der geschlossenen Stellung.
In diesem Ausführungsbeispiel kann das Absperrelement 1 1 zwischen einer ersten Schaltstellung des Absperrelements 1 1 , bei der der erste Leitungsabschnitt 8a von dem zweiten Leitungsabschnitt 8b fluidisch getrennt ist, und einer zweiten Schaltstellung des Absperrelements 1 1 , bei der der erste Leitungsabschnitt 8a durch das Rückschlagventil 13 mit dem zweiten Leitungsabschnitt 5b fluidisch verbunden ist, geschaltet werden. In der ersten Schaltstellung des Absperrelements 1 1 ist das Absperrelement 1 1
geschlossen. In der zweiten Schaltstellung des Absperrelements 1 1 ist das
Absperrelement 1 1 in der Durchlassrichtung des Rückschlagventils 13 geöffnet.
Das Absperrelement 1 1 , insbesondere das Rückschlagventil 13 des Absperrelements 1 1 , kann dazu eingerichtet sein, den Systemdruck im ersten Leitungsbereich 8a der zweiten Leitung 8 auf einem Niveau größer als 3 x 105 Pa, bevorzugt größer als 5 x 105 Pa zu halten. Um eine optimale Wassereinspritzung und somit auch eine optimale Verbrennung zu ermöglichen, ist das Absperrelement 1 1 , insbesondere das Rückschlagventil 13 des Absperrelements 1 1 , so eingerichtet, dass der Systemdruck im ersten Leitungsbereich 8a auch kleiner als 10 x 105 Pa gehalten wird. Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.

Claims

Ansprüche
1 . Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend:
wenigstens einen Wassertank (5) zum Speichern von Wasser,
wenigstens einen Wasserinjektor (6) zum Einspritzen des Wassers in die
Brennkraftmaschine (2),
wenigstens ein Förderelement (3) zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank (5) in den Wasserinjektor (6), wobei das Förderelement (3) über eine erste Leitung (7) mit dem Wassertank (6) verbunden ist und über eine zweite Leitung (8) mit dem Wasserinjektor (6) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzvorrichtung (1 ) weiterhin einen Druckspeicher (14) zum Speichern des Wassers umfasst, wobei der Druckspeicher (14) mit dem Wasserinjektor (6) fluidisch verbunden ist.
2. Wassereinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (14) an der zweiten Leitung (8) zwischen dem Förderelement (3) und dem Wasserinjektor (6) angeordnet ist.
3. Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (14) als Hydraulikspeicher mit einem Gas als kompressibles Medium ausgebildet ist.
4. Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (14) ein Federelement umfasst.
5. Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzvorrichtung (1 ) ein Absperrelement (1 1 ) umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine Verbindung zwischen dem Wassertank (5) und dem Wasserinjektor (6) zu unterbrechen.
6. Wassereinspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (1 1 ) an der zweiten Leitung (8) zwischen dem Förderelement (3) und dem Druckspeicher (14) oder an der ersten Leitung (7) zwischen dem Wassertank (5) und dem Förderelement (3) angeordnet ist.
7. Wassereinspritzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (1 1 ) ein Rückschlagventil (13) umfasst, wobei das Rückschlagventil (13) dazu eingerichtet ist, die Strömung von Wasser nur in einer Richtung von dem Wassertank (6) zu dem Druckspeicher (14) zuzulassen.
8. Wassereinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (14) eingerichtet ist, einen Systemdruck in der Wassereinspritzvorrichtung (1 ) auf einem Niveau größer als 3 x105 Pa, bevorzugt größer als 5 x105 Pa und/oder kleiner als 10 x105 Pa, zu halten.
9. Brennkraftmaschine, umfassend eine Wassereinspritzvorrichtung (1 ) zum Einspritzen von Wasser nach einem der vorherigen Ansprüche.
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