JP2018518625A - 内燃機関のウォータインジェクション装置および当該ウォータインジェクション装置を運転する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（２）のウォータインジェクション装置に関し、該ウォータインジェクション装置は、水を溜めておく水タンク（５）と、該水タンク（５）に接続されている、水を圧送するための圧送エレメント（３）と、該圧送エレメント（３）に接続されている、水を噴射するための少なくとも１つのウォータインジェクタ（６）と、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）との間の管路領域（８）内に配置された圧力センサ（１４）と、制御ユニット（１０）とを有し、該制御ユニットは、前記ウォータインジェクタ（６）が閉鎖され、前記圧送エレメント（３）がオフにされたときに、前記圧力センサ（１４）の圧力データに基づき前記管路領域（８）内における蒸気形成を検出するように適合されている。さらに本発明は、本発明によるウォータインジェクション装置（１）を備えた内燃機関、ならびに本発明によるウォータインジェクション装置（１）を運転する方法に関する。

Description

背景技術
本発明は、内燃機関のウォータインジェクション装置ならびにこのような形式の内燃機関に関する。本発明の別の態様は、このような形式のウォータインジェクション装置を運転する方法に関する。

二酸化炭素エミッションを減じる要求が高まっていることに基づき、内燃機関は燃費に関してますます改良されている。しかしながら公知の内燃機関は、高負荷での運転点では、ノッキング傾向と高い排ガス温度とにより運転が制限されているので、燃費に関して最良に運転されているとは言えない。ノッキング傾向を減じ、排ガス温度を下げるために考えられる措置は、水の噴射である。この場合は、水の噴射を可能にするために通常、別個のウォータインジェクションシステムが存在している。したがって例えば、国際公開第２０１４／０８０２６６号により、排ガス再循環の質量流中に水を噴射する排ガス再循環を行う内燃機関用のウォータインジェクションシステムが公知である。

ウォータインジェクションシステムが作動される運転点の間では、水を圧送するために使用されるポンプがオフにされている。すなわち、水は、ウォータインジェクションシステムのインジェクタと管路とに存在している。ウォータインジェクションシステムの近傍では内燃機関の部分の温度が高いことにより、この存在している水は加熱されて、場合によっては気化する。このような作用は、空気圧が比較的低い高所での走行の際に深刻化する。蒸気によりシステム圧は遅延してしか形成できないので、蒸気形成により、ウォータインジェクションシステムの再始動時には機能が損なわれる恐れがある。したがって、ウォータインジェクションシステムは遅れて作動可能状態となる。このように作動可能状態が遅延することにより、急速な負荷上昇の際には、排ガス温度の上昇ならびに燃焼におけるノッキング現象が生じる恐れがある。

発明の開示
請求項１に記載の特徴を有する本発明によるウォータインジェクション装置は、これに対して、蒸気形成の開始を簡単かつ直接的な方法で検知するという利点を有している。これは本発明によれば、内燃機関のウォータインジェクション装置であって、該ウォータインジェクション装置は、水を溜めておく水タンクと、該水タンクに接続されている、水を圧送するための圧送エレメントと、該圧送エレメントに接続されている、水を噴射するための少なくとも１つのウォータインジェクタと、前記圧送エレメントと前記ウォータインジェクタとの間の管路領域内に配置された圧力センサと、制御ユニットとを有している、ウォータインジェクション装置により達成される。本発明によれば、前記制御ユニットは、ウォータインジェクタが閉じられていて圧送エレメントがオフにされている場合に、圧力センサの圧力データに基づき、前記管路領域内における蒸気形成を検出するように適合されている。本発明による制御ユニットにより蒸気形成が検出されるので、蒸気のさらなる形成を回避する、かつ／または既に生じた蒸気を減じる対策も迅速に導入することができる。したがって、例えば遮断エレメントのような付加的な構成部品を必要とせずに、短い圧力形成時間と迅速な噴射解放が保証される。このことは、ウォータインジェクション装置の安価かつコンパクトな構成、ならびに簡単な制御につながる。

従属請求項には本発明の有利な別の構成が示されている。

好適には、制御ユニットは、第１の圧力値と第２の圧力値とを比較するように適合されており、第１の圧力値は第１の時点で、第２の圧力値は第２の時点で検出され、さらに前記制御ユニットは、第１の圧力値と第２の圧力値との間の差が第１の目標値よりも大きい場合に、圧送エレメントとウォータインジェクタとの間の管路領域内における蒸気形成を検出するように適合されていて、前記第１の目標値は蒸気がないウォータインジェクション装置において規定されている。検出された差圧が、予想された差圧よりも大きいので、このことは管路領域内に蒸気があることを示唆している。

特に、第１の圧力値と第２の圧力値との間の差が、０．１×１０^５Ｐａよりも大きい、特に好適には０．２×１０^５Ｐａよりも大きい場合、蒸気形成が検知される。このような場合は、管路領域内における顕著な蒸気形成についてのより確実な情報が形成されてもよい。

選択的に、第２の圧力値が第２の目標値よりも大きい場合に、蒸気形成が検知される。第２の目標値は、圧力であって、この圧力未満ではウォータインジェクション装置が蒸気なしであると見なされる圧力として規定されている。

さらに好適には、圧力センサは、第２の圧力値を、第１の圧力値から少なくとも１０秒の、特に１００秒の時間的間隔を置いて検出するように適合されている。したがって、短時間のうちにウォータインジェクション装置において圧力変動が生じた場合でも蒸気形成を確実に検知することができる。

本発明の特に好適な実施形態によれば、圧送エレメントは容積形ポンプとして形成されている。容積形ポンプの原理により作動する圧送エレメントを使用することにより、ほぼ閉じられたシステムが形成されている。これにより、圧送エレメントとウォータインジェクタとの間の管路領域内における蒸気形成をさらに迅速に検知することができる。

ウォータインジェクション装置内で蒸気形成が検知されたときに、好適には、制御ユニットは、圧送エレメントとウォータインジェクタとの間の管路領域内に存在している蒸気を除去するように、圧送エレメントとウォータインジェクタとを駆動制御するように適合されている。したがって、圧送エレメントは、水を噴射するための圧力をより迅速に形成することができる。これによりウォータインジェクション装置は、内燃機関により水噴射の要求があった場合にできるだけ迅速に作動可能状態となる。

選択的にまたは付加的に、制御ユニットは、蒸気形成が検出されたときに、水を噴射するように、圧送エレメントとウォータインジェクタとを駆動制御するように適合されている。特に燃焼に関係ない水の噴射により、内燃機関の構成部品の、例えば、複数のウォータインジェクタのところの分配器の、温度が下げられる。これにより少なくとも部分的に水蒸気の凝縮が行われる。このために１回以上の水噴射が行われてもよい。

本発明の好適な構成によれば、ウォータインジェクタと圧力センサとの間に配置されている分配器に接続されている複数のウォータインジェクタが設けられている。

本発明の別の態様は、本発明によるウォータインジェクション装置を有した内燃機関に関する。この場合、本発明による装置に関して得られる利点は同様に得られる。

特に好適には、内燃機関は、オットー原理によりガソリンを用いて運転される。オットー原理で運転される内燃機関とは、ガソリンもしくはガソリン空気混合物の燃焼が、スパークプラグの形態の火花点火により行われる内燃機関を意味する。このような内燃機関では火花点火による点火時点が正確に規定されていて、燃焼はウォータインジェクションを介して改善されるので、本発明によるウォータインジェクション装置について説明した利点を完全に利用することができる。蒸気形成の迅速な検知により、短い圧力形成時間とできるだけ迅速な噴射解放を保証するために既に上述した措置をとることができる。したがって、迅速な負荷上昇の場合でもノッキング傾向を回避することができる。

さらに本発明は、内燃機関のウォータインジェクション装置を運転する方法であって、前記ウォータインジェクション装置は、水を圧送するための圧送エレメントと、該圧送エレメントに接続されている、水を噴射するための少なくとも１つのウォータインジェクタと、前記圧送エレメントと前記ウォータインジェクタとの間の管路領域内に配置された圧力センサとを有しており、前記ウォータインジェクタが閉鎖され前記圧送エレメントがオフにされたときに、前記圧力センサの圧力データに基づき前記管路領域内における蒸気形成を検出する、内燃機関のウォータインジェクション装置を運転する方法に関する。

好適には、第１の圧力値は第１の時点で、第２の圧力値は、第２の時点で検出される。第１の圧力値と第２の圧力値との間の差が、第１の目標値よりも大きい場合には、圧送エレメントとウォータインジェクタとの間の管路領域内における蒸気形成が検出される。

選択的に、第２の圧力値が第２の目標値よりも大きい場合に、管路領域内における蒸気形成が検出される。

図面の簡単な説明
以下に、本発明の好適な実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明の好適な実施例によるウォータインジェクション装置を備えた内燃機関を極めて概略的に示した図である。 好適な実施例によるウォータインジェクション装置を極めて概略的に示した図である。 本発明による装置の所定の管路領域における温度の時間的経過と相応の圧力の経過とを示すグラフである。

発明の好適な実施形態
以下に、図１〜図３につき、本発明の好適な実施例による内燃機関２のウォータインジェクション装置１を詳しく説明する。特に内燃機関２の運転は、オットー原理により、ガソリン直接噴射を行う。

図１には、複数のシリンダを有する内燃機関２と、本発明によるウォータインジェクション装置１の一部とが概略的に示されている。内燃機関２は、シリンダごとに１つの燃焼室２０を有し、この燃焼室２０内ではピストン２１が往復運動可能である。さらに、好適には内燃機関２はシリンダごとに２つの吸気弁２５を有していて、この吸気弁２５は、空気を燃焼室２０へと供給するそれぞれ１つの流入通路２２を備えている。排ガスは排ガス通路２３を介して導出される。このために排ガス通路２３には排気弁２６が配置されている。さらに符号２４では燃料噴射弁が示されている。

各流入通路２２にはさらにウォータインジェクタ６が配置されている。このウォータインジェクタ６は制御ユニット１０を介して、内燃機関２の流入通路２２内に水を噴射する。この実施例では、シリンダごとに２つのウォータインジェクタ６が設けられている。これにより、燃焼サイクルごとに噴射可能な最大水量の調整が改善され、最大水量が高められる。選択的に、シリンダごとに１つのウォータインジェクタを配置することもできる。

図２には、本発明によるウォータインジェクション装置が詳しく示されている。ウォータインジェクション装置１は、ポンプの形態で形成された圧送エレメント３と、ポンプを駆動する電気的駆動装置４とを含む。特にポンプは容積形ポンプである。

さらに、水タンク５が設けられている。この水タンク５は第１の管路７によって圧送エレメント３に接続されている。第２の管路８（管路領域）は、圧送エレメント３を、複数のウォータインジェクタ６が接続されている分配器９もしくはレールに接続している。分配器９に接続される第２の管路８は、圧送エレメント３とウォータインジェクタ６との間の管路領域に相当する。

内燃機関２の流入通路２２内に水を噴射するために、水は水タンク５から圧送エレメント３によりウォータインジェクタ６へと圧送される。このためには好適には、空調装置の図示されていない蒸発器の凝縮水が使用される。このために本発明による装置１は、水を噴射するために流入管路１１を有している。

凝縮水に対して選択的に、または付加的に、脱イオン化された水が、後充填管路１２を介して水タンク５へと圧送されてもよい。後充填管路１２には付加的に、ストレーナが設けられていてもよい。さらに、前フィルタ１６が第１の管路７に、微細フィルタ１７が第２の管路８に配置されている。前フィルタ１６と微細フィルタ１７とは付加的に加熱可能である。さらに、水タンク５内にある水のための水充填レベルおよび／または温度センサ１８が設けられていて、このセンサは制御ユニット１０を介して制御可能である。

ウォータインジェクタ６が閉じられ、圧送エレメント３がオフにされた場合にウォータインジェクション装置１内に蒸気形成が存在するかどうかを検出するために、第２の管路８には圧力センサ１４が設けられている。圧力センサ１４は制御ユニット１０を介して駆動制御される。水噴射の非作動に相当するウォータインジェクタ６が閉じられ、圧送エレメント３がオフにされる状態は、例えば停止／始動システムの停止位相中に生じることがある。この位相では、内燃機関が停止されているので、水噴射は必要ない。この場合、第２の管路８と分配器９内にある水は加熱され、蒸気形成が生じる可能性がある。

このことは図３につき説明される。図３は、好適な実施例による、分配器９に通じる第２の管路８内で検出されたシステム圧Ｐの時間的経過と分配器９の温度Ｔの時間的経過とを示すグラフである。

検出されたシステム圧Ｐの時間的経過には符号１５が、温度Ｔの時間的経過には符号１６が付与されている。システム圧Ｐの経過１５は、第１のグラフ領域Ｉと第２のグラフ領域ＩＩとに分けられる。ｘ軸は時間ｔをｓで示し、ｙ軸は温度を℃で、検出した圧力Ｐ×１０^５をＰａで示している。分配器９における温度の検出のためには、図２には示されていない温度センサを設けることができる。

図３により明らかであるように、第１のグラフ領域Ｉにおける圧力はほぼ不変のままである。第１のグラフ領域Ｉは、管路領域８において圧送エレメント３とウォータインジェクタ６との間にある水が、例えばますます高温になる内燃機関により加熱される位相に相当する。この位相は、第１のグラフ領域Ｉにおける分配器９の温度の上昇に一致する。

所定の時点からは水の沸騰温度に達し、これにより蒸気が生じる。蒸気はこの方向で広がり、管路領域８における圧力は明らかに上昇するので、圧送エレメント３を介して圧力勾配が生じる。この状態は、図３における第２のグラフ領域ＩＩに相当する。

第２の管路８と分配器９におけるこのような蒸気形成を検知するために、圧力センサ１４によって検出された圧力データは制御ユニット１０によって処理され、もしくは互いに比較される。

特に、第１の圧力値Ｐ１は第１の時点ｔ１で、第２の圧力値Ｐ２は、第１の時点ｔ１の後にある第２の時点ｔ２で、圧力センサ１４を介して検出される。

制御ユニット１０は、第１の圧力値Ｐ１を第２の圧力値Ｐ２と比較するように適合されている。特に制御ユニット１０は、第１の圧力値Ｐ１と第２の圧力値Ｐ２との間の差が、第１の目標値よりも大きいかどうかを検出する。第１の目標値は差圧であって、この差圧未満では蒸気形成の発生は検出されない差圧として規定されている。

選択的に第２の圧力値Ｐ２は第２の目標値と比較されてもよい。第２の目標値は圧力であって、この圧力未満では、蒸気形成の発生が検知されない圧力に相当する。すなわち、第２の圧力値Ｐ２が第２の目標値よりも小さい場合は、蒸気は存在しない。

本発明の範囲では、多数の圧力値を検出することもできる。したがって圧力は、時点ｔ１およびｔ２でのみ検出されなくてもよい。

圧力変動なくとどまっている一定期間（この場合、時点ｔ２）経過後に圧力上昇が検知されると、第２の管路８および分配器９において蒸気形成が生じたことが認識される。

圧力センサ１４により検出された圧力値に基づき制御ユニット１０により、管路領域８において蒸気が存在していることが検知されると、圧送エレメント３とウォータインジェクタ６とは、既に生じている蒸気をウォータインジェクション装置１から除去するように運転される。さらに一回以上の水噴射を行うことができ、これにより蒸気の少なくとも一部は凝縮される。噴射された水により分配器９も冷却され、これにより蒸気のさらなる形成は阻止される。

必要なシステム圧が形成された後は、燃焼を前提とする水噴射を行うことができる。

本発明によるウォータインジェクション装置１は、必要なシステム圧のもとで、その作動可能状態を迅速に仲介し、噴射を解放するという利点を提供する。さらに、蒸気形成の際の圧力形成の遅延を迅速に検知することができる。これに加えて、例えば圧送エレメント３とウォータインジェクタ６との間の管路領域における遮断エレメントのような付加的な構成部品を省くことができ、このことは本発明によるウォータインジェクション装置１の安価でコンパクトな構成につながる。

Claims (11)

1. 内燃機関（２）のウォータインジェクション装置であって、
   水を溜めておくための水タンク（５）と、
   前記水を圧送するための圧送エレメント（３）であって、前記水タンク（５）に接続されている圧送エレメント（３）と、
   前記圧送エレメント（３）に接続されている、水を噴射するための少なくとも１つのウォータインジェクタ（６）と、
   前記圧送エレメントと前記ウォータインジェクタ（６）との間の管路領域（８）に配置されている圧力センサと、
   前記ウォータインジェクタ（６）が閉じられていて前記圧送エレメントがオフにされている場合に、前記圧力センサ（１４）の圧力データに基づき、前記管路領域（８）内における蒸気形成を検出するように適合されている制御ユニット（１０）と、
   を有する、内燃機関のウォータインジェクション装置。
2. 前記制御ユニット（１０）は、第１の圧力値（Ｐ１）と第２の圧力値（Ｐ２）とを比較するように適合されており、前記第１の圧力値（Ｐ１）は第１の時点（ｔ１）で、前記第２の圧力値（Ｐ２）は第２の時点（ｔ２）で検出され、さらに前記制御ユニット（１０）は、前記第１の圧力値（Ｐ１）と前記第２の圧力値（Ｐ２）との間の差が第１の目標値よりも大きい場合に、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）との間の前記管路領域（８）内における蒸気形成を検出するように適合されていて、前記第１の目標値は蒸気がないウォータインジェクション装置において規定されている、請求項１記載のウォータインジェクション装置。
3. 前記圧力センサ（１４）は、前記第２の圧力値（Ｐ２）を、前記第１の圧力値（Ｐ１）から少なくとも１０秒の、特に１００秒の時間的間隔を置いて検出するように適合されている、請求項２記載のウォータインジェクション装置。
4. 前記圧送エレメントは容積形ポンプとして形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のウォータインジェクション装置。
5. 前記制御ユニット（１０）は、蒸気形成が検出されたときに、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）との間の前記管路領域（８）内に存在している蒸気を除去するように、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）とを駆動制御するように適合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のウォータインジェクション装置。
6. 前記制御ユニット（１０）は、蒸気形成が検出されたときに、水を噴射するように、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）とを駆動制御するように適合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のウォータインジェクション装置。
7. 前記ウォータインジェクタ（６）と前記圧力センサ（１４）との間に配置されている分配器（９）に接続されている複数のウォータインジェクタ（６）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のウォータインジェクション装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載のウォータインジェクション装置（１）を有する内燃機関。
9. ガソリンにより、オットー原理で運転されるように適合されている、請求項８記載の内燃機関。
10. 内燃機関（２）のウォータインジェクション装置を運転する方法であって、前記ウォータインジェクション装置は、水を圧送するための圧送エレメント（３）と、該圧送エレメント（３）に接続されている、水を噴射するための少なくとも１つのウォータインジェクタ（６）と、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）との間の管路領域（８）内に配置された圧力センサ（１４）とを有し、前記ウォータインジェクタ（６）が閉鎖され前記圧送エレメント（３）がオフにされたときに、前記圧力センサ（１４）の圧力データに基づき前記管路領域（８）内における蒸気形成を検出する、内燃機関のウォータインジェクション装置を運転する方法。
11. 第１の圧力値（Ｐ１）を第１の時点（ｔ１）で、第２の圧力値（Ｐ２）を第２の時点（ｔ２）で検出し、前記第１の圧力値（Ｐ１）と前記第２の圧力値（Ｐ２）との間の差が第１の目標値よりも大きい場合に、前記圧送エレメント（３）と前記ウォータインジェクタ（６）との間の前記管路領域（８）内における蒸気形成を検出し、前記第１の目標値は蒸気がないウォータインジェクション装置において規定されている、請求項１０記載の方法。

Images