DE102012207907A1

DE102012207907A1 - Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor mit Hochdruckeinspritzleiste und Zusatzvolumen zum Schutz vor Schäden durch Gefrieren des Wassers

Info

Publication number: DE102012207907A1
Application number: DE201210207907
Authority: DE
Inventors: Stephan Rubbert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Wassereinspritzsystem zum Einspritzen von Wasser für einen Verbrennungsmoto umfasst mindestens einen Wasserinjektor pro Zylinder. Außerdem ist eine Hochdruckeinspritzleiste vorgesehen, über die die Wasserinjektoren mit Wasser versorgt werden. Ferner umfasst das System ein Zusatzvolumen zur Aufnahme von gefrorenem Wasser und ein Ventil, wobei das Zusatzvolumen mit der Hochdruckeinspritzleiste durch Öffnen des Ventils verbindbar ist. Das Zusatzvolumen kann bei geöffnetem Ventil im Fall des Gefrierens des in der Hochdruckeinspritzleiste gespeicherten Wassers eine Volumenvergrößerung durch die Eisbildung aufnehmen. Hierdurch wird der Druck im Vergleich zu einer Hochdruckeinspritzleiste ohne Zusatzvolumen reduziert, so dass Schäden im Wassereinspritzsystem vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor mit Hochdruckwassereinspritzleiste.
Es ist bekannt, bei einem Verbrennungsmotor Wasser einzuspritzen, um klopfende Verbrennung zu unterdrücken und damit den Wirkungsgrad oder die Leistung zu steigen. Dazu wird das Wasser mit einem Injektor in das Saugrohr oder direkt den Brennraum eingespritzt oder zusammen mit dem Kraftstoff dem Verbrennungsmotormotor zugeführt. Das Wasser wird meistens einem Tank entnommen und die Wassermenge mit einem Pulsventil dosiert.
Beispielsweise kann ein Wassereinspritzsystem vorgesehen werden, welches eine Hochdruckeinspritzleiste umfasst, in der Wasser unter Hochdruck gespeichert wird (ähnlich einem Common-Rail-System zur Kraftstoff-Einspritzung). Die Hochdruckeinspritzleiste dient zum gemeinsamen Versorgen von Wasserinjektoren, wobei jeder Wasserinjektor einem bestimmten Zylinder zugeordnet ist. Jeder Wasserinjektor umfasst beispielsweise ein Magnetventil, welches von einem Steuergerät angesteuert wird. Über die Wasserinjektoren wird dann das Wasser in die Brennräume der Zylinder eingespritzt.
Bei einem derartigen Wassereinspritzsystem besteht die Gefahr, dass bei tiefen Temperaturen das in der Hochdruckeinspritzleiste gespeicherte Wasser gefriert und durch die Volumenzunahme Schäden im Wassereinspritzsystem entstehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Wassereinspritzsystem gegen Schäden bei Gefrieren von gespeichertem Wasser in der Hochdruckeinspritzleiste zu schützen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Wassereinspritzsystem zum Einspritzen von Wasser für einen Verbrennungsmotor umfasst mindestens einen Wasserinjektor pro Zylinder des Verbrennungsmotors. Außerdem ist eine Hochdruckeinspritzleiste vorgesehen, über die die Wasserinjektoren mit Wasser versorgt werden. Ferner umfasst das System ein Zusatzvolumen zur Aufnahme von gefrorenem Wasser und ein Ventil (beispielsweise ein Magnetventil), wobei das Zusatzvolumen mit der Hochdruckeinspritzleiste durch öffnen des Ventils verbindbar ist.
Das Zusatzvolumen kann bei geöffnetem Ventil im Fall des Gefrierens des in der Hochdruckeinspritzleiste gespeicherten Wassers bei tiefen Temperaturen eine Volumenvergrößerung durch die Eisbildung aufnehmen. Hierdurch wird der Druck im Vergleich zu einer Hochdruckeinspritzleiste ohne Zusatzvolumen reduziert, so dass Schäden im Wassereinspritzsystem vermieden werden.
Beispielsweise weist das Zusatzvolumen eine Aufnahmekapazität im Bereich von ca. 14 bis ca. 30% der Aufnahmekapazität des Hochdrucksystems von der Hochdruckpumpe, über die Hochdruckeinspritzleiste bis zu den Injektoren (ohne Berücksichtigung des Zusatzvolumens) auf, insbesondere ungefähr 20%. Das Wasser dehnt sich beim Einfrieren um ca. 1/7 aus, d. h. um ca. 14%. Das Zusatzvolumen sollte daher mindestens eine Aufnahmekapazität von ca. 14% der Aufnahmekapazität des Hochdrucksystems aufweisen.
Vorzugsweise ist das Ventil im normalen Fahrbetrieb geschlossen, so dass das Zusatzvolumen von der Hochdruckeinspritzleiste abgetrennt ist. Das Zusatzvolumen mit einem federbelasteten Kolben führt nämlich zu unerwünschten Druckschwingungen und Pulsationen in der Einspritzleiste. Ferner müsste sonst das Zusatzvolumen wieder entleert werden, um nach dem Abstellen des Motors das verdrängte, gefrierende Wasser aufzunehmen.
Im Fall des Abstellens des Verbrennungsmotors seitens des Fahrers und/oder im Fall des Unterschreitens oder Erreichens (ausgehend von einer höheren Temperatur) einer bestimmten Temperatur wird dann das Ventil geöffnet, so dass das Zusatzvolumen zur Aufnahme von gefrorenem Wasser bereit ist.
Bei niedriger Umgebungstemperatur lässt sich also durch Schalten des Ventils das Hochdrucksystem entspannen, wodurch Schäden verhindert werden.
Es ist von Vorteil, wenn das Wassereinspritzsystem Mittel zum Leeren des Zusatzvolumens aufweist. Beispielsweise umfasst das Zusatzvolumen einen federbelasteten Kolben. Der Kolben ist beispielsweise geeignet, in dem Zusatzvolumen gespeichertes Wasser nach dessen Auftauen bei geöffnetem Ventil aus dem Zusatzvolumen in die Hochdruckeinspritzleiste zu drücken. So kann bei erneutem Motorstart und nach dem Auftauen des Systems ohne Druckaufbau durch die Hochdruckpumpe das Zusatzvolumen durch den federbelasteten Kolben entleert werden. Es ist von Vorteil, wenn dann zum Entleeren des Zusatzvolumens mindestens ein Wasserinjektor, vorzugsweise sämtliche Wasserinjektoren geöffnet werden. Vorteilhafterweise wird nach Herausdrücken von gespeichertem Wasser aus dem Zusatzvolumen das Ventil geschlossen.
Ferner kann beim Abschalten des Motors durch den Fahrer etwaiges in das Zusatzvolumen gelangtes Wasser aus dem Zusatzvolumen mittels des federbelasteten Kolbens entfernt werden, so dass sichergestellt wird, dass das Zusatzvolumen zur Volumenaufnahme zur Verfügung steht. Dieser Vorgang kann durch das fahrerseitige Betätigen des Bedienelements zum Abschalten des Motors ausgelöst werden. Die Entfernung des Wassers aus dem Zusatzvolumen kann wie folgt erfolgen: Die Injektoren sollten vorzugsweise nach dem fahrerseitigen Betätigen des Bedienelements zum Abschalten des Motors während einer kurzen Nachlaufphase des Motors normale Wassermengen einspritzen, so dass die Verbrennung während der Nachlaufphase nicht gestört wird. Gleichzeitig sollte vorzugsweise die Hochdruck-Wasserpumpe im Wesentlichen kein Wasser mehr fördern, so dass der Systemdruck abgebaut wird. Parallel dazu sollte vorzugsweise das Schaltventil das Zusatzvolumen öffnen, so dass der Kolben mit der Federkraft das Zusatzvolumen entleert. In diesem Zustand kann der Motor abgestellt werden. Die Durchführen dieser Abstellprozedur beim Abstellen des Fahrzeug kann von der Umgebungstemperatur abhängig sein, so dass beispielsweise nur dann das Zusatzvolumen geleert wird, wenn auch tatsächlich die Notwendigkeit besteht, dass das Zusatzvolumen aufgrund einer Eisbildung benötigt wird, beispielsweise unterhalb einer bestimmten Umgebungstemperatur.
Alternativ oder zusätzlich kann mittels eines Sensors geprüft werden, ob das Zusatzvolumen im Wesentlichen kein Wasser aufgenommen hat, beispielsweise indem die Position des Kolbens überprüft wird.
Das Öffnen und Schließen des Ventils wird vorzugsweise von einem elektronischen Steuereinrichtung gesteuert, die beispielsweise in einem Motorsteuergerät integriert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Wassereinspritzsystem. In 1 sind nur Teile des Hochdruckbereichs dargestellt, der Niederdruckkreis wurde nicht dargestellt. Das Wassereinspritzsystem umfasst eine Hochdruckeinspritzleiste EL, in dem Wasser, welches von einer Hochdruckpumpe geliefert wird, unter Hochdruck gespeichert wird. Jeder Zylinder der beispielsweise in 1 dargestellten sechs Zylinder Z1–Z6 umfasst mindestens einen Wasserinjektor WI zum Einspritzen von Wasser in den Brennraum des jeweiligen Zylinders Z1–Z6. Die Wasserinjektoren werden von der gemeinsamen Hochdruckeinspritzleiste EL mit Wasser versorgt.
Ferner weist jeder Zylinder Z1–Z6 eine Zündkerze Z sowie mindestens ein Einlassventil E und mindestens ein Auslassventil A auf.
Um das System vor Schäden durch Gefrieren des Wassers zu schützen, ist in 1 an der Hochdruckeinspritzleiste EL ein Zusatzvolumen ZV angeordnet, welches für den Fall der Volumenzunahme bei Gefrieren des in der Hochdruckeinspritzleiste 1 befindlichen Wassers gefrierendes Wasser aufnehmen kann. Beispielsweise weist das Zusatzvolumen ZV eine Aufnahmekapazität von ungefähr 20% der Aufnahmekapazität des Hochdrucksystems (ohne Berücksichtigung des Zusatzvolumens) auf. Das Zusatzvolumen ZV weist einen federbelasteten Kolben K auf.
Das Zusatzvolumen ZV ist vom Hochdruck-Kreislauf durch ein Sicherheitsventil SV vom Hochdruck-Kreislauf getrennt.
Das Sicherheitsventil SV wird durch eine Steuereinrichtung SE gesteuert. Die Steuereinrichtung SE nimmt beispielsweise ein Temperatursignal T, das die Temperatur der Fahrzeugumgebung angibt, und ein Motorsignal M, welches angibt, ob der Verbrennungsmotor seitens des Fahrers eingeschaltet oder ausgeschaltet wurde, entgegen. Alternativ oder zusätzlich kann auch Information über die Betätigung der Fahrertür verwendet werden, um das Sicherheitsventil SV zu steuern. Für den Fall, dass das Motorsignal M anzeigt, dass der Verbrennungsmotor seitens des Fahrers abgestellt wurde, und einer kritischen Temperatur, die kleiner oder kleiner gleich einem Schwellwert T_s (beispielsweise T_s = 10°C) ist, wird das Sicherheitsventil SV geöffnet, so dass das Zusatzvolumen ZV mit der Hochdruckeinspritzleiste EL verbunden wird und das zugeschaltete Volumen ZV die Volumenvergrößerung durch eine etwaige Eisbildung aufnimmt.
Optional ist auch denkbar, dass beim fahrerseitigen Abstellen des Motors zunächst die vorstehend beschriebene Abstellprozedur zum Entfernen von etwaigem in das Zusatzvolumen ZV gelangtem Wasser aus dem Zusatzvolumen ZV mittels des federbelasteten Kolbens K durchgeführt wird, so dass sichergestellt wird, dass das Zusatzvolumen ZV zur Volumenaufnahme zur Verfügung steht. Diese Abstellprozedur wird beispielsweise nur unterhalb eines bestimmten Schwellwerts für die Umgebungstemperatur durchgeführt. Wenn das Fahrzeug geparkt wird, wird beispielsweise nach dem Entleeren bei stehendem Motor das Schaltventil SV wieder geschlossen, damit bei einem erneuten Motorstart bei unkritischen Bedingungen die Wassereinspritzung unmittelbar nach dem Start betriebsbereit ist. Ansonsten sollte das Schaltventil SV, unterhalb einer kritischen Temperatur geöffnet bleiben oder wieder geöffnet werden, so dass das Zusatzvolumen ZV mit der Hochdruckeinspritzleiste EL verbunden wird und das zugeschaltete Volumen ZV die Volumenvergrößerung durch eine etwaige Eisbildung aufnehmen kann.
Nach Motorstart und Auftauen des Systems wird durch Öffnen der Wasserinjektoren WI und ohne nennenswerten Druckaufbau durch die Hochdruckpumpe das Zusatzvolumen ZV durch den federbelasteten Kolben K bei geöffneten Sicherheitsventil SV im Wesentlichen entleert. Anschließend wird das Sicherheitsventil SV seitens der Steuereinrichtung SE geschlossen. Beispielsweise kann hierfür das Motorsignal M überwacht werden und eine bestimmte Zeitdauer nach Umschalten des Motorsignals M bei Starten des Motors das Sicherheitsventil SV geschlossen werden. Die Zeitdauer hängt dabei beispielsweise von dem Temperatursignal T ab.
Nach Schließen des Sicherheitsventils SV kann das Zusatzvolumen ZV bei erneutem Abstellen des Motors im Bedarfsfall wieder für eine Expansion des Wassers verwendet werden.

Claims

Wassereinspritzsystem zum Einspritzen von Wasser für einen Verbrennungsmotor, welches umfasst: – mindestens einen Wasserinjektor (WI) pro Zylinder (Z1–Z6) des Verbrennungsmotors, – eine Hochdruckeinspritzleiste (EL), über die die Wasserinjektoren (WI) mit Wasser versorgt werden, – ein Ventil (SV) und – ein Zusatzvolumen (ZV) zur Aufnahme von gefrorenem Wasser, welches mit der Hochdruckeinspritzleiste (EL) durch Öffnen des Ventils (SV) verbindbar ist.
Wassereinspritzsystem nach Anspruch 1, wobei das Wassereinspritzsystem eingerichtet ist, im Fall des Abstellens des Verbrennungsmotors seitens des Fahrers und/oder im Fall des Unterschreitens oder Erreichens einer bestimmten Temperatur das Ventil (SV) zu öffnen.
Wassereinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzvolumen (ZV) einen federbelasteten Kolben (K) umfasst.
Wassereinspritzsystem nach Anspruch 3, wobei der federbelastete Kolben geeignet ist, in dem Zusatzvolumen (ZV) gespeichertes Wasser nach dessen Auftauen bei geöffnetem Ventil (SV) aus dem Zusatzvolumen (ZV) in die Hochdruckeinspritzleiste (EL) zu drücken.
Wassereinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3–4, wobei das Wassereinspritzsystem eingerichtet ist, nach Herausdrücken von gespeichertem Wasser aus dem Zusatzvolumen (ZV) das Ventil (SV) zu schließen.
Wassereinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3–5, wobei das Wassereinspritzsystem eingerichtet ist, beim fahrerseitigen Abstellen des Motors etwaiges in das Zusatzvolumen (ZV) gelangte Wasser aus dem Zusatzvolumen (ZV) mittels des federbelasteten Kolbens (K) zu entfernen.
Wassereinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzvolumen (ZV) eine Aufnahmekapazität im Bereich von ca. 14 bis ca. 30% der Aufnahmekapazität des Wassereinspritzsystems ohne das Zusatzvolumen (ZV) aufweist.