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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der Patentanmeldung mit der Internationalen Veröffentlichungsnummer
WO 2008/095783 A2 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine bekannt, mit zumindest einer direkt in einen Brennraum zumindest eines Zylinders einmündenden ersten Einspritzeinrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung und zumindest einer in einen Einlassströmungsweg des Zylinders mündenden zweiten Einspritzvorrichtung zur indirekten Kraftstoffeinspritzung, wobei im Einlassströmungsweg zumindest eine Drosselklappe angeordnet ist, wobei zumindest eine Drosselklappe stromabwärts der zweiten Einspritzeinrichtung angeordnet ist.
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Nachteilig an dieser gattungsgemäßen Brennkraftmaschine ist, dass sie eine relativ hohe Partikelemission aufweist und im Falle einer Turboaufladung bei höheren Drehzahlen und höheren Lasten angefettet (Lambda < 1) betrieben werden muss.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 044 160 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt, mit zumindest einem Katalysator im Auslasssystem, mit zumindest einer in einem Saugrohr mündenden ersten Einspritzeinrichtung und zumindest einer in einen Brennraum mündenden zweiten Einspritzeinrichtung, wobei in zumindest einem Betriebsbereich während eines Zyklus der Kraftstoff über beide Einspritzeinrichtungen zugeführt wird und wobei die Brennkraftmaschine in zumindest einem Betriebsbereich in einem Katalysator-Aufheizmodus betrieben wird, wobei zumindest im Katalysator-Aufheizmodus die zugeführte gesamte Kraftstoffmenge zwischen der ersten Einspritzeinrichtung und der zweiten Einspritzeinrichtung aufgeteilt wird und wobei die Kraftstoffeinspritzung über die erste Einspritzeinrichtung vor oder während eines Einlasstaktes und zumindest eine Kraftstoffeinspritzung über die zweite Einspritzeinrichtung während eines Kompressionstaktes erfolgt.
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Auch dieses Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten, gattungsgemäßen Brennkraftmaschine weist die oben genannten Nachteile auf.
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Um die Partikelemission einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu reduzieren, werden in der Europäischen Patentanmeldung
EP 2 789 839 A2 ein System und ein Verfahren zur Wassereinspritzung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Aus dieser Patentanmeldung ist ein System zur Wassereinspritzung für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt das erste Injektoren hat, 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 zwischen einem Kraftstofftank und den ersten und zweiten Injektoren angeordnetes Kraftstoffzuleitungsventil und ein zwischen einem Wasservorratsbehälter und den ersten Injektoren angeordnetes Wasserzuleitungsventil vorgesehen. Die Ventile sind so schaltbar, dass die ersten Injektoren sowohl in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank als auch mit dem Wasservorratsbehälter und den zweiten Injektoren in Strömungsverbindung mit dem Kraftstofftank bringbar sind. Wasser wird nur in bestimmten Lastbereichen über die ersten Injektoren in die Brennkammer eingespritzt. Kraftstoff wird abhängig vom Lastbereich entweder über die ersten Injektoren direkt in die Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine oder über zweite Injektoren in das Saugrohr stromaufwärts der Brennkammern eingespritzt.
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Weiter ist aus der Europäischen Patentschrift
EP 2 657 502 B1 eine Hochdruckeinspritzleiste für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt. Die Hochdruckeinspritzleiste (Common-Rail) ist für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern vorgesehen, wobei für jeden Zylinder ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, die über die Hochdruckeinspritzleiste mit Kraftstoff versorgbar sind, wobei der Kraftstoff von einer Pumpe in die Hochdruckeinspritzleiste förderbar ist und wobei in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vor der Pumpe eine Mischvorrichtung vorgesehen ist, in der der Kraftstoff mit einem zweiten flüssigen Fluid, z. B. Wasser, mischbar ist, wobei ein Innenvolumen der Hochdruckeinspritzleiste mit einem zweiten Innenvolumen eines zweiten Behälters kraftstoffführend verbunden ist, wobei der zweite Behälter in Einbaulage der Hochdruckeinspritzleiste oben angeordnet ist.
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Nachteilig ist, dass der heutige Stand der Technik im Saugkanal (Gas-Zuführungstrakt) der Brennkraftmaschine nur eines der beiden Systeme (Benzin- oder Wassereinspritzung) zulässt. Ein besonderes Problem ist es, den Injektor möglichst nah am Gaswechsle-Einlassventil unterzubringen um die Verdampfungsenergie von Wasser oder Benzin ideal im Brennraum zu nutzen. In dem sehr engen Package heutiger Brennkraftmaschinen ist es ohne Entfall anderer wichtiger Systeme, wie z. B. einer variablen Ventilsteuerung, nicht möglich, beide Injektoren gleichzeitig nah am Gaswechsel-Einlassventil unterzubringen. Sollte dieses Problem dennoch gelöst werden, sind die Kosten für ein System, das aus drei verschiedenen Arten von Injektoren (Benzindirekteinspritzung, Benzin-Multipoint-Injektion und Wasser-Multi-Point-Injektion) besteht, für einen Business Case viel zu hoch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung aufzuzeigen, mit der die oben genannten Nachteile behoben sind.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Vorteile der Saugrohr-Benzineinspritzung (MPI – Multi-Point-Injektion) in der Teillast (reduzierter Verbrauch, Schutz vor Gaswechsel-Einlassventilverkokung, reduzierte Reibung und reduzierte Emissionen) mit den Vorteilen der Wassereinspritzung (Reduzierte Klopfbegrenzung, keine Anfettung bei hoher Last führt zu reduziertem Verbrauch oder einer Leistungssteigerung) in der Volllast zu kombinieren und hierbei für beide Systeme eine einlassventilnahe Bauposition zu realisieren.
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Der Schutz der Benzin-Saugrohreinspritzung vor der Gaswechsel-Einlassventilverkokung ermöglicht somit eine reduzierte Wartungshäufigkeit der Gaswechsel-Einlassventile. Die Wassereinspritzung ermöglicht es gleichzeitig in der Volllast die Vorteile für die Real-Driving-Emissions (RDE) und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch aufgrund einer reduzierten Anfettung des Verbrennungsgemisches zu erschließen.
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Sollte nur ein System verwendet werden, kann durch die vorliegende Erfindung der Stückpreis der Kraftstoff-Injektoren und Kraftstoff-Rails verringert werden, da sowohl die Wasser-, als auch die Benzin-Einspritzkomponenten in einer höheren Anzahl von Derivaten verbaut werden können. Sollen beide Systeme verbaut werden können, reduziert dieses System die Kosten erheblich, da ein Injektor pro Zylinder entfallen kann. Dies wirkt sich ebenfalls auf das Gewicht des Kraftfahrzeugs positiv aus.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Sowohl aus technischer Sicht als auch aus baulicher Sicht ist der Abstand A gemäß Patentanspruch 2 besonders bevorzugt.
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Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 3 und 4 sind zwei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Eine dritte besonders bevorzugte Ausführungsvariante ist gemäß Patentanspruch 5 gegeben. Bei dieser Variante wird der Bauraum nochmals optimiert.
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Besonders bevorzugt ist das Fluid gemäß Patentanspruch 6 Wasser.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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2 zeigt ein erstes besonders bevorzugtes Ausführungsbespiel.
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3 zeigt ein zweites besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt ein Kennfeld für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinder 2 und mit einem Gas-Zuführungstrakt 3 und einem Gaswechsel-Einlassventil 4 zwischen dem Zylinder 2 und dem Gas-Zuführungstrakt 3 zur Steuerung eines Gaswechsels vom Gas-Zuführungstrakt 3 in den Zylinder 2. Ein Brennraum 15 in dem Zylinder 2 ist begrenzt durch ein nicht beziffertes Zylinderkopfdach, den Zylinder 2 und einen Kolben 14 sowie dem Gaswechsel-Einlassventil 4 und einem Gaswechsel-Auslassventil 13, welches ein Abgas in den Abgastrakt 12 entweichen lässt. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 einen ersten Kraftstoffinjektor 5 auf, zur Einbringung von Kraftstoff aus einer in 1 nicht dargestellten Kraftstoffversorgung 6 direkt in den Zylinder 2 sowie einen zweiten Kraftstoffinjektor 7 zur Einbringung von Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgung 6 in den Gaszuführungstrakt 3.
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Erfindungsgemäß ist mit dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 ein zweites Fluid, vorzugsweise Wasser, aus einer in den 2 und 3 dargestellten Fluidversorgung 8 in den Gaszuführungstrakt 3 einbringbar.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Kraftstoffinjektor 7 höchstens zehnmal, vorzugsweise höchstens ein bis dreimal dem Innendurchmesser (Di) des Gaszuführungstraktes 3 von dem Gaswechsel-Einlassventil 4 beabstandet angeordnet. Der Innendurchmesser (Di) ist mit zwei Pfeilen schematisch dargestellt, der Abstand (A) ist ebenfalls mit zwei Pfeilen schematisch dargestellt. Der Abstand (A) ist der Abstand von einem nicht bezifferten Gaswechsel-Einlassventilsitz des Gaswechsel-Einlassventils 4 bis zu einer Injektorspitze des zweiten Kraftstoffinjektors 7.
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2 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Fluidversorgung für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1. Dargestellt sind eine Kraftstoffversorgung 6 sowie eine Fluidversorgung 8, jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Sowohl die Kraftstoffversorgung 6 als auch die Fluidversorgung 8 münden jeweils in ein einziges Schaltventil 10 und ausgehend vom Schaltventil 10 mündet das Kraftstoff-/Fluidgemisch in ein Rail 9 und von dort weiter durch Pfeile dargestellte Rohre in drei zweite Kraftstoffinjektoren 7. Die Anzahl der zweiten Kraftstoffinjektoren 7 richtet sich nach der Anzahl der Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1, d. h. es können auch vier, fünf oder sechs oder noch mehr zweite Kraftstoffinjektoren 7 vorgesehen sein. Das erste Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Kraftstoffversorgung 6 und dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 das Rail 9 angeordnet ist und die Umschaltung zwischen Kraftstoff und Fluid durch das Schaltventil 10 vor dem Rail 9 erfolgt.
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3 zeigt schematisch ein zweites, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Fluidversorgung für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1. In diesem zweiten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist wiederum eine Kraftstoffversorgung 6 und eine Fluidversorgung 8 schematisch durch Pfeile dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist für die Kraftstoffversorgung 6 ein eigenes Rail 9, ein Kraftstoffrail, vorgesehen, von dem aus der Kraftstoff in drei Schaltventile 11 mündet. Weiter ist für die Fluidversorgung 8 ein eigenes Rail 9, ein Fluid-Rail (Wasser-Rail), vorgesehen, aus dem wiederum das Fluid in die drei Schaltventile 11 mündet. Vor diesen drei Schaltventilen 11 geht das Kraftstoff-/Fluidgemisch weiter in drei zweite Kraftstoffinjektoren 7. Auch in diesem Ausführungsbeispiel gilt, dass für jeden Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 ein eigener zweiter Kraftstoffinjektor 7 vorgesehen ist.
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Das zweite, besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel zeichnet sich somit dadurch aus, dass zwischen der Kraftstoffversorgung 6 und dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 ein Rail 9 angeordnet ist und eine Umschaltung zwischen Kraftstoff und Fluid jeweils durch ein Schaltventil 11 zwischen dem Rail 9 und dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 erfolgt.
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In einem dritten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches figürlich nicht dargestellt ist, ist der zweite Kraftstoffinjektor 7 ein sogenannter Zweistoffinjektor, der aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist.
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Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass das Fluid bevorzugt Wasser ist.
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4 zeigt schematisch ein Kennfeld für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1. Über eine Y-Achse ist ein nicht näher beziffertes Drehmoment dargestellt, über eine X-Achse ist eine nicht näher bezifferte Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 dargestellt.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, erfolgt über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 1 bei moderaten Drehmomenten ausschließlich eine Saugrohreinspritzung mit dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 mit Kraftstoff.
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Dem gegenüber erfolgt über das gesamte Drehzahlband der Brennkraftmaschine 1 bei hohem Drehmoment, sprich bei Volllast, sowohl eine Saugrohreinspritzung mit dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 mit Kraftstoff als auch eine Saugrohreinspritzung mit dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 mit dem Fluid, besonders bevorzugt Wasser.
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Im gesamten Kennfeld findet gleichzeitig eine Kraftstoffeinspritzung mit dem ersten Kraftstoffinjektor 5 direkt in den Zylinder 2 statt.
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Mit anderen Worten ausgedrückt:
Um die eingangs genannten Probleme zu umgehen, wird erfindungsgemäß eine Kraftstoff-Saugrohreinspritzung und eine Wasser-Saugrohreinspritzung und eine Kraftstoffeinspritzung direkt in den Zylinder 2 vorgeschlagen, die kombiniert werden, wobei beide Medien über einen Injektor im Saugrohr eingespritzt werden. Dieser Injektor wird durch geeignete Beschichtungen gegen Korrosion durch Wasser geschützt. Hierfür kann das bestehende Know-How auf Seiten der Injektorhersteller im Bereich E100 Kraftstoffe und SCR (Selective-Catalytic-Reduction) benutzt werden.
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Hierfür werden zwei verschiedene Verschaltungsvarianten vorgeschlagen.
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In der ersten Variante wird der zweite Kraftstoffinjektor 7 nur durch ein einziges Rail 9 versorgt und die Umschaltung der Medien erfolgt direkt vor dem Rail 9. In diesem Fall muss jedoch ein größeres Volumen bei einem Umschaltvorgang zwischen den beiden Medien gespült werden, bevor das gewünschte Medium eingespritzt werden kann. Dies könnte eine Herausforderung für die Applikation darstellen. Andererseits kann so die Anzahl der Schaltventile 10 reduziert werden. Diese Variante müsste als paralleler rücklauffreier Medienpfad ausgeführt werden, da ansonsten die Gefahr besteht, dass Wasser über den Rücklauf in den Kraftstofftank, bzw. in den Hochdruckpfad, gelangt.
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Bei der zweiten Variante erfolgt die Medienversorgung des zweiten Kraftstoffinjektors 7 über zwei Rails 9 (Kraftstoff und Wasser), zwischen denen unmittelbar vor dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 jeweils mittels eines Schaltventils 11 umgeschaltet werden kann. Bei einem Umschaltvorgang zwischen den beiden Medien muss nur ein sehr kleines Volumen eines anderen Mediums durch das Injektorgehäuse gespült werden. Dies hat somit wesentliche Vorteile in stationären Fahrten. Weiterhin bietet es den Vorteil, dass es sich direkt vor der Hochdruckpumpe in den bestehenden Kraftstoffpfad integrieren lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Gas-Zuführungstrakt
- 4
- Gaswechsel-Einlassventil
- 5
- erster Kraftstoffinjektor
- 6
- Kraftstoffversorgung
- 7
- zweiter Kraftstoffinjektor
- 8
- Fluidversorgung
- 9
- Rail
- 10
- Schaltventil
- 11
- Schaltventil
- 12
- Abgastrakt
- 13
- Gaswechsel-Auslassventil
- 14
- Kolben
- 15
- Brennraum
- 16
- Rail
- Di
- Innendurchmesser
- A
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/095783 A2 [0002]
- DE 102009044160 A1 [0004]
- EP 2789839 A2 [0006]
- EP 2657502 B1 [0007]
