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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffhochdruckspeicher für eine wahlweise mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbare Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion direkt in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einspritzeinrichtung mit einem solchen Kraftstoff-Hochdruckspeicher.
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Moderne Kraftfahrzeuge verfügen über Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei denen der Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise mit 200 bis 300 bar bei einer Otto-Verbrennungskraftmaschine direkt in den oder bei mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschinen in die Brennräume eingespritzt wird. Die Kraftstoffdirekteinspritzung erfordert eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, welche in jeder Betriebssituation druckbeaufschlagten Kraftstoff bereitstellt. Wesentliche Elemente dieser Kraftstoffversorgungsvorrichtung stellen die Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff auf das nötige Druckniveau befördert und ein Druckspeicher (Rail) dar, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird und von welchem die Einspritzventile mit Kraftstoff versorgt werden.
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Derartige Druckspeicher werden vor allem bei unter der Bezeichnung „Common Rail“ zusammengefassten Einspritzsystemen eingesetzt, die es ermöglichen, den Einspritzdruck von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der Einspritzmenge unabhängig zu halten. Der Druckspeicher ist dabei im allgemeinen rohrförmig ausgebildet und parallel zu den Zylinderköpfen ausgerichtet, wobei die Ablaufanschlüsse für die in den Zylinderköpfen angeordneten Einspritzventile längs des Rohrkörpers im allgemeinen entsprechend den Abständen zwischen den einzelnen Einspritzventilen angeordnet sind.
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Ein großer Vorteil gegenüber einer Niederdruck-Saugrohreinspritzung des Kraftstoffes ist dabei, dass der direkt in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff dort durch seine Verdampfung den Brennraum kühlt (Verdampfungsenthalpie). Insbesondere bei hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine ist dieser Effekt nötig, um die Abgastemperatur zu begrenzen, um unter anderem Schädigungen von in dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Komponenten, insbesondere des Abgaskatalysators oder des Abgasturboladers, zu vermeiden.
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Bei Volllast wird also eine zusätzliche Masse Kraftstoff eingespritzt, das Verbrennungsgemisch somit angereichert. Dies erfolgt nur zur Kühlung und ist nicht für die das Drehmoment erzeugende Verbrennung nötig. Eine solche Anreicherung erhöht den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine, was der gesetzlichen Forderung einer Resourcenschonung und einer Senkung des CO2 Ausstoßes entgegensteht.
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Die Wassereinspritzung ist ein seit langem bekanntes Verfahren zur Leistungssteigerung, zur CO2-Reduzierung, als Ersatz oder zumindest zur Verminderung der oben erwähnten Gemischanreicherung an der Volllast einer Verbrennungskraftmaschine, zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Bekämpfung von Vorentflammungen. Dabei wird die im Vergleich zu Benzin um den Faktor sechs höhere Verdampfungsenthalpie beim Phasenwechsel des Wassers ausgenutzt. Es sind verschiedene Systeme bekannt, mit denen das Wasser der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann.
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In der
DE 10 2014 204 509 A1 ist eine Wassereinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor beschrieben mit einem Wassertank, zumindest einer Pumpe und zumindest einem Wasserinjektor, wobei durch die Pumpe das Wasser aus dem Wassertank zu dem Wasserinjektor pumpbar ist und Wasser durch den Wasserinjektor in ein Luftansaugsystem unmittelbar vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors einspritzbar ist.
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Aus der
DE 10 2011 015 628 A1 ist ein Betriebsverfahren für eine mit Kraftstoffdirekteinspritzung arbeitende Otto- Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Wasser direkt in die Brennräume eingespritzt wird.
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Aus der
DE 10 2015 216 727 A1 sind eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspritzen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion in einen Verbrennungsmotor unter Verwendung mindestens einer Zweistoffdüse, durch welche Wasser und Kraftstoff gemeinsam, insbesondere unter Ausnutzung von Kollisionsmischung, in den Brennraum und/oder das Saugrohr eingedüst werden können, bekannt.
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In der
DE 10 2015 214 050 A1 ist eine Vorrichtung zum Mischen von Kraftstoff und Wasser beschrieben, die folgendes umfasst: eine Pumpe, einen Druckraum, welcher einen Kraftstoffbereich und einen Mischbereich umfasst, welche direkt miteinander in Verbindung stehen, ein Ansaugventil, über welches Kraftstoff in den Kraftstoffbereich ansaugbar ist und ein Wassereinspritzventil, über welches Wasser in den Mischbereich einspritzbar ist, um Wasser und Kraftstoff zu einem Gemisch zu mischen. Das erzeugte Gemisch wird einem Hochdruckspeicher zugeführt und mittels Injektoren in die Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Da in der Emulsion also Wasser enthalten ist, besteht die Gefahr dass es bei abgestellter Verbrennungskraftmaschine und damit nicht aktiviertem Einspritzsystem bei entsprechend niedriger Umgebungstemperatur zur Eisbildung des im Hochdruckbereich verbliebenen Wassers kommen kann. Durch die Ausdehnung beim Phasenübergang kann es zu Beschädigungen bzw. zu Zerstörungen von Komponenten des Hochdruckbereiches, wie Hochdruckspeicher, Leitungen, Injektoren kommen. Das Wasser muss also nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine aus dem Hochdruckbereich entfernt sein.
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Wird in einem Einspritzsystem eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion durch den Hochdruckteil des Einspritzsystems gepumpt, so unterliegt das Schwingungs- und Druckpulsationsverhalten der Stoffeigenschaften der Emulsion. Die Stoffeigenschaften Dichte, Kompressionsmodul und Schallgeschwindigkeit bestimmen hier das Verhalten. Wasser besitzt nur einen ca. doppelt so hohen Kompressionsmodul wie Kraftstoff und bestimmt bei der Emulsion dadurch das Pulsationsverhalten mit. Die Druckpulsationen werden höher. Ein im Einspritzsystem vorhandenes, herkömmliches Überdruckventil würde dabei geöffnet. Um dies zu vermeiden, müsste dieses entsprechend angepasst und eingestellt werden. Darüber hinaus müsste das gesamte Einspritzsystem für höhere Drücke ausgelegt werden, was mit mehr Gewicht und höheren Kosten einhergeht.
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Um eine Eisbildung zu vermeiden, kann das Volumen im Hochdruckspeicher sehr klein gehalten werden, um die Verweildauer des Wassers möglichst kurz zu halten. Dies kann entweder mit einem bezüglich seiner Abmessungen kleineren Hochdruckspeicher oder durch Einlagerung von Stahlrohren in den Hochdruckspeicher erreicht werden. Dadurch wird der Hochdruckspeicher durch weitere Einspritzungen mit wasserlosem Kraftstoff schneller wieder freigespült und ist somit wird vor dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine frei von Wasser. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass durch das geringere Hochdruckvolumen die Druckpulsationen stark ansteigen, was eine extreme Verschlechterung der Einspritzperformance zur Folge hat. Die höheren Druckpulsationen führen zu den oben genannten Problemen bei der Systemauslegung, aber nicht wegen des Kompressionsmoduls des Wassers, sondern wegen des verringerten Volumens. Es gilt folgender physikalischer Zusammenhang:
wobei
- Δp = Druckerhöhung (Pulsation)
- ΔV = zugeführtes Volumen durch Pumpzyklus
- Vges = gesamtes hydraulisches Volumen
- K = Kompressionsmodul
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Daraus sieht man, dass sowohl der höhere Kompressionsmodul des Wassers, als auch die Verkleinerung des Volumens zu höheren Drücken führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher, sowie eine Einspritzeinrichtung für eine mit Kraftstoff und mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbare Verbrennungskraftmaschine anzugeben, der bzw. die einen sicheren und effektiven Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und durch eine Einspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird Kraftstoff-Hochdruckspeicher beschrieben, der als rohrförmiger Grundkörper mit einer axialen Bohrung ausgestaltet ist, wobei die axiale Bohrung ein Innenvolumen des Kraftstoff-Hochdruckspeichers zur Speicherung von Kraftstoff oder einer Wasser-Kraftstoff- Emulsion bildet. Der Grundkörper weist einen Zulaufanschluss mit einem Zulaufkanal für den Kraftstoff oder der Wasser-Kraftstoff-Emulsion und entsprechend der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine Ablaufanschlüsse mit Ablaufkanälen auf, welche in Fluidverbindung mit den einzelnen Zylindern zugeordneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren stehen. Das Innenvolumen des Grundkörpers ist derart mit einem Füllkörper ausgefüllt, so dass in Bezug auf das gesamte Innenvolumen des Grundkörpers ein verkleinerter Speicherraum für den Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion gebildet ist. Als Füllkörper wird ein Festkörper verwendet wird, dessen Kompressionsmodul annähernd dem Kompressionsmodul des verwendeten Kraftstoffes entspricht.
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Durch das Einbringen eines Füllkörpers in das Innenvolumen des Kraftstoff-Hochdruckspeichers, der Raum einnimmt, sich aber nicht mit dem durchfließenden Medium mischt und eine Kompressibilität besitzt, die die Druckpulsationen auffangen und minimieren kann, ist es möglich, die Wasser-Kraftstoff- Emulsion sehr schnell aus dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher zu entfernen, sobald keine Wasser-Kraftstoff- Emulsion mehr eingespritzt wird. Das aktiv durchflossene Volumen ist gering, aber das elastische Verhalten des Kraftstoff-Hochdruckspeicherinhalts, das zur Dämpfung der Druckpulsationen nötig ist, kann aufrechterhalten bleiben.
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Der höhere Kompressionsmodul des in der Wasser-Kraftstoff-Emulsion enthaltenen Wassers trägt zur Druckerhöhung bei. Das Verhältnis des Wassers zum Kraftstoff der Wasser-Kraftstoff-Emulsion bestimmt nur in herkömmlichen Systemen das elastische Verhalten. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckspeicher ist dieser zu einem großen Teil mit einem Füllkörper ausgefüllt, welcher einen Kompressionsmodul aufweist, der annähernd dem Kompressionsmodul des Kraftstoffes entspricht. Somit verringert sich der Volumenanteil des Wassers.
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So ist zum Beispiel bei einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion mit 30% Anteil Wasser und 70% Anteil Kraftstoff der theoretische Kompressionsmodul K
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Es ergibt sich somit eine Steigerung des Kompressibilitätsmoduls K von 30 %. Wenn das hydraulische Volumen zu 90% mit einem Füllkörper mit K=10000bar gefüllt ist ergibt sich
E=(10*1300bar+90*10000bar)/100=10300bar. Also eine Kompressibilitätssteigerung von nur 3 %.
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Es kann also eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion eingespritzt werden, ohne das Einspritzsystem druckfester, schwerer, teurer zu gestalten. Durch die Verwendung eines geeigneten Füllkörpers wird nicht einfach das durchzufließende Fluidvolumen verkleinert, sondern auch die Nachteile die sich durch die Verkleinerung bei Füllung des rails mit z. B. Stahl ergeben, umgangen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das verkleinerte Speichervolumen als Kanäle in Form von Nuten im Füllkörper ausgebildet ist, wobei die Nuten in Fließverbindung miteinander stehen. Solche Nuten in einem Festkörper lassen sich mittels eines einfachen Herstellungsprozesses realisieren, was geringe Kosten mit sich bringt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass am Umfang des Füllkörpers eine Ringnut vorgesehen ist, welche bezüglich der Längserstreckung des Grundkörpers an einer Stelle eingebracht ist, dass sie mit dem Zulaufkanal fluchtet und damit eine Fließverbindung zwischen dem Zulaufkanal und der Ringnut herstellt. Ferner sind am Umfang des Füllkörpers weitere Ringnuten vorgesehen sind, welche bezüglich der Längserstreckung des Grundkörpers an Stellen eingebracht sind, dass sie mit den Ablaufkanälen fluchten und damit eine Fließverbindung zwischen den Ringnuten und den Ablaufkanälen herstellen. An der Oberfläche des Füllkörpers ist in axialer Richtung mindestens eine Längsnut vorgesehen, welche die einzelnen Ringnuten miteinander verbindet und damit eine Fließverbindung zwischen dem Zulaufkanal und den Ablaufkanälen herstellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Querschnitte der Ringnuten und der Längsnut identisch den Querschnitten des Zulaufkanals und der Ablaufkanäle. Dadurch lässt sich das Herstellungsverfahren des Kraftstoff-Hochdruckspeichers weiter vereinfachen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich aus, dass das verkleinerte Speichervolumen mittels einer in den Füllkörper eingebetteten, sich in axialer Richtung des Grundkörpers erstreckenden Rohrleitung gebildet ist, welche einerseits mittels einer Abzweigleitung mit dem Zulaufkanal des Zulaufanschlusses und mittels Abzweigleitungen mit den Ablaufkanälen der Ablaufanschlüsse kommunizieren.
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Ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher, welcher mit einem Füllkörper aus einem PTFE- Kunststoff gefüllt ist, hat den Vorteil, dass die Pulsationen optimal gedämpft werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einspritzeinrichtung für eine mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbare Verbrennungskraftmaschine beschrieben, mit einem Kraftstoffvorratsbehälter zum Speichern von Kraftstoff, einer Kraftstoffvorförderpumpe welche den Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter fördert und vorverdichtet, einem Wasservorratsbehälter zum Speicher von Wasser, einer Fördereinrichtung für das Wasser, einer Einrichtung zum Erzeugen einer Wasser-Kraftstoff- Emulsion, einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe welcher der vorverdichtete Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff- Emulsion zugeführt wird, einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher welchem wahlweise Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff- Emulsion mittels der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zugeführt wird, an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher angeschlossenen Hochdruck-Kraftstoffinjektoren, wobei der Kraftstoff-Hochdruckspeicher gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgestaltet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Kraftstoffzufuhrsystem einer Verbrennungskraftmaschine mit wahlweiser Direkteinspritzung von Kraftstoff oder Wasser-Kraftstoff-Emulsion,
- 2 eine stark vereinfachte Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers eines solchen Kraftstoffzufuhrsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 3 eine stark vereinfachte Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers eines solchen Kraftstoffzufuhrsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das Kraftstoffzufuhrsystem einer Brennkraftmaschine 5 weist eine Kraftstoffvorförderpumpe 10 auf, bei der es sich bevorzugt um eine elektrisch betriebene Pumpe handelt und die in einem Kraftstoffvorratsbehälter 15 angeordnet ist. Diese wird auch als Tankpumpe bezeichnet. Der Ausgang der Kraftstoffvorförderpumpe 10 ist über eine Niederdruckzuleitung 20 und ein darin angeordnetes Kraftstofffilter 25 mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit 30 verbunden. Diese weist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe 35 auf, der ein Kraftstoffdämpfer 40 und ein elektrisch betätigbares Volumenstromregelventil 45 vorgeschaltet sind. Das Volumenstromregelventil 45 ist in diesem Beispiel als elektrisch betätigbares, digitales Einlassventil ausgeführt.
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Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 35 wird vorzugsweise mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine 5 angetrieben und führt den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über ein Auslassventil 50 und eine Hochdruckleitung 55 einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 (common rail) zu. Das Auslassventil 50 kann als federbelastetes Rückschlagventil oder als elektrisch betätigbares Ventil (digitales Auslassventil) ausgeführt sein. Zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes ist am dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 ein Drucksensor 65 vorgesehen.
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An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 sind entsprechend der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine 5 Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 angeschlossen. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 weist die Verbrennungskraftmaschine 5 vier Zylinder 51 und damit vier Hochdruck-Kraftstoffinj ektoren 70 auf. Die Erfindung ist aber auch bei Verbrennungskraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl anwendbar.
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Zum gezielten Abbau des Druckes im Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem, sei es durch hochdynamische Druckänderungen im Zuge von zukünftigen Abgasemissionstests, wie beispielsweise dem Fahrzyklus RDC (Real Driving Cycle), oder aus Sicherheitsgründen nach dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 5 ist in dem Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem ein aktives Druckabbauventil PDV (Pressure Decay Valve) vorgesehen. Der Ausdruck „aktiv“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Druckabbauventil PDV über elektrische Signale geöffnet und geschlossen werden kann. Ein solches Druckabbauventil PDV kann an der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 35, an der Hochdruckleitung 55 oder wie in der 1 gezeigt, an dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 angeordnet sein. Wird das Druckabbauventil PDV geöffnet, so fließt Kraftstoff über eine Rückführleitung 80 an einer Stelle stromabwärts des Kraftstofffilters 25 in die Niederdruckzuleitung 20 zurück.
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Anstelle eines solchen aktiven Druckabbauventils PDV kann auch ein mechanisches, federbelastetes Überdruckventil vorgesehen sein, das bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwertes automatisch öffnet.
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Um bei Bedarf aus den eingangs genannten Gründen anstelle von reinem Kraftstoff eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Zylinder 51 der Verbrennungskraftmaschine 5 einspritzen zu können, ist ein Wasservorratsbehälter 90 zur Bevorratung von Wasser und eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe 92 vorgesehen, welche über eine Wasserleitung 91 Wasser an eine Stelle der Niederdruckzuleitung 20 vor dem Volumenstromregelventil 45 innerhalb der Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit 30 fördert. Dort vermischt sich das Wasser mit dem Kraftstoff zu einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, welche der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 35 zugeführt wird und in dem weiteren Verlauf unter hohem Druck in den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 gelangt.
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Die Bildung der Wasser- Kraftstoff-Emulsion kann alternativ auch in einer separaten Mischkammer erfolgen. Für die Erfindung ist der Ort und die Art und Weise wie die Wasser- Kraftstoff-Emulsion gebildet wird, nur insoweit von Bedeutung, dass die Wasser-Kraftstoff-Emulsion vor dem Eintritt in den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 erzeugtwerden muss und die Zeitspanne zwischen Emulsionserzeugung und Emulsionseinspritzung nicht zu lange ist, um die Gefahr der Entmischung aufgrund der hohen Dichteunterschiede der beiden Stoffe zu vermeiden.
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Wasser im Wasservorratsbehälter 90 kann entweder vom Fahrer des Kraftfahrzeuges mittels eines Einfüllstutzens 93 manuell nachgefüllt werden, oder das Wasser kann önboard gewonnen werden. Als Wasserquellen kommen dabei insbesondere das Kondenswasser der Klimaanlage, Regenwasser, oder das Kondenswasser des Abgases in Frage, wobei in diesen Fällen die Qualität des Wassers zu überwachen ist. Zum Einbringen solchen, onbord gewonnenen Wassers weist der Wasservorratsbehälter 90 einen Zuführanschluss 94 auf.
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In oder an dem Wasservorratsbehälter 90 können neben einem Sensor 95 für die Qualität des Wassers, der auch eine Fehlbetankung erkennen kann, ein Füllstandsensor 96 und ein Temperatursensor 97 vorgesehen sein, dessen Signal eine in oder an dem Wasservorratsbehälter 90 angeordnete elektrische Heizeinrichtung 98 bei Temperaturen in der Nähe des Gefrierpunktes des Wassers aktiviert. Damit kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt flüssiges Wasser zur Bildung der Emulsion zur Verfügung steht.
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Zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine 5 ist eine elektronische Steuerungseinrichtung 99 vorgesehen, welche u.a. auch die Umschaltung von Kraftstoffeinspritzung auf die Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion und die Ansteuerung der Wasserpumpe 92 übernimmt. Eine Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion erfolgt insbesondere bei sehr hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine, um die dabei auftretenden hohen Temperaturen zu senken oder zur Klopfregelung. Durch Abschalten der Wasserpumpe 92 mittels Signalen der Steuerungseinrichtung 99 wird die Erzeugung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion wieder gestoppt.
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Über Schnittstellen werden der Steuerungseinrichtung 99 u.a. Signale ES von den verschiedensten Sensoren eingangsseitig zugeführt und sie erzeugt daraus Stellsignale bzw. Ausgangssignale AS für die verschiedensten Stellglieder, wie beispielsweise Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70, Wasserpumpe 92, Kraftstoffvorförderpumpe 10, Volumenstromregelventil 45, Druckabbauventil PDV. Solche Steuerungseinrichtungen 99, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten, sind an sich bekannt, sodass im Weiteren nicht näher darauf eingegangen wird.
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In der 2 ist eine erste Ausführungsform eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 im Längsschnitt näher dargestellt. Er ist geeignet zum Zuführen und/oder Speichern sowohl von Kraftstoff als auch von Wasser-Kraftstoff-Emulsionen unterschiedlicher Konzentrationen. Als Kraftstoff ist in diesem Zusammenhang sowohl Ottokraftstoff als auch Dieselkraftstoff zu nennen. Der Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 ist dabei als langgestreckter Hohlkörper, vorzugsweise als rohrförmiger Grundkörper 601 mit einer axialen Bohrung ausgestaltet, die ein Innenvolumen des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 bildet. Der Grundkörper 601 ist vorzugsweis aus Metall gefertigt, insbesondere aus hochfestem Stahl. Am Grundkörpers 601 ist ein, radial von einem Teil der Außenwandung des Grundkörpers 601 abstehender Zulaufanschluss 602 für die von der Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit 30 kommende Hochdruckleitung 55 (1) vorgesehen, so dass über einen, in dem Zulaufanschluss 602 vorgesehenen Zulaufkanal 603 eine Fluidverbindung zu dem Innenvolumen des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 hergestellt ist. Des Weiteren sind am Umfang des Grundkörpers 601 vier Ablaufanschlüsse 604 vorgesehen, die auch als Railausgänge bezeichnet werden und an denen Leitungen angeschlossen sind, die zu den einzelnen Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 (1) führen. In jedem der Ablaufanschlüsse 604 ist ein Ablaufkanal 605 vorgesehen, so dass eine Fluidverbindung von dem Innenvolumen des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 zu den Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 hergestellt ist.
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Vorzugsweise sind die Abstände dieser Ablaufanschlüsse 604 untereinander, bezogen auf die Längsachse des Grundkörpers 601, äquidistant. Wenn die einzelnen Ablaufanschlüsse 604 zueinander relativ weit auseinander liegen und der Bauraum der Verbrennungskraftmaschine 5 es zulässt, können die Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 auch direkt an die Ablaufanschlüsse 604 montiert werden.
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In den 2 und 3 sind vier solcher Ablaufanschlüsse 604 gezeigt, womit dieser Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 also für eine 4-Zylinder-Verbrenungskraftmaschine ausgelegt ist. Es sei aber darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 auch für Verbrennungskraftmaschinen mit beliebiger Zylinderanzahl geeignet ist, wobei dann eine der Zylinderanzahl entsprechende Anzahl von Ablaufanschlüssen 604 vorgesehen sind.
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Das Innenvolumen des Grundkörpers 601 ist derart mit einem, vorzugsweise zylindrischen Füllkörper 606 ausgefüllt, so dass in Bezug auf das gesamte Innenvolumen des Grundkörpers 601 ein stark verkleinerter Speicherraum für den Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion nur einige, in Form von Nuten ausgebildete Kanäle verbleiben. Im Einzelnen sind dies über den Umfang des Füllkörpers 606 eingebrachte Ringnuten 607, welche in Bezug auf die Längserstreckung des Grundkörpers 601 derart angeordnet sind, dass sie mit den Ablaufkanälen 605 der Ablaufanschlüsse 604 fluchten und damit Fluidverbindungen zwischen den Ringnuten 607 und den Ablaufkanälen 605 herstellen.
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Am Umfang des Füllkörpers 606 ist eine weitere Ringnut 608 vorgesehen, welche in Bezug auf die Längserstreckung des Grundkörpers 601 derart eingebracht ist, dass sie mit dem Zulaufkanal 603 des Zulaufanschlusses 602 fluchtet und damit eine Fluidverbindung zwischen dem Zulaufkanal 603 und der Ringnut 608 herstellt. Damit Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion von dem Zulaufkanal 603 in die Ablaufkanäle 605 gelangen kann, ist an der Oberfläche des Füllkörpers 606 mindestens ein weiterer Kanal in Form einer Längsnut 609 vorgesehen, welche die einzelnen Ringnuten 607, 608 miteinander verbindet.
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Der vorgefertigte Füllkörper 606 mit seinen Kanälen wird durch eine offene Stirnseite des Grundkörpers 601 in das Innenvolumen des Grundkörpers 601 eingeschoben und anschließend der Grundkörper 601 an dieser Stirnseite mittels eines Verschlussteils 610 druckdicht verschlossen, beispielsweise verschweißt.
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Als Materialen für den Füllkörper 606 kommen Festkörper in Frage, deren Kompressionsmodul ähnlich dem Kompressionsmodul des Kraftstoffes ist, nämlich ca. 10000 bar. Besonders geeignet sind PTFE-Kunststoffe (Polytetrafluorethylen), welche einen Elastizitätsmodul E = von ca. 5000 bar haben, was gemäß der Gleichung K = E/3(1-2*µ) einem Kompressionsmodul von ca. 8333 bar entspricht (errechnet mit einer für Kunststoff üblichen Poissonzahl µ von ca. 0,4).
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Der Füllkörper 606 kann beispielsweise 20% des Innenvolumens bis hin 99% des Innenvolumens, wie in 2 gezeigt, füllen. Dabei können die kraftstoffführenden oder die emulsionsführenden Ringnuten 607, 608 und die mindestens eine Längsnut 609 in gleicher Größenordnung wie der Zulaufkanal 603 und die Ablaufkanäle 605 sein, beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von ca. 1mm bis 9 mm aufweisen. Die genannten Nuten stellen einerseits bei geschlossenen Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 den Kraftstoff- bzw. den Emulsionsspeicherraum dar und ermöglichen anderseits bei geöffneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 70 den Fluidfluss von dem Zulaufanschluss 602 zu den Ablaufanschlüssen 604 des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 sicher.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers gemäß der Erfindung dargestellt. Das Innenvolumen des Grundkörpers 601 ist ebenfalls mit einem Füllkörper 606 ausgekleidet. Er unterscheidet sich aber von der Anordnung nach der 2 dadurch, dass nicht Nuten 607, 608, 609 im Füllkörper 606 die Speicherung und Führung des Kraftstoffes bzw. der Wasser-Kraftsoff-Emulsion übernehmen, sondern in dem Füllkörper 606 ist eine sich in axialer Richtung erstreckende Rohrleitung 611 (rail) eingebettet, welche einerseits mittels einer Abzweigleitung 613 mit dem Zulaufkanal 603 des Zulaufanschlusses 602 und mittels Abzweigleitungen 612 mit den Ablaufkanälen 605 der Ablaufanschlüsse 604 kommunizieren.
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Der Füllkörper 606 kann dabei nach Einbringung der Rohrleitung 611 und der Abzweigleitungen 612,613 in das Innenvolumen des Grundkörpers 601 insbesondere durch Umspritzen der genannten Leitungen eingebracht werden. Dabei können die Hohlvolumina, gebildet aus der Rohrleitung 611 und den Abzweigleitungen 612, 613 ca. 70% bis 99% des Innenvolumens des Grundkörpers 601 betragen.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Verbrennungskraftmaschine
- 10
- Kraftstoffvorförderpumpe, Niederdruckpumpe
- 15
- Kraftstoffvorratsbehälter
- 20
- Niederdruckzuleitung
- 25
- Kraftstofffilter
- 30
- Kraftstoff-Hochdruckpumpeneinheit
- 35
- Kraftstoff-Hochdruckpumpe
- 40
- Kraftstoffdämpfer
- 45
- Volumenstromregelventil, digitales Einlassventil
- 50
- Auslassventil
- 51
- Zylinder
- 55
- Hochdruckleitung
- 60
- Kraftstoff-Hochdruckspeicher (common rail)
- 601
- Grundkörper
- 602
- Zulaufanschluss
- 603
- Zulaufkanal
- 604
- Ablaufanschluss
- 605
- Ablaufkanal
- 606
- Füllkörper
- 607
- Ringnut
- 608
- Ringnut
- 609
- Längsnut
- 610
- Verschlussteil
- 611
- Rohrleitung
- 612
- Abzweigleitung
- 613
- Abzweigleitung
- 65
- Drucksensor
- 70
- Hochdruck-Kraftstoffinjektor
- 80
- Rückführleitung
- 90
- Wasservorratsbehälter
- 91
- Wasserleitung
- 92
- Wasserpumpe
- 93
- Einfüllstutzen
- 94
- Zufuhranschluss
- 95
- Qualitätssensor Wasser
- 96
- Füllstandsensor
- 97
- Temperatursensor
- 98
- Heizeinrichtung
- 99
- Steuerungseinrichtung
- PDV
- Druckabbauventil (pressure decay valve)
- ES
- Eingangssignale
- AS
- Ausgangssignale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014204509 A1 [0007]
- DE 102011015628 A1 [0008]
- DE 102015216727 A1 [0009]
- DE 102015214050 A1 [0010]
