DE102018219189B3

DE102018219189B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mit Kraftstoff und mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion arbeitenden Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102018219189B3
Application number: DE102018219189.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Wirkowski; Thomas Kraft
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-11-10

Abstract

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer, wahlweise mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbaren Verbrennungskraftmaschine mit einem Kraftstofftank (10) zum Bevorraten von Kraftstoff, einem Wassertank (25) zum Bevorraten von Wasser, einer Mischeinrichtung (20) welcher der Kraftstoff und das Wasser zugeführt wird zur Bildung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) mit einem Speicherraum (614) zum Speichern des Kraftstoffes und der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, einer Hochdruckkraftstoffpumpe (40), welche die Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) fördert, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betrieben werden soll. Erfindungsgemäß weist der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) eine Schallerzeugungseinrichtung (80) auf, welche Schallwellen in den Speicherraum (614) für die Wasser-Kraftstoff-Emulsion des Kraftstoff-Hochdruckspeichers (60) einbringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer mit Kraftstoff und mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion arbeitenden Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kraftstoff und die Wasser-Kraftstoff-Emulsion direkt in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden
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.
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.
Ein großer Vorteil gegenüber einer Niederduck- 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.
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.
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 dem Verbrennungsprozess zugeführt werden kann.
Neben der Möglichkeit, das Wasser mittels eines Wasserinjektors in das Luftansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine, bevorzugt unmittelbar vor dem Einlassventil einzubringen, ist aus der DE 10 2011 015 628 A1 ein Betriebsverfahren für eine mit Kraftstoffdirekteinspritzung arbeitende Otto-Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Wasser direkt in die Brennräume eingespritzt wird.
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.
Bei den Hochdruckeinspritzsystemen befindet sich somit im Hochdruckbereich, insbesondere im Kraftstoff-Hochdruckspeicher auch Wasser. Dieses Wasser bildet aber nur für eine endliche Zeit (ca. 20 Sekunden bis wenige Minuten) eine Emulsion mit dem Kraftstoff, und entmischt sich nach dieser Zeit wieder. Wird nun die Einspritzung während einer Emulsionseinspritzphase abgeschaltet, was normalerweise immer im Schubbetrieb oder bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb bei Komplettabschaltung des Verbrennungsmotors erfolgt, so befinden sich zwei getrennte Phasen, nämlich Wasser und Kraftstoff im Kraftstoff-Hochdruckspeicher. Der Kraftstoff schwimmt auf dem Wasser.
Unter dem Begriff „Emulsionseinspritzphase“ ist in diesem Zusammenhang ein Zeitraum zu verstehen, in dem anstelle reinem Kraftstoff eine Emulsion aus Wasser und Kraftstoff eingespritzt wird.
Wird die Einspritzung wieder eingeschaltet, so wird anstelle einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion zuerst nur Wasser und kein Kraftstoff eingespritzt und somit kann keine Verbrennung stattfinden und der Verbrennungsmotor erzeugt kein Drehmoment.
Nicht nur bei der kompletten Abschaltung der Einspritzung besteht dieses Problem, sondern auch dann, wenn von der Emulsionseinspritzphase bei hoher Last des Verbrennungsmotors auf eine geringere Last umgeschaltet wird. So wird zum Beispiel beim Wechsel von Volllast (bei schneller Fahrt auf der Autobahn oder Bergauffahrt) in den Leerlauf über eine kurze Schubbetriebsphase mit geringer Einspritzmenge, nicht die gesamte Füllung an Wasser-Kraftstoff-Emulsion aus dem Kraftstoff- Hochdruckspeicher entnommen. Der im Kraftstoff- Hochdruckspeicher verbleibende Teil der Wasser- Kraftstoff-Emulsion hat genügend Zeit sich zumindest teilweise zu entmischen. Sporadische, einzelne oder kurzzeitig vollständig pure Wassereinspritzungen sind die Folge, welche die Laufruhe des Verbrennungsmotors erheblich stört.
Durch die Entmischung in Kraftstoff und Wasser besteht darüber hinaus die Gefahr, dass es bei abgestelltem Verbrennungsmotor und damit nicht aktiviertem Einspritzsystem bei entsprechend niedriger Umgebungstemperatur unterhalb 0°C zur Eisbildung des im Hochdruckbereich verbliebenen Wassers kommen kann. Durch die Ausdehnung beim Phasenübergang kann es zu Beschädigungen bzw. zu Zerstörungen von Komponenten im Hochdruckbereich kommen oder bei einem Wiederstart des Verbrennungsmotors treten Verstopfungen des Hochdruck-Einspritzsystems auf.
Um dies zu vermeiden, wird versucht, die Wasser-Kraftstoff- Emulsion so schnell wie möglich durch den Kraftstoff- Hochdruckspeicher zu befördern, um die Verweildauer der Wasser-Kraftstoff- Emulsion in dem Kraftstoff- Hochdruckspeicher möglichst kurz zu halten. Ist die Verweildauer jedoch länger als die Stabilitätszeit der Wasser-Kraftstoff- Emulsion, kommt es zu einer Entmischung der beiden Komponenten.
In der DE 10 2011 076 670 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff beschrieben, das ein Niederdrucksystem mit einem Tank und einer Niederdruckpumpe, sowie einer Wasserbevorratungseinrichtung und eine Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff aufweist. Dabei wird im Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff bereitgestellt, mit dem eine stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine Ultraschalleinrichtung ist, und dass die Ultraschalleinrichtung mit einer in das Kraftstoffeinspritzsystem integrierten Mischkammer zusammenwirkt. Die in diesem System vorhandene Kraftstoffpumpe fördert lediglich Kraftstoff zu dem Hochdruckspeicher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer mit Kraftstoff und mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion arbeitenden Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das bzw. die einen effektiven und sicheren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer, wahlweise mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbaren Verbrennungskraftmaschine mit einem Kraftstofftank zum Bevorraten von Kraftstoff, einem Wassertank zum Bevorraten von Wasser, einer Mischeinrichtung welcher der Kraftstoff und das Wasser zugeführt wird zur Bildung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher mit einem Speicherraum zum Speichern des Kraftstoffes und der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, einer Hochdruckkraftstoffpumpe welche die Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher fördert, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betrieben werden soll. Erfindungsgemäß weist der Kraftstoff-Hochdruckspeicher eine Schallerzeugungseinrichtung auf, welche Schallwellen in den Speicherraum für die Wasser-Kraftstoff-Emulsion des Kraftstoff-Hochdruckspeichers einbringt.
Durch das Einbringen von Schallwellen hoher Frequenz, insbesondere das Einkoppeln von Ultraschallwellen kann das Entmischen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion wirksam verhindert werden, ohne dass dabei das Durchflussverhalten der Wasser-Kraftstoff-Emulsion beeinträchtigt wird. Da keine Entmischung stattfindet, kann weder irrtümlich Wasser pur eingespritzt werden, noch können Wasserreste zur Eisbildung führen, was zu Verstopfung der Railausgänge an dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher oder an den daran angeschlossenen Injektoren führen kann. Durch die Stabilisierung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion mittels der Schallwellen bleibt diese auch bei tiefen Temperaturen flüssig.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoff-Hochdruckspeicher als rohrförmiger Grundkörper mit einer axialen Bohrung ausgestaltet, welche einen Speicherraum zur Speicherung von Kraftstoff oder einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion bildet und mit einem, einen Zulaufkanal aufweisenden Zulaufanschluss für den Kraftstoff oder der Wasser-Kraftstoff-Emulsion versehen, mit entsprechend der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Ablaufkanäle aufweisende Ablaufanschlüsse versehen, welche in Fluidverbindung mit den einzelnen Zylindern zugeordneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren stehen, und die Schallerzeugungseinrichtung an einer Stirnseite des rohrförmigen Grundkörpers (601) angeordnet.
Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Anordnung der Schallerzeugungseinrichtung an dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher und eine sehr effektiv Einbringung der Schallwellen in den Speicherraum für die Wasser-Kraftstoff-Emulsion.
Eine besonders gute Stabilisierung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion ergibt sich, wenn ein Teil des Speicherraumes mit einem Füllkörper gefüllt ist, so dass sich insgesamt ein kleinerer Speicherraum für die Wasser-Kraftstoff-Emulsion gebildet ist, so dass zur Aufrechterhaltung einer stabilen Wasser-Kraftstoff-Emulsion aufgrund der kleineren Menge weniger Energie für die Schallerzeugungseinrichtung aufgewendet werden muss.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und sich daraus ergebende Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Kraftstoffzufuhrsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers eines solchen Kraftstoffzufuhrsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
3 eine vereinfachte Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers eines solchen Kraftstoffzufuhrsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftstoffzufuhrsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, welche wahlweise mit Direkteinspritzung von Kraftstoff oder Direkteinspritzung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betrieben werden kann, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung nötigen Komponenten dargestellt sind. Insbesondere sind Filter, Einlass- und Auslassventile, diverse Druckregelventile, Drucksensoren und Rückführleitungen des Kraftstoffkreislaufes weggelassen.
Der in einem Kraftstofftank 10 bevorratete Kraftstoff, in der Regel ein Ottokraftstoff (Benzin) oder ein Dieselkraftstoff, wird mittels einer elektrisch angetriebenen Niederdruckkraftstoffpumpe 15 zu einer Mischeinrichtung 20 gefördert. Diese Niederdruckkraftstoffpumpe 15 kann auch innerhalb des Kraftstofftanks 10 angeordnet sein. Des Weiteren ist ein Wasservorratsbehälter 25 vorgesehen, aus dem mittels einer elektrisch angetriebenen Wasserpumpe 30 Wasser der Mischeinrichtung 20 zugeführt wird. Die Mischeinrichtung 20 dient zur Bildung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion und kann nach einem beliebigen, bekannten Prinzip arbeiten. Soll die Verbrennungskraftmaschine ausschließlich mit Kraftstoff betrieben werden, so kann der Wasserzufluss vom Wasservorratsbehälter 25 zur Mischeinrichtung 20 mittels eines elektrisch schaltbaren Absperrventils 35 oder bei Einsatz einer leckagefreien Wasserpumpe 30 einfach durch Abschalten der Wasserpumpe 30 unterbrochen werden.
Wasser im Wasservorratsbehälter 25 kann entweder vom Fahrer des Kraftfahrzeuges mittels eines Einfüllstutzens 26 manuell nachgefüllt werden, oder das Wasser kann onboard gewonnen werden. Als Wasserquellen kommen dabei insbesondere das Kondenswasser der Klimaanlage, aufbereitetes 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 25 einen Zuführanschluss 27 auf.
In oder an dem Wasservorratsbehälter 25 können neben einem Sensor für die Qualität des Wassers, der auch eine Fehlbetankung erkennen kann, ein Füllstandsensor und ein Temperatursensor vorgesehen sein, dessen Signal eine in oder an dem Wasservorratsbehälter 25 angeordnete elektrische Heizeinrichtung 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.
Der Kraftstoff oder die in der Mischeinrichtung 20 hergestellte Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird mittels einer, vorzugsweise mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Hochdruckkraftstoffpumpe 40 über eine Hochdruckleitung 45 zu einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (common rail) 60 befördert. Dieser dient zum Speichern und Abgeben sowohl von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff als auch von unter Hochdruck stehenden Wasser-Kraftstoff-Emulsionen unterschiedlicher Konzentrationen.
Alternativ zu der separaten Mischeinrichtung 20 im Niederdruckkreis kann die Wasser-Kraftstoff-Emulsion auch in der Hochdruckkraftstoffpumpe 40 erzeugt werden. Für die Erfindung sind 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 vorliegen muss.
Der Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 ist in der 1 in Längsschnitt 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 einem Hohlraum ausgestaltet, der ein Innenvolumen begrenzt und damit einen Speicherraum 614 des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 bildet und der im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff oder mit der Wasser-Kraftstoff-Emulsion ausgefüllt ist. Der Grundkörper 601 ist vorzugsweis aus Metall gefertigt, insbesondere aus hochfestem Stahl. Am Grundkörper 601 ist ein, radial von einem Teil der Außenwandung des Grundkörpers 601 abstehender Zulaufanschluss 602 für die von der Hochdruckkraftstoffpumpe 40 kommende Hochdruckleitung 45 vorgesehen, so dass über einen, in dem Zulaufanschluss 602 vorgesehenen Zulaufkanal 603 eine Fluidverbindung zu dem Speicherraum 614 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 nicht dargestellte Leitungen angeschlossen sind, die zu den einzelnen Hochdruck-Kraftstoffinjektoren führen. In jedem der Ablaufanschlüsse 604 ist ein Ablaufkanal 605 vorgesehen, so dass eine Fluidverbindung von dem Speicherraum 614 des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 zu den Hochdruck-Kraftstoffinjektoren hergestellt ist.
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 es zulässt, können die Hochdruck-Kraftstoffinjektoren auch direkt an die Ablaufanschlüsse 604 montiert werden.
In der 1 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 Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 auch für Verbrennungskraftmaschinen mit beliebiger Zylinderanzahl geeignet ist, wobei dann eine der Zylinderanzahl entsprechende Anzahl von Ablaufanschlüssen 604 vorgesehen sind.
Um einer Entmischung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion bei längeren Verweilzeiten der Wasser-Kraftstoff-Emulsion im Hochdruckspeicher 60 entgegenzuwirken, ist an dem Hochdruckspeicher 60 erfindungsgemäß eine Schallerzeugungseinrichtung 80, vorzugsweise eine Ultraschallerzeugungseinrichtung vorgesehen. Zur Erzeugung von Ultraschall, also Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb des Hörbereiches des Menschen, d.h. ab etwa 20 KHz bis 1 GHz eignen sich insbesondere Wandler nach dem umgekehrten Piezoeffekt, beispielsweise ein Piezolautsprecher, d.h. membrangekoppelte Platten aus piezokeramischen Material, welche zu Schwingungen angeregt werden. Die Schwingungen werden entweder direkt oder wie in der 1 gezeigt, mittels eines Koppelelementes 85 in den mit der Wasser-Kraftstoff-Emulsion gefüllten Speicherraum 614 des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 eingespeist. Durch die hochfrequenten Druckwellen hoher Intensität wird die in dem Druckspeicher 60 vorhandene Wasser-Kraftstoff-Emulsion stabil gehalten und es kommt zu keiner Entmischung der beiden Komponenten, auch nicht bei längerer Verweilzeit der Wasser-Kraftstoff-Emulsion im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60.
Zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine ist eine elektronische Steuerungseinrichtung 50 vorgesehen, welche u.a. auch die Umschaltung von Kraftstoffeinspritzung auf die Einspritzung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, die Ansteuerung der Niederkraftstoffdruckpumpe 15, der Wasserpumpe 30, des Absperrventils 35, sowie der Schallerzeugungseinrichtung 80 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 Schließen des Absperrventils 35 oder Abschalten der Wasserpumpe 30 mittels Signalen der Steuerungseinrichtung 50 wird die Erzeugung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion gestoppt.
Über Schnittstellen werden der Steuerungseinrichtung 50 u.a. Signale ES von den verschiedensten Sensoren eingangsseitig zugeführt und sie erzeugt daraus Stellsignale bzw. Ausgangssignale AS für die verschiedensten Stellglieder, wie beispielsweise für die Hochdruck-Kraftstoffinjektoren. Solche Steuerungseinrichtungen 50, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten, sind an sich bekannt, sodass im Weiteren nicht näher darauf eingegangen wird.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 gezeigt, welcher sich von der anhand der 1 beschriebenen Ausgestaltung dadurch unterscheidet, dass der Speicherraum 614 des Grundkörpers 601 derart mit einem, vorzugsweise zylindrischen Füllkörper 606 ausgefüllt ist, so dass in Bezug auf den gesamten Speicherraum 614 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.
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.
Der vorgefertigte Füllkörper 606 mit seinen Kanälen wird durch eine offene Stirnseite des Grundkörpers 601 in den Speicherraum 614 (Hohlraum) des Grundkörpers 601 eingeschoben und anschließend der Grundkörper 601 an dieser Stirnseite mittels eines Verschlussteils 610 druckdicht verschlossen, beispielsweise verschweißt.
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).
Der Füllkörper 606 kann beispielsweise 20% des Speicherraums 614 bis hin zu 99% des Speicherraums 614 ausfüllen. 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 den Kraftstoff- bzw. den Emulsionsspeicherraum dar und ermöglichen anderseits bei geöffneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren den Fluidfluss von dem Zulaufanschluss 602 zu den Ablaufanschlüssen 604 des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 sicher.
Die Schalleinbringung in den fluidführenden Speicherraum 614, der in diesem Fall aus den Ringnuten 607 und der Längsnut 609 gebildet ist, erfolgt mit einem Koppelelement 85, das einerseits mit der Schallerzeugungseinrichtung 80 und anderseits mit der Längsnut 609 in Verbindung steht. Da die Längsnut 609 wie eingangs beschrieben, wiederum mit den einzelnen Ringnuten 607 in Verbindung steht, können die Schallwellen die gesamte, im Speicherraum 614 befindliche Wasser-Kraftstoff-Emulsion erreichen.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Hochdruckspeichers 60 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 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.
Der Speicherraum 614 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 614 für den Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion vorliegt. Als Materialen für den Füllkörper 606 kommen Festkörper in Frage, deren Kompressionsmodul ähnlich dem Kompressionsmodul des Kraftstoffes ist, beispielsweise PTFE-Kunststoffe (Polytetrafluorethylen).
Die genannten Leitungen 611, 612, 613 stellen einerseits bei geschlossenen Hochdruck-Kraftstoffinjektoren den Kraftstoff- bzw. den Emulsionsspeicherraum dar und ermöglichen anderseits bei geöffneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren den Fluidfluss von dem Zulaufanschluss 602 zu den Ablaufanschlüssen 604 des Hochdruckspeichers 60.
Der Füllkörper 606 kann nach Einschieben der vorgefertigten Rohrleitung 611 inklusive deren Abzweigleitungen 612,613 über eine offene Stirnseite des Grundkörpers 601 in den Speicherraum 614 des Grundkörpers 601 insbesondere durch Umspritzen der genannten Leitungen 611, 612, 613 eingebracht werden. Anschließend wird der Grundkörper 601 an dieser Stirnseite mittels eines Verschlussteils 610 druckdicht verschlossen, beispielsweise verschweißt.
Die Hohlvolumina zur Speicherung des Kraftstoffes- bzw. der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, gebildet aus der Rohrleitung 611 und den Abzweigleitungen 612, 613 können dabei ca. 70% bis 99% des Innenvolumens des Grundkörpers 601 betragen.
Um auch bei einem solchen Hochdruck-Kraftstoffspeicher 60 einer Entmischung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion bei längeren Verweilzeiten der Wasser-Kraftstoff-Emulsion im Hochdruckspeicher 60 entgegenzuwirken, werden die Schwingungen mittels eines Koppelelementes 85 in die fluidführende Rohrleitung 611 eingespeist, von der aus sie sich auch in die Abzweigleitungen 612 und 613 fortpflanzen. Durch die hochfrequenten Druckwellen hoher Intensität wird die in dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 vorhandene Wasser-Kraftstoff-Emulsion stabil gehalten und es kommt zu keiner Entmischung der beiden Komponenten, auch bei längerer Verweilzeit der Emulsion im Hochdruckspeicher.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Schalleinbringung in den Speicherraum, bzw. in die fluidführenden Nuten und Leitungen innerhalb des Kraftstoff-Hochdruckspeicher 60 mittels der Schallerzeugungseinrichtung 80 kontinuierlich während der Emulsionseinspritzphase der Verbrennungskraftmaschine 5 erfolgen kann oder nur in einem kritischen Zeitraum, in dem eine Entmischung der Emulsion als wahrscheinlich erscheint. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Verbrennungskraftmaschine unmittelbar nach dem Betrieb mit der Emulsion abgestellt wird, oder während einer Betriebsphase eines Hybridfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine als Antriebsquelle.
Die Schalleinbringung kann aber auch in einer Stillstandphase bei komplett heruntergefahrenen System, beispielsweise über Nacht erfolgen. Dafür kann ein Teil der Steuerungseinrichtung 50, welche in der Regel in ein Motorsteuergerät integriert ist, aktiv bleiben und die Schallerzeugungseinrichtung 80 mit Energie versorgen, so dass einer Entmischung der Emulsion entgegengewirkt wird. Ist ein eigenes Versorgungsgerät für die Schallerzeugungseinrichtung 80 vorgesehen, kann dieses über Nacht aktiv geschaltet werden.
Eine Schalleinbringung zur erneuten Emulsionierung kann stattfinden, um die bereits getrennten Komponenten wieder in die Emulsion einzubinden.
Beispielsweise kann vor Fahrtantritt am Morgen nach einer längeren Stillstandphase der Verbrennungskraftmaschine 5 und damit abgeschalteter Einspritzung, initiert durch das Öffnen der Fahrertür die Schallerzeugungseinrichtung 80 aktiviert werden, so dass beim Start der Verbrennungskraftmaschine die Entmischung schon wieder aufgehoben ist.
Bezugszeichenliste

10: Kraftstofftank
15: Niederdruckkraftstoffpumpe
20: Mischeinrichtung zur Emulsionsbildung
25: Wasservorratsbehälter
26: Einfüllstutzen
27: Zuführanschluss
30: Wasserpumpe
35: Absperrventil
40: Hochdruckkraftstoffpumpe
45: Hochdruckleitung
50: elektronische Steuerungseinrichtung
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
614: Speicherraum, Hohlraum
80: Schallerzeugungseinrichtung
85: Koppelelement
ES: Eingangssignale
AS: Ausgangssignale

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer, wahlweise mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbaren Verbrennungskraftmaschine mit - einem Kraftstofftank (10) zum Bevorraten von Kraftstoff, - einem Wassertank (25) zum Bevorraten von Wasser, - einer Mischeinrichtung (20) welcher der Kraftstoff und das Wasser zugeführt wird zur Bildung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, - einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) mit einem Speicherraum (614) zum Speichern des Kraftstoffes und der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, - einer Hochdruckkraftstoffpumpe (40), welche die Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) fördert, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betrieben werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) eine Schallerzeugungseinrichtung (80) aufweist, welche Schallwellen in den Speicherraum (614) für die Wasser-Kraftstoff-Emulsion des Kraftstoff-Hochdruckspeichers (60) einbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) - als rohrförmiger Grundkörper (601) mit einer axialen Bohrung ausgestaltet ist, welche einen Speicherraum (614) zur Speicherung von Kraftstoff oder einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion bildet, - mit einem, einen Zulaufkanal (603) aufweisenden Zulaufanschluss (602) für den Kraftstoff oder der Wasser-Kraftstoff-Emulsion versehen ist, - mit entsprechend der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen, Ablaufkanäle (605) aufweisende Ablaufanschlüsse (604) versehen ist, welche in Fluidverbindung mit den einzelnen Zylindern zugeordneten Hochdruck-Kraftstoffinjektoren (70) stehen, - die Schallerzeugungseinrichtung (80) an einer Stirnseite des rohrförmigen Grundkörpers (601) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Speicherraum (614) derart mit einem Füllkörper (606) ausgefüllt ist, so dass in Bezug auf das gesamte Speichervolumen (614) ein verkleinerter Speicherraum (614) für den Kraftstoff oder die Wasser-Kraftstoff-Emulsion gebildet ist, - als Füllkörper (606) ein Festkörper verwendet wird, dessen Kompressionsmodul annähernd dem Kompressionsmodul des verwendeten Kraftstoffes entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, dass das verkleinerte Speichervolumen (614) als Kanäle in Form von Nuten (607, 608, 609) im Füllkörper (606) ausgebildet ist und die Nuten (607, 608, 609) in Fließverbindung miteinander stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, - am Umfang des Füllkörpers (606) eine Ringnut (608) vorgesehen ist, welche bezüglich der Längserstreckung des Grundkörpers (601) an einer Stelle eingebracht ist, dass sie mit dem Zulaufkanal (603) fluchtet und damit eine Fließverbindung zwischen dem Zulaufkanal (603) und der Ringnut (608) herstellt, - am Umfang des Füllkörpers (606) weitere Ringnuten (607) vorgesehen sind, welche bezüglich der Längserstreckung des Grundkörpers (601) an Stellen eingebracht sind, dass sie mit den Ablaufkanälen (605) fluchten und damit eine Fließverbindung zwischen den Ringnuten (607) und den Ablaufkanälen (605) herstellen, - an der Oberfläche des Füllkörpers (606) in axialer Richtung mindestens eine Längsnut (609) vorgesehen ist, welche die einzelnen Ringnuten (607, 608) miteinander verbindet und damit eine Fließverbindung zwischen dem Zulaufkanal (603) und den Ablaufkanälen (605) herstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Ringnuten (607, 608) und der Längsnut (609) identisch den Querschnitten des Zulaufkanals (603) und der Ablaufkanäle (605) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verkleinerte Speichervolumen mittels einer in den Füllkörper (606) eingebetteten, sich in axialer Richtung des Grundkörpers (601) erstreckenden Rohrleitung (611) gebildet ist, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (606) 20% bis 99% des Speicherraumes (614) einnimmt und ein PTFE- Kunststoff ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen Ultraschallwellen sind.
Verfahren zum Betreiben einer, wahlweise mit Kraftstoff oder mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betreibbaren Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine aufweist: - einen Kraftstofftank (10) zum Bevorraten von Kraftstoff, - einen Wassertank (25) zum Bevorraten von Wasser, - eine Mischeinrichtung (20) welcher der Kraftstoff und das Wasser zugeführt wird zur Bildung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, - einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) mit einem Speicherraum (614) zum Speichern des Kraftstoffes und der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, - eine Hochdruckkraftstoffpumpe (40), welche die Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (60) fördert, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion betrieben werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung oder zur erneuten Emulsionierung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion in dem Speicherraum (614) des Kraftstoff-Hochdruckspeichers (60) Schallwellen mittels einer Schallerzeugungseinrichtung (80) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen der Schallerzeugungseinrichtung (80) mittels eines Koppelelementes (85) in den Speicherraum (614) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Schallwellen kontinuierlich während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine mit der Wasser-Kraftstoff-Emulsion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Schallwellen in einem kritischen Zeitraum einer möglichen Entmischung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Schallwellen während einer Stillstandsphase der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.