WO2020126251A1 - Verfahren und vorrichtung zur absenkung der abgastemperatur eines verbrennungsmotors, verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur absenkung der abgastemperatur eines verbrennungsmotors, verbrennungsmotor Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for lowering the exhaust gas temperature of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for lowering the exhaust gas temperature of an internal combustion engine according to the preamble of claim 6. The device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention . In addition, an internal combustion engine with a device according to the invention is proposed.
  • the mode of action of water injection is primarily based on the effect of cooling the cylinder charge of the internal combustion engine by utilizing the high enthalpy of evaporation of water.
  • the process temperature is reduced, on the other hand, the tendency to knock is reduced, which results in a shift in the The center of gravity enables early firing. Both lead to a reduction in the exhaust gas temperature.
  • the water has to evaporate and extract the energy required for this from the cylinder charge. Furthermore, the effect can be increased by increasing the amount of water injected. However, there are limits to the increase in the injection quantity, the excess of which can lead to problems in the design of the water injection system.
  • the invention has for its object to ben a method and a device with the help of which the exhaust gas temperature can be further reduced, in particular when an allowable maximum of the water rate at Wasserein injection into an intake tract or a combustion chamber of an internal combustion engine is already ready is reached.
  • water or a fuel-water emulsion is introduced into a combustion chamber of the combustion engine with the aid of at least one injector of a water injection system, directly or indirectly via an intake tract of the internal combustion engine.
  • the at least one injector can accordingly be arranged directly on the combustion chamber or on an intake manifold of the intake tract of the internal combustion engine.
  • a maximum water rate for the water injection or the fuel-water emulsion injection is determined, and when the previously determined maximum water rate is reached, at least one further injector arranged on a gas tract of the internal combustion engine is switched on, with the aid of which water is injected directly into the exhaust tract .
  • the exhaust gas temperature in the exhaust tract can also be reduced by injecting water exclusively into the exhaust tract of the internal combustion engine.
  • this approach is inferior to the water injection into the intake tract or into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the proposed combined injection into the intake tract or into the combustion chamber and into the exhaust tract of the internal combustion engine takes advantage of both systems. According to the proposed method, the combined injection always comes into play when the water injection in the intake tract or in the combustion chamber has reached its limit. That is, whenever a further increase in the water rate would lead to more disadvantages than advantages.
  • the disadvantages can be, in particular, too high a blow-by and / or a negative influence on the combustion stability. Furthermore, the water injection has reached its limits when a further shift in the center of gravity towards the beginning is no longer possible and a further water injection in front of or into the combustion chamber no longer leads to a reduction in the gas temperature.
  • the maximum water rate is determined in accordance with the proposed method. This ensures that the positive effects of the water injection in the intake tract or in the combustion chamber of the internal combustion engine are first exhausted and the water injection in the exhaust tract is only switched on when it is no longer possible to increase the positive effects.
  • the at least one further injector arranged on the exhaust tract is used to reduce the response time of the water injection system arranged on the suction or combustion chamber side when switching on and off.
  • a system that is used to inject a fuel-water emulsion into the combustion chamber of an internal combustion engine has, due to the principle, a longer response time than a system arranged on the suction side for injecting water. During this dead time when switching on and off, the cooling can then be achieved by injecting water into the exhaust system.
  • water is preferably injected directly into an exhaust manifold of the exhaust tract, preferably upstream of a catalytic converter and / or a particle filter.
  • the injection is preferably upstream of a turbine of the turbocharger.
  • the at least one further injector arranged on the exhaust tract is advantageously switched on and off with the aid of a control unit, preferably an engine control unit.
  • the control device the maximum water rate can be determined in advance, so that the time can then be determined when the at least one further injector is switched on or off.
  • the use of the engine control unit has the advantage that this parameter, which is required for the determination of the maximum water rate, is usually already available.
  • the injectors arranged on the intake tract or combustion chamber and the injectors arranged on the exhaust tract can preferably be controlled independently of one another with the aid of the control device. With low cooling requirements, only the injectors arranged on the suction or combustion chamber side can be controlled. Furthermore, only the injectors arranged on the exhaust tract can be controlled, for example to bridge a long on and / or off time of the injectors arranged on the combustion chamber side in the case of emulsion injection.
  • all injectors which are used to inject water or a fuel-water emulsion are supplied with water from a water tank via a common pump.
  • the number of system components required can be kept low, which also reduces costs.
  • the space requirement and the weight of the system can be reduced.
  • all injectors which are suitable for injecting water are preferably operated at the same system pressure. This measure also helps to simplify the process and the system required to carry out the process.
  • the system pressure can vary, since the fuel-water emulsion is generally subjected to high pressure.
  • the water is fed to a high-pressure pump, which is supplied with fuel via a further connection, so that the fuel-water emulsion is generated in the high-pressure pump.
  • the water pressure in the inlet area of the high-pressure pump can in turn be equal to the water pressure in the injector on the exhaust side.
  • the at least one injector arranged on the gas tract is cooled.
  • the cooling increases the robustness and thus the service life of the injector.
  • the cooling can be designed analogously to the cooling in SCR metering systems, the injection valves of which are also arranged on the exhaust tract and are therefore exposed to the high exhaust gas temperatures.
  • the injector housing can be double-walled at least in some areas and / or have cooling channels through which a cooling medium flows.
  • the proposed to solve the aforementioned problem device for lowering the exhaust gas temperature of an internal combustion engine comprises a water injection system with a water tank, a pump and at least one injector.
  • the water injection system has at least one further injector arranged on an exhaust tract of the internal combustion engine for injecting water into the exhaust tract.
  • the proposed water injection system is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention, so that the same advantages described above in connection with the method can be achieved.
  • the tendency to knock can be reduced by means of the injection or combustion chamber-side injection, and an earlier ignition can be implemented with earlier centers of gravity that are more efficient, which further reduces the exhaust gas temperature.
  • the injection or combustion chamber side injection thus has the larger lever in relation to the desired reduction in the exhaust gas temperature.
  • At least one further injector arranged on the exhaust tract can be switched on in order to additionally inject water directly into the exhaust tract.
  • the injection into the exhaust tract is not limited in quantity since it does not affect the combustion, so that as much water can be injected into the exhaust tract as is necessary in order to maintain the permissible maximum exhaust gas temperature.
  • the at least one further injector is preferably arranged on an exhaust manifold of the exhaust tract. Furthermore, the arrangement is preferably carried out upstream of a catalyst and / or a particle filter. If it is a combustion engine with turbocharging, the further injector is preferably arranged upstream of a turbine of a turbocharger. The desired cooling of the Exhaust gas is therefore reached as soon as the exhaust gas enters the exhaust tract of the internal combustion engine.
  • all injectors that are used to inject water or a fuel-water emulsion can be controlled via a control unit.
  • the various injectors can preferably be controlled independently of one another with the aid of the control device, so that the at least one injector arranged on the exhaust tract can be switched on or off as required. Furthermore, if the cooling requirements are low, only the injectors arranged on the suction or combustion chamber side can be controlled.
  • the at least one injector arranged on the exhaust tract is exposed to high temperatures, it is proposed in a development of the invention that it has cooling.
  • the cooling increases the robustness and thus the service life of the injector.
  • the cooling can be designed analogously to the cooling of an injection valve of an SCR metering system.
  • the housing of the injector for receiving a cooling medium can be double-walled and / or can be equipped with cooling channels.
  • an internal combustion engine with a device according to the invention for lowering the exhaust gas temperature and a control unit, in particular engine control unit, for controlling the injectors.
  • the injectors arranged on the suction or combustion chamber side can be controlled independently of the at least one further injector arranged on the exhaust tract.
  • the connection of the at least one further injector takes place in accordance with the control unit. This is preferably set up to carry out the inventive method described at the outset.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention, by means of which water can be injected into an intake tract of an internal combustion engine, and
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention, by means of which a fuel-water emulsion can be injected into a combustion chamber of a combustion engine.
  • the device for lowering the exhaust gas temperature of an internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 comprises a water injection system 3 with at least one injector 2 arranged in the area of an intake tract 4 of the internal combustion engine 1.
  • water can be injected into an intake pipe 19 of the intake tract 4 .
  • the injector 2 is arranged downstream of a throttle valve 20 accommodated in the intake manifold 19.
  • a combustion chamber 5 of the internal combustion engine 1 is supplied with the air required for the combustion of fuel. With the air sucked in via the suction pipe 19, the water injected into the suction pipe 19 also reaches the combustion chamber 5.
  • the device shown in FIG. 1 comprises a water tank 10 and a pump 9, which is connected via a water line 16 to the injector 2, so that this is pumped with water 9 from the water tank 10 is feedable.
  • the water injection into the intake manifold 19 serves to reduce the exhaust gas temperature of the internal combustion engine 1.
  • the combustion process can be positively influenced.
  • a reduction in the tendency to knock and thus an early shift in the center of gravity can be achieved.
  • a high water rate is sought to enhance the effects.
  • a further increase in the water rate can have an adverse effect on the stability of the combustion.
  • the device shown in FIG. 1 has at least one further injector 7, which is arranged on an exhaust manifold 11 from an exhaust tract 6 of the internal combustion engine 1, specifically upstream one Catalyst 12 and a particle filter 13, in the present case a turbine 14 of a turbocharger is connected upstream.
  • the turbine 14 is optional.
  • water can be injected directly into the exhaust tract 6.
  • the water injection in the exhaust tract 6 does not affect the combustion, so that the water rate is not limited in this case. This means that as much water can be injected as is necessary to maintain the permissible exhaust gas temperature.
  • the additional injector 7 arranged on the exhaust tract 6 is only switched on when required, in particular when the maximum water rate on the suction or combustion chamber side has been reached.
  • the various injectors 2, 7 are jointly supplied with water via the pump 9 and the water tank 10.
  • a control device 8 is provided, the injectors or combustion chamber-side injectors 2 and the at least one further injector 7 arranged on the exhaust tract 6 being controllable independently of one another via control lines 18.
  • the injectors 2 are another preferred embodiment of a device according to the invention.
  • the injectors 2 are not arranged on the intake manifold 19 but on the combustion chamber 5.
  • the number of injectors 2 corresponds to the number of cylinders or combustion chambers 5 of the internal combustion engine 1.
  • the injection by means of the injectors 2 therefore takes place directly in the respective combustion chamber 5.
  • the injectors 2 not only water but son a fuel-water emulsion is injected, which is generated in an upstream high pressure pump 15.
  • the high-pressure pump 15 is connected to the injectors 2 via a fuel-water emulsion line 17.
  • the device of FIG. 2 has at least one additional injector 7 in the loading area of the exhaust tract 6, which can be switched on if necessary.
  • the function of the further injector 7 and the associated advantages correspond to the device of FIG. 1, so that reference can be made to this.
  • the at least one further injector 7 can be used to improve the response time when the water injection is switched on or off by means of the injectors 2.
  • the injectors need 2 to inject the fuel-water emulsion longer than pure water injectors until they are ready for use. This dead time can be bridged by means of the water injection by means of the injectors 7.
  • the invention further relates to a device in which the at least one injector of the water injection system is arranged directly on the combustion chamber and is used only for the injection of water. In this case, the fuel is injected using a separate fuel injector.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors (1), bei dem mit Hilfe mindestens eines Injektors (2) eines Wassereinspritzsystems (3) Wasser oder eine Kraftstoff- Wasser- Emulsion in einen Brennraum (5) des Verbrennungsmotors (1) eingebracht wird, und zwar direkt oder indirekt über einen Ansaugtrakt (4) des Verbrennungsmotors (1). Erfindungsgemäß wird eine maximale Wasserrate für die Wassereinspritzung bzw. die Kraftstoff- Wasser-Emulsionseinspritzung bestimmt und mit Erreichen der zuvor bestimmten maximalen Wasserrate wird mindestens ein weiterer an einem Abgastrakt (6) des Verbrennungsmotors (1) angeordneter Injektor (7) zugeschaltet, mit dessen Hilfe Wasser direkt in den Abgastrakt (6) eingespritzt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors (1) sowie einen Verbrennungsmotor (1) mit einer solchen Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren und Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines
Verbrennungsmotors, Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Ver brennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfin dung eine Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Darüber hinaus wird ein Ver brennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen.
Stand der Technik
Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid- Emissionen gilt es den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu optimieren, beispielsweise durch eine Erhöhung der Verdich tung oder durch Downsizing Konzepte in Kombination mit einer Turboaufladung. Bei hoher Motorlast ist jedoch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Betriebs punkt, der im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimal wäre, in der Regel nicht möglich, da dem Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen Grenzen gesetzt werden. Maßnahmen zur Reduzierung der Klopfneigung und/oder Senkung der Abgastemperaturen sehen die Einspritzung von Wasser vor, wobei die Einspritzung di rekt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Ver brennungsmotors erfolgen kann.
Die Wirkungsweise der Wassereinspritzung beruht vorrangig auf dem Effekt der Ab kühlung der Zylinderladung des Verbrennungsmotors durch Ausnutzung der hohen Verdampfungsenthalpie von Wasser. Zum einen wird so die Prozesstemperatur redu ziert, zum anderen verringert sich die Klopfneigung, was eine Verschiebung der Ver- brennungsschwerpunktlage nach früh ermöglicht. Beides führt zu einer Reduktion der Abgastemperatur.
Um den Effekt effizient nutzen zu können, muss das Wasser verdampfen und die dafür benötigte Energie der Zylinderladung entziehen. Ferner kann eine Steigerung des Ef fekts dadurch erreicht werden, dass die Einspritzmenge an Wasser erhöht wird. Der Erhöhung der Einspritzmenge sind jedoch Grenzen gesetzt, deren Überschreitung zu Problemen bei der Auslegung des Wassereinspritzsystems führen können.
Beispielsweise kann beim Einspritzen zu großer Wassermengen sich ein Teil des Wassers an den Brennraumwänden niederschlagen und auf diese Weise in den Medi enkreislauf eines anderen Mediums, zum Beispiel in den Motorölkreislauf, gelangen. Dies gilt es zu vermeiden. Ferner können zu große Wasserraten bei der Wasserein spritzung die Verbrennungsstabilität negativ beeinflussen. Beispielsweise kann es zu verschleppten Verbrennungen oder sogar Aussetzern kommen. Darüber hinaus ist von einer Steigerung der Wasserrate abzusehen, wenn eine durch die Wassereinspritzung reduzierte Kopfneigung bereits dazu geführt hat, dass der Verbrennungsmotor schwer punktoptimal oder an der maximal zulässigen Zylinderdruckgrenze betrieben wird. In diesem Fall führt auch eine Steigerung der Wasserrate bei der Wassereinspritzung nicht dazu, dass die Abgastemperatur weiter signifikant sink, da die durch die Wasser verdunstung erzielbare Temperaturabsenkung nicht ausreicht, um die aus der höheren Wasserrate entstehenden Nachteile, wie längere Brenndauer und/oder schlechtere Gemischaufbereitung, zu kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzuge ben, mit deren Hilfe die Abgastemperatur weiter abgesenkt werden kann, und zwar insbesondere dann, wenn ein zulässiges Maximum der Wasserrate bei der Wasserein spritzung in einen Ansaugtrakt oder einen Brennraum eines Verbrennungsmotors be reits erreicht ist.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorge schlagen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Ver brennungsmotors wird mit Hilfe mindestens eines Injektors eines Wassereinspritzsys tems Wasser oder eine Kraftstoff- Wasser- Emulsion in einen Brennraum des Verbren nungsmotors eingebracht, und zwar direkt oder indirekt über einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors. Der mindestens eine Injektor kann demnach unmittelbar am Brennraum oder an einem Saugrohr des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors ange ordnet sein. Erfindungsgemäß wird eine maximale Wasserrate für die Wassereinsprit zung bzw. die Kraftstoff- Wasser- Emulsionseinspritzung bestimmt und mit Erreichen der zuvor bestimmten maximalen Wasserrate wird mindestens ein weiterer an einem Ab gastrakt des Verbrennungsmotors angeordneter Injektor zugeschaltet, mit dessen Hilfe Wasser direkt in den Abgastrakt eingespritzt wird. Das heißt, dass - zumindest zeitwei se - sowohl in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum als auch in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, um die Abgastemperatur zu reduzieren. Mit Hil fe der Einspritzung in den Abgastrakt kann die Abgastemperatur weiter gesenkt wer den. Die Abkühlung erfolgt hier rein über den Enthalpieentzug aus dem Abgas durch die Verdampfung des eingespritzten Wassers. Im Unterschied zur Saugrohr- oder Brennraumeinspritzung wird dabei der Verbrennungsprozess nicht beeinflusst. Demzu folge kann so viel Wasser direkt in den Abgastrakt eingespritzt werden, wie notwendig ist, um die zulässige maximale Abgastemperatur einzuhalten.
Grundsätzlich kann die Abgastemperatur im Abgastrakt auch dadurch gesenkt werden, dass Wasser ausschließlich in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Da hierüber jedoch der Verbrennungsprozess nicht beeinflusst werden kann, um beispielsweise durch eine Klopfreduktion eine Frühverschiebung der Schwerpunktlage zu erzielen, ist dieser Ansatz gegenüber der Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum des Verbrennungsmotors unterlegen. Die vorgeschlagene kombinierte Einspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum und in den Abgas trakt des Verbrennungsmotors macht sich die Vorteile beider Systeme zunutze. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kommt die kombinierte Einspritzung immer dann zum Tragen, wenn die Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brenn raum ihre Grenze erreicht hat. Das heißt, immer dann, wenn eine weitere Steigerung der Wasserrate zu mehr Nachteilen als Vorteilen führen würde. Die Nachteile können insbesondere ein zu hohes Blowby und/oder eine negative Beeinflussung der Verbren nungsstabilität sein. Ferner hat die Wassereinspritzung ihre Grenzen erreicht, wenn ei ne weitere Schwerpunktlagenverschiebung nach früh nicht mehr möglich ist und eine weitere Wassereinspritzung vor oder in den Brennraum zu keiner Absenkung der Ab gastemperatur mehr führt.
Anhand dieser Parameter bzw. Randbedingungen, die sowohl motorspezifisch als auch betriebspunktabhängig sind, wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die maximale Wasserrate bestimmt. Dadurch ist sichergestellt, dass zunächst die positiven Effekte der Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum des Ver brennungsmotors ausgeschöpft werden und erst dann die Wassereinspritzung in den Abgastrakt zugeschaltet wird, wenn eine Steigerung der positiven Effekte nicht mehr möglich ist.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine weitere am Abgastrakt angeordnete Injektor dazu genutzt wird, die Ansprechzeit des saug- oder brennraumseitig angeordneten Wassereinspritzsystems beim Zu- und Abschalten zu reduzieren. Ein System, das der Einspritzung einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion in den Brennraum eines Verbrennungsmotors dient, weist prinzipbedingt eine längere An sprechzeit als ein saugseitig angeordnetes System zum Einspritzen von Wasser auf. Während dieser Totzeit beim Zu- und Abschalten kann dann die Kühlung über die Ein spritzung von Wasser in den Abgastrakt erreicht werden.
Bevorzugt wird mit Hilfe des mindestens einen weiteren am Abgastrakt angeordneten Injektors Wasser unmittelbar in einen Abgaskrümmer des Abgastrakts eingespritzt, und zwar vorzugsweise stromaufwärts eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters. So fern es sich um einen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung handelt, erfolgt die Ein spritzung bevorzugt stromaufwärts einer Turbine des Turboladers. Vorteilhafterweise wird der mindestens eine weitere am Abgastrakt angeordnete Injek tor mit Hilfe eines Steuergeräts, vorzugsweise einem Motorsteuergerät, zu- und abge schaltet. Mit Hilfe des Steuergeräts kann vorab die maximale Wasserrate bestimmt werden, so dass hiernach der Zeitpunkt festgelegt werden kann, wann der mindestens eine weitere Injektor zu- oder abgeschaltet wird. Die Verwendung des Motorsteuerge räts besitzt den Vorteil, dass diesem für die Bestimmung der maximalen Wasserrate er forderlichen Parameter in der Regel bereits vorliegen. Bevorzugt sind die am Saugtrakt bzw. Brennraum angeordneten Injektoren und die am Abgastrakt angeordneten Injekto ren mit Hilfe des Steuergeräts unabhängig voneinander ansteuerbar. Bei geringen Küh lungsbedürfnissen können somit nur die saug- oder brennraumseitig angeordneten In jektoren angesteuert werden. Ferner können nur die am Abgastrakt angeordneten In jektoren, beispielsweise zur Überbrückung einer langen Zu- und/oder Abschaltzeit der brennraumseitig angeordneten Injektoren bei Emulsionseinspritzung, angesteuert wer den.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden alle Injektoren, die dem Einspritzen von Wasser oder einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion dienen, über eine gemeinsame Pumpe mit Wasser aus einem Wassertank versorgt. Auf diese Weise kann die Anzahl der erforderlichen Systemkomponenten geringgehalten werden, was sich zugleich kostensenkend auswirkt. Ferner können der Bauraumbedarf und das Gewicht des Systems verringert werden.
Des Weiteren bevorzugt werden alle Injektoren, die dem Einspritzen von Wasser die nen, mit dem gleichen Systemdruck betrieben. Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, das Verfahren und das zur Durchführung des Verfahrens erforderliche System zu ver einfachen. Sofern das Wassereinspritzsystem Injektoren umfasst, die der Einspritzung einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion in den Brennraum des Verbrennungsmotors dienen, kann der Systemdruck variieren, da die Kraftstoff- Wasser- Emulsion in der Regel mit Hochdruck beaufschlagt wird. Das Wasser wird hierzu einer Hochdruckpumpe zuge führt, die über einen weiteren Anschluss mit Kraftstoff versorgt wird, so dass die Kraft stoff-Wasser- Emulsion in der Hochdruckpumpe erzeugt wird. Der Wasserdruck im Zu laufbereich der Hochdruckpumpe kann wiederum gleich dem Wasserdruck im Injektor auf der Abgasseite sein. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine am Ab gastrakt angeordnete Injektor gekühlt wird. Die Kühlung steigert die Robustheit und damit die Lebensdauer des Injektors. Die Kühlung kann analog der Kühlung bei SCR- Dosiersystemen ausgebildet sein, deren Einspritzventile ebenfalls am Abgastrakt an geordnet und somit den hohen Abgastemperaturen ausgesetzt sind. Beispielsweise kann das Injektorgehäuse zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet sein und/oder Kühlkanäle aufweisen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Vor richtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors umfasst ein Wassereinspritzsystem mit einem Wassertank, einer Pumpe und mindestens einem In jektor. Erfindungsgemäß weist das Wassereinspritzsystem mindestens einen weiteren an einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Injektor zum Einspritzen von Wasser in den Abgastrakt auf. Das vorgeschlagene Wassereinspritzsystem ist damit insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die gleichen zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile er reichbar sind. Zum einen kann mittels der saug- bzw. brennraumseitigen Einspritzung die Klopfneigung reduziert und eine frühere Zündung mit früheren wirkungsgradoptima leren Schwerpunktlagen umgesetzt werden, wodurch die Abgastemperatur weiter ab gesenkt wird. Die saug- bzw. brennraumseitige Einspritzung weist somit den größeren Hebel in Bezug auf die gewünschte Absenkung der Abgastemperatur auf. Zum ande ren kann, wenn eine Steigerung der Wasserrate nicht mehr möglich und/oder nicht mehr sinnvoll ist, mindestens ein weiterer am Abgastrakt angeordneter Injektor zuge schaltet werden, um zusätzlich Wasser direkt in den Abgastrakt einzuspritzen. Die Ein spritzung in den Abgastrakt ist - da sie die Verbrennung nicht beeinflusst - mengenmä ßig nicht limitiert, so dass so viel Wasser in den Abgastrakt eingespritzt werden kann wie nötig ist, um die zulässige maximale Abgastemperatur einzuhalten.
Der mindestens eine weitere Injektor ist vorzugsweise an einem Abgaskrümmer des Abgastrakts angeordnet. Weiterhin vorzugsweise erfolgt die Anordnung stromaufwärts eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters. Sofern es sich um einen Verbren nungsmotor mit Turboaufladung handelt, ist vorzugsweise der weitere Injektor strom aufwärts einer Turbine eines Turboladers angeordnet. Die gewünschte Abkühlung des Abgases wird demnach bereits mit Eintritt des Abgases in den Abgastrakt des Ver brennungsmotors erreicht.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass alle Injektoren, die dem Einspritzen von Was ser oder einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion dienen, über ein Steuergerät ansteuerbar sind. Bevorzugt können die verschiedenen Injektoren mit Hilfe des Steuergeräts unab hängig voneinander angesteuert werden, so dass der mindestens eine am Abgastrakt angeordnete Injektor nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann. Ferner können bei geringen Kühlerfordernissen auch nur die saug- bzw. brennraumseitig angeordne ten Injektoren angesteuert werden.
Da der mindestens eine am Abgastrakt angeordnete Injektor hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass dieser eine Kühlung aufweist. Die Kühlung erhöht die Robustheit und damit die Lebensdauer des Injektors. Die Kühlung kann analog der Kühlung eines Einspritzventils eines SCR- Dosiersystems ausgebildet sein. Insbesondere kann das Gehäuse des Injektors zur Aufnahme eines Kühlmediums doppelwandig ausgebildet und/oder mit Kühlkanälen ausgestattet sein.
Darüber hinaus wird ein Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur und einem Steuergerät, insbesondere Motorsteu ergerät, zur Ansteuerung der Injektoren. Mit Hilfe des Steuergeräts können die saug- oder brennraumseitig angeordneten Injektoren unabhängig von dem mindestens einen weiteren am Abgastrakt angeordneten Injektor angesteuert werden. Durch Ansteuern bzw. Zuschalten des mindestens einen weiteren Injektors kann eine weitere Absen kung der Abgastemperatur erzielt werden. Das Zuschalten des mindestens einen wei teren Injektors erfolgt dabei nach Maßgabe des Steuergeräts. Dieses ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das eingangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszufüh ren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mittels welcher Wasser in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors einspritzbar ist, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mittels weicher eine Kraftstoff- Wasser- Emulsion in einen Brennraum eines Verbrennungsmo tors einspritzbar ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors 1 umfasst ein Wassereinspritzsystem 3 mit mindestens einem im Bereich eines Ansaugtrakts 4 des Verbrennungsmotors 1 angeordneten Injektor 2. Mit Hilfe des Injektors 2 kann Wasser in ein Saugrohr 19 des Ansaugtrakts 4 eingespritzt werden. Der Injektor 2 ist hierzu stromabwärts einer im Saugrohr 19 aufgenommenen Drosselklappe 20 angeordnet. Über das Saugrohr 19 wird einem Brennraum 5 des Verbrennungsmotors 1 die für die Verbrennung von Kraftstoff erforderliche Luft zuge führt. Mit der über das Saugrohr 19 angesaugten Luft gelangt auch das in das Saug rohr 19 eingespritzte Wasser in den Brennraum 5.
Zur Versorgung des Injektors 2 mit Wasser umfasst die in der Fig. 1 dargestellte Vor richtung einen Wassertank 10 und eine Pumpe 9, die über eine Wasserleitung 16 mit dem Injektor 2 verbunden ist, so dass diesem mit Hilfe der Pumpe 9 Wasser aus dem Wassertank 10 zuführbar ist. Die Wassereinspritzung in das Saugrohr 19 dient der Re duzierung der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 1. Ferner kann der Verbren nungsprozess positiv beeinflusst werden. Insbesondere kann eine Reduzierung der Klopfneigung und damit eine Frühverschiebung der Schwerpunktlage erreicht werden. Zur Verstärkung der Effekte wird eine hohe Wasserrate angestrebt. Ist jedoch eine be stimmte maximale Wasserrate erreicht, kann sich eine weitere Steigerung der Wasser rate ungünstig auf die Stabilität der Verbrennung auswirken.
Um dennoch eine weitere Absenkung der Abgastemperatur ohne negative Auswirkun gen auf die Verbrennung zu erzielen, weist die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung mindestens einen weiteren Injektor 7 auf, der an einem Abgaskrümmer 11 eines Ab gastrakts 6 des Verbrennungsmotors 1 angeordnet ist, und zwar stromaufwärts eines Katalysators 12 und eines Partikelfilters 13, denen vorliegend eine Turbine 14 eines Turboladers vorgeschaltet ist. Die Turbine 14 ist optional. Mit Hilfe des weiteren Injek tors 7 kann Wasser direkt in den Abgastrakt 6 eingespritzt werden. Die Wassereinsprit zung in den Abgastrakt 6 beeinflusst die Verbrennung nicht, so dass die Wasserrate in diesem Fall nicht limitiert ist. Das heißt, dass so viel Wasser eingespritzt werden kann, wie zur Einhaltung der zulässigen Abgastemperatur erforderlich ist. Da die saug- oder brennraumseitige Einspritzung jedoch den größeren Hebel auf die Absenkung der Ab gastemperatur besitzt, wird der am Abgastrakt 6 angeordnete weitere Injektor 7 nur bei Bedarf zugeschaltet, und zwar insbesondere dann, wenn die maximale Wasserrate saug- bzw. brennraumseitig erreicht ist.
Die verschiedenen Injektoren 2, 7 werden gemeinsam über die Pumpe 9 und den Wassertank 10 mit Wasser versorgt. Zur Ansteuerung der Injektoren 2, 7 ist ein Steu ergerät 8 vorgesehen, wobei die saug- bzw. brennraumseitigen Injektoren 2 und der mindestens eine weitere am Abgastrakt 6 angeordnete Injektor 7 unabhängig vonei nander ansteuerbar über Steuerleitungen 18 sind.
Der Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor richtung zu entnehmen. Im Unterschied zur Vorrichtung der Fig. 1 sind die Injektoren 2 nicht am Saugrohr 19, sondern am Brennraum 5 angeordnet. Die Anzahl der Injekto ren 2 entspricht dabei der Anzahl der Zylinder bzw. der Brennräume 5 des Verbren nungsmotors 1. Die Einspritzung mittels der Injektoren 2 erfolgt demnach direkt in den jeweiligen Brennraum 5. Ferner wird mit Hilfe der Injektoren 2 nicht nur Wasser, son dern eine Kraftstoff- Wasser- Emulsion eingespritzt, die in einer vorgeschalteten Hoch druckpumpe 15 erzeugt wird. Die Hochdruckpumpe 15 ist hierzu über eine Kraftstoff- Wasser- Emulsionsleitung 17 mit den Injektoren 2 verbunden.
Auch die Vorrichtung der Fig. 2 weist mindestens einen zusätzlichen Injektor 7 im Be reich des Abgastrakts 6 auf, der bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Die Funktions weise des weiteren Injektors 7 und die damit einhergehenden Vorteile entsprechen de nen der Vorrichtung der Fig. 1, so dass hierauf verwiesen werden kann. Darüber hin aus kann bei der Vorrichtung der Fig. 2 der mindestens eine weitere Injektor 7 dazu genutzt werden, die Ansprechzeit beim Zu- oder Abschalten der Wassereinspritzung mittels der Injektoren 2 zu verbessern. Denn prinzipbedingt brauchen die Injektoren 2 zum Einspritzen der Kraftstoff- Wasser- Emulsion länger als reine Wasserinjektoren bis sie betriebsbereit sind. Diese Totzeit kann mit Hilfe der Wassereinspritzung mittels der Injektoren 7 überbrückt werden. Gleichwohl nicht dargestellt, ist Gegenstand der Erfindung ferner eine Vorrichtung, bei welcher der mindestens eine Injektor des Wassereinspritzsystems direkt am Brenn raum angeordnet ist und lediglich der Einspritzung von Wasser dient. Der Kraftstoff wird in diesem Fall mit Hilfe eines separaten Kraftstoffinjektors eingespritzt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors (1), bei dem mit Hilfe mindestens eines Injektors (2) eines Wassereinspritzsystems (3) Wasser oder eine Kraftstoff- Wasser- Emulsion - direkt oder indirekt über einen Ansaug trakt (4) - in einen Brennraum (5) des Verbrennungsmotors (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Wasserrate für die Wassereinspritzung bzw. die Kraftstoff-Wasser-Emulsionseinspritzung bestimmt wird und mit Erreichen der zuvor bestimmten maximalen Wasserrate mindestens ein weiterer an einem Abgas trakt (6) des Verbrennungsmotors (1) angeordneter Injektor (7) zugeschaltet wird, mit dessen Hilfe Wasser direkt in den Abgastrakt (6) eingespritzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere am Abgastrakt (6) ange ordnete Injektor (7) mit Hilfe eines Steuergeräts (8), vorzugsweise einem Motorsteuer gerät, zu- und abgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Injektoren (2, 7), die dem Einspritzen von Wasser oder einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion dienen, über eine gemeinsame Pumpe (9) mit Wasser aus einem Wassertank (10) versorgt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Injektoren (2, 7), die dem Einspritzen von Wasser dienen, mit dem gleichen Systemdruck betrieben werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine am Abgastrakt (6) angeordnete Injektor (7) gekühlt wird.
6. Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors (1), umfassend ein Wassereinspritzsystem (3) mit einem Wassertank (10), einer Pumpe (9) und mindestens einem Injektor (2),
dadurch gekennzeichnet, dass das Wassereinspritzsystem (3) mindestens einen wei- teren an einem Abgastrakt (6) des Verbrennungsmotors (1) angeordneten Injektor (7) zum Einspritzen von Wasser in den Abgastrakt (6) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Injektor (7) an einem Abgaskrümmer (11) des Abgastrakts (6) angeordnet ist, vorzugsweise stromaufwärts eine Katalysators (12) und/oder eines Partikelfilters (13), weiterhin vorzugsweise stromaufwärts einer Turbine (14) eines Turboladers.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Injektoren (2, 7), die dem Einspritzen von Wasser oder einer Kraftstoff- Wasser- Emulsion dienen, über ein Steuergerät (8) ansteuerbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine am Abgastrakt (6) angeordnete
Injektor (7) eine Kühlung aufweist.
10. Verbrennungsmotor (1) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und einem Steuergerät (8) zur Ansteuerung der Injektoren (2, 7).
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