DE102004011282A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Hochdruckpumpe (14) auf, durch die Kraftstoff zumindest mittelbar zu wenigstens einer Einspritzstelle (18) an wenigstens einem Zylinder (6) der Brennkraftmaschine gefördert wird. Der Hochdruckpumpe (14) ist ein Kraftstofffilter (26) vorgeordnet, durch den Verunreinigungen im Kraftstoff zurückgehalten werden und durch den im Kraftstoff enthaltenes freies und/oder emulgiertes Wasser abgeschieden wird. Durch den Kraftstofffilter (26) abgeschiedenes freies und/oder emulgiertes Wasser wird zumindest mittelbar dem Brennraum (40) des wenigstens einen Zylinders (6) der Brennkraftmaschine zugeführt.
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.
- Eine solche Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist aus der Literatur, beispielsweise Dieselmotor-Management, Verlag Vieweg, 2.Auflage 1998, Seiten 280 bis 284, bekannt. Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Hochdruckpumpe auf, durch die Kraftstoff in einen Speicher gefördert wird. Mit dem Speicher sind an den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren verbunden. Der Hochdruckpumpe ist ein Kraftstofffilter vorgeordnet, durch den Verunreinigungen im Kraftstoff zurückgehalten werden, damit diese nicht zu Beschädigungen der Hochdruckpumpe führen können. Durch den Kraftstofffilter wird außerdem im Kraftstoff vorhandenes freies und/oder emulgiertes, das heißt mit Kraftstoff vermischtes Wasser abgeschieden. Der Kraftstofffilter weist dabei einen Sammelraum für das abgeschiedene Wasser auf, der nach bestimmten Intervallen entleert werden muss. Bei hohem Wassergehalt im Kraftstoff kann dabei bereits nach wenigen hundert Kilometern Fahrtstrecke bereits eine Entleerung des angesammelten Wassers erforderlich sein. Das abgeschiedene Wasser muss außerdem umweltgerecht entsorgt werden, da dieses unter Umständen mit Kraftstoff vermischt ist.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch den Kraftstofffilter abgeschiedenes Wasser nicht aufwendig entsorgt zu werden braucht, sondern bei der Verbrennung der Brennkraftmaschine umgesetzt wird. Durch eine Wasserzuführung zur Verbrennung können darüberhinaus weitere Vorteile hinsichtlich Leistungssteigerung, Emissionsreduzierung und Verringerung der thermischen Belastung der Brennkraftmaschine erzielt werden.
- In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine Verteilung des zugeführten Wassers in der angesaugten Verbrennungsluft. Die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine feine Zerstäubung des zugeführten Wassers. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 4 wird eine Ablagerung des zugeführten Wassers im Ansaugbereich vermieden. Bei der Ausbildung gemäß Anspruch 5 steht das Wasser unter dem von der Förderpumpe erzeugten Druck und kann damit ohne zusätzliche Pumpe zugeführt werden. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 9 ist sichergestellt, dass keine unerwünschte Drehmomenterhöhung der Brennkraftmaschine im Schubbetrieb auftritt. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 10 ist sichergestellt, dass keine Vereisung des Ansaugbereichs auftritt. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 12 kann sichergestellt werden, dass bei Wasserzuführung keine Drehmomenterhöhung der Brennkraftmaschine auftritt.
- Zeichnung
- Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,2 einen Kraftstofffilter der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in vergrößerter Darstellung und3 einen Ansaugbereich eines Zylinders in vergrößerter Darstellung gemäß einer modifizierten Ausführung. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- In
1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine und weist wenigstens einen oder mehrere Zylinder6 auf, von denen in1 nur einer dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Förderpumpe10 auf, durch die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter12 zu einer Hochdruckpumpe14 gefördert wird. Durch die Hochdruckpumpe14 wird Kraftstoff unter Hochdruck in einen Speicher16 gefördert. Mit dem Speicher sind über hydraulische Leitungen an den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren18 verbunden. An jedem Injektor18 ist jeweils ein Steuerventil20 angeordnet, mittels dem der Injektor18 zu einer Kraftstoffeinspritzung geöffnet werden kann bzw. zur Beendigung einer Kraftstoffeinspritzung geschlossen werden kann. Die Steuerventile20 der Injektoren18 sind mit einer elektronischen Steuereinrichtung22 verbunden und werden durch diese abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine angesteuert. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann alternativ auch eine Hochdruckpumpe aufweisen, die direkt mit den Injektoren18 verbunden ist, an denen die Steuerventile20 auch entfallen können. Weiterhin alternativ kann auch für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine eine separate Hochdruckpumpe vorgesehen sein, die nur mit dem Injektor18 dieses Zylinders verbunden ist und mit diesem eine Baueinheit bilden kann. - Zwischen dem Vorratsbehälter
12 und der Hochdruckpumpe14 ist ein Kraftstofffilter26 angeordnet. Durch den Kraftstofffilter26 werden Verunreinigungen im Kraftstoff zurückgehalten, so dass diese nicht in die Hochdruckpumpe14 gelangen und dort zu Beschädigungen führen können. Durch den Kraftstofffilter26 wird außerdem im Kraftstoff enthaltenes freies und/oder emulgiertes, das heißt mit Kraftstoff vermischtes Wasser abgeschieden. Die Wasserabscheidung erfolgt durch Koaleszenz am Filtermedium, wobei sich kleine Wassertröpfchen an Tropfkörpern, beispielsweise einer Metallgitterstruktur, anlagern. Die kleinen Tröpfchen fügen sich zu größeren Tropfen zusammen, steigen auf und bilden einen Film, sie koaleszieren. Der Film lässt sich aus dem Flüssigkeitsgemisch entfernen, abziehen, so dass sich ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch trennen lässt. Der in2 vergrößert dargestellte Kraftstofffilter26 weist ein Gehäuse28 auf, in dem ein Filtereinsatz30 , beispielsweise aus Papier, angeordnet ist. Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter12 gelangt über einen Zulauf32 in den Kraftstofffilter26 , durchströmt den Filtereinsatz30 und tritt aus dem Kraftstofffilter26 über einen Ablauf34 aus. Im Bereich des Bodens des Filtergehäuses28 ist ein Sammelraum36 gebildet, in dem sich das abgeschiedene Wasser sammelt. - Im Zylinder
6 der Brennkraftmaschine ist wie in1 dargestellt ein in diesem eine Hubbewegung ausführender Kolben38 angeordnet, der im Zylinder6 einen Brennraum40 begrenzt. Der Brennraum40 ist über wenigstens ein Einlassventil42 mit einem Ansaugbereich44 und über wenigstens ein Auslassventil46 mit einem Abgasbereich verbindbar. Beim Ansaughub des Kolbens38 ist das wenigstens eine Einlassventil42 geöffnet, so dass Luft aus dem Ansaugbereich44 angesaugt wird, die zur Verbrennung des mittels des Injektors18 in den Brennraum40 eingespritzten Kraftstoffs erforderlich ist. Der Ansaugbereich44 ist beispielsweise als Ansaugrohr ausgebildet. - Erfindungsgemäß wird durch den Kraftstofffilter
26 abgeschiedenes freies und/oder emulgiertes Wasser dem Brennraum40 des Zylinders6 zugeführt. Hierzu ist beispielsweise der Sammelraum36 des Kraftstofffilters26 über eine Leitung48 mit dem Ansaugbereich44 des Zylinders6 verbunden, so dass das Wasser der vom Zylinder6 angesaugten Verbrennungsluft zugeführt wird. Vorzugsweise wird das Wasser mittels einer Düse50 oder eines Einspritzventils zerstäubt in den Ansaugbereich44 eingebracht, um eine gleichmäßige Vermischung mit der Verbrennungsluft zu erreichen. Vorzugsweise wird das Wasser direkt oder nur in geringer Entfernung vor dem Einlassventil 42 dem Ansaugbereich44 zugeführt. In der Leitung48 ist ein Absperrventil52 angeordnet, das durch die Steuereinrichtung22 angesteuert wird. Die Ansteuerung des Absperrventils52 erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder in Abhängigkeit von der im Sammelraum36 des Kraftstofffilters26 vorhandenen Menge an Wasser. Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine kann eine Wasserzuführung alternativ nur zum Ansaugbereich44 eines Zylinders oder zu den Ansaugbereichen aller Zylinder erfolgen. Es kann dabei ein gemeinsames Absperrventil52 für eine gemeinsame Leitung48 zu allen Zylindern der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die sich erst nach dem Absperrventil52 zu den getrennten Ansaugbereichen der Zylinder verzweigt oder es kann für den Ansaugbereich44 jedes Zylinders ein separates Absperrventil52 vorgesehen sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur dem Ansaugbereich eines Zylinders der Brennkraftmaschine das im Kraftstofffilter26 abgeschiedene Wasser zugeführt wird. - Die im Sammelraum
36 vorhandene Wassermenge kann beispielsweise mittels eines Leitfähigkeitssensors54 erfasst werden, der mit der Steuereinrichtung22 verbunden ist. Das Absperrventil52 wird durch die Steuereinrichtung22 nur geöffnet, wenn aus dem Signal des Sensors54 ermittelt wird, dass im Sammelraum36 Wasser vorhanden ist. Zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine sind weitere Sensoren56 vorgesehen, beispielsweise zur Erfassung des Lastzustands, des Kurbelwinkels, der Temperatur und gegebenenfalls weiterer Parameter. Vorzugsweise wird durch die Steuereinrichtung22 das Absperrventil52 nur geöffnet, und somit Wasser in den Ansaugbereich44 zugeführt, wenn sich die Brennkraftmaschine nicht im Schubbetrieb, das heißt bei Nullast, befindet und wenn das Einlassventil42 geöffnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass es im Schubbetrieb nicht zu einer Einspritzung von mit Wasser vermischtem Kraftstoff und damit zu einer unerwünschten Erhöhung des Drehmoments der Brennkraftmaschine kommt und dass das zugeführte Wasser direkt in den Brennraum40 angesaugt wird und sich nicht im Ansaugbereich44 niederschlägt. - Infolge des dem Brennraum
40 zugeführten freien und/oder emulgierten Wassers kann es zu einer Erhöhung des Drehmoments der Brennkraftmaschine kommen. Eine solche Drehmomenterhöhung würde insbesondere im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine zu einer Erhöhung der Drehzahl der Brennkraftmaschine führen, was durch eine Leerlaufregelung ausgeglichen werden kann, indem durch die Steuereinrichtung22 die mittels des Injektors18 eingespritzte Kraftstoffmenge reduziert wird, um das Drehmoment und damit die Drehzahl zumindest annähernd konstant zu halten. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillast- oder Vollastbereich ist die durch die Zuführung des Wassers verursachte Zunahme des Drehmoments der Brennkraftmaschine überwiegend so gering, dass diese nicht ausgeglichen zu werden braucht. Erforderlichenfalls kann jedoch auch im Teillast- und/oder Vollastbereich der Brennkraftmaschine die Zunahme des Drehmoments bei Wasserzuführung von der Steuereinrichtung22 durch eine Verringerung der durch die Injektoren18 eingespritzten Kraftstoffmenge ausgeglichen werden. Die erforderliche Verringerung der Kraftstoffeinspritzmenge zum Ausgleich der Zunahme des Drehmoments infolge der Wasserzuführung kann durch eine Modellbildung angenähert werden und in einem Kennfeld in der Steuereinrichtung22 abgelegt sein. Wenn die je Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine zugeführte Menge an Wasser, insbesondere emulgiertem Wasser, sehr gering gehalten werden kann, so ist eine Verringerung der durch die Injektoren18 eingespritzten Kraftstoffmenge nicht erforderlich. Weiterhin erfolgt durch die Steuereinrichtung22 gesteuert eine Zuführung von Wasser in den Ansaugbereich44 nur bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt, um eine Vereisung im Ansaugbereich44 zu vermeiden. - Das Absperrventil
52 muss durch die Steuereinrichtung22 geschlossen werden, wenn im Sammelraum36 des Kraftstofffilters26 kein Wasser mehr vorhanden ist, damit aus dem Kraftstoffilter26 kein Kraftstoff abgeleitet und dem Ansaugbereich44 zugeführt wird. Es kann dabei ein weiterer Leitfähigkeitssensor vorgesehen sein, durch den erfasst wird, wenn der Sammelraum36 nahezu entleert ist, wobei dann durch die Steuereinrichtung22 das Absperrventil52 geschlossen wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass durch die Steuereinrichtung22 eine Zunahme des Drehmoments der Brennkraftmaschine detektiert wird, woraus die Zuführung von Kraftstoff in den Ansaugbereich44 zusätzlich zu der durch den Injektor18 eingespritzten Kraftstoffmenge erkannt werden kann. Wenn die Drehmomentzunahme einen vorgebenen Wert überschreitet, so wird durch die Steuereinrichtung22 das Absperrventil52 geschlossen. Bis zur Beendigung der Wasserzuführung in den Ansaugbereich44 kann es vorkommen, dass die Leitung48 mit Kraftstoff aus dem Kraftstofffilter26 befüllt ist. Bei weiterem Betrieb der Brennkraftmaschine wird im Kraftstofffilter26 wieder freies und/oder emulgiertes Wasser abgeschieden, das den in der Leitung48 vorhandenen Kraftstoff infolge unterschiedlicher Dichte des Wassers und des Kraftstoffs zumindest teilweise in den Kraftstofffilter26 zurück verdrängt, so dass beim nächsten Zyklus einer Wasserzuführung in den Ansaugbereich44 nur einer geringe Kraftstoffmenge aus der Leitung48 in den Ansaugbereich44 gelangt. Eine Verdrängung von Kraftstoff aus der Leitung48 zurück in den Kraftstofffilter26 kann durch geeignete Führung der Leitung48 begünstigt werden, indem ein Aufsteigen von Kraftstoff aus der Leitung48 in den Kraftstofffilter26 unterstützt wird. - Das in den Brennraum
40 des Zylinders6 zugeführte Wasser führt neben einer Drehmomenterhöhung auch zu einer Verringerung der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine, da durch das Wasser die Verbrennungstemperatur gesenkt wird, wodurch die Bildung von Stickoxiden verringert wird. Durch die Senkung der Verbrennungstemperatur kann außerdem eine Verringerung insbesondere der thermischen Belastung von Komponenten der Brennkraftmaschine erreicht werden. - Der Kraftstofffilter
26 kann wie in1 mit durchgezogenen Linien dargestellt zwischen der Förderpumpe10 und der Hochdruckpumpe14 angeordnet sein. Die Förderpumpe10 kann dabei eine elektrisch angetriebene Pumpe sein und im Vorratsbehälter12 angeordnet sein. Der Kraftstofffilter26 wird dabei von Kraftstoff durchströmt, der unter dem von der Förderpumpe10 erzeugten Förderdruck steht, der beispielsweise zwischen 2 und 10 bar betragen kann. Das im Sammelraum36 gesammelte Wasser steht ebenfalls unter dem von der Förderpumpe10 erzeugten Förderdruck und wird durch diesen zum Ansaugbereich44 gefördert und in der Düse50 oder im Einspritzventil zerstäubt. Alternativ kann der Kraftstofffilter26 auch wie in1 mit gestrichelten Linien dargestellt zwischen der Förderpumpe10 und dem Vorratsbehälter12 angeordnet sein. Der Kraftstofffilter26 wird dabei von dem durch die Förderpumpe10 angesaugten Kraftstoff durchströmt, so dass in diesem ein geringerer Druck als dem Umgebungsdruck herrscht. Im Ansaugbereich44 kann wie in3 dargestellt eine Querschnittsverengung, beispielsweise in Form einer Venturidüse58 angeordnet sein, in die die vom Kraftstofffilter26 herführende Leitung48 mündet. In der Querschnittsverengung58 ist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Verbrennungsluft und damit ein geringer statischer Druck vorhanden, so dass durch die Luftströmung Wasser aus dem Kraftstofffilter26 angesaugt wird. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Querschnittsverengung58 nur dann vorhanden ist, wenn Wasser dem Ansaugbereich44 zugeführt wird. Damit würde der Querschnitt des Ansaugbereichs44 nicht ständig verengt, so dass der Betrieb der Brennkraftmaschine nicht negativ beeinflusst wird. Es könnte dabei im Ansaugbereich44 ein ringförmiges Volumen vorgesehen werden, das elastisch ausgedehnt werden kann, beispielsweise durch eine Befüllung mit Luft oder Gas, um die Querschnittsverengung58 zu erzeugen. Alternativ kann auch eine Blende in den Ansaugbereich44 ein- und ausgeschoben werden, um die Querschnittsverengung58 zu bilden bzw. diese zu entfernen. Das Ein- und Ausschieben der Blende kann beispielsweise durch einen elektrischen Aktor erfolgen. Alternativ kann zur Förderung des Wassers aus dem Kraftstofffilter 26 zum Ansaugbereich44 auch eine Pumpe60 in der Leitung48 angeordnet sein. Die Pumpe60 weist dabei vorzugsweise einen elektrischen Antrieb auf und wird durch die Steuereinrichtung22 gesteuert, so dass die Pumpe60 nur betrieben wird, wenn eine Ableitung von Wasser aus dem Kraftstofffilter26 erforderlich ist.
Claims (12)
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe (
14 ), durch die Kraftstoff zumindest mittelbar zu wenigstens einer Einspritzstelle (18 ) an wenigstens einem Zylinder (6 ) der Brennkraftmaschine gefördert wird, mit einem der Hochdruckpumpe (14 ) vorgeordneten Kraftstofffilter (26 ), durch den Verunreinigungen im Kraftstoff zurückgehalten werden und durch den im Kraftstoff enthaltenes freies und/oder emulgiertes Wasser abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kraftstofffilter (26 ) abgeschiedenes freies und/oder emulgiertes Wasser zumindest mittelbar dem Brennraum (40 ) des wenigstens einen Zylinders (6 ) der Brennkraftmaschine zugeführt wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das freie und/oder emulgierte Wasser einem Ansaugbereich (
44 ) des wenigstens einen Zylinders (6 ) zugeführt wird, aus dem Verbrennungsluft in den Brennraum (40 ) des Zylinders (6 ) angesaugt wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie und/oder emulgierte Wasser mittels einer Düse (
50 ) oder eines Einspritzventils (50 ) in den Ansaugbereich (44 ) eingespritzt wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung des freien und/oder emulgierten Wassers in den Ansaugbereich (
44 ) zumindest im wesentlichen nur während der Ansaugphase des wenigstens einen Zylinders (6 ) erfolgt. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstofffilter (
26 ) stromabwärts nach einer Förderpumpe (10 ) angeordnet ist, durch die Kraftstoff zur Hochdruckpumpe (14 ) gefördert wird und dass das freie und/oder emulgierte Wasser durch den von der Förderpumpe (10 ) erzeugten Förderdruck aus dem Kraftstofffilter (26 ) gefördert wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung (48) des Kraftstofffilters (
26 ) mit dem Ansaugbereich (44 ) ein Absperrventil (52 ) angeordnet ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugbereich (
44 ) eine Querschnittsverringerung (58 ) aufweist und dass die Zuführung des freien und/oder emulgierten Wassers in den Ansaugbereich (44 ) in dessen Querschnittsverringerung (58 ) erfolgt. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des freien und/oder emulgierten Wassers in den Ansaugbereich (
44 ) durch eine elektronische Steuereinrichtung (22 ) abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuert wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine keine Zuführung von freiem und/oder emulgiertem Wasser erfolgt.
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung von freiem und/oder emulgiertem Wasser nur bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt erfolgt.
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung von freiem und/oder emulgiertem Wasser zumindest im wesentlichen nur während einer jeweiligen Saugphase des wenigstens einen Zylinders (
6 ) erfolgt, während der in den Brennraum (40 ) des Zylinders (6 ) Verbrennungsluft aus dem Ansaugbereich (44 ) angesaugt wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektronische Steuereinrichtung (
22 ) die an der wenigstens einen Einspritzstelle (18 ) eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der dem Ansaugbereich (44 ) zugeführten Menge an freiem und/oder emulgiertem Wasser verringert wird.
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