Vorrichtung und Verfahren zur Einspritzung von Wasser einer

Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser mittels einer erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung.

Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal bezüglich des Verbrauchs betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist z.B. aus der WO 2014/080266 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, bei dem das Wasser in den Massenstrom der Abgasrückführung eingespritzt wird.

Ein Problem bei bekannten Wassereinspritzsystemen ist eine mögliche

Beeinträchtigung deren Funktion durch Kontamination, welche durch

Verunreinigungen des benutzten Wassers verursacht werden kann. Diese Verunreinigungen fördern die Bildung von Algen und Pilzen sowie das Wachstum von Cyanobakterien, Acetobacter oder anderen Mikroorganismen. Die

Kontamination bzw. Biokontamination entsteht insbesondere im Wassertank bei länger stehendem Medium. Zur Vermeidung der Kontamination oder zur

Aufhebung einer schon bestehenden Kontamination werden bei bekannten Wassereinspritzsystemen chemische Produkte oder Beschichtungen benutzt. Dies kann allerdings zu einer Fehlfunktion der Komponenten bis hin zum Ausfall sowie zu einer Verstopfung von Filtern führen, welche im Wassereinspritzsystem angeordnet sind.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser einer

Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Kontamination bzw. Biokontamination durch das Bestrahlen des Wassers mittels ultravioletter Strahlung verringert oder eliminiert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur

Einspritzung von Wasser erreicht, welche einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, mindestens einen Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Wassertank verbunden ist, eine Steuereinheit und mindestens eine UV-Lampe umfasst, welche eingerichtet ist, Ultraviolettstrahlung abzugeben. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, die UV-Lampe zum

Dekontaminieren des Wassers einzuschalten, und das dekontaminierte Wasser einzuspritzen. Eine Dekontamination mittels Ultraviolettstrahlung bietet eine hohe Entkeimungskapazität. Ferner ist diese Dekontaminationsmethode ökologisch sicher, effizient, zuverlässig und bedienungsfreundlich, was zu einer hohen Wirtschaftlichkeit der Methode führt. Außerdem lässt sich die Wirksamkeit der Dekontaminationsmethode vorzugsweise über die Strahlungsdosis steuern, wodurch die Methode an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Neben einer Neuherstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Einspritzung von Wasser ist die einfache Nachrüstung eines bereits vorhandenen Wassereinspritzsystems mit einer UV-Lampe gemäß der Erfindung möglich.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Besonders bevorzugt ist die UV-Lampe im Wassertank angeordnet. Dadurch wird ein kompakter Aufbau der Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser ermöglicht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die UV-Lampe oberhalb eines Maximalwasserspiegels des Wassertanks angeordnet. Somit wird eine schnelle Bestrahlung des Wassers erzielt. Außerdem kann auf eine komplizierte Abdichtung der UV-Lampe verzichtet werden. Als Maximalwasserspiegel ist der maximale Stand des Wassers im Wassertank zu verstehen, welches für die Einspritzung zur Verfügung steht.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die UV- Lampe unterhalb des Maximalwasserspiegels des Wassertanks angeordnet sein. Dadurch kann die Größe des Wassertanks weiter reduziert werden.

Im Rahmen der Erfindung kann vorzugsweise die UV-Lampe teilweise oberhalb und teilweise unterhalb des Maximalwasserspiegels des Wassertanks

angeordnet sein. Eine solche Anordnung weist eine Kombination der schon beschriebenen vorteilhaften Effekte der Anordnung der UV-Lampe oberhalb und unterhalb des Maximalwasserspiegels auf.

Vorzugsweise kann die UV-Lampe im Wassertank verstellbar angeordnet sein. Somit kann die UV-Lampe je nach Anwendung oder Wassertankdesign in die richtige Position im Wassertank gebracht werden, was zu einer optimalen Dekontamination des Wassers führt. Eine Verstellung der UV-Lampe im

Wassertank kann am Anfang oder während des Dekontaminationsvorgangs erfolgen.

Es kann ferner von Vorteil sein, wenn ein Füllstandsensor zum Erkennen eines Füllstands des Wassertanks vorgesehen ist. So kann die UV-Lampe basierend auf einem erkannten Füllstand des Wassertanks für eine vorbestimmte Zeit eingeschaltet werden. Ferner kann ein erkannter Füllstand des Wassertanks für eine Verstellung der UV-Lampe im Wassertank benutzt werden.

In vorteilhafter Weise umfasst die Vorrichtung ferner ein Förderelement zur Förderung des Wassers, wobei das Förderelement mittels einer ersten Leitung mit dem Wassertank und mittels einer zweiten Leitung mit dem Wasserinjektor verbunden ist, wobei die UV-Lampe in der ersten Leitung oder in der zweiten Leitung angeordnet ist.

Nach einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit eingerichtet, um Wasserkondensat einer Klimaanlage und/oder Nachfüllwasser über eine Füllleitung in den Wassertank zuzuführen, wobei die UV-Lampe an der Füllleitung vor dem Wassertank angeordnet ist. Die Anordnung der UV-Lampe außerhalb des Wassertanks an der Füllleitung bietet eine Flexibilität beim Anordnen der UV-Lampe, insbesondere bei beschränktem verfügbarem Platz, im Wassereinspritzsystem.

Ferner bevorzugt weist die Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser ein erstes Filterelement auf, welches in der Füllleitung, insbesondere stromabwärts nach der UV-Lampe, vorgesehen ist.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein zweites

Filterelement, welches in der ersten Leitung, insbesondere in einem im

Wassertank liegenden Leitungsabschnitt, vorgesehen ist. Mittels der

Ultraviolettstrahlung kann ferner das zweite Filterelement desinfiziert werden.

Durch die Kombination einer UV-Lampe und des ersten und/oder des zweiten Filterelements wird sichergestellt, dass das einzuspritzende Wasser frei von Verunreinigungen und Mikroorganismen ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser gemäß der Erfindung umfasst.

Besonders bevorzugt wird die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Otto-Prinzip und mit Benzin betrieben. Als eine solche Brennkraftmaschine ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung von Benzin bzw. Benzin-Luft-Gemisch durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt. Da bei einer solchen Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt durch die Fremdzündung genau vorbestimmt ist, und durch die Wassereinspritzung die Verbrennung verbessert wird, wird durch die

Verwendung von Ultraviolettstrahlung zum Dekontaminieren des Wassers eine ausfallsichere Funktionsweise der Brennkraftmaschine erzielt.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung und Turboaufladung eingesetzt.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in eine Brennkraftmaschine, wobei das Wasser mittels einer UV-Lampe, welche Ultraviolettstrahlung abgibt, dekontaminiert wird und mittels einer Wassereinspritzvorrichtung eingespritzt wird. Damit sind die in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser beschriebenen Vorteile verbunden.

Vorzugsweise wird die UV-Lampe zyklisch oder dauerhaft eingeschaltet.

Insbesondere wenn die UV-Lampe in einem Wassertank der

Wassereinspritzvorrichtung angeordnet ist, wird durch eine zyklische bzw.

periodische oder dauerhafte Bestrahlung des Wassers sichergestellt, dass das Wasser in den Wasserinjektor ohne Mikroorganismen und/oder

Verunreinigungen gelangt.

Vorteilhafterweise wird die UV-Lampe eingeschaltet, wenn Wasserkondensat aus einer Klimaanlage und/oder Nachfüllwasser in den Wassertank zugeführt wird. Somit kann das Wasser gezielt dekontaminiert werden. Dadurch können die Energiekosten zum Betreiben der UV-Lampe reduziert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer

Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 3 eine stark vereinfachte, schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Figur 4 eine stark vereinfachte, schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Wasser einer Brennkraftmaschine 2 gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Insbesondere wird die

Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben. In Figur 1 ist die Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt, welche eine

Vielzahl von Zylindern aufweist. Die Brennkraftmaschine 2 umfasst pro Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist vorzugsweise die Brennkraftmaschine 2 pro Zylinder einen Einlasskanal 22 auf, über welchen Luft zum Brennraum 20 zugeführt wird. Abgas wird über einen Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu sind am Einlasskanal 22 ein Einlassventil 25 und am Abgaskanal 23 ein Auslassventil 26 angeordnet. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet ferner ein Kraftstoffeinspritzventil.

Am Einlasskanal 22 ist ferner ein Wasserinjektor 6 angeordnet, welcher über eine Steuereinheit 10 Wasser in den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wasserinjektor 6 pro Zylinder vorgesehen. Alternativ kann zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge ein

Wasserinjektor pro Einlassventil angeordnet sein.

In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser gezeigt. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst ein als Pumpe ausgebildetes Förderelement 3 und einen elektrischen Antrieb 4 zum Antreiben der Pumpe 3. Des Weiteren ist ein Wassertank 5 vorgesehen, welcher durch eine erste Leitung 7 mit der Pumpe 3 verbunden ist. Eine zweite Leitung 8 verbindet die Pumpe 3 mit einem Verteiler 9 bzw. einem Rail, an welchem eine Vielzahl von

Wasserinjektoren 6 angeschlossen ist.

Zum Einspritzen von Wasser wird das Wasser aus dem Wassertank 5 durch die Pumpe 3 in die Wasserinjektoren 6 zugeführt. Dafür wird bevorzugt ein

Kondensat einer Klimaanlage 19 verwendet, wozu die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser eine Füllleitung 1 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich zum Kondensat kann deionisiertes Wasser aus einem nicht gezeigten Nachfülltank in den Wassertank 5 gefördert werden. In der Füllleitung 1 1 sind ein erstes Filterelement 16 und in der ersten Leitung 7 ein zweites Filterelement 17 angeordnet.

Zum Einstellen des gewünschten Systemdrucks im Verteiler 9 ist ein Druckregler 15 in der Form einer Blende in einer Rücklaufleitung 13 angeordnet, welche die zweite Leitung 8 mit dem Wassertank 5 verbindet. Alternativ kann der

Druckregler 15 als Rückschlagventil ausgebildet sein. Zur Druckregelung ist ferner ein Drucksensor 14 in der zweiten Leitung 8 vorgesehen.

Der Wassertank 5 ist in Figur 2 mit Wasser bei einem Maximalwasserspiegel S dargestellt. Innerhalb des Wassertanks 5 ist erfindungsgemäß eine UV-Lampe 12 angeordnet. Die UV-Lampe 12 ist eingerichtet, Ultraviolettstrahlung abzugeben und wird über die Steuereinheit 10 eingeschaltet, um das Wasser im Wassertank 5 zu dekontaminieren. Die UV-Lampe 12 wird in diesem

Ausführungsbeispiel periodisch in vorbestimmten Intervallen eingeschaltet. Alternativ kann die UV-Lampe 12 dauerhaft betrieben werden, um

sicherzustellen, dass keine Kontamination im Wassertank 5 geschieht.

Des Weiteren ist die UV-Lampe 12 im Wassertank 5 verstellbar angeordnet. Somit kann die UV-Lampe 12 je nach Anwendung derart positioniert werden, dass eine optimale Dekontamination des Wassers erfolgt.

Ferner ist ein Füllstandsensor 18 in der Vorrichtung 1 vorgesehen. Der

Füllstandsensor 18 dient zum Erkennen eines Wasserfüllstands des

Wassertanks 5. Der erkannte Wasserfüllstand kann zur Steuerung der UV- Lampe 12 dienen. So kann z.B. ein Zeitpunkt und/oder die Dauer der

Einschaltung der UV-Lampe 12 abhängig vom erkannten Wasserfüllstand festgelegt werden. Außerdem kann die UV-Lampe 12 basierend auf dem erkannten Wasserfüllstand so verstellt werden, dass die UV-Lampe 12 z.B. immer unterhalb des aktuellen Wasserspiegels im Wassertank 5 ist.

Durch die UV-Lampe 12 wird ermöglicht, dass das Wasser der

Wassereinspritzvorrichtung 1 in ökologisch sicherer und einfacher Weise desinfiziert wird. Somit kann ferner eine Verstopfung der Filterelemente 16, 17 vermieden werden, was dazu führt, dass die benötigte zu einspritzende

Wassermenge zur Verfügung steht. Somit wird eine ausfallsichere Funktion der Brennkraftmaschine 2 sichergestellt. Die Figur 3 zeigt eine stark vereinfachte Ansicht der Wassereinspritzvorrichtung

1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welcher einige Komponenten der Vorrichtung 1 weggelassen sind. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel von Figuren 1 und 2 grundsätzlich dadurch, dass die UV-Lampe 12 im Wassertank 5 oberhalb des Maximalwasserspiegels S angeordnet ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil einer schnellen und gleichmäßigen Bestrahlung des im Wassertank 5 befindlichen Wassers. Da die UV-Lampe 12 nicht im Wasser eingesenkt ist, können zusätzliche Kosten wegen einer komplizierten Abdichtung der UV-Lampe 12 vermieden werden.

Weiterhin ist das zweite Filterelement 17 unterhalb des Maximalwasserspiegels S positioniert. Somit kann das zweite Filterelement 17 durch die UV-Lampe 12 dekontaminiert werden. In Figur 4 ist eine Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei ist die UV-Lampe 12 an der Füllleitung 1 1 angeordnet. Die Füllleitung 1 1 verbindet die Klimaanlage 19, insbesondere einen Verdampfer der Klimaanlage 19, mit dem Wassertank 5. Ferner ist vorzugsweise die UV-Lampe 12 in Richtung der Zuführung des Wassers in den Wassertank 5 vor dem ersten Filterelement 16 angeordnet.

Die UV-Lampe 12 wird eingeschaltet, wenn Wasserkondensat aus der

Klimaanlage 19 in den Wassertank 5 zugeführt wird. Somit findet eine gezielte Dekontamination des Wassers statt, wodurch eine Kostenersparnis der

Betriebskosten möglich ist.

Obwohl die Wassereinspritzvorrichtung 1 gemäß der beschriebenen

Ausführungsbeispiele nur eine UV-Lampe 12 aufweist, ist im Rahmen der Erfindung möglich, eine Vielzahl von UV-Lampen zu benutzen, welche in den

Leitungen 7, 8, 1 1 und 13 und im Wassertank 5 angeordnet sein können.

Dadurch kann sichergestellt werden, dass das einzuspritzende Wasser jederzeit dekontaminiert ist. Dies bewirkt eine ausfallsichere Funktion der Brennkraftmaschine 2.