Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges

Die Erfindung betrifft ein System zur Bevorratung und Zuführung einer Hilfsflüssigkeit an eine Brennkraftmaschine eines Kraft- fahrzeuges oder an Teile der Brennkraftmaschine des Kraftfahr ^¬ zeuges. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Bevorratung und Zuführung einer Hilfs ^¬ flüssigkeit an eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges oder an Teile der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Wasserinjektionssystem für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.

Bei Wasserinjektionssystemen für Kraftfahrzeuge können sowohl der Vorratsbehälter als auch Ventile und Leitungen einfrieren. Eis kann dabei innerhalb des Vorratsbehälters oder innerhalb der Leitungen zu Schäden durch Ausdehnung führen sowie die Zeit bis zur Einsatzbereitschaft des Systems erheblich verlängern. Ein zuvor beschriebenes System muss daher innerhalb kürzester Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine einsetzbar sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, das diese Anforderungen erfüllt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems und des Verfah ^¬ rens ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein System vorgese ^¬ hen, umfassend einen Vorratsbehälter für das Fluid, wenigstens eine Förderpumpe für das Fluid und wenigstens ein Leitungssys ^¬ tem, umfassend einen Vorlauf zu einem Verbraucher und einen Rücklauf in den Vorratsbehälter, wobei Mittel zur Aufheizung des Fluids vorgesehen sind. Der Vorratsbehälter kann als Wasserbehälter ausgebildet sein. Alternativ kann der Vorratsbehälter allerdings auch als Vorrats ^¬ behälter für eine wässerige Harnstofflösung ausgebildet sein, die zur Abgasnachbehandlung an einer Brennkraftmaschine vorgese ^¬ hen ist.

Das System kann einen oder mehrere Verbraucher in Form von Verteilerdüsen umfassen, die die Hilfsflüssigkeit, beispielswei- se Wasser, in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine oder in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine injizieren.

Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das eingangs genannt Problem dadurch gelöst, dass das System Mittel zur Aufheizung des Rücklaufvolumenstroms des Fluids umfasst.

Als Mittel zur Aufheizung des Fluids kann wenigstens eine elekt ^¬ rische Heizeinrichtung und/oder ein Wärmetauscher vorgesehen sein.

Vorzugsweise sind die elektrische Heizeinrichtung und/oder der Wärmetauscher in dem Rücklauf angeordnet. Bei einer vorteilhaften Variante des Systems ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher mit einem Primärkühlkreislauf der Brenn ^¬ kraftmaschine thermisch gekoppelt ist.

Üblicherweise beträgt der Rücklaufvolumenstrom eines Wasserin- jektionssystems etwa 30 1/h. Dieser Rücklaufvolumenstrom, der von einem Injektionssystem an der Brennkraftmaschine beispiels ^¬ weise mit einem Druck von etwa 7 Bar zurückgeführt wird, enthält bereits einen signifikanten Anteil an Wärmeenergie, die erfin ^¬ dungsgemäß zum Auftauen des Vorratsbehälters genutzt wird, wobei vorzugsweise dieser Rücklaufvolumenstrom unter Ausnutzung der Wärme der Brennkraftmaschine aufgeheizt werden soll.

Selbstverständlich ist auch eine alternative oder zusätzliche elektrische Beheizung des Rücklaufvolumenstroms im Rahmen der Erfindung. Eine Auskopplung von Wärme aus dem Primärkühlkreislauf der Brennkraftmaschine kann beispielweise mittels wenigstens eines Wärmetauschers erfolgen, der die Wärme aus der unmittelbaren Umgebung der Brennkraftmaschine entnehmen oder auskoppeln kann.

Vorzugsweise wird der Rücklauf olumenstrom des Fluids auf eine Temperatur von etwa 60 °C erwärmt. Die Wärmeenergie des Rückläuf ^¬ volumenstroms beträgt bei 60°C etwa 2,1 kW.

Zweckmäßigerweise wird die Wärmeauskopplung aus der Brennkraft ^¬ maschine unterbrochen, wenn die Temperatur des Rücklaufvolumen ^¬ stroms 60 °C überschreitet. Falls eine Wärmeauskopplung aus dem primären Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine mittels eines Wärmetauschers vorgesehen ist, kann in dem Wärmetauscherkreislauf eine Überbrückungsleitung mit einer Überbrückungsschaltung vorgesehen sein, wobei die Überbrü- ckungsschaltung eine temperaturabhängig schaltbare Ventilanord- nung zur Umleitung des Wärmetauschermediums aufweisen kann.

Der Druck im Rücklauf zu dem Vorratsbehälter kann zwischen 5 und 7 Bar betragen. Über eine Drosselblende mit geeigneter Vertei ^¬ lerdüse kann der warme Rücklaufvolumenstrom im Vorratsbehälter auf Atmosphärendruck entspannt und mit einer erhöhten Geschwin ^¬ digkeit in dem Vorratsbehälter verteilt werden.

Eine elektrische Heizung zur Aufheizung eines Teils des Fluidvo- lumens in einer Startphase der Brennkraftmaschine kann zusätz- lieh vorgesehen sein. Eine solche elektrische Heizung kann nach Erreichen der Rücklaufbetriebstemperatur abgeschaltet werden.

Das System gemäß der Erfindung kann eine Steuereinrichtung umfassen, mit welcher die Förderpumpe sowie wenigstens ein elektrisch schaltbares Ventil ansteuerbar ist. Weiterhin kann das System in einem Testmodus betreibbar sein, mit welchem über einen zu erfassenden Fördervolumenstrom ermittelt wird, ob das Leitungssystem eisfrei ist. Wenn eine Vereisung des Systems, beispielsweise der Leitungen detektiert wird, kann über die Steuereinrichtung mindestens eine elektrische Heizeinrichtung und oder ein elektrisch oder mechanisch betätigbares schaltbares Ventil angesprochen werden.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das System ein Anschlussmodul, welches in eine Öffnung des Vorrats ^¬ behälters eingesetzt ist, wobei das Anschlussmodul mit dem Vorratsbehälter kommunizierende Fluidkanäle aufweist, die an die Vorlaufleitung und an die Rücklaufleitung des Leitungssystems angeschlossen sind und wobei das Anschlussmodul einen Modulblock umfasst, der vorzugsweise als wärmeleitfähiger Körper ausgebil ^¬ det ist.

Das Anschlussmodul kann Ventile zur Belüftung des Systems und zur Entleerung des Systems aufweisen.

Das Anschlussmodul kann darüber hinaus wenigstens einen Wärme ^¬ leitkörper bzw. Heizkörper, beispielsweise mit einer vergrößer ^¬ ten Oberfläche, umfassen, der sich in das Volumen des Vorratsbehälters erstreckt.

Bei einer bevorzugten Variante des Systems ist vorgesehen, dass der Rücklauf im Inneren des Vorratsbehälters an wenigstens eine Verteilerdüse angeschlossen ist, über welche das Fluid aus dem Rücklauf in dem Vorratsbehälter verteilt wird. Das Fluid kann beispielsweise von einem ersten höheren Druck von etwa 7 bar auf einen zweiten niedrigeren Druck auf etwa 1 bar mittels der Verteilerdüse entspannt werden.

Bei einer weiterhin bevorzugten Variante des Systems gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der Verteilerdüse ein Flügel ^¬ rad angeordnet ist, welches drehbar gelagert und mit dem Fluid beaufschlagbar ist und welches über das aus der Verteilerdüse austretende Fluid antreibbar ist. Das Flügelrad kann beispiels ^¬ weise mit wenigstens zwei Rotorblättern versehen sein, auf die das aus der Verteilerdüse austretende Fluid auftrifft. Die Rotorblätter können dabei als hydraulisch wirksames Profil ausgebildet sein, sodass das auf die Rotorblätter auftretende Fluid das Flügelrad in Drehung versetzt. Auf diese Art und Weise wird eine besonders günstige Verteilung des aus der Verteilerdü- se austretenden Fluids bewirkt. Es ist für den Fachmann erkennbar, dass mehrere Verteilerdüsen vorgesehen sein können. Diese können beispielsweise auf einem gemeinsamen Düsenstock angeordnet sein.

Bei einer anderen bevorzugten Variante des Systems gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der Verteilerdüse ein Prall ^¬ körper angeordnet ist, der eine weitere Verteilung des Fluids bewirkt .

Der Prallkörper kann beispielsweise als Kegel oder Prisma ausge ^¬ bildet sein, wobei vorzugsweise eine Spitze des Kegels oder des Prismas auf eine Mündungsöffnung der Verteilerdüse ausgerichtet ist. Über seitlichen Flächen des Prallkörpers erfolgt dabei eine großflächige Verteilung und Zerstäubung des Fluids.

Bei einer anderen bevorzugten Variante des Systems gemäß der Erfindung ist ein drehbar angeordneter Düsenstock vorgesehen, der zwei Verteilerdüsen umfasst, die so zueinander ausgerichtet sind, dass die potentielle Energie des aus den Verteilerdüsen austretenden Fluids in ein Drehmoment umgesetzt wird, welches den Düsenstock in Drehung versetzt. Vorzugsweise sind die Mün ^¬ dungsöffnungen der Verteilerdüsen diametral entgegengesetzt ausgerichtet. Der Düsenstock nutzt dabei als Reaktionswasserrad die potentielle Energie des Wasserstrahls.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Bevorratung und Zuführung einer Hilfsflüssigkeit an eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges oder an Teile der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges gelöst, vorzugsweise unter Verwendung eines Systems der vorstehend beschriebenen Art, mit einem Vorratsbe ^¬ hälter für das Fluid, mit wenigstens einer Förderpumpe für das Fluid und mit wenigstens einem Leitungssystem, umfassend einen Vorlauf zu einem Verbraucher und einen Rücklauf in den Vorrats ^¬ behälter, wobei in das Fluid Wärme mittels einer elektrischen Heizeinrichtung und/oder mittels eines Wärmetauschers eingekop ^¬ pelt wird. Bevorzugt wird die in das Fluid eingekoppelte Wärme aus einem Primärkühlkreislauf der Brennkraftmaschine ausgekoppelt.

Der Rücklauf olumenstrom kann beispielsweise auf eine Temperatur von maximal 60 °C aufgeheizt werden. Bevorzugt ist eine Steue ^¬ rung der Temperatur des Rücklaufvolumenstroms mittels einer geeigneten Steuereinrichtung in Abhängigkeit der tatsächlichen Temperatur des Rücklaufvolumenstroms vorgesehen. Innerhalb des Vorratsbehälters kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Rücklauf des Fluids von einem ersten hohen Druck, von beispielsweise etwa 5 bis 7 bar, auf einen zweiten niedrige ^¬ ren Druck, von beispielsweise etwa 1 bar, entspannt werden, vorzugsweise unter Verwendung wenigstens einer Verteilerdüse.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine systematische Darstellung eines Systems gemäß der

Erfindung,

Figur la eine vergrößerte Ansicht eines Details aus Figur 1,

Figur 2 ein Rechenbeispiel, welches die benötigte Heizleistung zum Auftauen eines Eisvolumens von etwa 7 1 darstellt,

Figur 3 eine rechnerische Darstellung der Auftauleistung des

Rücklaufvolumenstroms bei einer Rücklauftemperatur von 60°C und bei einer Rücklauftemperatur von 20°C,

Figur 4a eine Ansicht einer Anordnung von Verteilerdüsen mit einem davor angeordneten Flügelrad,

Figur 4b eine Draufsicht auf das in Figur 4a dargestellte

Flügelrad, Figur 5a eine Draufsicht auf einen drehbaren Düsenstock, der als Wasserreaktionsrad ausgebildet ist, Figur 5b eine Seitenansicht des in Figur 5a dargestellten

Düsenstocks und

Figur 6 eine Seitenansicht einer Verteilerdüse mit einem davor angeordneten Prallkörper (Kegelverteiler) .

Das schematisch in Figur 1 dargestellte System umfasst einen Vorratsbehälter 1 mit einem Einfüllrohr 2 sowie mit Mitteln zur Belüftung des Vorratsbehälters 1 und mit nicht dargestellten Mitteln zur Füllstandsdedektion .

Der Vorratsbehälter 1 umfasst ein unterflurig angeordnetes Anschlussmodul 3, das in eine Öffnung 4 im Boden des Vorratsbe ^¬ hälters 1 eingesetzt ist. Das Anschlussmodul kann sowohl in den Boden des Vorratsbehälters 1 als auch in eine Seitenwand des Vorratsbehälters 1 eingesetzt sein. Wenn das Anschlussmodul 3 in eine Seitenwand des Vorratsbehälters 1 eingesetzt ist, so ist dieses bevorzugt im unteren Drittel oder Viertel der Seitenwand, die an den Boden des Vorratsbehälters angrenzt, in diesen einge- setzt. Der Fachmann wird verstehen, dass das Anschlussmodul 1 so tief wie möglich bezogen auf einen minimal möglichen Flüssig ^¬ keitsspiegel innerhalb des Vorratsbehälters 1 an den Vorratsbe ^¬ hälter 1 angeschlossen sein sollte. Das Anschlussmodul 3 ist als wärmeleitfähiger Modulblock ausgebildet, der mehrere Fluidkanäle umfasst, über die das Fluid aus dem Vorratsbehälter 1 entnommen werden kann und auch in den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt werden kann.

Behälterseitig, das heißt, innerhalb des Volumens des Vorratsbe- hälters 1, ist das Anschlussmodul 3 mit einem Ansaugstutzen 5 und mit einer Rückführleitung 6 versehen.

Auf der dem Behältervolumen abgekehrten Seite ist das Anschluss ^¬ modul 3 mit einem Belüftungsanschluss 3a, einem Rücklaufan- schluss 3b und einem Vorlaufanschluss 3c versehen. An den Rücklaufanschluss 3b ist eine Rücklaufleitung 7 des Leitungssys ^¬ tems angeschlossen, an den Vorlaufanschluss 3c ist eine Vorlauf ^¬ leitung 8 des Leitungssystems angeschlossen. Die Vorlaufleitung 8 ist saugseitig mit einer Förderpumpe 9 verbunden, die über ein nicht näher bezeichnetes Filter das Fluid an einen Verteiler 10 liefert, an den wiederum mehrere Injektionsdüsen 11 angeschlos ^¬ sen sind. Die Förderpumpe 9 ist zweckmäßigerweise als Förderpum ^¬ pe ausgebildet, deren Förderrichtung umkehrbar bzw. reversierbar ist .

Das nicht von den Injektionsdüsen 11 verbrauchte Fluid wird über die Rücklaufleitung 7 in den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt. In der Rücklaufleitung 7 ist ein Wärmetauscher 18 angeordnet, über welchen Wärme aus dem Primärkühlkreislauf der Brennkraftmaschi- ne, die nicht dargestellt ist, in den Rücklaufvolumenstrom bzw. in die Rücklaufleitung 7 eingekoppelt werden kann.

Der so beispielsweise auf 60°C aufgeheizte Rücklaufvolumenstrom erwärmt das Anschlussmodul und die so erzeugte Wärme wird über Wärmeleitkörper 12 an dem Anschlussmodul 3 in das Volumen des Vorratsbehälters 1 eingetragen. Die Wärmeleitkörper 12 sind als in das Volumen des Vorratsbehälters 1 hineinragende Rippen ausgebildet . Darüber hinaus wird der erwärmte Rücklaufvolumenstrom über die Rückführleitung 6 in den Vorratsbehälter eingedüst. Dabei wird der Rücklaufvolumenstrom über weinigstens eine Drossel- bzw. Entspannungsdüse innerhalb des Volumens des Vorratsbehälters 1 versprüht. Die Drossel-bzw. Entspannungsdüse wird nachstehend der Einfachheit halber als Verteilerdüse 14 bezeichnet.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass sich zunächst eine eisfreie Zone in unmittelbarer Nähe des Anschlussmoduls 3 ein ^¬ stellen wird. Das in diesem Bereich aufgetaute Volumen wird über den Ansaugstutzen 5 entnommen.

Sollte sich sodann ein Hohlraum bzw. eine Kavität 13 innerhalb des im Vorratsbehälter 1 vorhandenen Eises bilden, so bewirkt das über die Verteilerdüse 14 der Rückführleitung 6 versprühte Fluid ein weiteres Auftauen des Eises. Das Anschlussmodul 3 ist erfindungsgemäß als Mehrwegeventil ausgebildet und so beschaffen, dass die Rücklaufleitung 7 als auch die Vorlaufleitung 8 entleert bzw. belüftet werden können. Darüber hinaus lässt sich über das Anschlussmodul 3 auch eine Drainage des Vorratsbehälters 1 zu Servicezwecken bewirken. Das Anschlussmodul 3 kann sowohl als Drei-/Dreiwegeventil als auch als Fünf-/Vierwegeventil ausgebildet sein. Das Anschlussmodul 3 kann eine nicht dargestellte zusätzliche elektrische Heizung aufweisen. Über die elektrische Heizung, die als Startheizung vorgesehen ist, wird der Wärmeleitkörper 12 des Anschlussmoduls, der als Heizkörper wirkt, aufgeheizt. Darüber wird in einer Startphase des Kraftfahrzeuges eine erste geringe Menge des Fluids aufgetaut, sodass die Förderpumpe 9 zunächst eine erste Menge des Fluids an die Brennkraftmaschine fördern kann und so, dass eine Mindestmenge des Fluids durch das System zirkuliert werden kann. Figur 1 a zeigt eine vergrößerte Darstellung des Systems gemäß Figur 1, wobei in Figur 1 a gleiche Bauteile mit gleichen Be ^¬ zugszeichen versehen sind.

In Figur la ist insbesondere die Bildung einer Kavität 13 inner- halb des in dem Vorratsbehälter 1 angeordneten, gefrorenen Fluids andeutungsweise dargestellt. Wenn während einer Startpha ^¬ se des Kraftfahrzeuges ein Teil des in dem Vorratsbehälter 1 befindlichen, gefrorenen Fluids aufgetaut wird und über die Förderpumpe 9 und die Vorlaufleitung 8 aus dem Vorratsbehälter heraus gefördert wird, wird sich zunächst eine solche Kavität 13 bilden, mit der Folge, dass kein nennenswerter Wärmeübergang mehr von dem Wärmeleitkörper 12 in das gefrorene Fluid stattfin ^¬ det. Um sicherzustellen, dass auch weiterhin ein Auftauen des gefrorenen Fluids stattfindet, wird das in der Rücklaufleitung 7 erwärmte Fluid über die Verteilerdüsen 14 innerhalb des Vorrats ^¬ behälters 1 entspannt und versprüht. Das warme versprühte Fluid schlägt sich an dem Eisblock innerhalb des Vorratsbehälters nieder und bewirkt ein weiteres Auftauen und Nachlaufen des Fluids, dass sich vor dem Vorlaufanschluss 3c sammelt und somit förderbar ist. Um eine gleichmäßigere Verteilung des erwärmten Rücklaufvolumen- stroms innerhalb des Vorratsbehälters zu bewirken ist nach einer Variante der Erfindung vorgesehen, vor der Verteilerdüse 14 ein Flügelrad 15 anzuordnen, welches drehbar gelagert ist und mit dem Fluid beaufschlagbar ist und welches über das aus der Ver ^¬ teilerdüse 14 austretende Flüssigkeit antreibbar ist.

Wie dies insbesondere in Figur 4a dargestellt ist, ist bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen, dass zwei Verteilerdüsen 14 an einen RücklaufVerteiler angeschlossen sind, der als Y-Verteiler ausgebildet ist.

Das Flügelrad 15 umfasst zwei Propellerflügel, die jeweils ein hydraulisch wirksames Profil aufweisen. Die die symmetrisch bezüglich des Flügelrades angeordneten Verteilerdüsen 14 ent ^¬ spannen das Fluid in Richtung auf das Flügelrad 14 und bewirken ein Antreiben des Flügelrades, dass durch die Dynamik des Fluids in Drehung versetzt wird. Der jeweils aus den Verteilerdüse 14 austretende Sprühkegel wird durch die Drehung des Flügelrades 15 verhältnismäßig großflächig innerhalb des Vorratsbehälters 1 verteilt .

Eine weitere Variante des Systems gemäß der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt, die einen drehbaren Düsenstock 16 zeigt, an dem zwei Verteilerdüsen 14 angeordnet sind, die jeweils Aus ^¬ trittsöffnungen aufweisen, die in diametral entgegengesetzte Richtung zeigen. Dadurch werden jeweils entgegengesetzte Impulse bei der Entspannung des Fluids erzeugt, die ein Drehmoment in den Düsenstock 16 einleiten und diesen folglich in Drehung versetzen. Dadurch wird eine gleichmäßige und großflächige Verteilung des entspannten, erwärmten Fluids nach Art eines Rasensprengers erzeugt. Eine weitere Variante des Systems gemäß der Erfindung ist in Figur 6 dargestellt. Dieses System umfasst eine Verteilerdüse 14, vor der ein Prallkörper 17 angeordnet ist. Der Prallkörper 17 ist als Kegel/Prisma ausgebildet, wobei die Spitze des Kegels in Richtung auf die Verteilerdüse 14 zeigt und bezüglich einer Austrittsöffnung der Verteilerdüse symmetrisch angeordnet ist. Auf diese Art und Weise reflektiert und vervielfältigt der Prallkörper 17 den aus der Verteilerdüse 14 austretenden Sprüh ^¬ kegel des Fluids. Bei jedem der in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Ausführungsbei ^¬ spiele sind Mittel zur Vergrößerung/Verteilung des aus einer oder mehreren Verteilerdüse 14 austretenden Sprühkegels des entspannten Fluids vorgesehen, die unmittelbar vor der betref ^¬ fenden Verteilerdüse 14 angeordnet sind.

Bezugszeichenliste :

1 Vorrat sbehälter

2 Einfüllrohr

3 Anschlussmodul

3a Belüftungsanschluss

3b Rücklaufanschluss

3c Vorlaufanschluss

4 Öffnung

5 Ansaugstutzen

6 Rückführleitung

7 Rücklaufleitung

8 Vorlaufleitung

9 Förderpumpe

10 Verteiler

11 Verteilerdüsen

12 Wärmeleitkörper des Anschlussmoduls

13 Kavität innerhalb des gefrorenen Fluids

14 Verteilerdüsen

15 Flügelrad

16 Düsenstock

17 Prallkörper

18 Wärmetauscher