DE102011076670A1

DE102011076670A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff

Info

Publication number: DE102011076670A1
Application number: DE102011076670A
Authority: DE
Inventors: Gernot Repphun; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-12-06

Abstract

Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff, aufweisend ein Niederdrucksystem mit einem Tank 1 und einer Niederdruckpumpe 9, sowie eine Wasserbevorratungseinrichtung 3 und eine Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff. Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff bereitgestellt, mit dem eine stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine Ultraschalleinrichtung 4 ist, und dass die Ultraschalleinrichtung 4 mit einer in das Kraftstoffeinspritzsystem integrierten Mischkammer 2 zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff, aufweisend ein Niederdrucksystem mit einem Tank und einer Niederdruckpumpe, sowie eine Wasserbevorratungseinrichtung und eine Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff.
Stand der Technik
Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff ist aus der DE 20 2007 002 851 U1 bekannt. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem ist für Verbrennungsmaschinen aller Art ausgelegt und verarbeitet ein Kraftstoffgemisch aus herkömmlichem Kraftstoff und Wasser. Als Wasseranteil wird zumindest teilentgastes Wasser verwendet, wobei der Entgasungsgrad nach den Erfordernissen, z.B. dem Durchmischungsaufwand, dem Wasseranteil und dem Anteil sowie der Art sonstiger Hilfsmittel zur Emulsionsbildung, festgelegt wird. Der Mischung werden weiterhin in einem geringen Umfang Emulgatoren zugesetzt. Das Mischungsverhältnis von Kraftstoff zu Wasser beträgt mindestens 48% Kraftstoff und maximal 52% bestehend aus Wasser und ggf. Emulgatoren. Ein solcher hoher Wasseranteil von bis zu über 50% ist durch die Entgasung des Wassers möglich, wobei durch die Entgasung verbesserte Emulsionseffekte erreichbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff bereitzustellen, mit dem eine stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Ultraschalleinrichtung ist, und dass die Ultraschalleinrichtung mit einer in das Kraftstoffeinspritzsystem integrierten Mischkammer zusammenwirkt. Mit einer Ultraschalleinrichtung kann eine zumindest über mehrere Stunden stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt werden. Dabei wird dem Kraftstoff unmittelbar vor oder in einer den Kraftstoffeinspritzsystem zugeordneten Einspritzvorrichtung die gewünschte Wassermenge zudosiert und mit der Ultraschalleinrichtung in eine über Stunden stabile Emulsion gebracht. Diese Emulsion wird dann über die konventionelle Einspritzvorrichtung direkt in ein beliebiges System eingespritzt. Betriebspunktabhängig kann dabei der Wassergehalt der Emulsion in weiten Bereichen variiert werden.
Insbesondere bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehen Stickoxide und Rußpartikel. Diese Rußpartikel können über einen Rußfilter aus dem Abgas ausgeschieden und beispielsweise verbrannt werden. Die Vermeidung von Stickoxiden kann durch eine Verbesserung der Gemischaufbereitung vor der Verbrennung erreicht werden. Dies ist aber mit steigendem Einspritzdruck und damit erhöhtem Aufwand für das Kraftstoffeinspritzsystem verbunden. Zudem muss die Energie für den hohen Druck aufgebracht werden, was wiederum den Verbrauch des Kraftstoffeinspritzsystems erhöht. Alternativ kann auch ein Betriebspunkt im Stickoxid/Ruß-Emissionsdiagramm gewählt werden, bei dem niedrige Stickoxidemissionen auf Kosten von erhöhter Rußemissionen erreicht werden. Wenn auch die Rußemissionen durch den Einsatz eines Partikelfilters eliminiert werden können, ist dieses System mit einem höheren Verbrauch verbunden.
Durch die Beigabe von Wasser zusammen mit dem Kraftstoff in den Brennraum oder eine Brennkammer, kann die Temperatur bei der Verbrennung abgesenkt werden, so dass die Stickoxidentstehung reduziert oder vermieden wird. Dadurch kann alternativ bei gleicher Stickoxidemission im Vergleich zu herkömmlichen Brennverfahren der Verbrauch gesenkt werden.
Die Beigabe von Wasser in den Brennraum oder die Brennkammer kann auch durch eine direkte Einspritzung in den Brennraum bzw. die Brennkammer erfolgen. Nachteil dieser Methode ist es aber, das zu dem Kraftstoffeinspritzsystem ein weiteres System für die Einspritzung von Wasser vorhanden sein muss, wobei zudem bei einer Benetzung der Brennraumwände oder der Brennkammerwände mit Wasser beispielsweise Korrosion auftreten kann.
Alternativ kann aber mit einem konventionellen Kraftstoffeinspritzsystem beziehungsweise dessen Einspritzvorrichtung eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion dann eingespritzt werden, wenn diese stabil ist. Stabil bedeutet, dass die Emulsion zumindest für den Zeitraum, in dem diese in den Brennraum bzw. die Brennkammer eingespritzt wird, ohne Zersetzungsgefahr, aufrechterhalten wird. Dies ist gemäß dem Stand der Technik nur durch Zugabe eines Emulgators möglich, der eine Lagerung der Emulsion auch über eine längere Zeit in der Größenordnung von zumindest mehreren Tagen ermöglicht. Nachteilig ist, dass der in einem Behälter zu bevorratende Emulgator den Emissionsvorschriften genügen muss und gegebenenfalls die Emissionen deutlich verschlechtern kann. Schließlich kann bei einer solchen vorgefertigten Emulsion der Wassergehalt nicht individuell beispielsweise betriebspunktabhängig an die Erfordernisse angepasst werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung als Ultraschalleinrichtung, die mit einer in das Kraftstoffeinspritzsystem integrierten Mischkammer zusammenwirkt, lassen sich die geschilderten Nachteile allesamt ausschalten und eine über einen längeren Zeitraum stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugen, bei der der Wassergehalt in weiten Grenzen betriebspunktabhängig veränderbar ist. Dabei ist der Bauaufwand für die Vorrichtung im Vergleich zu anderen Systemen überschaubar.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Ultraschalleinrichtung eine Ultraschallsonde oder in alternativer Ausgestaltung ein Ultraschallpulser. Mit solchen Ultraschalleinrichtungen lässt sich eine stabile Kraftstoff-Wasser-Emulsion besonders vorteilhaft erzeugen. Dabei wird bei beiden Ultraschalleinrichtungen das Wasser in die Mischkammer dosiert eingegeben und von der Ultraschalleinrichtung wird das Wasser mit dem Kraftstoff in eine stabile Emulsion gebracht.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ein Hochdrucksystem mit einer Hochdruckpumpe auf und die Ultraschalleinrichtung und die Mischkammer sind in Strömungsrichtung vor dem Hochdrucksystem angeordnet oder alternativ sind sie Bestandteil des Hochdrucksystems. Die Anordnung der Mischkammer vor dem Hochdrucksystem hat den Vorteil, dass das Wasser nur unter dem geringen Druck des Niederdrucksystems in die Mischkammer eingebracht werden muss. Wird das Wasser aber in das Hochdrucksystem eingebracht, muss das Wasser entsprechend dem in dem Hochdrucksystem herrschenden Druck gefördert bzw. eingebracht werden. Andererseits hat dieses System den Vorteil, dass die Möglichkeit eines Kontakts mit beispielsweise korrosionsgefährdeten Teilen des vorgeschalteten Hochdrucksystems gering ist.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Hochdrucksystem eine kraftstoffgeschmierte Hochdruckpumpe aufweist und dass die Mischkammer dem Schmiersystem der Hochdruckpumpe nachgeschaltet ist. Durch diese Ausgestaltung wird eine nachteilige Beeinflussung des gesamten Schmiersystems vermieden. Dabei kann die Mischklammer aber noch vor dem eigentlichen Hochdrucksystem angeordnet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Hochdrucksystem Bestandteil einer Brennkraftmaschine und der Kraftstoff ist Dieselkraftstoff. Insbesondere bei einer solchen Anwendung in Verbindung mit einem Common Rail Einspritzsystem ist der Gegenstand der Erfindung vorteilhaft umsetzbar.
Alternativ ist in weiterer Ausgestaltung das Kraftstoffeinspritzsystem ein Brenner, beispielsweise ein Brenner zum Anbau an eine Regenerationseinrichtung für einen Rußfilter. Der Brenner kann aber auch ein beliebiger sonstiger mit einem Dieselkraftstoff oder Öl, insbesondere Heizöl betriebener Brenner sein, der beispielsweise in einer Heizungsanlage eingesetzt wird.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Kraftstoffeinspritzsystem eine Einspritzvorrichtung, die beispielsweise Kraftstoffinjektoren aufweisen kann, auf und die Einspritzvorrichtung weist zudem einen Wasserabscheider auf. Ein solcher Wasserabscheider wird vorgesehen, wenn die Möglichkeit besteht, dass die Wasser-Brennstoff-Emulsion über einen längeren Zeitraum in dem Kraftstoffeinspritzsystem beispielsweise im Rahmen einer Abstellung verbleibt oder aber wenn die Einspritzvorrichtung einen Leckagestrom aufweist, der in den Tank zurückgeführt wird. In einem solchen Fall wird dann das Wasser aus der Emulsion herausgetrennt, so dass in den Tank nur Kraftstoff zurückgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Mischungsvorrichtung für Kraftstoff und Wasser,
2 eine Anordnung einer Mischungsvorrichtung vor einer Zumesseinheit einer Hochdruckpumpe und
3 eine Anordnung einer Mischungsvorrichtung vor einer Hochdruckpumpe oder alternativ im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in schematischer Darstellung das Grundprinzip einer Mischungsvorrichtung für Kraftstoff und Wasser, wobei in einem Tank 1 Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, bevorratet und über eine nicht dargestellte Niederdruckpumpe einer Mischkammer 2 zugeführt wird. Gleichzeitig wird der Mischkammer 2 einer Wasserbevorratungseinrichtung 3, die bevorzugt ein Wassertank ist, Wasser zugeführt. Dabei ist das Zumischungsverhältnis von Wasser zu dem Kraftstoff über eine nicht dargestellte Dosierungseinrichtung, beispielsweise ein Ventil, das in die Zuleitung von Wasser in die Mischkammer 2 eingeschaltet ist, einstellbar. Mit der Mischkammer 2 wirkt eine Ultraschalleinrichtung 4, die eine Ultraschallsonde oder ein Ultraschallpulser ist, zusammen. Bei einer Aktivierung der Ultraschalleinrichtung 4 wird der in die Mischkammer 2 eingebrachte Kraftstoff und das Wasser zu einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion vermischt. Diese Emulsion wird dann aus der Mischkammer 2 dem Hochdrucksystem der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeführt.
In 2 ist schematisch eine Hochdruckpumpe 5 eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, mit dem Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher 17 (3) eines Common-Rail-Einspritzsystems gefördert wird, dargestellt. Die Hochdruckpumpe 5 weist ein Pumpengehäuse 6 auf, in dem eine Nockenwelle 7 drehbar gelagert ist. Die zwei Nocken aufweisende Nockenwelle 7 wird in geeigneter Weise von einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine direkt oder indirekt angetrieben und in der durch einen Pfeil dargestellten Drehrichtung bewegt. In dem Pumpengehäuse 6 ist ein Pumpenraum 8 gebildet, in den der Kraftstoff von der Niederdruckpumpe 9 eingebracht wird. Von dem in den Pumpenraum 8 eingebrachten Kraftstoff wird unter Anderem die nicht weiter dargestellte Lagerung der Nockenwelle 7 geschmiert und der an den Lagerstellen vorbeigeführte Kraftstoff wird über eine Rückführleitung zurück in den Tank 1 geführt.
Mit der Nockenwelle 7 beziehungsweise deren Nocken wirkt eine Laufrolle 10 eines Rollenstößels 11 zusammen und setzt die Drehbewegung der Nockenwelle 7 in eine translatorische Auf- und Ab-Bewegung eines Pumpenstößels 12 um. Der Pumpenstößel 12 ist in einen Pumpenzylinder 13, der einstückig mit einem Pumpenzylinderkopf 14 ausgebildet ist, beweglich. In dem Pumpenzylinder 13 bzw. dem Pumpenzylinderkopf 14 ist zusammenwirkend mit dem Pumpenstößel 12 ein Pumpenarbeitsraum 15 eingelassen. Dem Pumpenarbeitsraum 15 wird von einer Zumesseinheit 16 gesteuert eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion zugeführt. Die Kraftstoff-Wasser-Emulsion wird – wie zu 1 beschrieben – in der Mischkammer 2 aus zugeführtem Wasser und Kraftstoff unter Einsatz der Ultraschalleinrichtung gemischt. Der der Mischkammer 2 zugeführte Kraftstoff wird im Übrigen aus dem Pumpenraum 8 in geeigneter Weise in die Mischkammer 2 weitergeleitet.
Die in den Pumpenarbeitsraum 15 eingebrachte Kraftstoff-Wasser-Emulsion wird bei einem Förderhub des Pumpenstößels 12 weiter in den Hochdruckspeicher 17 gefördert. Zur ordnungsgemäßen Funktion ist in die Verbindungsleitung von der Zumesseinheit 16 zu dem Pumpenarbeitsraum 15 ein Saugventil und in die Verbindungsleitung zwischen dem Pumpenarbeitsraum 15 und dem Hochdruckspeicher 17 ein Rückschlagventil eigesetzt.
3 zeigt wiederum in einer mehr schematischen Darstellung die in 2 dargestellte Ausführung des Kraftstoffeinspritzsystems, wobei alternativ auch dargestellt ist, dass die Mischkammer 2 in das Hochdrucksystem der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingeschaltet sein kann. Konkret wirkt in dem Ausführungsbeispiel die Mischkammer 2 mit dem Hochdruckspeicher 17 zusammen. Bei dieser Ausführungsform wird das Wasser mit einem Druck, der dem von der Hochdruckpumpe erzeugten Druck entspricht, in die Mischkammer 2 eingebracht und von der Ultraschalleinrichtung 4 mit dem Kraftstoff zu der Kraftstoff-Wasser-Emulgation vermischt. Der Hochdruckspeicher 17 ist im Übrigen über eine oder mehrere Hochdruckleitungen mit Kraftstoffinjektoren 18 verschaltet, durch die die Kraftstoff-Wasser-Emulgation in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch die Beigabe von Wasser zu dem Kraftstoff kann die Verbrennungstemperatur in dem jeweiligen Brennraum abgesenkt werden, so dass die Stickoxid Entstehung zumindest verringert wird. Dadurch kann bei anderer Auslegung bei gleicher Stickoxidemission im Vergleich zum herkömmlichen Brennverfahren ohne Wasserzugabe der Verbrauch gesenkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202007002851 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoff, aufweisend ein Niederdrucksystem mit einem Tank (1) und einer Niederdruckpumpe (9), sowie eine Wasserbevorratungseinrichtung (3) und eine Vorrichtung zur Beimischung von Wasser zu dem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ultraschalleinrichtung (4) ist, und dass die Ultraschalleinrichtung (4) mit einer in das Kraftstoffeinspritzsystem integrierten Mischkammer (2) zusammenwirkt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinrichtung (4) eine Ultraschallsonde ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinrichtung (4) ein Ultraschallpulser ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ein Hochdrucksystem mit einer Hochdruckpumpe (5) aufweist und dass die Ultraschalleinrichtung (4) und die Mischkammer (2) in Strömungsrichtung vor dem Hochdrucksystem angeordnet sind.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ein Hochdrucksystem mit einer Hochdruckpumpe (5) aufweist und dass die Ultraschalleinrichtung (4) und die Mischkammer (2) Bestandteil des Hochdrucksystems sind.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdrucksystem eine kaftstoffgeschmierte Hochdruckpumpe (5) aufweist und die Mischkammer (2) dem Schmiersystem der Hochdruckpumpe (5) nachgeschaltet sind.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzsystem Bestandteil einer Brennkraftmaschine ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzsystem ein Brenner ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzsystem eine Einspritzvorrichtung aufweist und dass die Einspritzvorrichtung einen Wasserabscheider aufweist.