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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors,
einen selbstzündenden
Ottomotor, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Die
ottomotorische Selbstzündung
bietet im Teillastbereich ein hohes Potential zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung
bei gleichzeitig niedrigen Emissionen. Durch eine Benzin-Direkteinspritzung
ergibt sich weiterhin die Möglichkeit,
den Selbstzündzeitpunkt
zu steuern, indem bereits während
eines Ladungswechseltakts Kraftstoff in das heiße Restgas eingespritzt wird.
Es ist dabei auch möglich,
zwei Einspritzungen in einen Ladungswechseltakt oder in einen Kompressionstakt
abzusetzen.
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Bei
selbstzündenden
Ottomotoren ist die homogene Selbstzündung üblicherweise nur im Teillastbereich
vorgesehen, bei höheren
Lasten wird der Motor regelmäßig mit
Fremdzündung
betrieben, da die stetig steigenden Druckgradienten zu starken mechanischen
Belastungen des Motors führen.
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Mit
Fremdzündung
verläuft
die Verbrennung deutlich leiser, so dass es im dynamischen Fahrbetrieb
zu einer Geräuschreduktion
während
der Beschleunigung kommen würde.
Dies entspricht jedoch nicht den Erfahrungswerten des Fahrers.
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Außerdem ist
für die
homogene Selbstzündung
ein ausreichend hohes Verdichtungsverhältnis notwendig, um das Verbrauchspotential
gewinnbringend nutzen zu können.
Diese Erhöhung
des Verdichtungsverhältnisses
kann jedoch im Volllastbetrieb mit Fremdzündung klopfende Verbrennungen hervorrufen,
so dass möglicherweise
nicht die maximale Leistung des Motors erreicht wird.
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Am
Ende eines Verdichtungstakts, wenn die Zündtemperatur erreicht ist,
beginnt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft üblicherweise an vielen Orten
der Brennkammer gleichzeitig zu reagieren. Eine durch das Gemisch
laufende Flammenfront wird dadurch vermieden, dass das Gemisch annähernd gleichzeitig
im gesamten Brennraum zündet.
Die Wärmefreisetzung
findet dabei ohne hohe lokale Temperaturen statt, wodurch sich die
Bildung von thermischem Stickoxid drastisch reduziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden
Ottomotors, bei dem insbesondere unmittelbar nach Einsetzen einer Selbstzündung von
Kraftstoff in einer Brennkammer des Ottomotors in die Brennkammer
Wasser eingespritzt wird.
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Üblicherweise
kommt es innerhalb der Brennkammer zu einer Zündung eines Gemisches aus eingespritztem
Kraftstoff sowie einem zugeführten
Gas, bspw. Luft- oder Frischluft. Durch zusätzliches Einspritzen von Wasser
in die Brennkammer wird u. a. erreicht, dass eine Geschwindigkeit
von Verbrennungsreaktionen reduziert wird und dadurch bspw. eine
Größe eines
Druckgradient des Gemisches aus Kraftstoff und Gas reduziert wird,
so dass innerhalb der Brennkammer ein weitgehend homogener Druck
mit nur geringen Druckschwankungen herrscht.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Ottomotor
in einem Teillastbereich mit einer homogenen Selbstzündung des
Gemisches aus Kraftstoff und Gas betrieben wird.
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Da
durch Einspritzen von Wasser nunmehr geringe Druckschwankungen innerhalb
der Brennkammer erreicht werden können, kann auf eine herkömmliche
Vorgehensweise, wonach der Ottomotor in einem höheren Lastbereich mit einer
Fremdzündung
betrieben wird, verzichtet werden. Allerdings können derartige Fremdzündungen
im höheren
Lastbereich dennoch verwendet werden.
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Zum
Betreiben des Ottomotors sind typischerweise Betriebszyklen vorgesehen,
die als ersten Schritt jeweils ein Einspritzen des Kraftstoffs in die
Brennkammer und danach folgend in einem zweiten Schritt das Zuführen von
Luft und in einem dritten Schritt bzw. einer dritten Betriebssituation
die Selbstentzündung
des Kraftstoffs umfassen. In einem zusätzlichen Schritt ist im Rahmen
der Erfindung vorgesehen, bspw. während oder kurz nach Beginn
des dritten Schritts und somit der Selbstzündung in die Brennkammer zusätzlich Wasser
einzuspritzen.
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Ein
derartig beschriebener Betriebszyklus mit den ersten drei Schritten
sowie dem Zusatzschritt kann bei Betrieb des selbstzündenden
Ottomotors beliebig oft wiederholt werden, so dass Wasser in Ausgestaltung
auch bei einer Mehrfacheinspritzung des Kraftstoffs ungespritzt
werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
Wasser in einem oberen Totpunkt der Selbstzündung und somit ebenfalls nach
Einsetzen der Selbstzündung
eingespritzt wird. Alternativ kann Wasser auch unmittelbar nach
Einsetzen der Selbstzündung
des Kraftstoffs oder des Gemisches aus Kraftstoff und Luft in die
Brennkammer eingespritzt werden. Ein geeigneter Zeitpunkt für das Einspritzen
des Wassers kann betriebsbegleitend, in Abhängigkeit einer herrschenden
Betriebssituation und von Betriebsparametern, insbesondere Druck,
von einer Recheneinheit und/oder einem Steuergerät des Motors bestimmt werden,
so dass das Steuergerät
den Betrieb des Ottomotors kontrolliert und somit steuert und/oder
regelt.
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Ein
Druck des einzuspritzenden Wassers kann je nach vorliegender Betriebssituation
geeignet eingestellt werden. Es ist typischerweise vorgesehen, Wasser
mit einem Druck von mehr als 100 bar einzuspritzen.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
einen Ottomotor mit mindestens einer Brennkammer, der dazu ausgebildet
ist, in diese mindestens eine Brennkammer Kraftstoff einzuspritzen
und nach Einsetzen einer Selbstzündung
des Kraftstoffs in die Brennkammer Wasser einzuspritzen.
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Zur
Bereitstellung des Kraftstoffs und des Wassers weist der Ottomotor
für die
mindestens eine Brennkammer ein Einspritzmodul für Kraftstoff und ein Einspritzmodul
für Wasser
auf. Hierbei können diese
beiden Einspritzmodule als Einspritzventile ausgebildet sein. Alternativ
oder ergänzend
kann vorgesehen sein, dass die beiden Einspritzmodule baulich in
einer als Doppelnadelinjektor ausgebildeten Einspritzvorrichtung
vereint sind, so dass ein derartiger Doppelnadelinjektor diese beiden
Einspritzmodule für
Wasser und Kraftstoff umfasst.
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Der
Ottomotor oder zumindest einzelne Komponenten, bspw. ein Steuergerät, des Ottomotors
ist bzw. sind dazu ausgebildet, die voranstehend beschriebenen Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
durchzuführen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Funktionen des Ottomotors
oder von Komponenten des Ottomotors als Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisiert werden können.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogramm mit
Programmcodemitteln ist dazu ausgebildet, alle Schritte eines beschriebenen
Verfahrens durchzuführen,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einem vorgestellten Ottomotor, ausgeführt wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln,
die auf einem computerlesbaren. Datenträger gespeichert sind, um alle
Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm
auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere
in einem vorgestellten Ottomotor, ausgeführt wird.
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Mit
Hilfe einer Wassereinspritzung unmittelbar nach Einsetzen der Selbstzündung kann
die Temperatur im Brennraum gezielt verringert werden, da Wasser über eine
hohe Verdampfungsenthalpie verfügt.
Das führt
dazu, dass die nachfolgenden Verbrennungsreaktionen langsamer ablaufen
und ein Druckgradient innerhalb der Brennkammer reduziert und abgeschwächt wird.
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Im
Falle des selbstzündenden
Ottomotors, der im Teillastbereich mit homogener Selbstzündung und
in höheren
Last- und Drehzahlbereichen üblicherweise
mit Fremdzündung
betrieben wird, kann die Wassereinspritzung sowohl die Druckgradienten im
Selbstzündbetrieb
reduzieren, als auch im Volllastbereich mit Fremdzündung klopfenden
Verbrennungen entgegenwirken.
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Die
Wassereinspritzung kann bspw. auch mit einer Mehrfacheinspritzung
kombiniert werden. Dies ist sowohl im Selbstzündbetrieb als auch im Betrieb mit
Fremdzündungen
möglich.
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Mit
der Erfindung werden Einspritz- und Ventilsteuerstrategien zum Betrieb
eines typischerweise selbstzündenden
Ottomotors bereitgestellt.
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Durch
das Vorsehen der Wassereinspritzung kann die Brenngeschwindigkeit
nach der Selbstzündung
verlangsamt werden, so kommt es zu niedrigeren Druckgradienten.
Die steilen Druckgradienten, wie sie bei Vorgehensweisen ohne Wassereinspritzung
gegeben sind, führen
bei steigender Motorlast zu einem lauten Verbrennungsgeräusch, das
den Fahrkomfort beeinträchtigt.
Die Selbstentzündung startet
auch mit Wassereinspritzung immer an mehreren Orten gleichzeitig
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In
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Wassereinspritzung unabhängig von
der Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird. Die Kraftstoffeinspritzung
erfolgt im Selbstzündbetrieb
bereits sehr früh, bspw.
im Ladungswechseltakt, während
die Wassereinspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) der Zündung stattfinden
kann. Daher können
bzw. kann entweder zwei Einspritzventile oder ein Doppelnadelinjektor
mit zwei getrennten Flüssigkeitskreisläufen vorgesehen
sei. Da Wasser, im Selbstzündbetrieb gegen
den Verbrennungsdruck eingespritzt werden muss, können in
der Regel Einspritzdrücke
von mehr als 100 bar vorgesehen sein.
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Die
erfolgreiche Anwendung der Wassereinspritzung zur Temperaturabsenkung
sowohl aus Schiffsdieselanwendungen als auch bei Ottomotoren zur
Klopfvermeidung bekannt.
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Die
Erfindung kann bei Ottomotoren mit variablen Ventiltrieb und Benzin-Direkteinspritzung
zum Einsatz kommen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Diagramm für ein Beispiel eines Druckverlaufs
in einer Brennkammer.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung ein Detail eines erfindungsgemäßen Ottomotors
in drei unterschiedlichen Betriebssituationen.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In
dem in 1 gezeigten Diagramm ist entlang einer vertikal
orientierten Achse 1 ein Druck in der Einheit bar über eine
horizontal orientierten Achse 3 für unterschiedliche Winkel eines
Kolbens eines Ottomotors aufgetragen.
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Innerhalb
dieses Diagramms aus 1 ist ein Verlauf des Drucks
innerhalb der Brennkammer durch eine Kurve 7, die hier
zwei Peaks 9 und 11 aufweist, dargestellt. Außerdem zeigt
das Diagramm zwei erste, jeweils nur teilweise dargestellte, trapezförmigen Kurvenabschnitte 13,
die anzeigen, in welchem Winkelbereich ein Auslassventil (AV) der Brennkammer
geöffnet
ist. Ein zweiter, trapezförmiger
Kurvenabschnitt 17 zeigt an, in welchem Winkelbereich ein
Einlassventil (EV) der Brennkammer geöffnet ist.
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Bei
der ottomotorischen Selbstzündung
wird ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet. Dieses zündet sich
von selbst, sobald eine ausreichend hohe Temperatur und ein entsprechender Druck
im Brennraum erreicht sind. Der dafür notwendige Ladungszustand
kann mit Hilfe eines variablen Ventiltriebs, typischerweise durch
Rückhaltung
von heißem
Abgas im Zylinder, bereitgestellt werden. Dabei wird das Auslassventil
deutlich vor dem oberen Totpunkt 19 im Gaswechsel geschlossen
und das im Zylinder verbleibende heiße Restgas verdichtet. Das Einlassventil öffnet sich
erst, wenn im Brennraum wieder ein hinreichend hoher Saugrohrdruck herrscht,
um Strömungsverluste
zu vermeiden.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen
jeweils in schematischer Darstellung Details einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ottomotors 21.
Dieser Ottomotor 21 umfasst eine Brennkammer 23,
mit einem Einlassventil 27 und einem Auslassventil 29.
Das Einlassventil 27 sowie das Auslassventil 29 umfassen
bewegliche Ventilstempel 31, die je nach Stellung ein Einströmen von
Gas über
das Einlassventil 27 und ein Ausströmen von Gas über das Auslassventil 29 zulassen.
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Außerdem ist
an der Brennkammer 23 ein erstes Einspritzmodul 33 angeordnet,
das zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer ausgebildet
ist. Ein zweites Einspritzmodul 37 ist ebenfalls an der
Brennkammer 23 angeordnet und zum Einspritzen von Wasser
in die Brennkammer 23 des Ottomotors 21 ausgebildet.
Beide Einspritzmodule 33, 37 sind in der vorliegenden
Ausführungsform
in einem Doppelnadelinjektor 39 baulich vereinigt. Außerdem ist
in dem hier gezeigten Ottomotor 21 vorgesehen, dass sich
innerhalb der Brennkammer 23 ein Kolben 41 hin-
und herbewegt.
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2a zeigt,
wie während
einer ersten Betriebssituation über
das erste Einspritzmodul 33 während eines Ladungswechseltakts
in das innerhalb der Brennkammer 23 verdichtete heiße Restgas
Kraftstoff 43 eingespritzt wird.
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2 zeigt
eine zweite Betriebssituation, bei der vorgesehen ist, dass über das
Einlassventil 27 in die Brennkammer 23 Frischluft 47 angesaugt
wird.
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In
der anhand von 2c beschriebenen dritten Betriebssituation
ist vorgesehen, dass gegen Ende eines Kompressionstakts im Bereich
einer Selbstzündung 49 des
Gemisches aus eingespritztem Brennstoff 43 sowie angesaugter
Frischluft 47 über
das zweite Einspritzmodul 37 Wasser 51 in die Brennkammer 23 eingespritzt
wird.