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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere Hubkolbenmaschine, wobei für einen Brennzyklus zumindest einer Brennkammer des Verbrennungsmotors der Brennkammer ein Frischluftstrom durch einen Frischluftkanal zugeführt und mit einer vorgebbaren Kraftstoffmenge vermischt und in der Brennkammer gezündet wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, wobei der Verbrennungsmotor zumindest eine Brennkammer aufweist, welcher ein Frischluftstrom und eine vorgebbare Kraftstoffmenge zuführbar sind, um in der Brennkammer gezündet zu werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verbrennungsmotor mit der vorstehend genannten Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Um die Effizienz eines Verbrennungsmotors zu erhöhen, die Emission zu reduzieren und die Lebensdauer des Verbrennungsmotors zu verlängern, ist es bekannt, die dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft zu kühlen, bevor sie in die Brennkammer gelangt. Durch die gekühlte Frischluft wird das Klopfrisiko verringert und eine höhere Ladeluftfüllung beziehungsweise ein höherer Sauerstoffgehalt in der Brennkammer ermöglicht, der zu einer höheren Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors führt. Bisher ist es bekannt, die dem Verbrennungsmotor zugeführte Frischluft durch einen Ladeluftkühler zu führen, in welchem dem Frischluftstrom Wärme entzogen wird. Das Betreiben des Ladeluftkühlers und der Ladeluftkühler selbst verlangen jedoch einen hohen Konstruktionsaufwand sowie ausreichenden Bauraum im Motorraum des Kraftfahrzeugs.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf eine aufwendige Ladeluftkühlung durch einen Ladeluftkühler verzichtet werden oder ein vorhandener Ladeluftkühler kleiner dimensioniert werden kann, und stattdessen die Frischluft durch die Verdampfungsenthalpie von in den Frischluftstrom eingebrachtem Wasser genutzt wird, um den Frischluftstrom abzukühlen. Das Verfahren sieht dazu erfindungsgemäß vor, dass in den Frischluftstrom für den einen Brennzyklus flüssiges Wasser durch mehrere Einspritzungen mit einer jeweils vorgegebenen Wassermenge eingebracht wird. Dadurch, dass innerhalb eines Brennzyklus mindestens zwei Mal Wasser in den Frischluftstrom eingespritzt oder eingebracht wird, erfolgt eine verbesserte Verdunstung beziehungsweise Vermischung der Gesamtwassermenge in dem Frischluftstrom, wodurch letzterer besonders effizient abgekühlt wird. Weil die Frischluft außerdem in Bewegung ist, wird gewährleistet, dass während der Einspritzung das Wasser in „ungesättigte“ Luft eingespritzt wird und außerdem eine Benetzung der Wände von Einlasskanal und/oder Brennkammer vermieden oder zumindest weitestgehend vermieden wird, wodurch die Effizienz weiter gesteigert wird. Somit sind nur kleine Wassermengen insgesamt notwendig, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
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Bevorzugt wird eine Gesamtwassermenge der mehreren Einspritzungen für den Brennzyklus in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge, insbesondere der Kraftstoffmasse, für denselben Brennzyklus vorgegeben. Damit wird die eingespritzte Wassermenge stets an die in denselben Brennzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge angepasst, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass als Gesamtwassermenge 15% bis 25%, insbesondere 20% der Kraftstoffmenge vorgegeben werden, insbesondere derart, dass ein Verbrennungsluftverhältnis mit einem Lambdawert von λ=1 erreicht wird. Hierdurch wird eine vorteilhafte Abkühlung erzielt, ohne dass die Verbrennung in der Brennkammer nachteilig beeinträchtigt wird.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gesamtwassermenge durch zwei Einspritzungen für den einen Brennzyklus eingebracht wird. Zwei Einspritzungen sind für jeden Brennzyklus gut handhabbar und reichen aus, um die vorteilhafte Abkühlung zu gewährleisten. Die beiden Einspritzungen werden bevorzugt durch dasselbe Dosiermodul oder Dosierventil in den Frischluftstrom abgegeben. Alternativ werden die zwei Einspritzungen durch zwei unterschiedliche Dosiermodule/-Ventile in den Frischluftraum eingebracht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der jeweiligen Brennkammer zumindest ein Einlassventil zugeordnet ist, wobei eine erste Einspritzung der mehreren Einspritzungen bei maximal weit geöffnetem Einlassventil erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Geschwindigkeit des Frischluftstroms am größten, wodurch eine besonders schnelle Verdampfung des Wassers sowie ein schneller Transport des kühlenden Wassers in die Brennkammer erfolgt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass eine zweite Einspritzung der mehreren Einspritzungen, insbesondere der zwei Einspritzungen, nach dem Schließen und/oder vor dem Öffnen des Einlassventils in demselben Brennzyklus oder für den folgenden Brennzyklus erfolgt. Dies bewirkt, dass zum Zeitpunkt der jeweiligen Einspritzung nur „ungesättigte“ Luft vorliegt und ein Großteil des insgesamt eingespritzten Wassers, also der Gesamtwassermenge verdunsten kann.
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Weiterhin werden durch die erste Einspritzung und die zweite Einspritzung bevorzugt jeweils 50% der Gesamtwassermenge in den Frischluftstrom eingebracht. Die Gesamtwassermenge ist somit auf die beiden Einspritzungen gleichmäßig aufgeteilt, was eine einfache Ansteuerung des einen oder der mehreren Dosiermodule oder -Ventile erlaubt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Wasser in einen brennkammerindividuellen Einlasskanal eingespritzt wird. Damit ist jedem Einlasskanal beziehungsweise jeder Brennkammer ein eigenes Dosiermodul oder Dosierventil zugeordnet, mittels dessen die gewünschten Einspritzungen vorgenommen werden können. Gegebenenfalls sind dabei jeder Brennkammer zwei Dosierventile oder mehr zugeordnet, um in kürzester Zeit mehrere Einspritzungen, insbesondere auch an unterschiedlichen Stellen stromaufwärts der Brennkammer vorzunehmen.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass das Wasser in den sich in mehrere brennkammerindividuelle Einlasskanäle verzweigenden Frischluftkanal eingebracht wird. Damit wird den Wasser zentral in das stromaufwärts der Einlasskanäle liegenden Frischluftkanal eingespritzt und verteilt sich dann entsprechend der Einlasskanäle und der Einlassventilstellungen der zugehörigen Brennkammern auf die unterschiedlichen Einlasskanäle. Dadurch kann die Anzahl der Dosiermodule insgesamt reduziert und weiterer Bauraum gespart werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch zumindest ein Dosiermodul zum Einspritzen von flüssigem Wasser in den Frischluftstrom aus, sowie durch ein Steuergerät, das speziell dazu hergerichtet ist, das flüssige Wasser durch mehrere Einspritzungen mit jeweils einer vorgegebenen Wassermenge für jeweils einen Brennzyklus einzuspritzen. Es ergeben sich hieraus die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Betreiben des Verbrennungsmotors aus 1.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, der als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist und mehrere durch Zylinder 2 gebildete Brennkammern 3 aufweist. Jedem Zylinder 2 ist ein Einlassventil 4 sowie ein Auslassventil 5 zugeordnet, mittels welcher der Lufteinlass und der Abgasauslass gesteuert werden. Optional kann jeder Zylinder 2 auch mehr als ein Einlassventil und/oder Auslassventil aufweisen. Den Einlassventilen 4 ist jeweils ein Einlasskanal 6 vorgeschaltet, wobei die Einlasskanäle von einem gemeinsamen Frischluftkanal 7, insbesondere Saugrohr, abzweigen. Durch den Frischluftkanal 7 gelangt Frischluft aus der Umgebung des Verbrennungsmotors 1 beziehungsweise eines den Verbrennungsmotor 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs in die Brennkammern 3, wenn die zugehörigen Einlassventile 4 geöffnet sind.
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Den Auslassventilen 5 sind entsprechend jeweils Auslasskanäle 8 zugeordnet, die in einen gemeinsamen Abgaskanal 9 münden. Der Abgaskanal 9 führt beispielsweise zu einem Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors 1, das einen oder mehrere Katalysatoren zur Reduzierung von Emissionen im Abgas des Verbrennungsmotors 1 aufweist.
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Für einen Brennzyklus in einer Brennkammer 3 wird ein Einlassventil 4 geöffnet, wenn ein in dem Zylinder 2 befindlicher Kolben einen Saughub durchführt, sodass Frischluft in den Zylinder 2 eingesaugt wird. Anschließend wird das Einlassventil 4 geschlossen, und die in dem Zylinder befindliche Frischluft durch den vorliegenden Kolbenkompressionshub komprimiert, mit einer vorgebbaren Kraftstoffmenge vermischt und zur Verbrennung beziehungsweise Explosion gebracht beziehungsweise gezündet. Im darauffolgenden Arbeitshub wird der Kolben durch die Explosionskraft zum unteren Totpunkt gedrückt und verrichtet dabei Arbeit an einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1. Anschließend wird das Auslassventil 5 geöffnet und beim darauffolgenden Kolbenausschubhub wird das verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch aus dem Zylinder 2 durch den sich in Richtung des oberen Totpunkts bewegenden Kolbens aus dem Zylinder 2 herausgeschoben. Anschließend wird das Auslassventil 5 geschlossen und der Prozess beginnt von neuem. Grundsätzlich ist die Durchführung eines Brennzyklus in Brennkammern von Verbrennungsmotoren 1, die als Hubkolbenmotoren ausgebildet sind, bekannt. Es ist daher offensichtlich, dass es viele unterschiedliche Varianten zu Öffnungs- und Schließzeitpunkten der Einlass- und Auslassventile gibt. So können beispielsweise auch Überschneidungsphasen entstehen, in welchen sowohl Einlassventile als auch Auslassventile eines Zylinders 2 geöffnet sind.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder 2 durch ein hier nicht gezeigtes Einspritzventil eingebracht. Alternativ kann der Kraftstoff auch stromaufwärts des Zylinders 2 im Einlasskanal 6 der Frischluft zugefügt werden.
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Dem Frischluftkanal 7 ist weiterhin ein Dosiermodul 10 zugeordnet. Das Dosiermodul ist mit einer Druckseite einer Fördereinrichtung 11, insbesondere Pumpe, verbunden, die an ihrem Sauganschluss mit einem Wassertank 12 verbunden ist. Die Fördereinrichtung 11 weist insbesondere einen Elektromotor auf, sodass sie jederzeit Wasser von dem Wassertank 12 zu dem Dosiermodul 10 fördern oder diesem unter Druckstehend bereitstellen kann. Das Dosiermodul 10 und die Fördereinrichtung 11 sind mit einem Steuergerät 13 signaltechnisch verbunden, welches insbesondere das Steuergerät 13 des Verbrennungsmotors 1 ist, welches auch den jeweiligen Brennzyklus steuert und dazu Einspritzzeit und Einspritzmenge des Kraftstoffs in Abhängigkeit von einem geforderten Antriebsdrehmoment einstellt und optional auch Schließ- und Öffnungszeitpunkte von den Einlassventilen 4 und Auslassventilen 5 variiert.
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Weiterhin ist das Steuergerät 13 dazu ausgebildet, Wasser aus dem Wassertank 12 durch das Dosiermodul 10 zylinderindividuell durch den dem Saugkanal 7 strömenden Frischluftstrom zuzumessen. Ziel der Einspritzung ist die Gemischanreicherung zum Bauteilschutz, insbesondere bei Volllast, durch Einbringung des kühlenden Wassers. Ein weiteres Ziel der Wasser-Einspritzung ist das Reduzieren des Klopfrisikos des Verbrennungsmotors, um wirkungsgradoptimierte Verbrennungsschwerpunktlagen zu ermöglichen und damit die Effizienz des Verbrennungsmotors 1 zu erhöhen. Die gewünschten Ziele werden durch zwei Effekte bei der Wassereinspritzung erreicht: Zum einen wird durch das Wasser die in den Zylinder 2 gelangende Frischluftladung und/oder Kraftstoff-Frischluftladung durch die hohe Verdampfungsenthalpie von Wasser abgekühlt. Zum anderen wird der Masseanteil in der jeweiligen Brennkammer 3 erhöht und damit die Ladungsmasse im jeweiligen Zylinder 2 vergrößert.
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Das Steuergerät 13 steuert dazu das Dosiermodul 10 derart an, dass für jeden Brennzyklus der Zylinder 2 beziehungsweise der Brennkammern 3 jeweils zwei Wassereinspritzungen erfolgen.
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Hierdurch wird erreicht, dass das Wasser besonders homogen in dem Frischluftstrom verteilt wird und insbesondere gasförmig in der Brennkammer 3 vorliegt. Versuche haben gezeigt, dass der Einfluss der Wassereinspritzung auf das Klopfverhalten des Verbrennungsmotors umso effektiver ist, desto mehr Wasser aufbereitet, das heißt verdunstet werden kann. Bevorzugt wird das Wasser flüssig bei einem Druck von 3 bis 15 bar in den Saugkanal 7 eingespritzt. Um die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers zur Kühlung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs auszunutzen, wird die Verdampfungswärme der Zylinderladung entzogen. Die zeitliche Lage, Anzahl und Menge der jeweils eingespritzten Wassermenge wird dabei durch das Steuergerät 13 vorgegeben und ist grundsätzlich frei applizierbar durch die Motorsteuerung. Die Aufteilung der einzuspritzenden Gesamtwassermenge für einen Brennzyklus in mehrere Einspritzungen, vorzugsweise in die zwei genannten Einspritzungen, führt zu einer verbesserten Aufbereitung beziehungsweise Verdunstung des Wassers. Zum einen wird dadurch gewährleistet, dass während der Einspritzung in die ungesättigte Luft eingespritzt wird, weil der Luftstrom in Bewegung ist. Zum anderen wird eine Benetzung der Wände insbesondere von Saugkanal 7 und Einlasskanal 6 reduziert, wodurch die Effizienz weiter gesteigert wird, weil die Wärme nicht den Bauteilen, sondern dem Luftstrom beziehungsweiser der Zylinderfüllung entzogen wird. Damit sind nur kleine Wassermengen notwendig, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
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Einspritzwinkel und Aufteilungsfaktoren zwischen den einzelnen Einspritzungen für einen einzelnen Brennzyklus werden insbesondere an den jeweiligen Verbrennungsmotor 1 optimal angepasst, beispielsweise mithilfe von Versuchen. Vorzugsweise erfolgen die Einspritzungen in Pausenzeiten zwischen den einzelnen Einspritzungen, die kleiner als 1ms sind.
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Bevorzugt wird die Gesamtwassermenge in Abhängigkeit von der eingespritzten oder einzuspritzenden Kraftstoffmenge für denselben Brennzyklus bestimmt. Vorzugsweise wird die Gesamtwassermenge an einem Betriebspunkt im Nennleistungsbereich derart groß gewählt, dass ein λ=1-Betrieb, also mit einem Verbrennungsluftverhältnis mit einem Lambda-Wert von λ=1, erreicht wird, wozu beispielsweise eine Gesamtwassermenge von 15% bis 25%, insbesondere 20% oder auch 30% der in demselben Bremszyklus eingebrachten Kraftstoffmasse gewählt wird. Diese Gesamtwassermenge wird dann auf die zwei Einspritzungen gleichmäßig aufgeteilt, sodass 50% der Gesamtwassermenge zu einem ersten Zeitpunkt und 50% der Gesamtwassermenge zu einem zweiten Zeitpunkt in den Frischluftstrom eingespritzt werden. Vorzugsweise wird der erste Zeitpunkt derart gewählt, dass die erste Wassermenge eingespritzt wird, wenn das Einlassventil 4 des dazugehörigen Zylinders 2 maximal weit geöffnet und damit die Luftgeschwindigkeit des Luftstroms im zugehörigen Einlasskanal 6 maximal ist. Der zweite Zeitpunkt wird bevorzugt derart gewählt, dass die restlichen 50% der Gesamtwassermenge nach Schließen des zugehörigen Einlassventils 4 eingespritzt wird. Dies bewirkt, dass zum Zeitpunkt der jeweiligen Einspritzung nur ungesättigte Luft vorliegt und ein Großteil des eingespritzten Wassers verdunsten kann. Außerdem wird durch die Aufteilung der Wassermenge die Benutzung der Bauteile, insbesondere des Saugkanals 7 und/oder der Einlasskanäle 6, minimiert, weil der Strahlimpuls des eingespritzten Wassers verglichen zu einer einfachen Einspritzung der Gesamtwassermenge verringert werden kann und bevorzugt verringert wird.
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Anhand von 2 soll nochmals das zuvor erläuterte Verfahren anhand des Flussdiagramms zusammengefasst werden. In einem ersten Schritt S1 wird der Verbrennungsmotor 1 in Betrieb genommen. Im darauffolgenden Schritt S2 wird geprüft, ob eine Drehmomentanforderung besteht. In Abhängigkeit einer vorliegenden Drehmomentanforderung, die von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs, einem Fahrerassistenzsystem oder auch von einem Leerlaufregler kommen kann, wird in einem darauffolgenden Schritt S3 eine einzuspritzende Kraftstoffmenge für jeden Brennzyklus bestimmt, mittels welcher das gewünschte Drehmoment erreicht werden soll. In einem darauffolgenden Schritt S4 wird in Abhängigkeit von der für den Brennzyklus festgelegten Kraftstoffmenge eine Gesamtwassermenge bestimmt, die dem Frischluftstrom 7 beigemischt werden soll, um die oben genannten Effekte zu erzielen.
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In einem darauffolgenden Schritt S5 wird das Dosierventil in dem Modul 10 dazu angesteuert, die erste und die zweite Einspritzung, wie zuvor beschrieben, vorzunehmen. Im darauffolgenden Schritt S6 wird das Verhalten des Verbrennungsmotors 1 während des Brennzyklus überwacht und mit dem angeforderten Drehmoment verglichen, um gegebenenfalls eine Korrektur der Drehmomentanforderung vorzunehmen, um beispielsweise des vom Fahrer geforderte Drehmoment tatsächlich zu erfüllen und gleichzeitig die oben genannten Effekte durch die Wasserkühlung zu erreichen. So wird beispielsweise in Abhängigkeit des Prüfergebnisses die Wassermenge beim nächsten Brennzyklus variiert oder optimiert.
