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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Einspritzventil für Kraftstoff, mit mindestens einer den Einspritzventil vorgeschalteten Hochdruckpumpe zum Fördern des Kraftstoffs zu dem Einspritzventil und mit einer Wassereinspritzeinrichtung, die ein der Hochdruckpumpe vorgeschaltetes Dosierventil zum Zudosieren von Wasser in den Kraftstoff aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems.
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Stand der Technik
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Kühlsysteme und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Anforderungen an Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen in Bezug auf deren Schadstoffemissionen nehmen weiter zu. Insbesondere die CO2-Emissionen sollen weiter reduziert werden, weswegen die Brennkraftmaschinen bezüglich ihres Verbrauchs zunehmend optimiert werden. Hierzu ist es zum Beispiel bekannt, die Verdichtung der Frischluft zu erhöhen, mittels eines Turboladers oder Abgasturboladers. In Betriebspunkten mit hoher Last können derartige Brennkraftmaschinen jedoch nicht im optimalen Betriebspunkt hinsichtlich ihres Verbrauchs betrieben werden, weil der Betrieb sowohl durch die Klopfneigung als auch durch die hohen Abgastemperaturen der Brennkraftmaschine begrenzt ist. Eine Maßnahme zum Verringern der Klopfneigung ist es, einen Zündwinkel nach spät zu verstellen, wodurch bei gleicher angeforderter Leistung der Brennkraftmaschine der Kraftstoffverbrauch steigt. Zur Reduzierung der Abgastemperaturen ist es außerdem bekannt, eine Anfettung des Gemischs durch eine erhöhte Kraftstoffmenge durchzuführen, was ebenfalls den Kraftstoffverbrauch erhöht.
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Außerdem ist es bekannt, zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen Wasser dem Verbrennungsgemisch zuzufügen. Dazu ist es bekannt, Wasser entweder direkt in einem Brennraum einzuspritzen oder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Wird das Wasser direkt in den Brennraum eingespritzt, so wird es üblicherweise dem Kraftstoff stromaufwärts eines dem Brennraum zugeordneten Einspritzventils dem Kraftstoff zugemischt. Üblicherweise wird der Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in den oder die Brennräume der Brennkraftmaschine gefördert. Um eine einfache Vermischung des Wassers mit dem Kraftstoff zu gewährleisten, wird das Wasser der Hochdruckpumpe zugeführt, sodass durch die Hochdruckpumpe eine Vermischung von Kraftstoff und Wasser erfolgt, bevor dieses Gemisch durch das Einspritzventil der Brennkammer zugeführt wird.
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Durch eine Drehzahlvariation der Hochdruckpumpe und/oder einen mechanischen oder elektrisch betätigten Druckregler oder Druckbegrenzer ist eine Druckregelung der Wasserzufuhr und damit eine Regelung der Wassermenge gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Zumessgenauigkeit der Wassereinspritzung durch den Einsatz einer vorteilhaften Sensoreinrichtung erhöht und ein Fehlverhalten einfach diagnostiziert wird. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass dem Dosierventil eine Sensoreinrichtung zum Erfassen des Wasserdrucks stromaufwärts und stromabwärts des Dosierventils zugeordnet ist, um eine durch das Dosierventil geförderte Wassermenge zu ermitteln oder zu überwachen. Hierdurch ist die Wirkweise der Wassereinspritzung beziehungsweise deren Einfluss auf die Gemischbildung in hohem Maße genau erfassbar und dadurch die Wassereinspritzung optimal einstellbar, sodass die zugemischte Wassermenge genauer bestimmt und geregelt werden kann und insbesondere Toleranzen des Dosierventils einfach ausgeglichen werden können. Zusätzlich ist aufgrund des Erfassens des Wasserdrucks vor und nach dem Dosierventil in Strömungsrichtung gesehen eine einfache Diagnose des Dosierventils möglich, so kann einfach in Abhängigkeit der erfassten Druckwerte auf eine Fehlfunktion des Dosierventils geschlossen werden. Hierdurch ist beispielsweise auch eine Alterung des Dosierventils erfassbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung einen zu dem Dosierventil stromaufwärts angeordneten ersten Drucksensor und einen zu dem Dosierventil stromabwärts angeordneten zweiten Drucksensor auf. Durch die zwei separaten Drucksensoren sind die Druckwerte vor und nach dem Dosierventil beziehungsweise stromaufwärts und stromabwärts des Dosierventils einfach und sicher erfassbar. Durch eine geeignete Auswertelogik wird in Abhängigkeit der erfassten Druckwerte die durch das Dosierventil geförderte Wassermenge bestimmt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung einen Differenzdrucksensor aufweist, der stromaufwärts des Dosierventils und stromabwärts des Dosierventils mit einer zu der Hochdruckpumpe führenden Wasserleitung verbunden ist. Hier ergibt sich der Vorteil, dass nur ein Sensorelement notwendig ist, um das Verhältnis des Wasserdrucks stromaufwärts des Dosierventils zu dem Wasserdruck stromabwärts des Dosierventils zu erfassen. Dadurch wird Bauraum gespart. Das Vorsehen der zwei separaten Sensoren hat hingegen den Vorteil einer Ausfallsicherheit, weil auch bei Ausfall eines der Sensoren ein Weiterbetrieb des Kühlsystems zumindest in einem Notlaufbetrieb gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hochdruckpumpe zumindest ein Kraftstoffdrucksensor zugeordnet, welcher den Kraftstoffdruck überwacht. So ist die genaue Bestimmung der dosierten Wassermenge in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks möglich und mechanische Toleranzen oder Toleranzen aus dem Öffnungsverhalten des Dosierventils können adaptiert und ausgeglichen werden. Dabei ist eine genauere und effizientere Nutzung der Wassereinspritzung möglich als bisher.
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Bevorzugt ist der Kraftstoffdrucksensor der Hochdruckpumpe vorgeschaltet, um den Förderdruck des Kraftstoffs, der der Hochdruckpumpe zugeführt wird, zu überwachen, sodass in Abhängigkeit von dem erfassten Kraftstoffdruck das Dosierventil optimal ansteuerbar ist, um durch die Hochdruckpumpe ein vorteilhaftes Kraftstoff-Wasser-Gemisch einzustellen. Der Hochdruckpumpe ist somit bevorzugt eine Niederdruckpumpe vorgeschaltet, welchen den Kraftstoff insbesondere aus dem Kraftstofftank ansaugt und der Hochdruckpumpe zuführt. Weil das Wasser durch das Einspritzventil des Kraftstoffsystems in die Brennkammer eingespritzt wird, werden vorliegend das Einspritzventil und die Hochdruckpumpe dem Kühlsystem zugeordnet.
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Weiterhin weist das Kühlsystem bevorzugt ein Steuergerät auf, das speziell dazu hergerichtet ist, eine Öffnungszeit des Dosierventils in Abhängigkeit von den von der Sensoreinrichtung erfassten Druckwerten zu korrigieren. So werden beispielsweise Öffnungszeiten mit zunehmender Alterung des Dosierventils reduziert und/oder Montage oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen, um eine Ist-Wassermenge an eine Soll-Wassermenge, die zur Kühlung der Brennkraftmaschine angefordert wird, anzupassen.
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Insbesondere ist das Steuergerät dazu ausgebildet, das untenstehende Verfahren durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wasserdruck stromaufwärts des Dosierventils und ein Wasserdruck stromabwärts des Dosierventils erfasst und in Abhängigkeit von den erfassten Druckwerten eine durch das Dosierventil geförderte Wassermenge ermittelt wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Wassermenge eine Öffnungszeit des Dosierventils variiert wird, sodass die ermittelte Wassermenge einer Soll-Wassermenge entspricht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Kraftstoffdruckwert bei der Ermittlung der Wassermenge des Dosierventils berücksichtigt wird. Insbesondere wird, wie vorstehend bereits beschrieben, der Kraftstoffdruck stromaufwärts der Hochdruckpumpe überwacht, um eine optimale Anpassung der Wassermenge zu gewährleisten.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Druckverlauf des Wassers vor und/oder nach dem Dosierventil zum Erfassen von Fehlfunktionen des Dosierventils überwacht wird. Durch das Erfassen der Druckverläufe vor und nach dem Dosierventil in Abhängigkeit von bekannten Steuerzeiten können unplausbile Verzugszeiten, ein dauerhaft geschlossenes oder ein dauerhaft geöffnetes Dosierventil einfach erkannt werden. Damit ist ein robustes Kühlsystem geschaffen.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer Brennkraftmaschine in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlsystems aus 1.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit einem vorteilhaften Kühlsystem 2. Die Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder 3 auf, in welchen jeweils ein Kolben 4 längsverschieblich gelagert und mit einer Kurbelwelle durch ein Pleuelgestänge 5 gekoppelt ist. Der jeweilige Zylinder 3 ist durch einen Zylinderkopf 6 verschlossen, durch welchen ein Einlasskanal 7 und ein Auslasskanal 8 in die jeweils durch Zylinder 3, Zylinderkopf 6 und Kolben 4 gebildete Brennkammer 9 mündet. Dem Einlasskanal 7 und dem Auslasskanal 8 ist jeweils ein betätigbares Einlassventil 10 beziehungsweise Auslassventil 11 zugeordnet. Außerdem weist der Zylinderkopf 6 jedem der Zylinder 3 zugeordnet jeweils ein Einspritzventil 12 auf, das gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Hochdruckrail 13 zur Kraftstoffeinspritzung verbunden ist. Dem Hochdruckrail 13 ist eine Hochdruckpumpe 14 vorgeschaltet. Die Hochdruckpumpe 14 ist saugseitig durch eine Leitung 15 mit einem Niederdruckkraftstoffsystem verbunden, das hier nicht näher dargestellt ist. Das Niederdruckkraftstoffsystem weist eine Niederdruckpumpe auf, mittels welcher der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank gefördert, insbesondere angesaugt und der Hochdruckpumpe 14 zugeführt wird. Die Hochdruckpumpe 14 wird dabei insbesondere durch einen mit der Brennkraftmaschine 1 mechanisch gekoppelten Nockentrieb angetrieben, wie in 1 vereinfacht dargestellt.
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Das Kühlsystem 2 weist einen eigenen Tank 16 auf, in welchem Wasser als Kühlmittel aufbewahrt wird. Dem Tank 16 ist eine Wasserpumpe 17 zugeordnet, die saugseitig durch eine Leitung 18 und optional einen Filter 19 mit dem Tank 16 verbunden ist, um Wasser aus dem Tank anzusaugen und dem Brennraum 9 beziehungsweise den Brennräumen 9 zuzuführen. Dazu ist die Wasserpumpe 17 druckseitig mit einem Dosierventil 20 verbunden, das durch ein Steuergerät 21 betätigbar ist. Das Dosierventil 20 ist in einer Wasserleitung 22 angeordnet, die von der Wasserpumpe 17 zu der Hochdruckpumpe 14 führt. Das von der Wasserpumpe durch das Dosierventil 20 der Hochdruckpumpe 14 zugeführte Wasser aus dem Tank 16 wird somit zusammen mit dem Kraftstoff durch das jeweilige Einspritzventil 12 in die jeweilige Brennkammer 9 eingespritzt, sodass die Verbrennungstemperatur reduziert und dadurch die Klopfneigung verringert und auch die Abgastemperaturen reduziert werden. Der Tank 16, die Wasserpumpe 17, das Dosierventil 20 und die Hochdruckpumpe 14 zusammen mit dem Einspritzventil 12 bilden somit ein vorteilhaftes Wassereinspritzsystem 23 des Kühlsystems 2 beziehungsweise der Brennkraftmaschine 1.
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Optional führt von der Wasserleitung 22 stromaufwärts des Dosierventils 20 eine Bypass-Leitung 22' ab, die einem Wassereinspritzventil 24 zugeführt ist, mittels dessen das Wasser in den Einlasskanal 7 stromaufwärts des Zylinders 3 insbesondere stromabwärts einer Drosselklappe 25 einspritzbar ist.
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Das Kühlsystem 2 weist weiterhin eine vorteilhafte Sensoreinrichtung 26 auf, mittels welcher der Druck des Wassers in der Wasserleitung 22 stromaufwärts des Dosierventils 20 und stromabwärts des Dosierventils 20 erfassbar ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 weist die Sensoreinrichtung 26 einen ersten Drucksensor 27 auf, der zwischen der Wasserpumpe 17 und dem Dosierventil 20 in der Wasserleitung 22 angeordnet ist, sowie einen zweiten Drucksensor 28, der zwischen Dosierventil 20 und Hochdruckpumpe 14 angeordnet ist. Die Sensoren 27, 28 sind ebenfalls mit dem Steuergerät 21 signaltechnisch verbunden. In Abhängigkeit der erfassten Druckwerte der Drucksensoren 27 und 28 wird die durch das Dosierventil 20 geförderte Wassermenge überwacht. In Kenntnis der geförderten Wassermenge kann im Vergleich mit einer erwarteten beziehungsweise Ist-Wassermenge bestimmt werden, ob das Dosierventil 20 ordnungsgemäß funktioniert, und ob aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Alterungserscheinungen die Öffnungszeiten des Dosierventils angepasst werden müssen, um die Ist-Wassermenge an die Soll-Wassermenge anzupassen. Hierzu vergleicht das Steuergerät 21 die Druckwerte und die sich daraus ergebende Wassermenge mit der Soll-Wassermenge und beeinflusst beziehungsweise variiert die Ansteuerung des Dosierventils 20 entsprechend, um eine optimale Kühlung der Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu gewährleisten.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Kühlsystems 1 in einer vereinfachten Darstellung, wobei aus 1 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung 26 einen Differenzdrucksensor 29 aufweist, der stromaufwärts und stromabwärts des Dosierventils 20 mit der Wasserleitung 22 verbunden ist, um in Abhängigkeit des erfassten Differenzdrucks, der sich aus dem Druckverhältnis vor und nach dem Dosierventil 20 ergibt, die durch das Dosierventil 20 geförderte Wassermenge zu überwachen. Der Differenzdrucksensor 29 überwacht den Druckverlauf vor und nach dem Dosierventil 20 und kann damit abhängig von der Öffnungsdauer die Wassermenge ermitteln, die in die Hochdruckpumpe 14 eingeleitet wird.
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Für beide Ausführungsbeispiele gilt, dass optional ein Druck aus dem Kraftstoffsystem mittels eines hier nicht dargestellten Kraftstoffdrucksensors ermittelt wird, sodass die genaue Bestimmung der dosierten Wassermenge mögliche mechanische Toleranzen oder Toleranzen aus dem Öffnungsverhalten des Dosierventils 20 adaptiert und ausgeglichen werden können.
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Darüber hinaus können die Druckverläufe vor und nach dem Dosierventil zur Diagnose dieser Komponente genutzt werden. Die Ansteuerzeiten sind aus dem Steuergerät 21 bekannt, sodass unplausible Verzugszeiten, ein dauerhaft geschlossenes oder ein dauerhaft geöffnetes Dosierventil 20 einfach aus den Druckverläufen erkannt werden können. Hierdurch ist ein besonders robustes Kühlsystem 2 zur Wasserdirekteinspritzung geboten.
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Durch die Überwachung der Wassermenge ist es möglich, die Zumessmenge des Wassers zur Kühlung der Brennkraftmaschine 1 genau zu bestimmen und zu regeln, um die Kopfneigung der Brennkraftmaschine 1 sowie die Temperatur der Abgasemissionen zu reduzieren.
