DE102006010632A1

DE102006010632A1 - Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff und Wasser in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006010632A1
Application number: DE102006010632A
Authority: DE
Inventors: Jörn Dr.-Ing. Getzlaff
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff und Wasser in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zeitlich gesehen zuerst nur einmal Kraftstoff eingespritzt wird und abhängig von dem Betriebspunkt zeitlich gesehen mehrmals Wasser zu individuellen Zeitpunkten eingespritzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff und Wasser in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

Die Einbringung von Wasser in den Brennraum eines Ottomotors zur Verringerung der Klopfneigung und zur Leistungssteigerung – Füllungserhöhung – ist bekannt. Desweiteren ist eine Senkung der NOx-Emissionen bei Otto- und Dieselmotoren möglich.

Ferner ist die Möglichkeit der Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff bei Hubkolbenverbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung zur Brennverlaufssteuerung aus (Basshuysen/Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, 2. Auflage, Seite 434 ff.) bekannt.

Aus der DE 692 09 636 T2 ist ein Dieselmotor mit Wassereinspritzung bekannt, bei dem Kraftstoff und Wasser im mehrlagigen oder geschichteten Zustand über ein gemeinsames Kraftstoffeinspritzventil in eine Wassereinspritz-Dieselmaschine eingespritzt werden.

In einer ersten Ausführungsform werden über eine Kraftstoff/Wasser-Umschaltventileinheit unter Druck stehender Kraftstoff und Wasser unabhängig voneinander eingespritzt, so dass der Kraftstoff und das Wasser während einer Wasserzuführzeitspanne alternierend von einem Zuführsteuer-Solenoidsteuer- oder -regelventil strömen können.

Eine zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten durch einen Mechanismus zum Bilden einer mehrlagigen oder geschichteten Flüssigkeit aus dem Kraftstoff und dem Wasser für eine Zuspeisung während der Wasserzuführzeitspanne.

Die Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff erfordert ebenso wie die Wassereinspritzung einen hohen technischen Aufwand. Die Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff wird in der Regel zur Senkung der Spitzentemperaturen im Brennraum durchgeführt, so dass die Emission von NOx senkbar ist. Hierbei wird der zeitlich gesehen spät eingespritzte Kraftstoff nur unzureichend oder gar nicht verbrannt, so dass der Wirkungsgrad nicht optimal ist und hohe Emissionen, beispielsweise HC, CO und Russ, resultieren.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brennverlauf so zu formen, wie es für den jeweiligen Betriebspunkt hinsichtlich der Betriebspunktanforderungen bezüglich Wirkungsgrad und Emission optimal ist.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die Steuerung des Brennverlaufs nur über die mehrfache Einspritzung von Wasser erfolgt. Für den jeweiligen Kennfeldpunkt erfolgen zeitlich gesehen zuerst eine Kraftstoffeinspritzung einfach, d. h. nur einmal wird Kraftstoff eingespritzt, und die Wassereinspritzung anschließend abhängig der Betriebspunktanforderungen mehrfach und zu individuellen Zeitpunkten. Dies bedeutet, dass immer zuerst Kraftstoff eingespritzt wird und daran anschließend mindestens zweimal Wasser. Die Wassereinspritzung erfolgt dabei individuell, sowohl in der jeweiligen Menge pro Einspritzung als auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Sowohl die Zeitabstände zwischen der Kraftstoffeinspritzung und der ersten Wassereinspritzung als auch die Zeitabstände zwischen den einzelnen Wassereinspritzungen werden individuell an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst, so dass beispielsweise vor oder während der Kraftstoffeinspritzung sowohl die Zeitpunkte als auch die Anzahl der Wassereinspritzungen (auch kurzfristig innerhalb eines Arbeitstaktes) einstellbar sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Betriebspunkt über eine implementierte Motorsteuerung modellbasiert ermittelt. Dies bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu kennfeldbasierten Motorsteuerungssystemen umfangreiche Kennfeldbibliotheken entfallen können, womit eine vereinfachte Applikation der Motorsteuerung sowie die einfache Anpassung an sich verändernde Parameter möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einspritzung anhand von Modellfaktoren für den Brennverlauf regelbar. Dies bietet den Vorteil, dass der komplexe Vorgang des Brennverlaufes mit wenigen einfachen Größen hinreichend genau beschrieben werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftstoff über ein Kraftstoffventil(-düse) und das Wasser über ein Wasserventil(-düse) ansteuerbar. Dies bietet den Vorteil, dass unabhängig von der Kraftstoffeinbringung eine Einbringung von Wasser in den Brennraum möglich ist, womit eine hohe Flexibilität bei der Verfahrensauslegung möglich ist, insbesondere auch im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung durch Nacheinspritzungen von Kraftstoff.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftstoff und das Wasser über ein kombiniertes Ventil (Düse) ansteuerbar. Dies bietet den Vorteil, dass in kompakten Brennräumen eine Implementierung des Verfahrens möglich ist, wobei Einschränkungen in der Flexibilität die Folge sind.

Zeichnungen

Es zeigen:

1: ein Diagramm des Zylinderdruckverlaufs abhängig vom Kurbelwinkel;

2: ein Diagramm des Gastemperaturverlaufs abhängig vom Kurbelwinkel;

3: ein Diagramm des Brennverlaufs abhängig vom Kurbelwinkel.

1 zeigt abhängig vom Kurbelwinkel den Zylinderdruckverlauf ohne Wassereinspritzung 1 und den Zylinderdruckverlauf mit der erfindungsgemäßen Wassereinspritzung 2. Ab dem Zeitraum der Wassereinspritzung 3 steigt der Zylinderdruck kaum an, so dass im Vergleich ohne Wassereinspritzung Zylinderdruckspitzen vermieden werden.
In 2 ist der Gastemperaturverlauf einmal ohne Wassereinspritzung 4 und einmal mit Wassereinspritzung 5 dargestellt. Nach dem Zeitraum der Wassereinspritzung 3 ist die Gastemperatur bei der Wassereinspritzung 5 im Vergleich ohne Wassereinspritzung 4 niedriger, so dass die Stickoxidbildung vermieden wird.
In 3 ist der Brennverlauf ohne Wassereinspritzung 6 sowie der Brennverlauf mit Wassereinspritzung 7 abhängig vom Kurbelwinkel dargestellt. Ab dem Zeitpunkt der Wassereinspritzung 3 nimmt die Wärmefreisetzung kaum mehr zu.

1: Zylinderdruckverlauf ohne Wassereinspritzung
2: Zylinderdruckverlauf mit Wassereinspritzung
3: Zeitraum der Wassereinspritzung
4: Gastemperaturverlauf ohne Wassereinspritzung
5: Gastemperaturverlauf mit Wassereinspritzung
6: Brennverlauf ohne Wassereinspritzung
7: Brennverlauf mit Wassereinspritzung

Claims

Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff und Wasser in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich gesehen zuerst nur einmal Kraftstoff eingespritzt wird und abhängig von dem Betriebspunkt zeitlich gesehen mehrmals Wasser eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt über eine implementierte Motorsteuerung modellbasiert ermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung anhand von Modellfaktoren für den Brennverlauf regelbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff über eine Kraftstoffdüse und das Wasser über eine Wasserdüse ansteuerbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff und das Wasser über eine kombinierte Düse ansteuerbar sind.