DE102007050511A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, wobei in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoffgemisch erzeugt wird, wobei in wenigstens einem vorbestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem Luft-Kraftstoffgemisch Wasser zugegeben wird. Hierbei wird die Wassereinspritzung hinsichtlich Wassermenge, zeitlicher Dauer und Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung, bezogen auf einen Kurbelwinkel, derart durchgeführt, dass bei einem Lambdawert von größer 1 NOx-Emissionen unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegen und/oder eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei Kraftstoff mit geringer Oktanzahl verringert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, wobei in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoffgemisch erzeugt wird, wobei in wenigstens einem vorbestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem Luft-Kraftstoffgemisch Wasser zugegeben wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Moderne Motoren weisen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs eine relativ hohe Verdichtung auf. In Ländern mit „schlechter Kraftstoffqualität" wird die für den Betrieb notwendige Klopffestigkeit im Kraftstoff (gekennzeichnet durch die Oktanzahl ROZ) nicht gehalten. Eine Senkung der Verdichtung und höherer Verbrauch sind die Folge. In Deutschland ist für Ottomotoren üblicherweise Superplus ROZ min. 98, Super ROZ min. 95, Normal ROZ min. 91 erhältlich. In Schwellenländern ist ROZ < 89 möglich.
  • Zur Vermeidung von zu hohen Bauteiltemperaturen ist es bei Brennkraftmaschinen in bestimmten Betriebszuständen vorgesehen, eine Anfettung des Luft-Kraftstoffgemisches (Kraftstoffüberschuss λ < 1) vorzusehen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und erhöhte HC-Emissionen ergeben.
  • Aus der DE 199 02 349 A1 ist ein Wassereinspritzmengen-Steuerungssystem für einen Motor mit Kraftstoff- und Wassereinspritzung bekannt. Hierbei wird in Abhängigkeit von einem Laufzustand des Motors sowie einem Betriebszustand eines EGR-Systems eine eingespritzte Wassermenge festgelegt. Hierbei wird durch Erniedrigen der Verbrennungstemperatur ein NOx-Ausstoß vor allem in solchen Betriebszuständen verringert, in denen eine Motorlast über einem vorbestimmten Wert liegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich des thermischen Schutzes von Bauteilen der Brennkraftmaschine sowie hinsichtlich der Möglichkeit, Kraftstoff mit minderer Qualität zu verwenden, zu verbessern, ohne dabei eine Erhöhung von Schadstoffemissionen oder des Kraftstoffverbrauches hinnehmen zu müssen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wassereinspritzung hinsichtlich Wassermenge, zeitlicher Dauer und Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung bezogen auf einen Kurbelwinkel derart durchgeführt wird, dass bei einem Lambdawert von größer 1 NOx-Emissionen unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegen und/oder eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei Kraftstoff mit geringer Oktanzahl verringert wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass ein thermischer Bauteilschutz durch mageren Betrieb der Brennkraftmaschine realisiert werden kann, ohne eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauches sowie von NOx-Emission. Gleichzeitig ist eine Verwendung von Kraftstoff minderer Qualität möglich, ohne dafür die Verdichtung absenken zu müssen, um die Klopffestigkeit zu erhöhen.
  • Der Kraftstoff weist beispielsweise eine Oktanzahl (ROZ – Research Oktan Zahl) von kleiner oder gleich 90, insbesondere 89, 80 oder 70, auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Wasser in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine oder in den Brennraum direkt eingespritzt.
  • Zweckmäßigerweise wird das Wasser als partielle Menge in die Einspritzung der direkt eingespritzten Kraftstoffmenge in Form einer geschichteten Einspritzung eingebracht.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird Wassermenge, zeitlicher Dauer und Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung bezogen auf einen Kurbelwinkel in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine aus einem Modell berechnet.
  • Zweckmäßigerweise wird die zuzugebende Wassermenge wenigstens teilweise aus einem Abwasser einer Klimaanlage und/oder einem separaten Wassertank entnommen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine graphische Veranschaulichung der HC- sowie der NOx-Emissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit verschiedenen Lambdawerten.
  • Bisher wird zur Kühlung von Bauteilen, mit der so genannten Anfettung mit erhöhtem Kraftstoffbedarf gefahren, was neben einem Mehrbedarf an Kraftstoff einen Anstieg von HC-Emissionen zur Folge hat (vgl. Fig.). Im Rahmen von möglichen Kraftstoff- sowie CO2-Einsparmaßnahmen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen anstatt den fetten Bereich (Lambda kleiner 1) den mageren Bereich (Lambda größer 1) zu berücksichtigen. Der magere Bereich hat eine absolute Grenze je nach Brennraumgestaltung für homogen betriebene Ottomotoren bei Lambda = 1,15. Der Betrieb im mageren Bereich zur Reduktion der Bauteiltemperatur führt jedoch ohne weitere zusätzliche Maßnahmen zu einer Erhöhung der NOx-Emissionen (vgl. Fig.).
  • Unterschiedliche Messverfahren hinsichtlich der HC Konzentration wenden verschiedene Maßstäbe an. Das Verfahren mit MVEG Zyklus misst die HC Konzentration bei einer max. Geschwindigkeit von 120 km/h. Ein Messverfahren des TCS legt strengere Maßstäbe fest. Es wird die HC-Konzentration bei z. B. 130 km/h und 160 km/h ermittelt, wobei auch jede andere Geschwindigkeit festgelegt werden könnte. Bedingt durch die für die höhere Geschwindigkeit erhöhte Beanspruchung der Maschine stößt man an die Grenzen der Anfettung in Bezug auf den unerwünschten Mehrverbrauch.
  • Um den mageren, weniger Kraftstoff verschwendenden Bereich zu nutzen, wird erfindungsgemäß zur Reduzierung bzw. Vermeidung von NOx eine Wassereinspritzung als innermotorische Lösung vorgeschlagen. Dies vermeidet eine aufwändige Abgasnachbehandlung mit Speicherkatalysator. Das Einbringen von Wasser erfolgt beispielsweise durch Einspritzventile im Saugrohr und in einer Direkteinspritzung. Alternativ ist auch eine geschichtete Wassereinspritzung vorgesehen. Hierzu käme zu der berechneten Ansteuerung zum Einbringen der Wassers in den Brennraum, eine Berechnung der Einspritzlage bezogen beispielsweise auf den Kurbelwellenwinkel.
  • Das Wasser kann neben der oben erläuterten Einsparung von Kraftstoff beim thermischen Bauteilschutz durch Lambda größer 1 sowie als Kühlmittelersatz für den Kraftstoff auch zum Verringern der Klopfneigung bei minderwertigem Kraftstoff, beispielsweise für Kraftstoff mit geringer Oktanzahl, eingesetzt werden. Die sonst notwendige Reduktion der Verdichtung zur Verbesserung der Klopffestigkeit und der daraus resultierende höhere Verbrauch kann wirksam vermieden werden.
  • Beispielsweise wird in einer bereits in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine integrierten Klopfregelung zusätzlich modellbasiert die notwendige Menge, Zeit und Lage der Wassereinspritzung berechnet.
  • Die Erfindung stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, Verbrauch und Emissionen zu senken. Die Zugabe des Wassers erfolgt beispielsweise mittels gesonderten Einspritzventilen. Insbesondere wird das Wasser, das bei der betriebenen Klimaanlage entsteht, dem Verwendungszweck als in den Brennraum zugegebenes Wasser zugeführt oder dieses Wasser wird einem zusätzlichen Wassertank entnommen, der ein Volumen von etwa 12 L aufweist.
  • Bei Erkennung eines schlechten, zum Klopfen neigenden Kraftstoffes ist die Funktion der zusätzlichen Wassereinspritzung in der bereits vorhandenen Klopfregelung integriert, wobei modellbasiert die notwendige Menge, Zeit und Lage der Wassereinspritzung berechnet und ausgegeben werden. Erfindungsgemäß ist somit eine Kombination von Wassereinspritzung in Abhängigkeit der erkannten Qualität des Kraftstoffes vorgesehen.
  • Bei Ansteuerung des Bauteilschutzes „mager" wird eine optimale Wassermenge und Einspritzzeit für die installierten Einrichtung zum Einbringen des Wassers in den Brennraum berechnet. Das Einbringen des Wasser erfolgt durch Einspritzventile im Saugrohr und/oder einer Direkteinspritzung in den Brennraum. Alternativ wird das Wassers als partielle Menge in die Einspritzung der direkt eingespritzten Kraftstoffmenge (geschichtete Wassereinspritzung) hinzugefügt. Hinzu kommt die Berechnung der Einspritzlage bezogen auf den Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine.
  • 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 19902349 A1 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, wobei in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoffgemisch erzeugt wird, wobei in wenigstens einem vorbestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem Luft-Kraftstoffgemisch Wasser zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzung hinsichtlich Wassermenge, zeitlicher Dauer und Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung bezogen auf einen Kurbelwinkel derart durchgeführt wird, dass bei einem Lambdawert von größer 1 NOx-Emissionen unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegen und/oder eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei Kraftstoff mit geringer Oktanzahl verringert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff eine Oktanzahl (ROZ – Research Oktan Zahl) von kleiner oder gleich 90, insbesondere 89, 80 oder 70, aufweist.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser in den Brennraum direkt eingespritzt wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als partielle Menge in die Einspritzung der direkt eingespritzten Kraftstoffmenge in Form einer geschichteten Einspritzung eingebracht wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wassermenge, zeitlicher Dauer und Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung bezogen auf einen Kurbelwinkel in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine aus einem Modell berechnet wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzugebende Wassermenge wenigstens teilweise aus einem Abwasser einer Klimaanlage und/oder einem separaten Wassertank entnommen wird.
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