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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 31 33 939 A1 beschrieben, eine Brennkraftmaschine bekannt. Bei der Brennkraftmaschine ist jede Verbrennungskammer mit einem Injektor versehen, durch den Wasser oder ein anderes Nichtkraftstoffmaterial in die Verbrennungskammer injiziert wird. Das Kompressionsverhältnis der Maschine ist größer als dasjenige, welches normalerweise für den in der Maschine verwendeten Kraftstoff zulässig oder noch annehmbar ist. Die Menge an Wasser oder an anderem Nichtkraftstoffmaterial ist ausreichend, die maximalen und mittleren Temperaturen oder die maximale und mittlere Temperatur der Verbrennung auf einem gewählten Niveau unterhalb der unkontrollierten Temperaturen zu halten. Die Injektion wird durchgeführt, nachdem die Kraftstoff-Luft-Ladung gezündet worden ist, jedoch vor der Selbstzündung des Endgases.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Brennkraftmaschine weist zumindest einen Zylinder, einen Ansaugtrakt und einen Abgastrakt auf. Erfindungsgemäß umfasst die Brennkraftmaschine eine Lösungseinspritzanlage zum Einspritzen einer wässrigen Lösung in den Ansaugtrakt und/oder in einen Brennraum des zumindest einen Zylinders.
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Bei diesen Brennkraftmaschinen wird zur Optimierung des Wirkungsgrades eine höhere Verdichtung in einem Teillastbetrieb angestrebt. Diese Erhöhung der Verdichtung im Teillastbetrieb ist jedoch bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen nur beschränkt möglich, da sonst in einem Volllastbetrieb und in volllastnahen Betriebsbereichen eine erhöhte Klopfneigung auftritt. Des Weiteren steigt eine Abhängigkeit einer Maximalleistung der Brennkraftmaschine von einer Ansaugtemperatur, wenn die Brennkraftmaschine als eine hoch aufgeladene Brennkraftmaschine ausgebildet ist, welche beispielsweise bei extremen Downsizingkonzepten zum Einsatz kommt. Als Downsizing wird eine Verringerung des Hubraums der Brennkraftmaschine bezeichnet, wobei ein daraus resultierender Leistungsverlust durch eine höhere Aufladung, d. h. durch eine höhere Verdichtung der dem Zylinder zugeführten Frischluft beispielsweise mittels eines Turboladers, ausgeglichen wird.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist bei gleicher Maximalleistung ein höherer Teillastwirkungsgrad der Brennkraftmaschine erreicht, denn durch die Einspritzung der wässrigen Lösung bevorzugt in den Ansaugtrakt, alternativ oder zusätzlich aber auch in die Brennkammer, kann ein höheres geometrisches Verdichtungsverhältnis ermöglicht werden. Diese Erhöhung wirkt sich in höheren Betriebspunkten eher negativ bezüglich einer Leistungserhöhung aus, so dass die Maximalleistung und eine Klopfneigung bei Volllast oder in volllastnahen Bereichen unverändert bleiben. Aus der Verbesserung des Wirkungsgrades resultiert eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs. Diese Vorteile werden durch die erfindungsgemäße Lösung mit einem geringen Aufwand erreicht, da keine mechanisch aufwändigen Systeme wie beispielsweise eine variable Kompression erforderlich sind.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschine ermöglicht somit die Lösung des Konflikts zwischen hohem Teillastwirkungsgrad und niedriger Klopfneigung in hohen Lastbereichen. Zusätzlich bietet die Einspritzung der wässrigen Lösung die Möglichkeit der Absenkung einer Abgastemperatur. Dadurch kann eine Volllastanfettung zum Schutz von Bauteilen der Brennkraftmaschine reduziert werden oder entfallen, so dass der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden kann..
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Brennkraftmaschine, und
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2 schematisch ein Kompressionsendtemperatur-Drehzahl-Diagramm.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt, schematisch stark vereinfacht, eine Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 ist im hier dargstellten Beispiel als ein Ottomotor mit einer Benzindirekteinspritzung ausgebildet und weist zumindest einen Zylinder 2 mit einer Zündkerze 3, einem Kraftstoffeinspritzventil 4, einem mittels eines Einlassventils 5 zu öffnenden und zu schließenden Einlass, einem mittels eines Auslassventils 6 zu öffnenden und zu schließenden Auslass sowie einem im Zylinder 2 hubverstellbar angeordneten Kolben 7 auf. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 1 einen mit dem Einlass verbundenen Ansaugtrakt 8 und einen mit dem Auslass verbundenen Abgastrakt 9 auf. Die Brennkraftmaschine 1 kann auch eine Mehrzahl von Zylindern 2 aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier jedoch nur ein Zylinder 2 dargestellt.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist zudem eine Lösungseinspritzanlage 10 zum Einspritzen einer wässrigen Lösung in den Ansaugtrakt 8 und/oder in einen Brennraum 11 des zumindest einen Zylinders 2 auf. In einem Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird zu vorgegebenen Zeitpunkten, beispielsweise in vorgegebenen Perioden und/oder Betriebszuständen und/oder Betriebszyklen der Brennkraftmaschine 1, eine vorgegebene Menge der wässrigen Lösung in den Ansaugtrakt 8 und/oder in den zumindest einen Zylinder 2 eingespritzt. Zweckmäßigerweise wird die vorgegebene Menge der wässrigen Lösung in den Ansaugtrakt 8 und/oder in den zumindest einen Zylinder 2 eingespritzt, während das Einlassventil 5 des Zylinders 2 geöffnet ist und vor einer Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder 2 und einer anschließenden Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 11 des Zylinders 2.
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Die eingespritzte Lösung ist beispielsweise als reines Wasser oder wässriges Gemisch ausgebildet, wobei das wässrige Gemisch Wasser und ein Additiv oder eine Mehrzahl von Additiven umfasst. Als Additive sind Alkohol, Alkohole oder Ether denkbar. Zweckmäßigerweise sollten die Additive die Klopfneigung des Kraftstoff Luft Gemischs verringern. Der Alkohol dieser wässrigen Lösung ist beispielsweise Ethanol. Es handelt sich bei der dem Wasser beigemischten Komponente der wässrigen Lösung vorzugsweise um eine Kraftstoffkomponente, d. h. um eine Komponente, welche im Brennraum 11 als Bestandteil des Kraftstoff-Luft-Gemischs zündbar und verbrennbar ist. Alternativ oder zusätzlich zum Alkohol oder zu den Alkoholen kann die wässrige Lösung beispielsweise auch ein anderes geeignetes ungefährliches Mittel umfassen, beispielsweise ein anderes Lösungsmittel.
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Zum Einspritzen der wässrigen Lösung ist im Ansaugtrakt 8 und/oder im Zylinder 2 zumindest ein vorzugsweise gesteuertes und/oder geregeltes Lösungseinspritzventil 12 angeordnet. Die Anordnung des zumindest einen Lösungseinspritzventils 12 im Ansaugtrakt 8 bietet den Vorteil eines größeren nutzbaren Bauraums. Zudem ist ein Wirkungsgrad der eingespritzten wässrigen Lösung höher als bei einer Einspritzung der wässrigen Lösung direkt in den Brennraum 11. Die durch die Einspritzung der wässrigen Lösung erreichte Wirkung wird im Folgenden noch näher erläutert.
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Im hier dargestellten Beispiel ist lediglich im Ansaugtrakt 8 ein solches Lösungseinspritzventil 12 angeordnet, so dass die wässrige Lösung in den Ansaugtrakt 8 eingespritzt wird. Dabei kann das Lösungseinspritzventil 12, insbesondere in Strömungsrichtung der angesaugten Luft nach einer Drosselklappe des Ansaugtraktes 8, in einem Saugrohr des Ansaugtraktes 8 oder einem Luftsammler des Ansaugtraktes 8 angeordnet sein. Umfasst die Brennkraftmaschine 1 mehrere Zylinder 2, so weist jeder Zylinder 2 einen eigenen, vom Luftsammler abgehenden, Ansaugkanal auf. Der Ansaugtrakt 8 umfasst dann diese Ansaugkanäle sowie das Saugrohr und den Luftsammler, aus welchem die angesaugte Luft über diese Ansaugkanäle in die Zylinder strömt. In diesem Fall ist das zumindest eine Lösungseinspritzventil 12 im Saugrohr oder Luftsammler angeordnet oder es ist in jedem Ansaugkanal jeweils ein Lösungseinspritzventil 12 angeordnet. Durch die Zuordnung jeweils eines Lösungseinspritzventils 12 zu jedem Zylinder 2, welches zweckmäßigerweise im Ansaugkanal des jeweiligen Zylinders 2 angeordnet ist, ist eine gezielte zylinderselektive Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung der wässrigen Lösung und der jeweiligen eingespritzten Menge der wässrigen Lösung ermöglicht.
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Um das Einspritzen der wässrigen Lösung zu ermöglichen, umfasst die Lösungseinspritzanlage 10 einen Lösungsbehälter 13 für die wässrige Lösung, aus welchem diese mittels einer Pumpe 14 dem zumindest einen Lösungseinspritzventil 12 zuführbar ist. Zur Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung der wässrigen Lösung weist die Lösungseinspritzanlage 10 eine mit dem zumindest einen Lösungseinspritzventil 12 und/oder mit der Pumpe 14 verbundene Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 auf. Dabei kann es sich bei der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 beispielsweise um ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 oder um ein separates Steuergerät handeln.
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Durch die oben beschriebene Einspritzung der wässrigen Lösung zweckmäßigerweise während das Einlassventil 5 des Zylinders 2 geöffnet ist und vor einer Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder 2 wird eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 1 erreicht, da durch die eingespritzte wässrige Lösung eine Abkühlung der Ansaugluft und/oder eine Abkühlung im Brennraum 11 erzielt wird. Diese Abkühlung ermöglicht eine erhöhte Füllung des Brennraums 11 durch eine mittels der Abkühlung erreichte Dichteänderung der angesaugten Luft im Zylinder 2. Zudem wird durch diese Abkühlung eine Absenkung einer Kompressionsendtemperatur TK erreicht. Dadurch sinkt zusätzlich die Klopfneigung der Brennkraftmaschine 1. Hierdurch sind höhere Leistungen möglich.
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Besonders wünschenswert ist eine hohe Verdichtung im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1, welche jedoch bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen nur beschränkt möglich war, da sonst in einem Volllastbetrieb und in volllastnahen Betriebsbereichen eine erhöhte Klopfneigung auftritt. Des Weiteren steigt eine Abhängigkeit einer Maximalleistung von einer Ansaugtemperatur, wenn derartige aus dem Stand der Technik bekannte Brennkraftmaschinen als hoch aufgeladene Brennkraftmaschinen ausgebildet sind, welche beispielsweise bei extremen Downsizingkonzepten zum Einsatz kommen. Als Downsizing wird eine Verringerung des Hubraums bezeichnet, wobei ein daraus resultierender Leistungsverlust durch eine höhere Aufladung, d. h. durch eine höhere Verdichtung der zugeführten Frischluft beispielsweise mittels eines Turboladers ausgeglichen wird.
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Bei der hier beschriebenen Brennkraftmaschine 1 wird durch deren Ausbildung und durch das Verfahren zu deren Betrieb eine höhere Verdichtung im Teillastbetrieb ermöglicht, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 optimiert ist. Auf diese Weise wird bei gleicher Maximalleistung ein höherer Teillastwirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 erreicht, denn durch die Einspritzung der wässrigen Lösung bevorzugt in den Ansaugtrakt 8, alternativ oder zusätzlich aber auch in die Brennkammer, wird ein höheres geometrisches Verdichtungsverhältnis ermöglicht. Aus der Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich resultiert eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs. Diese Vorteile werden durch die beschriebene Lösung mit einem geringen Aufwand erreicht, da keine mechanisch aufwändigen Systeme wie beispielsweise eine variable Kompression erforderlich sind. Da bei der beschriebenen Lösung keine Steigerung der Maximalleistung angestrebt wird, sondern diese gleichbleibend ist, hat die höhere Verdichtung im Teillastbetrieb durch die beschriebene Lösung keinen negativen Einfluss auf die Klopfneigung der Brennkraftmaschine 1 bei Volllast oder im volllastnahen Bereich.
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Eine gezielte zylinderselektive Steuerung und/oder Regelung der Zylinderfüllung und Klopfneigung über die Menge der eingespritzten wässrigen Lösung lässt sich durch jeweils ein gesteuertes und/oder geregeltes Lösungseinspritzventil 12 pro Zylinder 2 erreichen. Diese Lösungseinspritzventile 12 können sich, wie oben bereits beschrieben, jeweils im Saugrohr, im Luftsammler oder im Zylinder 2 oder vorteilhafterweise im Ansaugkanal des jeweiligen Zylinders 2 befinden.
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In 2 ist ein Kompressionsendtemperatur TK-Drehzahl n-Diagramm schematisch dargestellt. Anhand dieses Diagramms wird beispielhaft gezeigt, wie sich bei einer Erhöhung der geometrischen Verdichtung die Kompressionsendtemperatur TK ändert. Dies hat wesentlichen Einfluss auf die Klopfneigung und damit auf den thermodynamischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1. Mittels einer durchgezogenen Linie ist ein erster Kompressionsendtemperaturverlauf VTK1 bei einer geometrischen Basisverdichtung dargestellt. Bei einer Erhöhung der geometrischen Verdichtung erhöht sich bei Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik auch die Kompressionsendtemperatur TK, so dass diese Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik dann einen als gepunktete Linie dargestellten zweiten Kompressionsendtemperaturverlauf VTK2 aufweisen.
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Durch die oben beschriebene Einspritzung der wässrigen Lösung wird ebenfalls eine solche höhere geometrische Verdichtung ermöglicht, wobei jedoch gleichzeitig ein Klopfniveau einer Basisverdichtung wieder erreicht wird oder das Klopfniveau sogar weiter verbessert wird. Ein Einflussfaktor auf die Klopfneigung ist die Kompressionsendtemperatur TK, die in Folge eines Verdampfungsvorgangs der eingespritzten wässrigen Lösung, insbesondere des darin enthaltenen Wassers, sowie durch eine Änderung der kalorischen Eigenschaften des sich durch die Einspritzung der wässrigen Lösung im Brennraum 11 des jeweiligen Zylinders 2 bildenden Gemischs verringert wird. Es wird auf diese Weise ein in 2 mittels einer gestrichelten Linie dargestellter dritter Kompressionsendtemperaturverlauf VTK3 erreicht, welcher hier auf dem Niveau des ersten Kompressionsendtemperaturverlauf VTK1 der geometrischen Basisverdichtung liegt, wobei durch die beschriebene Ausbildung der Brennkraftmaschine 1 und das Verfahren zu deren Betrieb jedoch, wie beschrieben, eine deutlich höhere geometrische Verdichtung ermöglicht wird.
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Die auf die beschriebene Weise ausgebildete Brennkraftmaschine 1 und das Verfahren zu deren Betrieb ermöglichen somit die Lösung des Konflikts zwischen hohem Teillastwirkungsgrad und niedriger Klopfneigung in hohen Lastbereichen. Zusätzlich bietet die Einspritzung der wässrigen Lösung die Möglichkeit der Absenkung einer Abgastemperatur. Dadurch kann eine Volllastanfettung zum Schutz von Bauteilen der Brennkraftmaschine 1 reduziert werden oder entfallen.
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Im hier dargestellten Beispiel weist die Brennkraftmaschine 1 zudem eine Abgasrückführung auf, welche in diesem Beispiel als externe Abgasrückführung ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist daher zumindest eine Abgasrückführleitung 16 auf, welche vom Abgastrakt 9 ausgeht und in den Ansaugtrakt 8 mündet. Zur Steuerung und/oder Regelung der Abgasrückführung ist in der Abgasrückführleitung 16 ein Abgasrückführventil 17 angeordnet.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Abgasrückführung auch als interne Abgasrückführung ausgebildet sein. Bei der internen Abgasrückführung wird das Einlassventil 5 verfrüht geöffnet, auch als Einlassrückschieben bezeichnet. Zusätzlich kann das Auslassventil 6 verspätet geschlossen werden. Dies wird als Doppelrücksaugen bezeichnet. Auf diese Weise wird die interne Abgasrückführung erreicht, denn das Abgas wird nicht vollständig durch das Auslassventil 6 aus dem jeweiligen Zylinder 2 ausgestoßen, sondern durch das verfrühte Öffnen des Einlassventils 5 und gegebenenfalls zusätzlich das verspätete Schließen des Auslassventils 6 wird ein Teil des Abgases aus dem Zylinder 2 und bei dem verspäteten Schließen des Auslassventils 6 auch aus dem Abgastrakt 9 über das Einlassventil 5 in den Ansaugtrakt 8 eingeführt und somit nachfolgend zusammen mit über den Ansaugtrakt 8 zugeführter Frischluft wieder über das Einlassventil 5 dem Zylinder 2 für eine nachfolgende Verbrennung zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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