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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 5.
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Um den Kraftstoffverbrauch moderner Verbrennungskraftmaschinen, zu denen beispielsweise Ottomotoren gehören, zu senken, hat sich das Prinzip des sogenannten „Downsizings” bei der Motorenentwicklung durchgesetzt. Im Rahmen des Downsizings geht der Entwicklungstrend dahin, beispielsweise durch einen Turbolader oder einen Kompressor aufgeladene Motoren kleineren Hubraums mit innerer Gemischbildung (Direkteinspritzung) zu entwerfen. Mit derartigen Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Fahrzeuge können bei besonders geringem Kraftstoffverbrauch betrieben werden. Im Sinne eines besseren Ansprechverhaltens und angemessener Fahrleistungen werden zunehmend ein höheres spezifisches Drehmoment sowie eine höhere spezifische Leistung gefordert. Darüber hinaus wird eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses angestrebt, um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern.
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Dieser aufgezeigte Trend geht mit einem Anstieg des Spitzendrucks sowie der Spitzentemperatur im Brennraum einher, womit das Risiko einer vorzeitigen Entflammung (Vorentflammung) an besonders heißen Stellen, nämlich an sogenannten „Hot Spots” im Brennraum steigt. Unter der Vorentflammung versteht man eine unkontrollierte Einleitung der Verbrennung vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt. Die Verwendung minderwertigen Kraftstoffs, also sogenannten Schlechtkraftstoffs mit beispielsweise erhöhtem Schwefelgehalt, glühende Partikel oder Ablagerungen im Brennraum können das Risiko einer auftretenden Vorentflammung erhöhen. Neben der Tatsache, dass es durch eine Vorentflammung in Folge des schlechteren Wirkungsgrades durch eine entsprechend frühe Verbrennungsschwerpunktlage zu einer kurzzeitigen Verringerung des Drehmoments kommt, kann die Vorentflammung aufgrund sehr hoher Druckamplituden irreparable Schäden am Verbrennungsmotor zur Folge haben.
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Um das Risiko eines Motorschadens durch Vorentflammung zu minimieren, ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren als bekannt zu entnehmen, bei welchem moderne Ottomotoren eine auftretende Vorentflammung mittels eines Sensors detektieren, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Diese Gegenmaßnahmen ziehen in der Regel eine Veränderung der Einspritzstrategie des Kraftstoffs nach sich. Beispielhaft sei diesbezüglich die kurzzeitige Abschaltung des betroffenen Zylinders genannt, wie sie in der
DE 10 2006 015 662 A1 beschrieben ist. Eine weitere Maßnahme stellt eine Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mit Kraftstoff, also ein sogenanntes „Anfetten” des Gemischs dar, wie es beispielsweise in der
DE 10 2009 008 248 B4 , der
DE 10 2008 038 102 B4 und der
WO 2010/1 24699 A1 beschrieben ist. Sowohl das kurzzeitige Abschalten des betroffenen Zylinders als auch die Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im betroffenen Zylinder mit Kraftstoff führen zu erheblichen Nachteilen. Diese Nachteile betreffen insbesondere den Komfort, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen. So führt beispielsweise ein Anfetten, also ein Erhöhen des Kraftstoffanteils im Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einem veränderten Verbrennungsluftverhältnis, was beispielsweise die Konvertierungsrate eines Katalysators negativ beeinflusst. Dadurch können beispielsweise vermehrte Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in die Umwelt gelangen.
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Eine Alternative und bereits bekannte Maßnahme zur Unterdrückung der Vorentflammung stellt beispielsweise die Einspritzung von Wasser dar. Das Wasser kann in das Saugrohr oder direkt in den Brennraum eingebracht werden und wird zur effektiven Kühlung der Ladung (Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) ohne Ladedruckverlust genutzt. Dazu wird eine gute Homogenisierung des Wasser-Kraftstoff-Luft-Gemischs angestrebt.
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In der Regel wird das Wasser lediglich in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Motors dosiert und eingebracht. Dabei wird das Wasser im Fall einer Saugrohreinspritzung zum Zeitpunkt des Ansaugens der Ladung in dem Brennraum, im Fall einer Wasserdirekteinspritzung in den Ansaug- oder Kompressionstakt eingespritzt.
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Aus der
DE 10 2012 207 904 A1 ist jedoch auch ein Verfahren bekannt, mit welchem auf ein mittels eines Sensors detektierten Ereignisses reagiert werden kann und nur in dessen Folge eine Einspritzung von Wasser vorgenommen wird. Die Einspritzung erfolgt dann, wie in der
DE 10 2012 207 904 A1 beschrieben, im Kompressionsschub vor dem oberen Totpunkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorentflammung im Brennraum auf verbesserte Weise zu unterdrücken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, bei welchem eine Vorentflammung von dem Brennraum zugeführtem Kraftstoff auf verbesserte Weise unterdrückt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlmedium dem Brennraum in einer Ausschiebephase zugeführt wird, in welcher Gas aus dem Brennraum über jeweilige Auslassorgane der Verbrennungskraftmaschine ausgeschoben wird. Mit anderen Worten wird also das Kühlmedium, welches beispielsweise Wasser oder einem Wasser-Alkohol-Gemisch entsprechen kann, zu einem Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt, in welchem das eingespritzte Kühlmedium die Verbrennung des Kraftstoffs nicht nachteilig beeinflussen kann. Durch das Einspritzen des Kühlmediums in der Ausschiebephase wird nicht nur eine Kühlung von den Brennraum begrenzenden Komponenten, wie beispielsweise dem Kolben oder dem Brennraumdach erreicht, sondern es werden insbesondere auch die Auslassorgane, zu denen beispielsweise Auslassventile oder Auslassschlitze gehören, von dem das Kühlmedium enthaltenden Gas nicht nur kontaktiert, sondern auch umströmt. Dies verbessert die Kühlung der Auslassorgane in besonderem Maße, da die Verdampfungsenthalpie des Kühlmediums genutzt wird, um auch dem Brennraum abgewandte Bereiche der Auslassorgane zu kühlen. Im Gegensatz zum Einspritzen des Kühlmittels während der Verdichtungsphase, ist in der Ausschiebephase also ein effektiveres Kühlen des Auslassventils möglich. Mit anderen Worten wird dabei nicht nur die dem Brennraum zugewandte Telleroberfläche des Auslassventils, sondern auch die dem Brennraum abgewandte Hohlkehle und sogar zumindest ein Teilbereich des Ventilschafts gekühlt, da die Einspritzung des Kühlmedium in der Ausschiebephase auch zu einem Verdampfen des Kühlmediums beim Verlassen des Brennraums führt. Durch das Verdampfen wird dem gerade ausgeschobenen Gas ein besonders großer Wärmeanteil entzogen. Beim Zuführen des Kühlmediums in der Ausschiebephase sind verschiedene Szenarien denkbar. Einerseits kann das Kühlmedium in einen in einem vorausgehenden Arbeitstakt befeuerten Zylinder eingespritzt werden, womit das Kühlmedium mit als Abgas ausgestaltetem Gas vermischt wird und in der Ausschiebephase den Brennraum verlässt. Dies ermöglicht selbst beim gefeuerten Betrieb des Zylinders moderate und somit bauteilschonende Spitzentemperaturen. Andererseits kann das Kühlmedium dem Brennraum jedoch auch zugeführt werden, wenn in dem der Ausschiebephase vorangehenden Arbeitstakt (Kompressionsphase) keine Verbrennung erfolgt ist. Ein entsprechender Betriebszustand wird beispielsweise bei einer selektiven Zylinderabschaltung erreicht, bei welcher in abgeschaltete Zylinder kein Kraftstoff eingebracht wird. Wenn im vorangehenden Arbeitstakt keine Verbrennung erfolgt ist, so kann die Temperatur im Brennraum durch das Zuführen des Kühlmittels während der Ausschiebephase besonders weit abgesenkt werden, was den Wirkungsgrad auf besonders günstige Weise beeinflusst.
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Die Vorentflammung im Brennraum kann also auf verbesserte Weise unterdrückt werden, wenn eine möglichst geringe Menge des flüssigen Kühlmittels, also beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch als Folge einer detektierten Vorentflammung direkt in den Brennraum eingebracht wird, wobei die Zuführung beziehungsweise Einspritzung des flüssigen Kühlmittels erst im Anschluss an die Verbrennung und somit kurz vor oder während der Ausschiebephase erfolgt. Durch den gewählten Zeitpunkt der Einspritzung werden der Brennraum und heiße Bauteile (z. B. Auslassorgane wie die Auslassventile) besonders effektiv gekühlt ohne dass damit eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Im darauf folgenden Arbeitsspiel führen die deutlich geringeren Brennraumtemperaturen beziehungsweise die deutlich geringeren Temperaturen der zuvor heißen Bauteile, wie beispielsweise der Auslassventile, zu einer deutlichen Reduktion des Risikos für eine etwaige Vorentflammung.
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Darüber hinaus können Ablagerungen oder glühende Partikel im Brennraum durch die Einspritzung des Kühlmediums gezielt gereinigt und gelöscht werden. Dies führt ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung des Risikos für die Vorentflammung. Denkbar ist es dabei, die Einspritzung auf einen Bereich des Brennraums zu richten, welcher erwartungsgemäß durch Ablagerungen verschmutzt wird, um in diesen Ablagerungen aufgrund der Verdampfung des Kühlmediums zumindest in der Nähe dieser Ablagerungen Thermospannungen und damit Risse zu erzeugen, um ein leichteres Ablösen der Ablagerungen zu erreichen.
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Idealerweise wird der größte Teil des eingebrachten flüssigen Kühlmediums im Bereich der höchsten Bauteiltemperaturen im Brennraum eingebracht. Dieser Absicht wird bei der Auslegung des dazu verwendeten Injektors zum Einspritzen des Kühlmediums, dessen Strahlbild und dessen Positionierung Rechnung getragen. Bevorzugte Bereiche, die durch die Einspritzung des flüssigen Mediums gekühlt werden sollten, sind neben den Auslassventilen, die Einlassventile und heiße Bereiche der Kolbenoberfläche.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Kühlmedium Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch verwendet. Das Kühlmedium besteht im Wesentlichen zum einen aus einem nicht oder zumindest schwer entflammbaren Stoff mit möglichst hoher Wärmekapazität sowie möglichst hoher Verdampfungsenthalpie, welcher nach Möglichkeit nicht an der Verbrennung teilnimmt. Demzufolge ist Wasser als das Kühlmedium besonders geeignet. Zudem stellt Wasser ein besonders günstiges und ausreichend verfügbares Kühlmedium dar. Des Weiteren ist als Kühlmedium ein Stoff denkbar, der zur Absenkung des Schmelzpunktes bei einem aus mehreren Komponenten zusammengemischten Kühlmedium verwendet wird, um bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein Erstarren des Kühlmediums zu verhindern. Als Kühlmittel kommt hierbei ein Wasser-Alkohol-Gemisch in Frage. Das Kühlmedium entspricht dann einem Frostschutzmittel. Diesbezüglich könnten beispielsweise Alkohole wie Ethanol oder Isopropanol, Methanol oder andere bekannte Frostschutzmittel wie 1,2-Ehtandiol (Glykol) Verwendung finden. Die Konzentration des Frostschutzmittels, also des Wasser-Alkohol-Gemischs als dem Kühlmedium wäre dabei dem gewünschten Schmelzpunkt anzupassen. Um eine Zuführung (Einspritzung) des Kühlmediums zum Zeitpunkt eines hohen Brennraumdrucks zu ermöglichen, wird das Kühlmedium mit einem Druck von mindestens 100 bar eingespritzt. Dies ermöglicht auch bei aufgeladenen Motoren beziehungsweise bei Motoren mit hohem Dichtungsverhältnis ein sicheres Zuführen des Kühlmediums in den Brennraum.
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Von Vorteil ist weiterhin, wenn das Kühlmedium dem Brennraum durch wenigstens zwei zeitlich voneinander getrennte Einspritzungen während der Ausschiebephase zugeführt wird. Der Zeitpunkt der Einspritzung, bzw. die jeweiligen Zeitpunkte der Einspritzungen liegen im Anschluss an die Verbrennung kurz vor oder während der Ausschiebephase. Dadurch werden der Brennraum und heiße Bauteile effektiv gekühlt ohne eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemissionen zu bedingen. Im darauffolgenden Arbeitsspiel führen die deutlich geringeren Brennraumtemperaturen zu einer erheblichen Reduktion des Risikos für Vorentflammung. Darüber hinaus können Ablagerungen oder glühende Partikel im Brennraum durch die Einspritzung gezielt gereinigt und gelöscht werden, was ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung des Risikos für Vorentflammung führt. Durch wenigstens zwei voneinander zeitlich getrennten Einspritzungen des Kühlmediums werden besonders viele Freiheitsgrade bei der Kühlstrategie, also der Einspritzstrategie geschaffen.
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Die wenigstens zwei zeitlich voneinander getrennten Einspritzungen stellen dabei eine sogenannte Mehrfacheinspritzung dar, wobei auch mehr als besagte zwei Einspritzungen denkbar sind. Durch die Mehrfacheinspritzung ist eine Aufteilung der Gesamtmenge des eingespritzten Kühlmediums mit verschiedenen Teilmengen zu unterschiedlichen Zeitpunkten über voneinander verschiedene Zeitintervalle denkbar, um die Wirkung der Kühlung zu optimieren und den Bedarf des Kühlmediums zu reduzieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein jeweiliger Zeitpunkt der wenigstens zwei zeitlich voneinander getrennten Einspritzungen durch eine, heiße Bereiche im Brennraum detektierende Detektionseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und dem Brennraum das Kühlmedium zu dem jeweiligen Zeitpunkt zugeführt. Eine derartige Detektionseinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Sensoren, wie beispielsweise Temperatur-, Druck- oder Klopfsensoren umfassen anhand deren Signalen der optimale jeweilige Zeitpunkt der Einspritzungen geregelt wird. Dies erlaubt die besonders exakte Bestimmung des optimalen Zeitpunkts für die Zuführung des Kühlmediums.
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Das besagte Verfahren findet beispielsweise an einem fremdgezündeten Ottomotor mit Vierventiltechnik, zumindest annähernd zentraler Lage des Benzininjektors, einem Kraftstoffdruck von mindestens 200 bar und einem Verdichtungsverhältnis zwischen 8:1 und 13:1 Anwendung. Die bevorzugte Betriebsart ist der homogene, stöchiometrische Betrieb, wobei gegebenenfalls eine Abweichung in Richtung eines fetten Kraftstoff-Luft-Gemischs vorliegt.
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Entsprechend der Motorgeometrie weist der Injektor zur Einspritzung des Kühlmediums wenigstens ein Mehrlochventil mit mindestens drei Löchern auf, wobei das Mehrlochventil zwischen den Einlassventilen oder seitlich zwischen den Ein- und Auslassventilen angeordnet ist.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Einspritzvorrichtung und mit einem Brennraum, welchem mittels der Einspritzvorrichtung ein Kühlmedium zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Das Kühlmedium ist dem Brennraum in einer Ausschiebephase zuführbar, in welcher Gas aus dem Brennraum über jeweilige Auslassorgane der Verbrennungskraftmaschine ausschiebbar ist. Durch diese Verbrennungskraftmaschine ist eine besonders weitreichende Unterdrückung von Vorentflammung des dem Brennraum zugeführten Kraftstoffs ermöglicht. Zudem werden der Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine erheblich gesenkt. Der Flüssigkeitsbedarf an dem Brennraum zugeführtem Kühlmedium kann durch detektionsabhängige, gegebenenfalls lokale Einspritzungen des Kühlmediums minimiert werden. Dadurch können glühende Partikel oder Ablagerungen im Brennraum gelöscht, beziehungsweise entsprechende Bereiche des Brennraums rechtzeitig gereinigt werden.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006015662 A1 [0004]
- DE 102009008248 B4 [0004]
- DE 102008038102 B4 [0004]
- WO 2010/124699 A1 [0004]
- DE 102012207904 A1 [0007, 0007]