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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.
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Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So ist z.B. aus der
WO 2014/080266 A1 ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, bei dem das Wasser in den Massenstrom der Abgasrückführung eingespritzt wird.
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Zwischen den Betriebspunkten, bei denen das Wassereinspritzsystem aktiviert wird, ist die zum Fördern des Wassers benutzte Pumpe abgeschaltet. Das heißt, dass während dieser Zeit das Wasser in den Injektoren und den Leitungen des Wassereinspritzsystems steht. Durch die hohen Temperaturen der Teile der Brennkraftmaschine in der Nähe des Wassereinspritzsystems kann das stehende Wasser bis zur Dampfbildung aufheizen. Dieser Effekt verschärft sich bei Fahrten in großer Höhe, wo der Luftdruck niedriger ist. Die Dampfbildung verhindert beim Wiedereinschalten der Pumpe einen schnellen Druckaufbau und somit eine schnelle Betriebsbereitschaft der Wassereinspritzung. Dies kann zu Funktionsbeeinträchtigungen beim erneuten Start des Wassereinspritzsystems führen. Aufgrund dieser verzögerten Betriebsbereitschaft könnte es bei schnellen Lastsprüngen zu Temperaturspitzen im Abgas sowie Klopfereignissen in der Verbrennung kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Betriebsbereitschaft der Wassereinspritzvorrichtung schnell und kostengünstig ermittelt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch das Erfassen einer Stromaufnahme eines Antriebs des Förderelements erreicht, da die Stromaufnahme in Zusammenhang mit dem Drehmoment des elektrischen Antriebs des Förderelements steht und damit abhängig vom Systemdruck der Wassereinspritzvorrichtung ist. Hierbei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser einer Brennkraftmaschine einen Wassertank zur Speicherung von Wasser, ein Förderelement zur Förderung des Wassers, wobei das Förderelement mit dem Wassertank verbunden ist, mindestens einen Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser, welcher mit dem Förderelement verbunden ist, einen Antrieb zum Antreiben des Förderelements, und eine Steuereinheit auf, welche eingerichtet ist, eine Stromaufnahme des Antriebs zu erfassen, um einen Systemdruck in einem Leitungsbereich zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor zu bestimmen. Durch die Auswertung der Stromaufnahme des Antriebs kann indirekt ein Rückschluss auf den Systemdruck erfolgen. Wenn keine Dampfbildung erkannt wird, kann die Forderung nach schneller Betriebsbereitschaft der Wassereinspritzung erfüllt werden. Bei vorliegender Dampfbildung kann die Freigabe der Einspritzung zum frühestmöglichen Zeitpunkt erfolgen und/oder es können Maßnahmen getroffen werden, um eine weitere Dampfbildung zu vermeiden und eine Kondensation des Dampfes einzuleiten. Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Erfindung auf einen zusätzlichen Drucksensor verzichtet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist der Antrieb als Gleichstrommotor oder bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet. Als Gleichstrommotor oder Kommutatormotor ist eine rotierende elektrische Maschine zu verstehen, die mit Gleichstrom betrieben wird. Als bürstenloser Gleichstrommotor ist der Motor zu verstehen, welcher entgegen seiner Namensgebung nicht auf dem Funktionsprinzip einer Gleichstrommaschine basiert, sondern wie eine Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete aufgebaut ist.
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Zum Bestimmen des Systemdrucks kann bevorzugt die Steuereinheit eingerichtet sein, einen Phasenstrom mindestens einer Spule des bürstenlosen Gleichstrommotors zu erfassen. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Phasenstrom aller Spulen des bürstenlosen Gleichstrommotors zu erfassen.
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Wenn die Stromaufnahme gleich oder größer als ein erster vordefinierter Stromwert ist, ist vorteilhafterweise die Steuereinheit eingerichtet, den Wasserinjektor zum Einspritzen von Wasser zu öffnen. Der erste vordefinierte Stromwert kann in der Steuereinheit vorgespeichert sein und entspricht der Situation, in der das Förderelement einen erforderlichen Druck zum Einspritzen von Wasser aufgebaut hat.
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Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Dampfbildung bei eingeschaltetem Förderelement zu bestimmen, wenn die Stromaufnahme des Antriebs gleich oder kleiner als ein zweiter vordefinierter Stromwert ist. Der zweite vordefinierte Stromwert kann in der Steuereinheit vorgespeichert sein und entspricht der Situation, in der das Förderelement aufgrund der Wasserverdampfung noch nicht den erforderlichen Druck aufgebaut hat. Insbesondere sind der erste vordefinierte Stromwert und der zweite vordefinierte Stromwert gleich.
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Wenn eine Dampfbildung erkannt ist, ist vorzugsweise die Steuereinheit eingerichtet, eine Verbrennung der Brennkraftmaschine so zu steuern, dass eine weitere Dampfbildung reduziert wird, um einen schnellstmöglichen Druckaufbau durch das Förderelement zu ermöglichen. So kann in vorteilhafter Weise die Steuereinheit eingerichtet sein, das Förderelement und den Wasserinjektor so zu betreiben, dass der im Leitungsbereich zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor befindliche Dampf durch den Wasserinjektor entfernt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann bevorzugt die Steuereinheit eingerichtet sein, eine oder mehrere gezielte, nicht verbrennungsrelevante Wassereinspritzungen auszuführen. Dadurch kann die Temperatur im Leitungsbereich zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor reduziert werden, was dazu führt, dass eine Weiterbildung von Dampf aufhört.
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Die Steuereinheit kann bevorzugt eine externe Förderelementsteuereinheit aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brennkraftmaschinensteuereinheit als die erfindungsgemäße Steuereinheit dienen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser umfasst. Damit sind die in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Vorteile verbunden.
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Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine eingerichtet, mit Benzin und nach dem Otto-Prinzip betrieben zu werden. Als eine solche Brennkraftmaschine ist die Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher eine Verbrennung durch Fremdzündung in Form einer Zündkerze erfolgt. Bei einer solchen Brennkraftmaschine ist der Zündzeitpunkt durch die Fremdzündung genau vorbestimmt. Somit kann bei angeforderter Wassereinspritzung durch den über die Stromaufnahme des Antriebs bestimmten Systemdruck die Wassereinspritzung bzw. der Zündzeitpunkt gewählt werden, so dass eine optimale Verbrennung erfolgt. Dadurch können Temperaturspitzen im Abgas sowie Klopfereignisse in der Verbrennung vermieden werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser, welche mindestens einen Wasserinjektor, ein Förderelement zum Fördern von Wasser und einen Antrieb zum Antreiben des Förderelements umfasst, wobei eine Stromaufnahme des Antriebs erfasst wird, um einen Systemdruck in einem Leitungsbereich zwischen dem Förderelement und dem Wasserinjektor zu bestimmen.
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Bevorzugt wird zum Bestimmen des Systemdrucks ein Phasenstrom mindestens einer Spule eines bürstenlosen Gleichstrommotors erfasst.
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Der Wasserinjektor wird erfindungsgemäß zum Einspritzen von Wasser geöffnet, wenn die Stromaufnahme gleich oder größer als ein erster vordefinierter Stromwert ist.
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Weiter bevorzugt wird bei eingeschaltetem Förderelement eine Dampfbildung bestimmt, wenn die Stromaufnahme des Antriebs gleich oder kleiner als ein zweiter vordefinierter Stromwert ist.
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In vorteilhafter Weise wird eine Verbrennung der Brennkraftmaschine so gesteuert, dass eine weitere Dampfbildung reduziert wird, um einen schnellstmöglichen Druckaufbau durch das Förderelement zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
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3 ein Diagramm, in welchem ein zeitlicher Verlauf der Stromaufnahme des Motors sowie ein entsprechender Verlauf des Drucks in einem Leitungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt sind.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Wasser einer Brennkraftmaschine 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 2 nach dem Otto-Prinzip und mit Benzindirekteinspritzung betrieben.
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In 1 ist die Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt, welche eine Vielzahl von Zylindern aufweist, sowie ein Teil der erfindungsgemäßen Wassereinspritzvorrichtung 1. Die Brennkraftmaschine 2 umfasst pro Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist vorzugsweise die Brennkraftmaschine 2 pro Zylinder zwei Einlassventile 25 mit jeweils einem Einlasskanal 22 auf, über welche Luft zum Brennraum 20 zugeführt wird. Abgas wird über einen Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu ist am Abgaskanal 23 ein Auslassventil 26 angeordnet. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet ferner ein Kraftstoffeinspritzventil.
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An jedem Einlasskanal 22 ist ferner ein Wasserinjektor 6 angeordnet, welcher über eine Steuereinheit 10 Wasser in den Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 2 einspritzt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Wasserinjektoren 6 pro Zylinder vorgesehen, was zur besseren Aufbereitung oder zur Erhöhung der pro Verbrennungszyklus maximal einspritzbaren Wassermenge führt. Alternativ kann ein Wasserinjektor pro Zylinder angeordnet sein.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Wasser im Detail gezeigt. Die Wassereinspritzvorrichtung 1 umfasst ein in der Form einer Pumpe ausgebildetes Förderelement 3 und einen elektrischen Antrieb 4 zum Antreiben der Pumpe.
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Des Weiteren ist ein Wassertank 5 vorgesehen, welcher durch eine erste Leitung 7 mit der Förderelement 3 verbunden ist. Eine zweite Leitung 8 verbindet das Förderelement 3 mit einem Verteiler 9 bzw. einem Rail, an welchem eine Vielzahl von Wasserinjektoren 6 angeschlossen ist. Die zweite Leitung 8 mit dem Verteiler 9 entspricht dem Leitungsbereich zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6.
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Zum Einspritzen von Wasser in die Einlasskanäle 22 der Brennkraftmaschine 2 wird Wasser aus dem Wassertank 5 durch das Förderelement 3 in die Wasserinjektoren 6 gefördert. Dafür wird bevorzugt ein Kondensat eines nicht gezeigten Verdampfers einer Klimaanlage verwendet, wozu die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Wasser eine Zulaufleitung 11 aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich zum Kondensat kann deionisiertes Wasser über eine Nachfüllleitung 12 in den Wassertank 5 gefördert werden. In der Nachfüllleitung 12 kann optional ein Sieb vorgesehen sein. Ferner sind ein Vorfilter 16 in der ersten Leitung 7 und ein Feinfilter 17 in der zweiten Leitung 8 angeordnet. Der Vorfilter 16 und der Feinfilter 17 sind optional beheizbar. Ferner ist ein Wasserfüllstands- und/oder Temperatursensor 18 für das im Wassertank 5 befindliche Wasser vorgesehen, welcher über die Steuereinheit 10 steuerbar ist.
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Die Steuereinheit 10 ist als eine externe Förderelementsteuereinheit ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 10 eine Brennkraftmaschinensteuereinheit aufweisen. So kann die Steuerung des Antriebs 4 und der Wasserinjektoren 6 durch die Förderelementsteuereinheit und/oder die Brennkraftmaschinensteuereinheit erfolgen.
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Um einen Systemdruck in der zweiten Leitung 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 zu bestimmen, ist die Steuereinheit 10 eingerichtet, eine Stromaufnahme des Antriebs 4 zu erfassen. Insbesondere ist der elektrische Antrieb 4 als bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Vielzahl von Spulen ausgebildet. Hierbei wird ein Phasenstrom der Spulen des bürstenlosen Gleichstrommotors erfasst.
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Wenn die Stromaufnahme des Antriebs 4 größer oder gleich als ein erster vordefinierter Stromwert ist, wird erkannt, dass keine Dampfbildung in der zweiten Leitung 8 vorhanden ist. In einem solchen Fall können die Wasserinjektoren 6 geöffnet werden, um Wasser einspritzen, wenn eine Wassereinspritzung für die Verbrennung z.B. durch die Brennkraftmaschinensteuereinheit erfordert wird.
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Wenn eine Dampfbildung in der zweiten Leitung 8 vorliegt z.B. nach langen Zwischenphasen, während deren keine Wassereinspritzung stattgefunden hat, wird dies dadurch erkannt, dass die Stromaufnahme des Antriebs 4 gleich oder kleiner als ein zweiter vordefinierter Stromwert ist.
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Falls in der Zwischenzeit eine verbrennungsrelevante Wassereinspritzung angefordert wird, erfolgt die Freigabe der Einspritzung zum frühestmöglichen Zeitpunkt. Um diesen Zeitpunkt zeitlich nach vorne zu verschieben, kann die Verbrennung der Brennkraftmaschine 2 derart angepasst werden, dass keine weitere Dampfbildung in der zweiten Leitung 8 entsteht. Eine mögliche Maßnahme ist beispielsweise eine Reduzierung der Leistung der Brennkraftmaschine, wodurch die Temperatur der Brennkraftmaschine sinken kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 10 eingerichtet sein, das Förderelement 3 und die Wasserinjektoren 6 so anzusteuern, um den im Leitungsbereich 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 existierenden Dampf zu entfernen. Des Weiteren können eine oder mehrere, für die Verbrennung nicht relevante, Wassereinspritzungen stattfinden, wodurch der Leitungsbereich 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 abgekühlt wird. Somit kann ein Druckaufbau durch das Förderelement 3 schnellstmöglich ermöglicht werden.
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Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem ein zeitlicher Verlauf t in Sekunden, t(s), eines erfassten Systemdrucks P(Pa) in der zweiten Leitung 8 am Verteiler 9 und ein zeitlicher Verlauf der Stromaufnahme I(A) des Antriebs 4 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt sind.
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Der zeitliche Verlauf der Stromaufnahme, welche Schwankungen aufweist, ist mit dem Bezugszeichen 15 und der zeitliche Verlauf des erfassten Systemdrucks mit dem Bezugszeichen 16 versehen. Beide Parameter weisen jeweils einen ersten Bereich I und einen zweiten Bereich II auf. Die x-Achse bezeichnet die Zeit t in s und die y-Achse den Strom I in A sowie den erfassten Druck P × 105 in Pa.
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Ferner sind im Diagramm der 3 ein Mittelwert 15‘ des Stroms des Antriebs 4 im ersten Bereich I und ein Mittelwert 15‘‘ des Stroms des Antriebs 4 im zweiten Bereich II dargestellt.
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Wie aus der 3 ersichtlich ist, bezeichnet der erste Bereich I den Fall, in welchem eine Dampfbildung im Leitungsbereich 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 vorhanden ist. Auf der anderen Seite bezeichnet der zweite Bereich II den Fall, bei welchem in der zweiten Leitung 8 und dem Verteiler 9 schon Druck durch das Förderelement 3 aufgebaut ist.
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Wenn sich das Druckniveau in der zweiten Leitung 8 und dem Verteiler 9 im zweiten Bereich I befindet, insbesondere wenn der Strom des Antriebs 4 bei eingeschaltetem Förderelement 3 und geschlossenen Wasserinjektoren 6 kleiner als der Mittelwert 15‘ ist, wird erkannt, dass Druck aufgrund der vorliegenden Dampfbildung im Leitungsbereich 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 verzögert aufgebaut wird. Diesbezüglich können Maßnahmen getroffen werden, durch welche eine weitere Dampfbildung verringert bzw. eliminiert werden kann. Danach kann eine verbrennungsbedingte Wassereinspritzung zu einem frühmöglichsten Zeitpunkt erfolgen, wenn der erfasste Strom größer als der Mittelwert 15‘‘ ist.
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Anstatt die Mittelwerte 15‘ und 15‘‘ zu benutzen, kann eine Dampfbildung im Leitungsbereich 8 zwischen dem Förderelement 3 und den Wasserinjektoren 6 basierend auf einem maximalen Stromwert des Bereiches I bestimmt werden. Wenn der erfasste Strom bei eingeschaltetem Förderelement 3 und geschlossenen Wasserinjektoren 6 kleiner als der maximale Stromwert des Bereiches I ist, kann geschlossen werden, dass Dampf in der zweiten Leitung 8 und dem Verteiler 9 entstanden ist. Auf der anderen Seite kann eine für die Verbrennung benötigte Wassereinspritzung schnell realisiert werden, wenn der erfasste Strom größer als der maximale Stromwert des Bereiches I ist.
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Die Mittelwerte 15‘ und 15‘‘ sowie der maximale Stromwert des Bereiches I sind in der Steuereinheit vorgespeichert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Wasser bietet den Vorteil einer schnellen Vermittlung deren Betriebsbereitschaft und der Freigabe der Einspritzung bei dem erforderlichen Systemdruck. Ferner kann ein verzögerter Druckaufbau bei Dampfbildung schnell erkannt werden. Hierzu kann auf zusätzliche Bauteile, wie z.B. auf einen Drucksensor, verzichtet werden, was zu einem kostengünstigeren und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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