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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Einspritzung eines Kühlfluids in einen Motors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2013 212 596 A1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einspritzung eines Kühlfluids, insbesondere Wasser in einen Motor bekannt. Die Steuerung der Einspritzung des Kühlfluids erfolgt dabei in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter des Motors.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung eines Kühlfluids in einen Motor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Menge des eingespritzten Kühlfluids nicht nur statisch von dem Betriebsparameter abhängen sondern auch dynamisch. Insbesondere können dabei sich schnell ändernde Zustände des Betriebsparameters dahingehend berücksichtigt werden, dass eine Dynamikmenge ermittelt wird. Die in den Motor eingespritzte Menge an Kühlfluid stellt dann die Summe von statischer Menge und Dynamikmenge dar. Durch dieses Vorgehen können Übergangseffekte, die insbesondere dazu führen, dass eine unpassende Menge an Kühlungsfluid in den Brennraum des Motors eingebracht wird, kompensiert werden und es wird so eine verbesserte Versorgung des Motors mit Kühlfluid erreicht. Es können somit auch in dynamischen Phasen des Betriebs des Motors eine verbesserte Klopfbeständigkeit und ein verbesserter Verbrauch des Motors erreicht werden. Weiterhin wird so die thermische Belastung einzelner Bauteile des Motors verringert und die Abgasqualität verbessert.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Je nach Änderungsrichtung des Betriebsparameters können Erhöhungen oder Verringerungen der Dynamikmenge verwendet werden. Durch die Verwendung eines Zeitfensters kann eine an den Motor angepasste Einspritzung von Kühlfluid erfolgen. Insbesondere kann so eine zeitliche Anpassung der Dauer während der die Dynamikmenge eingespritzt wird, an den jeweiligen Motor erfolgen. Während des Zeitfensters kann insbesondere auch die Dynamikmenge variiert werden, um so die tatsächlichen Gegebenheiten des speziellen Motors und der Einspritzung von Kühlfluid für diesen Motor zu berücksichtigen. Damit überhaupt eine Dynamikmenge eingespritzt wird, sollte eine Mindestgeschwindigkeit der Änderung vorgesehen sein. Bei Änderungen des Betriebsparameters unterhalb dieser Geschwindigkeit ist keine dynamische Anpassung erforderlich. Als Betriebsparameter, deren Änderung berücksichtigt werden sollte, ist insbesondere die Last oder die Position eines Fahrpedals oder eine Momentenanforderung oder ein Druck im Saugrohr des Motors geeignet. All diese Parameter können jeweils für sich allein oder in Kombination mit anderen Betriebsparametern zur Steuerung der Dynamikmenge verwendet werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 verschiedene Systeme zur Einspritzung von Kühlfluid in einen Motor und
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3a eine schlagartige Änderung eines Betriebsparameters des Motors,
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3b eine Reaktion des Motors auf die Änderung des Betriebsparameters,
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3c ein statischer Anteil der Fluidmenge
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3d eine Dynamikmenge des Fluid und
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3e die gesamte Fluidmenge.
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Beschreibung
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In der 1 wird schematisch ein Motor, d.h., ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinder 10 gezeigt. In dem Zylinder 10 wird durch einen Kolben 100 ein Brennraum 101 definiert. Dem Zylinder 10 bzw. dem Brennraum 101 wird durch ein Saugrohr 11 Luft für eine Verbrennung und durch einen Kraftstoffinjektor 13 Kraftstoff für eine Verbrennung im Zylinder 10 zugeführt. Die dabei entstehenden Abgase werden durch das Abgasrohr 12 von dem Zylinder 10 weggeführt. Es handelt sich hierbei um einen üblichen Otto-Motor oder Diesel-Motor, der in der 1 nur schematisch dargestellt ist. Insbesondere sind weitere Steuerungselemente wie Lufteinlass- und Abgasauslass-Ventile, Mittel zur Beeinflussung des Luftstroms durch das Saugrohr 11 (wie beispielsweise eine Drosselklappe), eine Zündkerze oder eine Glühkerze und andere Elemente üblicher Otto-Motoren und Diesel-Motoren nicht dargestellt, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind.
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Weiterhin wird in der 1 eine Einspritzung eines Kühlfluid insbesondere eine Wassereinspritzung in das Saugrohr 11 gezeigt. Aus Gründen der Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Wassereinspritzung stellvertretend für alle Formen einer Einspritzung von Kühlfluid verwendet. Neben Wasser sind auch Mischungen von Wasser und anderen Flüssigkeiten wie beispielsweise Alkohol als Kühlfluid verwendbar. Die Wassereinspritzung besteht aus einem Wassertank 2, der durch eine Verbindungsleitung 5 mit einer elektrischen Pumpe 1 verbunden ist. Durch die Verbindungsleitung 5 kann Wasser aus dem Tank 2 zur elektrischen Pumpe 1 fließen beziehungsweise von der elektrische Pumpe 1 aus dem Tank heraus angesaugt werden. Die Seite der elektrischen Pumpe 1, die über die Verbindungsleitung 5 mit dem Wassertank 2 verbunden ist, wird im Folgenden Zulauf genannt. Weiterhin weist die elektrische Pumpe 1 einen Hochdruckausgang auf, der über die Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserrail 3 verbunden ist. Bei dem Wasserrail 3 handelt es sich um einen Druckspeicher der mit dem Wasser von der elektrischen Pumpe befüllt werden kann und mit einem Druck beaufschlagt wird. Insbesondere bei der Einspritzung in das Saugrohr ist der Druck relativ gering, so dass das Wasserrail 3 auch als einfacher Schlauch oder als Schlauchverteiler ausgebildet sein kann. Das Wasserrail 3 ist dann über eine weitere Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserinjektor 4 verbunden, der in das Saugrohr 11 mündet. Das Wasser in dem Tank 2 wird somit über den Zulauf der elektrischen Pumpe 1 zugeführt und am Hochdruckausgang der Pumpe 1 mit erhöhtem Druck zur Verfügung gestellt. Dieses Wasser wird dann im Wasserrail 3 zwischengespeichert bis es durch eine entsprechende Öffnung des Wasserinjektors 4 in das Saugrohr 11 eingespritzt wird. Weiterhin wird noch ein Steuergerät 200 gezeigt, welches eine Vorrichtung zur Ansteuerung aller gezeigten Teile der Wassereinspritzung wie Pumpen 1, 6 und Wasserinjektoren 4 darstellt. Entsprechende Ansteuerleitungen werden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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An dem Wasserrail 3 können auch eine Vielzahl von Wasserinjektoren 4 angeschlossen sein, die eine Mehrzahl von Zylindern 10 mit Wasser versorgt. Dies ist insbesondere bei Mehrzylindermotoren, wie sie heute bei Kraftfahrzeugen üblich sind, eine Ausgestaltung mit der jeder Zylinder individuell mit einer auf ihn abgestimmten Menge Wasser versorgt werden kann.
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Durch die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 wird in dem Brennraum 101 des Zylinders 10, zusammen mit dem durch den Kraftstoffinjektor 13 eingespritzten Kraftstoff, eine Mischung von Luft, Kraftstoff und Wasser (Kühlfluid) erzeugt. Durch eine entsprechende Zündung, entweder durch eine Zündkerze oder durch einen Selbstentzündungsprozess bei einem Diesel-Motor erfolgt dann eine Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches in dem Brennraum des Zylinders 10. Durch das in dieser Luft-Kraftstoffmischung enthaltene Wasser erfolgt eine effektive Kühlung des Brennraums 101 im Zylinder 10, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert und bei der Anwendung im Ottomotor die Klopfneigung verringert wird. Hierdurch ist ein optimierter Zündzeitpunkt möglich, welcher sich positiv auf Effizienz bzw. Verbrauch des Ottomotors auswirkt. Bei Otto- und Dieselmotor kann weiterhin auch die Entstehung von schädlichen Abgasen verringert werden. Das Einbringen von Wasser in einen Brennraum ist daher eine Maßnahme, mit der die Qualität der Verbrennung im Brennraum eines Zylinders 10 positiv beeinflusst werden kann. Durch diese Maßnahme kann sowohl die Qualität des Abgases wie auch die thermische Belastung des Zylinders 10, die Leistung und auch der Kraftstoffbedarf positiv beeinflusst werden.
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In der 2 wird ebenfalls ein Motor mit einer Wassereinspritzung oder Kühlfluideinspritzung in den Brennraum eines Zylinders 10 gezeigt. Mit den Bezugszeichen 10, 11, 12, 13, 1, 2, 3, 4, 5, 100, 101 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet, wie in der 1. Im Unterschied zur 1 ist jedoch der Wasserinjektor 4 nicht so angeordnet, dass er im Saugrohr 11 mündet, sondern direkt im Brennraum 101 des Zylinders 10. Eine Einspritzung von Wasser unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 erfordert deutlich höhere Drücke als eine Einspritzung in das Saugrohr. Für eine Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 ist ein Wasserdruck von einigen wenigen bar ausreichend. Da die Einspritzung in den Brennraum des Zylinders 10 erfolgen kann, wenn bereits das Lufteinlassventil in Richtung des Saugrohrs 11 geschlossen ist und sich der Zylinder in einer Verdichtungsphase befindet, ist für die Einspritzung von Wasser in einen Brennraum ein deutlich höherer Druck bis zu einer Größenordnung von 200 bar erforderlich. In dem Wasserrail 3 muss daher Wasser mit einem deutlich höheren Druck gespeichert sein, um eine Einspritzung unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 zu ermöglichen. Dazu ist der elektrischen Pumpe 1 eine Hochdruckpumpe 6 nachgeordnet. Der Zulauf der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Hochdruckausgang der elektrischen Pumpe 1 verbunden. Der Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Wasserrail 3 verbunden. Es wird so eine Anordnung geschaffen, bei der ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um eine Einspritzung von Wasser unmittelbar direkt in den Brennraum des Motors zu ermöglichen.
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In der 3 werden die verschiedenen Verfahrensschritte einer Kühlfluideinspritzung erläutert. In der 3a wird eine schlagartige Änderung eines Betriebsparameters des Motors gezeigt. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Änderung des Fahrpedals eines Fahrzeugs, in dem der Motor eingebaut ist, handeln. Ausgehend von keiner Betätigung des Fahrpedals wird zum Zeitpunkt t0 das Fahrpedal schlagartig auf einen großen Wert gestellt und verbleibt dann auf diesem hohen Wert. Entsprechend reagiert der Motor in 3b mit einer Änderung der Drehzahl, in dem ausgehend von der links vom Zeitpunkt t0 gezeigte Leerlaufdrehzahl sehr zügig auf einen neuen Drehzahlwert einstellt. Wesentlich ist dabei, dass ausgehend von der Leerlaufdrehzahl der Motor nicht unmittelbar der Änderung des Betriebsparameters in 3a folgt, sondern mit einer gewissen Verzögerung und eine gewisse Zeit benötigt, um diese Änderung des Fahrpedals zu folgen. Durch die Änderung der Fahrpedalstellung, wie sie in der 3a gezeigt wird, wird der Motor in einen Betriebsbereich gebracht, in dem eine Wassereinspritzung vorgesehen ist. Durch die Änderung des Betriebsparameters in 3a ist somit eine Kühlfluideinspritzung nach dem Zeitpunkt t0 erforderlich. Wie in den 3c und 3d dargestellt wird, gibt es dabei einer statischen Fluidmenge (3c) und einen Dynamikmenge (3d). In den Motor eingespritzt wird dann die Summe von statischer Fluidmenge (3c) und Dynamikmenge (3d) wie dies in 3e dargestellt ist.
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Der statische Anteil wird in einem statischen Betriebszustand des Motors bestimmt, d. h. der Betriebsparameter der 3a und auch alle anderen Betriebsparameter werden konstant gehalten und es wird dann ein optimaler Wasserbedarf für den Motor ermittelt. Diese Menge wird dann als statische Menge gespeichert und bei einem statischen Betrieb des Motors verwendet. Diese Menge ist somit durch die gespeicherte optimale Beziehung eindeutig mit dem Wert des Betriebsparameters verknüpft.
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Zusätzlich zu dieser statischen Einspritzmenge ist jedoch noch eine Dynamikmenge des Kühlfluid vorgesehen, die in der 3d dargestellt wird. Diese Dynamikmenge hängt von der Geschwindigkeit, mit der sich der Betriebsparameter, beispielsweise die Fahrpedalstellung der 3a geändert hat, ab. In 3a ändert sich der Betriebsparameter schlagartig, was einem schlagartigen Durchtreten des Fahrpedals, bis zu einer bestimmten Position entspricht. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Änderung wird zusätzlich zur statischen Fluidmenge eine dynamische Fluidmenge d.h. eine Dynamikmenge ermittelt, die in der 3d dargestellt ist. Die Größe, d. h. der absolute Wert dieser Dynamikmenge hängt insbesondere von der Geschwindigkeit der Änderung ab. Wenn die Geschwindigkeit der Änderung sehr groß ist, so ist auch die dynamische Fluidmenge groß. Wenn die Änderung gering ist, so ist auch die dynamische Fluidmenge geringer ausgelegt. Weiterhin wird diese dynamische Fluidmenge zwischen einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 eingespritzt, d. h. es ist ein Zeitfenster vorgesehen, innerhalb des diese dynamische Fluidmenge zusammen mit der statischen Menge an Kühlfluid in den Motor eingespritzt wird. Die Länge des Zeitfensters t0 bis t1 ist dabei insbesondere von der Ausgestaltung des Motors abhängig, da sich die Länge dieses Zeitfensters, insbesondere aus dem konstruktiven Aufbau des Motors ergibt. Zum einen ergibt sich die Länge des Zeitfensters für die dynamische Kühlfluideinspritzung daraus, wie schnell der Motor auf eine schlagartige Änderung des Betriebsparameters reagiert. Durch den Vergleich der 3a und 3b ist zu erkennen, dass ein Motor auf eine schlagartige Änderung eines Betriebsparameters nicht schlagartig reagiert. Insbesondere während einer solchen Übergangsphase, die der Motor benötigt, um auf einen geänderten Betriebsparameter zu reagieren, kann eine zusätzliche Dynamikmenge erforderlich sein.
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Weiterhin kann es auch ein verzögertes Wirksamwerden der eingespritzten Kühlfluidmenge bei einem Motor geben, beispielsweise in dem das Wasser an den Wänden des Saugrohrs kondensiert oder aber ein entsprechender Druck des Wassers für die Einspritzung nicht sofort in ausreichendem Maße aufgebaut werden kann. Wenn sich der Betriebsparameter in eine Richtung ändert in der eine Erhöhung der statischen Fluidmenge erforderlich ist, so wird eine positive Dynamikmenge zusätzlich zur statischen Fluidmenge eingespritzt. Wenn sich der Betriebsparameter in eine Richtung ändert in der eine Verringerung der statischen Fluidmenge erforderlich ist, so wird eine negative Dynamikmenge ermittelt d.h. die statischen Fluidmenge wird um die Dynamikmenge verringert. Bei einer schlagartigen Änderung des Betriebsparameters ist es sinnvoll, für ein beschränktes Zeitfenster eine Dynamikmenge zu ermitteln, um diese Übergangseffekte zu kompensieren. Die tatsächliche Länge des Zeitfensters t0–t1 ist für jeden Motor empirisch zu ermitteln und kann auch noch von weiteren Betriebsparametern, wie beispielsweise Temperatur des Motors, Lufttemperatur und dergleichen abhängen.
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Der zur 3a beschriebene Betriebsparameterfahrpedalstellung und die in der 3b angegebene Reaktion des Motors durch eine Änderung von Drehzahl sind nur Beispiele für eine Vielzahl von möglichen Betriebsparametern und Reaktion des Motors auf den geänderten Betriebsparameter. Als Betriebsparameter kann neben der Fahrpedalstellung, beispielsweise auch eine geänderte Lastanforderung an den Motor oder Momentenanforderung an den Motor oder auch ein Sensorwert, wie beispielsweise ein Druck im Saugrohr Verwendung finden. Zumindest bei Benzinmotoren wir die Last üblicherweise als in den Brennraum eingebrachte Luftmenge definiert. Statt der in der 3b gezeigten Drehzahl, kann die Reaktion des Motors, beispielsweise auch in einer Leistungsabgabe des Motors oder einem Drehmoment des Motors bestehen. Wesentlich ist hier nur, dass in Abhängigkeit eines geänderten Betriebsparameters eine Reaktion des Motors erfolgt, und dass aufgrund des geänderten Betriebsparameters eine Änderung, der in den Motor eingespritzten Wassermenge erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013212596 A1 [0002]
