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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Effizienzsteigerung einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine mit diesem Verfahren betrieben Verbrennungskraftmaschine und ein Steuergerät mit einem solchen Verfahren. Eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs sind aus der
DE 573321 A bekannt.
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Ein Allgemeines Ziel bei der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen ist, einen effizienten Betrieb dieser zu ermöglichen. Eine Möglichkeit zur Effizienz- und Leistungssteigerung in Verbrennungskraftmaschinen, welche bereits seit den 1930ger Jahren insbesondere von Flugmotoren bekannt ist, ist die Wassereinspritzung.
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Bei der Wassereinspritzung wird dem Kraftstoff, welcher in Brennräumen verbrannt wird, Wasser beigemengt oder das Wasser wird separat der angesaugten Luft oder direkt in den Brennraum eingebracht. Insbesondere im Hochlastbereich kann so die Verdunstungsenthalpie dieses Wassers genutzt werden, um den Brennraum zu kühlen. Für diese Anwendung findet in der Regel hochreines Wasser Verwendung, um die Motorbauteile vor Ablagerungen zu bewahren. Weiter ist es bekannt, Wasser in den Abgasstrom einzuspritzen, insbesondere um Abgase der Verbrennungskraftmaschine abzukühlen. Dies ist insbesondere von Verbrennungskraftmaschine im Untertageeinsatz bekannt und dient der Sicherheit. Bei einer solchen Abgaskühlung ist es das Ziel, die Abgase möglichst kalt an die Umgebung abzugeben, insbesondere sollen keine glühenden Partikel ausgestoßen werden.
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Die
WO 2007/009 139 A1 befasst sich mit einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine. Die
DE 197 51 664 C1 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einem Dekompressionsventil. Die
US 6 026 641 A befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung für eine verbesserte Kontrolle der Abgastemperatur eines Zweitaktmotors. Die
US 5 983 633 A befasst sich mit einem elektronisch kontrollierten Wassereinspritzsystem. Die
US 5 191 766 A befasst sich mit einem Hybridantriebsmotor mit innerer Verbrennung und Dampfkraft.
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Die
DE 573321 A offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Verbrennungskraftmaschine.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für den Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben sowie eine Verbrennungskraftmaschine, welche mit diesem Verfahren betrieben wird, wobei diese Verbrennungskraftmaschine gegenüber bekannten Verbrennungskraftmaschinen eine verbesserte Effizienz aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem ersten Anspruch, ein Steuergerät mit einem solchen Verfahren gemäß Anspruch 3, sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 4 gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Verbrennungskraftmaschine in Hubkolbenbauweise eine thermische Kraftmaschine mit innerer Verbrennung zu verstehen, bei welcher in einem Brennraum ein beweglich gelagerter Kolben durch bei der Verbrennung von Kraftstoff freiwerdende Gaskräfte bewegbar ist.
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Vorzugsweise ist unter einer solchen Verbrennungskraftmaschine in Hubkolbenbauweise eine nach dem Viertaktprinzip betreibbare Brennkraftmaschine zu verstehen, vorzugsweise ein Diesel- oder bevorzugt ein Ottomotor.
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Dieser Verbrennungskraftmaschine ist aus der Umgebung Ladeluft zuführbar, welch in einem oder vorzugsweise in einer Vielzahl von Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine unter Zusatz von Kraftstoff zu Abgas verbrannt wird.
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Die Verbrennungskraftmaschine weist insbesondere eine Abgaseinrichtung auf. Vorzugsweise ist diese Abgaseinrichtung zum Abführen der, bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden, Abgase eingerichtet. Vorzugsweise ist die Abgaseinrichtung als ein Rohrleitungssystem zum zielgerichteten führen der Abgase zu verstehen.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eine Einrichtung zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff, welcher in wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine unter Zusatz von Ladeluft verbrannt wird, zu verstehen. Vorzugsweise ist eine derartige Kraftstoffversorgungseinrichtung als Kraftstoffeinspritzeinrichtung, ausgebildet, welche den Kraftstoff in ein Saugrohr (sogenannte Saugrohreinspritzung) der Verbrennungskraftmaschine oder vorzugsweise unmittelbar in den Brennraum dieser (sogenannte Direkteinspritzung) einspritzt.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Wasserversorgungseinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche dazu ausgebildet ist, eine vorgebbare Menge an Wasser an die Verbrennungskraftmaschine abzugeben. Vorzugweise weist die Wasserversorgungseinrichtung, einen Wassertank eine Wassertransporteinrichtung, insbesondere eine Wasserpumpe, und vorzugsweise eine Wasserdosiereinrichtung, insbesondere einen Wasserinjektor oder eine Wasserdüse, auf. Vorzugsweise wird das Wasser, bezogen auf die planmäßige Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine mit Ladeluft, stromabwärts zum Brennraum, also in das Abgas, eingebracht.
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Erfindungsgemäß wird für das vorgeschlagene Verfahren die Kraftstoffmenge erfasst, welche von der Kraftstoffversorgungseinrichtung an die Ladeluft abgegeben wird, vorzugsweise wird die Kraftstoffmenge instantan erfasst, vorzugsweise über einen vorgebbaren Zeitraum, vorzugsweise über einen kurzen Zeitraum. Dabei ist in diesem Sinne unter einem kurzen Zeitraum eine Zeitspanne von weniger als 5 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 2 Sekunden zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist die eingespritzte Wassermenge auf die während eines Arbeitstaktes eingespritzte Kraftstoffmenge bezogen. Weiter vorzugsweise wird die von der Wasserversorgungseinrichtung in das Abgas eingebrachte Wassermenge in Abhängigkeit zu der mit der Ladeluft verbrannten Kraftstoffmenge geregelt. Vorzugsweise ist die Menge an Wasser, welche in das Abgas eingebracht wird, bezogen auf das Gewicht der Menge an Kraftstoff, welche mit der Ladeluft verbrannt wird, kleiner als 35% und größer als 5%.
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Vorzugsweise sind Betriebsbereiche für die Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, in welchen kein Wasser von der Wasserversorgungseinrichtung in das Abgas eingebracht wird, obwohl Kraftstoff mit Ladeluft in der Verbrennungskraftmaschine verbrannt wird.
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In einer bevorzugt Ausführungsform des Verfahrens ist die Wassermenge aus einem Bereich ausgewählt, bezogen auf das Gewicht des zur Verbrennung eingebrachten Kraftstoffs, der größer oder gleich 10% ist und vorzugsweise ist dieser Bereich kleiner oder gleich 20%.
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Weiter ist ein Steuergerät vorgesehen, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Insbesondere ist unter einem derartigen Steuergerät ein elektronisches Kraftfahrzeugsteuergerät mit einem internen Datenspeicher und einem Rechenwerk, insbesondere einem Mikroprozessor, zu verstehen.
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Vorzugsweise ist unter dem internen Datenspeicher des Steuergeräts ein elektronischer Datenspeicher zu verstehen, auf welchem für das Steuergerät ausführbare Anweisungen abgespeichert sind, wobei das Ausführen dieser Anweisungen eine mit dem Steuergerät steuerbare Verbrennungskraftmaschine dazu veranlasst das erfinderische Verfahren auszuführen. Der Datenspeicher mit den auf diesem gespeicherten ausführbaren Anweisungen ist als ein Computerprogrammprodukt zu verstehen.
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Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren, wird die in der Verbrennungskraftmaschine verbrannte Menge an Kraftstoff erfasst und eine bestimmte Menge an Wasser wird in das Abgas, insbesondere stromabwärts zu einem oder mehreren Brennräumen dieser Verbrennungskraftmaschine, eingebracht. Vorzugsweise ist die eingebrachte Menge an Wasser auf die eingebrachte Menge an Kraftstoff bezogen.
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Vorzugsweise ist die Stelle, an welcher das Wasser in das Abgas eingebracht wird, bezogen auf die Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine im planmäßigen Betrieb, stromabwärts zu dem oder den Brennräumen angeordnet.
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Weiter ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuergerät vorgesehen, wobei dieses in der zuvor beschriebenen Art und Weise konfiguriert ist.
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Nachfolgend sind einzelne Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren dargestellt, dabei zeigt:
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1: einen schematisierten Teilschnitt durch eine Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung in das Abgas,
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2: einen Ablaufplan für das erfindungsgemäß Verfahren.
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Aus der Umgebung 10 wird ein Luftstrom 12 dem Brennraum 1 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Dieser Luftstrom 12 stellt die Ladeluft dar, welche unter Zufuhr von Kraftstoff zu Abgas verbrannt wird und über den Abgasstrom 11 den Brennraum 1 wieder verlässt.
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Zum Zuführen von Kraftstoff ist die Saugroheinspritzung 8 vorgesehen. Das Kraftstoff/Lüftgemisch strömt durch den Einlasskanal 4 und über das Einlassventil 6, dieses ist in seiner geschlossenen Position dargestellt, in den Brennraum 1 ein. Liegt zündfähiges Gemisch im Brennraum im Bereich der Zündkerze 7 vor, wird dieses mittels der Zündkerze 7 gezündet und der Kraftstoff verbrennt zu Abgas. Durch die bei der Verbrennung entstehenden Gaskräfte, wird eine Kraft auf den Kolben 2 ausgeübt. Der Kolben 2 schiebt die Abgase in Form des Abgasstroms 11 durch das geöffnete Auslassventil 5 in den Abgasstrang 3.
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Im Abgasstrang 3 ist die Wassereinspritzdüse 9 der Wasserversorgungseinrichtung angeordnet. Mit der Wassereinspritzdüse 9 wird Wasser stromabwärts zu zum Brennraum 1 in den Abgasstrom 11 und damit in den Abgasstrang 3, eingespritzt. Das eingespritzte Wasser 13, wird im Abgasstrom 11 verdampft. Aufgrund der Verdampfung nimmt das Wasser 13 Wärme aus dem Abgasstrom 11 auf und das Volumen des Abgases verringert sich und somit sinkt der Abgasgegendruck und die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine ist durch die Wassereinspritzung gesteigert. Dabei ist ein empfindliches Gleichgewicht zwischen einer Verringerung des Volumens des Abgasstroms und der Vermeidung einer Unterkühlung des Abgasstroms 11. einzuhalten. Über den Abgasstrang 3 wird der Abgasstrom 11 aus dem Brennraum unmittelbar in die Umgebung 10 abgeführt.
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In 2 ist ein Ablaufplan für das erfindungsgemäß Verfahren dargestellt. Zunächst wird die Menge des zur Verbrennung in die Ladeluft eingebrachten Kraftstoffs ermittelt 100. Danach wird die Menge an Wasser in Abhängigkeit der eingebrachten Menge an Kraftstoff bestimmt 101. Schließlich wird die zuvor bestimmte Menge an Wasser in das Abgas, stromabwärts zum Brennraum (nicht dargestellt), eingebracht 102.
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Mit anderen Worten ausgedrückt wird vorgeschlagen, den Stand der Technik dahingehend weiterzuentwickeln, die Verdampfung von Wasser zu nutzen aber das Wasser erst im Abgasstrang, also stromabwärts zum Brennraum, einzubringen. Dadurch bleibt die Komplexität der Verbrennungskraftmaschine gegenüber einer Einspritzung von Wasser in die Brennräume oder in den Brennraum unverändert. Die Anforderungen an die Einrichtung zu Wasserversorgung gestalten sich weniger anspruchsvoll, da insbesondere an die Reinheit des Wassers geringe Anforderungen gestellt werden.
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Zur Einbringung des Wassers im Sinne der Erfindung sind verschiedene Ausführungen denkbar, welchen gemeinsam ist, dass das Wasser stromabwärts des Brennraums in den Abgasstrom eingebracht wird.
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Die Zeitpunkte und Mengen der Wasser-Einbringung werden dabei insbesondere abhängig von der Motordrehzahl, Motordrehmoment, Motortemperatur, Komponententemperatur (v. a. Turbine, Katalysator), Dauer der Lastanforderung etc. geregelt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich für den thermischen Schutz der Komponenten, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine und dort insbesondere von deren Hotend, also insbesondere derjenige Bauteile, welche an der Führung des Abgases beteiligt sind, eine Wassereinspritzmenge im Bereich von 10%–20%, der im jeweiligen Lastpunkt eingespritzten Kraftstoffmenge, insbesondere Ottokraftstoffmenge, herausgestellt. Für Betriebsfälle, in welchen keine ausreichende Menge Wasser in der Wasserversorgungseinrichtung vorhanden ist, ist es vorzugsweise vorgesehen, zusätzlichen Kraftstoff in den Brennraum einzubringen und dessen Verdunstungskälte zur Bauteilkühlung zu nutzen (Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei λ > 1, tritt häufig in Hochlast- oder Vollastphasen auf).
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Aus der Erfindung ergeben sich verschiedene Vorteile, insbesondere
- – bleibt die Motorkomplexität unverändert,
- – es stellen sich niedrigere Anforderungen an die Reinheit des Wassers,
- – der Bauteilschutz im Hotend erhöht sich,
- – der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine verbessert sich,
- – und das vorhandene Kühlsystem wird entlastet.
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Insbesondere durch die Absenkung der nötigen Wasserqualität (Partikel, Kalk, etc.), gegenüber Wassereinspritzungen aus dem Stand der Technik, bei welchen das Wasser in die Brennräume oder den Brennraum eingebracht wird, können verschiedene Wasserquellen im Auto, insbesondere ohne aufwändige Filterung des Wassers, erschlossen werden und daraus ergibt sich, dass in der Regel kein Nachfüllen des Wassers, von außerhalb des Kraftfahrzeugs, mehr nötig ist, wie dies heute von Wassereinspritzungen z. T. bekannt ist. Bezugszeichenliste:
| 1 | Brennraum |
| 2 | Kolben |
| 3 | Abgasstrang, Hotend |
| 4 | Einlasskanal |
| 5 | Auslassventil |
| 6 | Einlassventil |
| 7 | Zündkerze |
| 8 | Kraftstoff Saugrohreinspritzung |
| 9 | Wassereinspritzung im Hotend |
| 10 | Umwelt |
| 11 | Abgas/Abgasstrom |
| 12 | Ladeluft Luftstrom |
| 13 | Eingespritztes Wasser |
| 100, 101, 102 | Verfahrensschritte |
