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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Die
EP2946087A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum für die Verbrennung eines Kraftstoffes. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Einspritzvorrichtung, um Wasser in den Brennraum einzuspritzen. Die Einspritzvorrichtung ist ausgebildet und angeordnet, um sich im Brennraum befindendes Gas zu kühlen.
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Die
US9284911B2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum. Der Brennraum weist eine thermisch isolierende Schicht auf. Die isolierende Schicht bildet eine Innenfläche des Brennraums aus. Ziel der thermisch isolierenden Schicht ist es, den Wärmeaustausch zwischen eines sich im Brennraum befindenden Gases und der Brennkraftmaschine zu unterbinden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Brennraum für die Verbrennung eines Kraftstoffes und eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Wasser in den Brennraum, wobei die Einspritzvorrichtung ausgebildet und angeordnet ist, um zumindest einen Teil einer Innenfläche des Brennraums mit Wasser zu benetzen zwecks zumindest bereichsweiser Kühlung der Innenfläche des Brennraums.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass durch die gezielte Kühlung zumindest eines Bereiches des Brennraums sich eine unerwünschte Aufheizung eines in den Brennraum strömenden Gases zumindest vermindern lässt. Auf dieses Weise lässt sich beispielsweise ein Effizienzgewinn an Motorleistung erzielen, da mehr Gas in den Brennraum geleitet werden kann. Ein anderer möglicher Vorteil ist, das Risiko von Klopfen der Brennkraftmaschine, welches durch eine unkontrollierte Verbrennung eines sich im Brennraum befindenden Gases hervorgerufen wird, zu reduzieren
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Als Einspritzvorrichtung kann ein an sich bekannter Injektor zum Einspritzen von Wasser verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Brennraum ein thermisch isolierendes Element auf, wobei das thermisch isolierende Element zumindest einen Teil der Innenfläche des Brennraums ausbildet und wobei die durch das thermisch isolierende Element gebildete Innenfläche des Brennraums zumindest bereichsweise mittels der Einspritzvorrichtung mit Wasser benetzbar ist.
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Derartige thermisch isolierende Elemente sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie haben den Zweck, den Wärmeaustausch zwischen einem sich im Brennraum befindenden Gas und der Komponente, auf dem das thermisch isolierende Element aufgebracht oder deren Teil es ist, zu reduzieren. Im Rahmen der Erfindung wurde als nachteilhaft erkannt, dass ein thermisch isolierendes Element sich im Betrieb der Brennkraftmaschine aufheizt, da der Wärmeaustausch mit anderen Komponenten reduziert ist. Als Folge dessen kann es ein sich speziell während einer Ansaugphase in den Brennraum strömendes Gas unerwünscht aufheizen. Die Erfindung ermöglicht es, mittels gezielter Benetzung des mindestens einen thermisch isolierenden Elementes dessen Temperatur zu senken und damit einer unerwünschten zu starken Aufheizung eines in den Brennraum strömenden Gases vorzubeugen. Während einer Verbrennung kann das thermisch isolierende Element dabei nach wie vor durch seine isolierende Wirkung zu einer Effizienzsteigerung infolge von geringeren Wärmeverlusten beitragen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Brennraum eine Zylinderlaufbuchse, Brennraumdach, mindestens einen Ventilteller und/oder einen Kolben auf, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Brennraumdachs, des mindestens einen Ventiltellers und/oder des Kolbens mittels der Einspritzvorrichtung mit Wasser benetzbar ist.
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Die Einspritzvorrichtung ist damit derart ausgerichtet, dass ein möglichst großer Bereich der Innenfläche des Brennraums mit Wasser benetzt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf einen oberen Teil des Brennraums in Form eines Brennraumdachs und einem sich an das Brennraumdach anschließenden zylinderförmigen Brennraumabschnitt ausbildet, wobei die Einspritzvorrichtung an dem zylinderförmigen Brennraumabschnitt angeordnet ist.
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Diese seitliche Anordnung der Einspritzvorrichtung ist besonders vorteilhaft, um einen möglichst geeigneten Bereich der Innenfläche des Brennraums mit Wasser zu benetzten. Alternative Lösungen sind aber ebenfalls denkbar, beispielsweise könnte die Einspritzvorrichtung im Bereich des Brennraumdaches vorgesehen sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Einspritzvorrichtung gegenüber der Symmetrieebene des zylinderförmigen Brennraumabschnitts um weniger als 20° in Richtung des Brennraumdachs geneigt.
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Damit ist die Einspritzvorrichtung geringfügig dem Kolben zugeneigt, kann aber auch von diesem leicht weggeneigt sein, wobei ein negativer Winkel von maximal –20° bevorzugt ist. Vorteil ist, mit dieser Ausrichtung möglichst großflächig die Innenfläche des Brennraums zu benetzen, insbesondere wenn der Kolben sich in der Nähe seines oberen Totpunktes befindet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Einspritzvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese einen Wasserstrahlkegel mit einem Kegelwinkel von mindestens 60° erzeugt.
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Typischerweise hat die Einspritzvorrichtung eine Vielzahl von Öffnungen, die jeweils eine unterschiedlich ausgerichtete Wasserstrahlkeule erzeugen. In diesem Falle besteht der Wasserstrahlkegel aus der Gesamtheit der einzelnen Strahlkeulen. Besonders bevorzugt ist, wenn der Kegelwinkel mindestens 80° groß ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Einspritzvorrichtung mindestens zwei Öffnungen zum Einspritzen von Wasser aufweist, wobei zumindest eine Öffnung zeitweise verschließbar ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Einspritzvorrichtung nicht nur zum Kühlen eines Bereiches der Innenfläche des Brennraums zu nutzen, sondern auch, um ein sich im Brennraum befindendes Gas direkt zu kühlen. Durch das Öffnen und Schließen kann im Hinblick auf die jeweilige Funktion der vorteilhafte Zeitraum, durch die Anordnung der Öffnungen die vorteilhafte Ausrichtung des Einspritzstrahls oder der Einspritzstrahlen ausgewählt werden. Diese Doppelfunktion ermöglicht es, Kosten und Bauraum für eine zusätzliche Einspritzvorrichtung zu sparen.
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Bevorzugterweise umfasst die Brennkraftmaschine ein Steuergerät zum Steuern der Einspritzvorrichtung, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, eine Menge und/oder ein Einspritzbeginn und/oder ein Einspritzende von Wasser zu steuern.
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Dabei ist vorzugsweise das Steuergerät derart eingerichtet, beispielsweise durch eine geeignete Bedatung, dass der Einspritzbeginn zeitlich nahe des oberen Ladungswechseltotpunkt (OT) eines Kolbens der Brennkraftmaschine liegt. Der Zeitraum um den oberen Ladungswechseltotpunkt hat sich als besonders geeignet dafür herausgestellt, die Innenfläche des Brennraums mittels Wassers zu kühlen, da auf diese Weise ein unerwünschtes Aufheizen von im Rahmen der Kolbenabbewegung eingesaugtem Gas, insbesondere einem Luft/Kraftstoffgemisch, reduziert oder vermieden werden kann. Ferner kann eine unnötig hohe Benetzung der Zylinderlaufbuchse mit Wasser vermieden werden, wodurch der Wassereintrag ins Schmieröl verringert wird.
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Bevorzugt liegt ein Einspritzbeginn nach 50° Kurbelwinkel („KW)“ vor und ein Einspritzende vor 50° KW nach dem oberen Ladungswechseltotpunkt. Dabei wir vom Einspritzbeginn bis zum Einspritzende vorzugsweise kontinuierlich oder alternativ unterbrochen Wasser mittels der Einspritzvorrichtung eingespritzt. Es ist möglich, die Einspritzmenge zeitlich zu variieren oder konstant zu halten.
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Des Weiteren ist bevorzugt, dass Einspritzbeginn, Einspritzende und/oder Einspritzmenge abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine sind. Der Betriebspunkt ist definiert durch die Drehzahl und das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine. Bei höheren Drehmomenten kann es vorteilhaft sein, die Einspritzmenge des Wassers zu erhöhen, bei niedrigen Drehmomenten kann die Einspritzmenge teilweise oder sogar auf null reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine sieht vor, dass mittels der Einspritzvorrichtung zumindest ein Teil der Innenfläche des Brennraums mit Wasser benetzt wird zwecks Kühlung der Innenfläche.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 ein Diagramm mit mehreren Einspritzkurven, und
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3 eine schematische Darstellung einer Einspritzvorrichtung.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 ist in diesem Falle ein Ottomotor. Alternativ könnte die Brennkraftmaschine 1 auch als Dieselmotor ausgebildet sein.
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Die Brennkraftmaschine umfasst einen Zylinderkopf 9, eine Zylinderlaufbuchse 15, einen Brennraum 2 für die Verbrennung eines Kraftstoffes und eine Einspritzvorrichtung 3 zum Einspritzen von Wasser in den Brennraum 2. Der Brennraum 2 umfasst ein Brennraumdach 6, zwei Ventilteller 7 und einen Kolben 8. Der Zylinderkopf 9 bildet einen oberen Teil des Brennraums 2 in Form des Brennraumdachs 6 und einen sich an das Brennraumdach 6 anschließenden zylinderförmigen Brennraumabschnitt 10 aus.
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Der Brennraum 2 weist mehrere thermisch isolierende Elemente 5 auf, die zumindest einen Teil der Innenfläche des Brennraums 2 ausbilden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die thermisch isolierenden Elemente 5 als keramische Beschichtung ausgebildet. Thermisch isolierenden Elemente 5 befinden sich am Brennraumdach 6 und auf der dem Brennraumdach 6 zugewandten Kolbenoberfläche 16 des Kolbens 8. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zumindest bereichsweise thermisch isolierenden Elemente an der Unterseite der Ventilteller 7 und/oder an der Zylinderlaufbuchse vorzusehen.
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Die Einspritzvorrichtung 3 ist ausgebildet und angeordnet, um zumindest einen Teil der Innenfläche 4 des Brennraums 2 mit Wasser zu benetzten zwecks zumindest bereichsweiser Kühlung der Innenfläche 4 des Brennraums 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einspritzvorrichtung 3 seitlich an dem zylinderförmigen Brennraumabschnitt 10 angeordnet, damit eine möglichst großflächige Benetzung des Brennraumdachs 6, der Ventilteller 7, des oberen Teils der Zylinderlaufbuchse 15 und der Kolbenoberfläche 16 und der sich dort gegebenenfalls befindenden thermisch isolierenden Elemente 5 möglich ist.
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Die Einspritzvorrichtung 3 ist um einen Winkel α gegen die Symmetrieebene 14 des zylinderförmigen Abschnitts geneigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Winkel α = 0°. Des Weiteren weist die Einspritzeinrichtung 3 eine Vielzahl von Düsen auf (3 zeigt exemplarisch zwei Düsen 13a, 13b). Die Düsen erzeugen eine Vielzahl von Wasserstrahlkeulen 17, mit denen sich bestimmte Bereiches der Innenfläche 4 des Brennraums 2 gezielt benetzen lassen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Düsen zudem so ausgerichtet, dass die Wasserstrahlkeulen nicht eine Zündkerze 24 der Brennkraftmaschine 1 treffen. Die Wasserstrahlkeulen bilden in Ihrer Gesamtheit einen Wasserstrahlkegel 11 mit einem Kegelwinkel β. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Kegelwinkel β = 80°. Durch diese Maßnahmen lässt sich eine großflächige Benetzung der Innenfläche 4 erreichen.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Wassertank 18 auf, der die Einspritzvorrichtung 3 mit Wasser, beispielsweise mittels einer hier nicht gezeigten Pumpe, versorgt. Vorzugweise sind aus Kostengründen keine Temperiermaßnahmen vorgesehen, die Temperatur des Wassers hat Umgebungstemperatur. Es ist aber möglich, über Temperierung das Wasser auf eine geeignete Temperatur zu temperieren.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Steuergerät 12 zum Steuern der Einspritzvorrichtung 3 auf. Das Steuergerät 12 ist eingerichtet, in diesem Falle mittels einer Bedatung, eine Menge, einen Durchsatz und/oder ein Einspritzbeginn und ein Einspritzende von Wasser zu steuern.
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In diesem Ausführungsbeispiel, siehe hierzu auch 2, ist das Steuergerät derart eingerichtet, dass –45° KW vor Erreichen eines oberen Ladungswechseltotpunktes (OT, siehe auch 1), mittels der Einspritzvorrichtung 3 Wasser in den Brennraum 2 eingespritzt wird, siehe erste Kurve 20. Dabei ist der Durchsatz konstant, bis an einem Einspritzende bei +45° KW nach OT das Einspritzen von Wasser beendet wird. Das Verfahren wiederholt sich jeweils nach 720° KW.
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Je nach Betriebspunkt kann es vorteilhaft sein, Einspritzanfang, Einspritzende und Einspritzmenge zu variieren. 2 stellt beispielhaft zwei weitere Einspritzkurven dar, wobei die zweite Kurve 21 sich von der ersten Kurve 20 durch eine andere Einspritzmenge und einen späteres Einspritzende und die dritte Kurve sich durch eine zeitlich variierende Einspritzmenge, einen früheren Einspritzbeginn und ein späteres Einspritzende unterscheidet.
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Die 3 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform einer Einspritzvorrichtung 3. In diesem Falle weist die Einspritzvorrichtung 3 zwei als Düsen ausgebildete Öffnungen 13a, 13b zum Einspritzen von Wasser auf. Die Öffnungen 13a, 13b sind mittels durch das Steuergerät 12 steuerbare Ventile 23 zeitweise verschließbar. Die eine Öffnung 13a ist derart ausgebildet, um die Innenfläche 4 des Brennraums 2 zu benetzen, die Öffnung 13b ist derart ausgebildet, um ein Kraftstoff/Luftgemisch mittels Wasser zu kühlen. Mittels des Steuergerätes 12 lassen sich gezielt die Zeitpunkte steuern, an denen Wasser durch die jeweiligen Düsen 13a, 13b treten, zweckgerichtet steuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2946087 A1 [0002]
- US 9284911 B2 [0003]
