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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Diagnose einer Kühlmitteleinspritzung eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 31 42 729 A1 , der
DE 10 2014 222 474 A1 und der
DE 10 2012 207 904 A1 sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen Wasser in einen Verbrennungsmotor eingespritzt wird, um die Qualität der Verbrennung zu verbessern bzw. ein Klopfen oder Vorentflammung des Verbrennungsmotors zu unterdrücken.
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Vorteile der Erfindung
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Diagnose der Wassereinspritzung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben den Vorteil, dass aus der Drehzahl auf eine Funktion oder Fehlfunktion der Kühlmitteleinspritzung geschlossen werden kann. Es kann so während des laufenden Betriebs des Verbrennungsmotors ermittelt werden, ob das Verfahren tatsächlich durchgeführt wird, d. h. ob die Mittel zur Einspritzung zuverlässig funktionieren. Wenn dabei ein zuverlässiges Funktionieren der Kühlmitteleinspritzung festgestellt wird, so kann der laufende Betrieb optimiert unter Berücksichtigung der durch die Kühlmitteleinspritzung verbesserten Verbrennung fortgesetzt werden. Wenn eine Nichtfunktion der Kühlmitteleinspritzung festgestellt wird, so müssen entsprechende Gegenmaßnahmen, insbesondere Maßnahmen zum Schutz des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, insbesondere um den Motor vor einer Überhitzung oder zu einem starken Auftreten von Klopfen zu schützen. Es kann so ein sicherer Betrieb des Motors über einen weiten Bereich sichergestellt werden.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt die Diagnose durch Auswertung des Schwerpunkts der Verbrennung die aus der Drehzahl bzw. der Änderung der Drehzahl, errechnet wird. Alternativ kann auch die Amplitude der Drehzahl insbesondere die maximale Amplitude herangezogen werden. Weiterhin kann aus der Drehzahl der Druckverlauf der Verbrennung errechnet werden, der dann für die Diagnose verwendet wird. Besonders einfach und genau werden diese Berechnungen wenn Messungen verschiedener Verbrennungen miteinander verglichen werden. Dazu ist bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine der Vergleich zwischen verschiedenen Zylindern oder Brennräumen möglich. Einer der Zylinder oder Brennräume wird dazu im Diagnosebetrieb und die anderen Brennräume werden im Normalbetrieb betrieben. Durch den Vergleich wird die Qualität der Messung und in Folge dessen die Qualität der Diagnose verbessert. Alternative kann auch der Vergleich verschiedener nacheinander erfolgender Verbrennungen eines einzelnen Brennraums verwendet werden. Es werden so Schwankungen zwischen einzelnen Zylindern oder Brennräumen vermieden. Vorteilhaft an dem Vergleich zwischen verschiedenen Zylindern ist, dass Schwankungen der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine die Messung nicht so stark beeinflussen können.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Kühlmitteleinspritzung in ein Saugrohr eines Verbrennungsmotors,
- 2 eine Kühlmitteleinspritzung direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors,
- 3 ein Motorenkennfeld mit Bereichen für eine aktivierte und deaktivierte Wassereinspritzung,
- 4 die Drehzahl eines Verbrennungsmotors gegen die Zeit und
- 5 die Drehzahl eines Verbrennungsmotors in stark vergrößerter zeitlicher Auflösung einmal ohne und einmal mit einer Mengenmäßig hohen Kühlmitteleinspritzung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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 OttoMotor 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 Kühlmitteleinspritzung in der Regel eine Wassereinspritzung in das Saugrohr 11 gezeigt. Neben Wasser als Kühlmittel sind insbesondere Mischungen von Wasser und Alkohol als Kühlmittel geeignet. Im Folgenden werden die Begriffe Kühlmitteleinspritzung und Wassereinspritzung gleichwertig zur Beschreibung einer Kühlmitteleinspritzung verwendet. 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 elektrischen 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.
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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 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. Weiterhin wird noch ein Steuergerät 200 gezeigt welches einen Mikrocontroller zur Ansteuerung aller Komponenten des Motors darstellt. Dazu werden die Signale entsprechender Sensoren des Motors ausgelesen und entsprechende Ansteuersignale des Motors berechnet. Das Steuergerät 200 stellt somit ein Mittel zur Kontrolle aller Betriebszustände des Motors dar. Weiterhin führt dieses Steuergerät das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren aus.
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In der 2 wird ebenfalls ein Motor mit einer Wassereinspritzung 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 350 bar erforderlich. In dem Wasserrail 3 muss daher Wasser mit einem deutlich höherem 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 wird ein Kennfeld dargestellt, in dem die Last L und die Drehzahl N und die Betriebsbereiche, in den die Kühlmitteleinspritzung aktiviert ist bzw. deaktiviert ist, gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist im größeren Bereich 32, insbesondere im Bereich niedrigerer Last und niedrigerer Drehzahl, die Kühlmitteleinspritzung nicht aktiviert. In einem weiteren Bereich 31, insbesondere bei höherer Last und höherer Drehzahl wird die Wassereinspritzung aktiviert, um eine thermische Überlastung des Verbrennungsmotors bzw. Klopfen des Verbrennungsmotors gering zu halten. Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, durch die ein Funktionieren oder Nichtfunktionieren der Kühlmitteleinspritzung festgestellt werden kann. Wenn sich dabei herausstellt, dass die Kühlmitteleinspritzung funktioniert, so kann ein verbesserter Betrieb des Verbrennungsmotors mit der Kühlmitteleinspritzung erfolgen. Dabei wird der Verbrennungsmotor in einem optimierten Betriebsbereich betrieben, wodurch der Verbrauch des Motors bzw. die Leistung gesteigert werden kann. Wenn festgestellt wird, dass die Kühlmitteleinspritzung nicht funktioniert, so muss ein Schutzbetrieb des Verbrennungsmotors realisiert werden, da dann nicht der optimierte Betrieb mit Kühlmitteleinspritzung erfolgen kann. Durch diesen Schutzbetrieb wird der Verbrauch erhöht und die Leistung des Motors verringert.
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In der 4 wird die Drehzahl S (=speed) eines Verbrennungsmotors aufgetragen gegen die Zeit t dargestellt. In der Darstellung der 4 wird von einem stetigen Betrieb des Verbrennungsmotors mit im Wesentlichen konstanten Betriebsparametern d.h. auch mit einer im Durchschnitt konstanten Drehzahl ausgegangen. Wie in der Darstellung der 4 zu erkennen ist schwankt die Drehzahl des Verbrennungsmotors periodisch um eine Durchschnittsdrehzahl. Diese Schwankungen sind durch die einzelnen Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern oder Brennräumen verursacht. Bei jeder Verbrennung erfolgt eine Beschleunigung der Brennkraftmaschine und somit der Drehzahl. Zwischen der einzelnen Verbrennungsvorgängen fällt die Drehzahl jeweils ab bis erneut eine Beschleunigung durch eine neue Verbrennung erfolgt. Bei einem Einzylindermotor sind die Schwankungen der Drehzahl deutlich stärker als bei einem Mehrzylindermotor, da bei einem Mehrzylindermotor pro Umdrehung der Kurbelwelle eine erhöhte Anzahl von Brennräumen zum Antrieb der Kurbelwelle beitragen. Aber auch bei Mehrzylindermotoren sind die Schwankungen der Drehzahl sichtbar und messbar.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen einzelne dieser Verbrennungen durch eine Kühleinspritzung zu beeinflussen um die Funktion der Kühlmitteleinspritzung zu überprüfen. Dazu wird bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine an einem Betriebspunkt im Bereich 32 der 3 eine Kühlmitteleinspritzung mit einer hohen Menge an Kühlmittel vorgenommen, obwohl für diesen Betriebspunkt die Einspritzung von Kühlmittel in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine gar nicht vorgesehen ist. Der Normalbetrieb unterscheidet sich vom Diagnosebetrieb dahingehend, dass beim Normalbetrieb ein möglichst effizienter Betrieb mit geringstem Ressourcen erfolgt, d.h. wenn die Einspritzung von Kühlmittel nicht notwendig ist, so wird normalerweise auch kein Kühlmittel eingespritzt. Bei Diagnosebetrieb wird hingegen eine Einspritzung von Kühlmittel vorgesehen um die Kühlmitteleinspritzung zu diagnostizieren d.h. auf seine Funktion oder Fehlfunktion zu testen. Am Ende des Diagnosebetriebs steht die Feststellung der Funktion oder Fehlfunktion der Kühlmitteleinspritzung. Bei dem Diagnosebetrieb wird die gleiche Luftmenge und die gleiche Kraftstoffmenge wie im Normalbetrieb in den Brennraum 101 eingebracht. Zusätzlich erfolgt noch ein Einbringen d.h. ein Einspritzen einer erheblichen Menge von Kühlmittel entweder direkt in den Brennraum 101 oder in das Saugrohr 11. Typischerweise wird dabei eine Menge an Kühlmittel in den Brennraum 101 eingebracht die massenmäßig mehr als 20% der Menge an Kraftstoff entspricht. Die Masse des Kühlmittels entspricht somit mehr als 20% der Masse des Kraftstoffs für diese Verbrennung. Um einen deutlicheren Effekt zu erzielen, können auch noch höhere Massen an Kühlmittel bis zu beispielsweise 60% der Kraftstoffmasse eingespritzt werden. Die Wahl der jeweils verwendeten Kühlmittelmasse relativ zur Kraftstoffmasse wird unter Berücksichtigung der gewünschten Deutlichkeit der Änderung, der Menge an Kühlmittel die zur Verfügung steht und Betriebsgrenzen der Brennkraftmaschine für die verschiedenen Betriebspunkte der Brennkraftmaschine festgelegt. Durch diese große Menge an Kühlmittel erfolgt eine deutliche Abkühlung der Verbrennung, die sich in einer Änderung der Drehzahl bemerkbar macht.
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In der 5 wird der Einfluss der Verbrennung auf die Drehzahl in hoher zeitlicher Auflösung dargestellt. Dargestellt wird die Drehzahl S gegen die Zeit t für eine einzelne Verbrennung. Die gepunktete Line 51 stellt dabei eine Verbrennung ohne Kühlmitteleinspritzung und die Linie 52 stellt die Drehzahl für eine Verbrennung mit einer Kühlmitteleinspritzung von beispielsweise mehr als 50% Gewicht der eingespritzten Kraftstoffmenge dar. Die Linie 51 steigt bis zur Drehzahlmaximum S1 zum Zeitpunkt tl an und fällt danach wieder ab. Die Drehzahl der Line 52 steigt bis zum Drehzahlmaximum S2 den Wert der Drehzahl S2 und das Maximum von S1 liegt zu einem deutlich früheren Zeitpunkt tl als das Maximum S2 zum Zeitpunkt t2. Durch die Kühlmitteleinspritzung wird somit die maximale Drehzahl verringert und der Zeitpunkt der maximalen Drehzahl zeitlich nach spät verschoben. Es lässt sich somit eindeutig unterscheiden ob es zu einer Einspritzung von Kühlmittel gekommen ist oder nicht, woraus dann auch auf eine Funktion oder Fehlfunktion der Kühlmitteleinspritzung geschlossen werden kann. Durch die Verwendung einer Kühlmitteleinspritzung im Bereich 32 kann somit eine Diagnose der Kühlmitteleinspritzung erfolgen.
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Um die Qualität der Erkennung der Veränderung der Drehzahl oder des Drehzahlmaximums und der zeitlichen Verschiebung zu verbessern ist es vorteilhaft zwei Verbrennungsvorgänge miteinander zu vergleichen wie diese in der 5 dargestellt ist. Durch den Vergleich einer Verbrennung mit Kühlmitteleinspritzung mit einer Verbrennung ohne Kühlmitteleinspritzung können die Unterschiede besonders genau festgestellt werden. Bei einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine können dabei Verbrennungen zwischen verschiedenen Zylindern verglichen werden, indem nur einer der mehreren Zylinder mit Kühlmitteleinspritzung und die anderen Zylinder ohne Kühlmitteleinspritzung betrieben wird. Dabei beeinflussen natürlich Unterschiede zwischen den einzelnen Zylindern, die zu einem etwas abweichenden Verlauf der Verbrennung führen, die Ermittlung der Drehzahl. Dafür beeinflussen Veränderungen der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Messung nicht so stark, da verschiedene Zylinder zeitlich enger aneinander liegen und sich die Betriebsbedingungen dann nicht so stark verändern. Messungen am gleichen Zylinder die aber zeitlich nacheinander liegen haben nicht das Problem von Unterschieden zwischen den Zylindern, liegen aber zeitlich weiter voneinander entfernt und werden daher stärker von sich ändernden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine beeinflusst.
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Alternativ zur Auswertung der Höhe und der zeitlichen Lage des Drehzahlmaximums können aus der Drehzahl noch andere Kenngrößen für die Verbrennung ermittelt werden aus denen sich der Einfluss einer Wassereinspritzung erkennen lässt. Jedes dieser Verfahren lässt sich dann auch für eine Diagnose verwenden wenn eine Verbrennung mit Kühlmitteleinspritzung und eine Verbrennung ohne Kühlmitteleinspritzung miteinander verglichen werden. Beispielsweise lässt sich aus der Drehzahl der Schwerpunkt einer Verbrennung erkennen, wobei durch die Kühlmitteleinspritzung eine Verschiebung des Schwerpunkts der Verbrennung erfolgt.
