DE102017212306A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen des globalen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors bei variierender Kraftstoffqualität - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen des globalen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors bei variierender Kraftstoffqualität Download PDF

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität in einem Verbrennungsmotor mit einem Brennraum (12) zum Verbrennen des Kraftstoffs, mit einer Einrichtung (21, 22) zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs sowie einer Einrichtung (40, 22, 23) zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, einem Wassertank (30) sowie einer Zuführeinrichtung (31, 32, 27, 28, 29) für das Wasser. Bei dem Verfahren wird die Klopffestigkeit des Kraftstoffs ermittelt und der Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfasst. Hieraus wird ein Bedarf für eine Zuführung von Wasser zum Kraftstoff festgelegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen des globalen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität mit einem Brennraum zum Verbrennen des Kraftstoffs sowie ein Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens zum Erhöhen des globalen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität bzw. zum Betrieb der Vorrichtung.
  • Das mögliche globale Verdichtungsverhältnis von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität wird maßgeblich durch die Kraftstoffqualität und insbesondere durch die Klopffestigkeit des schlechtesten vorliegenden, im Motorleben möglichen Kraftstoffs beschränkt. Da ein vorzeitiges Selbstzünden (Klopfen) des Kraftstoff-Luft-Gemischs im noch unverbrannten Gemischbereich (Endgas) im Brennraum zu Beschädigungen des Motors bis hin zu dessen Totalausfall führen kann, wird die maximale Verdichtung eines Motors durch den qualitativ minderwertigsten (klopfwilligsten) Kraftstoff (geringe Oktanzahl) bestimmt. Ferner steigt auch bei höheren Ansauglufttemperaturen die Gefahr einer verfrühten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Diese Faktoren limitieren das mögliche Verdichtungsverhältnis eines Verbrennungsmotors, obwohl in Ländern, in denen eine hohe Kraftstoffqualität verfügbar ist und zudem überwiegend niedrige Außentemperaturen herrschen, deutlich höhere Verdichtungsverhältnisse und damit höhere Wirkungsgrade der Verbrennungsmotoren möglich wären.
  • Im speziellen wirken sich die vorbeschriebenen Zusammenhänge bei Alkohol-Flex-Fuel-Motoren bzw. Fahrzeugen mit Alkohol-Flex-Fuel-Motoren aus. Solche Fahrzeuge werden üblicherweise mit Benzin, den Alkoholen Methanol oder Ethanol sowie beliebigen Mischungen dieser zwei, ggf. auch aller drei Kraftstoffe betrieben und weisen ein variables Kraftstoffversorgungssystem auf, das den Verbrennungsmotor abhängig von der Betankung und der Ländervariante mit Mischungen aus reinem Benzin (bzw. alkoholhaltigem Grundkraftstoff, z.B. E24) und Kraftstoffen hohen Alkoholgehaltes (z.B. E70, E85, E100) versorgt. Bei solchen Fahrzeugen wird beispielsweise mithilfe von Sensoren oder Softwarelösung die aktuelle Kraftstoffqualität bzw. der Alkoholgehalt erkannt und die Motorapplikation und die Einspritzdauer entsprechend gewählt. Das mögliche mechanische Verdichtungsverhältnis des Motors wird dabei entsprechend den Anforderungen des klopfempfindlichsten Kraftstoffes und der heißesten auftretenden Umgebungsbedingungen gewählt, obwohl bei hohen Alkoholgehalten (hohe Klopffestigkeit) höhere Verdichtungsverhältnisse wählbar wären. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 019 992 A1 oder der europäischen Patentschrift EP 1 304 466 B1 werden Verfahren zur Kraftstoffanalyse bei solchen Motoren beschrieben.
  • Kurzkettige Alkohole wie Methanol und Ethanol sind ein sehr hochwertiger und vor allem sehr klopffester Kraftstoff. Dies liegt zum einen an der hohen Verdampfungsenthalpie, zum anderen an den geringeren Verbrennungstemperaturen aufgrund des intramolekular bereits vorhandenen Wassers, sowie der hohen laminaren Brenngeschwindigkeit. In Flex-Fuel-Konzepten wird die Verdichtung des Verbrennungsmotors auf denjenigen Kraftstoff ausgelegt, der die geringste Klopffestigkeit des möglichen Mischungsspektrums aufweist. Da die Verdichtung aber ein wesentlicher Parameter zur Wirkungsgradsteigerung eines Verbrennungsmotors ist, wird so der maximal mögliche Wirkungsgrad stark limitiert.
  • Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechend verbesserte Vorrichtung zum Erhöhen des globalen Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität und ein Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens bzw. zum Betrieb der Vorrichtung vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität in einem Verbrennungsmotor mit einem Brennraum zum Verbrennen des Kraftstoffs vorgeschlagen, mit einer Einrichtung zum Ermitteln der Klopffestigkeit/ Qualität des Kraftstoffs sowie mit einer Einrichtung zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, einem Wassertank und einer Zuführeinrichtung für das Wasser zum Kraftstoff. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
    • - Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs bzw. der Kraftstoffqualität,
    • - Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors,
    • - Ermitteln eines Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff oder zum Brennraum abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit/ Qualität des Kraftstoffs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, und
    • - Zuführen von Wasser zum Kraftstoff oder zum Brennraum entsprechend dem ermittelten Bedarf.
  • Die Zuführung von Wasser zum Kraftstoff, die insbesondere durch Zuführen von Wasser zum Brennraum oder in das Luftzuführrohr erfolgt, wird beim vorgeschlagenen Verfahren jeweils abhängig vom jeweiligen Bedarf durchgeführt, der ausgehend vom vorliegenden Kraftstoff und den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors ermittelt wird. Damit wird umso mehr Wasser zugeführt, je geringer die Klopffestigkeit des Kraftstoffs ist und je mehr die aktuellen Betriebsbedingungen des Motors eine verfrühte Eigenzündung begünstigen.
  • Das Zuführen von Wasser zum Kraftstoff insbesondere zum Brennraum bzw. zum Luftzuführrohr entsprechend dem ermittelten Bedarf als Klopfinhibitor zum Kraftstoff führt über Verdampfungskühlung zur Absenkung der Gemischtemperatur und damit zu einer Erhöhung der Klopffestigkeit. Zudem führt die Zuführung von Wasser aufgrund von Verdünnungseffekten durch das Wasser bzw. den Wasserdampf als Inertgas zu einem zusätzlich verbesserten Klopfschutz. Durch das Zuführen von Wasser zum Kraftstoff und die damit verbunden Erhöhung der Klopffestigkeit kann zum einen das generelle Verdichtungsverhältnis und damit der thermische Wirkungsgrad des Motors angehoben, zum anderen können dadurch bei gegebenen Verdichtungsverhältnis im klopfbeschränkten Bereich des Motorkennfeldes deutlich wirkungsgradgünstigere Schwerpunktlagen gefahren werden. Dies ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bei einem moderaten Kosten- und Materialeinsatz.
  • Der Kraftstoff, der dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs zugeführt wird, kann ein Mineralöl wie ein Otto-Kraftstoff, ein Alkohol wie Ethanol oder Methanol, ein synthetischer Kraftstoff oder auch ein beliebiges Gemisch aus geeigneten Kraftstoffarten sein, welche als Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors vor einem Zünden verdichtet werden. Auch gasförmige Kraftstoffe (LPG/CNG) können eingeschlossen sein.
  • Mittels der Einrichtung zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs wird die Klopffestigkeit des aktuell im Kraftstofftank des Fahrzeugs enthaltenen bzw. des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffs ermittelt, um einen Bedarf zum Verhindern einer frühzeitigen Eigenzündung während der Verdichtung bzw. Verbrennung im Brennraum zu ermitteln.
  • Da die Neigung zu frühzeitigen Eigenzündungen während der Verdichtung bzw. Verbrennung auch durch den jeweils aktuellen Betriebszustand des Motors beeinflusst wird, wie beispielsweise durch die aktuelle Motorlast und Drehzahl, oder auch durch die aktuelle Rate der Abgasrückführung, die Motortemperatur und dergleichen, wird zusätzlich auch der Betriebszustand des Verbrennungsmotors, d.h. die aktuellen Betriebskennwerte erfasst und bei der Ermittlung des Bedarfs für eine Zuführung von Wasser zum Kraftstoff berücksichtigt.
  • Wenigstens aus den vorausgehend genannten Parametern wird so ein aktueller Bedarf für ein Zuführen von Wasser zum Kraftstoff ermittelt und das diesem Bedarf entsprechende Wasser in einer entsprechenden Zeit dem Kraftstoff zugeführt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass in Verbindung mit der Erfindung bei der Verwendung des Begriffs „Zuführen von Wasser“ auch das Dosieren des jeweiligen Bedarfs an Wasser insbesondere in Verbindung mit dem zeitlichen Ablauf der Zuführung (Dauer, Volumenstrom etc.) zu verstehen ist.
  • Das zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Wasser ist in einem mit der Zuführeinrichtung für das Wasser verbundenen Wassertank im Kraftfahrzeug gespeichert, welcher eine ausreichende Wassermenge aufnimmt und insbesondere wieder auffüllbar ist. Ergänzend oder alternativ kann das Wasser auch aus der Kondensation der Umgebungsluft wie Klimaanlage oder durch Kondensation aus dem Abgas entnommen werden. Letzteres ist insbesondere bei Alkoholkraftstoffen aufgrund des hohen Wasseranteils sehr effizient.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann Wasser gezielt und bedarfsgerecht als Klopfinhibitor eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine Beschränkung des Wasserverbrauchs auf ein erforderliches Maß und damit eine hohe Reichweite eines Wasservorrats.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren erfolgt das Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs mittels eines insbesondere am Kraftstoffsystem angeordneten Sensors, welcher beispielsweise den Alkoholgehalt im Kraftstoff erfasst. Solche Sensoren erfassen beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit bzw. Kapazität eines Kraftstoffs, woraus die Klopffestigkeit eines Kraftstoffs beispielsweise aufgrund eines erfassten Alkoholgehalts im Kraftstoff ermittelbar ist. Das letztendlich verwendete Maß für die Klopffestigkeit wird häufig auch aus den von einem Klopffestigkeitssensor erfassten Werten über eine softwarebasierte Auswertung ermittelt, wobei in eine solche Auswertung auch zusätzliche Daten einfließen können. Im Ergebnis kann mithilfe derartiger Sensoren die Klopffestigkeit des im Kraftstoffversorgungssystem enthaltenen Kraftstoffs ausreichend genau bestimmt werden, um den Bedarf an Wasser zur Zuführung zum Kraftstoff insbesondere in den Brennraum oder das Luftzuführrohr zu ermitteln, um Klopferscheinungen beim Verbrennen des Kraftstoffs im Brennraum des Motors ausreichend zu reduzieren.
  • Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Erhöhen der Verdichtungsfähigkeit eines Kraftstoffs erfolgt das Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs softwarebasiert unter Verwendung von am Verbrennungsmotor ermittelten Betriebswerten. Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei einem bekannten Vorgehen wird ein Ermittlungsvorgang beispielsweise nach einem Tankvorgang durchgeführt. Ein erfolgter Tankvorgang wird dabei beispielsweise über die Änderung des Füllstands im Kraftfahrzeugtank erkannt. Bei solchen Verfahren wird die Klopffestigkeit des vorhandenen Kraftstoffs aufgrund der nachfolgend stattfindenden Verbrennung ermittelt. Hierbei werden beispielsweise die Signale von mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Sensoren verwendet, wie beispielsweise der Signalverlauf des Lambdasignals einer Abgassonde, das Signal eines Klopfsensors bzw. eine Laufruhesensors oder eines Drucksensors, der den Verbrennungsdruck im Zylinder erfasst. Damit kann auch mittels einer softwarebasierten Auswertung von insbesondere in einer Motorsteuerung vorhandener Signale z. B. der Alkoholgehalt und damit deduktiv die Klopffestigkeit des Kraftstoffs ausreichend genau bestimmt werden, um den Bedarf einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff zu ermitteln, ohne dass zusätzliche Sensoren am Kraftfahrzeug erforderlich sind.
  • Eine Ausführungsform des Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält den weiteren Schritt:
    • - Erfassen der Temperatur der Ansaugluft und Berücksichtigen dieser Temperatur beim Ermitteln des Bedarfs der Zuführung von Wasser zum Kraftstoff.
  • Mit steigender Temperatur der Ansaugluft erhöht sich die Klopfneigung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bei der Verdichtung. Durch eine Berücksichtigung der Ansauglufttemperatur kann die Klopfgefahr und damit der jeweilige Bedarf einer Zuführung von Wasser mit höherer Genauigkeit ermittelt werden.
  • Eine Ausführungsform des Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält den weiteren Schritt:
    • - Erfassen des Wassergehalts der Ansaugluft und Berücksichtigen des Wassergehalts beim Ermitteln des Bedarfs der Zuführung von Wasser zum Kraftstoff.
  • Ein zunehmender Wassergehalt der Ansaugluft verringert die Klopfneigung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bei der Verdichtung, da das in der Ansaugluft bereits vorhandene Wasser wie bereits beschrieben als Klopfinhibitor wirkt. Damit kann bei einer Berücksichtigung des Wassergehalts der Ansaugluft die Klopfgefahr im Brennraum und damit der jeweilige Bedarf einer Zuführung von Wasser mit höherer Genauigkeit ermittelt werden.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität wird das Wasser beim Zuführen zum Kraftstoff direkt in den Brennraum oder in ein Luftzuführrohr des Verbrennungsmotors eingebracht, insbesondere eingespritzt.
  • Wie bereits angegeben sinkt durch das Zuführen von Wasser zum Kraftstoff insbesondere in den Brennraum oder in das Luftzuführrohr die Gemischtemperatur aufgrund der Verdampfungskühlung und durch Verdünnungseffekte wirkt das Wasser bzw. der Wasserdampf zusätzlich als Inertgas. Diese Wirkungen werden genutzt, wenn das Wasser in ein Luftzuführrohr des Verbrennungsmotors eingespritzt und mit der Ansaugluft in einen Brennraum des Verbrennungsmotors geführt wird. Bei einer alternativ ebenso möglichen direkten Einspritzung von Wasser in den Brennraum kann die Kühleffizienz der Gemischkühlung nochmals gesteigert werden, da Wärmeübergangsverluste an den Wänden, z. B. des Luftzuführrohrs vermieden werden und der Kraftstoff im Brennraum aufgrund der Kompressionstemperaturerhöhung im Verdichtungstakt des Motors schneller und vollständiger verdampft und dabei direkt die Gemischtemperatur absenkt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität Verfahrens wird das Wasser mit dem Kraftstoff vermischt und als Emulsion direkt in den Brennraum oder in ein Luftzuführrohr des Verbrennungsmotors eingebracht, insbesondere eingespritzt. Vorteilhaft bei dieser Variante ist die Möglichkeit zur gleichmäßigen Vermischung des Wassers mit dem Kraftstoff, bevor sich die dabei hergestellte Emulsion mit der Verbrennungsluft vermischt. Hierbei ist die Gemischaufbereitung und die Verdampfungskühlung besonders effizient, so dass der Wasserbedarf dann insgesamt niedriger ausfallen kann.
  • Vorteilhaft kann das Verfahren zur Erhöhung des möglichen
  • Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität bei Alkohol-Flex-Fuel-Motoren verwendet werden. Die bei solchen Motoren verwendeten kurzkettigen Alkohole wie Methanol oder Ethanol sind sehr klopffeste Kraftstoffe, welche eine gegenüber mineralölbasierten Ottokraftstoffen sehr hohe Klopffestigkeit aufweisen. Durch die Verwendung einer oder mehrerer Optionen des vorausgehend beschriebenen Verfahrens kann der Verbrennungsmotor mit gegenüber Alkohol-Flex-Fuel-Motoren bekannter Bauart größerem Verdichtungsverhältnis ausgelegt werden, da bei der Verbrennung eines weniger klopffesten Kraftstoffs durch das Zuführen von Wasser die Klopffestigkeit dieses Kraftstoffs entsprechend erhöhbar ist.
  • Bei der Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens wird umso mehr Wasser in den Kraftstoff eingebracht, je geringer der Alkoholgehalt des Grundkraftstoffes ist bzw. je weniger klopffest der Kraftstoff ist. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis des Motors und damit dessen thermischer Wirkungsgrad insgesamt gesteigert werden, wodurch auch verbesserte Verbrauchswerte erzielt werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Einrichtung zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs, wenigstens eine Einrichtung zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, einen Wassertank und eine Zuführeinrichtung für Wasser zum Kraftstoff auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Einrichtung zum Ermitteln eines Bedarfs für eine Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors auf sowie eine Zuführeinrichtung von Wasser zum Kraftstoff insbesondere in den Brennraum oder in das Luftzuführrohr entsprechend dem ermittelten Bedarf.
  • Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung können eine oder mehrere Optionen des vorausgehend beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden. Wie bereits ausgeführt, dient das Zuführen von Wasser zum Kraftstoff entsprechend dem jeweils ermittelten Bedarf zum Erhöhen der Klopffestigkeit des Kraftstoffs und damit einem verbesserten Klopfschutz. Durch das Zuführen von Wasser zum Kraftstoff ist das Verdichtungsverhältnis und damit der thermische Wirkungsgrad des Motors anhebbar, wodurch eine deutliche Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bei einem moderaten Kosten- und Materialeinsatz erreichbar ist.
  • Bereits in Verbindung mit dem Verfahren beschriebene Einrichtungen und Zusammenhänge sind entsprechend auch in Verbindung mit der vorgeschlagenen Vorrichtung zu verstehen, so dass mit Bezug auf das Verfahren erfolgte Erläuterungen an dieser Stelle nicht nochmals mit Bezug auf die Vorrichtung wiederholt werden.
  • So wurden mögliche Ausführungsformen einer Einrichtung zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben. Eine Einrichtung zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors kann beispielsweise Teil der Motorsteuerung sein oder zumindest mit dieser verbunden sein, da der Betriebszustand von der Motorsteuerung bzw. von mit dieser verbundenen Einrichtungen wie Sensoren etc. erfasst und weiterverarbeitet wird. Die für die Vorrichtung erforderlichen Informationen über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors sind damit gewöhnlich in der Motorsteuerung verfügbar.
  • Auch mögliche Ausführungsformen einer Einrichtung zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs, der Wassertank oder mögliche Zuführeinrichtungen für Wasser zum Kraftstoff wurden bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben.
  • Die Vorrichtung weist ferner eine Einrichtung auf, welche abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und den von der Einrichtung zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors erhaltenen Daten den Bedarf zum Zuführen von Wasser zum Kraftstoff ermittelt. Ausgehend von dem ermittelten jeweiligen Bedarf führt die Zuführeinrichtung das entsprechende Wasser dem Kraftstoff zu. Mögliche Ausführungsformen einer Zuführeinrichtung, welche insbesondere die Wassermenge und die Zuführzeit und -zeitraum bzw. den Volumenstrom an Wasser in den Kraftstoff einbringt, wurden ebenfalls bereits in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Verfahren beschrieben.
  • Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität ist die Zuführeinrichtung von Wasser zum Kraftstoff eingerichtet, eine Emulsion von Kraftstoff und dem ermittelten Bedarf an Wasser zu bilden. Eine derartige Einrichtung ist sowohl mit dem Kraftstofftank als auch mit dem Wassertank verbunden und weist geeignete Einrichtungen zum Bilden einer Emulsion aus Wasser und Kraftstoff auf. Ferner ist die Zuführeinrichtung so ausgeführt, dass mit dieser die Emulsion in geeigneter Weise direkt in den Brennraum oder in das Luftzuführrohr einbringbar ist, wo diese sich mit der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft mischt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Erhöhen der Verdichtungsfähigkeit eines Kraftstoffs weist die Zuführeinrichtung für das Wasser eine Einspritzdüse auf, die im Brennraum oder im Luftzuführrohr angeordnet ist. Die Einspritzdüsen bzw. die Zuführeinrichtungen für das Wasser sind in diesen Fällen unterschiedlich ausgebildet, da das Wasser in den Brennraum aufgrund der dort herrschenden hohen Drücke auch mit hohem Druck eingespritzt werden muss, um eine geeignete Verteilung des Wassers im Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erreichen. Eine Einspritzung des Wassers in das Luftzuführrohr erfolgt mit entsprechend geringerem Druck, weshalb die Einspritzdüse für eine geeignete Zuführung des Wassers hierbei anders ausgebildet ist.
  • Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität ist der Verbrennungsmotor ein Alkohol-Flex-Fuel-Motor. Da bei Flex-Fuel-Motoren große Unterschiede hinsichtlich der Klopffestigkeit der eingesetzten Kraftstoffe bestehen und diese Motoren üblicherweise bezüglich eines verwendbaren Kraftstoffs mit der geringsten Klopffestigkeit ausgelegt werden, lässt sich das Verdichtungsverhältnis und der thermische Wirkungsgrad bei Alkohol-Flex-Fuel-Motoren stark erhöhen.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ferner ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zum Ausführen des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bzw. zum Betrieb einer Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 12. Das Steuergerät ist dabei eingerichtet:
    • - Daten einzulesen, welche die Ermittlung der Klopffestigkeit des Kraftstoffs ermöglichen,
    • - Daten einzulesen, welche den Betriebszustand des Verbrennungsmotors kennzeichnen,
    • - die eingelesenen Daten auszuwerten, um einen Bedarf an einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und des ermittelten Betriebszustands des Verbrennungsmotors zu ermitteln,
    • - die Zuführung von Wasser zum Kraftstoff entsprechend dem ermittelten Bedarf zu steuern.
  • Bereits in Verbindung mit dem Verfahren und der Vorrichtung beschriebene Einrichtungen und Zusammenhänge sind entsprechend auch in Verbindung mit der vorgeschlagenen Steuereinrichtung zu verstehen. Die Steuereinrichtung ist insbesondere mit den Einrichtungen zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs, zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, zum Ermitteln des Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff und mit der Zuführeinrichtung für Wasser zum Kraftstoff verbunden und ist zur Steuerung des vorgeschlagenen Verfahrens und für die Verwendung im Rahmen der vorgeschlagenen Vorrichtung und folglich zum Erreichen der damit verbundenen Vorteile geeignet.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität in einem Verbrennungsmotor;
    • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Wasser direkt in den Brennraum zugeführt wird, und
    • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dem Brennraum eine Emulsion aus Wasser und Kraftstoff zugeführt wird.
  • 1 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität in einem Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs. In 1 ist ein beispielhaft dargestellter Zylinder 11 des Verbrennungsmotors 10 mit einem, im Brennraum 12 auf und ab bewegbaren Kolben 13 zum Verbrennen des Kraftstoffs dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen Kraftstofftank 20 mit einem Kraftstoffsensor 21 und einen am Zylinder 11 angeordneten Klopfsensor 22 zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs auf. Bei dem Verbrennungsmotor 10 kann es sich beispielsweise um einen Alkohol-Flex-Fuel-Motor handeln, bei einer solchen Ausführungsform enthält der Kraftstofftank 20 eine Mischung von Benzin und Alkohol-Kraftstoff.
  • Ferner weist die Vorrichtung 1 einen an der Kurbelwelle 15 des Verbrennungsmotors 10 mit einer Recheneinrichtung 40 verbundenen Drehzahlsensor 23 zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10 auf. Am Luftzuführrohr 14 der beispielhaften Ausführungsform ist auch ein Temperatursensor 24 und ein Wassergehaltssensor zum Erfassen der Temperatur sowie des Wassergehalts der in den Brennraum 12 geführten Luft angeordnet. Verbindungen zum Übermitteln von Mess- oder Steuersignalen sind in Form von Strichlinien dargestellt.
  • An der Vorrichtung 1 ist ferner ein Wassertank 30 und als Zuführeinrichtung für Wasser zum Kraftstoff eine Wasserleitung 31 und eine Einspritzdüse 32 zum Einspritzen von Wasser in die Luftzuführleitung 14 vorgesehen. Am Verbrennungsmotor 10 sind ein Kraftstofftank 20, eine Kraftstoffleitung 25 und als Zuführeinrichtung für den Kraftstoff eine Einspritzdüse 26 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 12 vorgesehen. Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Einrichtung 50 zum Ermitteln eines Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 auf.
  • 2 zeigt eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren 10 von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität eines Kraftfahrzeugs. 2 unterscheidet sich dahingehend von 1, dass auch die Einspritzdüse 32 für das Wasser an der Brennraumwandung angeordnet ist, so dass das Wasser dem Kraftstoff direkt im Brennraum zugeführt wird.
  • 3 zeigt eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren 10 von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität eines Kraftfahrzeugs. 3 unterscheidet sich von 2 durch eine Mischeinrichtung 27 von Wasser zum Kraftstoff, welche geeignet ist, eine Emulsion von Kraftstoff und Wasser zu bilden. Die Mischeinrichtung 27 bildet einen Teil der Zuführeinrichtung für das Wasser und ist über die Kraftstoffleitung 25 mit dem Kraftstofftank 20 und über die Wasserleitung 31 mit dem Wassertank 30 verbunden und ist zum Bilden einer Emulsion aus Wasser und Kraftstoff eingerichtet. Ferner ist die Mischeinrichtung 27 über eine Emulsionsleitung 28 mit der Einspritzdüse 29 verbunden, welche zum Einspritzen der Emulsion in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 dient.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zum Erhöhen der Verdichtungsfähigkeit eines Kraftstoffs
    10
    Verbrennungsmotor
    11
    Zylinder
    12
    Brennraum
    13
    Kolben
    14
    Luftzuführleitung
    15
    Kurbelwelle
    20
    Kraftstofftank
    21
    Kraftstoffsensor
    22
    Klopfsensor
    23
    Drehzahlsensor
    24
    Temperatursensor
    25
    Kraftstoffleitung
    26
    Einspritzdüse
    27
    Mischeinrichtung
    28
    Emulsionsleitung
    29
    Einspritzdüse
    30
    Wassertank
    31
    Wasserleitung
    32
    Einspritzdüse
    34
    Wassergehaltssensor
    40
    Recheneinrichtung
    50
    Einrichtung zum Ermitteln eines Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007019992 A1 [0003]
    • EP 1304466 B1 [0003]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bei variierender Kraftstoffqualität in einem Verbrennungsmotor mit einem Brennraum (12) zum Verbrennen des Kraftstoffs, mit einer Einrichtung (21, 22) zum Ermitteln der Klopffestigkeit/ Qualität des Kraftstoffs sowie einer Einrichtung (40, 22, 23) zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, einem Wassertank (30) sowie einer Zuführeinrichtung (31, 32, 27, 28, 29) für das Wasser zum Kraftstoff, mit folgenden Verfahrensschritten: - Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs bzw. der Kraftstoffqualität, - Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1), - Ermitteln eines Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit/ Qualität des Kraftstoffs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (1), und - Zuführen von Wasser zum Kraftstoff entsprechend dem ermittelten Bedarf.
  2. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs mittels eines insbesondere am Kraftstoffversorgungssystem angeordneten Sensors (21) erfolgt.
  3. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs softwarebasiert unter Verwendung von am Verbrennungsmotor (1) ermittelten Betriebswerten des Verbrennungsmotors (1) erfolgt.
  4. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: - Erfassen der Temperatur (24) der Ansaugluft und Berücksichtigen dieser Temperatur beim Ermitteln des Bedarfs der Zuführung von Wasser zum Kraftstoff.
  5. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: - Erfassen des Wassergehalts der Ansaugluft und Berücksichtigen des Wassergehalts beim Ermitteln des Bedarfs der Zuführung von Wasser zum Kraftstoff.
  6. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser beim Zuführen zum Kraftstoff direkt in den Brennraum (12) oder in ein Luftzuführrohr (14) des Verbrennungsmotors (1) eingebracht wird.
  7. Verfahren zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mit dem Kraftstoff vermischt wird und als Emulsion (27) direkt in den Brennraum (12) oder in ein Luftzuführrohr (14) des Verbrennungsmotors (1) eingebracht wird.
  8. Verwendung des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einem Alkohol-Flex-Fuel-Motor.
  9. Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität, wobei der Verbrennungsmotor einen Brennraum (12) zum Verbrennen eines Kraftstoffs aufweist, die Vorrichtung (1) weist wenigstens eine Einrichtung (21, 22) zum Ermitteln der Klopffestigkeit des Kraftstoffs, wenigstens eine Einrichtung (40, 22, 23) zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (10), einen Wassertank (30) und eine Zuführeinrichtung (31, 32, 27, 28, 29) für Wasser zum Kraftstoff auf, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (50) zum Ermitteln eines Bedarfs einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (10) und eine Zuführeinrichtung (31, 32, 27, 28, 29) von Wasser zum Kraftstoff entsprechend dem ermittelten Bedarf.
  10. Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (27, 28, 29) eingerichtet ist, eine Emulsion von Kraftstoff und Wasser entsprechend dem ermittelten Bedarf zu bilden.
  11. Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (31, 32, 27, 28, 29) für das Wasser eine Einspritzdüse (29, 32) aufweist, die im Brennraum (12) oder im Luftzuführrohr (14) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bei variierender Kraftstoffqualität nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Alkohol-Flex-Fuel-Motor ist.
  13. Steuergerät für ein Kraftfahrzeug zum Ausführen des Verfahrens zum Erhöhen des möglichen Verdichtungsverhältnisses von Verbrennungsmotoren bei variierender Kraftstoffqualität des Kraftfahrzeugs insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bzw. zum Betrieb einer Vorrichtung (1) insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welches eingerichtet ist: - Daten einzulesen, welche die Ermittlung der Klopffestigkeit des Kraftstoffs ermöglichen, - Daten einzulesen, welche den Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) kennzeichnen, - die eingelesenen Daten auszuwerten, um einen Bedarf an einer Zuführung von Wasser zum Kraftstoff abhängig von der ermittelten Klopffestigkeit des Kraftstoffs und des ermittelten Betriebszustands des Verbrennungsmotors zu ermitteln, und - die Dosierung und Zuführung von Wasser zum Kraftstoff entsprechend dem ermittelten Bedarf zu steuern.
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