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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kühlmittel.
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Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes von Kraftwagen mit verbrennungsmotorischem Antrieb steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von, insbesondere als Ottomotoren ausgebildeten, Brennkraftmaschinen immer weiter an. Ermöglicht wird dies unter anderem durch Aufladung einer mit einer Direkteinspritzung ausgestatteten Brennkraftmaschine, welche nachfolgend auch aus Motor oder als Verbrennungskraftmaschine bezeichnet wird. Eine derartige Aufladung kann beispielsweise mittels eines Abgasturboladers (ATL) oder mittels eines Kompressors erfolgen. Um im aufgeladenen Betrieb des Motors einen günstigen Wirkungsgrad - und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch - erreichen zu können, sollte der Motor mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage (auch als MFB50% bekannt) betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten, jeweiligen Brennräumen des Motors zur Verbrennung zuzuführenden Luft von besonderer Bedeutung, um dadurch das Verdichtungsverhältnis anheben zu können, ohne sogenanntes „Klopfen“ beim Betrieb des Motors zu generieren. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis kann auch eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bewirkt werden, was zunehmend an Bedeutung gewinnt. Darüber hinaus ist das darstellbare maximale Motordrehmoment - insbesondere bei höherer Motordrehzahl - durch bauteilspezifische Grenztemperaturen limitiert. Hieraus ergibt sich neben der Möglichkeit die Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung früh zu verschieben - sofern dies möglich ist - ein Bedarf für zusätzliche Kühlmaßnahmen. Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment (Motordrehmoment) sowie steigender spezifischer Leistung des Motors als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Luft und/oder des Brennraums weiter an. Bei Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen kommen Brennkraftmaschinen mit hoher spezifischer Leistung zum Einsatz, die vergleichsweise oft in Bereichen hoher Motorlast betrieben werden.
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Bei aktuellen Ottomotoren erfolgt die Ladeluftkühlung mittels eines Ladeluftkühlers, welcher von der verdichteten Luft durchströmt wird und dieser damit Wärme entzieht. Letztere wird vom Ladeluftkühler (Wärmetauscher) dann direkt an die Umgebung oder an ein den Wärmetauscher durchströmendes Kühlmedium eines Niedertemperaturkreislaufs abgegeben. Es wird folglich zwischen einer sogenannten „direkten“ und einer „indirekten“ Ladeluftkühlung unterschieden. Die Überschreitung der bauteilspezifischen Grenztemperaturen bei hohen Lasten wird heute durch eine Anreicherung des Luft-Kraftstoffgemischs, also durch sogenannten „unterstöchiometrischen Betrieb“ des Motors, verhindert. Der zu Kühlungszwecken (Nutzung der Verdampfungsenthalpie) zusätzlich eingespritzte Kraftstoff bewirkt aufgrund des Sauerstoffmangels im Brennraum einen erhöhten Schadstoffausstoß, der insbesondere durch zukünftige Abgasgesetzgebung (Real-Driving-Emissions) als kritisch zu bewerten ist. Eine heute bekannte Alternative stellt die Verwendung höherwertiger Werkstoffe oder der Einsatz optimierter Kühleinrichtungen auf einer heißen Seite der Brennkraftmaschine dar (bspw. gekühlter Abgaskrümmer, gekühltes ATL-Turbinengehäuse, ...). Eine weitere, sehr effektive Möglichkeit zur Kühlung der Verbrennungsluft und zur Absenkung der Prozesstemperatur stellt die Einspritzung eines Kühlmediums, welches auch als Kühlmittel bezeichnet werden kann, in die verdichtete Verbrennungsluft dar. Durch diese, grundsätzlich bereits bekannte Maßnahme wird der Verbrennungsluft aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität und der Verdampfung des Kühlmediums Wärme entzogen. Neben der Reduzierung des Risikos einer klopfenden Verbrennung kann darüber hinaus auf etwaige Vorentflammungen reagiert oder diesen vorgebeugt werden. Im Bereich hoher Abgastemperaturen (hohe Motordrehzahl) kann auf eine Anreicherung mit Kraftstoff zu Bauteilschutzzwecken verzichtet und Kühlmedium eingespritzt werden, wodurch der Ausstoß von Schadstoffemissionen (CO) signifikant reduziert wird. Nach heutigem Stand der Technik eignet sich als Kühlmedium insbesondere Wasser oder ein Wassergemisch. Aufgrund der Stoffeigenschaften von Wasser ist bezüglich des Wärmeentzugs im Vergleich der Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig deutlich wichtiger, als die Erwärmung des Mediums bei gleichem Aggregatzustand.
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Große Herausforderungen bei der Einspritzung von Wasser zum Zweck des Wärmeentzugs aus dem Arbeitsgas stellen eine günstige Einbringung des Wassers, die Gemischaufbereitung mit der Verbrennungsluft sowie die möglichst vollständige Verdampfung des eingebrachten Wassers dar. Dazu sind die Einflüsse einiger Parameter wie beispielsweise des Systemdrucks oder des Strahlbilds von Kraftstoff-Gemischbildnern zur Einspritzung von Kraftstoff ableitbar.
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Der gewünschte Wärmeentzug aus dem Arbeitsgas (Luft, Verbrennungsluft) durch die Einbringung eines Kühlmediums, das zumindest zu einem Teil aus Wasser besteht, umfasst Vorgänge wie die Erwärmung des flüssigen Kühlmediums, das Verdunsten des flüssigen Kühlmediums, das Verdampfen des flüssigen Kühlmediums sowie die Erwärmung des gasförmigen Kühlmediums.
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Aufgrund der Stoffeigenschaften von Wasser ist bezüglich des Wärmeentzugs im Vergleich der Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig deutlich wichtiger, als die Erwärmung des Kühlmediums bei gleichem Aggregatzustand.
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Ein Problem besteht jedoch darin, dass nur eine geringe Menge an Kühlmedium, das zumindest zu einem Teil aus Wasser besteht, vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt werden kann. Bei aktuellen, in Großserie produzierten Ottomotoren kommt derzeit kein System zur Wassereinspritzung zum Einsatz. Der Einsatz solcher Systeme ist jedoch in naher Zukunft zu erwarten. Zur Lösung dieses Problems sind eine Vielzahl von Einzelmaßnahmen und deren Kombinationen als bekannt anzusehen. Dazu gehören beispielsweise eine günstige Positionierung eines Gemischbildners zur Versorgung des Motors mit dem Kühlmedium, eine Anhebung des Systemdrucks des Kühlmediums, eine Gestaltung eines mit dem Kühlmedium erzielbaren Spraytargetings (Definition eines aus dem Kühlmedium gebildeten Sprays), eine Minimierung von Tröpfchendurchmessern des eingebrachten Kühlmediums, eine günstige Interaktion des Kühlmediums mit der Verbrennungsluft, ein Schaffen günstiger Transportbedingungen des Kühlmediums in Richtung des Brennraums, eine Minimierung einer Wandbenetzung mit dem Kühlmedium, eine Applikation günstiger Zeitfenster zur Einbringung des Kühlmediums sowie eine Applikation einer Mehrfacheinspritzung des Kühlmediums.
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Allen genannten Maßnahmen und deren Kombinationen ist gemein, dass das oben genannte Problem nur teilweise gelöst werden kann.
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Die
DE 10 2017 117 578 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem bei verschiedenen Gruppen von Zylindern eines Motors Wasser eingespritzt wird. Eine erste Wassereinspritzvorrichtung ist dabei in einem ersten Verteiler mit diesem verbunden und jeweiligen Zylindern einer ersten Gruppe vorgelagert. Eine zweite Wassereinspritzvorrichtung ist in einem zweiten Verteiler mit diesem verbunden und jeweiligen Zylindern einer zweiten Gruppe vorgelagert. Dabei sind die Wassereinspritzvorrichtungen einem Abzweigungspunkt eines mit den jeweiligen Verteilern verbunden Ansaugkrümmers nachgelagert. Ein ähnliches Verfahren ist auch der
DE 10 2017 117 202 A1 als bekannt zu entnehmen, wobei jedoch zusätzlich vorgesehen ist, dass mit jedem Zylinder des Motors jeweils eine Wassereinspritzvorrichtung verbunden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen eine verbesserte Kühlwirkung erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für einen Kraftwagen, mit jeweilige Brennräume zumindest bereichsweise begrenzenden Zylindern, mit zur Luftversorgung der jeweiligen Brennräume vorgesehenen Einzelkanälen, von welchen wenigstens einer der Einzelkanäle jeweils einem der Zylinder zugeordnet ist, mit einem Hauptkanal, welcher mit den Einzelkanälen zum Einleiten von Luft gekoppelt ist und mit stromab des Hauptkanals angeordneten Gemischbildnern zum Versorgen der Brennräume mit Kühlmittel, insbesondere Wasser, von welchen jeweils ein Brennraum über wenigstens einen der Gemischbildner mit Kühlmittel versorgbar ist.
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Um eine verbesserte Kühlwirkung zu erzielen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen an dem Hauptkanal angeordneten Hauptgemischbildner aufweist, über welchen der Hauptkanal mit Kühlmittel versorgbar ist. Mit anderen Worten ist das Kühlmittel mittels des Hauptgemischbildners in den Hauptkanal einleitbar. Dies ist von Vorteil, da somit nicht nur anhand der Gemischbildner, sondern auch anhand des Hauptgemischbildners das Kühlmittel eingebracht und damit insgesamt eine besonders günstige Kühlung der jeweiligen Brennräume erzielt werden kann. Mit anderen Worten ist also das kombinierte Einbringen des Kühlmittels an voneinander verschiedenen Kanalbereichen, nämlich einerseits stromab des Hauptkanals über die Gemischbildner und andererseits an dem mit den Einzelkanälen verbundenen Hauptkanal über den Hauptgemischbildner ermöglicht. An dem Hauptkanal kann anhand des Hauptgemischbildners, welcher als Wasserinjektor ausgestaltet sein und dabei als Haupt-Wasserinjektor bezeichnet werden kann, eine sogenannte „Plenumeinspritzung“ des Kühlmittels erfolgen wodurch die Kühlung der Luft bereits in großem Abstand zu den jeweiligen Brennräumen und damit ein besonders frühzeitiger Wärmeentzug von Wärme aus der Luft erfolgen kann. Dies bewirkt auch eine besonders gute Homogenisierung des dadurch entstehenden Gemischs aus Luft und dem Kühlmittel. Durch die Möglichkeit des zusätzlichen Einbringen des Kühlmittels, bei welchem es sich vorzugsweise um Wasser handeln kann, über die weiteren Gemischbildner kann eine etwaige Ungleichverteilung des anhand des Hauptgemischbildners eingebrachten Kühlmittels durch zusätzliche Kühlmitteleinbringung stromab des Hauptkanals korrigiert und damit ein besonders laufruhiger und schadstoffarmer Betrieb der Brennkraftmaschine sichergestellt werden.
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Das Einbringen des Kühlmittels in die jeweiligen Brennräume der Brennkraftmaschine kann also insgesamt anhand des Hauptgemischbildner und der weiteren Gemischbildner erfolgen, sodass eine besonders günstige Dosierung des Kühlmittels und schlussendlich auch ein besonders günstiger Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Durch die Kombination aus Hauptgemischbildner und Gemischbildnern kann eine deutliche Reduzierung eines Gesamtbedarfs an dem Kühlmittel zum Wärmeentzug aus der Luft, welche auch als Arbeitsgas bezeichnet werden kann, erzielt werden. Zudem kann ein Risiko etwaiger, negativer Auswirkungen durch das flüssige Kühlmittel in der Luft (Verbrennungsluft) erheblich reduziert werden. Die Kombination aus Hauptgemischbildner und Gemischbildnern ermöglicht zudem eine insgesamt kleinere Dimensionierung einer, den Hauptgemischbildner, die Gemischbildner, zumindest eine Kühlmittelpumpe sowie zumindest einen Kühlmitteltank umfassenden Dosiervorrichtung der Verbrennungskraftmaschine. So kann beispielsweise durch den abgestimmten Betrieb des Hauptgemischbildners und der Gemischbildner eine besonders exakte Dosierung des Kühlmittels erzielt werden, wodurch ein besonders kleiner und damit kompakter Kühlmitteltank zum Bevorraten des Kühlmittels ausreicht. Insgesamt kann also anhand des Hauptgemischbildners und der Gemischbildner ein Durchsatz, also mit anderen Worten ein Verbrauch (Durchfluss) des Kühlmittels reduziert werden.
Dadurch kann insgesamt eine erhöhte Kundenakzeptanz aufgrund vergrößerter Tankintervalle (zum Befüllen des Kühlmitteltanks mit Kühlmittel) erzielt werden.
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Die Brennkraftmaschine kann bevorzugt eine Heizvorrichtung zum Vorwärmen des Kühlmittels aufweisen. Dadurch ist das Kühlmittel vorwärmbar, bevor dieses durch die Gemischbildner bzw. den Hauptgemischbildner in den Hauptkanal bzw. in die Einzelkanäle eingebracht wird. Durch das Vorwärmen des Kühlmittels kann ein Phasenwechsel des Kühlmittels von dessen Flüssigphase in dessen Gasphase schneller herbeigeführt und damit eine verbesserte Kühlwirkung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens einer der Gemischbildner an jeweils einem der Einzelkanäle angeordnet, um über den wenigstens einen der Gemischbildner Kühlmittel in den jeweils einen der Einzelkanäle einzuleiten. Dies ist von Vorteil, da hierdurch auf eine Direkteinspritzung des Kühlmittels in die jeweiligen Brennräume verzichtet werden kann, wodurch eine aufwändige Platzierung der Gemischbildner unmittelbar am Zylinderkopf entfällt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hauptgemischbildner stromab eines, mit dem Hauptkanal zu dessen Versorgung mit gekühlter Luft verbundenen Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine angeordnet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch etwaige Luft-Turbulenzen beim Austreten der Luft aus dem Ladeluftkühler genutzt werden können, um eine besonders günstige Durchmischung des Kühlmittels mit der Luft zu bewirken.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bei welchem mittels einer Recheneinrichtung der Brennkraftmaschine ein erster Mengenwert des Kühlmittel zumindest in Abhängigkeit von einem in dem Hauptkanal geführten Luftmassenstrom der Luft ermittelt und ein dem ersten Mengenwert zugeordneter erster Mengenstrom des Kühlmittels durch den Hauptgemischbildner in den Hauptkanal eingeleitet wird, und bei welchem die Brennräume durch die Gemischbildner mit einem jeweiligen zweiten Mengenstrom des Kühlmittels versorgt werden, wenn ein beim Betreiben der Brennkraftmaschine benötigter Mengenstrombedarf an Kühlmittel einen durch den Hauptgemischbildner maximal bereitstellbaren Maximalmengenstrom überschreitet. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der erste Mengenwert zusätzlich in Abhängigkeit von einem, eine Lufttemperatur der in dem Hauptkanal geführten Luft charakterisierenden Lufttemperaturwert und/oder in Abhängigkeit von einem, einen Luftdruck der in dem Hauptkanal geführten Luft charakterisierenden Luftdruckwert, durch die Recheneinrichtung ermittelt. Sowohl die Berücksichtigung der Lufttemperatur als auch die Berücksichtigung des Luftdrucks trägt zur noch genaueren Ermittlung des ersten Mengenwerts bei. Werden sowohl die Lufttemperatur als auch der Luftdruck herangezogen, so kann der erste Mengenwert besonders genau ermittelt werden und dementsprechend eine besonders genaue Dosierung des ersten Mengenwerts erfolgen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, deren Brennräume beim Betrieb der Brennkraftmaschine mittels eines Hauptgemischbildners sowie mittels weiterer Gemischbildner einer Dosiervorrichtung mit Kühlmittel in Form von Wasser versorgt werden; und
- 2 ein Diagramm, welches eine Verbrennungsschwerpunktlage jeweiliger Zylinder der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Wasser-Kraftstoff-Verhältnis zeigt.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt beispielhaft eine Brennkraftmaschine 100 mit einer Dosiervorrichtung zur Einbringung eines Kühlmittels 6, welches nachfolgend auch als Kühlmedium 6 bezeichnet wird, in jeweilige Brennräume 14 der Brennkraftmaschine 100. Die vorliegend als Vierzylinder-Ottomotor ausgebildete Brennkraftmaschine 100 verfügt über einen Abgasturbolader 7 mit einem Verdichter 8 und einer Turbine 9. Luft 10, welche auch als Frischluft 10 oder als Verbrennungsluft 10 bezeichnet wird, wird durch einen Luftfilter 11 angesaugt und mittels des Verdichters 8 verdichtet. Die Luft 10 durchströmt einen Wärmetauscher 12 sowie eine Drosselklappe 13. Durch zwei als Einlassventile ausgebildete Gaswechselventile pro Zylinder gelangt die Frischluft in die jeweiligen Brennräume 14 und wird mittels direkter Einspritzung von Kraftstoff durch jeweilige Kraftstoff-Gemischbildner 5 mit Kraftstoff vermischt. Nach erfolgter Verbrennung des Kraftstoffs mit der Luft 10 wird Abgas durch weitere zwei, als Auslassventile ausgebildete Gaswechselventile pro Zylinder ausgeschoben und der Turbine 9 des Abgasturboladers 7 zugeführt. Von dort wird das Abgas auf niedrigerem Druckniveau durch jeweilige Komponenten 15 einer Abgasnachbehandlung geleitet und als Abgasstrom 16 in die Umgebung abgeführt.
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In Kennfeldbereichen hoher Motorlast der Brennkraftmaschine 100 wird aus einem als Kühlmitteltank ausgebildeten Reservoir 1 mittels einer als Kühlmittelpumpe ausgebildeten Fördereinheit 2 das Kühlmittel 6 (Kühlmedium) zur Brennkraftmaschine 100 gefördert und über ein Railrohr 3 auf jeweilige Gemischbildner 4 sowie auf einen Hauptgemischbildner 18 verteilt und schließlich mittels dieser in die Luft 10 (Frischluft, Verbrennungsluft) an jeweils unterschiedlichen Stellen eingebracht.
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Zur Einbringung des Kühlmittels 6 werden die Gemischbildner 4 und der Hauptgemischbildner 18 in zwei unterschiedlichen, in 1 durch jeweils gestrichelte Rahmen umgrenzten Bereichen 17, 20 der Brennkraftmaschine 100 eingesetzt. Sowohl der Hauptgemischbildner 18 als auch die Gemischbildner 4 sind über eine Recheneinrichtung 102, welche auch als Steuergerät bezeichnet werden kann, der Brennkraftmaschine 100 ansteuerbar, also mit anderen Worten regelbar und steuerbar. In 1 verdeutlichen jeweilige, an der Recheneinrichtung 102 endende, gestrichelte Linien eine signalübertragende Koppelung zwischen der Recheneinrichtung 102 und beispielsweise dem Hauptgemischbildner 18 oder den Gemischbildnern 4. Über diese Koppelung kann die Ansteuerung erfolgen.
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In dem ersten Bereich 17 stromab des Ladeluftkühlers 12 und an einem als Saugrohr ausgebildeten Hauptkanal 30 ist stromauf neben dem Hauptgemischbildner 18, der als Düse ohne elektrische Betätigung oder als Injektor mit elektromagnetischer Betätigung ausgeführt sein kann, auch die Drosselklappe 13 in den Hauptkanal 30 integriert. Stromauf einer, den Gemischbildner 18 mit der Fördereinheit 2 verbindenden Kühlmittelleitung 22, welche auch als Versorgungsleitung zur Zuführung des Kühlmediums 6 (Kühlmittel) bezeichnet werden kann, befindet sich ein durch die Recheneinrichtung 102 angesteuertes, elektrisch betätigtes Ventil 19, über welches die Zufuhr an Kühlmedium 6 reguliert werden kann.
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In dem zweiten Bereich 20 stromab des ersten Bereichs 17 und stromauf der Brennräume 14 der Brennkraftmaschine 100 befindet sich stromauf eines jeden der Brennräume 14 der Brennkraftmaschine 100 jeweils einer der Gemischbildner 4. Jeweils einer der Gemischbildner 4 ragt in jeweils einen, mit dem Hauptkanal 30 gekoppelten Einzelkanal 40 einer Mehrzahl an Einzelkanälen 40, über welche die Brennräume 14 mit Luft 10 (Verbrennungsluft) versorgt werden können. Dadurch ist ein Einbringen des Kühlmittels 6 über die jeweiligen Gemischbildner 4 in die jeweiligen Einzelkanäle 40 ermöglicht.
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Die jeweiligen Gemischbildner 4 können als jeweilige Wasser-Injektoren mit elektromagnetischer Betätigung zur Einspritzung des Kühlmittels 6 ausgebildet sein.
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Mittels einer durch den Hauptgemischbildner 18 ermöglichten Plenumeinspritzung des Kühlmittels 6 im Bereich 17 lässt sich durch eine dadurch erzielbare, günstige Gemischaufbereitung sehr effektiv Wärme aus der Luft 10 (Verbrennungsluft) entziehen.
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Problematisch dabei ist, dass ab einer bestimmten Menge an Kühlmedium 6 in Abhängigkeit von einer Lufttemperatur, von einem Luftdruck sowie von einem Luftmassenstrom der Verbrennungsluft 10 keine Verdunstung des Kühlmediums 6 mehr stattfindet. In der Folge wird flüssiges Kühlmedium 6 mit der Verbrennungsluft 10 in Richtung der Brennräume 14 transportiert und aufgrund deren hoher Masse nicht gleichmäßig auf die Brennräume 14 verteilt. In dem in 2 gezeigten Diagramm, welches die Wirkung der Plenumeinspritzung auf die Klopfreduktion verdeutlichen soll, ist dieses Verhalten ab einem relativen Wasser-Kraftstoff-Verhältnis 60 von etwa 0,12 (12%) gut zu erkennen. Während eine Klopfreduktion und damit eine zweite Verschiebung 72 einer Verbrennungsschwerpunktlage 50 (MFB50%) in Grad Kurbelwinkel (°KW) des zweiten Zylinders sowie eine dritte Verschiebung 74 der Verbrennungsschwerpunktlage 50 des dritten Zylinders der Brennkraftmaschine 100 mit steigendem Wasser-Kraftstoff-Verhältnis 60 nicht mehr verbessert werden kann, verschlechtert sich der Zustand im ersten Zylinder, wie anhand einer die Verbrennungsschwerpunktlage 50 im ersten Zylinder charakterisierenden, ersten Verschiebung 70 erkennbar ist, und dem vierten Zylinder, wie anhand einer die Verbrennungsschwerpunktlage 50 im vierten Zylinder charakterisierenden, vierten Verschiebung 76 erkennbar ist, dramatisch, da das Kühlmittel 6 (Wasser) nicht mehr gleichmäßig der Strömung in den ersten und vierten Zylinder folgt. Den in 1 gezeigten, innenliegenden, zweiten und dritten Zylindern der Brennkraftmaschine 100 wird dann zu viel und den äußeren (außen liegenden) ersten und vierten Zylindern zu wenig Kühlmittel 6 zugeführt. In 2 trennt eine gestrichelte, senkrechte Linie 78 eine Gasphase 62 von einer Flüssigphase 64 des Kühlmittels 6 dem hier beispielhaft aufgeführten Wasser-Kraftstoff-Verhältnis 60 von 0,12 (12%). Mit anderen Worten liegt das Kühlmittel 6 - bei dem in 2 gezeigten, exemplarischen Betriebspunkt - links von der Linie 78 in der Gasphase 62 und rechts von der Linie 78 in der Flüssigphase 64 vor.
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Um diesem Problem wirksam zu begegnen, kann ein Verfahren zur Versorgung der Brennkraftmaschine 100 mit Kühlmittel 6 herangezogen werden, bei welchem mittels der Recheneinrichtung 102 der Brennkraftmaschine 100 ein erster Mengenwert des Kühlmittels 6 in Abhängigkeit von dem in dem Hauptkanal 30 geführten Luftmassenstrom der Luft 10 ermittelt und ein dem ersten Mengenwert zugeordneter erster Mengenstrom des Kühlmittels 6 durch den Hauptgemischbildner 18 in den Hauptkanal 30 eingeleitet wird. Die Brennräume 14 werden zudem durch die Gemischbildner 4 mit einem jeweiligen zweiten Mengenstrom des Kühlmittels 6 versorgt, wenn ein beim Betreiben der Brennkraftmaschine 100 benötigter Mengenstrombedarf an Kühlmittel 6 einen durch den Hauptgemischbildner 18 maximal bereitstellbaren Maximalmengenstrom überschreitet. Der erste Mengenwert wird dabei zusätzlich in Abhängigkeit von einem, die Lufttemperatur der in dem Hauptkanal 30 geführten Luft 10 charakterisierenden Lufttemperaturwert sowie in Abhängigkeit von einem, den Luftdruck der in dem Hauptkanal 30 geführten Luft 10 charakterisierenden Luftdruckwert, durch die Recheneinrichtung 102 ermittelt. Dadurch ist es möglich, die jeweiligen, über den Hauptgemischbildner 18 bzw. die Gemischbildner 4 eingespritzten Mengenströme (erster Mengenstrom, zweiter Mengenstrom) insgesamt in Abhängigkeit von der Lufttemperatur, dem Luftdruck sowie dem Luftmassenstrom der Luft 10 (Verbrennungsluft) mittels der Recheneinrichtung 102 einzustellen, also zu steuern und zu regeln.
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Mittels des Verfahrens lässt sich das Kühlmedium 6 besonders günstig in den verschiedenen Bereichen 17, 20 mittels der dafür vorgesehenen Gemischbildner 4 sowie mittels des Hauptgemischbildners 18 in die Verbrennungsluft 10 einbringen. So erfolgt bei Bedarf für eine Kühlmediumeinspritzung die Einbringung des Kühlmediums 6 zunächst in den Bereich 17 mittels der Plenumeinspritzung, also mit anderen Worten durch den Hauptgemischbildner 18. Die eingebrachte Kühlmittelmenge des Kühlmittels 6 kann mittels elektrischer Ansteuerung des Hauptgemischbildner 18 und zusätzlich oder alternativ des Ventils 19 bis zu dem Maximalmengenstrom gesteigert werden. Der Maximalmengenstrom ist abhängig von dem Luftmassenstrom der Verbrennungsluft 10, deren Lufttemperatur und deren Luftdruck und wird mittels der Recheneinrichtung 102, bei welcher es sich um ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 100 handeln kann, auf Basis vorhandener Mess-/Rechenwerte bestimmt. Übersteigt der Mengenstrombedarf an Kühlmedium 6 den Maximalmengenstrom, so erfolgt zusätzlich zur Plenumeinspritzung im Bereich 17 die Einspritzung des Kühlmediums 6 im Bereich 20 mittels Ansteuerung der Gemischbildner 4. Mittels dieses Verfahrens ist gewährleistet, dass das im Bereich 17 eingebrachte Kühlmedium 6 gleichmäßig auf die Zylinder der Brennkraftmaschine 100 verteilt wird und der bei Bedarf zusätzlich eingebrachte zweite Mengenstrom an Kühlmedium 6 durch die brennraumnahe Position der Gemischbildner 4 ebenfalls gleichmäßig auf die Zylinder verteilt wird.
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Die Kombination von Plenum- und Kanaleinspritzung erlaubt eine günstige Gemischaufbereitung des Kühlmediums 6 bis zur Sättigung der Verbrennungsluft 10. Das darüber hinaus eingebrachte Kühlmedium 6 gelangt in flüssigem Aggregatzustand (Flüssigphase 64) gleichmäßig verteilt auf die Brennräume 14 und verdampft im weiteren Verlauf. Die Gemischaufbereitung des mittels der Gemischbildner 4 eingebrachten Kühlmediums 6 wird im Vergleich zu einer reinen Kanaleinspritzung deutlich verbessert, da eine über den zweiten Mengenstrom eingebrachte zweite Menge des Kühlmittels 6 um eine mittels Plenumeinspritzung anhand des Hauptgemischbildners 18 über den ersten Mengenstrom eingebrachte erste Menge reduziert werden kann.
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1 zeigt zusammenfassend die Brennkraftmaschine 100 für den hier nicht weiter dargestellten Kraftwagen, mit den jeweiligen Brennräumen 14, welche zumindest bereichsweise von jeweiligen Zylindern begrenzt sind. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst die zur Luftversorgung der jeweiligen Brennräume 14 vorgesehenen Einzelkanälen 40, von welchen wenigstens einer der Einzelkanäle 40 jeweils einem der Zylinder zugeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die Brennkraftmaschine den Hauptkanal 30, welcher mit den Einzelkanälen 40 zum Einleiten der Luft 10 gekoppelt ist. Zudem umfasst die Brennkraftmaschine 100 die stromab des Hauptkanals 30 angeordneten Gemischbildner 4 zum Versorgen der Brennräume 14 mit dem vorliegend als Wasser ausgebildeten Kühlmittel 6, wobei jeweils einer der Brennräumen 14 über wenigstens einen der Gemischbildner 4 mit Kühlmittel 6 versorgbar ist.
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Die Brennkraftmaschine 100 weist den an dem Hauptkanal 30 angeordneten Hauptgemischbildner 18 auf, über welchen der Hauptkanal 30 mit Kühlmittel 6 versorgbar ist.
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Vorliegend ist jeweils einer der Gemischbildner 4 an jeweils einem der Einzelkanäle 30 angeordnet, um über den wenigstens einen der Gemischbildner 4 Kühlmittel 6 in den jeweils einen der Einzelkanäle 30 einzuleiten.
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Der Hauptgemischbildner 18 ist stromab des, mit dem Hauptkanal 30 zu dessen Versorgung mit gekühlter Luft 10 verbundenen Ladeluftkühlers 12 der Brennkraftmaschine 100 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reservoir
- 2
- Fördereinheit
- 3
- Railrohr
- 4
- Gemischbildner
- 5
- Kraftstoff-Gemischbildner
- 6
- Kühlmittel
- 7
- Abgasturbolader
- 8
- Verdichter
- 9
- Turbine
- 10
- Luft
- 11
- Luftfilter
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Drosselklappe
- 14
- Brennraum
- 15
- Komponente
- 16
- Abgasstrom
- 17
- Bereich
- 18
- Hauptgemischbildner
- 19
- Ventil
- 20
- Bereich
- 22
- Kühlmittelleitung
- 30
- Hauptkanal
- 40
- Einzelkanal
- 50
- Verbrennungsschwerpunktlage
- 60
- Wasser-Kraftstoff-Verhältnis
- 62
- Gasphase
- 64
- Flüssigphase
- 70
- erste Verschiebung
- 72
- zweite Verschiebung
- 74
- dritte Verschiebung
- 76
- vierte Verschiebung
- 78
- Linie
- 100
- Brennkraftmaschine
- 102
- Recheneinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017117578 A1 [0009]
- DE 102017117202 A1 [0009]
