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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einer Wassereinspritzung.
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Die Wassereinspritzung ist ein Verfahren, bei welchem einem Verbrennungsmotor neben Kraftstoff und Luft zusätzlich Wasser bzw. ein . Wasser-/Alkohol-Gemisch zugeführt wird. Das Wasser nimmt bei der Verbrennung Verdunstungswärme auf, und es verändert den. Verbrennungsprozess im Hinblick auf die Temperaturen und den zeitlichen Verlauf.
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Hierdurch wird die Abgastemperatur gesenkt, verglichen mit einer Verbrennung ohne den Wasseranteil. Dies kann zu einer Leistungssteigerung und zur Senkung von Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs genutzt werden. Zudem kann bei hohen Leistungen die Absenkung der Abgastemperatur im Hinblick auf die zulässige Maximaltemperatur eines Katalysators oder anderer Bauteile erforderlich sein.
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Die
WO 2002/ 29 235 A1 zeigt einen Motor, bei dem eine Vorrichtung dem. Verbrennungsraum über einen Luftansaugeingang Wasser zuführt, wobei die Wassermenge in Abhängigkeit von der aktuell vom Motor benötigten Kraftstoffmenge bestimmt und über eine Dosiereinrichtung dosiert wird. Die Vorrichtung ist unabhängig von der Motorsteuerung. Eine Benutzerschnittstelle ist vorgesehen, um ein Ein- und Ausschalten der Wassereinspritzung zu ermöglichen.
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Die
DE 10 2016 212 903 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung, bei der der Benutzer auswählen kann zwischen einem Betriebsmodus mit optimierter Leistung und einem Betriebsmodus mit optimiertem Kraftstoffverbrauch.
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Die
US 8,561,579 B2 zeigt ein Wasser-Einspritzsystem mit einem Steuermodul, über das Parameter eingegeben werden können. Die Parameter umfassen den Einspritzdruck des Wassers und die gewünschte maximale Motorleistung.
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Die
DE 42 30 302 A1 zeigt eine Einspritzvorrichtung für Brennstoff und Wasser, bei welcher eine durch ein Steuergerät steuerbare Dosiereinrichtung das Wasser über eine Luftversorgungsleitung zuführt.
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Die
DE 10 2016 219 752 A1 zeigt ein Verfahren zur Ansteuerung einer. Kühlfluidpumpe für eine Kühlfluideinspritzung, welche Kühlfluideinspritzung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors aktiviert oder nicht aktiviert wird.
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Die
DE 10 2017 003 600 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Kühlmedium mittels einer Dosiereinrichtung in die Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, und bei welchem ermittelt wird, ob das Kühlmedium wenigstens einen brennbaren Bestandteil enthält.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors weist eine. Steuervorrichtung, einen Lambdaregler, eine Wasserzufuhrvorrichtung und eine Benutzerschnittstelle auf, welcher Lambdaregler zur Regelung des Lambda auf einen vorgegebenen Lambda-Sollwert ausgebildet ist, welche Wasserzufuhrvorrichtung dazu ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor ein Fluid zuzuführen und erste Daten von der Steuervorrichtung zu empfangen, welche ersten Daten mindestens einen ersten Wert repräsentieren, und welche Wasserzufuhrvorrichtung dazu ausgebildet ist, die Zuführmenge des Fluids in Abhängigkeit von dem mindestens einen ersten Wert zu bestimmen, welches Fluid Wasser oder ein Wassergemisch ist, und welche Benützerschnittstelle mindestens ein Eingabemittel für die Steuervorrichtung aufweist, über welches von einem Fahrerein Fahrmodus aus einer Mehrzahl von Fahrmodi auswählbar ist, welche Fahrmodi jeweils mindestens einen ersten Vorgabewert für den mindestens einen ersten Wert definieren, wobei bei allen Fahrmodi der Lambda-Sollwert von Lambda gleich 1 vorgegeben ist.
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Die Integration des Vorgabewerts für den ersten Wert, welcher die dem Verbrennungsmotor durch die Wasserzufuhrvorrichtung zugeführte.Fluidmenge beeinflusst, ermöglicht vorteilhaft ein Wärmemanagement und erleichtert die Einhaltung der thermischen Betriebssicherheit. Unter thermischer Betriebssicherheit wird die Sicherheit des Gesamtfahrzeugs vor Abbrand und Überhitzung verstanden. Die einzelnen Komponenten haben maximal zulässige Temperaturen, und bei Überschreitung dieser Temperaturen kann es zu einer Zerstörung kommen. Dies muss sicher vermieden werden. Beim Wärmemanagement spielen weitere Faktoren eine Rolle, und insbesondere bei den Katalysatoren bestehen Temperaturfenster, in denen die Katalysatoren gut arbeiten und einzuhaltende obere Temperaturgrenzen, um eine vorzeitige thermische Alterung zu verhindern.
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Bei Verbrennungsmotoren wird die Größe Lambda (λ) verwendet, die das Verhältnis von Luft zu Brennstoff/Kraftstoff im Vergleich zu einem: . verbrennungsstöchiometrischen Gemisch angibt Bei λ=1 ist genau die Luftmenge vorhanden, die theoretisch benötigt wird, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Bei λ<1 ist für die Verbrennung zu viel Kraftstoff bzw zu wenig Luft vorhanden, und man spricht von einem fetten Gemisch. Bei λ >1 spricht man von einem mageren Gemisch. Bei Hochleistungsmotoren ist ein Verfahren bekannt, bei dem für hohe Leistungen ein fettes Gemisch verwendet wird, und hierdurch kann einerseits die Leistung erhöht werden, und andererseits bewirkt das fette Gemisch eine Verringerung der Abgastemperatur und schützt daher vor einer Überhitzung der abgasseitigeh Bauteile. Gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 wird bei allen Fahrmodi der Lambda-Sollwert von Lambda gleich 1 vorgegeben, da Katalysatoren bei Lambda gleich 1 besonders gut Abgase reinigen können. Diese Vorgabe des Lambda-Söllwerts und der Regelung auf emissionsseitig optimale Verhältnisse in einem engen Bereich um Lambda gleich 1 mit minimalen Abweichungen im Promillebereich, wird dadurch ermöglicht, dass bei den unterschiedlichen Fahrmodi die Kraftstoffzumengung sehr genau geregelt wird und in Abhängigkeit von der erforderlichen Leistung eine Wasserzufuhrvorrichtung dem Verbrennungsprozess im Zylinder mehr oder weniger Wasser zur Kühlung und Verringerung der Klopfneigung beimengt.
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Durch die Zugabe von Wasser oder von einem Wassergemisch zum_ Verbrennungsprozess des Kraftstoffs mit der Luft erfolgt eine Beeinflussung des Verbrennungsprozesses, sowohl vom zeitlichen Verlauf als auch von den dabei entstehenden Drücken und Temperaturen. Dies kann vorteilhaft dazu verwendet werden, die Leistung zu steigern und/oder Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Hierbei ist ein positiver Effekt die Verringerung der Abgastemperaturen, auch bei hohen Leistungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Fahrmodus vorgesehen, bei welchem die Wasserzufuhrvorrichtung ständig deaktiviert ist. Ein solcher Fahrmodus vermeidet einen ständigen Verbrauch von Wasser, und das Wasser steht somit für Situationen bereit, in denen sich das Fahrzeug in einem Leistungs-Grenzbereich befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Fahrmodi vorgesehen, bei welchen der erste Vorgabewert unterschiedlich groß ist, um in bestimmten Kennfeldbereichen des Verbrennungsmotors eine unterschiedliche Wasserzufuhr zu bewirken. Durch diese Fahrmodi kann der Fahrer genauer bestimmen, welche Leistungsbereiche abrufbar sein sollen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Eingabemittel vorgesehen aus der Gruppe bestehend aus:
- - Tasten,
- - Drehschalter.
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Diese Eingabemittel sind auch bei hohen Geschwindigkeiten bedienbar. Tasten umfassen auch Tastenfelder auf Displays.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Eingabemittel am Lenkrad vorgesehen, um einen schnellen Wechsel zu ermöglichen. Der Fahrer erhält hierdurch volle Kontrolle über den Fahrmodus, auch bei hohen Geschwindigkeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Eingabemittel das Fahrpedal, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, über das Fahrpedal einen Wechsel von einem Fahrmodus mit ständig deaktivierter . Wassereinspritzung zu einem Fahrmodus mit zumindest bereichsweise aktivierter Wassereinspritzung, bspw. mittels spürbarem Druckpunkt, zu ermöglichen. Über die Möglichkeit des Wechsels des Fahrmodus mit dem Fahrpedai ist es in Extremsituationen sehr schnell, möglich, einen leistungsstärkeren Fahrmodus auszuwählen.
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Die Vorrichtung weist eine Leistungsreduzierungsvorrichtung zur Reduzierung der Leistung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von mindestens einem zweiten Wert auf, und die Fahrmodi definieren jeweils mindestens einen zweiten Vorgabewert für den mindestens einen zweiten Wert. Durch das Vorsehen des mindestens einen zweiten Werts können die Leistungsreduzierung und die Wassereinspritzung aufeinander abgestimmt werden. Ein Fahrmodus mit geringerer Wassereinspritzung hat beispielsweise bevorzugt eine höhere Leistungsreduzierung, und der Fahrer hat durch die Kopplung ein insgesamt abgestimmtes Fahrzeug.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist bei jedem Fahrmodus der zweite Vorgabewert derart definiert, dass die Leistungsreduzierungsvorrichtung zu einer reduzierten Leistung führt, bei der der Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung des ersten Vorgabewerts in einem zulässigen Arbeitsbereich arbeitet. Die Hochleistuhgsbereiche können beispielsweise bei einem Fahrmodus ohne Wassereinspritzung „abgeschnitten“ werden, und der entsprechende Fahrmodus kann in allen Fahrpedalstellungen (ggf. mit Ausnahme des Kickdown, also Überdrücken eines spürbaren Druckpunktes des Fahrpedals) ohne Wassereinspritzung arbeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine Leistungsreduzierungsvorrichtung auf aus der Gruppe bestehend aus:
- - Ladedruckregler eines Turboladers
- - Beeinflussung der Fahrpedal-Chärakteristik.
Über diese beiden Leistungsreduzierungsvorrichtungen kann die Maximalleistung in großen Bereichen beeinflusst werden, und die Leistungsfähigkeit des Motors kann genau eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Leistungsreduzierungsvorrichtung einen Ladedruckregler eines Turboladers, welcher ein Waste Gate und/oder verstellbare Leitschaufeln (Variable-Turbinengeometrie-Lader - VTG) aufweist. Diese beiden Leistungsreduzierungsvorrichtungen ermöglichen eine sehr feine Abstimmung der abrufbaren Motorleistung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorrichtung ein Automatik- Getriebe oder Doppelkupplungsgetriebe zugeordnet, und mindestens zwei der Fahrmodi definieren voneinander abweichende Getriebeschaltpunkte. Durch die - Integration derGetriebeabstimmung in die Fahrmodi kann einerseits bei leistungsschwachen Fahrmodi der Kraftstoffverbrauch verringert werden, und andererseits kann bei leistungsstarken Fahrmodi die Leistung erhöht werden, indem beispielsweise beim Beschleunigen später hochgeschaltet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorrichtung ein einstellbares Fahrwerk zugeordnet, und mindestens zwei der Fahrmodi definieren voneinander abweichende Fahrwerkseinstellungen. Das Fahrwerkverhalten wird bevorzugt ebenfalls durch den aktuellen Fahrmodus bestimmt. Der Fahrer erhält somit bei jedem Fahrmodus ein insgesamt auf den Fahrmodus abgestimmtes Fahrzeug, und es ist nicht erforderlich, dass der Fahrer jeweils eine Vielzahl von Parametern ändert.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteränsprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung. verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt
- 1 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Wassereinspritzung und einer Steuervorrichtung,
- 2 in schematischer Darstellung ein Kennfeld mit Auftragung der Motorlast über die Drehzahl, und
- 3 in schematischer Darstellung die Steuervorrichtung von 1
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 30 Ein Lufteinlass 50 ist über eine Leitung 51 mit einem Turbolader 52 verbunden, und der Turbolader 52 ist über eine Leitung 53 mit dem Verbrennungsmotor 30 verbunden, um diesem Luft zuzuführen.
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Ein Wassertank 60 ist über eine Leitung 61 mit einer Wasserzufuhrvorrichtung . 62 verbunden, und die Wasserzufuhrvorrichtung 62 ist über eine Leitung 63 mit dem Verbrennungsmotor 30 verbunden, um diesem ein Fluid 69 in Abhängigkeit von einem die Zuführmenge beeinflussenden ersten Wert 66 zuzuführen. Das Fluid 69 ist Wasser oder ein Wassergemisch, bspw. ein Wasser-Ethanol-Gemisch.
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Ein Kraftstofftank 80 mit einem Kraftstoff 89 ist über eine Leitung 81 mit einer : Kraftstoffzufuhrvorrichtung 82 verbunden, und die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 82 ist über eine Leitung 83 mit dem Verbrennungsmotor 30 verbunden, um diesem Kraftstoff zuzuführen. Die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 82 hat einen Lambdaregler 84 zur Regelung des Lambda auf einem vorgegebenen Lambda-Sollwert 86..
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Eine Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 ist vorgesehen, um eine Reduzierung der Leistung des Verbrennungsmotors 30 zu ermöglichen. Die Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 ist schematisch mit dem Verbrennungsmotor 30 über eine Leitung 72 verbunden. Die Leistungsreduzierung kann beispielsweise den Ladedruckregler des Turboladers 52 umfassen, um durch eine Verringerung des Ladedrucks die Leistung zu reduzieren. Die Verringerung des Ladedrucks kann beispielsweise über ein Waste Gate (Bypass) und/oder über verstellbare Leitschaufeln (Variable-Turbinengeometrie-Lader - VTG) erfolgen. Die Leistungsreduzierung kann auch durch eine Beeinflussung der Fahrpedat-Charakteristik erfolgen, so dass beispielsweise ein Drücken des Fahrpedals zur Hälfte des maximalen Auslenkungswegs bei einer Leistungscharakteristik einem ersten Leistungs Sollwert entspricht, und bei einer Sparcharakteristik einem zweiten Leistungs-Sollwert, der niedriger ist als der erste Leistungs-Sollwert.
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Eine Steuervorrichtung 22 ist über eine Leitung 55 mit dem Turbolader 52 verbunden, um diesen anzusteuern. Die Steuervorrichtung 22 ist über eine Leitung 65 mit der Wasserzufuhrvorrichtung 62 verbunden, um diese anzusteuern. Die Steuervorrichtung 22 ist über eine Leitung 85 mit der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 82 verbunden, um diese anzusteuern. Insbesondere kann über die Leitung 85 der Lambda-Sollwert 86 an den Lambdaregler 84 ausgegeben werden. Die Steuervorrichtung 22 ist über eine Leitung 70 mit der. Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 verbunden, um diese zu beeinflussen.
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Eine Benutzerschnittstelle 31 ist vorgesehen, um über mindestens Eingabemittel 32 die Vorrichtung 22 zu beeinflussen.
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Eine Vorrichtung 20 umfasst die Steuervorrichtung 22, den Lambdaregler 84, die Wasserzufuhrvorrichtung 62 und die Benutzerschnittstelle 31.
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Bevorzugt sind im Fahrzeug 10 ein Automatikgetriebe 12 und ein einstellbares. Fahrwerk 14 vorgesehen, die ebenfalls über die Steuervorrichtung 22 beeinflussbar sind.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Kennfeld, bei dem die Motorlast Md aufgetragen ist über die Drehzahl n. Die Motorlast Md wird in Nm angegeben, und die Drehzahl n üblicherweise in 1/min. Bei der Drehzahl n sind an der linken Grenze die Leerlaufdrehzahl n_min und auf der rechten Seite die maximale Drehzahl n_max angegeben. Eine Kurve zeigt die maximale Motorlast in Abhängigkeit von der Drehzahl. Im Bereich 95 ist bei einem Lambdawert von 1 ein Betrieb des
Verbrennungsmotors ohne Wasserzufuhr möglich. Der Bereich 97 kennzeichnet den Hochlast- und Volllastbereich des Verbrennungsmotors, in dem der Verbrennungsmotor nicht ohne Anfettung oder Wassereinspritzung betrieben werden kann, insbesondere auf Grund thermischer Einschränkungen. Der Bereich 97 kann mit Wassereinspritzung komplett mit Lambda 1 betrieben werden. Die Linien im Bereich 97 kennzeichnen Bereiche mit gleicher Wasserrate, also mit gleichem Massenverhältnis von Wasser zu Kraftstoff. Die einzelnen Bereiche unterscheiden sich jeweils um 5 %, und im Bereich 91 ist bspw. eine Wasserrate von 20 % o vorhanden, im Bereich 92 bspw. von 40 % und im Bereich 93 bspw von 60 %.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen sind abweichende Wasserraten möglich.
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Wenn bei einem Lambda von 1 ein Betrieb des Verbrennungsmotors 30 ohne Wassereinspritzung erwünscht ist, muss die Leistung des Verbrennungsmotors 30 entsprechend reduziert werden, und dies ist durch die Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 von 1 möglich. Wenn dagegen eine hohe Leistung erforderlich ist muss bei einem Wechsel in den Hochleistbereich bzw Volllastbereich 97 eine Wassereinspritzung über die Wasserzufuhrvorrichtung 62 erfolgen.
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausbildung der Steuervorrichtung. 22 mit unterschiedlichen Fahrmodi 25, 26, 27 und 28. Der Fahrmodus 25 ist als-FM1 bezeichnet, der Fahrmodus 26 als FM2, der Fahrmodus 27 als FM3 und der Fahrmodus 28 als FM4. Im Ausführungsbeispiel ist der Fahrmodus 25 ausgewählt, und dies ist durch die Anzeige 29 symbolisiert. In jedem Fahrmodus 25 bis 28 werden unterschiedliche Einstellungen des Fahrzeugs 10 definiert. Eine Einstellung VAL1 definiert den ersten Wert 66 für die Beeinflussung der Fluidmenge der Wasserzufuhrvorrichtung 62. Eine Einstellung VAL2 definiert den zweiten Wert 76 zur Beeinflussung der Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 Eine Einstellung AG definiert die Getriebeschaltpunkte für ein AutomatikGetriebe und die Einstellung SU definiert die Fahrwerkseinstellung für ein einstellbares Fahrwerk des Fahrzeugs 10.
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Beispielhaft ist beim Fahrmodus 25 die Wasserzufuhrvorrichtung 62 deaktiviert (VAL1= 0), und die Leistungsreduzierungsvorrichtung 71 ist auf einen vergleichsweise großen Wert gesetzt (VAL2= 60), damit der Verbrennungsmotor 30 keinen Betriebspunkt im Hochlastbereich 97 von 2 annimmt. Die Getriebeschaltpunkte eines Automatikgetriebes sind bspw. bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen definiert (AG=AG1), um bei einer Beschleunigung früh in den nächsthöheren Gang zu schalten und hierdurch Kraftstoff zu sparen. Die Fahrwerkseinstellungen können komfortabel eingestellt werden (SU=SU1). Man erhält so einen Kraftstoff sparenden Fahrmodus 25, . und der Verbrennungsmotor 30 gelangt nicht in den Hochlastbereich 97.
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Der Fahrmodus 28 ist dagegen definiert für Gelegenheiten in denen hohe Leistungen benötigt werden. Die Einstellung VAL1 ist auf einen hohen Wert 50 gesetzt, um eine hohe Wasserzufuhr zu ermöglichen Die Einstellung VAL2 ist auf 0 gesetzt, und es findet keine zusätzliche Reduzierung %der Leistung statt. Die Getriebeschaltpunkte werden durch Setzen der Einstellung AG auf die Getriebeschaltpunkte AG4 auf einen Gangwechsel bei vergleichsweise hohen Drehzahlen eingestellt, und die Fahrwerkseinstellungen werden durch Setzen der Einstellung SU auf den Wert SU4 auf ein sportliches Fahrwerk mit guten Kurveneigenschaften bei hohen Geschwindigkeiten eingestellt. Auch hier wird durch den Fahrmodus 28 sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor 30 nicht überhitzt oder anderweitig Schaden nimmt. Zur Auswahl eines Fahrmodus durch den Benutzer sind beispielhaft Eingabemittel 32A und 32B vorgesehen. Die Eingabemittel 32B symbolisieren Taster bzw. Knöpfe (mechanisch oder als Benutzerschnittstelle auf einem Schirm), über welche ein Fahrmodus 25 bis 28 auswählbar ist Das Eingabemittel 32A symbolisiert ein Fahrpedal, über welches einer der Fahrmodi 25 bis 28 aktivierbar ist. So kann beispielsweise definiert werden dass bei einem Durchdrücken des Fahrpedals über einen spürbaren Druckpunkt hinaus (sog. Kickdown) ein Wechsel zum Fahrmodus 28 stattfindet, , wenn dieser nicht bereits ausgewählt war. Dies führt zu einer Erhöhung der Sicherheit wenn bspw bei einem Überholvorgang kurzfristig eine höhe Leistung erforderlich ist.
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Naturgemäß sind im Rahmen der Anmeldung vielfache .Abwandlungeh und Modifikationen möglich.
