DE102018213109A1

DE102018213109A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung eines nicht brennbaren Fluids in eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018213109A1
Application number: DE102018213109.0A
Authority: DE
Inventors: Takashi Okamoto
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2020-02-06
Also published as: WO2020031670A1; US20210324810A1; JP2021527772A

Abstract

Der Erfindungsgegenstand schafft ein Verfahren zum Einspritzen eines nicht brennbaren Fluids, am meisten bevorzugt Wasser, in eine Brennkraftmaschine sowie einen entsprechenden Controller 12 und ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens mittels eines Computers. Es ist ein besonderer technischer Vorteil des beanspruchten Erfindungsgegenstands, dass er das Unterdrücken von Klopfen in einer Brennkraftmaschine ohne irgendwelche Nachteile hinsichtlich Abgasemissionen ermöglicht. Dieser Vorteil wird dadurch erzielt, dass die Kollision von Kraftstoff- und Wassersprühnebel, wenn beide Fluide direkt in den Zylinder 100 eingespritzt werden, vermieden wird.

Description

Das vorliegende Dokument bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspritzen eines nicht brennbaren Fluids, am meisten bevorzugt Wasser, in eine Brennkraftmaschine, sowie auf einen entsprechenden Controller und auf ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens mittels eines Computers. Es ist ein besonderer technischer Vorteil des beanspruchten Erfindungsgegenstands, dass er die Unterdrückung von Klopfen in einer Brennkraftmaschine ohne Nachteile hinsichtlich Abgasemissionen ermöglicht.
Wassereinspritzung ist eine wirksame Maßnahme zur Verhinderung von Klopfen in modernen Fahrzeugbrennkraftmaschinen. Außerdem kann die Einspritzung von Wasser in die Brennkraftmaschine den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringern. In den meisten Fällen wird die Wassereinspritzung bisher als eine Saugrohreinspritzung verwirklicht, was heißt, dass das Wasser in die Einlasskanäle der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Allerdings besitzt die Saugrohreinspritzung das technische Problem, dass eine Menge des eingespritzten Wassers an den Wänden der Einlasskanäle kondensiert und somit für die Verdampfung im Brennraum nicht verfügbar ist. Somit ist die Wasserdirekteinspritzung, mit der das Wasser direkt in den Zylinder eingespritzt wird und dort verdampft, hinsichtlich der Klopfunterdrückung wirksamer. Allerdings könnte die Tatsache, dass das Einspritzen des Wassers gleichzeitig mit der Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird, zu ansteigenden Abgasemissionen führen, da das eingespritzte Wasser die Kraftstoffverdampfung des eingespritzten Kraftstoffs behindern kann. Eine Sprühnebelkollision zwischen dem Wasser und dem Kraftstoffsprühnebel kann die Mischung von Kraftstoff und Luft stören und somit zu erhöhten HC- und CO-Emissionen führen. Darüber hinaus kann die Verdampfung von Wassertröpfchen in der Nähe der Kraftstofftröpfchen zu einem lokalen Temperaturabfall führen, der die Kraftstoffverdampfung behindern kann.
Patentliteratur 1: EP 13158506 A1
Die Patentliteratur 1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Wasserinjektor, der zum Einleiten von Wasser direkt in den Brennraum vorgesehen ist. Der Wasserinjektor ist so beschaffen, dass eine Brennraumoberfläche dort, wo die klopfende Verbrennung stattfindet, mit Wasser besprüht wird.
Das oben beschriebene technische Problem wird mit dem Erfindungsgegenstand gemäß den beigefügten Ansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
Insbesondere verhindert der hier beschriebene und beanspruchte Erfindungsgegenstand, dass die Kraftstoffverdampfung durch die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids gestört wird.
Gemäß einem Aspekt umfasst der beanspruchte Erfindungsgegenstand ein Verfahren und eine Steuervorrichtung (einen Controller) zum Steuern einer Einspritzung eines nicht brennbaren Fluids in eine Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird das nicht brennbare Fluid während der Verbrennung innerhalb eines Zylinders einer Brennkraftmaschine nicht/nicht vollständig verbrannt (d. h. ist es wenigstens teilweise inert). Bevorzugter ist das nicht brennbare Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit mit einer hohen latenten Wärme, wobei die latente Wärme des Fluids wenigstens 1/ 10 der Verdampfungsenthalpie von Wasser ist. Am meisten bevorzugt ist das nicht brennbare Fluid Wasser.
Die Brennkraftmaschine kann wenigstens einen (Verbrennungs-) Zylinder, wenigstens einen Kraftstoffinjektor, wenigstens einen Injektor für nicht brennbares Fluid (oder kurz: „Fluidinjektor“), der dafür konfiguriert ist ein nicht brennbares Fluid in die Brennkraftmaschine (kurz: „Verbrennungsmotor“ oder „Motor“) einzuspritzen, und wenigstens einen Controller aufweisen.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Kraftstoffinjektor so eingerichtet, dass der Kraftstoff direkt in den Zylinder (den Brennraum) eingespritzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Kraftstoffinjektor so ausgelegt sein, dass das nicht brennbare Fluid in den Einlasskanal eingespritzt werden kann. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn wenigstens ein Einlasskanal pro Zylinder vorhanden ist.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Injektor für nicht brennbares Fluid ein Wassereinspritzinjektor und vorzugsweise ist dieser so eingerichtet, dass das nicht brennbare Fluid/Wasser direkt in den Zylinder (den Brennraum) eingespritzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Injektor für nicht brennbares Fluid so ausgelegt sein, dass das nicht brennbare Fluid in den Einlasskanal eingespritzt werden kann. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn wenigstens ein Einlasskanal pro Zylinder vorhanden ist.
Der wenigstens eine Controller kann in den Verbrennungsmotor integriert sein oder kann alternativ an einer Stelle in einem Fahrzeug fern von dem Verbrennungsmotor angeordnet sein und der Controller und der Motor können über eine oder mehrere Signalleitungen verbunden sein. Vorzugsweise kann der Controller dafür konfiguriert sein, den Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids zu ermitteln, den Injektor für nicht brennbares Fluid an dem ermittelten Einspritzbeginn zu initiieren und die Fluideinspritzung zum Einspritzen des nicht brennbaren Fluids in den Verbrennungsmotor zu steuern. Ferner kann der Controller dafür konfiguriert sein, den Fluidinjektor zum Einspritzen des nicht brennbaren Fluids in den Brennraum und/oder in den Einlasskanal der Brennkraftmaschine zu steuern.
Insbesondere kann das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln eines Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids auf der Grundlage (vordefinierter) Einspritzparameter der Kraftstoffeinspritzung umfassen. Ferner kann es einen Schritt zum Steuern des Fluidinjektors zur Einspritzung des nicht brennbaren Fluids in die Brennkraftmaschine an dem ermittelten Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids umfassen. In dem Kontext dieser Beschreibung kann der Begriff „ermitteln“ vorzugsweise die Bedeutungen von „berechnen“ sowie von „schätzen“ oder einer Kombination davon enthalten.
Vorzugsweise kann das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids enthalten, dass der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids unter Verwendung eines Zeitsignals, eines Kurbelwinkels, einer Frequenz oder irgendeines anderen Signals, das geeignet ist, ein Zeitereignis hinsichtlich der Einspritzung des nicht brennbaren Fluids darzustellen, ermittelt wird. Ferner können die vordefinierten Kraftstoffeinspritzparameter vorzugsweise einen Kraftstoffeinspritzbeginn, eine Dauer der Kraftstoffeinspritzung, ein Kraftstoffeinspritzende und ein Kraftstoffverdampfungsintervall enthalten. Vorzugsweise können diese Kraftstoffeinspritzparameter ebenfalls unter Verwendung eines Zeitsignals, eines Kurbelwinkels, einer Frequenz oder irgendeines anderen Signals, das geeignet ist, ein Zeitereignis und/oder ein Zeitintervall hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung darzustellen, ermittelt werden. Die Verwendung des Begriffs „Zeit“ oder „Zeitpunkt“ kann im Folgenden jedes der oben erwähnten Signale zur Darstellung eines Zeitereignisses und/oder eines Zeitintervalls beinhalten.
Ferner kann das Steuern des Fluidinjektors zum Einspritzen des nicht brennbaren Fluids an dem ermittelten Einspritzbeginn vorzugsweise das Initiieren des Fluidinjektors an dem ermittelten Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids und das Betreiben des Fluidinjektors zum Einspritzen einer bestimmten Menge nicht brennbaren Fluids in die Brennkraftmaschine enthalten.
Somit ermöglicht das Verfahren, das die oben beschriebenen Schritte enthält, das Einspritzen des nicht brennbaren Fluids in die Brennkraftmaschine zu einem genau bestimmten Zeitpunkt, was die Kollision der Einspritzung des nicht brennbaren Fluids mit der Kraftstoffeinspritzung verhindert und somit eine schlechte Kraftstoffverdampfung sowie erhöhte Abgasemissionen vermeidet.
Darüber hinaus kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids gemäß dem Verfahren in der Weise ermittelt werden, dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt. Das Kraftstoffeinspritzintervall kann an dem Kraftstoffeinspritzbeginn starten und an dem Kraftstoffeinspritzende enden. Somit kann die Ermittlung des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt, bedeuten, dass unabhängig davon, ob ein Kraftstoffeinzel- oder Kraftstoffmehrfacheinspritzschema ausgeführt wird, der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids vor einem Kraftstoffeinspritzbeginn oder nach einem Kraftstoffeinspritzende ausgeführt wird. Dadurch wird das Risiko, dass die Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids gestört wird, wirksam verringert.
Ferner kann das Verfahren einen Kraftstoffeinspritzbeginn, ein Kraftstoffeinspritzende und ein Kraftstoffverdampfungsintervall, währenddessen der eingespritzte Kraftstoff verdampft wird, ermitteln. Vorzugsweise ist das Ende des Kraftstoffverdampfungsintervalls erreicht, wenn der eingespritzte Kraftstoff verdampft ist (Kraftstoffverdampfungsende). Vorzugsweise können der Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung sowie die Dauer der Kraftstoffeinspritzung z. B. durch Analysieren eines zeitlichen Verlaufs eines Steuersignals, das von dem Controller an den Injektor gesendet wird, und/oder durch Analysieren eines zeitlichen Verlaufs des Injektorsteuerstroms und/oder durch Analysieren des gemessenen Nadelhubs des Kraftstoffinjektors bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein zeitlicher Verlauf des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckkraftstoffkreis analysiert werden, um den Beginn, die Dauer und das Ende der Kraftstoffeinspritzung zu ermitteln, und/oder kann der Einspritzzeitpunkt z. B. durch einen optischen Sensor gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann es ebenfalls möglich sein, vorgegebene Werte für den Beginn, die Dauer und das Ende der Kraftstoffeinspritzung aus einem in dem Controller gespeicherten Kennfeld zu lesen.
Ferner kann das Kraftstoffverdampfungsintervall vorzugsweise im Hinblick auf wenigstens einen der Parameter Motordrehzahl, Motorlast, Position des Kraftstoffinjektors, Kraftstoffdruck, Kraftstofftemperatur, Kraftstoffeigenschaften und Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt werden. Vorzugsweise kann ein Kraftstoffverdampfungsbeginn zu einem vordefinierten oder geschätzten Zeitpunkt an dem oder nach dem Kraftstoffeinspritzbeginn ermittelt werden und kann das Kraftstoffverdampfsende bestimmt werden, wenn der Kraftstoff zu einem vordefinierten Grad verdampft ist. Vorzugsweise kann der vordefinierte Grad der Verdampfung zum Bestimmen des Endes der Kraftstoffverdampfung 80 % betragen und bevorzugter kann der vordefinierte Grad der Verdampfung 95 % betragen. Das Verdampfungsintervall oder vielmehr der Grad der Verdampfung kann z. B. auf der Grundlage der oben erwähnten Parameter Motordrehzahl, Motorlast, Position des Kraftstoffinjektors, Kraftstoffdruck, Kraftstofftemperatur, Kraftstoffeigenschaften und Menge des eingespritzten Kraftstoffs aus wenigstens einem Kennfeld ausgelesen werden. Zum Beispiel können die Temperaturen im Einlasskanal und im Zylinder bei hoher Last und Drehzahl hoch sein, was zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffs führen kann. Allerdings kann eine hohe Last ebenfalls zu einer hohen Kraftstoffmenge führen, die die Kraftstoffverdampfungszeit verlängern kann. Darüber hinaus kann eine zunehmende Motordrehzahl aufgrund der zunehmende Ladungsbewegung innerhalb des Brennraums zu einer abnehmenden Verdampfungszeit führen. Ferner können ein hoher Kraftstoffdruck und eine hohe Temperatur zu einer schnellen Kraftstoffverdampfung führen, während ein Kraftstoff mit schlechten Verdampfungseigenschaften die Kraftstoffverdampfungszeit verlängern kann. Vorzugsweise können alle diese relevanten Abhängigkeiten im Voraus bestimmt und in wenigstens einer oder mehreren charakteristischen Kennlinien in dem Controller abgebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Grad der Kraftstoffverdampfung durch Modellieren einer charakteristischen Kraftstoffverdampfungszeit in Bezug auf Einspritzcharakteristiken wie etwa Kraftstoffdruck, Reynolds- und Weber-Zahl der Kraftstofftröpfchen sowie der Druck- und Temperaturbedingungen im Brennraum geschätzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verdampfungsgrad z. B. durch einen optischen Sensor oder durch einen empfindlichen Temperatursensor, der den durch die Verdampfungswärme verursachten Temperaturabfall ermitteln kann, gemessen werden.
Die Kenntnis des Verdampfungsgrads während eines Verdampfungsintervalls ermöglicht zu entscheiden, ob eine Wassereinspritzung während des Verdampfungsintervalls zu erhöhten Abgasemissionen führen kann, die durch eine Wechselwirkung der Tröpfchen des nicht brennbaren Fluids mit den Kraftstofftröpfchen verursacht werden. Je höher der Verdampfungsgrad des Kraftstoffs ist, desto niedriger ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids die Kraftstoffverdampfung stört.
Ferner kann das Verfahren die Ermittlung des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an dem oder nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung stattfindet, enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann der Beginn der Kraftstoffeinspritzung auch vor dem Kraftstoffeinspritzbeginn ermittelt werden. Vorzugsweise kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung ermittelt werden, um eine ungestörte Kraftstoffverdampfung sicherzustellen und um die Zylindertemperatur im Verdichtungstakt zu senken, falls die Kraftstoffeinspritzung während des Einlasstakts ausgeführt wird. Andernfalls, im Falle einer späten Kraftstoffdirekteinspritzung während des Verdichtungstakts, die z. B. ausgeführt wird, wenn ein strahigeführtes Brennverfahren umgesetzt wird, kann es nach dem Ende der Kraftstoffverdampfung nicht genug Zeit geben, um die gesamte Menge des nicht brennbaren Fluids vor dem Verbrennungsbeginn einzuspritzen. In einem solchen Fall kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids zum Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzendes oder zu einem Zeitpunkt zwischen dem Kraftstoffeinspritzende und dem Kraftstoffverdampfungsende ermittelt werden, sofern die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids z. B. vor dem oberen Zünd-Totpunkt abgeschlossen wird. Falls die Zeitdauer zwischen dem Kraftstoffeinspritzende und dem Verbrennungsbeginn oder dem oberen Zünd-Totpunkt zu kurz sein kann, um die geforderte Menge nicht brennbaren Fluids einzuspritzen, kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids vor dem Kraftstoffeinspritzbeginn ermittelt werden. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn eine Kraftstoffeinspritzung am Ende des Verdichtungstakts ausgeführt wird, um die Verbrennung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs zu stabilisieren.
Ferner kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens so ermittelt werden, dass er an dem oder nach dem Ende der Kraftstoffverdampfung stattfindet. Wie oben erwähnt wurde, kann dies der bevorzugte Fall für das Einspritzen des nicht brennbaren Fluids sein, da die Kraftstoffverdampfung in diesem Fall vollständig ungestört durch die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids sein kann.
Das Obige ermöglicht eine ausreichende Einspritz- und Verdampfungszeit des eingespritzten nicht brennbaren Fluids und stellt somit die gewünschte Temperaturverringerung im Zylinder sicher, um Klopfen zu unterdrücken ohne die Kraftstoffverdampfung zu stören.
Darüber hinaus kann das Verfahren zusammen mit einem Kraftstoffmehrfacheinspritzschema ausgeführt werden. Das Kraftstoffmehrfacheinspritzschema kann eine in mehr als eine Einspritzung aufgeteilte Kraftstoffeinspritzung umfassen. Jede der mehreren Einspritzungen kann während des gesamte Arbeitszyklus ausgeführt werden, der z. B. im Fall eines Viertaktmotors einen Einlasstakt, eine Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt umfassen kann. Zum Beispiel sind mehrere Kraftstoffeinspritzungen während des Einlasstakts möglich, um Wandbenetzung zu vermeiden. Ferner ist es wünschenswert, um den Kraftstoffverbrauch bei Teil- und mittlerer Last zu verringern, ein strahlgeführtes Brennverfahren auszuführen, das ein insgesamt mageres Gemisch verbrennt und während des Verdichtungstakts mehrere Kraftstoffeinspritzungen ausführt. Darüber hinaus ist eine sehr späte Kraftstoffeinspritzung am Ende des Arbeitstakts, kurz vor dem Öffnen des Auslassventils, denkbar, um die Abgastemperatur für das Katalysatorheizen zu erhöhen. Die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids kann an jedes der obigen Kraftstoffeinspritzschemata, welche die Kraftstoffeinspritzzeiten und die Verdampfung der einzelnen Kraftstoffeinspritzungen betreffen, angepasst werden.
Diesbezüglich kann das Verfahren das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an einem oder nach einem Ende der letzten Kraftstoffeinspritzung oder vor einem Beginn einer ersten Einspritzung oder zwischen zwei Kraftstoffeinspritzungen liegt, enthalten. Am meisten bevorzugt kann das Verfahren den Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids in der Weise ermitteln, dass er an einem oder nach einem Ende der letzten Kraftstoffverdampfung der letzten Kraftstoffeinspritzung liegt.
Insbesondere wenn die letzte Einspritzung während des Einlasstakts ausgeführt wird, kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids nach dem Ende der Kraftstoffverdampfung der letzten Einspritzung ermittelt werden, um eine ungestörte Kraftstoffverdampfung sicherzustellen und um die Zylindertemperatur in dem folgenden Verdichtungstakt zu senken. Im Fall einer späten letzten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder während des Verdichtungstakts, die z. B. ausgeführt werden kann, wenn ein strahlgeführtes Brennverfahren verwirklicht wird, kann die verfügbare Zeitdauer zum Einspritzen des nicht brennbaren Fluids nach dem Kraftstoffverdampfungsende der letzten Einspritzung vor dem Verbrennungsbeginn zu kurz sein. Der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids kann am Ende der letzten Kraftstoffeinspritzung oder zu einem Zeitpunkt zwischen dem Ende der letzten Kraftstoffeinspritzung und dem Ende der letzten Kraftstoffverdampfung ermittelt werden, wenn die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids z. B. vor dem oberen Zünd-Totpunkt abgeschlossen sein kann. Falls die Zeitdauer zwischen dem Ende der letzten Kraftstoffeinspritzung und dem Verbrennungsbeginn oder dem oberen Zünd-Totpunkt zu kurz zum Einspritzen der geforderten Menge des nicht brennbaren Fluids sein kann, kann der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids vor dem Beginn der ersten Kraftstoffeinspritzung oder zwischen zwei Kraftstoffeinspritzungen ermittelt werden. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn eine letzte Kraftstoffeinspritzung für die Verbrennungsstabilisierung am Ende des Verdichtungstakts ausgeführt wird oder wenn eine noch spätere letzte Kraftstoffeinspritzung am Ende des Arbeitstakts angewendet wird, um ein Katalysatorheizen auszuführen. Der Ausdruck „zwischen zwei Kraftstoffeinspritzungen“ kann „zwischen dem Ende der ersten Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der zweiten Kraftstoffeinspritzung“ und/oder „zwischen dem Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der dritten Kraftstoffeinspritzung“ und/oder „zwischen dem Ende der dritten Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der vierten Kraftstoffeinspritzung“ usw. bis „zwischen dem Ende der vorletzten Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der letzten Kraftstoffeinspritzung“ umfassen.
Falls die gesamte Menge nicht brennbaren Fluids in den Zylinder eingespritzt wird, bevor die erste Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird, ist es notwendig, dass ausreichend Zeit, z. B. während des Einlasstakts zwischen dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt (GTDC) und dem Beginn der ersten Kraftstoffeinspritzung, verfügbar ist. Um eine Benetzung des Kolbens durch das eingespritzte nicht brennbare Fluid zu vermeiden, kann der Controller zwischen dem GTDC und dem Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids eine Sicherheitsspanne fordern.
Falls die gesamte Menge nicht brennbaren Fluids während einer Zeitdauer zwischen zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder eingespritzt wird, ist es notwendig, dass zwischen dem Ende der ersten Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der zweiten Kraftstoffeinspritzung ausreichend Zeit verfügbar ist.
Falls Kraftstoffeinspritzschemata angewendet werden, die die obigen Anforderungen, wie etwa ausreichend Zeit bereitzustellen oder dergleichen, nicht erfüllen, kann die Einspritzung des nicht brennbaren Fluids in mehrere Einspritzungen des nicht brennbaren Fluids aufgeteilt werden.
Darüber hinaus kann ein Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids in der Weise ermittelt werden, dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt. Vorzugsweise kann das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids, so dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt, bedeuten, dass der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids unabhängig davon, ob ein Kraftstoffeinzel- oder ein Kraftstoffmehrfacheinspritzschema ausgeführt wird, vor einem Kraftstoffeinspritzbeginn oder nach einem Kraftstoffeinspritzende ausgeführt wird.
Nochmals weiter kann ein Einspritzende des nicht brennbaren Fluids in der Weise ermittelt werden, dass es an einem oder vor einem folgenden Kraftstoffeinspritzbeginn liegt. Eine folgende Kraftstoffeinspritzung kann irgendeine Kraftstoffeinspritzung umfassen, die unabhängig davon, ob ein Kraftstoffeinzel- oder Kraftstoffmehrfacheinspritzschema und/oder ein Einzel- oder Mehrfacheinspritzschema des nicht brennbaren Fluids ausgeführt wird, nach einer Einspritzung des nicht brennbaren Fluids ausgeführt werden kann.
Da der Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls ausgeführt werden kann und da das Ende einer Einspritzung des nicht brennbaren Fluids vor dem folgenden Kraftstoffeinspritzbeginn ausgeführt werden kann, wird das Risiko, dass nicht brennbares Fluid während einer Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, vermieden oder wenigstens verringert. Somit wird die Kraftstoffverdampfung durch die Tröpfchen nicht brennbaren Fluids, die die Gastemperatur verringern können und somit die Kraftstoffverdampfung verzögern können, nicht gestört.
Ferner kann der beanspruchte Erfindungsgegenstand einen Controller einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise die ECU, der dafür konfiguriert sein kann, das Verfahren gemäß dem oben beschriebenen Verfahren/den oben beschriebenen Aspekten des Verfahrens auszuführen, sowie eine Brennkraftmaschine, die den Controller enthalten kann, enthalten. „Enthalten“ kann bedeuten, dass der Controller physikalisch mit dem Motor integriert ist oder dass er entfernt angeordnet, jedoch durch Signalleitungen und dergleichen damit verbunden ist.
Ferner ist die Brennkraftmaschine vorzugsweise ein Ottomotor und ferner wird das eingespritzte Fluid vorzugsweise direkt in den Zylinder eingespritzt, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
Ferner kann der beanspruchte Erfindungsgegenstand ein Computerprogrammprodukt, das in einem Arbeitsspeicher gespeichert werden kann, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer oder durch eine Recheneinheit ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer das oben beschriebene Verfahren oder Aspekte davon ausführt, sowie ein computerlesbares [Speicher-] Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer das Verfahren oder Aspekte davon ausführt, enthalten.
Zusammenfassend ermöglicht der beanspruchte Erfindungsgegenstand erhöhte Abgasemissionen durch Verhindern der Wechselwirkung zwischen Kraftstoffeinspritzung und Einspritzung des nicht brennbaren Fluids zu vermeiden, insbesondere wenn das nicht brennbare Fluid direkt in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Im Folgenden wird der beanspruchte Erfindungsgegenstand auf der Grundlage wenigstens eines bevorzugten Beispiels mit Bezug auf die beigefügten beispielhaften Zeichnungen weiter erläutert; es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung in den Zylinder,
2 einen Ablaufplan mit einem Beispiel zum Ermitteln eines Einspritzbeginns der Wassereinspritzung,
3 schematisch charakteristische Signale eines Hochdruckkraftstoffinjektors,
4 schematisch zwei bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelte Kraftstoffverdampfungskurven,
5a-5d unterschiedliche Wassereinspritzstrategien bei der Anwendung einer Kraftstoffeinzeleinspritzung,
6a-6d unterschiedliche Wassereinspritzstrategien bei der Anwendung mehrerer Kraftstoffeinspritzungen und
7a-7b weitere Wassereinspritzstrategien bei der Anwendung mehrerer Kraftstoffeinspritzungen.

1 zeigt einen beispielhaften Zylinder 100 einer ansonsten unspezifizierten Brennkraftmaschine, die mehr als einen Zylinder 100 aufweisen kann. Der Motor kann z. B. zwei, drei, vier, sechs, acht oder weniger/mehr Zylinder 100 aufweisen. Der Zylinder 100 umfasst einen Brennraum 1, in der ein Kolben 2 mit einer Pleuelstange 3 angeordnet ist, die ermöglicht, dass sich der Kolben bewegt. Die Pleuelstange 3 ist mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) verbunden, die eine Kurbelwelle wie bekannt sein kann.
Mit dem Brennraum 1 sind ein (Luft-) Einlasskanal 4 mit einem Einlassventil 6 sowie ein Auslasskanal 5 mit einem Auslassventil 7 verbunden. In den Brennraum 1 wird durch den Einlasskanal 4 Umgebungsluft angesaugt. Aus dem Brennraum 1 werden über den Auslasskanal 5 Abgase ausgestoßen. An der Brennkraftmaschine ist eine Funkenzündungseinheit 10 angebracht, die eine Zündkerze 10a und eine Zündspule 10b umfasst. Vorzugsweise bietet die Funkenzündungseinheit 10 eine variable Zündfunkendauer oder eine Mehrfunkenzündung. Die Brennkraftmaschine (oder kurz: „Verbrennungsmotor“ oder „Motor“) kann eine oder mehrere Funkenzündungseinheiten 10 aufweisen. Vorzugsweise weist sie wenigstens eine Funkenzündungseinheit 10 pro Zylinder 100 auf. Die Zündkerze 10a sowie die Kraftstoffinjektor 8 oder wenigstens Teile davon sind in der Weise mit dem Innenraum des Brennraums 1 verbunden, dass ein Zündfunken und Kraftstoff in den Brennraum 1 eingeführt/eingespritzt werden können. Die Hochdruckkraftstoffzufuhr des Kraftstoffinjektors 8 ist nicht gezeigt. Vorzugsweise kann der Kraftstoffinjektor 8 ein Kraftstoffinjektor für Direkteinspritzung 8 sein. Ferner kann der Kraftstoffinjektor 8 vorzugsweise ein elektrohydraulischer Kraftstoffinjektor oder eine piezoelektrischer Kraftstoffinjektor sein. Der Kraftstoffinjektor für Direkteinspritzung 8 kann sich, wie in 1 gezeigt ist, seitlich an der Zylinderwand 11 befinden, kann sich aber ebenfalls an einer zentralen Stelle innerhalb des Zylinders in der Nähe der Zündkerze 10a befinden.
Ferner ist mit dem Innenraum des Brennraums 1 des Zylinders 100 ein Injektor 9 für einen nicht brennbaren Kraftstoff verbunden, um Wasser direkt in den Brennraum 1 einzuspritzen. Da die einzuspritzende Flüssigkeit am meisten bevorzugt Wasser ist, obgleich andere Flüssigkeiten mit einer hohen Verdampfungsenthalpie ebenfalls verwendet werden können, ist der Begriff „Wasserinjektor“ als ein spezifisches Beispiel für einen Einspritzinjektor 9 für einen nicht brennbaren Kraftstoff verwendet. Der Wasserinjektor 9 kann eine Niederdruckinjektor mit einem Einspritzdruck von bis zu 15 Bar oder vorzugsweise ein Hochdruckinjektor mit einem Einspritzdruck von mehr als 15 Bar sein. Der Wasserinjektor 9 kann sich, wie in 1 gezeigt ist, seitlich an der Zylinderwand 11 befinden, kann sich aber ebenfalls an einer zentralen Stelle im Zylinder in der Nähe der Zündkerze 10a befinden. Als eine Alternative zu der mit der Zylinderwand 11 verbundenen Wassereinspritzung 9 (wie in 1 gezeigt ist) oder zusätzlich dazu können ein oder mehrere Wasserinjektoren 9 mit dem Einlasskanal 4 eines Zylinders 100 verbunden sein.
Ferner ist in 1 ein Controller 12 zum Steuern der Wassereinspritzung in die Brennkraftmaschine gezeigt. Der Controller 12 ermittelt die Menge des durch den Wasserinjektor 9 einzuspritzenden Wassers und den Zeitpunkt der Wassereinspritzung gemäß vordefinierten Motorzuständen. Der Controller 12 kann z. B. ein Kennfeld, eine Tabelle oder dergleichen verwenden, um die Menge des einzuspritzenden Wassers abhängig vom Motorzustand zu ermitteln, die durch Parameter definiert sein können, und die zum Nachschlagen der Menge des einzuspritzenden Wassers verwendet werden. Nachfolgend ermittelt der Controller 12 auf der Grundlage der Einspritzparameter der Kraftstoffeinspritzung den Beginn der Wassereinspritzung. Die Kraftstoffeinspritzparameter wie etwa der Beginn der Kraftstoffeinspritzung(en), die Dauer der Kraftstoffeinspritzung(en) und das Ende der Kraftstoffeinspritzung(en) werden ebenfalls durch den Controller ermittelt. Der Controller 12 kann z. B. ebenfalls ein Kennfeld, eine Tabelle oder dergleichen verwenden, um die Kraftstoffeinspritzparameter in Abhängigkeit vom Motorzustand zu ermitteln. Wie im Folgenden in Bezug auf 4 beschrieben wird, können in dem Controller 12 darüber hinaus wenigstens ein Kennfeld oder eine Tabelle und/oder ein Modell zum Ermitteln des Grads der Kraftstoffverdampfung implementiert sein.
Der Controller ist mit der Funkenzündungseinheit 10, mit dem Kraftstoffinjektor für Direkteinspritzung 8 und mit der Wassereinspritzinjektor 9 elektrisch verbunden und steuert die mehreren Einheiten/Injektoren/Aktuatoren. Der Controller 12 kann z. B. das Motorsteuergerät (ECU) sein.
Außerdem kann der Controller 12 irgendeine andere Steuereinheit sein und die Signalleitungsverbindungen zwischen dem Controller 12 und den gesteuerten Einheiten können sich von dem Beispiel aus 1 unterscheiden. Zum Beispiel kann es mehrere Controller 12 geben, die Teilgruppen der gesteuerten Einheiten steuern können, wobei z. B. ein Controller 12-1 nur Kraftstoffinjektoren steuern kann, ein anderer Controller 12-2 nur Wasserinjektoren 9 steuern kann usw. Nochmals weiter können diese Controller 12 hierarchisch oder auf andere Weise miteinander verbunden sein, falls es mehrere Controller 12 gibt.
Ferner können an der Brennraumwand 11 Drucksensoren, die nicht gezeigt sind, angeordnet sein, so dass der Druck innerhalb des Brennraums 1 gemessen werden kann. Das Messen des Drucks innerhalb des Brennraums 1 kann eine Rückkopplungsregelung der Menge des einzuspritzenden Wassers unterstützen.
2 zeigt einen Ablaufplan eines spezifischen Beispiels zum Ermitteln eines Wassereinspritzbeginns. In einem ersten Schritt S1 werden die Kraftstoffeinspritzparameter wie etwa der Kraftstoffeinspritzbeginn, das Kraftstoffeinspritzende und das Verdampfungsende des eingespritzten Kraftstoffs berechnet und/oder geschätzt. Nachfolgend oder parallel wird in einem weiteren Schritt S2 die geforderte Wassereinspritzdauer berechnet, wobei die Motorbedingungen die geforderte Wassermenge definieren, die abhängig von Wasserdruck und Durchfluss des Wasserinjektors die Wassereinspritzdauer ergibt. Falls die Zeitdauer zwischen dem Ende der Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) länger als die Wassereinspritzdauer ist, wird der Wassereinspritzbeginn (SOIwasser) nach dem Ende der Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff , S3) eingestellt und die Wassereinspritzung ausgeführt (S4). Wenn nicht, wird geprüft, ob die Zeitdauer zwischen dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) länger als die Wassereinspritzdauer ist. In diesem Fall wird der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) nach dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraft-stoff, S4) eingestellt, genauer, es wird der Wassereinspritzbeginn zwischen dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) und dem Kraftstoffverdampfungsende (EOE-Kraftstoff) eingestellt und die Wassereinspritzung ausgeführt (S6). Falls die Zeitdauer zwischen dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) kürzer als die Wassereinspritzdauer ist, wird geprüft, ob eine Zeitdauer zwischen dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt (GTDC) und dem Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff ) länger als die Wassereinspritzdauer ergänzt um eine Sicherheitsspanne (x) ist, die notwendig ist, um sicherzustellen, dass der Kolben nicht durch die Wassereinspritzung benetzt wird. Falls zwischen GTDC und SOI_Kraft-stoff ausreichend Zeit ist, wird der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) vor den Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff ) eingestellt. Wenn nicht, wird die gesamte Menge des erforderlichen Wassers in mehrere Wassereinspritzungen aufgeteilt (S9). Zum Beispiel können, wie in 2 gezeigt ist, zwei Wassereinspritzungen angewendet werden, wobei der Beginn der ersten Wassereinspritzung (SOI_Wasser1 ) vor den Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff , S10) eingestellt wird, der Beginn der zweiten Wassereinspritzung (SOI_Wasser2 ) nach dem Kraftstoffeinspritzende (EOE_Kraftstoff , S11) eingestellt werden kann und die Wassereinspritzung ausgeführt werden kann (S12). Es wird angemerkt, dass die oben beschriebene Prozedur ein mögliches Beispiel zum Ermitteln des Wassereinspritzbeginns aufzeigt, in der Weise, dass eine Kollision zwischen Wasser- und Kraftstoffeinspritzung verhindert wird.
Darüber hinaus ist es möglich, einige Schritte wegzulassen oder die Schritte in einer anderen Reihenfolge auszuführen. Zum Beispiel ist es möglich, nur die Schritte S1 bis S4 des in 2 dargestellten Ablaufplans auszuführen, die das Ermitteln der Einspritzparameter (S1), das Berechnen der Wassereinspritzdauer (S2), das Einstellen des Wassereinspritzbeginns (SOI_Wasser ) nach dem Kraftstoffverdampfungsende (EOE_Kraftstoff , S3), falls die Zeitdauer zwischen dem Kraftstoffverdampfungsende (EOE_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) länger als die Wassereinspritzdauer ist, und das Ausführen der Wassereinspritzung (S4) enthalten.
In einem anderen Beispiel kann die Bedingung „ITDC - EOE_Kraft- stoff > Dauer Wl“ ausgelassen werden und kann das Verfahren nur die Schritte S1, S2, S5 und S6 ausführen, die das Ermitteln der Einspritzparameter (S1), das Berechnen der Wassereinspritzdauer (S2), das Einstellen des Wassereinspritzbeginns (SOI_Wasser ) nach dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff , S5), falls die Zeitdauer zwischen dem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) länger als die Wassereinspritzdauer ist, und das Ausführen der Wassereinspritzung (S6) umfassen.
In einem weiteren Beispiel ist es denkbar, direkt nach den Schritten S1 und S2 die Schritte S7 und S8 auszuführen, indem nur die Bedingung „GTDC - SOI_Kraftstoff > Dauer WX + x“ betrachtet wird. Darüber hinaus können, als ein anderes Beispiel, die Schritte S1, S2 und S9 bis S12 ohne Beachtung einer Zeitbedingung ausgeführt werden.
Selbstverständlich ist das Verfahren nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt und können die Verfahrensschritte in einer anderen Reihenfolge ausgeführt auf andere Weise kombiniert werden, sofern der Fachmann auf dem Gebiet die Änderung ohne erfinderische Aktivität ausführen kann. Darüber hinaus können einzelne Schritte ausgelassen werden und zusätzliche Schritte und Bedingungen enthalten sein.
3a bis 3c zeigen schematisch charakteristische Signale zum Steuern eines Hochdruckkraftstoffinjektors 8. 3a zeigt ein Beispiel eines Steuersignals, das von einem Controller 12, z. B. von der ECU der Brennkraftmaschine, an einen Hochdruckkraftstoffinjektor 8 gesendet wird, um einen Einspritzbeginn (SOI) zu initiieren und eine Einspritzdauer zu steuern.
3b stellt schematisch eine Injektorsteuerstromkurve zum Ansteuern eines Hochdruckkraftstoffinjektors 8 dar. Der Injektorsteuerstrom steigt zu Beginn der Bestromung (SOCF) bis auf einen Verstärkungsspitzenwert an, der notwendig sein kann, um die Injektornadel schnell zu beschleunigen und somit ihr schnelles Öffnen sicherzustellen. Wenn der maximale Nadelhub erreicht werden kann, kann der Injektorsteuerstrom auf einen Wert, der notwendig ist, um die Nadel geöffnet zu halten, abgesenkt werden. Wenn der Controller 12 das Steuersignal ausschalten kann, kann der Injektorsteuerstrom abgeschaltet werden.
3c zeigt eine schematische Nadelhubkurve eines Hochdruckkraftstoffinjektors 8, die z. B. gemessen oder geschätzt sein kann. Es wird angemerkt, dass der Anstieg des Steuersignals (Bestromungsbeginn, SOCF) nicht gleich dem „tatsächlichen“ Einspritzbeginn (SOI), d. h. dem Öffnungszeitpunkt der Injektornadel, zu sein braucht, da es nach dem Bestromungsbeginn (SOCF)eine Verzögerungszeit geben kann bis die Nadel geöffnet sein kann. Darüber hinaus kann es eine zusätzliche Zeit dauern, bis die Nadel nach dem Schalten des Injektorsteuerstroms geschlossen sein kann. Somit kann das „tatsächliche“ Einspritzende (EOI) eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Bestromungsende (EOCF) stattfinden. Falls die Einspritzparameter wie etwa der Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung durch Analysieren des Steuersignals oder des Injektor-Steuerstroms ermittelt werden können, müssen die ermittelten Verzögerungszeiten zum Öffnen und Schließen der Nadel beachtet werden.
In 4 sind zwei Kraftstoffverdampfungskurven schematisch dargestellt, wobei die Kurven jeweils einen Kraftstoffverdampfungsprozess bei einer gegebenen Temperatur, z. B. bei zwei unterschiedlichen Gastemperaturen im Brennraum, darstellen. In dem dargestellten Beispiel ist die Temperatur T1 höher als die Temperatur T2. Somit ist die Zeit t₁, bis der Kraftstoff vollständig verdampft ist (100 % Grad Verdampfung), kürzer als die Zeit t₂. Darüber hinaus ist es bezugnehmend auf die dargestellten Verdampfungskurven möglich, einen Grad der Kraftstoffverdampfung nach einer bestimmten Verdampfungszeit zu ermitteln, um die Menge des im Brennraum 1 verbleibenden flüssigen Kraftstoffs (in dem Diagramm aus 4 durch die Pfeile gezeigt) zu schätzen. Die Informationen über den Grad der Kraftstoffverdampfung zu einer bestimmten Zeit nach Kraftstoffeinspritzbeginn können verwendet werden, um zu entscheiden, ob der Wassereinspritzbeginn initiiert werden kann, und um den Einfluss der Wassereinspritzung auf die Abgasemissionen zu schätzen. Es kann mehrere Kraftstoffverdampfungskurven ähnlich den in 4 gezeigten Kurven geben, die im Voraus bestimmt und in dem Controller gespeichert werden. Diese Kurven können von unterschiedlichen Randbedingungen je nach Motorzustand abhängen, wie etwa Motordrehzahl, Motorlast, Position des Kraftstoffinjektors 8, Kraftstoffdruck, Kraftstofftemperatur, Kraftstoffeigenschaften und Menge des eingespritzten Kraftstoffs. Alternativ oder zusätzlich können die Verdampfungskurven durch ein in dem Controller 12 berechnetes Modell in Abhängigkeit von den gegenwärtigen Randbedingungen wie etwa dem Druck und der Temperatur im Brennraum 1, dem Kraftstoffdruck sowie der Reynolds- und der Weberzahl der Kraftstofftröpfchen geschätzt werden. Die Kenntnis des Kraftstoffverdampfungsgrads zu einer bestimmten Zeit nach Beginn der Kraftstoffeinspritzung kann verwendet werden, um den optimalen Beginn der Wassereinspritzung zu ermitteln.
Die 5a bis 5d stellen unterschiedliche Wassereinspritzstrategien bei Verwendung der Kraftstoffeinzeleinspritzung dar, wobei der Kraftstoff direkt in den Brennraum 1 eingespritzt wird.
5a zeigt den Fall, in dem die Wassereinspritzung ausgeführt wird, nachdem die Kraftstoffeinspritzung und die Kraftstoffverdampfung stattgefunden haben. Die Kraftstoffeinspritzung kann während des Einlasstakts ausgeführt werden und kann nach einer vordefinierten Sicherheitsspanne zu dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt (GTDC) beginnen. In diesem Fall beginnt das Kraftstoffverdampfungsintervall t_Kraftstoff evap z. B. am Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) und der Kraftstoff ist am Ende der Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff ), das vor dem unteren Totpunkt ermittelt (geschätzt oder gemessen) werden soll, als vollständig verdampft (100 % Grad Verdampfung) angenommen. Somit kann der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) am Ende des Einlasstakts ausgeführt werden ohne die Kraftstoffverdampfung zu stören, was zu einer Verringerung der Gastemperatur im Verdichtungstakt führt um Klopfen zu unterdrücken, wohingegen die Abgasemissionen nicht beeinflusst werden.
In 5b ist die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts gezeigt. In dem Beispiel aus 5b ist die Zeitdauer zwischen dem Ende der Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) zu kurz, um die geforderte Menge des Wassers vor dem ITDC vollständig einzuspritzen. Somit wird der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) während des Kraftstoffverdampfungsintervalls initiiert, das in diesem Fall am Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) beginnen kann und an dem markierten Ende der Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff ) enden kann.
5c zeigt ein ähnliches Einspritzschema wie 5b. Allerdings wird die Kraftstoffeinspritzung später während des Verdichtungstakts ausgeführt. Somit wird der Wassereinspritzbeginn am Ende der Kraftstoffeinspritzung (EOI_Kraft-stoff ) initiiert, so dass das Wasser in den Brennraum 1 eintreten kann, bevor die Verbrennung stattfindet (EOlwasser bei ITDC). Obgleich die Kraftstoffverdampfung durch die Wassereinspritzung teilweise beeinflusst werden kann, wird das Abgasemissionsverhalten des Motors nicht verschlechtert.
5d zeigt eine sehr späte Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts, die zur Verbrennungsstabilisierung bei Umsetzung eines strahlgeführten Brennverfahrens verwendet werden kann. In diesem Fall wird das Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff ) unmittelbar vor den ITDC gelegt und daher wird die Wassereinspritzung vor dem Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff ) am Anfang des Verdichtungstakts ausgeführt.
Es wird angemerkt, dass es in den in 5b und 5c gezeigten Fällen ebenfalls möglich ist, das Wasser vor dem Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff ) einzuspritzen. Allerdings ist es zur effizienten Unterdrückung des Klopfens vorzuziehen, dass eine Wassereinspritzung so spät wie möglich während des Verdichtungstakts ausgeführt wird, um die Verdampfungswärme des Wassers rechtzeitig unmittelbar vor der Verbrennung zu nutzen.
6a bis 6d stellen unterschiedliche Wassereinspritzstrategien bei Verwendung eines Kraftstoffmehrfacheinspritzschemas dar, in dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum 1 eingespritzt wird, wobei in den Beispielen zwei Kraftstoffeinspritzungen pro Zyklus gezeigt sind.
6a zeigt einen Fall, in dem die Wassereinspritzung ausgeführt wird, nachdem die zweite Kraftstoffeinspritzung und deren Kraftstoffverdampfung stattgefunden haben. Die zwei Kraftstoffeinspritzungen werden während des Einlasstakts, beginnend nach einer vordefinierten Sicherheitsspanne zum oberen Ladungswechsel-Totpunkt (GTDC), ausgeführt, wobei der Beginn der zweiten Kraftstoffeinspritzung (SOI_Kraftstoff2 ) nach einer vordefinierten Sicherheitsspanne zum Ende der ersten Kraftstoffeinspritzung (EOI_Kraftstoff1 ) ausgeführt wird. Die Kraftstoffverdampfungsintervalle t_{Kraftstoff evap.1} und t_{Kraftstoffevap.2} können in diesem Fall z. B. an jedem Kraftstoffeinspritzende (EOI_Kraftstoff1 und EOI_Kraftstoff2 ) beginnen und der Kraftstoff kann an jedem Kraftstoffverdampfungsende (EOE_Kraftstoff1 und EOE-_Kraftstoff2 ) vollständig verdampft sein (100 % Grad Verdampfung), wobei das Ende der zweiten Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff2 ) vor dem unteren Totpunkt ermittelt (geschätzt oder gemessen) werden kann. Somit kann der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) am Ende des Einlasstakts ausgeführt werden, ohne die Kraftstoffverdampfung zu stören, was zu einer Verringerung der Gastemperatur im Verdichtungstakt führt, um Klopfen zu unterdrücken und eine Verschlechterung der Abgasemissionen zu vermeiden.
In 6b ist eine Kraftstoffmehrfacheinspritzung gezeigt. Die erste Kraftstoffeinspritzung wird während des Einlasstakts und die zweite Kraftstoffeinspritzung wird während des Verdichtungstakts ausgeführt. In dem dargestellten Beispiel ist die Zeit zwischen dem Ende der zweiten Kraftstoffverdampfung (EOE-_Kraftstoff2 ) und dem oberen Zünd-Totpunkt (ITDC) zu kurz, um die geforderte Menge Wasser nach der zweiten Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff2 ) vollständig einzuspritzen. Daher wird der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) während des Kraftstoffverdampfungsintervalls der zweiten Kraftstoffeinspritzung (t_Kraftstoff _evap.2 ) initiiert, das in diesem Fall am Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung (EOI_Kraftstoff2 ) beginnen kann und an dem markierten Ende der zweiten Kraftstoffverdampfung (EOE_Kraftstoff2 ) enden kann.
6c zeigt ein ähnliches Einspritzschema wie 6b. Die zweite Kraftstoffeinspritzung wird später im Verdichtungstakt ausgeführt. Der Wassereinspritzbeginn wird am Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung (EOI_Kraftstoff2 ) initiiert, so dass das Wasser in den Brennraum 1 eintreten kann, bevor die Verbrennung stattfindet (EOI_Wasser bei ITDC). Selbst wenn die Kraftstoffverdampfung durch die Wassereinspritzung teilweise beeinflusst werden kann, wird das Abgasemissionsverhalten des Motors nicht verschlechtert.
6d zeigt ein Kraftstoffmehrfacheinspritzschema, das während des Verdichtungstakts ausgeführt wird. Ein solches Kraftstoffeinspritzschema kann angewendet werden, wenn ein strahlgeführtes mageres Brennverfahren verwirklicht wird, um den Kraftstoffverbrauch bei Teillast zu verringern. Die späte zweite Einspritzung kann für die Verbrennungsstabilisierung verwendet werden, wenn ein insgesamt mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. In dem vorliegenden Fall wird das Ende der zweiten Kraftstoffeinspritzung (EOI_Kraftstoff ) unmittelbar vor den ITDC gelegt und daher wird der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) vor dem ersten Kraftstoffeinspritzbeginn (SOI_Kraftstoff1 ) am Ende des Einlasstakts ausgeführt.
In den 7a und 7b sind weitere Kraftstoff- und Wassereinspritzschemata dargestellt.
In 7a ist eine Kraftstoffmehrfacheinspritzung gezeigt, wobei die erste Kraftstoffeinspritzung während des Einlasstakts ausgeführt wird und die zweite Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts ausgeführt wird. Dieses Kraftstoffeinspritzschema ermöglicht das Einspritzen des Wassers zwischen den zwei Kraftstoffeinspritzungen, wobei der Wassereinspritzbeginn (SOI_Wasser ) am Ende des Einlasstakts vor dem BDC ausgeführt wird.
Es wird angemerkt, dass es in den in 6b und 6c gezeigten Beispielen ebenfalls möglich ist, die Wassereinspritzung zwischen den zwei Kraftstoffeinspritzungen auszuführen. Dennoch ist es vorzuziehen, das Wasser nach der letzten Kraftstoffeinspritzung einzuspritzen, um das Klopfen effizient zu unterdrücken.
7b zeigt ein Beispiel, in dem es nicht möglich ist, eine einzelne Wassereinspritzung umzusetzen, da zwischen oder nach den Kraftstoffeinspritzungen nicht genügend Zeit ist, um die geforderte gesamte Menge Wasser während des Einlass- oder des Verdichtungstakts einzuspritzen. Somit wird die Wassereinspritzung in diesem Beispiel in zwei Einspritzungen aufgeteilt, die zwischen den zwei Kraftstoffeinspritzungen und nach der zweiten Kraftstoffeinspritzung ausgeführt werden.
Es wird zusammengefasst, dass es der Erfindungsgegenstand ermöglicht Klopfen effizient zu unterdrücken, ohne Nachteile hinsichtlich steigender Abgasemissionen, die durch eine Kollision von Wasser- und Kraftstoffeinspritzung verursacht werden.
Obgleich das Obige eine bestimmte Reihenfolge von Operationen beschreibt, die durch bestimmte Aspekte und Beispiele ausgeführt werden, ist diese Reihenfolge selbstverständlich beispielhaft, da Alternativen die Operationen in einer anderen Reihenfolge ausführen, bestimmte Operationen kombinieren, bestimmte Operationen überlappen oder dergleichen können. Bezugnahmen in der Beschreibung auf einen gegebenen Aspekt geben an, dass der beschriebene Aspekt ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft enthalten kann, wobei aber jeder Aspekt nicht notwendig das bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder die bestimmte Eigenschaft enthalten kann. Die Merkmale, die hier beschrieben sind und die durch die Figuren gezeigt sind, können kombiniert werden. Der hier beschriebene und beanspruchte Erfindungsgegenstand soll diese Kombinationen, solange sie im Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche liegen, ebenfalls bedingen.
Es wird erneut angemerkt, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen. Somit wird gewürdigt werden, dass der Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Anordnungen erdenken kann, die, obgleich sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien des beanspruchten Erfindungsgegenstands verkörpern und in seinem Erfindungsgedanken und Schutzumfang enthalten sind.
Darüber hinaus wird angemerkt, dass Schritte verschiedener oben beschriebener Verfahren und Komponenten beschriebener Systeme durch programmierte Computer ausgeführt werden können. Einige Ausführungsformen sollen hier Programmspeichervorrichtungen, z. B. digitale Datenspeichermedien, umfassen, die maschinen- oder computerlesbar sind und durch eine Maschine ausführbare oder durch einen Computer ausführbare Programme oder Anweisungen codieren, wobei die Anweisungen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren ausführen. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. digitale Datenspeicher, magnetische Speichermedien wie etwa Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare digitale Datenspeichermedien sein. Außerdem sollen die Ausführungsformen Computer umfassen, die dafür programmiert sind, die Schritte der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Außerdem wird angemerkt, dass die Funktionen der verschiedenen hier beschriebenen Elemente durch die Verwendung dedizierter Hardware sowie Hardware, die Software ausführen kann, in Zuordnung zu geeigneter Software bereitgestellt werden können. Wenn die Funktionen durch einen Prozessor bereitgestellt werden, können sie durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinsam genutzten Prozessor oder durch mehrere einzelne Prozessoren, von denen einige gemeinsam genutzt sein können, bereitgestellt werden. Darüber hinaus soll die explizite Verwendung des Begriffs „Prozessor“ oder „Controller“ nicht so verstanden werden, dass er sich ausschließlich auf Hardware bezieht, die Software ausführen kann, und kann er implizit ohne Beschränkung digitale Signalprozessorhardware (DSP-Hardware), einen Netzprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) zum Speichern von Software, einen Schreib-Lese-Arbeitsspeicher (RAM) und nichtflüchtigen Speicher enthalten. Andere Hardware, herkömmlich und/oder kundenspezifisch, kann ebenfalls enthalten sein.
Schließlich wird angemerkt, dass irgendwelche vorliegenden Blockschaltpläne konzeptionelle Ansichten einer veranschaulichenden Schaltungsanordnung, die die Prinzipien des beanspruchten Erfindungsgegenstands verkörpert, repräsentieren. Ähnlich wird gewürdigt werden, dass irgendwelche Ablaufpläne, Ablaufdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse repräsentieren, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt sein können und so durch einen Computer oder Prozessor, gleich, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist, ausgeführt werden können.
Wieder zusammengefasst, schafft der Erfindungsgegenstand ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung, um erhöhte Abgasemissionen, die durch eine Kollision einer Kraftstoff- und einer Wassereinspritzung verursacht werden, falls das Wasser direkt in den Zylinder eingespritzt wird, zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Brennraum
2: Kolben
3: Pleuelstange
4: Einlasskanal
5: Auslasskanal
6: Einlassventil
7: Auslassventil
8: (Hochdruck-) Kraftstoffinjektor
9: Injektor für nicht brennbares Fluid/Wasser
10: Funkenzündung
10a: Zündkerze
10b: Zündspule
11: Zylinderwand
12: Controller
100: Zylinder
SOI: Einspritzbeginn
EOI: Einspritzende
EOE: Verdampfungsende
SOCF: Bestromungsbeginn
EOCF: Bestromungsende
ITDC: oberer Zünd-Totpunkt
GTDC: oberer Ladungswechsel-Totpunkt
BDC: unterer Totpunkt
WI: Wassereinspritzung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 13158506 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern der Einspritzung eines nicht brennbaren Fluids in eine Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens einen Zylinder (100), wenigstens einen Kraftstoffinjektor (8), der dafür konfiguriert ist, Kraftstoff in die Brennkraftmaschine einzuspritzen, wenigstens einen Injektor (9) für nicht brennbares Fluid, der dafür konfiguriert ist, das nicht brennbare Fluid in die Brennkraftmaschine einzuspritzen, und wenigstens einen Controller (12) aufweist, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids auf der Grundlage von Einspritzparametern der Kraftstoffeinspritzung, und Steuern des Injektors (9) für nicht brennbares Fluid, zur Einspritzung des nicht brennbaren Fluids in die Brennkraftmaschine an dem ermittelten Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an dem oder nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung oder vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an dem oder nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Ausführen der Einspritzung des nicht brennbaren Fluids zusammen mit einer Kraftstoffmehrfacheinspritzung.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an einem oder nach einem Ende einer letzten Kraftstoffeinspritzung, vor einem Beginn einer ersten Kraftstoffeinspritzung und/oder zwischen zwei Kraftstoffeinspritzungen liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch das Ermitteln des Einspritzbeginns des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass er an einem oder nach einem Ende einer letzten Kraftstoffverdampfung liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Aufteilen der Einspritzung des nicht brennbaren Fluids in mehrere Einspritzungen des nicht brennbaren Fluids, wobei jeder Einspritzbeginn des nicht brennbaren Fluids in der Weise ermittelt wird, dass er außerhalb eines Kraftstoffeinspritzintervalls liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Ermitteln eines Einspritzendes des nicht brennbaren Fluids in der Weise, dass es an einem oder vor einem Beginn einer folgenden Kraftstoffeinspritzung liegt.
Controller (12) für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (100), wenigstens einem Kraftstoffinjektor (8), der dafür konfiguriert ist, Kraftstoff in die Brennkraftmaschine einzuspritzen, und wenigstens einem Injektor (9) für nicht brennbares Fluid, der dafür konfiguriert ist, ein nicht brennbares Fluid in die Brennkraftmaschine einzuspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (12) dafür konfiguriert ist, das Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche auszuführen.
Brennkraftmaschine, die den Controller (12) nach Anspruch 10 enthält.
Computerprogrammprodukt, das in einem Arbeitsspeicher gespeichert werden kann, wobei das Computerprogrammprodukt Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer das Verfahren nach wenigstens einen der Verfahrensansprüche 1 bis 9 ausführt.