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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Darüber hinaus wird ein Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen.
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Stand der Technik
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Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen gilt es den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu optimieren, beispielsweise durch eine Erhöhung der Verdichtung oder durch Downsizing Konzepte in Kombination mit einer Turboaufladung. Bei hoher Motorlast ist jedoch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Betriebspunkt, der im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimal wäre, in der Regel nicht möglich, da dem Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen Grenzen gesetzt werden. Maßnahmen zur Reduzierung der Klopfneigung und/oder Senkung der Abgastemperaturen sehen die Einspritzung von Wasser vor, wobei die Einspritzung direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erfolgen kann.
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Die Wirkungsweise der Wassereinspritzung beruht vorrangig auf dem Effekt der Abkühlung der Zylinderladung des Verbrennungsmotors durch Ausnutzung der hohen Verdampfungsenthalpie von Wasser. Zum einen wird so die Prozesstemperatur reduziert, zum anderen verringert sich die Klopfneigung, was eine Verschiebung der Verbrennungsschwerpunktlage nach früh ermöglicht. Beides führt zu einer Reduktion der Abgastemperatur.
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Um den Effekt effizient nutzen zu können, muss das Wasser verdampfen und die dafür benötigte Energie der Zylinderladung entziehen. Ferner kann eine Steigerung des Effekts dadurch erreicht werden, dass die Einspritzmenge an Wasser erhöht wird. Der Erhöhung der Einspritzmenge sind jedoch Grenzen gesetzt, deren Überschreitung zu Problemen bei der Auslegung des Wassereinspritzsystems führen können.
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Beispielsweise kann beim Einspritzen zu großer Wassermengen sich ein Teil des Wassers an den Brennraumwänden niederschlagen und auf diese Weise in den Medienkreislauf eines anderen Mediums, zum Beispiel in den Motorölkreislauf, gelangen. Dies gilt es zu vermeiden. Ferner können zu große Wasserraten bei der Wassereinspritzung die Verbrennungsstabilität negativ beeinflussen. Beispielsweise kann es zu verschleppten Verbrennungen oder sogar Aussetzern kommen. Darüber hinaus ist von einer Steigerung der Wasserrate abzusehen, wenn eine durch die Wassereinspritzung reduzierte Kopfneigung bereits dazu geführt hat, dass der Verbrennungsmotor schwerpunktoptimal oder an der maximal zulässigen Zylinderdruckgrenze betrieben wird. In diesem Fall führt auch eine Steigerung der Wasserrate bei der Wassereinspritzung nicht dazu, dass die Abgastemperatur weiter signifikant sink, da die durch die Wasserverdunstung erzielbare Temperaturabsenkung nicht ausreicht, um die aus der höheren Wasserrate entstehenden Nachteile, wie längere Brenndauer und/oder schlechtere Gemischaufbereitung, zu kompensieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe die Abgastemperatur weiter abgesenkt werden kann, und zwar insbesondere dann, wenn ein zulässiges Maximum der Wasserrate bei der Wassereinspritzung in einen Ansaugtrakt oder einen Brennraum eines Verbrennungsmotors bereits erreicht ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ferner wird ein Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors wird mit Hilfe mindestens eines Injektors eines Wassereinspritzsystems Wasser oder eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingebracht, und zwar direkt oder indirekt über einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors. Der mindestens eine Injektor kann demnach unmittelbar am Brennraum oder an einem Saugrohr des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird eine maximale Wasserrate für die Wassereinspritzung bzw. die Kraftstoff-Wasser-Emulsionseinspritzung bestimmt und mit Erreichen der zuvor bestimmten maximalen Wasserrate wird mindestens ein weiterer an einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordneter Injektor zugeschaltet, mit dessen Hilfe Wasser direkt in den Abgastrakt eingespritzt wird. Das heißt, dass - zumindest zeitweise - sowohl in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum als auch in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, um die Abgastemperatur zu reduzieren. Mit Hilfe der Einspritzung in den Abgastrakt kann die Abgastemperatur weiter gesenkt werden. Die Abkühlung erfolgt hier rein über den Enthalpieentzug aus dem Abgas durch die Verdampfung des eingespritzten Wassers. Im Unterschied zur Saugrohr- oder Brennraumeinspritzung wird dabei der Verbrennungsprozess nicht beeinflusst. Demzufolge kann so viel Wasser direkt in den Abgastrakt eingespritzt werden, wie notwendig ist, um die zulässige maximale Abgastemperatur einzuhalten.
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Grundsätzlich kann die Abgastemperatur im Abgastrakt auch dadurch gesenkt werden, dass Wasser ausschließlich in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Da hierüber jedoch der Verbrennungsprozess nicht beeinflusst werden kann, um beispielsweise durch eine Klopfreduktion eine Frühverschiebung der Schwerpunktlage zu erzielen, ist dieser Ansatz gegenüber der Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum des Verbrennungsmotors unterlegen. Die vorgeschlagene kombinierte Einspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum und in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors macht sich die Vorteile beider Systeme zunutze.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kommt die kombinierte Einspritzung immer dann zum Tragen, wenn die Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum ihre Grenze erreicht hat. Das heißt, immer dann, wenn eine weitere Steigerung der Wasserrate zu mehr Nachteilen als Vorteilen führen würde. Die Nachteile können insbesondere ein zu hohes Blowby und/oder eine negative Beeinflussung der Verbrennungsstabilität sein. Ferner hat die Wassereinspritzung ihre Grenzen erreicht, wenn eine weitere Schwerpunktlagenverschiebung nach früh nicht mehr möglich ist und eine weitere Wassereinspritzung vor oder in den Brennraum zu keiner Absenkung der Abgastemperatur mehr führt.
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Anhand dieser Parameter bzw. Randbedingungen, die sowohl motorspezifisch als auch betriebspunktabhängig sind, wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die maximale Wasserrate bestimmt. Dadurch ist sichergestellt, dass zunächst die positiven Effekte der Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt bzw. in den Brennraum des Verbrennungsmotors ausgeschöpft werden und erst dann die Wassereinspritzung in den Abgastrakt zugeschaltet wird, wenn eine Steigerung der positiven Effekte nicht mehr möglich ist.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine weitere am Abgastrakt angeordnete Injektor dazu genutzt wird, die Ansprechzeit des saug- oder brennraumseitig angeordneten Wassereinspritzsystems beim Zu- und Abschalten zu reduzieren. Ein System, das der Einspritzung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion in den Brennraum eines Verbrennungsmotors dient, weist prinzipbedingt eine längere Ansprechzeit als ein saugseitig angeordnetes System zum Einspritzen von Wasser auf. Während dieser Totzeit beim Zu- und Abschalten kann dann die Kühlung über die Einspritzung von Wasser in den Abgastrakt erreicht werden.
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Bevorzugt wird mit Hilfe des mindestens einen weiteren am Abgastrakt angeordneten Injektors Wasser unmittelbar in einen Abgaskrümmer des Abgastrakts eingespritzt, und zwar vorzugsweise stromaufwärts eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters. Sofern es sich um einen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung handelt, erfolgt die Einspritzung bevorzugt stromaufwärts einer Turbine des Turboladers.
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Vorteilhafterweise wird der mindestens eine weitere am Abgastrakt angeordnete Injektor mit Hilfe eines Steuergeräts, vorzugsweise einem Motorsteuergerät, zu- und abgeschaltet. Mit Hilfe des Steuergeräts kann vorab die maximale Wasserrate bestimmt werden, so dass hiernach der Zeitpunkt festgelegt werden kann, wann der mindestens eine weitere Injektor zu- oder abgeschaltet wird. Die Verwendung des Motorsteuergeräts besitzt den Vorteil, dass diesem für die Bestimmung der maximalen Wasserrate erforderlichen Parameter in der Regel bereits vorliegen. Bevorzugt sind die am Saugtrakt bzw. Brennraum angeordneten Injektoren und die am Abgastrakt angeordneten Injektoren mit Hilfe des Steuergeräts unabhängig voneinander ansteuerbar. Bei geringen Kühlungsbedürfnissen können somit nur die saug- oder brennraumseitig angeordneten Injektoren angesteuert werden. Ferner können nur die am Abgastrakt angeordneten Injektoren, beispielsweise zur Überbrückung einer langen Zu- und/oder Abschaltzeit der brennraumseitig angeordneten Injektoren bei Emulsionseinspritzung, angesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden alle Injektoren, die dem Einspritzen von Wasser oder einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion dienen, über eine gemeinsame Pumpe mit Wasser aus einem Wassertank versorgt. Auf diese Weise kann die Anzahl der erforderlichen Systemkomponenten geringgehalten werden, was sich zugleich kostensenkend auswirkt. Ferner können der Bauraumbedarf und das Gewicht des Systems verringert werden.
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Des Weiteren bevorzugt werden alle Injektoren, die dem Einspritzen von Wasser dienen, mit dem gleichen Systemdruck betrieben. Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, das Verfahren und das zur Durchführung des Verfahrens erforderliche System zu vereinfachen. Sofern das Wassereinspritzsystem Injektoren umfasst, die der Einspritzung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion in den Brennraum des Verbrennungsmotors dienen, kann der Systemdruck variieren, da die Kraftstoff-Wasser-Emulsion in der Regel mit Hochdruck beaufschlagt wird. Das Wasser wird hierzu einer Hochdruckpumpe zugeführt, die über einen weiteren Anschluss mit Kraftstoff versorgt wird, so dass die Kraftstoff-Wasser-Emulsion in der Hochdruckpumpe erzeugt wird. Der Wasserdruck im Zulaufbereich der Hochdruckpumpe kann wiederum gleich dem Wasserdruck im Injektor auf der Abgasseite sein.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine am Abgastrakt angeordnete Injektor gekühlt wird. Die Kühlung steigert die Robustheit und damit die Lebensdauer des Injektors. Die Kühlung kann analog der Kühlung bei SCR-Dosiersystemen ausgebildet sein, deren Einspritzventile ebenfalls am Abgastrakt angeordnet und somit den hohen Abgastemperaturen ausgesetzt sind. Beispielsweise kann das Injektorgehäuse zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet sein und/oder Kühlkanäle aufweisen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
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Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors umfasst ein Wassereinspritzsystem mit einem Wassertank, einer Pumpe und mindestens einem Injektor. Erfindungsgemäß weist das Wassereinspritzsystem mindestens einen weiteren an einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Injektor zum Einspritzen von Wasser in den Abgastrakt auf. Das vorgeschlagene Wassereinspritzsystem ist damit insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die gleichen zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile erreichbar sind. Zum einen kann mittels der saug- bzw. brennraumseitigen Einspritzung die Klopfneigung reduziert und eine frühere Zündung mit früheren wirkungsgradoptimaleren Schwerpunktlagen umgesetzt werden, wodurch die Abgastemperatur weiter abgesenkt wird. Die saug- bzw. brennraumseitige Einspritzung weist somit den größeren Hebel in Bezug auf die gewünschte Absenkung der Abgastemperatur auf. Zum anderen kann, wenn eine Steigerung der Wasserrate nicht mehr möglich und/oder nicht mehr sinnvoll ist, mindestens ein weiterer am Abgastrakt angeordneter Injektor zugeschaltet werden, um zusätzlich Wasser direkt in den Abgastrakt einzuspritzen. Die Einspritzung in den Abgastrakt ist - da sie die Verbrennung nicht beeinflusst - mengenmäßig nicht limitiert, so dass so viel Wasser in den Abgastrakt eingespritzt werden kann wie nötig ist, um die zulässige maximale Abgastemperatur einzuhalten.
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Der mindestens eine weitere Injektor ist vorzugsweise an einem Abgaskrümmer des Abgastrakts angeordnet. Weiterhin vorzugsweise erfolgt die Anordnung stromaufwärts eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters. Sofern es sich um einen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung handelt, ist vorzugsweise der weitere Injektor stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers angeordnet. Die gewünschte Abkühlung des Abgases wird demnach bereits mit Eintritt des Abgases in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors erreicht.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass alle Injektoren, die dem Einspritzen von Wasser oder einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion dienen, über ein Steuergerät ansteuerbar sind. Bevorzugt können die verschiedenen Injektoren mit Hilfe des Steuergeräts unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass der mindestens eine am Abgastrakt angeordnete Injektor nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann. Ferner können bei geringen Kühlerfordernissen auch nur die saug- bzw. brennraumseitig angeordneten Injektoren angesteuert werden.
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Da der mindestens eine am Abgastrakt angeordnete Injektor hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass dieser eine Kühlung aufweist. Die Kühlung erhöht die Robustheit und damit die Lebensdauer des Injektors. Die Kühlung kann analog der Kühlung eines Einspritzventils eines SCR-Dosiersystems ausgebildet sein. Insbesondere kann das Gehäuse des Injektors zur Aufnahme eines Kühlmediums doppelwandig ausgebildet und/oder mit Kühlkanälen ausgestattet sein.
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Darüber hinaus wird ein Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur und einem Steuergerät, insbesondere Motorsteuergerät, zur Ansteuerung der Injektoren. Mit Hilfe des Steuergeräts können die saug- oder brennraumseitig angeordneten Injektoren unabhängig von dem mindestens einen weiteren am Abgastrakt angeordneten Injektor angesteuert werden. Durch Ansteuern bzw. Zuschalten des mindestens einen weiteren Injektors kann eine weitere Absenkung der Abgastemperatur erzielt werden. Das Zuschalten des mindestens einen weiteren Injektors erfolgt dabei nach Maßgabe des Steuergeräts. Dieses ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das eingangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mittels welcher Wasser in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors einspritzbar ist, und
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mittels welcher eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzbar ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zur Absenkung der Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors 1 umfasst ein Wassereinspritzsystem 3 mit mindestens einem im Bereich eines Ansaugtrakts 4 des Verbrennungsmotors 1 angeordneten Injektor 2. Mit Hilfe des Injektors 2 kann Wasser in ein Saugrohr 19 des Ansaugtrakts 4 eingespritzt werden. Der Injektor 2 ist hierzu stromabwärts einer im Saugrohr 19 aufgenommenen Drosselklappe 20 angeordnet. Über das Saugrohr 19 wird einem Brennraum 5 des Verbrennungsmotors 1 die für die Verbrennung von Kraftstoff erforderliche Luft zugeführt. Mit der über das Saugrohr 19 angesaugten Luft gelangt auch das in das Saugrohr 19 eingespritzte Wasser in den Brennraum 5.
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Zur Versorgung des Injektors 2 mit Wasser umfasst die in der 1 dargestellte Vorrichtung einen Wassertank 10 und eine Pumpe 9, die über eine Wasserleitung 16 mit dem Injektor 2 verbunden ist, so dass diesem mit Hilfe der Pumpe 9 Wasser aus dem Wassertank 10 zuführbar ist. Die Wassereinspritzung in das Saugrohr 19 dient der Reduzierung der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 1. Ferner kann der Verbrennungsprozess positiv beeinflusst werden. Insbesondere kann eine Reduzierung der Klopfneigung und damit eine Frühverschiebung der Schwerpunktlage erreicht werden. Zur Verstärkung der Effekte wird eine hohe Wasserrate angestrebt. Ist jedoch eine bestimmte maximale Wasserrate erreicht, kann sich eine weitere Steigerung der Wasserrate ungünstig auf die Stabilität der Verbrennung auswirken.
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Um dennoch eine weitere Absenkung der Abgastemperatur ohne negative Auswirkungen auf die Verbrennung zu erzielen, weist die in der 1 dargestellte Vorrichtung mindestens einen weiteren Injektor 7 auf, der an einem Abgaskrümmer 11 eines Abgastrakts 6 des Verbrennungsmotors 1 angeordnet ist, und zwar stromaufwärts eines Katalysators 12 und eines Partikelfilters 13, denen vorliegend eine Turbine 14 eines Turboladers vorgeschaltet ist. Die Turbine 14 ist optional. Mit Hilfe des weiteren Injektors 7 kann Wasser direkt in den Abgastrakt 6 eingespritzt werden. Die Wassereinspritzung in den Abgastrakt 6 beeinflusst die Verbrennung nicht, so dass die Wasserrate in diesem Fall nicht limitiert ist. Das heißt, dass so viel Wasser eingespritzt werden kann, wie zur Einhaltung der zulässigen Abgastemperatur erforderlich ist. Da die saug- oder brennraumseitige Einspritzung jedoch den größeren Hebel auf die Absenkung der Abgastemperatur besitzt, wird der am Abgastrakt 6 angeordnete weitere Injektor 7 nur bei Bedarf zugeschaltet, und zwar insbesondere dann, wenn die maximale Wasserrate saug- bzw. brennraumseitig erreicht ist.
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Die verschiedenen Injektoren 2, 7 werden gemeinsam über die Pumpe 9 und den Wassertank 10 mit Wasser versorgt. Zur Ansteuerung der Injektoren 2, 7 ist ein Steuergerät 8 vorgesehen, wobei die saug- bzw. brennraumseitigen Injektoren 2 und der mindestens eine weitere am Abgastrakt 6 angeordnete Injektor 7 unabhängig voneinander ansteuerbar über Steuerleitungen 18 sind.
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Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. Im Unterschied zur Vorrichtung der 1 sind die Injektoren 2 nicht am Saugrohr 19, sondern am Brennraum 5 angeordnet. Die Anzahl der Injektoren 2 entspricht dabei der Anzahl der Zylinder bzw. der Brennräume 5 des Verbrennungsmotors 1. Die Einspritzung mittels der Injektoren 2 erfolgt demnach direkt in den jeweiligen Brennraum 5. Ferner wird mit Hilfe der Injektoren 2 nicht nur Wasser, sondern eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion eingespritzt, die in einer vorgeschalteten Hochdruckpumpe 15 erzeugt wird. Die Hochdruckpumpe 15 ist hierzu über eine Kraftstoff-Wasser-Emulsionsleitung 17 mit den Injektoren 2 verbunden.
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Auch die Vorrichtung der 2 weist mindestens einen zusätzlichen Injektor 7 im Bereich des Abgastrakts 6 auf, der bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Die Funktionsweise des weiteren Injektors 7 und die damit einhergehenden Vorteile entsprechen denen der Vorrichtung der 1, so dass hierauf verwiesen werden kann. Darüber hinaus kann bei der Vorrichtung der 2 der mindestens eine weitere Injektor 7 dazu genutzt werden, die Ansprechzeit beim Zu- oder Abschalten der Wassereinspritzung mittels der Injektoren 2 zu verbessern. Denn prinzipbedingt brauchen die Injektoren 2 zum Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion länger als reine Wasserinjektoren bis sie betriebsbereit sind. Diese Totzeit kann mit Hilfe der Wassereinspritzung mittels der Injektoren 7 überbrückt werden.
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Gleichwohl nicht dargestellt, ist Gegenstand der Erfindung ferner eine Vorrichtung, bei welcher der mindestens eine Injektor des Wassereinspritzsystems direkt am Brennraum angeordnet ist und lediglich der Einspritzung von Wasser dient. Der Kraftstoff wird in diesem Fall mit Hilfe eines separaten Kraftstoffinjektors eingespritzt.
