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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wassereinspritzen für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- - eine Brennkammer;
- - einen Luftkanal;
- - eine Kraftstoffeingabeeinheit;
- - eine Wassereinspritzdüse; und
- - eine Abgasleitung mit einem Abgasrückführsystem,
wobei mittels des Abgasrückführsystems von dem Abgas ein Abgasvolumenstrom mit einer Abgastemperatur der Brennkammer geregelt zuführbar ist,
wobei das Abgasrückführsystem einen Kühler zum Regeln der Abgastemperatur eines zurückgeführten Abgasvolumenstroms umfasst, und
wobei der Brennkammer ein Brennkammer-Gemisch mit einer Frischfüllungstemperatur bereitgestellt wird, welches regelungsabhängig den bereitgestellten Luftvolumenstrom, Kraftstoff, Abgasvolumenstrom und Wasseranteil umfasst, und
wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - a. Bestimmen des notwendigen Wasseranteils für das Brennkammer-Gemisch, um die gewünschte Frischfüllungstemperatur zu erreichen; und
- b. Anpassen des Abgasvolumenstroms und/oder der Abgastemperatur, um den in Schritt a. bestimmten Wasseranteil zu verdampfen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, sowie Kraftfahrzeug.
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Es sind aus dem Stand der Technik Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, bekannt. Bei Verbrennungskraftmaschinen ist es erwünscht, dass sie in allen ihren Betriebszuständen möglichst effizient, gleichzeitig aber auch mit geringem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Schadstoffemissionen sowie maximaler Standfestigkeit und Dauerhaltbarkeit betrieben werden. Reduzierte Schadstoffemissionen lassen sich besonders bei einem mageren Luft-KraftstoffGemisch in der Brennkammer mittels eines Abgasrückführsystems erreichen. Dabei wird geregelt ein Anteil des Abgases der Frischluft für die Frischfüllung der Brennkammer zugeführt. Es sind Abgasrückführsysteme bekannt, welche mit Niederdruck (hinter einer Abgasturbine) und/oder mit Hochdruck (vor einer Abgasturbine) betrieben werden. Die jeweilige Rückführleitung umfasst einen (entsprechend Niederdruck- oder Hochdruck-) Kühler, mittels welchem der rückgeführte Anteil des Abgases auf Temperaturen von beispielsweise 30°C [dreißig Grad Celsius] bis 150°C beziehungsweise 80°C bis 200°C abkühlbar ist, bevor der Abgasanteil dem Luftvolumenstrom beigegeben wird. Bevorzugt ist dem beziehungsweise den Kühlern in dem Abgasrückführsystem zumindest ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter vorgeschaltet.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen kann es in einem oberen Leistungsbereich infolge einer zu hohen Frischfüllungstemperatur zu Fehlfunktionen (beispielsweise Klopfneigung) der Verbrennungskraftmaschine kommen, sodass der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine absinkt. Um diesem Problem entgegenzutreten, ist es heutzutage üblich, Wasser in Form eines feinen Sprühnebels der Frischfüllung zuzuführen, sodass in der Folge des Verdampfens eine signifikante Reduzierung der Frischfüllungstemperatur erzielbar ist. Es hat sich herausgestellt, dass ein nicht unerheblicher Anteil des Wassers unverdampft in die Brennkammer eingeleitet wird. Das führt unter Umständen zu Störungen des Brennverfahrens in der Brennkammer bis hin zu mechanischen Schäden, vor allem infolge der Verwässerung des Motorschmiermittels.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wassereinspritzen für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- - eine Brennkammer mit einem Einlass und einem Auslass;
- - einen Luftkanal, mittels dessen ein Luftvolumenstrom mit einer Lufttemperatur über den Einlass der Brennkammer bereitgestellt wird;
- - eine Kraftstoffeingabeeinheit zum geregelten Zugeben von Kraftstoff in die Brennkammer;
- - eine Wassereinspritzdüse, mittels welcher der Brennkammer ein Wasseranteil zuführbar ist; und
- - eine Abgasleitung zum über den Auslass der Brennkammer Abführen von Abgas mit einem Abgasrückführsystem,
wobei mittels des Abgasrückführsystems von dem Abgas ein Abgasvolumenstrom mit einer Abgastemperatur der Brennkammer geregelt zuführbar ist,
wobei das Abgasrückführsystem einen Kühler zum Regeln der Abgastemperatur eines zurückgeführten Abgasvolumenstroms umfasst, und
wobei der Brennkammer ein Brennkammer-Gemisch mit einer Frischfüllungstemperatur bereitgestellt wird, welches neben dem - Luftvolumenstrom in einer regelungsabhängig Menge von den zuführbaren Elementen umfasst:
- - Kraftstoff,
- - Abgasvolumenstrom, sowie
- - Wasseranteil,
und wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - a. Bestimmen des notwendigen Wasseranteils für das Brennkammer-Gemisch, um die gewünschte Frischfüllungstemperatur zu erreichen; und
- b. Anpassen des Abgasvolumenstroms und/oder der Abgastemperatur, um den in Schritt a. bestimmten Wasseranteil zu verdampfen.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird der zum Vermeiden von einem Klopfen erforderliche Wasseranteil effizienter verdampft, indem der Abgasvolumenstrom beziehungsweise die Abgastemperatur an den bestimmten Wasseranteil angepasst wird. Es ist grundlegend so, dass die Frischfüllungstemperatur eine Funktion des Luftvolumenstroms, der Lufttemperatur, des Abgasvolumenstroms, der Abgastemperatur und des Wasseranteils ist. Diese Frischfüllungstemperatur soll für eine optimale Verbrennung in der Brennkammer (meist prädiktiv und Kennfeldbasiert beziehungsweise Modell-basiert) eingeregelt werden. An dem Ziel einer geringen Frischfüllungstemperatur wird in diesem Verfahren festgehalten.
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Es wurde aber festgestellt, dass ein Verdampfen von Wasser unter den gegebenen Umständen (Temperatur und Verweildauer) oftmals nur unzureichend stattfindet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Wasser (-tropfen) im Vergleich zu (flüssig bereitgestelltem) Kraftstoff (-tropfen) eine deutlich höhere Oberflächenspannung aufweisen. Es kommt somit zu einer Störung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer, womit die Effizienz und somit der CO2 Ausstoß der Verbrennungskraftmaschine beeinträchtigt wird, und/oder zu einer Ablagerung von flüssigem Wasser an der Wand der Brennkammer.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ist beispielsweise mit einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine ausführbar, beispielsweise eine Hubkolbenmaschine, bei welcher ein Kraftstoff in der Brennkammer mittels einer Zündeinheit (Otto-Prinzip) beziehungsweise durch Selbstzündung (Diesel-Prinzip) expansiv verbrannt wird. Für ein zündfähiges Gemisch sind ein Luftvolumenstrom und ein Kraftstoff notwendig und für einen gewünschten geringen Schadstoffausstoß ist (bei einem mageren Brennkammer-Gemisch) eine Abgasrückführung erforderlich. Wie eingangs beschrieben, ist es allgemein bekannt, zur Vermeidung von Klopfen (also einer unkontrollierten Verbrennung mit der Folge von oftmals hörbaren Druckspitzen) einen Wasseranteil in die Brennkammer beizugeben.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ist sowohl auf einer mit Ansaug-Prinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine als auch bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung ausführbar. Weil die Abgastemperatur des zurückgeführten Abgasvolumenstroms in der Regel zu hoch ist, um unbehandelt in die Brennkammer zugeführt zu werden, ist in dem Abgasrückführsystem ein Kühler vorgesehen, mittels welchem die Abgastemperatur regelbar ist. Der Kühler arbeitet beispielsweise als Wärmetauscher, wobei das Kühlmittel oftmals mit erzwungener Konvektion, also bei einem Kraftfahrzeug oftmals abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, gekühlt wird. Beispielsweise bei einer Bergfahrt kommt ein solcher Kühler wegen der verringerten Anströmgeschwindigkeit und gleichzeitig eines hohen angeforderten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine an seine Leistungsgrenze. Bei einem zum Einhalten von vorgegebenen Abgaskennwerten erforderlichen Abgasvolumenstrom ist es daher notwendig den Wasseranteil weiter zu erhöhen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht allein für eine Bergfahrt anwendbar ist, sondern hier lediglich den zusätzlichen Vorteil hat, dass eine Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine auch in diesem Zustand effizient unterdrückbar ist.
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Anders als bei vorbekannten Verfahren wird hier vorgeschlagen, dass der notwendige Wasseranteil für das Brennkammer-Gemisch bestimmt, um eine gewünschte Frischfüllungstemperatur zu erreichen. Mit diesem Wasseranteil wird also in solcher Weise die Temperatur des Brennkammer-Gemischs in der Brennkammer so weit verringert, dass eine Klopfneigung bei einem prädiktionsgemäßen Betrieb ausgeschlossen ist. Erst basierend auf dem bestimmten Wasseranteil wird nun der Abgasvolumenstrom und/oder die Abgastemperatur angepasst. Hierbei wird regelmäßig eine erhöhte Abgastemperatur und/oder ein größerer Abgasvolumenstrom erzeugt, sodass der Wasseranteil effizienter verdampft wird. Gemäß einer Prädiktion wird der Wasseranteil vollständig verdampft.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt b. mit einem steigenden Wasseranteil die Abgastemperatur erhöht und der Abgasvolumenstrom gesenkt wird.
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Bei dieser speziellen Ausführungsform wird bei einem großen Wasseranteil eine hohe Abgastemperatur und ein geringer Abgasvolumenstrom eingestellt, sodass der Wasseranteil von der hohen Abgastemperatur effizient verdampfbar ist. Gleichzeitig ist mit dem verringerten Abgasvolumenstrom (zusammen mit der Lufttemperatur und dem bestimmten Wasseranteil) die gewünschte Frischfüllungstemperatur erreichbar. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Kühler in einem Arbeitspunkt, welcher beispielsweise im Bereich seiner oberen Leistungsgrenze liegt, mit einer verringerten Leistung betreibbar ist; denn zum einen ist (im Vergleich zu einem größeren Abgasvolumenstrom mit einer geringeren Abgastemperatur) eine verringerte Kühlleistung wegen der erhöhten Abgastemperatur und zum anderen ist eine verringerte Kühlleistung wegen des verringerten Abgasvolumenstroms erforderlich. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist somit ein Kühler mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren oberen Leistungsgrenze einsetzbar. Alternativ oder zusätzlich ist eine größere Menge von Abgas rückführbar, weil öfter oder zuverlässiger der Kühler innerhalb seines Leistungsspektrums betreibbar ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass das Abgasrückführsystem einen ersten Abgasstrang mit einem ersten Kühler und/oder einen zweiten Abgasstrang mit einem zweiten Kühler aufweist, sodass mit dem ersten Kühler eine erste Abgastemperatur und mit dem zweiten Kühler eine zweite Abgastemperatur geregelt wird,
wobei der erste Kühler mit Hochdruck betreibbar ist und der zweite Kühler mit Niederdruck betreibbar ist,
wobei bevorzugt von dem Kühler die jeweilige Abgastemperatur ausschließlich über seine einstellbare Kühlleistung geregelt wird.
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Hier sind drei Varianten eines Abgasrückführsystems vorgeschlagen, beim einem ersten ist lediglich ein erster Abgasstrang mit einem ersten Kühler vorgesehen, welche in einem Hochdruck-System betreibbar sind, also stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind. Die (zugehörige) erste Abgastemperatur dieses Abgasvolumenstroms liegt beispielsweise zwischen etwa 80°C [achtzig Grad Celsius] und etwa 200°C. In einer zweiten Variante ist lediglich ein zweiter Abgasstrang mit einem zweiten Kühler vorgesehen, welche mit einem Niederdruck-System betreibbar sind, und demgemäß stromabwärts einer Turbine des Turboladers der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind. Die (zugehörige) zweite Abgastemperatur dieses Abgasvolumenstroms liegt beispielsweise zwischen etwa 30°C [dreißig Grad Celsius] und etwa 150°C. Im Ergebnis weist (bei einer regulären Luftzufuhr aus der Umgebung) das Gemisch aus Abgasvolumenstrom und Luftvolumenstrom eine Gemisch-Temperatur oberhalb der Lufttemperatur auf. In einer dritten Variante des Abgasrückführsystems sind sowohl ein Hochdruck-Abgasstrang als auch ein Niederdruck-Abgasstrang vorgesehen, wobei bevorzugt beide mit jeweils einem Kühler ausgestattet sind. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bevorzugt vor dem Kühler eine Abgasnachbehandlung vorgeschaltet ist, beispielsweise mittels eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters, ganz besonders bevorzugt mittels eines 4-Wege-Katalysators, in welchen die Funktion eines Partikelfilters integriert ist. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Regelbarkeit des hier vorgeschlagenen Verfahrens über den Niederdruck-Abgasstrang deutlich einfacher ist. Dies liegt unter anderem daran, dass aufgrund der geringeren Drücke die Stellgrößen und/oder Stellzeiten moderater sind. Dahingegen ist die Regelbarkeit über den Hochdruck-Abgasstrang besser hinsichtlich der Kürze der Strecke, weil somit die Totzeitglieder kleiner sind, sowie sowohl die Turbine als auch der Turbolader (Verdichter) als Störgröße in dieser Regelstrecke nicht enthalten sind. In einer bevorzugten Ausführungsform mit der dritten Variante, bei welcher sowohl ein Hochdruck-Abgasstrang als auch ein Niederdruck-Abgasstrang vorhanden sind, wird das Verfahren bevorzugt allein mittels des Ersten, also des Hochdruck Kühlers, ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abgastemperatur ausschließlich über die Kühlleistung des jeweiligen Kühlers eingestellt. Die hier bezeichnete Abgastemperatur ist dabei die Temperatur, welche nach dem jeweiligen Kühler beziehungsweise kurz vor dem Zusammentreffen mit dem zugegebenen Wasseranteil vorliegt. Die Auslasstemperatur aus der Brennkammer ist von der Auslastung der Verbrennungskraftmaschine sowie von dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine abhängig und wird mittels der Kühlleistung des betreffenden Kühlers auf die gewünschte Abgastemperatur eingestellt. Die Austrittstemperatur des Abgases, welches in den jeweiligen Abgasstrang eingeleitet wird, ist somit die Eingangsgröße beziehungsweise Störgröße dieses Teilregelungssystems.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass das Abgasrückführsystem zumindest ein Ventil aufweist, wobei der jeweilige Abgasvolumenstrom mittels des Ventils geregelt wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist zumindest ein Ventil, bevorzugt jeweils ein Ventil pro Abgasstrang, vorgesehen, mittels welchem der Abgasvolumenstrom geregelt wird. Auch hier sei darauf hingewiesen, dass der Abgasvolumenstrom derjenige ist, welcher hinter dem jeweiligen Kühler beziehungsweise bei der Zugabe von dem Wasseranteil vorliegt. Während schon der Austrittsvolumenstrom (pro Hub) aus der Brennkammer von dem Lastzustand (dem abgefragten Drehmoment und damit dem Arbeitsdruck) abhängig ist, ist aufgrund der lastabhängigen und zustandsabhängig sehr unterschiedlichen Austrittstemperatur der Abgasvolumenstrom unter Umständen mit sehr unterschiedlichen Öffnungszeiten des jeweiligen Ventils verbunden (auch bei einem gewünschten konstanten Abgasvolumenstrom).
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass der Wasseranteil eingespritzt wird unmittelbar in:
- - die Brennkammer;
- - einen Sammler, welcher stromaufwärts des Einlasses der Brennkammer angeordnet ist und in welchem der Luftvolumenstrom und der Abgasvolumenstrom eingeleitet werden; und/oder
- - das Abgasrückführsystem stromabwärts des Kühlers und vor dem Zusammenführen des Abgasvolumenstroms mit dem Luftvolumenstrom.
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Hier sind drei besonders bevorzugte Varianten vorgeschlagen, wobei auch weitere Varianten ausführbar sind. Andere als die hier genannten Orte stellen jeweils einen Zwischenzustand der hier genannten Varianten dar. Bei einer ersten Variante wird der Wasseranteil unmittelbar in die Brennkammer eingespritzt, sodass die Verdampfungsenthalpie in dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer nutzbar ist und die Reaktionszeit kürzest möglich ist. Bei der zweiten Variante wird der Wasseranteil unmittelbar in einen Sammler eingegeben, welcher beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Ansaugprinzip dem Vergaser entspricht oder dem Vergaser vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist. Diese Variante ist hinsichtlich der Konstruktion der Vorrichtung sowie hinsichtlich der Regelung des Verfahrens besonders einfach und weist noch immer eine sehr kurze Reaktionszeit auf. In einer dritten Variante wird der Wasseranteil möglichst früh, beispielsweise direkt anschließend beim Austritt aus dem jeweiligen Kühler, dem Abgasvolumenstrom beigeführt, sodass zum einen die Verweildauer von dem beigegebenem Wasseranteil besonders groß ist und zum anderen die Abgastemperatur, welche in der Regel höher ist als die Lufttemperatur, eine besonders vollständige Verdampfung bewirkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem zum Ausführen eines Verfahrens nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- - zumindest einen Hubzylinder mit einer Lauffläche und einer Brennkammer mit einem Einlass und einem Auslass;
- - eine gleiche Anzahl von Hubkolben wie Hubzylinder, welche in der Brennkammer von der korrespondierenden Lauffläche geführt eine zylinder-axiale Hubbewegung ausführen;
- - eine Kurbelwelle mit einer Drehmomentachse, mit welcher der zumindest eine Hubkolben zum Überführen seiner zylinder-axialen Bewegung in eine Rotation der Kurbelwelle um die Drehmomentachse kraftübertragend verbunden ist;
- - einen Luftkanal, mittels dessen ein Luftvolumenstrom über den Einlass der Brennkammer bereitgestellt ist;
- - eine Kraftstoffeingabeeinheit zum geregelten Zugeben von Kraftstoff in die Brennkammer;
- - eine Wassereinspritzdüse, mittels welcher der Brennkammer ein Wasseranteil zuführbar ist; und
- - eine Abgasleitung zum über den Auslass der Brennkammer Abführen von Abgas mit einem Abgasrückführsystem,
wobei mittels des Abgasrückführsystems von dem Abgas ein Abgasvolumenstrom der Brennkammer geregelt zuführbar ist, wobei das Abgasrückführsystem einen Kühler zum Regeln der Abgastemperatur eines zurückgeführten Abgasvolumenstroms umfasst.
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Die hier vorgeschlagene Verbrennungskraftmaschine ist eine Hubkolbenmaschine, bei welcher eine oder eine Mehrzahl von Brennkammern vorgesehen sind, wobei mittels des Zündens des Brennkammer-Gemischs eine axiale Hubbewegung des Hubkolbens in dem Hubzylinder erzwungen wird, wobei der Hubkolben von der Lauffläche geführt ist. Über eine Kurbelwelle wird diese axiale Bewegung in eine Drehbewegung umgesetzt und somit ein Drehmoment um die Drehmomentachse der Verbrennungskraftmaschine abgegeben. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise ein mit Benzin-betriebener Motor (Otto-Motor) oder ein Diesel-Motor, oder alternativ eine mit Gas oder Wasserstoff betriebene Hubkolbenmaschine. Beispielsweise wird das Verfahren von einer konventionellen Motorsteuerung ausgeführt, und/oder die Messwerte von konventionellen Sensoren erfasst. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise konventionell ausgeführt, wobei bevorzugt bereits konventionell entsprechende Regelungssensoren und Messeinrichtungen vorgesehen sind, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist die Verbrennungskraftmaschine ohne Beeinträchtigung des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer sowie der Schmierung, beispielsweise ohne eine Verwässerung eines Ölsumpfs und/oder von Schmiermitteln in Wälzlagern, betreibbar und zugleich eine Klopfneigung effizient unterdrückbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend Verbrennungskraftmaschine nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und zumindest ein Vortriebsrad,
wobei die Verbrennungskraftmaschine zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs drehmomentübertragend mit dem zumindest einen Vortriebsrad verbunden ist.
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Die hier vorgeschlagene Verbrennungskraftmaschine ist bei der hier vorgeschlagenen Ausführungsform zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Das Kraftfahrzeug ist mit seinen Komponenten hier nur rudimentär dargestellt und beispielsweise im Übrigen konventionell ausgeführt. Die Vortriebsräder sind beispielsweise zwei Räder einer gemeinsamen Fahrzeugachse, beispielsweise der Hinterradachse eines vierrädrigen Kraftfahrzeugs, und mittels eines Antriebsstrangs, bevorzugt trennbar, mit der Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbunden.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist die Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs ohne Beeinträchtigung des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer sowie der Schmierung, beispielsweise ohne eine Verwässerung eines Ölsumpfs und/oder von Schmiermitteln in Wälzlagern, betreibbar und zugleich eine Klopfneigung effizient unterdrückbar.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: eine Verbrennungskraftmaschine mit Wassereinspritzung; und
- 2: ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.
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In 1 ist schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 1 dargestellt, bei welcher das oben beschriebene Verfahren zum Wassereinspritzen ausführbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl von Hubzylindern 18 (beispielsweise sechs) und eine entsprechende Anzahl von Hubkolben 20, welche von der jeweiligen Lauffläche 19 axial (hier in der schematischen Darstellung senkrecht) geführt sind, sodass bei einer Hubbewegung 21 eine Brennkammer 3 (als Teil des jeweiligen Hubzylinders 18) verdichtet und entspannt wird. Die Hubkolben 20 sind mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 22 verbunden, sodass infolge der Hubbewegung 21 um die Drehmomentachse 23 ein Drehmoment erzeugbar ist. Die Komponenten und Eigenschaften der jeweiligen Funktionsgruppe eines Hubzylinders 18 sind hier nur jeweils einmal pars-pro-toto mit Bezugszeichen versehen. Die Brennkammer 3 weist einen Einlass 4 auf, welcher mit dem Luftkanal 6 und dem Abgasrückführsystem 2 zum Zuführen von zumindest der sogenannten Frischluft verbunden ist. Weiterhin weist die Brennkammer 3 einen Auslass 5 auf, welcher (über einen Krümmer 27) mit der Abgasleitung 9 verbunden ist. In einer Ausführungsform ist weiterhin eine Zündkerze (Otto-Motor) oder Glühkerze (Diesel-Motor) vorgesehen. Über den Einlass 4 wird der Brennkammer 3 das (gegebenenfalls aufgeladene) Brennkammer-Gemisch 12 zugeführt. Unter Zuführen ist auch Ansaugen verstanden. Bei dieser Ausführungsform ist den Einlässen 4 ein Sammler 17 vorgeschaltet, wobei rein optional dort eine Kraftstoffeingabeeinheit 7 vorgesehen ist, also der Sammler 17 als Vergaser ausgeführt ist. Alternativ ist bei jeder Brennkammer 3 eine Einspritzdüse für Kraftstoff vorgesehen.
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Aus der Abgasleitung 9 ist ein erster (Hochdruck-) Abgasstrang 13 abgezweigt, bei welchem ein entsprechendes regelbares erstes Ventil 15 vorgesehen ist, sodass der (Hochdruck-) Abgasvolumenstrom (beispielsweise zeitgesteuert und/oder druckgesteuert) regelbar ist. Weiterhin ist hier aus der Abgasleitung 9 ein zweiter (Niederdruck-) Abgasstrang 14 abgezweigt, bei welchem ein entsprechendes regelbares zweites Ventil 16 vorgesehen ist, sodass der (Niederdruck-) Abgasvolumenstrom (beispielsweise zeitgesteuert und/oder druckgesteuert) regelbar ist. Der erste (Hochdruck-) Abgasstrang 13 ist stromaufwärts einer Turbine 28 abgezweigt und der zweite (Niederdruck-) Abgasstrang 14 ist stromabwärts der Turbine 28 abgezweigt. Entsprechend wird der erste (Hochdruck-) Abgasvolumenstrom stromabwärts eines Verdichters 29 in den Luftkanal 6 eingeleitet und der zweite (Niederdruck-) Abgasvolumenstrom stromaufwärts des Verdichters 29 in den Luftkanal 6 eingeleitet. In dem ersten (Hochdruck-) Abgasstrang 13 ist ein erster (Hochdruck-) Kühler 10 und in dem zweiten (Niederdruck-) Abgasstrang 14 ist ein zweiter (Niederdruck-) Kühler 11 vorgesehen, wobei bevorzugt die Kühlleistung zumindest eines der beiden Kühlers 10,11 regelbar ist. Alternativ ist ausschließlich ein einziger Abgasstrang vorgesehen oder entsprechend regelbar.
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Hier sind drei mögliche Orte für eine Wassereinspritzdüse 8 gezeigt, wobei diese bevorzugt alternativ zueinander sind. Die eine Variante zeigt ein Wassereinspritzen unmittelbar in die Brennkammer 3, sodass das Brennkammer-Gemisch 12 erst in der Brennkammer 3 selbst gebildet wird. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Veränderungen der Last und/oder des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine 1. Die kurz-gestrichelt dargestellte Variante zeigt eine Wassereinspritzdüse 8 unmittelbar in den Sammler 17, sodass ein Brennkammer-Gemisch 12 (oder ohne Kraftstoff Vorgemisch) bereits außerhalb der Brennkammer 3 gebildet ist und die Verweildauer des Wasseranteils in der Frischluft lang ist. Die lang-gestrichelt dargestellte Variante zeigt eine Wassereinspritzdüse 8 unmittelbar hinter dem (ersten) Kühler 10, sodass zum einen der Wasseranteil bereits mit dem relativ heißen Abgas zusammentrifft und zudem eine lange Verweildauer in der Frischluft aufweist.
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In 2 ist ein Kraftfahrzeug 24 mit einer Verbrennungskraftmaschine 1 in einer Draufsicht gezeigt. Die hier im Heck des vierrädrigen Kraftfahrzeugs 24 angeordnete Verbrennungskraftmaschine 1 ist mit einem linken Vortriebsrad 25 und einem rechten Vortriebsrad 26 (hier auf einer gemeinsamen Fahrzeugachse) mit seiner Drehmomentachse 23 über ein Differential 30 drehmomentübertragend verbunden. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 wird eine betriebspunktabhängige Klopfneigung mittels Wassereinspritzen unterdrückt.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Wassereinspritzen ist eine effiziente und zuverlässige Verdampfung des eingespritzten Wasseranteils erzielbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Abgasrückführsystem
- 3
- Brennkammer
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 6
- Luftkanal
- 7
- Kraftstoffeingabeeinheit
- 8
- Wassereinspritzdüse
- 9
- Abgasleitung
- 10
- Hochdruck-Kühler
- 11
- Niederdruck-Kühler
- 12
- Brennkammer-Gemisch
- 13
- Hochdruck-Abgasstrang
- 14
- Niederdruck-Abgasstrang
- 15
- erstes Ventil
- 16
- zweites Ventil
- 17
- Sammler
- 18
- Hubzylinder
- 19
- Lauffläche
- 20
- Hubkolben
- 21
- Hubbewegung
- 22
- Kurbelwelle
- 23
- Drehmomentachse
- 24
- Kraftfahrzeug
- 25
- linkes Vortriebsrad
- 26
- rechtes Vortriebsrad
- 27
- Krümmer
- 28
- Turbine
- 29
- Verdichter
- 30
- Differential
