DE102020200129A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, Steuergerät und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem mit Hilfe eines Einspritzsystems eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion gebildet und in mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, umfassend die Schritte:a) Entnehmen von Wasser aus einem Wassertank und Eindosieren des entnommenen Wassers mit Hilfe eines Dosierventils in einen Niederdruckkraftstoffpfad einer Hochdruckpumpe des Einspritzsystems,b) Bilden der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe und Fördern der gebildeten Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher des Einspritzsystems sowiec) Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe mindestens eines an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Injektors in den Brennraum des Verbrennungsmotors.Erfindungsgemäß wird zur Optimierung der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher das Drehmoment des Verbrennungsmotors durch Lastpunktverschiebung temporär erhöht oder verringert.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Benzinmotor mit Wasserdirekteinspritzung handeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät, wobei es sich vorzugsweise um ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine bzw. Elektromotor handelt.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • Der prinzipielle Aufbau eines Einspritzsystems zur Wasserdirekteinspritzung ist in der beigefügten Figur dargestellt. Das dargestellte System umfasst einen Wassertank 1 zur Speicherung von Wasser, eine Pumpe 2 zur Förderung von Wasser und zum Druckaufbau sowie ein Dosierventil 3, um das Wasser gezielt in einen Niederdruckkraftstoffpfad 4 einer Hochdruckpumpe 5 einzubringen. Im Niederdruckkraftstoffpfad vermischt sich das Wasser mit dem dort vorhandenen Kraftstoff und wird anschließend mit Hilfe der Hochdruckpumpe 5 in einen Hochdruckspeicher 6, dem sogenannten Rail, gefördert. Mittels Injektoren 7, die an das Rail angeschlossen sind, wird die Emulsion aus Wasser und Kraftstoff in einen Brennraum 8 eines Verbrennungsmotors 10 eingespritzt. Dort wird die Kraftstoff-Wasser-Emulsion verbrannt, wobei die benötigte Verbrennungsluft über ein Saugrohr 9 in den Brennraum 8 gelangt.
  • Die Druckregelung in einem derartigen Einspritzsystem erfolgt wahlweise durch
    • - Variation der Pumpendrehzahl in Kombination mit einem Drucksensor,
    • - eine Blende in Kombination mit einem Drucksensor oder
    • - einen mechanischen oder elektrisch betätigbaren Druckregler bzw. Druckbegrenzer, optional in Kombination mit einem Drucksensor.
  • Bei einem Einspritzsystem der vorstehenden Art sind Totzeiten zwischen dem Eindosieren von Wasser in den Niederdruckkraftstoffpfad und der Wassereinspritzung mittels Injektor in den Brennraum nicht zu vermeiden. Die Länge der Totzeiten hängt vom geometrischen Volumen zwischen Dosierventil und Injektor sowie dem anliegenden Spülmassenstrom (Wassermassenstrom und Kraftstoffmassenstrom) ab. Gelangt das Wasser aufgrund von Totzeiten nicht rechtzeitig oder in nicht ausreichender Menge in den Brennraum, kann es zu kritischen Temperaturspitzen im Abgasstrang und damit zu irreversiblen Bauteilschäden kommen. Bleibt Wasser nach dem Wasserbetrieb zu lange im Rail, kann dies - insbesondere bei niedrigen Lastpunkten - zu einem Separieren von Wasser und Kraftstoff führen. Die Folge können Brennstabilitätsprobleme im Betrieb des Verbrennungsmotors sein. Beim Wiederstarten eines abgestellten Motors kann es zu Startproblemen kommen.
  • Es ist somit essentiell, Mittel und Wege zu finden, die Totzeiten bei der Wasserdirekteinspritzung zu minimieren, so dass stets eine ausreichende Menge Wasser im Hochdruckspeicher vorhanden oder zumindest schnell verfügbar ist.
  • Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden das Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie das Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors wird mit Hilfe eines Einspritzsystems eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion gebildet und in mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    1. a) Entnehmen von Wasser aus einem Wassertank und Eindosieren des entnommenen Wassers mit Hilfe eines Dosierventils in einen Niederdruckkraftstoffpfad einer Hochdruckpumpe des Einspritzsystems,
    2. b) Bilden der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe und Fördern der gebildeten Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher des Einspritzsystems sowie
    3. c) Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe mindestens eines an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Injektors in den Brennraum des Verbrennungsmotors.
  • Erfindungsgemäß wird zur Optimierung der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher das Drehmoment des Verbrennungsmotors durch Lastpunktverschiebung temporär erhöht oder verringert.
  • Durch temporäres Erhöhen des Drehmoments des Verbrennungsmotors kann ein erhöhter Spülmassenstrom generiert werden, der überschüssiges Wasser aus dem Hochdruckspeicher entfernt.
  • Durch temporäres Verringern des Drehmoments des Verbrennungsmotors kann die Zeit überbrückt werden, die zum Aufbau einer günstigen Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher benötigt wird. Da diese Maßnahme zugleich mit einem verringerten Spülmassenstrom einhergeht, so dass ggf. nicht genügend Wasser zur Verfügung steht, um die Klopfgrenze nach früh zu ziehen und die Prozesstemperaturen im Brennraum zu senken, sollte sie nur ergriffen werden, wenn eine unmittelbare Bauteilschädigung zu erwarten ist.
  • Da zu erwarten ist, dass die vorgeschlagene Lastpunktverschiebung zu einer Über- oder Unterschreitung eines geforderten Soll-Drehmoments des Verbrennungsmotors führt, wird in einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Lastpunkverschiebung zugunsten oder zulasten einer elektrischen Maschine, insbesondere eines in einem Antriebsstrang mit dem Verbrennungsmotor angeordneten Elektromotors vorgenommen wird. Das heißt, dass eine Drehmomenten-Aufteilung vorgenommen wird, so dass in Summe das geforderte Soll-Drehmoment bereitgestellt werden kann.
  • Beispielsweise kann eine Lastpunktverschiebung zugunsten der elektrischen Maschine vorgenommen werden, wobei überschüssiges Drehmoment vom Verbrennungsmotor an die elektrische Maschine abgegeben wird. Das überschüssige Drehmoment des Verbrennungsmotors kann in diesem Fall zur Rekuperation der elektrischen Maschine genutzt werden. Zum Beispiel kann bei sinkendem Fahrerwunschmoment der Verbrennungsmotor so lange in einem oberen Lastbereich gehalten werden , bis alles überschüssige Wasser aus dem Hochdruckspeicher herausgespült ist. Die elektrische Maschine nimmt währenddessen das überschüssige Drehmoment im Rekuperationsmodus auf.
  • Ferner kann eine Lastpunktverschiebung zulasten der elektrischen Maschine vorgenommen werden. In diesem Fall wird fehlendes Drehmoment von der elektrischen Maschine bereitgestellt. Mit Hilfe einer Lastpunktverschiebung zulasten der elektrischen Maschine kann somit eine Unterschreitung des Soll-Drehmoments verhindert werden, während das Drehmoment des Verbrennungsmotors zur Optimierung der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher verringert wird.
  • Bevorzugt wird mit Hilfe eines Drehmomenten-Koordinators eine Drehmomenten-Aufteilung in Abhängigkeit von der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher vorgenommen. Das heißt, dass mit Hilfe des Drehmomenten-Koordinators ein Soll-Drehmoment ermittelt und in der Weise auf den Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine aufgeteilt wird, dass in Summe das Soll-Drehmoment bereitgestellt wird und zugleich das Einspritzsystem bestmöglich beim Wassereintrag bzw. beim Wasseraustrag unterstützt wird.
  • Des Weiteren bevorzugt wird die Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher ermittelt, vorzugsweise gemessen und/oder berechnet. In Kenntnis der Wasserkonzentration kann eine überschüssige oder fehlende Menge ermittelt werden, so dass ggf. eine der zuvor beschriebenen Maßnahmen eingeleitet werden kann.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bei dem Steuergerät kann es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät handeln, das der Steuerung des Verbrennungsmotors und/oder der elektrischen Maschine dient. Mit Hilfe des Steuergeräts kann somit direkt Einfluss auf das Drehmoment des Verbrennungsmotors und/oder der elektrischen Maschine genommen werden.
  • Vorteilhafterweise ist in das Steuergerät ein Drehmomenten-Koordinator integriert. Mit Hilfe des Drehmomenten-Koordinators kann eine Drehmomenten-Aufteilung vorgenommen werden, welche die Einhaltung eines zuvor ermittelten Soll-Drehmoments sicherstellt, wenn zur Optimierung der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher das Drehmoment des Verbrennungsmotors gegenüber dem Soll-Drehmoment temporär erhöht oder verringert wird.
  • Des Weiteren wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, das darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Steuergerät umfasst. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Hybridfahrzeug handeln, das als alternative Antriebe einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfasst.
  • Das Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion und
    • 2 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Hinblick auf die Beschreibung der 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Das in der 1 dargestellte bekannte Einspritzsystem kann auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
  • Ein bevorzugter Verfahrensablauf wird anhand der 2 erläutert.
  • In Schritt 100 wird die Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher 6 ermittelt. Bei einem Wasserüberschuss wird in Schritt 200 das Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 temporär erhöht bzw. hoch gehalten, wenn gleichzeitig das Fahrerwunschmoment sinkt. Auf diese Weise steigt die Spülmenge im Einspritzsystem und überschüssiges Wasser wird aus dem Hochdruckspeicher 6 entfernt. Nachdem der Wasserüberschuss über eine erhöhte Spülmenge aus dem Hochdruckspeicher 6 ausgetragen worden ist, wird in Schritt 300 das Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 wieder an das Fahrerwunschmoment angepasst.
  • Da durch die Erhöhung bzw. das Hochhalten des Drehmoments in Schritt 200 das Soll-Drehmoment überschritten wird, erfolgt zugleich in Schritt 200 die Abgabe von Drehmoment an eine elektrische Maschine und wird zur Rekuperation der elektrischen Maschine genutzt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem mit Hilfe eines Einspritzsystems eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion gebildet und in mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, umfassend die Schritte: a) Entnehmen von Wasser aus einem Wassertank und Eindosieren des entnommenen Wassers mit Hilfe eines Dosierventils in einen Niederdruckkraftstoffpfad einer Hochdruckpumpe des Einspritzsystems, b) Bilden der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe und Fördern der gebildeten Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe der Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher des Einspritzsystems sowie c) Einspritzen der Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit Hilfe mindestens eines an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Injektors in den Brennraum des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher das Drehmoment des Verbrennungsmotors durch Lastpunktverschiebung temporär erhöht oder verringert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastpunkverschiebung zugunsten oder zulasten einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors vorgenommen wird, der in einem Antriebsstrang mit dem Verbrennungsmotor angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastpunktverschiebung zugunsten der elektrischen Maschine vorgenommen wird und überschüssiges Drehmoment vom Verbrennungsmotor an die elektrische Maschine zur Rekuperation abgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastpunktverschiebung zulasten der elektrischen Maschine vorgenommen wird und fehlendes Drehmoment von der elektrischen Maschine bereitgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Drehmomenten-Koordinators eine Drehmomenten-Aufteilung in Abhängigkeit von der Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkonzentration im Hochdruckspeicher ermittelt wird, vorzugsweise gemessen und/oder berechnet wird.
  7. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
  8. Steuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in das Steuergerät ein Drehmomenten-Koordinator integriert ist.
  9. Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine sowie einem Steuergerät nach Anspruch 7 oder 8.
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