DE102020212898A1 - Method and device for operating a system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Systems zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr (11) einer Brennkraftmaschine. Das System spritzt in einer normalen Betriebsphase in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine synchron zu einem Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine eine festgelegte Menge an Wasser ein. In einer Sonderbetriebsphase wird die festgelegte Menge gegenüber der normalen Betriebsphase erhöht.The invention relates to a method and a device for operating a system for injecting water into an intake manifold (11) of an internal combustion engine. In a normal operating phase, the system injects a specified quantity of water in synchronism with a combustion process of the internal combustion engine, depending on the operating state of the internal combustion engine. In a special operating phase, the specified quantity is increased compared to the normal operating phase.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es ist bereits bekannt, dass durch eine Einspritzung von Wasser in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine die Eigenschaften der in dem Brennraum erfolgenden Verbrennung verbessert werden. Dabei kann die Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine erfolgen und das eingespritzte Wasser wird durch die Luftströmung im Saugrohr in den Brennraum eingebracht.The invention is based on a method and a device according to the species of the independent patent claims. It is already known that the properties of the combustion taking place in the combustion chamber are improved by injecting water into a combustion chamber of an internal combustion engine. In this case, water can be injected into an intake manifold of the internal combustion engine and the injected water is introduced into the combustion chamber by the air flow in the intake manifold.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben demgegenüber den Vorteil, dass in einer Sonderbetriebsphase eine erhöhte Einspritzungsmenge an Wasser zulässig ist. Diese erhöhte Einspritzungsmenge kann insbesondere genutzt werden, um das System zur Einspritzung von Wasser zu optimieren. Es kann so ein verbesserter Betrieb des Systems zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine realisiert werden.In contrast, the method according to the invention and the device according to the invention have the advantage that an increased injection quantity of water is permissible in a special operating phase. This increased injection quantity can be used in particular to optimize the water injection system. Improved operation of the system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine can thus be implemented.
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Durch die Beschränkung der erhöhten Menge für eine vorgegebene Anzahl von Verbrennungsvorgängen kann sichergestellt werden, dass keine Beeinträchtigung der Verbrennung im Brennraum erfolgt. Alternativ kann dies auch durch einen alternierenden Betrieb realisiert werden, bei dem alternierend für einen ersten Verbrennungsvorgang die Menge erhöht wird und in einem unmittelbar darauffolgenden Verbrennungsvorgang wieder die Menge der normalen Betriebsphase verwendet wird. Für die Ermittlung der erhöhten Menge wird insbesondere die Ablagerung des Wassers an der Wand des Saugrohrs (Wandfilm) berücksichtigt. Es kann so eine erhöhte Menge gewählt werden, die keine Verschlechterung des Verbrennungsvorgangs bewirkt. Die erhöhte Menge wird besonders einfach dadurch ermittelt, das ein Einfluss der erhöhten Menge auf ein bei der Verbrennung erzeugtes Moment ermittelt und mit einem erwarteten Moment verglichen wird. Es kann so sichergestellt werden, dass trotz der erhöhten Menge keine Beeinträchtigung des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt. Besonders wichtig bei der Ermittlung der zulässigen erhöhten Menge ist dabei der Motorbetriebspunkt (Drehzahl, Last, Zündzeitpunkt) und die Motortemperatur. Die Ermittlung des tatsächlich angelagerten Wandfilmes ist ebenfalls abhängig vom Betriebspunkt, sowie von der Medien- und Saugrohrtemperatur.Further advantages and improvements result from the measures in the dependent patent claims. By limiting the increased quantity for a specified number of combustion processes, it can be ensured that the combustion in the combustion chamber is not impaired. Alternatively, this can also be realized by an alternating operation, in which the quantity is alternately increased for a first combustion process and the quantity of the normal operating phase is used again in an immediately subsequent combustion process. The deposit of the water on the wall of the suction pipe (wall film) is taken into account in particular when determining the increased quantity. An increased quantity can thus be selected which does not cause any deterioration in the combustion process. The increased quantity is determined in a particularly simple manner by determining an influence of the increased quantity on a torque generated during combustion and comparing it with an expected torque. It can thus be ensured that, despite the increased quantity, the operation of the internal combustion engine is not impaired. The engine operating point (speed, load, ignition point) and the engine temperature are particularly important when determining the permissible increased quantity. Determining the wall film that has actually accumulated also depends on the operating point, as well as on the medium and intake manifold temperature.
Besonders sinnvoll ist die Sonderbetriebsphase während einer Befüllung eines leeren Systems mit Wasser. Durch die erhöhte Menge kann eine besonders schnelle und sichere Befüllung des Systems mit Wasser erfolgen. Weiterhin kann die Sonderbetriebsphase für eine Diagnose des Systems genutzt werden. Durch die erhöhte Menge kann eine verbesserte Diagnose des Systems zur Einspritzung von Wasser realisiert werden, insbesondere bei einer Diagnose durch Auswertung eines Druckverlaufs bzw. eines Differenzdrucks, hervorgerufen durch eine Einspritzung.The special operating phase during filling of an empty system with water is particularly useful. Due to the increased quantity, the system can be filled with water particularly quickly and safely. Furthermore, the special operating phase can be used to diagnose the system. Due to the increased quantity, an improved diagnosis of the system for injecting water can be implemented, in particular in the case of a diagnosis by evaluating a pressure curve or a differential pressure caused by an injection.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein System zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine, -
2 Verfahrensschritte bei der Befüllung eines Systems zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine, und -
3 Verfahrensschritte bei einer Diagnose eines Systems zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine.
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1 a system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine, -
2 Process steps for filling a system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine, and -
3 Process steps in a diagnosis of a system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine.
Beschreibungdescription
In der
Es handelt sich hierbei um einen üblichen Otto-Motor oder Diesel-Motor, der in der
Weiterhin wird in der
An dem Wasserrail 3 können auch eine Vielzahl von Wasserinjektoren 4 angeschlossen sein, die eine Mehrzahl von Zylindern 10 mit Wasser versorgt. Dies ist insbesondere bei Mehrzylindermotoren, wie sie heute bei Kraftfahrzeugen üblich sind, eine Ausgestaltung mit der jeder Zylinder individuell mit einer auf ihn abgestimmten Menge Wasser versorgt werden kann.A multiplicity of
Durch die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 wird in dem Brennraum 101 des Zylinders 10, zusammen mit dem durch den Kraftstoffinjektor 13 eingespritzten Kraftstoff, eine Mischung von Luft, Kraftstoff und Wasser erzeugt. Durch eine entsprechende Zündung, entweder durch eine Zündkerze oder durch einen Selbstentzündungsprozess bei einem Diesel-Motor erfolgt dann eine Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches in dem Brennraum des Zylinders 10. Durch das in dieser Luft-Kraftstoffmischung enthaltene Wasser erfolgt eine effektive Kühlung des Brennraums 101 im Zylinder 10, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert und bei der Anwendung im Ottomotor die Klopfneigung verringert wird. Hierdurch ist ein optimierter Zündzeitpunkt möglich, welcher sich positiv auf Effizienz bzw. Verbrauch des Ottomotors auswirkt. Bei Otto- und Dieselmotor kann weiterhin auch die Entstehung von schädlichen Abgasen verringert werden. Das Einbringen von Wasser in einen Brennraum ist daher eine Maßnahme, mit der die Qualität der Verbrennung im Brennraum eines Zylinders 10 positiv beeinflusst werden kann. Durch diese Maßnahme kann sowohl die Qualität des Abgases wie auch die thermische Belastung des Zylinders 10, die Leistung und auch der Kraftstoffbedarf positiv beeinflusst werden.By injecting water into the
Bei der Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 kommt es, insbesondere bei tieferen Temperaturen, zu einer Ablagerung von Wasser an der Wand des Saugrohrs 11 (Wandfilmbildung). Ein ähnlicher Effekt ist der bereits für die Einspritzung von Kraftstoff in das Saugrohr 11 bekannt, wobei aufgrund der schlechteren Verdampfung von Wasser der Effekt bei der Einspritzung von Wasser in der Saugrohr 11 stärker ausgeprägt ist. Bei einer erstmaligen oder einmaligen Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 wird daher nicht die gesamte Menge des eingespritzten Wassers unmittelbar für den nächsten Verbrennungsvorgang im Brennraum 101 zur Verfügung stehen. Typischerweise erfolgt die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 unmittelbar vor einer Verbrennung, so das der Luftstrom für die betreffende Verbrennung auch eine gewünschte Menge an Wasser für die Verbrennung enthält. Aufgrund der Kondensation an der Wand des Saugrohr 11 kann dies aber bei einer erstmaligen oder einmaligen Einspritzung von Wasser in das Saugrohr ist nicht sichergestellt werden. Die tatsächlich in den Brennraum 101 eingebrachten Menge an Wasser wird durch diesen Kondensationseffekt entsprechend verzerrt, was insbesondere bei dynamischen Betriebszuständen berücksichtigt werden muss. Bei einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine müssen diese Effekte, insbesondere bei dynamischen Betriebszuständen, daher empirisch berücksichtigt werden.When water is injected into the
Die Kondensation von Wasser an der Wand des Saugrohr 11 kann jedoch in besonderen Betriebszuständen, die im Folgenden als der Sonderbetriebsphasen bezeichnet werden, auch positiv genutzt werden.However, the condensation of water on the wall of the
In der
Wenn das Fahrzeug bzw. die Brennkraftmaschine wieder in Betrieb genommen wird, so muss eine Befüllung der Leitungen 5 und des Wasserrails 3 erfolgen. Dabei müssen gegebenenfalls enthaltene Luftblasen durch den Wasserinjektor 4 in das Saugrohr 11 entleert werden. Da bei diesem Prozess nicht sichergestellt ist, ob Wasser in das Saugrohr 11 eingespritzt wird oder nur Luft entleert wird, sollte dies in einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine erfolgen, in der eine gewisse Menge Wasser nicht zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung führt und gleichzeitig auch noch kein Wasser zwingend erforderlich ist, um die Brennkraftmaschine vor einer Überlastung zu schützen. Typischerweise ist dies bei geringen Belastungen der Brennkraftmaschine der Fall, bei denen aber nur geringe Wassermengen bei einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.When the vehicle or the internal combustion engine is put into operation again, the
Je nach Systemkonfiguration und Geometrie des wasserführenden Systems (Leitungsführung, Durchmesser, Querschnittsprünge, etc.) kann es auftreten, dass solche geringen Wassermengen nicht zu einer zuverlässigen Entfernung von Wasser aus dem System zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr führen. Um Luftblasen zuverlässig aus dem System zu entfernen, sind längere Einspritzzeiten bzw. größere Wassermengen erforderlich. Vermutlich muss sich erst eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit im System zur Einspritzung von Wasser ausbilden, um Luftblasen, die sich an Hochpunkten des Systems sammeln oder an Oberflächen anhaften, zuverlässig aus dem System zu entfernen. Eine einzelne Einspritzung, mit einer größeren Menge an Wasser, entfernt Luftblasen zuverlässiger als mehrere kleine Einspritzungen, deren akkumuliert Menge der größeren Menge entspricht. Um dabei nicht zu viel Wasser in den Brennraum einzubringen, sollte daher in dieser Sonderbetriebsphase die Anzahl an Einspritzvorgängen auf eine vorgegebene Zahl von Verbrennungsvorgängen begrenzt bleiben.Depending on the system configuration and the geometry of the water-carrying system (line routing, diameter, cross-sectional jumps, etc.), such small amounts of water may not lead to reliable removal of water from the system for injecting water into a suction pipe. In order to reliably remove air bubbles from the system, longer injection times and larger amounts of water are required. Sufficient flow velocity must probably first develop in the system for injecting water in order to reliably remove air bubbles that collect at high points in the system or adhere to surfaces from the system. A single injection, with a larger amount of water, removes air bubbles more reliably than several small injections, the accumulated amount of which corresponds to the larger amount. In order not to introduce too much water into the combustion chamber, the number of injection processes should therefore remain limited to a predetermined number of combustion processes in this special operating phase.
Alternativ können die Einspritzungen mit erhöhter Menge auch alternierend zu Einspritzungen mit einer normalen Menge (die auch 0 sein kann) erfolgen. Bei einem derartigen Betrieb würde somit nach einem ersten Verbrennungsvorgang mit einer erhöhten eingespritzten Menge, unmittelbar darauf folgend wieder eine normale Menge (die auch 0 sein kann) eingespritzt werden.Alternatively, the injections with an increased quantity can also take place alternately with injections with a normal quantity (which can also be 0). In such an operation, after a first combustion process with an increased injected quantity, a normal quantity (which can also be 0) would be injected immediately thereafter.
Weiterhin können die erhöhten Mengen für die Einspritzung auch in Abhängigkeit von der Kondensation an der Wand des Saugrohr 11 bzw. in Abhängigkeit von einer Verschlechterung der Verbrennungsvorgänge ermittelt werden. Zur Beurteilung einer Verschlechterung von Verbrennungsvorgängen wird das tatsächlich erzeugte Moment des Verbrennungsvorgangs mit einem erwarteten Moment verglichen. Wenn dabei ein zu großer Unterschied auftritt, so war die Menge an Wasser zu hoch gewählt. Die entsprechenden Mengen können dabei empirisch an der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Dabei kann eine Abhängigkeit von einer Temperatur des Saugrohrs 11 berücksichtigt werden.Furthermore, the increased amounts for the injection can also be determined as a function of the condensation on the wall of the
In der
Wenn eine Befüllung des Systems erkannt wird, so folgt auf den Schritt 201 der Schritt 202, in dem die normale Menge an Wasser ermittelt wird, die bei dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zulässig ist. Auf den Schritt 202 folgt der Schritt 203, in dem die Menge an Wasser ermittelt wird, die bei der Einspritzung in das Saugrohr 11 an der Wand des Saugrohrs 11 kondensiert. Dabei wird berücksichtigt, ob bereits vorhergehende Einspritzungen mit einer erhöhten Menge erfolgt sind oder ob alternierend Einspritzungen mit einer erhöhten Menge oder einer normalen Menge erfolgt sind. Weiterhin wird die Temperatur des Saugrohr 11 und weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Im darauffolgenden Schritt 204 erfolgt dann die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 mit der Summe der in den Schritten 202 und 203 ermittelten Mengen. Im darauffolgenden Schritt 205 endet das Verfahren.If a filling of the system is detected,
Weiterhin kann die Sonderbetriebsphase auch für eine Diagnose des Systems zur Einspritzung von Wasser in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine genutzt werden. Für eine Diagnose des Systems kann insbesondere ein Druckverlauf im System bei der Einspritzung von Wasser ausgewertet werden. Dabei wird typischerweise eine Druckänderung durch eine Einspritzung von Wasser ausgewertet, insbesondere, wenn keine Nachförderung von Wasser durch die Pumpe 1 in das Wasserrail 3 erfolgt. Durch eine erhöhte Menge der Einspritzung wird ein entsprechend höherer Druckabfall bzw. größerer Druckeinbruch durch die Einspritzung erzeugt. Durch einen solchen höheren Druckabfall wird die Messbarkeit von Abweichungen und somit auch die Qualität der Diagnose verbessert.Furthermore, the special operating phase can also be used to diagnose the system for injecting water into an intake manifold of an internal combustion engine. A pressure profile in the system during the injection of water can be evaluated in particular for diagnosing the system. In this case, a change in pressure is typically evaluated by injecting water, in particular if the
In der
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