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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leckagediagnose eines Wassereinspritzsystems, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Verbrennungskraftmaschine (Verbrennungsmotor) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Hochaufgeladene Verbrennungsmotoren entwickeln durch die Aufladung hohe Temperaturen sowohl des angesaugten Gasgemischs als auch im Brennraum an sich. Dadurch wird bei höheren Lasten schnell die Klopfgrenze erreicht, was eine unkontrollierte Verbrennung der komprimierten Füllung des Brennraums zur Folge hat, wodurch wiederum hohe lokale Temperaturen und Druckgradienten entstehen. Um dies zu verhindern, muss der Zündzeitpunkt in Richtung spät eingestellt werden, was insgesamt zu einem schlechteren Wirkungsgrad und steigenden Abgastemperaturen und somit zu einer geringeren Leistung und höheren Emissionen führt. Ein anderer Ansatz ist es das Kraftstoffgemisch anzureichern, sodass ein gewisser Teil des eingespritzten Kraftstoffs nicht verbrannt werden kann aber verdampft und somit die Abgastemperatur senkt. Allerdings hat auch das Anfetten (Anreichern) des Kraftstoffgemischs zumindest zur Folge, dass mehr Kraftstoff verbraucht wird, wobei allerdings häufig ebenfalls höhere Abgasemissionen die Folge sind, da der Katalysator aufgrund des angereicherten Kraftstoffgemischs weniger effizient funktioniert.
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Gemäß einem weiteren technischen Ansatz wird zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen Wasser in den Brennraum oder in das Saugrohr eingespritzt. Denkbar ist auch ein Wassergemisch oder eine andere nichtbrennbare Flüssigkeit mit möglichst hoher Verdampfungsenthalpie einzusetzen. Im Rahmen der Anmeldung wird stellvertretend für alle einsetzbaren Flüssigkeiten Wasser als naheliegendes Beispiel für eine derartige Flüssigkeit verstanden, weshalb auch konkret von Wassereinspritzung etc. gesprochen wird. Unter dem Begriff „Wasser“ sind somit im Rahmen der Anmeldung alle einsetzbaren Flüssigkeiten zu subsumieren. Das verdunstende Wasser hat eine kühlende Wirkung und verringert somit die Temperaturen der Luftströme, insbesondere beim Einlass des Gasgemischs in den Brennraum und im Brennraum selbst, wodurch die Klopfgrenze später erreicht wird und eine kontrollierte Verbrennung auch bei höheren Lasten sichergestellt werden kann.
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Wassereinspritzungen werden dabei üblicherweise nur in bestimmten Hochlastbereichen eingesetzt, da bei den meisten Verbrennungsmotoren bei geringeren Lastanforderungen keine Notwendigkeit für eine Kühlung mittels Wassereinspritzung besteht. Wird jedoch eine Wassereinspritzung benötigt, fördert eine Pumpe das Wasser aus einem Wassertank, üblicherweise durch einen Filter, in ein Wassereinspritzsystem. Von dort gelangt das Wasser anschließend üblicherweise über Einspritzdüsen entweder in ein Saugrohr oder aber wird direkt per Direkteinspritzung in den Brennraum befördert. Das Wassereinspritzsystem kann ebenfalls als Wasser-Rail bezeichnet werden. Dabei kann das Wasser im Saugrohr mit dem Kraftstoffgemisch vermischt werden oder aber geschichtet in den Brennraum geleitet werden. Üblicherweise wird ein Absperrventil zwischen der Wasserversorgung, bestehend aus Wassertank und Pumpe und dem Wassereinspritzsystem vorgesehen, um dieses vollständig frei von Wasser halten zu können. Dies ist insbesondere bei negativen Temperaturen erforderlich, da sonst bei abgestelltem Fahrzeug das Wasser im Wassereinspritzsystem frieren könnte und somit Beschädigungen bspw. an der empfindlichen Einspritzdüse hervorrufen könnte.
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Bei der Verwendung einer Wassereinspritzung in Verbrennungsmotoren ist darauf zu achten, dass es nicht zu einem sogenannten Wasserschlag kommt. Die Gefahr eines Wasserschlags besteht, wenn flüssiges Wasser in den Brennraum gelangt und nicht verdampft. Da flüssiges Wasser nicht kompressibel ist wie Gas, verkleinert es das im Kompressionstakt zur Verfügung stehende Volumen, wodurch zu hohe Drücke im komprimierten Brennraum entstehen, sodass sich in der Folge das Pleuel des Kolbens im Zylinder verbiegt und somit zu einem Motorschaden führen kann.
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Um dies zu verhindern ist es unabdingbar eine Leckage in der Wassereinspritzung, wodurch zu viel Wasser in das Saugrohr gelangen könnte, möglichst schnell zu detektieren. Das Patentdokument
DE 102018204551 B4 schlägt dazu ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung mit einem Druckraum für Wasser, einem Wasser-Rail, einem Drucksensor, einer Pumpe und einem Einspritzventil vor, wobei der Druck in dem Wasser-Rail bei abgeschalteter Pumpe über einen vorbestimmten Zeitraum erfasst wird. Die Höhe des Druckverlustes gibt dabei Aufschluss über die Dichtheit des Systems. Nachteil dieser Herangehensweise ist allerdings, dass der Beobachtungszeitraum ausreichend lang sein muss, um eine entsprechende Aussage treffen zu können.
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Das Patentdokument
DE 102018216411 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung mit unter anderen Sensoren einem Wasserraildrucksensor und einer Pumpe, wobei bei auffälligen Druckänderungen in der Wasserrail auf eine Leckage geschlossen werden kann.
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Das Patentdokument
US 2019 / 0 120 176 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung mit einem Drucksensor zwischen dem Absperrventil und der Einspritzdüse, also im Wassereinspritzsystem. Auf Basis einer ermittelten Einfüllzeit beim Öffnen des Absperrventils, dem Druck und dem bekannten Volumen des Wassereinspritzsystems wird anschließend auf eine Leckage des Systems geschlossen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2009 029 408 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysatorsystems eines Verbrennungsmotors mit Harnstoffeinspritzung, wobei in einem Rücksaugmodus des SCR-Katalysatorsystems der Aufbau eines Unterdrucks anhand eines Drucksensors beobachtet wird und bei einem Abweichen des Messerwerts des Sensors von einem zu erwartenden Referenzwert auf eine Störung der Funktion des SCR-Katalysatorsystems geschlossen wird.
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Das Dokument
JP 2006 - 104 986 A offenbart ein Verfahren zur Leckagediagnose eines Kraftstofftankentlüftungssystems, wobei der Unterdruck eines Ansaugsystems einer Brennkraftmaschine für diesen Zweck verwendet wird.
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Vor dem geschilderten Hintergrund des Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung einer Leckage des Wassereinspritzsystems, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie ein Verbrennungsmotor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Leckagediagnose eines Wassereinspritzsystems ist das Wassereinspritzsystem dazu ausgebildet, Wasser in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors einzuspritzen und ist durch ein Absperrventil von einer Wasserversorgung trennbar. Die Wasserversorgung besteht vorzugsweise aus einem Wassertank und einer Wasserpumpe, welche dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem Wassertank in das Wassereinspritzsystem zu pumpen. Durch das Absperrventil kann sichergestellt werden, dass bei geschlossenem Absperrventil kein Wasser in das Wassereinspritzsystem gelangt. Erfindungsgemäß wird vor einem Befüllen des Wassereinspritzsystems mit Wasser aus der Wasserversorgung, ein erster Druck in dem Wassereinspritzsystem mittels einem ersten Drucksensor und ein zweiter Druck im Saugrohr mittels eines zweiten Drucksensors bei geschlossenem Absperrventil und einer Laständerung des Verbrennungsmotors kontinuierlich gemessen und verglichen.
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Unter einer kontinuierlichen Messung ist zu verstehen, dass über einen bestimmten Zeitraum mehrere Messwerte genommen werden, um einen Druckverlauf der entsprechenden Parameter zu bestimmen. Unter dem Vergleichen der Drücke ist zu verstehen, dass die beiden Drücke derart in Beziehung gesetzt werden, dass eine mögliche Abhängigkeit des ersten Drucks vom zweiten Druck detektiert werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Bildung der Differenz der beiden Drücke erreicht werden.
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Durch die Laständerung während der Druckmessungen ändert sich der Druck im Saugrohr. Folgt der erste Druck im Wassereinspritzsystem dem zweiten Druck im Saugrohr, so ist das Einspritzsystem nicht druckdicht gegenüber dem Saugrohr, weshalb in diesem Fall von einer Beschädigung der Wassereinspritzdüse auszugehen ist. Dies führt möglicherweise beim Einspritzen des Wassers in das Saugrohr dazu, dass mehr Wasser in das Saugrohr gelangt als vorgesehen, bzw. dass nach Befüllen des Wassereinspritzsystems ungewollt Wasser in das Saugrohr gelangt. In diesem Fall wird also eine Leckage diagnostiziert was vorzugsweise mit der Ausgabe einer entsprechenden Warnung und der Deaktivierung des Wassereinspritzsystems, bzw. der Deaktivierung des Absperrventil, sodass dieses nicht geöffnet werden kann, einhergeht.
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Unter der Formulierung „der erste Druck folgt dem zweiten Druck“ ist zu verstehen, dass eine Druckänderung des zweiten Drucks ebenfalls, möglicherweise mit leichter zeitlicher Verzögerung oder geringerer Größenordnung, Auswirkungen auf den Messwert des ersten Drucks hervorruft. Im Idealfall sollte, sofern das Wassereinspritzsystem keine Leckage aufweist, der erste Druck auch bei Änderung der Last und damit des zweiten Drucks konstant bleiben. Mögliche Druckänderungen des ersten Drucks aufgrund von durch die Laständerungen induzierten Temperaturunterschieden werden dabei vorzugsweise identifiziert und isoliert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit eine technisch vergleichsweise einfache und schnelle Möglichkeit bereitgestellt werden, um eine mögliche dem Motor schadende Leckage im Wassereinspritzsystem zu detektieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der erste Druck und/oder der zweite Druck anhand mehrerer einzelner Sensoren erfasst. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung und somit die Zuverlässigkeit des Diagnoseverfahrens weiter verbessert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist wenigstens einen ersten Drucksensor zur Messung eines ersten Drucks in einem Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors und wenigstens einen zweiten Drucksensor zur Messung eines zweiten Drucks in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors auf. Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, den ersten Druck und den zweiten Druck kontinuierlich zu vergleichen und eine Meldung auszugeben, sofern der erste Druck dem zweiten Druck folgt. Anhand einer derartigen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist dabei wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1. Dieser weist einen Kolben 50, welcher als Brennraum für ein zu verbrennendes Luft-Kraftstoffgemisch ausgebildet ist, auf. Das Luft-Kraftstoffgemisch gelangt dabei über ein Saugrohr 60 in den Zylinder 50, wobei ein Kraftstoffeinspritzsystem 40 den Kraftstoff bzw. das Luft-Kraftstoffgemisch in das Saugrohr 60 leitet. Ein Abgassystem 70 ist dazu vorgesehen verbrannte Abgase aus dem Zylinder 50 auszuleiten. Dabei kann insbesondere ein Abgasrückgewinnungssystem und/oder ein Turboladersystem vorgesehen sein, welches das Abgassystem 70 mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 40 verbindet.
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Weiterhin ist eine Wassereinspritzung durch ein Wassereinspritzsystem 20 und einer Wasserversorgung 10 vorgesehen. Die Wasserversorgung 10 besteht dabei aus einem Wassertank 11 und einer Pumpe 12, welche Wasser aus dem Wassertank 11 über Wasserleitungen 21 an das Wassereinspritzsystem 20 leitet. Das Wassereinspritzsystem 20 besteht aus einer Einspritzdüse 23, welches das Wasser in das Saugrohr 60 einspritzt. Zwischen Wasserversorgung 10 und Wassereinspritzsystem 20 ist ein Absperrventil 30 vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, im geschlossenen Zustand kein Wasser in das Wassereinspritzsystem 20 zu leiten. Somit kann das Wassereinspritzsystem 20 komplett entleert werden, was insbesondere Schäden am Wassereinspritzsystem 20 vermeidet.
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Es sind weiterhin Ausführungsformen denkbar, bei denen ein Filter oder eine ähnliche Vorrichtung zur Wasseraufbereitung vorgesehen ist, welche das Wasser vor dem Eintritt in das Wassereinspritzsystem 20 filtert und somit verhindert, dass schädliche Partikel sich im Wasser befinden, welche die Einspritzdüse 23 verstopfen oder beschädigen könnten. Ferner kann ein Wasserrückführungssystem vorgehen sein, welches nicht benötigtes Wasser aus dem Saugrohr 60 oder dem Wassereinspritzsystem 20 in den Wassertank 11 zurückführt. Sind in einer Ausführungsform mehrere Zylinder 50 vorgesehen, so sind in dem Wassereinspritzsystem 20 mehrere Einspritzdüsen 23 vorgesehen, welche Wasser in die entsprechenden Saugrohre 60 der einzelnen Zylinder 50 einspritzen. Ein derartiges Wassereinspritzsystem 20 wird auch als Wasser-Rail bezeichnet, wobei das Wasser-Rail weiterhin durch lediglich eine Wasserversorgung 10 gespiesen werden kann.
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Im Ausgangszustand befindet sich kein Wasser im Wassereinspritzsystem 20. Wird bei einer bestimmten Lastanforderung des Verbrennungsmotors 1 eine Wassereinspritzung zur Leistungssteigerung und Senkung der Emissionen benötigt, öffnet das Absperrventil 30, wodurch die Pumpe 12 Wasser in das Wassereinspritzsystem 20 pumpt. Von dort gelangt das Wasser durch die Einspritzdüsen 23 zu einem fest definierten Zeitpunkt vor oder während der Füllung des Zylinders 50, also vor oder während der Öffnung eines Einlassventils in den Brennraum, in fein zerstäubter Form in das Saugrohr 60, wo es sich mit dem Luft-Kraftstoffgemisch mischen kann. Dabei ist erforderlich, dass die Abgabe der Wassermenge sehr exakt erfolgt, um nicht zu viel Wasser in das Saugrohr 60 einzuspritzen, um einen Wasserschlag des Motors zu vermeiden. Liegt eine Leckage des Wassereinspritzsystem 20 vor und es gelangt während der Einspritzung des Wassers zu viel oder bei geschlossenen Einspritzdüsen überhaupt Wasser in das Saugrohr, kann dies wie eingangs beschrieben fatale Folgen für den Motor haben.
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Um gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leckage zu diagnostizieren, ist ein erster Drucksensor 22 im Wassereinspritzsystem 20 zur Messung eines ersten Drucks p1 und ein zweiter Drucksensor 62 im Saugrohr 60 zur Messung eines zweiten Drucks p2 vorgesehen. Beide Drucksensoren 22, 62 messen die entsprechenden Drücke p1, p2 über die Zeit in einem Status, in dem das Absperrventil 30 geschlossen ist und sich kein Wasser im Wassereinspritzsystem 20 befindet. Erfolgt eine Laständerung des Motors erfolgt ebenfalls eine Druckänderung im Saugrohr 60, welche durch den zweiten Drucksensor 62 erfasst wird. Ändert sich während der Laständerung ebenfalls der erste Druck p1 in einer Art, dass ein Zusammenhang zwischen dem ersten Druck p1 und dem zweiten Druck p2 festgestellt werden kann, dass also der erste Druck p1 dem zweiten Druck p2 folgt, so wird eine Leckage diagnostiziert und eine entsprechende Warnung ausgegeben. Im Idealfall bleibt also der erste Druck p1 auch bei Laständerung konstant. Dabei können vorzugsweise Druckänderungen des ersten Drucks p1, welche auf eine Temperaturerhöhung im Wassereinspritzsystem 20 durch eine gesteigerte Motorlast oder auf sonstige äußere Einflüsse zurückzuführen sind, herausgefiltert und bei dem Vergleich der Druckwerte ignoriert werden.
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Die Auswertung bzw. der Vergleich der Drücke p1, p2 (gemessenen Druckwerte) erfolgt durch eine Auswerteeinheit, welche die gemessenen Druckwerte sammelt und entsprechend auswertet. Die Auswerteeinheit kann dabei durch eine Differenzbildung umgesetzt werden, wobei eine Abweichung der Differenz der Drücke p1, p2 von einem in Abhängigkeit anderer Parameter wie Außentemperatur oder Laständerung vorgegebenen Sollwert auf eine Leckage schließen lässt und somit eine Warnung durch die Auswerteeinheit ausgegeben werden kann und/oder das Absperrventil 30 nicht geöffnet werden kann, um zu verhindern, dass Wasser in das Wassereinspritzsystem gelangt.
