Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors

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Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors

*DE102007047026A120090402*

(19)

Bundesrepublik Deutschland

Deutsches Patent- und Markenamt

(10)

DE 10 2007 047 026 A1 2009.04.02

(12)

Offenlegungsschrift

(21) Aktenzeichen: 10 2007 047 026.8

(22) Anmeldetag: 01.10.2007

(43) Offenlegungstag: 02.04.2009

(71) Anmelder:

Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE

(51) Int Cl. 8 : F02B 11/00 (2006.01)

F02M 25/03 (2006.01)

F02D 41/40 (2006.01)

F02D 45/00 (2006.01)

(72) Erfinder:

Sauer, Christina, 71726 Benningen, DE; Casal

Kulzer, Andre F., 71032 Böblingen, DE

Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen

(54) Bezeichnung: Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors

(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren

zum Betreiben eines selbstzündenden Ottomotors (21),

bei dem nach Einsetzen einer Selbstzündung (49) von

Kraftstoff (43) in einer Brennkammer (23) des Ottomotors

(21) in die Brennkammer (23) Wasser (51) eingespritzt

wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Ottomotor (21),

ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

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DE 10 2007 047 026 A1 2009.04.02

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben

eines Ottomotors, einen selbstzündenden Ottomotor,

ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Stand der Technik

[0002] Die ottomotorische Selbstzündung bietet im

Teillastbereich ein hohes Potential zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung

bei gleichzeitig niedrigen Emissionen.

Durch eine Benzin-Direkteinspritzung ergibt

sich weiterhin die Möglichkeit, den Selbstzündzeitpunkt

zu steuern, indem bereits während eines Ladungswechseltakts

Kraftstoff in das heiße Restgas

eingespritzt wird. Es ist dabei auch möglich, zwei Einspritzungen

in einen Ladungswechseltakt oder in einen

Kompressionstakt abzusetzen.

[0003] Bei selbstzündenden Ottomotoren ist die homogene

Selbstzündung üblicherweise nur im Teillastbereich

vorgesehen, bei höheren Lasten wird der Motor

regelmäßig mit Fremdzündung betrieben, da die

stetig steigenden Druckgradienten zu starken mechanischen

Belastungen des Motors führen.

[0004] Mit Fremdzündung verläuft die Verbrennung

deutlich leiser, so dass es im dynamischen Fahrbetrieb

zu einer Geräuschreduktion während der Beschleunigung

kommen würde. Dies entspricht jedoch

nicht den Erfahrungswerten des Fahrers.

[0005] Außerdem ist für die homogene Selbstzündung

ein ausreichend hohes Verdichtungsverhältnis

notwendig, um das Verbrauchspotential gewinnbringend

nutzen zu können. Diese Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses

kann jedoch im Volllastbetrieb

mit Fremdzündung klopfende Verbrennungen

hervorrufen, so dass möglicherweise nicht die maximale

Leistung des Motors erreicht wird.

[0006] Am Ende eines Verdichtungstakts, wenn die

Zündtemperatur erreicht ist, beginnt ein Gemisch aus

Kraftstoff und Luft üblicherweise an vielen Orten der

Brennkammer gleichzeitig zu reagieren. Eine durch

das Gemisch laufende Flammenfront wird dadurch

vermieden, dass das Gemisch annähernd gleichzeitig

im gesamten Brennraum zündet. Die Wärmefreisetzung

findet dabei ohne hohe lokale Temperaturen

statt, wodurch sich die Bildung von thermischem

Stickoxid drastisch reduziert wird.

Offenbarung der Erfindung

[0007] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben

eines selbstzündenden Ottomotors, bei dem

insbesondere unmittelbar nach Einsetzen einer

Selbstzündung von Kraftstoff in einer Brennkammer

des Ottomotors in die Brennkammer Wasser eingespritzt

wird.

[0008] Üblicherweise kommt es innerhalb der

Brennkammer zu einer Zündung eines Gemisches

aus eingespritztem Kraftstoff sowie einem zugeführten

Gas, bspw. Luft- oder Frischluft. Durch zusätzliches

Einspritzen von Wasser in die Brennkammer

wird u. a. erreicht, dass eine Geschwindigkeit von

Verbrennungsreaktionen reduziert wird und dadurch

bspw. eine Größe eines Druckgradient des Gemisches

aus Kraftstoff und Gas reduziert wird, so dass

innerhalb der Brennkammer ein weitgehend homogener

Druck mit nur geringen Druckschwankungen

herrscht.

[0009] In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist

vorgesehen, dass der Ottomotor in einem Teillastbereich

mit einer homogenen Selbstzündung des Gemisches

aus Kraftstoff und Gas betrieben wird.

[0010] Da durch Einspritzen von Wasser nunmehr

geringe Druckschwankungen innerhalb der Brennkammer

erreicht werden können, kann auf eine herkömmliche

Vorgehensweise, wonach der Ottomotor

in einem höheren Lastbereich mit einer Fremdzündung

betrieben wird, verzichtet werden. Allerdings

können derartige Fremdzündungen im höheren Lastbereich

dennoch verwendet werden.

[0011] Zum Betreiben des Ottomotors sind typischerweise

Betriebszyklen vorgesehen, die als ersten

Schritt jeweils ein Einspritzen des Kraftstoffs in

die Brennkammer und danach folgend in einem zweiten

Schritt das Zuführen von Luft und in einem dritten

Schritt bzw. einer dritten Betriebssituation die Selbstentzündung

des Kraftstoffs umfassen. In einem zusätzlichen

Schritt ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen,

bspw. während oder kurz nach Beginn des

dritten Schritts und somit der Selbstzündung in die

Brennkammer zusätzlich Wasser einzuspritzen.

[0012] Ein derartig beschriebener Betriebszyklus

mit den ersten drei Schritten sowie dem Zusatzschritt

kann bei Betrieb des selbstzündenden Ottomotors

beliebig oft wiederholt werden, so dass Wasser in

Ausgestaltung auch bei einer Mehrfacheinspritzung

des Kraftstoffs ungespritzt werden kann.

[0013] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

ist vorgesehen, dass Wasser in einem oberen

Totpunkt der Selbstzündung und somit ebenfalls

nach Einsetzen der Selbstzündung eingespritzt wird.

Alternativ kann Wasser auch unmittelbar nach Einsetzen

der Selbstzündung des Kraftstoffs oder des

Gemisches aus Kraftstoff und Luft in die Brennkammer

eingespritzt werden. Ein geeigneter Zeitpunkt für

das Einspritzen des Wassers kann betriebsbegleitend,

in Abhängigkeit einer herrschenden Betriebssituation

und von Betriebsparametern, insbesondere

Druck, von einer Recheneinheit und/oder einem

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Steuergerät des Motors bestimmt werden, so dass

das Steuergerät den Betrieb des Ottomotors kontrolliert

und somit steuert und/oder regelt.

[0014] Ein Druck des einzuspritzenden Wassers

kann je nach vorliegender Betriebssituation geeignet

eingestellt werden. Es ist typischerweise vorgesehen,

Wasser mit einem Druck von mehr als 100 bar

einzuspritzen.

[0015] Die Erfindung betrifft außerdem einen Ottomotor

mit mindestens einer Brennkammer, der dazu

ausgebildet ist, in diese mindestens eine Brennkammer

Kraftstoff einzuspritzen und nach Einsetzen einer

Selbstzündung des Kraftstoffs in die Brennkammer

Wasser einzuspritzen.

[0016] Zur Bereitstellung des Kraftstoffs und des

Wassers weist der Ottomotor für die mindestens eine

Brennkammer ein Einspritzmodul für Kraftstoff und

ein Einspritzmodul für Wasser auf. Hierbei können

diese beiden Einspritzmodule als Einspritzventile

ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann

vorgesehen sein, dass die beiden Einspritzmodule

baulich in einer als Doppelnadelinjektor ausgebildeten

Einspritzvorrichtung vereint sind, so dass ein derartiger

Doppelnadelinjektor diese beiden Einspritzmodule

für Wasser und Kraftstoff umfasst.

[0017] Der Ottomotor oder zumindest einzelne

Komponenten, bspw. ein Steuergerät, des Ottomotors

ist bzw. sind dazu ausgebildet, die voranstehend

beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens

durchzuführen. Weiterhin ist vorgesehen,

dass einzelne Funktionen des Ottomotors oder von

Komponenten des Ottomotors als Schritte des erfindungsgemäßen

Verfahrens realisiert werden können.

[0018] Das erfindungsgemäße Computerprogramm

mit Programmcodemitteln ist dazu ausgebildet, alle

Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen,

wenn das Computerprogramm auf einem

Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit,

insbesondere in einem vorgestellten Ottomotor,

ausgeführt wird.

[0019] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm

mit Programmcodemitteln, die auf einem

computerlesbaren. Datenträger gespeichert sind, um

alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen,

wenn das Computerprogramm auf einem

Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit,

insbesondere in einem vorgestellten Ottomotor,

ausgeführt wird.

[0020] Mit Hilfe einer Wassereinspritzung unmittelbar

nach Einsetzen der Selbstzündung kann die Temperatur

im Brennraum gezielt verringert werden, da

Wasser über eine hohe Verdampfungsenthalpie verfügt.

Das führt dazu, dass die nachfolgenden Verbrennungsreaktionen

langsamer ablaufen und ein

Druckgradient innerhalb der Brennkammer reduziert

und abgeschwächt wird.

[0021] Im Falle des selbstzündenden Ottomotors,

der im Teillastbereich mit homogener Selbstzündung

und in höheren Last- und Drehzahlbereichen üblicherweise

mit Fremdzündung betrieben wird, kann

die Wassereinspritzung sowohl die Druckgradienten

im Selbstzündbetrieb reduzieren, als auch im Volllastbereich

mit Fremdzündung klopfenden Verbrennungen

entgegenwirken.

[0022] Die Wassereinspritzung kann bspw. auch mit

einer Mehrfacheinspritzung kombiniert werden. Dies

ist sowohl im Selbstzündbetrieb als auch im Betrieb

mit Fremdzündungen möglich.

[0023] Mit der Erfindung werden Einspritz- und Ventilsteuerstrategien

zum Betrieb eines typischerweise

selbstzündenden Ottomotors bereitgestellt.

[0024] Durch das Vorsehen der Wassereinspritzung

kann die Brenngeschwindigkeit nach der Selbstzündung

verlangsamt werden, so kommt es zu niedrigeren

Druckgradienten. Die steilen Druckgradienten,

wie sie bei Vorgehensweisen ohne Wassereinspritzung

gegeben sind, führen bei steigender Motorlast

zu einem lauten Verbrennungsgeräusch, das den

Fahrkomfort beeinträchtigt. Die Selbstentzündung

startet auch mit Wassereinspritzung immer an mehreren

Orten gleichzeitig

[0025] In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die

Wassereinspritzung unabhängig von der Kraftstoffeinspritzung

durchgeführt wird. Die Kraftstoffeinspritzung

erfolgt im Selbstzündbetrieb bereits sehr früh,

bspw. im Ladungswechseltakt, während die Wassereinspritzung

kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) der

Zündung stattfinden kann. Daher können bzw. kann

entweder zwei Einspritzventile oder ein Doppelnadelinjektor

mit zwei getrennten Flüssigkeitskreisläufen

vorgesehen sei. Da Wasser, im Selbstzündbetrieb

gegen den Verbrennungsdruck eingespritzt werden

muss, können in der Regel Einspritzdrücke von mehr

als 100 bar vorgesehen sein.

[0026] Die erfolgreiche Anwendung der Wassereinspritzung

zur Temperaturabsenkung sowohl aus

Schiffsdieselanwendungen als auch bei Ottomotoren

zur Klopfvermeidung bekannt.

[0027] Die Erfindung kann bei Ottomotoren mit variablen

Ventiltrieb und Benzin-Direkteinspritzung zum

Einsatz kommen.

[0028] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der

Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und

der beiliegenden Zeichnung.

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[0029] Es versteht sich, dass die voranstehend genannten

und die nachstehend noch zu erläuternden

Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination,

sondern auch in anderen Kombinationen

oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den

Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0030] Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein

Diagramm für ein Beispiel eines Druckverlaufs in einer

Brennkammer.

[0031] Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein

Detail eines erfindungsgemäßen Ottomotors in drei

unterschiedlichen Betriebssituationen.

Ausführungsform der Erfindung

[0032] Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen

in den Zeichnungen schematisch dargestellt

und wird im folgenden unter Bezugnahme auf

die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

[0033] In dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm ist entlang

einer vertikal orientierten Achse 1 ein Druck in

der Einheit bar über eine horizontal orientierten Achse

3 für unterschiedliche Winkel eines Kolbens eines

Ottomotors aufgetragen.

[0034] Innerhalb dieses Diagramms aus Fig. 1 ist

ein Verlauf des Drucks innerhalb der Brennkammer

durch eine Kurve 7, die hier zwei Peaks 9 und 11 aufweist,

dargestellt. Außerdem zeigt das Diagramm

zwei erste, jeweils nur teilweise dargestellte, trapezförmigen

Kurvenabschnitte 13, die anzeigen, in welchem

Winkelbereich ein Auslassventil (AV) der

Brennkammer geöffnet ist. Ein zweiter, trapezförmiger

Kurvenabschnitt 17 zeigt an, in welchem Winkelbereich

ein Einlassventil (EV) der Brennkammer geöffnet

ist.

[0035] Bei der ottomotorischen Selbstzündung wird

ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet.

Dieses zündet sich von selbst, sobald eine ausreichend

hohe Temperatur und ein entsprechender

Druck im Brennraum erreicht sind. Der dafür notwendige

Ladungszustand kann mit Hilfe eines variablen

Ventiltriebs, typischerweise durch Rückhaltung von

heißem Abgas im Zylinder, bereitgestellt werden. Dabei

wird das Auslassventil deutlich vor dem oberen

Totpunkt 19 im Gaswechsel geschlossen und das im

Zylinder verbleibende heiße Restgas verdichtet. Das

Einlassventil öffnet sich erst, wenn im Brennraum

wieder ein hinreichend hoher Saugrohrdruck

herrscht, um Strömungsverluste zu vermeiden.

[0036] Die Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c zeigen jeweils

in schematischer Darstellung Details einer Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen Ottomotors

21. Dieser Ottomotor 21 umfasst eine Brennkammer

23, mit einem Einlassventil 27 und einem Auslassventil

29. Das Einlassventil 27 sowie das Auslassventil

29 umfassen bewegliche Ventilstempel 31, die je

nach Stellung ein Einströmen von Gas über das Einlassventil

27 und ein Ausströmen von Gas über das

Auslassventil 29 zulassen.

[0037] Außerdem ist an der Brennkammer 23 ein

erstes Einspritzmodul 33 angeordnet, das zum Einspritzen

von Kraftstoff in die Brennkammer ausgebildet

ist. Ein zweites Einspritzmodul 37 ist ebenfalls an

der Brennkammer 23 angeordnet und zum Einspritzen

von Wasser in die Brennkammer 23 des Ottomotors

21 ausgebildet. Beide Einspritzmodule 33, 37

sind in der vorliegenden Ausführungsform in einem

Doppelnadelinjektor 39 baulich vereinigt. Außerdem

ist in dem hier gezeigten Ottomotor 21 vorgesehen,

dass sich innerhalb der Brennkammer 23 ein Kolben

41 hin- und herbewegt.

[0038] Fig. 2a zeigt, wie während einer ersten Betriebssituation

über das erste Einspritzmodul 33 während

eines Ladungswechseltakts in das innerhalb der

Brennkammer 23 verdichtete heiße Restgas Kraftstoff

43 eingespritzt wird.

[0039] Fig. 2 zeigt eine zweite Betriebssituation, bei

der vorgesehen ist, dass über das Einlassventil 27 in

die Brennkammer 23 Frischluft 47 angesaugt wird.

[0040] In der anhand von Fig. 2c beschriebenen

dritten Betriebssituation ist vorgesehen, dass gegen

Ende eines Kompressionstakts im Bereich einer

Selbstzündung 49 des Gemisches aus eingespritztem

Brennstoff 43 sowie angesaugter Frischluft 47

über das zweite Einspritzmodul 37 Wasser 51 in die

Brennkammer 23 eingespritzt wird.

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden

Ottomotors (21), bei dem nach Einsetzen einer

Selbstzündung (49) von Kraftstoff (43) in einer Brennkammer

(23) des Ottomotors (21) in die Brennkammer

(23) Wasser (51) eingespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ottomotor

(23) im Teillastbereich mit homogener Selbstzündung

betrieben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

bei dem Wasser (51) bei einer Mehrfacheinspritzung

des Kraftstoffs (43) eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,

bei dem Wasser (51) in einem oberen Totpunkt

(19) der Selbstzündung (49) eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden An-

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sprüche, bei dem Wasser mit einem Druck von mehr

als 100 bar eingespritzt wird.

6. Selbstzündender Ottomotor (21) mit mindestens

einer Brennkammer (23), der dazu ausgebildet

ist, in die mindestens eine Brennkammer (23) Kraftstoff

(43) einzuspritzen und nach Einsetzen einer

Selbstzündung (49) des Kraftstoffs (43) in die Brennkammer

(23) Wasser (51) einzuspritzen.

7. Ottomotor nach Anspruch 6, der für die mindestens

eine Brennkammer (23) ein Einspritzmodul

(33) für Kraftstoff (43) und ein Einspritzmodul (37) für

Wasser (51) aufweist.

8. Ottomotor nach Anspruch 6 oder 7, bei dem

die Einspritzmodule (33, 37) als Einspritzventile ausgebildet

sind.

9. Ottomotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

bei dem die beiden Einspritzmodule (33, 37) als ein

Doppelnadelinjektor (39) ausgebildet sind.

10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln,

um alle Schritte eines Verfahrens nach einem

der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das

Computerprogramm auf einem Computer oder einer

entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem

Ottomotor (21) nach Anspruch 6 bis 9, ausgeführt

wird.

11. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln,

die auf einem computerlesbaren Datenträger

gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens

nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen,

wenn das Computerprogramm auf einem

Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit,

insbesondere in einen Ottomotor (21) nach Anspruch

6 bis 9, ausgeführt wird.

Es folgen 2 Blatt Zeichnungen

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Anhängende Zeichnungen

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