Beschreibung

Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer Anzahl von in einem gemeinsamen, über ein Kühlsystem kühlbaren Motorblock angeordneten Brennräumen. Sie betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine.

Verbrennungskraftmaschinen der genannten Art kommen weithin in Kraftfahrzeugen aller Art zum Einsatz. Je nach Ausgestaltung kann es sich dabei insbesondere um Ottomotoren oder auch um Dieselmotoren handeln, die sich in bekannter Weise hinsichtlich der Zündeigenschaften und der Taktfolgen unterscheiden. In Verbrennungskraftmaschinen üblicher Bauart sind die in den Motorblock integrierten Brennräume dabei üblicherweise jeweils einem Zylinder zugeordnet, innerhalb dessen ein entsprechender Kolben innerhalb eines Arbeitstakts hin- und hergeführt wird und dabei die Kurbelwelle des Motors antreibt.

Aufgrund der bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzten Wärme stellen sich beim Betrieb derartiger Verbrennungskraftmaschinen üblicherweise Arbeitstemperaturen ein, die eine Kühlung des Motorblocks erforderlich machen. Weit verbreitet ist dabei die Wasserkühlung eines Motorblocks, bei der dem Motorblock ein Kühlsystem, insbesondere ein Kühlwasserkreislauf, zugeordnet ist, in dem Kühlwasser als Medium geführt wird. Die Kühlung des Motorblocks erfolgt dabei über eine zugeordnete, vom Kühlmedium durchströmte Kühlereinheit, in der die abzuführende Verbrennungswärme auf das Kühlmedium übertragen wird. Zur Rückkühlung wird das Kühlmedium, insbesondere das Kühlwasser, sodann üblicherweise einem Wasserkühler zugeführt, über den die Wärme auf die Umgebungsluft übertragen wird. Das dabei rückgekühlte Kühlmedium wird sodann in der Art eines geschlossenen Kreislaufs der dem Motorblock zugeordneten Kühlereinheit erneut zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine der oben genannten Art anzugeben, mit der ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad erreichbar ist. Des Weiteren soll ein mit einem besonders hohen Gesamtwirkungsgrad betreibbares Kraftfahrzeug angegeben werden.

Bezüglich der Verbrennungskraftmaschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem eine dem Motorblock zugeordnete Kühlereinheit des Kühlsystems als Verdampfungskühler ausgelegt ist.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist, indem verfügbare Energieträger besonders konsequent und vollständig genutzt und ungenutzte Energieabflüsse konsequent vermieden werden. Dabei sollte insbesondere auch die bei der Kühlung des Motorblocks entzogene Verbrennungswärme nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Um gerade dieses Restwärmeangebot noch für weitere Nutzungen verfügbar zu machen, sollte der entsprechende Wärmeinhalt auf ein für eine spätere anderweitige Nutzung besonders geeignetes Medium übertragen werden. Zu diesem Zweck ist eine Verdampfung des Kühlmediums vorgesehen, um insbesondere die bei Verdampfung des Mediums auf dieses übertragene Verdampfungswärme auf besonders einfache und flexible Weise einer anderweitigen Nutzung zuführbar zu machen.

Vorteilhafterweise ist dabei als Kühlmedium Wasser vorgesehen, insbesondere da bei der Verwendung von Wasser als Kühlmedium in weitestgehendem Umfang auf Komponenten und Technologien aus Standardkühlsystemen zurückgegriffen werden kann. Weiterhin ist Wasser als Medium vergleichsweise einfach und mit hoher betrieblicher Sicherheit handhabbar, und selbst bei einem Ausstoß als Abgas oder dergleichen werden hierdurch keine negativen Auswirkungen auf die Umweltbedingungen ausgelöst.

Ein besonders hoher Wirkungsgrad ist erreichbar, indem die bei der Motorkühlung auf das Kühlmedium übertragene Wärme als zusätzlicher Energiebeitrag direkt in den Ver- brennungsprozess der Verbrennungskraftmaschine zurückübertragen wird. Dazu ist in

besonders vorteilhafter Ausgestaltung der dem Motorblock zugeordnete Verdampfungskühler dampfausgangsseitig mit den im Motorblock angeordneten Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine verbunden. Der bei der Kühlung des Motorblocks im Verdampfungskühler erzeugte Dampf oder Wasserdampf wird somit wieder in den Brennraum oder die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingespeist, so dass insbesondere unter anderem die bei der Verdampfung des Kühlmediums in dieses übertragene Verdampfungswärme wieder in den Verbrennungsprozess zurückgeführt wird.

Bei der im Arbeitstakt der Verbrennungskraftanlage üblicherweise entstehenden Brennraumtemperatur von über 1700 ⁰ C zerlegen sich bei einer derartigen Rückspeisung des erzeugten Dampfes in die Brennräume die Dampfpartikel in Knallgas, also in ein zündfähiges Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch. Dieses verbrennt anschließend sofort wieder gemeinsam mit dem Brennstoff, wobei zusätzliche Energie durch den Verbrennungsprozess entsteht. Somit kann die Verbrennungskraftanlage mit entsprechend vermindertem Kraftstofffeinsatz betrieben werden.

Zur kontrollierten und Steuer- oder regelbaren Einspeisung des bei der Motorkühlung erzeugten Dampfes in die Brennräume ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in die den Verdampfungskühler dampfseitig mit den jeweiligen Brennräumen verbindende Dampfleitung ein zweckmäßigerweise regelbar ausgestaltetes Einspritzventil geschaltet. Die Ansteuerung des Einspritzventils trägt dabei vorteilhafterweise einerseits dem Umstand Rechnung, dass zur gezielten zusätzlichen Nutzung der genannten Knallgas- Reaktion im Brennraum die Brennraumtemperatur nicht unter 1700 ⁰ C während des Arbeitstaktes absinken sollte. Vorteilhafterweise wird daher über eine geeignete Ansteuerung des Einspritzventils die in den Brennraum eingeblasene Dampfmenge derart dosiert, dass diese Temperatur während des Arbeitstaktes nicht unterschritten wird. Andererseits wird durch geeignete Ansteuerung des Einspritzventils aber auch dem Umstand Rechnung getragen, dass Art und Zeitpunkt der Dampfeinspeisung in besonders hohem Ausmaß an die Taktabläufe in der Verbrennungskraftanlage angepasst sein sollten. Vorteilhafterweise wird der im Verdampfungskühler erzeugte Dampf dabei durch geeignete Ansteuerung des Einspritzventils bei Erreichen des unteren Totpunktes und

geschlossenem Ansaugventil im Ansaugtakt in den jeweiligen Brennraum eingespeist, so dass bereits die Vorkompression erhöht werden kann. Die für die Einspeisung des Dampfs vorgesehenen Komponenten sind des weiteren in vorteilhafter Ausgestaltung derart dimensioniert und ausgelegt, dass die Einspeisung mit einem ausreichenden hohen Druck wie beispielsweise einigen bar erfolgen kann.

Das dadurch die Wirkungsgrad steigernde Rekombination des Knallgases in den Brennräumen beim Arbeitstakt in der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Wasser kann aufgrund seiner unproblematischen Handhabbarkeit und seiner Problemlosigkeit im Hinblick auf Umweltgesichtspunkte gemeinsam mit dem eigentlichen Abgas aus den Brennräumen an die Umwelt abgegeben werden. Somit ist grundsätzlich in der Art eines offenen Systems die Bespeisung des Verdampfungskühlers aus einem geeigneten Medienreservoir, beispielsweise einem Wassertank, denkbar, wobei ohne Medienrückführung die Abgabe des in den Brennräumen rekombinierten Wassers an die Umwelt erfolgt. Alternativ kann aber auch eine vollständige oder teilweise Rückführung des bei der Rekombination in den Brennräumen gebildeten Wassers in einen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftanlage oder zum Eintritt des Verdampfungskühlers vorgesehen sein. Dazu ist vorteilhafterweise in den Abgasstrang der Verbrennungskraftanlage ein Kondensator geschaltet, über den das im Abgasstrom mitgeführte Wasser abgeschieden und in das Kühlsystem zurückgespeist werden kann.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kommt die Verbrennungskraftanlage in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verdampfung des zur Kühlung des Motorblocks genutzten Mediums die dem Motorblock entzogene Wärme insbesondere in Form von Verdampfungswärme auf besonders einfache und wirksame Weise einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Anlage besonders hoch ist. Insbesondere kann bei einer Einspeisung des bei der Verdampfung erzeugten Dampfes in die Brennräume, insbesondere bei geeigneten Arbeitsbedingungen, wie beispielsweise ausreichend hohen Brennraumtemperaturen, die bei der Verdampfung auf das Medium übertragene

Wärme gemeinsam mit der bei der Knallgasreaktion freigesetzten Energiemenge Wirkungsgrad steigernd und somit Kraftstoff sparend in der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden. Zudem kann der Verdampfungskühler mit im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen erhöhtem Druck, der insbesondere über dem Fülldruck der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine liegen kann, betrieben werden.

Weiterhin kann durch geeignete Einspeisung bereits die Vorkompression der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden, so dass insgesamt besonders günstige Arbeitsbedingungen erreichbar sind. Es erhöhen sich somit insbesondere auch der Verdichtungsdruck und die Verdichtungstemperatur. Durch die Nutzung der ansonsten ungenutzten Wärmeenergie bei Verbrennungsmotoren, die Erzeugung von Wasserdampf als Kühlmedium und die anschließende Zerlegung von Wasserdampf unter gleichzeitiger Ausnutzung der Verbrennungswärme ist der genannte hohe Wirkungsgrad erreichbar. Weiterhin kann durch die Dampfeinsprühung auch die Frischluftmenge für den reduzierten Brennstoffverbrauch entsprechend geringer gehalten sein, so dass ansonsten möglicherweise erforderliche Zusatzkomponenten, wie beispielsweise Turbolader, entfallen können, insbesondere auch weil der eingeblasene Dampf die zur Verbrennung in Form der Knallgasreaktion erforderlichen Medien bereits im optimalen Verhältnis enthält. Weiterhin kann durch die hierdurch bedingte Reduzierung der üblicherweise erforderlichen Brennstoffmenge auch die Anzahl der in den Abgasstrang geschalteten weiteren Komponenten, wie beispielsweise Reinigungskomponenten, Katalysatoren und dergleichen, entfallen oder gering gehalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch eine Verbrennungskraftmaschine.

Die in der Figur schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 1 ist zum Einsatz in einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug vorgesehen. Sie umfasst einen Motorblock 2, in dem eine Anzahl von Brennräumen 4 angeordnet ist. Die Anlage kann dabei als Dieselmotor, als Ottomotor oder auch als andere geeignete Bauart einer Verbrennungskraftmaschine ausgestaltet sein. Unter Rückgriff auf herkömmliche Systeme sind die Brennräume 4 jeweils individuellen Zylindern im Motorblock 2 zugeordnet.

Eine zur Kraftübertragung vorgesehene, im Motorblock 2 angeordnete, nicht weiter dargestellte Kurbelwelle ist über eine Kupplungs- oder Getriebeeinheit 6 in an sich bekannter Weise mit einer Abtriebswelle 8 verbunden, die ihrerseits unter geeigneter kraftflussseitiger Ankopplung an einen Antriebsstrang in an sich bekannter Weise einige oder alle Räder des Kraftfahrzeugs antreibt.

Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 wird den Brennräumen 4, wie durch die Pfeile 10,12 angedeutet, taktweise und an die Arbeitsabläufe im Motorblock 2 ange- passt ein Gemisch aus Brennstoff B und Frischluft F zugeführt. Dieses Gemisch wird während des Arbeitstakts des jeweiligen Brennraums 4 in an sich bekannter Weise zur Explosion gebracht, wobei eine entsprechende energetische Umsetzung über einen zugeordneten Kolben im jeweiligen Zylinder erfolgt. Nach erfolgter Explosion wird im entsprechenden Takt des jeweiligen Brennraums 4 das verbrannte Gasgemisch A einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt. Dies ist durch den Pfeil 14 angedeutet.

Im Hinblick auf die beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 entstehenden hohen Arbeitstemperaturen in den Brennräumen 4 ist eine Kühlung des Motorblocks 2 erforderlich. Dazu ist ein Kühlsystem 20 vorgesehen. Dieses umfasst eine dem Motorblock 2 zugeordnete Kühlereinheit 22, die medienseitig zur Bildung eines geschlossenen Kühlkreislaufs ein- und ausgangsseitig mit einem als Rückkühler vorgesehenen Wärmetauscher 24, beispielsweise einem herkömmlichen Kühlwasserkühler, verbunden ist.

Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist zur Erzielung eines besonders hohen Anlagenwirkungsgrads und somit für einen besonders gering gehaltenen Kraftstoffbedarf ausgelegt. Dazu ist die konsequente Nutzung verfügbarer Energieträger im Verbrennungs- prozess vorgesehen. Um dies zu ermöglichen, ist die dem Motorblock 2 zugeordnete Kühlereinheit 22 als Verdampfungskühler ausgelegt. Als Kühlmedium für das Kühlsystem 20 ist Wasser vorgesehen, so dass bei normalen Betriebsbedingungen des Kühlsystems 20 an der Ausgangsseite der Kühlereinheit 22 Wasserdampf D bereitgestellt

wird. Zur besonders günstigen Nutzung des in diesem Wasserdampf D mitgeführten Wärmeinhalts, insbesondere der bei der Verdampfung des Wassers eingebundenen Verdampfungswärme, ist eine Einspeisung dieses Wasserdampfs D in den oder die Brennräume 4 der Verbrennungskraftmaschine 1 vorgesehen. Dazu ist die Kühlereinheit 22 ausgangsseitig über eine Dampfleitung 26 mit dem oder den Brennräumen 4 verbunden.

Zur gezielten und kontrollierbaren Einspeisung des Wasserdampfs D in den oder die Brennräume 4 ist dabei in die Dampfleitung 26 ein steuerbares Einspritzventil 28 geschaltet. Die Ansteuerung des Einspritzventils 28 ist dabei insbesondere dafür ausgelegt, die Menge des in die Brennräume 4 eingespeisten Wasserdampfs D derart zu begrenzen, dass in den Brennräumen 4 im Arbeitstakt die Brennraumtemperatur von 1700 ⁰ C nicht unterschritten wird.

Die als Verdampfungskühler ausgestaltete Kühlereinheit 22 ist für einen Betriebsdruck von mehr als dem Fülldruck der mit den Brennräumen 4 verbundenen Zylinder ausgelegt. Die Kühleinheit 22 kann zudem unmittelbar an den Abgasauslass direkt am Motorblock 2 angebaut sein, so dass ein weiter erhöhter Betriebsdruck ermöglicht ist. Als Absicherung gegen einen zu hohen Dampfdruck ist ein nicht dargestelltes Sicherheitsventil, welches bei Druckerhöhung öffnet, vorgesehen. Zur Sicherstellung eines für eine Einspeisung in die Brennräume 4 ausreichend hohen Betriebsdruckes kann in die Dampfleitung 26 zudem noch eine geeignet dimensionierte Druckpumpe geschaltet sein. Weiterhin kann die Kühlereinheit 22 bedarfsweise und je nach Auslegung noch weiteren am Mohrblock 2 angeordneten Kühlaggregaten parallel geschaltet sein, die ihrerseits zur Rückkühlung des Kühlmediums oder Kühlwasser mit dem Wärmetauscher verbunden sein können.

Zur Nachspeisung verbrauchten Kühlwassers ist das Kühlsystem 20 mit einem als Wassertank ausgestalteten Medienreservoir 30 verbunden. Dieses ist über eine Nachspeisepumpe 32 und ein Dosierventil 34 an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen.

Durch die Einspeisung des Wasserdampfs D in den Brennraum 4 wird der Dampf aufgrund der im Brennraum 4 herrschenden hohen Arbeitstemperaturen dissoziiert. Anschließend erfolgt während der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs auch eine Verbrennung oder Rekombination des bei der Dissoziation entstandenen Knallgasoder Wasserstoff -Sauerstoff-Gemisches. Das bei dieser Rekombinationsreaktion erzeugte Wasser kann gemeinsam mit dem Abgas A aus der Verbrennungskraftmaschine 1 an die Umwelt abgegeben werden, insbesondere da hierdurch keine nennenswerte Umweltbelastung in Kauf zu nehmen ist. Um aber eine weitere Nutzung dieses Wasseranteils zu ermöglichen, ist im Ausführungsbeispiel eine Abscheidung des mitgeführten Wasseranteils und anschließende Rückführung in das Kühlsystem 20 vorgesehen. Dazu ist in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine 1 ein Kondensator 36 geschaltet, in dem der im Abgasstrom mitgeführte Wasseranteil abgeschieden wird. Zur Rückführung des abgeschiedenen Wassers W ist der Kondensator 36 über eine Rückführleitung 38 wasserseitig mit dem Kühlsystem 20 verbunden.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungskraftmaschine

2 Motorblock

4 Brennräume

6 Kupplungs- und Getriebeeinheit

8 Abtriebswelle

10 Pfeile

12 Pfeile

14 Pfeile

20 Kühlsystem

22 Kühlereinheit

24 Wärmetauscher

26 Dampfleitung

28 Einspritzventil

30 Medienreservoir

32 Nachspeisepumpe

34 Dosierventil

36 Kondensator

A Gasgemisch

B Brennstoff

F Frischluft

W Wasser