DE102005025615A1 - Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit aktiver Ansaugluftkühlung - Google Patents

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Abstract

Fahrzeug mit DOLLAR A - einem Verbrennungsmotor, DOLLAR A - einer Ansaugeinrichtung, über die dem Verbrennungsmotor Luft bzw. ein Kraftstoff-/Luftgemisch zuführbar ist, DOLLAR A - einer Kraftstoffversorgungseinrichtung, die zur Speicherung von Kraftstoff und zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff vorgesehen ist, DOLLAR A - einer Pumpeinrichtung, DOLLAR A - einer Wärmetauschereinrichtung, die thermisch mit der Kraftstoffversorgungseinrichtung und mit der Ansaugeinrichtung gekoppelt ist und die dazu vorgesehen ist, Wärme aus der in der Ansaugeinrichtung strömenden Luft dem in der Kraftstoffversorgungseinrichtung strömenden Kraftstoff zuzuführen, DOLLAR A - einer Maschine, die zur Umwandlung von Druckenergie in mechanische Leistung vorgesehen ist, wobei DOLLAR A - die Pumpeinrichtung Kraftstoff aus einem Kraftstofftank der Kraftstoffversorgungseinrichtung ansaugt und durch die Wärmetauschereinrichtung zu der Maschine pumpt, in welcher der Kraftstoff unter Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird und zumindest eine Teilmenge des expandierten Kraftstoffs dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit aktiver Ansaugluftkühlung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Angesichts zur Neige gehender Erdölreserven werden in zunehmenden Maße Fahrzeuge mit alternativen Antrieben erforscht. Ein Ansatz besteht darin, Verbrennungsmotoren mit gasförmigen Kraftstoffen wie z.B. Wasserstoff zu betreiben. Im Rahmen des "CleanEnergy Projekts" von BMW wird an Fahrzeugen gearbeitet, die mit einem Tank ausgerüstet sind, in dem flüssiger, kryogener Wasserstoff gespeichert ist. Dabei wird u.a. untersucht, inwiefern sich die extrem tiefe Temperatur des im Wasserstofftank gespeicherten Wasserstoffs nutzen lässt, um die Gemischtemperatur des Verbrennungsmotors zu senken und damit die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen und NOx-Emissionen zu senken. Ein Ansatz besteht darin, den tiefkalten Wasserstoff in das Saugrohr des Verbrennungsmotors einzublasen. Dies wird als "kryogene Gemischbildung" bezeichnet.
  • Stand der Technik ist ferner, die Luft im Saugrohr mittels eines im Saugrohr angeordneten Wärmetauschers abzukühlen, was dann eine Kraftstoffdirekteinspritzung ermöglicht. Problematisch hierbei ist jedoch, dass der Wärmetauscher zu Vereisung neigt.
  • Sowohl die Einblasung kryogenen Wasserstoffs in das Saugrohr als auch die Abkühlung der Ansaugluft durch einen Wärmetauscher nutzen das theoretische Potenzial des flüssig gespeicherten Wasserstoffs zur Absenkung der Gemischtemperatur nur unvollständig aus. Diesbezüglich wird eine Verbesserung angestrebt, da zur Verflüssigung von Wasserstoff eine beträchtliche Energiemenge erforderlich ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem mit einem alternativen Kraftstoff, wie z.B. Wasserstoff, betreibbaren Verbrennungsmotor zu schaffen, der eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung geht von einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor aus, der eine Ansaugeinrichtung aufweist, über die dem Verbrennungsmotor Luft bzw. ein Kraftstoff-/Luftgemisch zuführbar ist, und eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die zur Speicherung von Kraftstoff und zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff vorgesehen ist. Als Kraftstoff kommt primär Wasserstoff in Betracht. Prinzipiell sind allerdings auch andere "alternative" Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas, geeignet.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Ansaugeinrichtung und die Kraftstoffversorgungseinrichtung mittels eines Wärmetauschers thermisch gekoppelt sind und der Kraftstoff in der Kraftstoffversorgungseinrichtung einen thermodynamischen Prozess durchläuft, der prinzipiell dem aus der Thermodynamik bekannten „offenen Gasturbinenprozess" entspricht. Die Kraftstoffversorgungseinrichtung weist eine Pumpeinrichtung auf. Bei der "Pumpeinrichtung" kann es sich um eine elektrisch angetriebene Taumelscheibenpumpe, eine elektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe oder eine andere als „Kryopumpe" geeignete Pumpeinrichtung handeln. In der Wärmetauscher-einrichtung wird Wärme von der in der Ansaugeinrichtung strömenden Luft auf den in der Kraftstoffversorgungseinrichtung strömenden Kraftstoff übertragen. Die Ansaugluft wird also mittels des kryogenen Kraftstoffs abgekühlt. Mittels der Pumpeinrichtung wird flüssiger, kryogener Kraftstoff aus dem Kraftstofftank gefördert und durch den Wärmetauscher gepumpt. Im Kraftstofftank kann der Kraftstoff beispielsweise eine Temperatur von 25°K und einen Druck von 3 bar haben. Mittels der Kryopumpe wird der geförderte Kraftstoff auf einen höheren Druck von z.B. 80 bar verdichtet und dabei auf eine Temperatur von z.B. 50°K erwärmt. Im Wärmetauscher erfolgt dann eine im Wesentlichen isobare Temperaturerhöhung auf z.B. 320°K. In der "Maschine" wird der Kraftstoff dann auf einen niedrigeren Druck von z.B. 3 bar entspannt und auf eine Temperatur von z.B. 180°K abgekühlt. Die bei der Entspannung freiwerdende Energie wird in der "Maschine" in mechanische Leistung umgesetzt und kann für den "Betrieb" des Fahrzeugs verwendet werden, wodurch sich die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad des Fahrzeugantriebs verbessern lässt. Nach der "Maschine" wird der Kraftstoff vollständig oder teilweise dem Ansaugrohr bzw. unmittelbar dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt. Je nach momentaner Leistungsanforderung kann auch ein Teil des entspannten Kraftstoffs wieder in den Tank eingeleitet werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die von der Maschine gelieferte mechanische Leistung genutzt werden. Sie kann z.B. über ein Leistungsverzweigungsgetriebe unmittelbar der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Alternativ dazu kann mit der Maschine ein Nebenaggregat des Verbrennungsmotors, wie z.B. ein elektrischer Generator, ein Kompressor einer Klimaanlage o.ä. angetrieben werden.
  • Vorzugsweise wird die Maschine zum Antrieb eines "Laders" verwendet, der eine Teilkomponente der Ansaugeinrichtung bildet. Der Lader bzw. Verdichter saugt Umgebungsluft an, verdichtet diese und pumpt sie durch den Wärmetauscher zum Saugrohr des Verbrennungsmotors. Ein Vorteil einer mechanischen Kopplung der Maschine und des Laders ist darin zu sehen, dass die Laderleistung im Wesentlichen direkt proportional zu der von der Maschine abgegebenen Leistung ist, welche wiederum im Wesentlichen direkt proportional zu dem vom Fahrer über das Gaspedal angeforderten Kraftstoffvolumenstrom bzw. zu der vom Fahrer angeforderten Kraftstoffmenge ist. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader spricht der Lader also wesentlich direkter, d.h. annähernd verzögerungsfrei auf eine Betätigung des Gaspedals an. Außerdem erhöht sich durch die „Aufladung" die Ansauglufttemperatur, was die Gefahr einer Vereisung des Wärmetauschgers verringert. Insgesamt wird durch die Aufladung der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad verbessert.
  • Im Wärmetauscher wird die verdichtete Ansaugluft abgekühlt. Bei einem Verbrennungsmotor mit kryogener Gemischbildung wird die verdichtete, abgekühlte Ansaugluft im Saugrohr mit Kraftstoff bzw. Wasserstoff vermischt und dem Brennraum des Verbrennungsmotors über ein Einlassventil zugeführt. Bei einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum eingespritzt und vermischt sich somit erst im Brennraum mit der verdichteten, abgekühlten Ansaugluft.
  • Mit der oben beschriebenen Anordnung, bei der der Kraftstoff aus thermodynamischer Sicht im Wesentlichen einen "offenen Gasturbinenprozess" durchläuft, bei dem die "Turbine" einen "Lader" antreibt und der kryogene Kraftstoff zur Kühlung der Ansaugluft verwendet wird, wird das "Kältepotenzial" des Kraftstoffs sehr effizient genutzt.
  • Wie eingangs bereits erwähnt wurde, besteht bei einer derartigen Anordnung grundsätzlich die Gefahr, dass der Wärmetauscher vereist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Gefahr einer Vereisung des Wärmetauschers dadurch verhindert, dass der Wärmetauscher bzw. vereisungsanfällige Komponenten des Wärmetauschers beheizt werden. Der Wärmetauscher kann beispielsweise thermisch mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors gekoppelt sein, wobei die Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors zum Beheizen des Wärmetauschers verwendet wird und somit ein Vereisen des Wärmetauschers bzw. vereisungsempfindlicher Komponenten des Wärmetauschers verhindert wird.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann der Wärmetauscher auch thermisch mit einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors gekoppelt sein, wobei dann die im heißen Abgas enthaltene Wärmeenergie zum Beheizen des Wärmetauschers verwendet wird.
  • Eine aktive Beheizung des Wärmetauschers ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sofern ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter selbstenteisender Wärmetauscher verwendet wird, der so konzipiert ist, dass sich eine ausbildende Eisschicht permanent selbsttätig vom Wärmetauscher "absprengt".
  • Bei dem Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Gegenstromwärmetauscher. Ein Gegenstromwärmetauscher verspricht nämlich theoretisch die höchste Leistungsdichte.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
    •
  • Die einzige 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Erfindung.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, der als Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 1 weist ein Einlassventil 2 auf, das von einem Ansaugrohr 3 mit einem Kraftstoff-/Luftgemisch versorgt wird. Als Kraftstoff kann Wasserstoff verwendet werden. Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit "äußerer Gemischbildung" kann auch ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung verwendet werden, d.h. ein Verbrennungsmotor, bei dem der Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum eingespritzt wird und die Gemischbildung erst im Brennraum erfolgt.
  • Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Ansaugeinrichtung auf, die im Wesentlichen durch das Ansaugrohr 3, einen luftseitigen Bereich eines Wärmetauschers 4 und einen Verdichter bzw. Lader 5 gebildet ist.
  • Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Kraftstoffversorgungseinrichtung auf, die zur Speicherung und zur Versorgung des Verbrennungsmotors 1 mit Kraftstoff vorgesehen ist. Zur Kraftstoffversorgungseinrichtung gehören ein Kraftstofftank 6, eine Kryopumpe 7, ein wasserstoffseitiger Teil des Wärmetauschers 4 und eine Maschine 8.
  • In dem Kraftstofftank 6 ist flüssiger Wasserstoff bei einer Temperatur von z.B. 25°K und einem Druck von 3 bar gespeichert. Die Kryopumpe 7 fördert flüssigen oder siedenden Wasserstoff aus dem Tank 6 zum Wärmetauscher 4. Der geförderte Wasserstoff wird dabei auf einen Druck von z.B. 80 bar verdichtet und auf eine Temperatur von z.B. 50°K erwärmt. Im Wärmetauscher 4 nimmt der immer noch sehr kalte Wasserstoff Wärme aus der den Wärmetauscher 4 durchströmenden Luft auf. Die Ansaugluft wird also durch den kryogenen Wasserstoff abgekühlt. Im Wärmetauscher 4 wird der Wasserstoff im Wesentlichen isobar erwärmt, z.B. auf eine Temperatur von 320°K. Nach dem Wärmetauscher 4 durchströmt der Wasserstoff die Maschine 8, wo er auf einen Druck von z.B. 3 bar entspannt wird und auf eine Temperatur von z.B. 180°K abgekühlt wird. Der entspannte Kraftstoff wird dann über eine Kraftstoffleitung 9 dem Ansaugrohr 3 zugeführt. Je nach Leistungsanforderung des Fahrers kann ein Teil des entspannten Kraftstoffs auch wieder dem Tank 6 zugeführt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Wasserstoff, bevor er in die Maschine 8 strömt, durch heißes Abgas des Verbrennungsmotors weiter aufgeheizt wird, z.B. auf eine Temperatur von 420°K. Dadurch wird verhindert, dass sich der Wasserstoff bei der Entspannung in der Maschine auf eine Temperatur von unter 0°C abkühlt.
  • Die bei der Entspannung des Kraftstoffs in der Maschine 8 frei werdende Energie wird von der Maschine 8 in mechanische Energie umgewandelt, welche zum Antrieb des Laders 5 verwendet wird. Wie aus 1 ersichtlich ist, treibt die Maschine 8 also unmittelbar den Lader 5 an.
  • Der Lader 5 saugt Umgebungsluft an, die z.B. einen Druck von 1 bar und eine Temperatur von z.B. 293°K hat. Im Lader 5 wird die angesaugte Umgebungsluft auf einen Druck von z.B. 1,5 bar verdichtet und dabei auf eine Temperatur von z.B. 340°K erwärmt. Anschließend durchströmt die Ansaugluft den luftseitigen Teil des Wärmetauschers 4, wo sie Wärme an den Kraftstoff abgibt. Im Wärmetauscher 4 wird die Luft isobar abgekühlt auf eine Temperatur von z.B. 240°K. Dem Ansaugrohr 3 wird die Luft dann mit dem über die Kraftstoffleitung 9 zugeführten Wasserstoff isobar vermischt, wobei sich eine Gemischtemperatur von z.B. 220°K einstellt.

Claims (9)

  1. Fahrzeug mit – einem Verbrennungsmotor (1), – einer Ansaugeinrichtung, über die dem Verbrennungsmotor (1) Luft bzw. ein Kraftstoff-/Luftgemisch zuführbar ist, – einer Kraftstoffversorgungseinrichtung, die zur Speicherung von Kraftstoff und zur Versorgung des Verbrennungsmotors (1) mit Kraftstoff vorgesehen ist, – einer Pumpeinrichtung (7), – einer Wärmetauschereinrichtung (4), die thermisch mit der Kraftstoffversorgungseinrichtung und mit der Ansaugeinrichtung gekoppelt ist und die dazu vorgesehen ist, Wärme aus der in der Ansaugeinrichtung strömenden Luft dem in der Kraftstoffversorgungseinrichtung strömenden Kraftstoff zuzuführen, – einer Maschine (8), die zur Umwandlung von Druckenergie in mechanische Leistung vorgesehen ist, wobei – die Pumpeinrichtung (7) Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (6) der Kraftstoffversorgungseinrichtung ansaugt und durch die Wärmetauschereinrichtung (4) zu der Maschine (8) pumpt, in welcher der Kraftstoff unter Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird und zumindest eine Teilmenge des expandierten Kraftstoffs dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugeinrichtung einen Verdichter (5) aufweist, welcher Ansaugluft von einem ersten Druck, insbesondere von Umgebungsdruck, auf einen zweiten, höheren Druck verdichtet.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) in Strömungsrichtung der Luft gesehen vor der Wärmetauschereinrichtung (4) angeordnet ist.
  4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) von der Maschine (8) angetrieben wird.
  5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) einen Kühlkreislauf aufweist, der thermisch mit dem Wärmetauscher (4) gekoppelt ist bzw. der bei Bedarf thermisch mit dem Wärmetauscher (4) koppelbar ist, wobei durch Beheizen des Wärmetauschers (4) mit Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf ein Vereisen des Wärmetauschers (4) verhindert wird.
  6. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) eine Abgasanlage aufweist, die thermisch mit dem Wärmetauscher (4) gekoppelt ist bzw. die bei Bedarf thermisch mit dem Wärmetauscher (4) koppelbar ist, wobei durch Beheizen des Wärmetauschers mit Wärmeenergie aus heißen in der Abgasanlage strömenden Abgasen des Verbrennungsmotors (1) ein Vereisen des Wärmetauschers (4) verhindert wird.
  7. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung ein Gegenstromwärmetauscher ist.
  8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff Wasserstoff ist.
  9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (7) einen elektrischen Antrieb aufweist.
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