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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezüglich der
Verbrennungskraftmaschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem eine
dem Motorblock zugeordnete Kühlereinheit
des Kühlsystems
als Verdampfungskühler
ausgelegt ist.
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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.
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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.
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Ein
besonders hoher Wirkungsgrad ist erreichbar, indem die bei der Motorkühlung auf
das Kühlmedium übertragene
Wärme als
zusätzlicher Energiebeitrag
direkt in den Verbrennungsprozess 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.
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Bei
der im Arbeitstakt der Verbrennungskraftanlage üblicherweise entstehenden Brennraumtemperatur
von über
1700°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.
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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°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 ge tragen, 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.
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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.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung kommt die Verbrennungskraftanlage
in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.
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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.
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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.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur
schematisch eine Verbrennungskraftmaschine.
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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.
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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.
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Beim
Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 wird den Brennräumen 4,
wie durch die Pfeile 10, 12 angedeutet, taktweise
und an die Arbeitsabläufe
im Motorblock 2 angepasst 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.
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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 Rück kühler vorgesehenen Wärmetauscher 24,
beispielsweise einem herkömmlichen
Kühlwasserkühler, verbunden ist.
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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 Verbrennungsprozess
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.
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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°C nicht unterschritten wird.
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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 ge eignet 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.
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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.
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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 Knallgas- oder 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.
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- 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