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Die
Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- • einem
Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, von denen jeder mindestens
eine Auslaßöffnung aufweist,
an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem
Zylinder anschließt,
wobei die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung
eines Abgaskrümmers
zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- • einer
Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft
bzw. Frischgemisch,
- • mindestens
einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete
Turbine und einen in der Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, und
- • einer
ersten im Zylinderkopf integrierten Flüssigkeitskühlung, welche den zumindest
teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer unter Ausbildung eines
ersten Kühlmittelmantels
zumindest teilweise umgibt, wobei zur Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs
für das
Kühlmittel
ein Eintritt in den und ein Austritt aus dem Zylinderkopf vorgesehen
und dazwischen liegend ein Wärmetauscher
zur Kühlung
des Kühlmittels angeordnet
ist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine
insbesondere Ottomotoren; aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen.
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Dass
die Brennkraftmaschine eine Ansaugleitung aufweist, bedeutet im
Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Brennkraftmaschine mindestens
eine Ansaugleitung aufweist.
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Die
Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung,
bei dem die für
den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird.
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In
der Regel wird für
die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter
und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der
heiße
Abgasstrom mittels Abgasleitung der Turbine zugeführt wird
und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch
die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine
und schließlich
an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls
auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und
komprimiert die ihm mittels Ansaugleitung zugeführte Ladeluft, wodurch eine
Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Häufig wird stromabwärts des
Verdichters eine Ladeluftkühlung vorgesehen,
mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den Brennraum
gekühlt
und somit die Dichte der Zylinderfüllung erhöht wird.
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Der
Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem
mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung
zur Leistungsübertragung
zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich
ist. Während
ein mechanischer Lader die für
seinen Antrieb benötigte
Energie von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader
die Energie der von der Brennkraftmaschine erzeugten heißen Abgase.
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Wie
oben bereits ausgeführt,
dient die Aufladung in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
Die für
den Verbrennungsprozeß benötigte Luft
wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine
größere Luftmasse
zugeführt
werden kann. Dadurch können
die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme gesteigert werden.
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Die
Aufladung ist daher ein geeignetes Mittel, bei unverändertem
Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder
bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die
Aufladung zu einer Erhöhung
der Bauraumleistung und einer günstigeren
Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich
so das Lastkollektiv zu höheren
Lasten hin verschieben.
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Die
Aufladung unterstützt
folglich das ständige
Bemühen
in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch
zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu
verbessern.
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Ein
weiteres grundsätzliches
Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser
Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung
der Aufladung können
nämlich
Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.
So können
mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die
Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim
Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen
günstig beeinflußt werden.
Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch
korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
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Weitere
Ziele bei der Entwicklung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen sind
die Verbesserung des Ansprechverhaltens beim instationären Betrieb der
Brennkraftmaschine und die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik
im unteren Drehzahlbereich.
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Nach
dem Stand der Technik wird nämlich ein
spürbarer
Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Dieser Effekt ist unerwünscht,
da der Fahrer im Vergleich mit einem nicht aufgeladenen Motor gleicher
Maximalleistung auch im unteren Drehzahlbereich ein entsprechend
großes
Drehmoment erwartet.
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Verständlich wird
dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom
Turbinendruckverhältnis
abhängt.
Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert,
führt dies
zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren
Turbinendruckverhältnis.
Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls
abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
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Bei
Ottomotoren ergibt sich nach dem Stand der Technik ein Zielkonflikt,
wenn sowohl ein geringer Kraftstoffverbrauch als auch eine hohe
Leistung realisiert werden sollen.
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Um
eine thermische Überlastung
der Brennkraftmaschine, insbesondere der in der Abgasleitung vorgesehenen
Turbine, sicher zu verhindern, wird immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen,
wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist, was insbesondere
bei hohen Lasten der Fall ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt
als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann,
wobei der zusätzliche
Kraftstoff ebenfalls erwärmt
und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase
sinkt.
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Diese
Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere
hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennskraftmaschine, und hinsichtlich
der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen. Zur Optimierung
des Wirkungsgrades müßte die
Brennkraftmaschine bei hohen Lasten nahezu stöchiometrisch (λ ≈ 1) betrieben
werden, was mit entsprechend hohen Abgastemperaturen verbunden ist
und die Verwendung kostenintensiver, thermisch hochbelastbarer Materialien
für den
Krümmer und
die Turbine erfordert. Die Anfettung gestattet es zudem nicht immer,
die Brennkraftmaschine in der Weise zu betreiben, wie es beispielsweise
für ein
vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.
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Grundsätzlich ist
man bemüht,
die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine
anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase – unter sämtlichen
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine – optimal
nutzen zu können
und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zudem
soll auch der Weg der heißen
Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere
einem vorhandenen Oxidationskatalysator, möglichst kurz sein, damit den
Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung
eingeräumt
wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur
bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart
der Brennkraftmaschine.
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In
diesem Zusammenhang soll die thermische Trägheit des Teilstücks der
Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am
Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder
und Abgasturbolader minimiert werden, was durch Reduzierung der
Masse und der Länge
dieses Teilstückes
erreicht werden kann, weshalb eine zumindest teilweise Integration
des Abgaskrümmers
im Zylinderkopf zielführend
ist. Dabei wird auch die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen verkürzt, das Gewicht
reduziert und ein effektiveres Packaging im Motorraum realisiert.
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In
der Regel erfolgt die Zusammenführung der
Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung stufenweise, wobei – wenn jeder
Zylinder zwei oder mehr Auslaßöffnungen
aufweist – zunächst die
Abgasleitungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung
zusammengeführt
werden, bevor diese Teilabgasleitungen der mindestens zwei Zylinder – eventuell
wiederum stufenweise – zu einer
Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Hat jeder Zylinder eine Auslaßöffnung,
können
auch die Abgasleitungen der Zylinder stufenweise zusammengeführt werden.
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Die
zumindest teilweise Integration des Abgaskrümmers im Zylinderkopf bedeutet
im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Zusammenführung der
Abgasleitungen zumindest teilweise noch im Zylinderkopf erfolgt.
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Ein
derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet
als ein herkömmlicher Zylinderkopf,
der mit einem externen Krümmer
ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung. Bei
entsprechender Ausbildung der Kühlung
lassen sich aber ausreichend große Wärmemengen abführen.
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Ein
zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer gewährleistet – wie ausgeführt – ein gutes
Ansprechverhalten der Turbine und ein verbessertes Emissionsverhalten,
insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Zudem
kann ein effektives Packaging im Motorraum realisiert werden.
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Insbesondere
kann auf eine Anfettung (λ < 1) bei hohe Lasten
zur Absenkung der Abgastemperatur verzichtet werden, so dass kostenintensive
Materialien zur Ausbildung des Krümmers und der Turbine nicht
verwendet werden brauchen. Es lassen sich hohe Leistungen und gleichzeitig
geringe Kraftstoffverbräuche
realisieren. Zu Erreichung dieser Ziele muß die Kühlung des Zylinderkopfes bzw.
des integrierten Abgaskrümmers
entsprechend ausgebildet werden, um große Wärmemengen abführen zu
können.
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Grundsätzlich besteht
die Möglichkeit,
die Kühlung
in Gestalt einer Luftkühlung
oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund
der wesentlich höheren
Wärmekapazität von Flüssigkeiten
gegenüber
Luft können
mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich
größere Wärmemengen
abgeführt
werden als dies mit einer Luftkühlung
möglich
ist.
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Aus
den genannten Gründen
wird nach dem Stand der Technik bei einem Zylinderkopf der vorliegenden
Art ein Kühlmittelmantel
im Zylinderkopf integriert, wobei der Kühlmittelmantel die im Zylinderkopf integrierten
Abgasleitungen zumindest teilweise umgibt. Der Kühlmittelmantel umfaßt Kühlmittelkanäle, welche
das Kühlmittel
durch den Zylinderkopf führen. Für das Kühlmittel
ist ein Eintritt in den und ein Austritt aus dem Zylinderkopf vorgesehen.
Die Wärme wird
bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben, wobei das
Kühlmittel
mittels einer im Kühlmittelkreislauf
angeordneten Pumpe gefördert
wird, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird
auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt. Zur
Kühlung
des Kühlmittels
wird dem Kühlmittel
dann in einem zwischen dem Eintritt und dem Austritt – außerhalb
des Zylinderkopfes – vorgesehenen
Wärmetauscher
wieder Wärme
entzogen.
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Nachteilig
an der beschriebenen Vorgehensweise d. h. an der Verwendung eines
integrierten Abgaskrümmers
zur Erreichung der genannten Ziele ist die Notwendigkeit eines großen Wärmetauschers, mit
dem die aus dem Zylinderkopf abgeführten und entsprechend großen Wärmemengen
dem Kühlmittelkreislauf
wieder entzogen werden können.
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Zum
anderen führt
die vorgeschlagene Maßnahme,
dem Abgas stromaufwärts
der Turbine bewußt
eine große
Wärmemenge
zu entziehen, auch dazu, dass an der Turbine selbst weniger Abgasenthalpie
bzw. Energie bereitsteht, die zur Aufladung der Brennkraftmaschine
genutzt werden könnte,
und sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert.
Als unmittelbare Folge verschlechtern sich auch das Ansprechverhalten
und die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen
Drehzahlen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine aufgeladene Brennkraftmaschine der gattungsbildenden Art d.
h. gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der
Technik bekannten Nachteile überwunden
werden, wobei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht wird,
ohne dass gleichzeitig auf die Vorteile niedriger Turbineneintrittstemperaturen
verzichtet werden muß.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- • einem
Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, von denen jeder mindestens
eine Auslaßöffnung aufweist,
an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem
Zylinder anschließt,
wobei die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung
eines Abgaskrümmers
zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- • einer
Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft
bzw. Frischgemisch,
- • mindestens
einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete
Turbine und einen in der Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, und
- • einer
ersten im Zylinderkopf integrierten Flüssigkeitskühlung, welche den zumindest
teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer unter Ausbildung eines
ersten Kühlmittelmantels
zumindest teilweise umgibt, wobei zur Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs
für das
Kühlmittel
ein Eintritt in den und ein Austritt aus dem Zylinderkopf vorgesehen
und dazwischen liegend ein Wärmetauscher
zur Kühlung
des Kühlmittels angeordnet
ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - • stromaufwärts des
Wärmetauschers
eine Expansionsmaschine zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet
ist, durch welche das überhitzte
und im wesentlichen dampfförmige
Kühlmittel
hindurchführbar
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
wird in einem Kühlmittelkreislauf
des Zylinderkopfes – stromaufwärts des
Wärmetauschers – eine Expansionsmaschine
vorgesehen. Diese Expansionsmaschine nutzt die im Kühlmittel
gebundene Energie, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine
in der Gesamtbilanz zu erhöhen.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine macht
sich den Umstand zunutze, dass der Abgaskrümmer zunehmend immer häufiger zumindest
teilweise in den Zylinderkopf integriert wird und bei derartig ausgebildeten
Zylinderköpfen
aufgrund der höheren
thermischen Belastung auch größere Wärmemengen
abgeführt
werden bzw. abgeführt
werden müssen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird von einem ersten und einem
zweiten Kühlmittelkreislauf
die Rede sein, was bei Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen zwei Kühlmittelkreisläufe vorgesehen
sind, lediglich zur Unterscheidung der beiden Kühlmittelkreisläufe dienen
soll. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
kann folglich einen ersten, aber keinen zweiten Kühlmittekreislauf aufweisen
und damit nur über
einen einzigen Kühlmittelkreislauf
verfügen;
wie weiter unten noch zu sehen sein wird.
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Vorzugsweise
wird die Kühlung
des Zylinderkopfes in der Weise ausgelegt, dass das Kühlmittel bedarfsgerecht
d. h. erst bei Eintritt in die Expansionsmaschine überhitzt
ist d. h. im wesentlichen dampfförmig
vorliegt. Wird das Kühlmittel
bereits im Zylinderkopf überhitzt,
kann es zu hohen mechanischen Beanspruchungen des Zylinderkopfes
kommen, falls das dampfförmige
Kühlmittel
wieder in den flüssigen
Aggregatszustand übergeht
und schlagartig sein Volumen verkleinert.
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Die
Expansionsmaschine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gewährleistet,
dass die Verschlechterung des Wirkungsgrades, welche daraus resultiert,
dass das Abgas bei Eintritt in die Turbine eine geringere Abgastemperatur
aufweist, zumindest teilweise wieder kompensiert wird. Hierzu wird der
Umstand genutzt, dass die dem Abgas entzogene Energie nunmehr im
Kühlmittel
enthalten ist und genutzt werden kann, indem dem Kühlmittel
zumindest einen Teil der nicht mehr im Abgas enthaltenen Energie
entzogen wird.
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Die
Expansionsmaschine entzieht dem im wesentlichen dampfförmigen Kühlmittel
Energie, die zur weiteren Nutzung bereitgestellt wird, beispielsweise
an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, oder aber zum direkten
Antrieb von Nebenaggregaten verwendet werden kann. Damit verbessert
sich die Energiebilanz bzw. der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
Bei gleichem Kraftstoffeinsatz wird die Leistungs- bzw. Energieabgabe
der Brennkraftmaschine erhöht.
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Dadurch
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine
aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die über einen verbesserten
Wirkungsgrad verfügt,
wobei insbesondere auf die Vorteile einer niedrigen Turbineneintrittstemperatur
nicht verzichtet werden muß und
folglich kostengünstigere
Werkstoffe zur Herstellung der Turbine bzw. des Zylinderkopfes im
allgemeinen verwendet werden können.
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Der
Wärmetauscher
zur Kühlung
des Kühlmittels
fungiert als Kondensator und überführt das
im wesentlichen dampfförmige
Kühlmittel
wieder in die flüssige
Phase, soweit die Expansion des Kühlmittel in der Expansionsmaschine
nicht bereits zur Verflüssigung
beigetragen hat.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Expansionsmaschine eine Turbine
ist. Eine Turbine weist infolge der kontinuierlichen Durchströmung einen
vergleichsweisen und im Gegensatz zu Kolbenmaschinen hohen Wirkungsgrad
auf. Zudem sind separat verbaubare Turbinen für den Kraftfahrzeugbau verfügbar und
es liegen ausreichend Erkenntnisse für den Einsatz solcher Expansionsmaschine
bei Brennkraftmaschinen vor.
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Darüber hinaus
läßt sich
die Welle einer Turbine mit wenig zusätzlichem Aufwand mit der Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine zur Leistungsübertragung bzw. -abgabe verbinden
d. h. koppeln.
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Aus
diesem Grund sind auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die als Expansionsmaschine
fungierende Turbine zur Leistungsabgabe mit der Kurbelwelle verbunden bzw.
verbindbar ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen der Abgaskrümmer vollständig im Zylinderkopf integriert
ist.
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Die
Abgasleitungen, die sich an jede Auslaßöffnung der mindestens zwei
Zylinder anschließen, führen bei
dieser Ausführungsform
innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammen,
so dass nur noch eine Abgasleitung, nämlich die Gesamtabgasleitung,
aus dem Zylinderkopf austritt. Der Abgaskrümmer ist vollständig im
Zylinderkopf integriert, was eine äußerst kompakte Bauweise der
Brennkraftmaschine bzw. ein effektives Packaging ermöglicht.
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Der
Kühlmittelmantel
hat vorzugsweise einen unteren Kühlmittelmantel
und einen oberen Kühlmittelmantel,
die auf gegenüberliegenden
Seiten der Abgasleitungen bzw. des Abgaskrümmers angeordnet sind.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine herkömmliche, im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine vorgesehene Flüssigkeitskühlung die erste im Zylinderkopf
integrierte Flüssigkeitskühlung bildet
und Wasser als Kühlmittel
verwendet wird.
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Diese
Ausführungsform
nutzt eine – beim wassergekühlten Zylinderkopf – herkömmliche
integrierte Flüssigkeitskühlung, so
dass sich diese Ausführungsform
insbesondere für
die Nachrüstung
bereits auf dem Markt befindlicher Brennkraftmaschinen eignet. Mit
Ausnahme der Expansionsmaschine sind keine zusätzlichen Bauteile bzw. Modifikationen erforderlich;
gegebenenfalls ein größer dimensionierter
Wärmetauscher.
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Vorteilhaft
sind aber auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen neben der herkömmlichen, im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine vorgesehenen Flüssigkeitskühlung eine weitere Kühlung vorgesehen
ist, welche die erste im Zylinderkopf integrierte Flüssigkeitskühlung bildet.
Dabei kann als Kühlmittel
gezielt ein Arbeitsfluid eingesetzt werden, das die für den vorliegenden
Zweck erforderlichen thermodynamischen Eigenschaften aufweist, insbesondere
eine hohe Wärmekapazität und ein
für den
jeweiligen Anwendungsfall geeignetes Siedverhalten.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Expansionsmaschine
ein Verdampfer im ersten Kühlmittelkreislauf
vorgesehen ist.
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Wie
bereits weiter oben ausgeführt
wurde, sollte das Kühlmittel
beim Verlassen des Zylinderkopfes d. h. am Austritt des Zylinderkopfes
vorzugsweise noch seinen flüssigen
Aggregatszustand aufweisen. Aus diesem Grund ist die in Rede stehende Ausführungsform
zu bevorzugen, bei der das Kühlmittel
in einem stromaufwärts
der Expansionsmaschine und außerhalb
des Zylinderkopfes vorgesehenen Verdampfer überhitzt d. h. verdampft wird.
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Vorteilhaft
sind dabei Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine, bei denen durch den Verdampfer eine Bypaßleitung
hindurchführt,
welche aus der Gesamtabgasleitung abzweigt und einen Teilabgasmassenstrom
durch den Verdampfer leitet.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird ein Teil der Abgasenergie zum Verdampfen des Kühlmittels
genutzt, so dass die zum Verdampfen des Kühlmittels erforderliche Energie
nicht von außen
zusätzlich
in das System eingebracht werden muß.
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Die
drei folgenden Ausführungsformen
unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Bypaßleitung
an verschiedenen Stellen aus der Gesamtabgasleitung abzweigt.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung stromaufwärts der
Turbine aus der Gesamtabgasleitung abzweigt. Das Abgas weist stromaufwärts der Turbine
eine höhere
Temperatur und einen höheren Druck
auf als stromabwärts
der Turbine, so dass bereits kleinere Abgasmengen ausreichen, um
den Verdampfer mit ausreichend Energie zu versorgen.
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Vorteilhaft
sind aber auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung stromabwärts der
Turbine aus der Gesamtabgasleitung abzweigt. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass das Abgas erst aus der Gesamtabgasleitung
abgezweigt wird, nachdem es die Turbine durchströmt hat. Folglich wird das gesamte
Abgas der Brennkraftmaschine zunächst
der Turbine zugeführt
und zur Aufladung der Brennkraftmaschine genutzt, bevor ein Abgasteilstrom
dem Verdampfer bereitgestellt wird.
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Vorteilhaft
sind auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine ein Abgasnachbehandlungssystem
in der Gesamtabgasleitung vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform
wird der heiße
Abgasstrom zunächst der
Turbine zugeführt
und anschließend
in einem Oxidationskatalysator, Rußfilter, Speicherkatalysator oder
SCR-Katalysator
nachbehandelt. Die vorgeschlagene Reihenfolge bei der Anordnung
der Turbine einerseits und des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems
andererseits gewährleistet
einen möglichst
energiereichen Abgasstrom am Eintritt der Turbine.
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Eine
vorhandene Bypaßleitung
kann stromabwärts
oder stromaufwärts
des Abgasnachbehandlungssystems aus der Gesamtabgasleitung abzweigen.
Zweigt die Bypaßleitung
stromabwärts
des Abgasnachbehandlungssystems aus der Gesamtabgasleitung ab, wird
das Abgas zunächst
nachbehandelt und dann dem Verdampfer zugeführt. Auf eine Nachbehandlung
des dem Verdampfer zugeführten Abgasmassenteilstroms
nach Durchströmen
des Verdampfers kann verzichtet werden.
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Wird
das Abgas hingegen stromaufwärts
des Abgasnachbehandlungssystems, aus der Gesamtabgasleitung entnommen,
muß das
Abgas nach Durchströmen
des Verdampfers entweder nachbehandelt werden, was durch eine entsprechende
Führung
der Bypaßleitung
sichergestellt werden kann, oder aber das Abgas wird im Rahmen einer
Abgasrückführung der
Brennkraftmaschine erneut zugeführt,
wobei die fehlende Nachbehandlung folgenlos ist.
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Grundsätzlich kann
die aus der Gesamtabgasleitung abzweigende Bypaßleitung stromabwärts des
Verdampfers wieder in die Gesamtabgasleitung münden und zwar stromaufwärts oder
stromabwärts der
Turbine bzw. stromaufwärts
oder stromabwärts eines
eventuell vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems.
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Falls
das Abgas nach Durchströmen
des Verdampfers an der gleichen Stelle in die Gesamtansaugleitung
eingeleitet wird, an der es zuvor entnommen wurde, kann beispielsweise
ein Drosselelement verwendet werden, um das für die Bypaßströmung erforderliche Druckgefälle zu generieren.
Wird das Abgas beispielsweise stromabwärts der Turbine entnommen und
stromabwärts
der Turbine wieder eingeleitet, kann ein zwischen der Abzweigung
und Einmündung
der Bypaßleitung
in der Gesamtabgasleitung angeordnetes Drosselelement zur Generierung des
treibenden Druckgefälles
verwendet werden.
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Alternativ
kann das dem Verdampfer zugeführte
Abgas zumindest teilweise auch im Rahmen einer Abgasrückführung (AGR)
wieder in die Ansaugleitung und damit erneut den Zylindern zugeführt werden.
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Eine
sogenannte Hochdruck-AGR läßt sich mit
einer Bypaßleitung
ausbilden, welche stromaufwärts
der Turbine aus der Gesamtabgasleitung abzweigt. Bei einer Niederdruck-AGR, bei der das
Abgas stromabwärts
der Turbine aus der Gesamtabgasleitung entnommen wird, erfordert
hingegen eine stromabwärts
der Turbine abzweigende Bypaßleitung.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine zweite, im Zylinderkopf integrierte
Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist,
welche den zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer unter
Ausbildung eines zweiten Kühlmittelmantels
zumindest teilweise umgibt, wobei zur Ausbildung eines zweiten Kühlmittelkreislaufs
ein Eintritt bzw. Austritt für
das Kühlmittel
in den bzw. aus dem Zylinderkopf vorgesehen und dazwischen liegend
ein Wärmetauscher
zur Kühlung des
Kühlmittels
angeordnet ist.
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Diese
Ausführungsform
der Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist,
wobei der als weiterer Kühlmittelkreislauf
bezeichnete Kühlmittelkreislauf eine
nach dem Stand der Technik vorgesehene Wasserkühlung sein kann und der erste
Kühlmittelkreislauf
den Kreislauf bildet, in dem erfindungsgemäß eine Expansionsmaschine zur
Nutzung der im Kühlmittel
des ersten Kreislaufs enthaltenen Energie vorgesehen ist.
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Die
Temperaturniveaus der beiden Kühlmittelkreisläufe können unterschiedlich
sein bzw. gewählt
werden. Zudem eröffnet
sich die Möglichkeit, für den ersten
Kühlmittelkreislauf
ein – von
Wasser verschiedenes – Kühlmittel
einzusetzen mit den entsprechend für den vorliegenden Zweck erforderlichen
thermodynamischen Eigenschaften.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen
der Brennkraftmaschine gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
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1 schematisch
eine erste Ausführungsform
der Brennkraftmaschine,
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2 schematisch
eine zweite Ausführungsform
der Brennkraftmaschine, und
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3 schematisch
eine dritte Ausführungsform
der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1.
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Die
Brennkraftmaschine 1 verfügt über eine Ansaugleitung 2,
welche die drei Zylinder 3a mit Frischluft bzw. Frischgemisch
versorgt, und des weiteren über
eine Gesamtabgasleitung 5, welche zur Abführung der
Verbrennungsgase bzw. des Abgases dient.
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Jeder
Zylinder 3a weist eine Auslaßöffnung auf, an die sich eine
Abgasleitung 4a zum Abführen der
Abgase aus diesem Zylinder 3a anschließt, wobei die Abgasleitungen 4a unter
Ausbildung eines Abgaskrümmers 4 zu
einer Gesamtabgasleitung 5 zusammenführen.
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Die
Zusammenführung
der Abgasleitungen 4a zu einer Gesamtabgasleitung 5 erfolgt
im Inneren des Zylinderkopfs 3, so dass die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 über einen
vollständig
im Zylinderkopf 3 integrierten Abgaskrümmer 4 verfügt.
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Des
weiteren ist die Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 7 ausgestattet,
der eine in der Gesamtabgasleitung 5 angeordnete Turbine 7a und
einen in der Ansaugleitung 2 angeordneten Verdichter 7b umfaßt.
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In
der Gesamtabgasleitung 5 ist stromabwärts der Turbine 7a des
Abgasturboladers 7 ein Abgasnachbehandlungssystem 17 vorgesehen.
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Stromabwärts des
Verdichters 7b ist ein Ladeluftkühler 6 in der Ansaugleitung 2 angeordnet.
Der Ladeluftkühler 6 senkt
die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch
auch der Kühler 6 zu
einer besseren Füllung
der Zylinder 3a mit Luft beiträgt.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 verfügt über eine
erste Flüssigkeitskühlung 8a, die
im Zylinderkopf 3 integriert ist, wobei der Kühlmittelmantel
den Abgaskrümmer 4 zumindest
teilweise umgibt.
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Zur
Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs 8 sind
am Zylinderkopf 3 ein Eintritt 11 und ein Austritt 12 für das Kühlmittel
vorgesehen. Zwischen dem Kühlmitteleintritt 11 und
dem Kühlmittelaustritt 12 liegt
ein Wärmetauscher 9 zur
Kühlung
des Kühlmittels,
der vorliegend als Kondensator 9 fungieren kann.
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Stromaufwärts des
Wärmetauschers 9 ist eine
Expansionsmaschine 10 zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet
ist, durch welche das überhitzte
und im wesentlichen dampfförmige
Kühlmittel hindurchgeführt wird,
so dass die dem Abgas mittels Kühlmittel
entzogene Wärme
bzw. Energie nutzbar gemacht wird.
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Die
Expansionsmaschine 10 ist eine Turbine 14, welche
kontinuierlich vom Kühlmittel
durchströmt wird.
Die Welle der Turbine 14 ist mit der Kurbelwelle 15 der
Brennkraftmaschine 1 zur Leistungsübertragung verbunden d. h.
gekoppelt.
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2 zeigt
schematisch eine zweite Ausführungsform
der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die
Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
erörtert
werden, weshalb im übrigen
bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden
dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im
Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 stromaufwärts der
Expansionsmaschine 10 zusätzlich ein Verdampfer 13 im
ersten Kühlmittelkreislauf 8 vorgesehen.
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Das
Kühlmittel
sollte beim Verlassen des Zylinderkopfes 3 d. h. am Austritt 12 des
Zylinderkopfes 3 vorzugsweise noch flüssig sein und daher außerhalb
des Zylinderkopfes 3 – in
einem Verdampfer 13 – überhitzt
d. h. verdampft werden.
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Durch
den Verdampfer 13 führt
eine Bypaßleitung 16 hindurch,
welche aus der Gesamtabgasleitung 5 abzweigt und einen
Teilabgasmassenstrom durch den Verdampfer 13 leitet. Ein
Teil der Abgasenergie wird also zum Verdampfen des Kühlmittels
genutzt.
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Die
Bypaßleitung 16 kann
grundsätzlich
an verschiedenen Stellen aus der Gesamtabgasleitung 5 abzweigen.
Drei Beispiele, die alternativ oder in Kombination miteinander zum
Einsatz kommen können,
sind in 2 illustriert.
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Die
Bypaßleitung 16 kann
stromaufwärts oder
stromabwärts
der Turbine 7a bzw. stromaufwärts oder stromabwärts des
Abgasnachbehandlungssystems 17 aus der Gesamtabgasleitung 5 abzweigen.
Stromaufwärts
der Turbine 7a weist das Abgas eine höhere Temperatur und einen höheren Druck
auf als stromabwärts
der Turbine 7a.
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Die
Bypaßleitung 16 kann
stromabwärts
des Verdampfers 13 wieder in die Gesamtabgasleitung 5 münden (nicht
dargestellt). Alternativ kann das dem Verdampfer 13 zugeführte Abgas
auch im Rahmen einer Abgasrückführung erneut
der Brennkraftmaschine 1. zugeleitet werden (ebenfalls
nicht dargestellt).
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3 zeigt
schematisch eine dritte Ausführungsform
der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die
Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
erörtert
werden, weshalb im übrigen
bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden
dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform ist mit zwei voneinander
getrennten Kühlmittelkreisläufen 8, 18 ausgestattet.
Neben einem ersten Kühlmittelkreislauf 8 – wie er
auch bei der in 1 dargestellten Ausführungsform – vorgesehen
ist, verfügt die
Brennkraftmaschine 1 zusätzlich über eine zweite, im Zylinderkopf 3 integrierte
Flüssigkeitskühlung 18a,
welche den im Zylinderkopf 3 integrierten Abgaskrümmer 4 unter
Ausbildung eines Kühlmittelmantels
zumindest teilweise umgibt.
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Zur
Ausbildung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 18 verfügt der Zylinderkopf 3 über einen
Eintritt 20 und einen Austritt 21 für das Kühlmittel,
wobei dazwischen liegend ein Wärmetauscher 19 zur
Kühlung des
Kühlmittels
angeordnet ist.
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Diese
Ausführungsform
der Brennkraftmaschine 1 gestattet die Verwendung unterschiedlicher Kühlmittel
für die
beiden Kühlmittelkreisläufe 8, 18.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Ansaugleitung
- 3
- Zylinderkopf
- 3a
- Zylinder
- 4
- Abgaskrümmer
- 4a
- Abgasleitung
- 5
- Gesamtabgasleitung
- 6
- Ladeluftkühler
- 7
- Abgasturbolader
- 7a
- Turbine
- 7b
- Verdichter
- 8
- erster
Kühlmittelkreislauf
- 8a
- erste
integrierte Flüssigkeitskühlung
- 9
- Wärmetauscher,
Kondensator
- 10
- Expansionsmaschine
- 11
- Eintritt
in den Zylinderkopf
- 12
- Austritt
aus dem Zylinderkopf
- 13
- Verdampfer
- 14
- Turbine
- 15
- Kurbelwelle
- 16
- Bypaßleitung
- 17
- Abgasnachbehandlungssystem
- 18
- zweiter
Kühlmittelkreislauf
- 18a
- zweite
integrierte Flüssigkeitskühlung
- 19
- Wärmetauscher
- 20
- Eintritt
in den Zylinderkopf
- 21
- Austritt
aus dem Zylinderkopf