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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem
ein, mit einem derartigen Antriebssystem ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Um
den immer strenger werdenden Umweltschutzauflagen, beispielsweise
hinsichtlich einer CO2-Emission, gerecht
werden zu können, sowie die Wirtschaftlichkeit moderner
Antriebssysteme, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zu steigern, richtet
sich der Focus der Forschung insbesondere auf die Entwicklung verbrauchsärmerer
Verbrennungsmotoren, deren Wirkungsgrad im Vergleich zu aus dem
Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren gesteigert ist.
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Aus
der
US 6,202,416 B1 ist
ein gattungsgemäßes Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor
bekannt, welches gemäß einer Ausführungsform vier
in konventioneller Weise mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betriebene
Zylinder sowie einen externen, mit Abgas aus den vier anderen Zylindern betriebenen
Zylinder aufweist. Der externe Zylinder ist dabei als so genannter
Expansionszylinder ausgebildet und greift an einer Kurbelwelle an,
welche mit einer, von den vier übrigen Zylindern angetriebenen, Kurbelwelle
wirkungsverbunden ist.
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Mit
dem extern angeordneten Expansionszylinder sollen der Wirkungsgrad
und die Leistung des Verbrennungsmotors angehoben werden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein gattungsgemäßes Antriebssystem,
eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, mit Hilfe welcher insbesondere eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
sowie eine Reduzierung der CO2-Emission erreicht
werden können.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Antriebssystem
mit einem Verbrennungsmotor zu realisieren, bei welchem über
eine Kraft-Wärme-Kopplung zumindest zwei Zylinder mit unterschiedlichen
Arbeitsweisen zur Verfügung stehen. Zumindest ein Zylinder
ist dabei in konventioneller Weise mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch
betrieben, während zumindest ein weiterer Zylinder des Verbrennungsmotors
als Expansionszylinder ausgebildet ist, in welchem ein erhitztes
und unter Druck stehendes Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, einen
Kolben antreibend, expandieren kann. Zur Erhitzung des Arbeitsmediums
steht zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung
zur Verfügung, welche das Arbeitsmedium unter Ausnutzung
der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt bzw.
erhitzt. Eine derartige Wärmeübertragereinrichtung
kann beispielsweise die zur Erhitzung des Arbeitsmediums erforderliche
Energie aus einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors
oder von dessen ausgestoßenen Abgasen empfangen. Darüber
hinaus ist zumindest eine Kondensatoreinrichtung zur Verflüssigung
und wenigstens eine Verdichtereinrichtung zur Verdichtung des Arbeitsmediums
vorgesehen. Das Arbeitsmedium zirkuliert dabei in einem geschlossenen
Kreislauf, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wie folgt funktioniert: Das mittels der Verdichtereinrichtung verdichtete
Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, wird anschließend
mittels der vorher genannten, zumindest einen Wärmeübertragereinrichtung überhitzt
und in diesem unter Druck stehenden und überhitzten Zustand
dem Expansionszylinder des Verbrennungsmotors zugeführt
bzw. in diesen eingespritzt. Beim Einspritzen in den Expansionszylinder
expandiert das eingespritzte Arbeitsmedium explosionsartig und verrichtet
dabei Arbeit in der Weise, dass es einen in dem Zylinder geführten
Kolben linear verstellt. Das expandierte und damit entspannte Arbeitsmedium
wird anschließend der Kondensatoreinrichtung zugeführt,
in welcher es vom gasförmigen Zustand mittels Kondensation
in einen flüssigen Zustand überführt
wird. Das somit wieder verflüssigte Arbeitsmedium wird
erneut der Verdichtereinrichtung und anschließend der zumindest einen
Wärmeübertragereinrichtung zugeführt,
welche die Komprimierung und die Erhitzung des Arbeitsmediums bewirkt,
so dass dieses erneut dem Expansionszylinder des Verbrennungsmotors
zugeführt und dort seine Arbeit verrichten kann. Mit dem erfindungsgemäßen
Expansionszylinder innerhalb des Verbrennungsmotors kann eine Kraftstoff-
und CO2-reduzierende Kraft-Wärme-Kopplung
erreicht werden, bei welcher durch Nutzung der Motorabwärme
ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors
erreicht werden kann. Darüber hinaus lässt mit
einem derartigen Antriebssystem auch eine schnelle Motordynamik
bei Lastwechseln realisieren.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung, sind eine erste und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung
vorgesehen, wobei die erste Wärmeübertragereinrichtung
Energie-Wärme von einem Kühlmittelkreislauf des
Verbrennungsmotors und die zweite Wärmeübertragereinrichtung
Energie/Wärme von einem Abgas des Verbrennungsmotors erhält.
Das Arbeitsmedium wird somit zweistufig erhitzt, nämlich
in einer ersten Stufe in der ersten Wärmeübertragereinrichtung,
in welcher das vom Verbrennungsmotor erhitzte Kühlwasser
dazu genutzt wird, das Arbeitsmedium zu erwärmen. In diesem
bereits vorerwärmten Zustand, strömt das Arbeitsmedium
der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zu, welche
auslassseitig und kommunizierend mit einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors
verbunden ist, so dass in der zweiten Wärmeübertragereinrichtung
eine weitere Erhitzung des Arbeitsmediums mittels der vom Verbrennungsmotor
ausgestoßenen heißen Abgase erfolgen kann. Im
Vergleich zu lediglich einer einzigen Wärmeübertragereinrichtung,
ist mit einer derartigen Ausführungsform ein besonders
hoher Ausnutzungsgrad der Motorabwärme möglich.
Hierdurch kann die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie besonders
effektiv genutzt werden und verpufft nicht wirkungslos in die Umgebung,
so dass eine optimale Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden
kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung, ist stromauf der zweiten Wärmeübertragereinrichtung eine
Ladeeinrichtung, insbesondere in der Art eines Abgasturboladers,
im Abgasstrang vorgesehen. Ein derartiger Abgasturbolader dient üblicherweise
der Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren durch Erhöhung
des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt. Die Ladeeinrichtung ist
bei einer derartigen Ausführungsform mit einer Turbine
im Abgasstrom angeordnet, die über eine Welle mit einem
Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist, so dass die zur Verbrennung
angesaugte Luft vom Abgasturbolader verdichtet und in diesem verdichteten
Zustand mit einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge
in den Zylinder eingespritzt werden kann. Der Abgasstrom des Verbrennungsmotors
wird somit gemäß dieser Ausführungsform
nicht nur für die Erwärmung des Arbeitsmediums,
sondern zugleich bzw. zuvor zusätzlich zum Antrieb der
Ladeeinrichtung verwendet, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad des
erfindungsgemäßen Antriebssystems gesteigert werden
kann.
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Zweckmäßig
ist stromab der zweiten Wärmeübertragereinrichtung
und stromauf des Expansionszylinders des Verbrennungsmotors eine
Speichereinrichtung zur Speicherung des erhitzten und unter Druck
stehenden Arbeitsmediums vorgesehen. Mit einer derartigen Speichereinrichtung
ist es möglich, Leistungstäler bzw. Leistungsspitzen
zu Puffern, das heißt zu glätten, so dass das
für den Betrieb des Expansionszylinders erforderliche erhitzte
und unter Druck stehende Arbeitsmedium in stets ausreichender Menge,
das heißt kontinuierlich zur Verfügung steht.
Hier ist es insbesondere möglich, eine besonders gleichmäßige
Belieferung des Expansionszylinders mit Arbeitsmedium zu gewährleisten.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend 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.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt eine schematisch Darstellung
eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Entsprechend
der 1, weist ein erfindungsgemäßes
Antriebssystem 1 einen Verbrennungsmotor 2 mit
insgesamt vier Zylinder 3a, 3b, 3c und 3d auf. Über
eine nicht gezeichnete Kurbelwelle ist dabei der Verbrennungsmotor 2 in
bekannter Weise mit einer Abtriebswelle und/oder einem nachfolgenden
Getriebe antriebsverbunden. Drei der insgesamt vier Zylinder, nämlich
die Zylinder 3b, 3c und 3d, sind bei
dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 in
konventioneller Weise, das heißt mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch
betrieben, während der vierte Zylinder 3a des
Verbrennungsmotors 2 als so genannter Expansionszylinder
ausgebildet ist, in welchem ein erhitztes und unter Druck stehendes
Arbeitsmedium in einer, einen Kolben angreifenden Weise, expandieren
kann. Das Arbeitsmedium zirkuliert dabei innerhalb eines geschlossenen
Kreislaufes 4 durch den Zylinder 3a des Verbrennungsmotors 2, eine
sich daran anschließende Kondensatoreinrichtung 5,
eine Verdichtereinrichtung 6, eine erste Wärmeübertragereinrichtung 7,
eine zweite Wärmeübertragereinrichtung 8 sowie
eine Speichereinrichtung 9 und wieder zurück in
den Expansionszylinder 3a.
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Generell
funktioniert das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 dabei
wie folgt: Das Arbeitsmedium, welches beispielsweise Wasser sein
kann, wird in der Verdichtereinrichtung 6 verdichtet und
in der ersten Wärmeübertragereinrichtung 7 erwärmt.
Die erste Wärmeübertragereinrichtung 7 ist
dabei an einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 2 angeschlossen und
dient somit in bekannter Weise zur Kühlung der einzelnen
Zylinder 3a bis 3d des Verbrennungsmotors 2.
Im weiteren Verlauf durchfließt das Arbeitsmedium die zweite
Wärmeübertragereinrichtung 8, die ihre
Energie bzw. Wärme von einem Abgas, das heißt
insbesondere aus einem Abgasstrang 10, des Verbrennungsmotors 2 bezieht. Über die
heißen Abgase des Verbrennungsmotors 2, erfolgt
eine überkritische Erhitzung des bereits mittels der Verdichtereinrichtung 6 unter
Druck gesetzten Arbeitsmediums, so dass dieses der stromab der zweiten
Wärmeübertragereinrichtung 8 angeordneten Speichereinrichtung 9 in
unter Druck stehendem und überhitzten Zustand zugeführt
werden kann. Bei Bedarf wird das derart unter Druck stehende und überhitzte
Arbeitsmedium dem Expansionszylinder 3a zugeführt,
das heißt in diesen eingespritzt, wobei es explosionsartig
expandiert und dabei einen Kolben des Expansionszylinders 3a antreibt.
Durch die Expansion des Arbeitsmediums im Expansionszylinder 3a wird
dieses von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand überführt
und kann in diesem gasförmigen Zustand über entsprechende
Ventileinrichtungen den Expansionszylinder 3a wieder verlassen.
Anschließend wird das nun gasförmige Arbeitsmedium
der Kondensatoreinrichtung 5 zugeführt, in dieser
kondensiert, das heißt verflüssigt, so dass das
Arbeitsmedium in verflüssigtem Zustand der Verdichtereinrichtung 6 wieder
zugeführt werden kann, wodurch sich der Kreislauf 4 schließt.
Zwischen der Verdichtereinrichtung 6 und dem Expansionszylinder 3a befindet
sich somit das Arbeitsmedium in flüssigem Zustand während
es sich zwischen dem Expansionszylinder 3a und der Verdichtereinrichtung 6 überwiegend
in gasförmigem Zustand befindet.
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Wie
der 1 weiter zu entnehmen ist, ist stromauf der zweiten
Wärmeübertragereinrichtung 8, bezogen
auf den Abgasstrang 10, eine Ladeeinrichtung 11,
insbesondere ein Abgasturbolader, im Abgasstrang 10 vorgesehen.
Die Ladeeinrichtung 11 ist dabei mit einem Turbinenrad
im Abgasstrang 10 angeordnet, welches über eine
Welle mit einem Verdichterrad auf einer Ansaugseite des Verbrennungsmotors 2 drehfest
verbunden ist. Die Ladeeinrichtung 11 verdichtet die zur
Verbrennung im Verbrennungsmotor angesaugte Luft und führt
diese zunächst einem Ladeluftkühler 12 vor
der eigentliche Einspeisung in die Zylinder 3b bis 3d zu.
Der Ladeluftkühler 12 ist dabei ebenfalls im Ansaugtrakt
des Verbrennungsmotors 2 angeordnet und dient dazu, die
Temperatur der dem Verbrennungsmotor 2 zuführenden Luft
zu verringern, wodurch sich die Leistung und der Wirkungsgrad des
Verbrennungsmotors 2 erhöhen. Bei der Kompression
der angesaugten Luft der Ladeeinrichtung 11, kommt es üblicherweise
zu einer adiabatischen Temperaturerhöhung, wodurch sich
die Dichte der Luft im Vergleich zu einer kühleren, unter dem
gleichen Druck stehenden Gasmenge verringert. Die Menge der Luft
in einem definierten Volumen bzw. die Dichte der Luft ist demnach
umgekehrt proportional zur Temperatur. Dies bedeutet, dass bei konstantem
Druck und Volumen die Luftmenge mit abnehmender Temperatur zunimmt.
Wird somit die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte
Luft gekühlt, befinden sich also mehr Sauerstoffmolekühle
in den Zylinder 3b bis 3d, wodurch deren Füllgrad
steigt. Da für eine vollständige Verbrennung Kraftstoff
und Sauerstoff in einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis
stehen müssen, kann mit einer größeren
Sauerstoffmenge entsprechend mehr Kraftstoff verbrannt werden, wodurch
mehr Energie frei wird und eine Erhöhung der Leistung des
Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Der Ladeluftkühler 12 kann
dabei entweder luft- oder wassergekühlt sein.
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Im
Kreislauf des Arbeitsmediums 4 ist stromab der zweiten
Wärmeübertragereinrichtung 8 und stromauf
des Expansionszylinders 3a die Speichereinrichtung 9 angeordnet,
welche zur Speicherung des erhitzten und unter Druck stehenden Arbeitsmediums
vorgesehen ist. Mit einer derartigen Speichereinrichtung 9,
lassen sich insbesondere Druck- und Temperaturspitzen bzw. -täler
abpuffern, das heißt glätten, wodurch eine gleichmäßige
Belieferung des Expansionszylinders 3a mit entsprechend
temperiertem und unter entsprechendem Druck stehenden Arbeitsmedium
gewährleistet werden kann. Ein Druck des in der Speichereinrichtung 9 gespeicherten
Arbeitsmediums beträgt dabei beispielsweise 10 bar, während
die Temperatur ca. 650°C beträgt.
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Eingespritzt
werden kann das Arbeitsmedium in den Expansionszylinder 3a beispielsweise
mittels elektronisch gesteuerter Einspritzdüsen, welche über
eine nicht gezeigte Steuereinrichtung ein besonders bedarfsgerechtes
und den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 erhöhendes
Einspritzen ermöglichen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 ist
somit eine nahezu optimale Kraft-Wärme-Kopplung möglich,
bei welcher üblicherweise wirkungslos verpuffende Wärmeverluste
des Verbrennungsmotors 2 dazu verwendet werden können,
das Arbeitsmedium zu erhitzen und den Wirkungsgrad sowie die Leistung
des Verbrennungsmotors 2 zu erhöhen. Darüber
hinaus wird mit einem derartigen Antriebssystem 1 eine
Reduktion des Kraftstoffverbrauches sowie eine Reduktion der CO2-Emission erreicht, was insbesondere im
Hinblick auf immer strenger werdende Umweltschutzauflagen von besonderem
Vorteil ist. Darüber hinaus lässt sich mit einem
derartigen Antriebssystem 1 auch eine schnelle Motordynamik bei
Lastwechseln realisieren. Durch die Tatsache, dass der Expansionszylinder 3a wie
einer der herkömmlichen Zylinder 3b bis 3d in
den Verbrennungsmotor 2 integriert ist, kann eine aufwändige
externe Positionierung des Expansionszylinders 3a vermieden
und damit die Komplexität des Antriebssystems 1 verringert
werden.
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Zylinder
- 4
- Kreislauf
des Arbeitsmediums
- 5
- Kondensatoreinrichtung
- 6
- Verdichtereinrichtung
- 7
- erste
Wärmeübertragereinrichtung
- 8
- zweite
Wärmeübertragereinrichtung
- 9
- Speichereinrichtung
- 10
- Abgasstrang
- 11
- Ladeeinrichtung
- 12
- Ladeluftkühle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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