DE102009033868A1

DE102009033868A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009033868A1
Application number: DE102009033868A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Werner Dr.-Ing. Rumez; Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Torsten Dipl.-Ing. Hirth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (12) für einen Kraftwagen mit zumindest einem Behältnis (14, 14', 14''), insbesondere einem Gasspeicher (14, 14', 14''), welches mit einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine (12) fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck der Verbrennungskraftmaschine (12) mit einem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist, wobei das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') ein Volumen Vsp aufweist, welches sich berechnet aus Vsp[l]>KL[-]xVH[l] mit einem Hubvolumen VH der Verbrennungskraftmaschine (12) und mit einer entdimensionierten Konstanten KL, welche sich berechnet aus KL[-]=nMot,D[(1)/sec]x1[sec] mit einer Nenndrehzahl nMot,D der Verbrennungskraftmaschine (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 196 00 910 A1 offenbart ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Bremsenergie bei Kraftfahrzeugen mit einem vom Kraftfahrzeug angetriebenen Luftverdichter, einem Luftspeicher und einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Luftverdichter nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet und von der im Schubbetrieb arbeitenden Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass ein Energierückgewinn mittels Nutzung des nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Luftverdichters einen großen Aufwand hinsichtlich einer Regelung bedeutet sowie einen Einsatz mechanisch riskanter Bauteile, wie beispielsweise einer Kupplung, eines Getriebes und Zusatzklappen, erfordert. Zudem sind hohe Drücke in dem Luftspeicher bei einem Einsatz eines derartigen Luftverdichters nur mit sehr hohen Drehzahlen des Luftverdichters realisierbar, woraus zwangsläufig hohe Speichervolumina bei größerer Luftmassenspeicherung resultieren.
Aus der DE 198 33 134 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt, welche einen Abgasturbolader mit einem Verdichter in einem Ansaugtrakt und eine Turbine in einem Abgasstrang sowie einen Gasspeicher zur Aufnahme komprimierten Gases aufweist, bei welchem der Gasspeicher durch den Abgasgegendruck stromauf der Turbine mit Abgas gefüllt wird, welches beim Entladen des Gasspeichers zusätzlich den Abgasturbolader antreibt. Bei dieser bekannten Lösung ist weiteres Potential zur Reduzierung eines Verbrauchs und damit von CO₂-Emissionen der Brennkraftmaschine vorhanden.
Durch politische und gesetzliche Vorgaben, wonach auch CO₂ als Schadstoff angesehen wird, ist eine merkliche Reduzierung eines Verbrauchs von Verbrennungskraftmaschinen anzustreben, womit eine Senkung von CO₂-Emissionen einhergeht.
Ausgangspunkt für eine gewichtige Verbrauchsreduktion stellt eine Hubraumverkleinerung der Verbrennungskraftmaschinen dar. Spezifische Leistungen dieser Verbrennungskraftmaschinen an ihren Volllastlinien werden durch einen verstärkten Aufladegrad angehoben, wodurch sich Betriebslinien der Verbrennungskraftmaschinen mit einer höchsten Fahrhäufigkeit in einem Teillastgebiet bei sehr günstigen Verbrauchswerten einstellen. Ein Problem, das dadurch während eines Fahrverhaltens entsteht, ist durch hohe Verzögerungszeiten einer Luftlieferung für eine Verbrennung der Verbrennungskraftmaschinen geprägt, welche auf Trägheiten von Rotoren den Verbrennungskraftmaschinen zugeordneten Abgasturboladern bei einer Überwindung von vergrößerten Drehzahlspannen der Abgasturbolader zurückgeht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit zumindest einem Behältnis, insbesondere einem Gasspeicher, welches mit einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck der Verbrennungskraftmaschine mit einem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist, ist dadurch geschaffen, dass das zumindest eine Behältnis ein Volumen V_sp aufweist, welches größer ist als ein Produkt aus einer entdimensionierten Konstanten K_L und einem Hubvolumen V_H der Verbrennungskraftmaschine, wobei das Volumen V_sp des Behältnisses sowie das Hubvolumen V_H der Verbrennungskraftmaschine in der Maßeinheit Liter [l] vorliegt. Die dimensionslose Konstante K_L berechnet sich dabei aus einem Produkt einer Nenndrehzahl n_Mot,D der Verbrennungskraftmaschine in der Maßeinheit 1 pro Sekunde [ 1 / sec] multipliziert mit einer Sekunde [sec]. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine erlaubt dabei eine Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen Hubvolumen bei gleichzeitiger Realisierung eines hohen Motormoments, wobei eine Luftzuführung zu der Verbrennungskraftmaschine zur Darstellung des hohen Motormoments besonders schnell und nahezu verzögerungsfrei erfolgen kann, insbesondere im Vergleich zu Abgasturboladern mit Rotoren, welche eine hohe Trägheit aufweisen. Dies ist dadurch realisiert, dass bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das zumindest eine Behältnis mit einer Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden und das in dem Behältnis aufgenommene, im Wesentlichen gasförmige Medium auf die Ansaugseite führbar ist. Durch das kleine Hubvolumen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist ein niedriger Kraftstoffverbrauch und damit niedrige CO₂-Emissionen ermöglicht. Ein in der Regel bei kleinhubvolumigen Verbrennungskraftmaschinen herrschendes Problem einer Motormomentschwäche ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine dadurch kompensiert, dass diese durch das in dem Behältnis gespeicherte Medium, welches beispielsweise in Form von Verbrennungsluft vorliegt, aufladbar ist, wodurch also der Verbrennungskraftmaschine eine zusätzliche Luftmasse zur Verbrennung zur Verfügung steht, woraus ein höheres Motormoment resultiert. Wie bereits erwähnt, kann eine Bereitstellung dieser zusätzlichen Verbrennungsluft nahezu verzögerungsfrei erfolgen, wodurch ein sehr gutes Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine erreicht ist.
Eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine dadurch realisiert, dass das zumindest eine Behältnis mit einer Verbrennungsluft und/oder mit einem Abgas und/oder mit einem Verbrennungsluft-Abgasgemisch der Verbrennungskraftmaschine aufladbar ist. Das bedeutet also, dass das zumindest eine Behältnis sowohl während eines Schubbetriebs der Verbrennungskraftmaschine bzw. eines Motorbremsbetriebs als auch in Verbrennungsphasen aufladbar ist, wodurch also ansonsten nicht genutzte Energie speicherbar und durch die genannte Führung dieses Mediums auf die Ansaugseite nutzbar ist. Dadurch ist eine Energierückgewinnung geschaffen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass, wie angedeutet, entweder eine Speicherung von Verbrennungsluft oder von Abgas aber auch eines Gasgemisches zwischen der Verbrennungsluft und Abgas durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine möglich ist. Zur Speicherung des Abgases oder des Verbrennungsluft-Abgas-Gemisches ist es von Vorteil, dieses Gasgemisch durch eine entsprechende Kühlvorrichtung, wie beispielsweise einen Wärmetauscher, zu kühlen.
Neben einer beschriebenen Unterstützung eines transienten Verhaltens der Verbrennungskraftmaschine, also zur Verbesserung des Ansprechverhaltens, kann das Behältnis im Falle einer Speicherung des Abgases dazu genutzt werden, das gespeicherte Abgas bzw. das Verbrennungsluft-Abgas-Gemisch zu einer Emissionsreduktion der Verbrennungskraftmaschine im Sinne einer Abgasrückführung einzusetzen. Bekanntermaßen senkt ein Anteil von Inertgas in Form von Abgas Stickoxidemissionen (NO_x-Emissionen) einer Verbrennungskraftmaschine ab.
Als Behältnis bzw. als Speichervolumina ist neben dem Vorsehen eines separaten Behältnisses auch eine Nutzung von gasdicht abschließbaren Hohlräumen einer Fahrzeugkarosserie denkbar. Insbesondere bei Omnibussen und Nutzfahrzeugen, aber auch bei Personenkraftwagen, sind montierbare, gasdicht abgeschlossene, gegebenenfalls nachrüstbare Zusatz-Behältnisse beispielsweise in einem Fahrzeugboden wie auch in einem Dachbereich möglich. Ein derartiges Behältnis bzw. derartige Speichervolumina sind bei einer Neukonzeption eines Fahrzeugs in einer gesamten Fahrzeuggestaltung entsprechend zu berücksichtigen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung eines Aufladesystems mit einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit einem Gasspeicher, welcher mit einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck der Verbrennungskraftmaschine mit einem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist,
2 abschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Zweistrom-Maschine eines Abgasturboladers, welche als Verdichter und als Turbine des Abgasturboladers betreibbar ist,
3 eine schematische Ansicht eines Aufladesystems gemäß 1 mit einem Abgasturbolader, welcher eine Zweistrom-Maschine gemäß 2 aufweist,
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Aufladesystems gemäß 1, wobei zwei Gasspeicher vorgesehen sind und
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Aufladesystems gemäß 4.
Während die 1, 3, 4 und 5 Möglichkeiten aufzeigen, einen Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine durch eine Reduzierung eines Hubvolumens derselbigen zu ermöglichen bei gleichzeitiger Darstellung eines hohen Motormoments, welches nahezu verzögerungsfrei darstellbar ist, zeigt die 2 eine Zweistrom-Maschine eines Abgasturboladers, welcher bei den in den 1, 3, 4 und 5 gezeigten Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar ist, wobei die Zweistrom-Maschine eine drehzahlstationäre Aufladung der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Die 1 zeigt ein Aufladesystem 10 einer Verbrennungskraftmaschine 12, welche ein relativ kleines Hubvolumen aufweist. Bei dem Aufladesystem 10 ist ein Gasspeicher 14 vorgesehen, welcher mit einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 12 fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck p₃ der Verbrennungskraftmaschine 12 mit einem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist. Der Gasspeicher 14 ist zudem mit einer Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 fluidisch verbunden, wobei das in dem Gasspeicher 14 aufgenommene, im Wesentlichen gasförmige Medium auf die Ansaugseite führbar ist. Der Gasspeicher 14 ist mit einem Druck 1 bar ≤ p_sp ≤ 6 bar beaufschlagbar.
Eine Füllung des Gasspeichers 14 erfolgt stromauf eines Turbineneintritts einer Turbine 16 eines Abgasturboladers 18 des Aufladesystems 10, wenn ein Druckverhältnis p₃/p_sp > 1 vorliegt, wobei sich der Druck p_sp auf einen Druck des im Wesentlichen gasförmigen Mediums innerhalb des Gasspeichers 14 bezieht.
Je kleiner ein charakteristischer, engster Turbinenquerschnitt der Turbine 16 durch eine Regelung 20 eingestellt wird, umso höher wird sich der Druck p₃ einstellen können, wenn ein Turbinenwirkungsgrad für einen effektiven Kompressorantrieb nicht überproportional abfällt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Turbine 16 als Vario-Turbine ausgebildet ist, welche ein variabel einstellbares Leitgitter umfasst, wodurch der besagte charakteristische Turbinenquerschnitt, welcher auch als Strömungseintrittsquerschnitt der Turbine 16 zu bezeichnen ist, einstellbar ist.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass anstelle der Verstellbarkeit der Turbine 16 des Abgasturboladers 18 zur Erhöhung des Abgasgegendrucks p₃ auch eine Abblaseturbine und/oder eine einfache Gegendruckklappe vorgesehen sein kann, welche eine Kostenreduzierung des Aufladesystems 10 mit sich bringen.
Die in den Figuren dargestellten punktierten Linien deuten eine Regelung einer entsprechenden Komponente durch die Regelung 20 an.
Soll in dem Gasspeicher 14 lediglich Luft gespeichert werden, so ist in einem unbefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 ein Ventil 22 durch die Regelung 20 zu öffnen. Ebenso möglich ist eine Speicherung eines Luft-Abgas-Gemisches in dem Gasspeicher 14, was derart realisierbar ist, dass das Ventil 22 in befeuerten Phasen der Verbrennungskraftmaschine 12 gezielt geöffnet wird, wodurch ein gewünschtes Mischungsverhältnis zwischen Luft und Abgas einstellbar ist. Ein derartiges Mischungsverhältnis, also eine Konzentration des Abgases in der Luft wird unter Berücksichtigung einer angestrebten Stickoxid reduzierenden (NO_x-reduzierenden) Wirkung mit rechnerischem und/oder messtechnischem Schwerpunkt durchgeführt. In einer Füllphase des Gasspeichers 14 wird in einer Bremsphase der Verbrennungskraftmaschine 12, also in einer Schubphase, ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 24 zur Druckerhöhung von p₃ im Allgemeinen geschlossen. Es sei angemerkt, dass auch eine ausschließliche Speicherung von Abgas in dem Gasspeicher 14 möglich ist.
Eine Führung des im Gasspeicher 14 gespeicherten, im Wesentlichen gasförmigen Mediums auf die Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 ist über ein Ventil 26 realisiert, welches ebenso durch die Regelung 20 geregelt geöffnet und geschlossen wird. Das Ventil 26 ist üblicherweise sehr nahe an Eintrittsventilen der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet, um nur geringe Volumenfülleffekte hinsichtlich sich einstellender Totzeiten zu erhalten.
Ebenso möglich ist eine Ausbildung des Ventils 26 als Integralteil mit zwei Funktionen, wobei es beispielsweise eine simultane Eigenschaft aufweist, dass der Gasspeicher 14 geöffnet wird und gleichzeitig ein Verschließen eines Saugrohres 28 in Richtung eines Verdichters 30 des Abgasturboladers 18 erfolgt.
Diese Eigenschaft ist ebenso dadurch darstellbar, dass zusätzlich zu dem einfachen Ventil 26 eine zusätzliche Rückschlagklappe stromauf platziert wird.
Einer entstehende Pumpneigung des austrittsseitig im Saugrohr 28 versperrten Verdichters 30 während einer Einspeisephase des im Wesentlichen gasförmigen Mediums aus dem Gasspeicher 14 in die Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 wird bei Bedarf durch eine Umblasung oder eine Abblasung an einem Verdichteraustritt des Verdichters 30 entgegengewirkt, wobei eine derartige Umblasung bzw. Abblasung in der 1 nicht dargestellt ist.
Die Regelung 20 wird also maßgebende Strömungsquerschnitte des Aufladesystems 10 so kontrollieren, dass eine größtmögliche Energierückgewinnung und Speicherung über eine Menge des im Wesentlichen gasförmigen Mediums und dessen Druck p_sp im Gasspeicher 14 realisiert ist. Zum anderen wird eine Menge des im Wesentlichen gasförmigen Fluids in einer Instationärphase der Verbrennungskraftmaschine 12 so abgerufen, dass ein Instationärverhalten der hochaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 12 einem unaufgeladenen Saugmotor sehr nahe kommt und eine Verbrennung hinsichtlich Verbrauch und Emission einen vorteilhaften Verlauf nimmt, um damit auch Kraftstoffmengen einsparen zu können.
Bei dem Aufladesystem 10 ist zudem ein Abgasrückführ-Kühler (AGR-Kühler) 32 vorgesehen zur Kühlung von rückgeführtem Abgas. Des Weiteren umfasst das Aufladesystem 10 einen Ladeluftkühler 34 zur Kühlung von dem Verdichter 30 verdichteter Luft. Stromauf des Verdichters 30 ist zudem ein Luftfilter 36 angeordnet, welcher angesaugte Luft von Partikeln reinigt.
Stromab der Turbine 16 ist eine Abgasnachbehandlungsanlage 38 vorgesehen, die das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 vor einem Austritt an die Umwelt von Emissionen reinigt.
P₂ bezeichnet einen Druck der verdichteten Luft stromab des Verdichters 30, während P_2s einen Druck der Luft bzw. eines Luft-Abgas-Gemisches vor einem Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 12 bezeichnet.
Insbesondere bei Dieselmotoren kann das im Gasspeicher 14 gespeicherte, im Wesentlichen gasförmige Medium Rußpartikel enthalten, die durch die Rückführung des Mediums zur Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 in dieser nachverbrannt werden können, wodurch sich eine Absenkung einer Rußemission der Verbrennungskraftmaschine 12 einstellt. Zudem ist eine Zeit, bis ein gewisser Belegungsgrad eines Dieselpartikelfilters stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 erreicht ist, deutlich verlängert aufgrund der niedrigeren Rußemissionen der Verbrennungskraftmaschine 12.
Aus dem Gasspeicher 14 sind gegebenenfalls Mengen des Mediums für eine Förderung eines Abbrennens von Rußfiltern oder ein Aufheizen auf Wirkungsgrad günstige Betriebstemperaturen von Katalysatoren nutzbar, für welche stellvertretend die Abgasnachbehandlungslage 38 in der 1 dargestellt ist. Dazu notwendige Verrohrungen und/oder schaltbare Ventile sind in der 1 der Übersicht wegen nicht dargestellt.
Dem Gasspeicher 14 wird bei einem Kaltanfahren der Verbrennungskraftmaschine 12 und deren Emissionstest in eine Entwicklung hinsichtlich eines Füllgrads bei einem Abstellen eines Fahrzeugs mit dem Aufladesystem 10 gegebenenfalls eine größere Bedeutung zukommen. Prinzipiell ist daher über ein entsprechendes Regelungsverfahren durch die Regelung 20 anzustreben, den Füllgrad zu einem Zeitpunkt des Abstellens der Verbrennungskraftmaschine 12 für eine Abstellzeit immer auf hohem Niveau zu halten, wofür alle vorausbekannten Informationen z. B. über eine Eingabe in ein Navigationssystem des Kraftwagens einfließen können.
Die 2 zeigt eine Zweistrom-Maschine 50, welche einen Verdichter eines Abgasturboladers umfasst, der auch als Turbine betreibbar ist. Die Zweistrom-Maschine kann dabei ein Verbrennungsgas, beispielsweise in Form eines Luft-Abgas-Gemisches als Verdichter komprimieren sowie dieses Verbrennungsgas als Turbine expandieren. Dementsprechend ist die Zweistrom-Maschine 50 in Verbindung einer Heißgas-Turboaufladung beispielsweise in einer Niederdruck-AGR-Phase verwendbar.
Bei der Zweistrom-Maschine 50 ist ein variables Drallgitter sowie ein Schieber 54 vorgesehen, welcher Schaufeln des Drallgitters 52 matrizenartig aufnimmt und somit einen Strömungseintrittsquerschnitt A_Leit der Zweistrom-Maschine 50 variabel einstellen kann.
Die 3 zeigt ein Aufladesystem 10', welches im Wesentlichen dem Aufladesystem 10 der 1 entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Elemente wie in der 1. Das Aufladesystem 10' unterscheidet sich dahingehend vom Aufladesystem 10, dass als Turbine des Abgasturboladers 18 die Zweistrom-Maschine 50 gemäß 2 eingesetzt ist. Im Aufladesystem 10' wird also die luftseitige bzw. ansaugseitige Zweistrom-Maschine 50 für einen Energierückgewinn in einer Bremsphase der Verbrennungskraftmaschine 12 und in befeuerten Teillastphasen derselbigen genutzt. Wie der 3 zu entnehmen ist, erfolgt eine Abgasrückführung 56 über die Zweistrom-Maschine 50, deren variables Drallgitter 30 als AGR-Ventil genutzt wird. Die Regelung 20 regelt dabei die Einstellung des variablen Drallgitters 52 sowie eine Luftzuführung zur Zweistrom-Maschine 50 über eine entsprechende Regelklappe 58. Die Zweistrom-Maschine 50 ist dabei in einem Kalt- oder Heißturbinenbetrieb mittels AGR betreibbar und weist also ein quasi integriertes AGR-Ventil in Form des variablen Drallgitters 52 auf.
Ein weiterer Unterschied zum Aufladesystem 10 ist, dass der Ladeluftkühler 34 durch eine Umströmungseinrichtung 60 umströmbar ist, die eine Regelklappe 62 aufweist, welche von der Regelung 20 geregelt wird.
Verwertbare, in mechanische Energie umsetzbare Energie wird über vorhandene Turbinenleistungen auf der Ansaug- und Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 12 in eine Drehmasse 64 des Abgasturboladers 18 bzw. dessen Rotors eingespeichert, welche während eines Fahrbetriebs nur relativ geringe Schwankungsbreiten von Drehzahlen des Abgasturboladers 18 zur Energieaufnahme und -abgabe durch die optimale Regelung der ansaug- und abgasseitigen Verstellelemente (Drallgitter, Abblasekomponente, etc.) aufweisen wird. Um eine unmittelbare Luftlieferungsfunktion der Zweistrom-Maschine 50 zu bewirken, wird man deren ansaugseitige Turbinenbetriebsweise in eine Verdichterbetriebsweise je nach Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 12 umschalten.
Bei der Kombination der rotierenden Schwungmasse 64 des Abgasturboladers 18 und des Gasspeichers 14 wird eine unmittelbare Luftlieferung von diesen Speicherkomponenten (Gasspeicher, Schwungmasse) zusammen oder einzeln über die Regelung 20 ausgelöst, so dass auch die sehr kleinhubvolumige Verbrennungskraftmaschine 12 mit höchsten Aufladegraden unmittelbar mit großen Luftmengen von einer Verdichterseite und/oder dem Gasspeicher 14 versorgt werden wird.
Die Regelung erhält ebenso Signale über den Druck p_sp des Gasspeichers 14 sowie über eine Drehzahl des Abgasturboladers 18 durch entsprechende Sensoren, wodurch zu jeder Zeit eine Information zu vorliegenden, zusätzlichen Energien der Aufladesysteme 10 bzw. 10' zur Verfügung stehen. Damit kann ein Energietransfer bezüglich einer Menge wie auch einer Örtlichkeit in die eine oder in die andere Richtung ausgelöst und kontrolliert werden.
Die 4 zeigt ein Aufladesystem 10'', welches im Wesentlichen dem Aufladesystem 10 der 1 entspricht. Es unterscheidet sich dahingehend, dass nun zwei Gasspeicher 14' und 14'' vorgesehen sind. Der Gasspeicher 14' ist dabei als reiner Abgasspeicher ausgebildet und kommuniziert mit der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 12 über ein Ventil 22 und mit der Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 über ein Ventil 26'. Der Gasspeicher 14'' dient zur Speicherung von Luft und kommuniziert mit der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 12 über ein Ventil 22'' und mit der Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine 12 über ein Ventil 26''. Wie der 4 zu entnehmen ist, sind die Ventile 22', 22', 26' und 26'' durch die Regelung 20 geregelt öffen- bzw. schließbar.
Mittels der Regelung 20 werden also die vier Ventile 22', 22'', 26' und 26'' zu jedem Zeitpunkt in ihrer Position kontrolliert, wobei auch ein Durchblasen von der Abgasseite zu dem Eintritt der Verbrennungskraftmaschine 12 durch eine simultane Öffnung der entsprechenden Ventile 22', 22'', 26' und 26'' erfolgen kann.
In einer Phase einer Abgasrückführung ließe sich dadurch ein Abgasrückführzweig eventuell vorteilhafter dimensionieren oder gar einsparen, wenn das Abgas eines Speicherzu- oder abflusses durch einen entsprechenden AGR-Kühler in seiner Temperatur abgesenkt werden würde.
Weist der Gasspeicher 14'' ein Volumen V_{o,sp_Luft} in der Maßeinheit Liter auf, welches größer ist, als ein Produkt aus einer entdimensionierten Konstanten K_L multipliziert mit einem Hubvolumen V_H in der Maßeinheit Liter der Verbrennungskraftmaschine, wobei sich die Konstante K_L ergibt aus dem Produkt einer Nenndrehzahl n_Mot,D in der Maßeinheit 1 pro Sekunde multipliziert mit einer Sekunde, so weist der Gasspeicher 14' ein Volumen V_{o,sp_Abgas} in der Maßeinheit Liter auf, welches größer ist als ein Produkt aus einer entdimensionierten Konstante K_A multipliziert mit dem Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine, wobei sich ein im Allgemeinen zu K_L differierender Parameter K_A ergibt. In dem Gasspeicher 14'' herrscht dabei ein Druck p_sp,L, während in dem Gasspeicher 14' ein Druck p_sp,A herrscht. Die Gasspeicher 14' und 14'' sind dabei mit Drücken 1 bar ≤ p_sp,L ≤ 6 bar und 1 bar ≤ p_sp,A ≤ 6 bar beaufschlagbar.
Die Drücke in den Gasspeichern 14' und 14'' werden sich bei simultaner Öffnung der Ventile 22', 22'', 26' und 26'' entsprechend eingestellter, engster Querschnitte und einer Pumpwirkung der Verbrennungskraftmaschine bei einer Gegendruckmodulation durch die einstellbare Turbine 16 des Abgasturboladers 18 oder eine gegebenenfalls vorgesehene Stauklappe ergeben. Üblicherweise würde man in vielen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine 12, z. B. in einer Bremsphase derselbigen, das Ventil 22', welches ein Eintrittsventil für den Gasspeicher 14' darstellt, vollkommen öffnen, und das Ventil 26'', welches ein Auslassventil für den Gasspeicher 14'' darstellt, in einem engsten Querschnitt so positionieren, dass sich ein oberer Sollspeicherdruck p_sp,L im Volumen V_{o,sp_Luft} einstellen kann.
Um bei einer luftseitigen Einspeisung des im Wesentlichen gasförmigen Mediums ein Rückströmen durch den Verdichter 30 zu vermeiden, ist eine Rückschlagklappe 66, welche selbstregelnd öffnet und schließt, auf der Ansaugseite angeordnet. Einem Verdichterpumpen wird durch Um- oder Abblasen entgegengewirkt, was in der 4 nicht dargestellt ist.
Ein in der 5 dargestelltes Aufladesystem 10'' unterscheidet sich vom Aufladesystem 10'' in der 4 lediglich durch ein Ventil 26'', welches als Auslassventil beider Gasspeicher 14' und 14'' fungiert sowie durch ein Ventil 22'', welches als gemeinsames Einlassventil der Gasspeicher 14' und 14'' fungiert. Möglich sind, wie in der 5 angedeutet, multiple Funktionen der Ventile 22'' und 26'', so wie sie aus Mischbatterien von Kalt-Warm-Wasserhähnen bekannt sind. Durch eine Ventilposition kann der eine oder andere Gasspeicher 14' bzw. 14'' oder beide Speicher 14' bzw. 14'' zusammen bei einem Füll- oder Entleervorgang über die Regelung 20 gezielt kontrolliert werden. Als Vorteil der Ventile 22'' und 26'' ergibt sich eine Einsparung von Bauraum.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19600910 A1 [0002]
- DE 19833134 C1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (12) für einen Kraftwagen mit zumindest einem Behältnis (14, 14', 14''), insbesondere einem Gasspeicher (14, 14', 14''), welches mit einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine (12) fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck der Verbrennungskraftmaschine (12) mit einem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') ein Volumen V_sp aufweist, welches sich berechnet aus Vsp[l] > KL [–] × VH[l]mit einem Hubvolumen V_H der Verbrennungskraftmaschine (12) und mit einer entdimensionierten Konstanten K_L, welche sich berechnet aus
mit einer Nenndrehzahl n_Mot,D der Verbrennungskraftmaschine (12).
Verbrennungskraftmaschine (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') mit einem Druck p_sp des im Wesentlichen gasförmigen Mediums beaufschlagbar ist, welcher in einem Bereich 1[bar] ≤ p_sp[bar] ≤ 6[bar] liegt.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Abgasseite zumindest eine Verstelleinrichtung (16) vorgesehen ist, mittels welcher der Abgasgegendruck variabel einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verstelleinrichtung (16) als Turbine (16) eines der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeordneten Abgasturboladers (18) ausgebildet ist, bei welcher ein Strömungseintrittsquerschnitt variabel einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verstelleinrichtung (16) zumindest eine Abblaseturbine umfasst.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verstelleinrichtung (16) zumindest eine Gegendruckklappe umfasst.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine (12) ein Verdichter (30) eines der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeordneten Abgasturboladers (18) vorgesehen ist, mittels welchem eine der Verbrennungskraftmaschine (12) zuführbare Verbrennungsluft verdichtbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (30) als Zweistrom-Maschine (50) ausgebildet ist, bei welcher der Verdichter auch als Turbine betreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') mit einer Verbrennungsluft und/oder mit einem Abgas und/oder mit einem Verbrennungsluft-Abgas-Gemisch der Verbrennungskraftmaschine (12) aufladbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') mit einer Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine (12) fluidisch verbunden und das in dem Behältnis (14, 14', 14'') aufgenommene, im Wesentlichen gasförmige Medium auf die Ansaugseite führbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Behältnis (14, 14', 14''), insbesondere ein Gasspeicher (14, 14', 14''), vorgesehen ist, welches zumindest mit der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine (12) fluidisch verbunden und durch einen Abgasgegendruck der Verbrennungskraftmaschine (12) mit dem im Wesentlichen gasförmigen Medium aufladbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') während Schubphasen der Verbrennungskraftmaschine (12) mit einer Verbrennungsluft der Verbrennungskraftmaschine (12) aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Behältnis (14, 14', 14'') während Verbrennungsphasen der Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) aufgeladen wird.