DE102009043387A1

DE102009043387A1 - Verbrennungsmotor mit integriertem Abwärmerückgewinnungsystem

Info

Publication number: DE102009043387A1
Application number: DE102009043387A
Authority: DE
Inventors: John R. Royal Oak Bucknell
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US20100083919A1; CN101713318A

Abstract

Eine Motoranordnung kann einen ersten Wärmetauscher, ein an den ersten Wärmetauscher einen Fluidstrom abgebendes Fluidzuführsystem, ein Kraftstoffsystem, einen eine erste und eine zweite Zylinderbohrung bildenden Motorblock, einen in der ersten Zylinderbohrung angeordneten ersten Kolben und einen in der zweiten Zylinderbohrung angeordneten zweiten Kolben umfassen. Die erste Zylinderbohrung kann Kraftstoff zur Verbrennung darin von dem Kraftstoffsystem aufnehmen, um den ersten Kolben anzutreiben. Der Fluidstrom kann in dem ersten Wärmetauscher unter Druck gesetzt werden, und das unter Druck gesetzte Fluid kann an die zweite Zylinderbohrung abgegeben werden, um den zweiten Kolben anzutreiben.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenlegung betrifft Motoranordnungen mit Abwärmerückgewinnungssystemen.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt liefert auf die vorliegende Offenlegung bezogene Hintergrundinformationen, die nicht unbedingt Stand der Technik sind.
Motoranordnungen können Abwärmerückgewinnungssysteme enthalten, um durch einen Motor erzeugte Wärme zu nutzen. Diese Systeme können typischerweise eine unterstützende Expansionsvorrichtung (Expander) in fluidtechnischer Verbindung mit einem Fluid umfassen, das vom Motor erhitzt wird. Um die von der Expansionsvorrichtung erzeugte Leistung mit dem Motor zu koppeln, können komplizierte Kopplungsvorrichtungen erforderlich sein. Die Verwendung einer unterstützenden Expansionsvorrichtung kann außerdem übermäßige Kosten und Bauraumanforderungen sowie zusätzliche Komplexität für eine Montage hervorrufen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenlegung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Eine Motoranordnung kann einen ersten Wärmetauscher, ein Fluidzuführsystem, das an den ersten Wärmetauscher einen Fluidstrom abgibt, ein Kraftstoffsystem, einen eine erste und eine zweite Zylinderbohrung bildenden Motorblock, einen in der ersten Zylinderbohrung angeordneten ersten Kolben und einen in der zweiten Zylinderbohrung angeordneten zweiten Kolben umfassen. Die erste Zylinderbohrung kann Kraftstoff zur Verbrennung darin vom Kraftstoffsystem zum Antrieb des ersten Kolbens aufnehmen. Der Fluidstrom kann im ersten Wärmetauscher unter Druck gesetzt werden, und das unter Druck gesetzte Fluid kann der zweiten Zylinderbohrung zum Antrieb des zweiten Kolbens zugeführt werden.
Ein Verfahren kann das Bereitstellen einer Kraftstoffzufuhr in eine erste Zylinderbohrung eines Motorblocks und das Zünden der Kraftstoffzufuhr umfassen, um eine Verschiebung eines sich in der ersten Zylinderbohrung befindlichen ersten Kolbens zu betreiben. Das Verfahren kann ferner das Abgeben eines Fluidstroms an einen ersten Wärmetauscher, um darin den Fluidstrom unter Druck zu setzen, und das Abgeben des unter Druck gesetzten Fluidstroms in eine zweite Zylinderbohrung des Motorblocks umfassen, um eine Verschiebung eines sich in der zweiten Zylinderbohrung befindlichen zweiten Kolbens zu betreiben.
Weitere Eignungsbereiche erschließen sich aus der hier vorgesehenen Beschreibung. Die Beschreibung und spezielle Beispiele in dieser Zusam menfassung sind nur für Darstellungszwecke beabsichtigt und nicht dazu, den Umfang der vorliegenden Offenlegung zu beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen sind nur für darstellende Zwecke von ausgewählten Ausführungsformen und nicht alle mögliche Ausführungen, und sind nicht dazu beabsichtigt, den Umfang der vorliegenden Offenlegung zu beschränken.
1 ist eine schematische Darstellung einer Motoranordnung gemäß der vorliegenden Offenlegung und
2 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Motoranordnung gemäß der vorliegenden Offenlegung.
Entsprechende Bezugszahlen geben in mehreren Ansichten der Zeichnungen durchweg entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen werden jetzt beispielhafte Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
Mit Bezug auf 1 kann eine Motoranordnung 10 einen Motorblock 12, ein Luftansaugsystem 14, ein Abgassystem 16, ein Motorkühlsystem 18, ein Kraftstoffsystem 20 und ein Abwärmerückgewinnungssystem 22 umfassen. Der Motorblock 12 kann Zylinderbohrungen 24 mit darin angeordneten und mit einer Kurbelwelle 28 verbundene Kolben 26 definieren. Der Motorblock 12 kann als ein einheitliches Gussstück ausgebildet sein.
Das vorliegende, nicht einschränkende Beispiel veranschaulicht eine Vierzylinder-Motor-Reihenanordnung, bei der erste und zweite Zylinderbohrungen 24a, 24b Verbrennungszylinder sind, und dritte und vierte Zylinderbohrungen 24c, 24d mit Druck betriebene Zylinder sind.
Das Luftansaugsystem 14 kann einen Einlasskrümmer 30 in fluidtechnischer Verbindung mit einer Luftquelle 32 sowie der ersten Zylinderbohrung 24a und der zweiten Zylinderbohrung 24b umfassen. Das Luftansaugsystem 14 kann von der dritten Zylinderbohrung 24c und der vierten Zylinderbohrung 24d isoliert sein. Das Kraftstoffsystem 20 kann einen Kraftstoffstrom in die erste Zylinderbohrung 24a und die zweite Zylinderbohrung 24b bewirken. Das Abgassystem 16 kann einen Abgaskrümmer 34 in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Zylinderbohrung 24a und der zweiten Zylinderbohrung 24b umfassen und von der dritten Zylinderbohrung 24c und der vierten Zylinderbohrung 24d isoliert sein. Der Abgaskrümmer 34 kann sich in fluidtechnischer Verbindung mit einem Abgasstrom 36 von dem ersten Zylinder 24a und dem zweiten Zylinder 24b zum Abwärmerückgewinnungssystem 22, wie nachstehend erörtert, befinden und diese bewirken.
Das Motorkühlsystem 18 kann einen Kühlmittelbehälter 38, eine Kühlmittelpumpe 40, ein Thermostatventil 42, einen Wärmetauscher 44 und eine Fahrzeuginnenraumheizung 46 umfassen. Die Kühlmittelpumpe 40 kann Motorkühlmittel aus dem Kühlmittelbehälter 38 durch Kühlmittelkanäle (nicht dargestellt) im Motorblock 12 und anschließend in den Kühlmittelbehälter 38 zurück pumpen. Wenn das Motorkühlmittel durch den Motorblock 12 hindurch geht, nimmt es Wähne auf. Das erwärmte Motorkühlmittel wird, wie oben erörtert, in den Kühlmittelbehälter 38 zurück gefördert.
Bevor das Motorkühlmittel in den Motorblock 12 zurückgeführt wird, strömt es durch die Fahrzeuginnenraumheizung 46 und/oder den Wärmetauscher 44. Fahrzeuginnenraumheizung 46 und Wärmetauscher 44 können die Temperatur des Kühlmittels reduzieren. Spezieller kann die Fahrzeuginnenraumheizung 46 die Wärme vom Kühlmittel ins Fahrzeuginnere übertragen. Der Wärmetauscher 44 kann, wie nachstehend erörtert, zusätzlich einen Teil des Abwärmerückgewinnungssystems 92 bilden. Die durch den Wärmetauscher 44 gelangende Durchflussmenge von Kühlmittel kann durch das Thermostatventil 42 gesteuert werden.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 22 kann ein Fluidzuführsystem 48 in fluidtechnischer Verbindung mit einem Wärmetauscher 50 enthalten. Das Fluidzuführsystem 48 kann eine Pumpe 52, einen Behälter 54 und erste und zweite Steuerventile 56, 58 umfassen. Der Behälter 54 kann ein Fluid enthalten, welches das Abwärmerückgewinnungssystem 22 genutzt hat. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Fluid Wasser enthalten. Der Behälter 54 kann zusätzlich einen Verflüssiger umfassen, um das Fluid von dampfförmig in flüssig umzuwandeln. Der Wärmetauscher 50 kann einen ersten Durchflussweg 60 in fluidtechnischer Verbindung mit dem die ersten und zweiten Zylinder 24a, 24b verlassenden Abgasstrom 36 und einen zweiten Durchflussweg 62 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Fluid aus dem Fluidzuführsystem 48 enthalten. Der zweite Durchflussweg 62 kann sich zusätzlich in fluidtechnischer Verbindung mit dem dritten Zylinder 24c befinden.
Während des Betriebes kann das Fluidzuführsystem 48 das Fluid durch den zweiten Durchflussweg 62 in den Wärmetauscher 50 drücken, in dem das Abgas 36 das Fluid erwärmt. Das Fluid kann sich auf der Erwärmung im Wärmetauscher 50 beruhend von einer Flüssigkeit in Dampf verändern. Wenn das Fluid von Flüssigkeit in Dampf übergeht, kann es sich ausdehnen, was den Druck erhöht. Der Dampf wird dem dritten Zylinder 24c zugeführt, wo der erhöhte Druck auf den Kolben 26 aufgebracht wird, um die Antriebsdrehung der Kurbelwelle 28 zu unterstützen. Die Menge von dem dritten Zylinder 24c zugeführtem Dampf kann durch das erste Steuerventil 56 gesteuert werden. Zuviel Dampf kann durch das zweite Steuerventil 58 in den Behälter 54 zurückkehren.
Nachdem der Arbeitshub des dritten Zylinders 24c beendet ist, kann das Fluid im dampfförmigen Zustand verbleiben und deshalb genutzt werden, um die Verschiebung eines anderen Kolben 26 zu betreiben. Spezieller können sich dritter Zylinder 24c und vierter Zylinder 24d in fluidtechnischer Verbindung miteinander befinden. Der Durchfluss vom dritten Zylinder 24c zum vierten Zylinder 24d kann durch ein drittes Steuerventil 64 gesteuert werden. Der Auslasshub des Kolbens 26 im dritten Zylinder 24c kann den Abgasstrom vom dritten Zylinder 24c zum vierten Zylinder 24d bewirken, wobei der Kolben 26 im vierten Zylinder 24d basierend auf einem durch den Auslassdampf vom dritten Zylinder 24c bewirkten Druck verschoben wird. Während des Ausstoßtaktes oder Auslasshubes des Kolbens 26 im vierten Zylinder 24d kann der restliche Dampf und/oder die Flüssigkeit in den Behälter 54 zurückgeführt werden.
In dem vorliegenden, nicht einschränkenden Beispiel kann der Fluidstrom durch die Pumpe 52 an den Wärmetauscher 50 abgegeben werden. Das Fluid kann zuerst durch den Wärmetauscher 44 des Kühlsystems 18 gelangen, um eine zusätzliche Wärmequelle für das Fluid zu bewirken, bevor es den Wärmetauscher 50 durchläuft. Zusätzlich können im vorliegenden, nicht einschränkenden Beispiel die ersten und zweiten Zylinder 24a, 24b (Verbrennungszylinder) direkt nebeneinander angeordnet sein. Die ersten und zweiten Zylinder 24a, 24b befinden sich normalerweise zwischen den dritten und vierten Zylindern 24c, 24d.
Während die ersten und dritten Steuerventile 56, 64 schematisch dargestellt sind, wird verständlich, dass jedes dem Einlassventil eines Motors ähnlich sein kann. Spezieller kann sich jedes der ersten und dritten Steuerventile 56, 64 mit einer Motornockenwelle (nicht dargestellt) in Eingriff befinden und deshalb mechanisch gesteuert werden. Während die Motoranordnung 10 als eine Vierzylinder-Reihenanordnung dargestellt ist, wird des Weiteren verständlich, dass sich die gegenwärtige technische Lehre auf eine Vielfalt anderer Motoranordnungen einschließlich V-Motoren und Boxermotoren sowie Motoren anwenden lässt, wie mehrere oder weniger Zylinder aufweisen. Zum Beispiel stellt 2 die gegenwärtige technische Lehre dar, die in einer Sechszylinder-Reihenanordnung genutzt wird.
Mit Bezug jetzt auf 2 ist schematisch eine alternative Motoranordnung 100 dargestellt. Wie es oben angegeben ist, veranschaulicht die Motoranordnung 100 allgemein einen Sechszylinder-Reihenmotor, der ein dem Abwärmerückgewinnungssystem 22 von 1 im Allgemeinen ähnliches Abwärmerückgewinnungssystem 122 nutzt. Die Motoranordnung 100 kann der in 1 gezeigten Motoranordnung 10 im Allgemeinen ähnlich sein. Daher ist es verständlich, dass die obige Beschreibung allgemein mit den nachstehend angemerkten Ausnahmen Anwendung findet.
Die Motoranordnung 100 kann einen Motorblock umfassen, der einen ersten, zweiten und dritten Zylinder 124a, 124b, 124c (Verbrennungszylinder) in fluidtechnischer Verbindung mit dem Kraftstoffsystem 120 sowie einen vierten, fünften und sechsten Zylinder 124d, 124e, 124f in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abwärmerückgewinnungssystem 122 bildet. Der vierte Zylinder 124d kann zuerst den Dampf aus dem Abwärmerückgewinnungssystem 122 aufnehmen, und der fünfte Zylinder 124e und der sechste Zylinder 124f können Abdampf vom vierten Zylinder 124d aufnehmen. Die Steuerventile 166, 168 können die fluidtechnische Verbindung zwischen dem vierten Zylinder 124d und dem fünften Zylinder 124e und sechsten Zylinder 124f steuern.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel eines Reihensechszylinders können der erste, zweite und dritte Zylinder 124a, 124b, 124c (Verbrennungszylinder) direkt aneinander angrenzend angeordnet sein. Der vierte, fünfte und sechste Zylinder 124d, 124e, 124f können auch jeweils direkt aneinander angrenzend angeordnet sein.

Claims

Motoranordnung, umfassend: einen ersten Wärmetauscher; ein Fluidzuführsystem, das an den ersten Wärmetauscher einen Fluidstrom abgibt, wobei der Fluidstrom in dem ersten Wärmetauscher unter Druck gesetzt ist; ein Kraftstoffsystem; einen Motorblock, der eine erste und eine zweite Zylinderbohrung bildet, wobei die erste Zylinderbohrung Kraftstoff zur Verbrennung darin von dem Kraftstoffsystem aufnimmt, und die zweite Zylinderbohrung das den ersten Wärmetauscher verlassende, unter Druck gesetzte Fluid aufnimmt; einen ersten Kolben, der in der ersten Zylinderbohrung angeordnet ist und durch Verbrennung in der ersten Zylinderbohrung hin- und hergehend verschoben wird; und einen zweiten Kolben, der in der zweiten Zylinderbohrung angeordnet ist und durch das unter Druck gesetzte Fluid hin- und hergehend verschoben wird.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der ein durch die Verbrennung in der ersten Zylinderbohrung erzeugtes Abgas sich in fluidtechnischer Verbindung mit dem ersten Wärmetauscher befindet, wobei das Abgas eine Wärmequelle für den ersten Wärmetauscher bewirkt, um den Druck des durch den ersten Wärmetauscher gelangenden Fluidstroms zu erhöhen.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der der Fluidstrom als Flüssigkeit in den ersten Wärmetauscher eintritt und als Dampf den ersten Wärmetauscher verlässt.
Motoranordnung nach Anspruch 3, bei der der in den ersten Wärmetauscher eintretende Fluidstrom flüssiges Wasser enthält und der den ersten Wärmetauscher verlassende Fluidstrom Wasserdampf enthält.
Motoranordnung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Motorkühlsystem, das einen zweiten Wärmetauscher mit einem durchlaufenden Motorkühlmittel enthält, wobei das Fluidzuführsystem sich in fluidtechnischer Verbindung mit dem zweiten Wärmetauscher befindet und der Fluidstrom von dem durch den zweiten Wärmetauscher gelangenden Motorkühlmittel erwärmt wird.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der der Motorblock eine dritte Zylinderbohrung mit einem darin angeordneten dritten Kolben umfasst, wobei die dritte Zylinderbohrung Abgas von der zweiten Zylinderbohrung aufnimmt, um den dritten Kolben hin- und hergehend anzutreiben.
Motoranordnung nach Anspruch 6, bei der der Motorblock eine vierte Zylinderbohrung mit einem darin angeordneten vierten Kolben umfasst, wobei die vierte Zylinderbohrung Kraftstoff zur Verbrennung darin von dem Kraftstoffsystem aufnimmt, um den vierten Kolben hin- und hergehend anzutreiben, wobei die erste und die vierte Zylinderbohrung direkt aneinander angrenzen.
Motoranordnung nach Anspruch 7, bei der die zweite Zylinderbohrung an die erste Zylinderbohrung angrenzt und die dritte Zylinderbohrung an die vierte Zylinderbohrung angrenzt.
Motoranordnung nach Anspruch 7, bei der die zweite Zylinderbohrung und die dritte Zylinderbohrung direkt aneinander angrenzen.
Motoranordnung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle sich mit dem ersten und dem zweiten Kolben in Eingriff befindet und durch diese drehend angetrieben wird.
Motorabwärme-Rückgewinnungssystem, umfassend: einen ersten Wärmetauscher; und ein Fluidzuführsystem, das einen Fluidstrom an den ersten Wärmetauscher abgibt, wobei der Fluidstrom in dem ersten Wärmetauscher unter Druck gesetzt ist und an eine erste Zylinderbohrung eines Motorblocks abgegeben wird, um einen darin angeordneten ersten Kolben anzutreiben, wobei der Motorblock eine zweite Zylinderbohrung mit einem darin angeordneten zweiten Kolben bildet, der durch Verbrennung von Kraftstoff darin angetrieben wird.
Motorabwärme-Rückgewinnungssystem nach Anspruch 11, bei dem sich der erste Wärmetauscher mit einem Abgas von der zweiten Zylinderbohrung in fluidtechnischer Verbindung befindet, wobei das Abgas eine Wärmequelle für den ersten Wärmetauscher bewirkt, um den Druck des durch den ersten Wärmetauscher gelangenden Fluidstroms zu erhöhen.
Motorabwärme-Rückgewinnungssystem nach Anspruch 11, bei dem der Fluidstrom als Flüssigkeit in den ersten Wärmetauscher eintritt und als Dampf den ersten Wärmetauscher verlässt.
Motorabwärme-Rückgewinnungssystem nach Anspruch 13, bei dem der in den ersten Wärmetauscher eintretende Fluidstrom flüssiges Wasser enthält und der den ersten Wärmetauscher verlassende Fluidstrom Wasserdampf enthält.
Motorabwärme-Rückgewinnungssystem nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend einen zweiten Wärmetauscher, wobei sich der zweite Wärmetauscher mit einem Motorkühlmittel und dem Fluidzuführsystem in fluidtechnischer Verbindung befindet, wobei der Fluidstrom von dem durch den zweiten Wärmetauscher gelangenden Motorkühlmittel erwärmt wird.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Kraftstoffzufuhr für eine erste Zylinderbohrung eines Motorblocks; Zünden der Kraftstoffzufuhr, um eine Verschiebung eines sich in der ersten Zylinderbohrung befindlichen ersten Kolbens zu betreiben; Bereitstellen eines Fluidstroms für einen ersten Wärmetauscher, um den Fluidstrom darin unter Druck zu setzen; und Bereitstellen eines unter Druck gesetzten Fluidstroms für eine zweite Zylinderbohrung des Motorblocks, um die Verschiebung eines in der zweiten Zylinderbohrung befindlichen, zweiten Kolbens zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend Bereitstellen eines Abgases aus der ersten Zylinderbohrung für den ersten Wärmetauscher, um den Fluidstrom in dem ersten Wärmetauscher unter Druck zu setzen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Druckbeaufschlagung des Fluidstroms das Erwärmen desselben umfasst, um den Fluidstrom von einer Flüssigkeit in einen Dampf umzuwandeln.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Bereitstellen eines Fluidstroms das Bereitstellen von Wasser für den ersten Wärmetauscher umfasst, und der für die zweite Zylinderbohrung bereitgestellte, unter Druck gesetzte Fluidstrom Wasserdampf enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend das Bereitstellen des die zweite Zylinderbohrung verlassenden, unter Druck gesetzten Fluidstroms für eine dritte Zylinderbohrung des Motorblocks während eines Auslasshubes des zweiten Kolbens.