DE102010047112A1

DE102010047112A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010047112A1
Application number: DE102010047112A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rohs; Dieter Voigt
Original assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Current assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2011-09-01

Abstract

Um bei einem Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe sowie der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist, schlägt die Erfindung einen Verbrennungsmotor vor, welcher stromabwärts der Kaltstromkammer einen Arbeitsgasverteiler mit wenigstens zwei Ausgängen aufweist, wobei die Ausgänge des Arbeitsgasverteilers jeweils mit einem Eingang der Expansionszylinder verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager, wobei Wärme auf ein in einer Verdichtergruppe verdichtetes Arbeitsgas mittels des Wärmeübertragers übertragen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem einlassseitigen Ladungswechselventil sowie wenigstens einem auslassseitigen Ladungswechselventil. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einer Kraftstoffleitung.
Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Verdichtungszylinder und einem hiervon separaten Expansionszylinder, wodurch ein Viertaktverfahren in zwei räumlich getrennten Zylindern ermöglicht wird, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. In der US 5,857,436 beispielsweise wird ein Verbrennungsmotor mit einem Verdichtungszylinder und einem Expansionszylinder und einem zwischen diesen angeordneten Wärmeübertrager beschrieben, wobei dem Arbeitsprozess nicht zugeführte Abgaswärme über den Wärmeübertrager in den Kreisprozess wieder eingekoppelt wird. Nachteilig an dieser Bauform ist jedoch der Umstand, dass für den Wärmeübertrager lediglich ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Hieraus ergibt sich ein begrenzter Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wegen einer durch den Ladungswechsel bewirkten instationären Strömung im Wärmeübertrager und wegen eines nicht unerheblichen Aufwandes den Wärmeübertrager in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors zu integrieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, bei einem Verbrennungsmotor einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe sowie der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist, wobei eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass der Verbrennungsmotor stromabwärts der Kaltstromkammer einen Arbeitsgasverteiler mit wenigstens zwei Ausgängen aufweist und die Ausgänge des Arbeitsgasverteilers jeweils mit einem Eingang der Expansionszylinder verbunden sind. Ebenso wird ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei Wärme auf ein in einer Verdichtergruppe verdichtetes Arbeitsgas mittels des Wärmeübertragers übertragen wird und sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass das Arbeitsgas auf wenigstens zwei Expansionszylinder der Expandergruppe verteilt wird.
Mittels der vorstehenden Lösung der eingangs gestellten Aufgabe kann in einer effektiven Art und Weise der Wirkungsgrad, insbesondere der thermodynamische Wirkungsgrad, des Verbrennungsmotors über die Einkopplung der Abgaswärme in den Kreisprozess durch den Vorteil erhöht werden, welcher sich durch einen besseren und kontinuierlicheren Gasfluss durch den Wärmeübertrager aufgrund des Arbeitsgasverteilers ergibt. Der Vorteil des kontinuierlicheren Gasflusses durch den Wärmeübertrager bringt auch Vorteile in der Konstruktion des Wärmeübertragers, da instationäre Vorgänge weitestgehend minimiert werden können, wodurch ein für diese Zwecke geeigneter Wärmeübertrager mit einem erheblich geringeren Aufwand entwickelt und zur Anwendung kommen kann.
Eine innere, intermittierende Verbrennung beschreibt in diesem Fall eine innerhalb eines Zylinders erfolgende und eine in jedem Arbeitsspiel des Zylinders wiederholte Verbrennung einer Zylinderladung. Diese innere, intermittierende Verbrennung findet bei gattungsgemäßen Verbrennungsmotoren üblicherweise im Expansionszylinder statt, wobei der Expansionszylinder die Prozessschritte „Arbeiten” und „Ausschieben” eines Viertaktverfahrens umsetzt. Im Gegensatz hierzu und räumlich getrennt vom Expansionszylinder übernimmt der Verdichtungszylinder die Aufgaben „Ansaugen” und „Verdichten” eines Viertaktverfahrens. Da ein Verdichtungszylinder und ein Expansionszylinder nicht notwendigerweise zwei in einem Motorblock benachbarte Zylinder sein müssen, können Verdichtungszylinder baulich in einer Verdichtergruppe und die Expansionszylinder baulich in einer von der Verdichtergruppe separaten Expandergruppe angeordnet sein.
Als Wärmeübertrager wird hierzu ein Wärmeübertrager mit getrennten Stoffströmen, also einem wärmeabgebenden Stoffstrom und einem wärmeaufnehmenden Stoffstrom, verwendet. Die Übertragung von Wärme erfolgt, nach den Prinzipien der Thermodynamik, stets von einem heißen Stoffstrom auf einen kalten Stoffstrom, weswegen das den kälteren Arbeitsgasstrom führende Volumen des Wärmeübertragers als „Kaltstromkammer” definiert wird und das den heißeren Abgasstrom führende und von der Kaltstromkammer abgetrennte Volumen des Wärmeübertragers als „Heißstromkammer” definiert wird. Mit dieser Definition sind, wie sofort ersichtlich, ebenfalls alle Stromrichtungen definiert, wobei mit „stromabwärts der Kaltstromkammer” eine Arbeitsgas führende Zuleitung zwischen dem Wärmeübertrager und der Expandergruppe gemeint ist, mit „stromaufwärts der Kaltstromkammer” eine Arbeitsgas führende Zuleitung zwischen der Verdichtergruppe und dem Wärmeübertrager gemeint ist, mit „stromabwärts der Heißstromkammer” eine Abgas führende Zuleitung vom Wärmeübertrager zu einem Abgasstrang oder zu einer Umgebung gemeint ist und mit „stromaufwärts der Heißstromkammer” eine Abgas führende Zuleitung zwischen der Expandergruppe und dem Wärmeübertrager gemeint ist.
Um den Vorteil eines verbesserten Wirkungsgrades durch einen kontinuierlicheren Gasfluss durch den Wärmeübertrager baulich einfach umzusetzen, wird weiterhin vorgeschlagen, dass mindestens ein Ausgang der Expansionszylinder mit der Heißstromkammer verbunden ist. Diese Ausgestaltung bedingt entsprechend, dass ein aus den Expansionszylindern austretendes Abgas durch den Wärmeübertrager geleitet wird. Das Beschicken der Heißstromkammer mit Abgas mehrerer Expansionszylinder, welches wegen des Zündabstandes zu unterschiedlichen Zeitpunkten austritt, vermindert Schwankungen im Strömungsverhalten des Abgases innerhalb des Wärmeübertragers.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass eine das Arbeitsgas führende Zuleitung zwischen der Verdichtergruppe und dem Wärmeübertrager wärmeisoliert ist. Dies hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, insbesondere der thermodynamische Wirkungsgrad des Kreisprozesses des Verbrennungsmotors, auf einem hohen Niveau gehalten wird, indem Wärmestrahlung und in Folge dessen ein Verlust der eingesetzten Kraftstoffenergie vermindert wird. Diese Zuleitung kann beispielsweise eine Zuleitung von der Kaltstromkammer zu der Expandergruppe oder auch eine Zuleitung von der Expandergruppe zu der Heißstromkammer sein.
Bei einem Verbrennungsmotor mit vorstehenden Merkmalen kann auch das Hubvolumen der Verdichtergruppe dem Hubvolumen der Expandergruppe entsprechen. Es kann hierdurch eine einfache Bauweise des Verbrennungsmotors realisiert werden, insbesondere dann, wenn ein Verbrennungsmotor beispielsweise mit zwei identischen Zylinderbänken ausgeführt ist und zwischen diesen Zylinderbänken platzsparend der Wärmeübertrager angeordnet ist.
Alternativ ist auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung ein Verbrennungsmotor mit einem Wärmeübertrager vorteilhaft, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Verdichtergruppe ein kleineres Hubvolumen aufweist als die Expandergruppe. Hierdurch kann wiederum ein Vorteil im thermodynamischen Wirkungsrad erzielt werden, indem der in diesem Verbrennungsmotor umgesetzte Kreisprozess mit einer verlängerten Expansion ausgeführt wird. Mit „verlängerter Expansion” ist eine Expansion des Arbeitsgases bzw. des Abgases über das Ansaugvolumen hinaus, statt einer Expansion bis zum Volumen bei Verdichtungsbeginn bzw. bis zum Ansaugvolumen, gemeint. Durch diese Maßnahme erhöht sich die durch den thermodynamischen Kreisprozess verfügbare nutzbare Arbeitsleistung bei gleichbleibendem Kraftstoffenergieeinsatz.
Insbesondere kann die Expandergruppe eine höhere Zylinderzahl als die Verdichtergruppe aufweisen. Der beschriebene Vorteil eines erhöhten Wirkungsrades kann durch verlängerte Expansion in dieser Ausgestaltung in einfacher Art und Weise bewerkstelligt werden.
Alternativ oder kumulativ zu den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen kann auch die Expandergruppe Zylinder mit einer größeren Bohrung und/oder Zylinder mit einem größeren Hub als die Verdichtergruppe aufweisen. Diese Maßnahme bringt wiederum den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades durch die zuvor beschriebene verlängerte Expansion.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Verdichtergruppe und/oder die Expandergruppe wenigstens ein in Stromrichtung öffnenden Ladungswechselventil aufweist. Verbrennungsmotoren nach dem Stand der Technik mit Otto- oder Dieselverfahren weisen fast ausschließlich Ladungswechselventile, insbesondere Tellerventile, mit in den Verbrennungsraum hinein ragenden Tellern auf, so dass hierdurch eine Öffnung des Ventils in den Verbrennungsraum hinein erzwungen wird. Der im Verbrennungsraum vorliegende Verbrennungsdruck bewirkt dabei eine Dichtwirkung, da der Teller des Ventils in seinen Ventilsitz gepresst wird. Um den Vorteil einer selbständigen Dichtwirkung nach vorgenanntem Vorschlag auch bei einem gattungsgemäßen Verbrennungsmotor umzusetzen, ist es denkbar, dass ein in Stromrichtung öffnendes Ladungswechselventil eine vom Verbrennungsraum gesehen nach außen weisende Öffnungsrichtung aufweist.
Um diesen Vorteil auch bei einem Einlassventil umzusetzen, wird alternativ hierzu vorgeschlagen, dass die Verdichtergruppe oder die Expandergruppe wenigstens ein entgegen der Stromrichtung öffnendes Ladungswechselventil aufweist. Dieser Vorschlag kann vorteilhaft dann umgesetzt werden, wenn im Einlasskanal eines Zylinders ein höherer Druck vorherrscht als im Zylinder selbst, was insbesondere beispielsweise an einem Einlassventil der Expansionszylinder der Fall sein kann, wenn der Druck des verdichtetes Arbeitsgas an dem geschlossenen Einlassventil des Expansionszylinders anliegt, während der Expansionszylinder Abgas ausstößt bzw. ausschiebt. Somit kann ein nach außen öffnendes Ventil auch entgegen der Stromrichtung eine selbsttätige Dichtwirkung aufweisen.
Andererseits kann die Verdichtergruppe oder die Expandergruppe wenigstens ein als Schieber ausgeführtes Ladungswechselventil aufweist. Vorteilhaft wird hiermit eine Ladungswechselsteuerung umgesetzt, welche im Wesentlichen druckunabhängig ist. Die Dichtwirkung eines als Schieber ausgeführten Ladungswechselventils ist nur untergeordnet von den anliegenden Gasdrücken abhängig, da die Öffnungsrichtung und die Richtung der Druckbeaufschlagung am Ladungswechselventil divergieren.
Ein als Schieber ausgeführtes Ladungswechselventil bietet zusätzlich den Vorteil einer einfachen Steuerung bzw. eines einfachen Steuertriebes, da der Schieber beispielsweise wie ein Kolben ausgeführt werden kann, wobei er ebenfalls durch die Kurbelwelle gesteuert wird. Um diesen Vorteil umzusetzen, wird daher kumulativ vorgeschlagen, dass das Ladungswechselventil eine Kurbelwellensteuerung aufweist.
Der Schieber kann insbesondere ein Flachschieber oder ein Walzenschieber sein. Hierdurch wird eine einfache Bauform des Schiebers ermöglicht, wodurch sich ein Kostenvorteil oder aber auch ein Vorteil in der Konstruktion ergibt.
Weiterhin wird ein Verbrennungsmotor nach den vorstehenden Merkmalen vorgeschlagen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Expandergruppe eine Einlassventilgruppe und eine Auslassventilgruppe aufweist, wobei die Einlassventilgruppe einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Auslassventilgruppe aufweist. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Viertaktverfahren gelangt das Arbeitsgas unter hohen Druck in den Expansionszylinder und verlässt diesen Expansionszylinder nach dem Entspannen bei annäherndem Umgebungsdruck. Hierdurch ergibt sich eine Volumenvergrößerung, wobei konsequenterweise auch der Volumenstrom durch die Auslassventilgruppe ein größerer sein kann als der durch die Einlassventilgruppe strömende Volumenstrom. Somit wird mittels eines größeren Strömungsquerschnittes in der Auslassventilgruppe ein Vorteil in der Ladungswechselarbeit erzielt.
Insbesondere können zwei Ladungswechselventile der Einlassventilgruppe in Reihe geschaltet sein. Durch diese Maßnahme bietet sich die vorteilhafte Möglichkeit, eine Druckentlastung an diesen Ladungswechselventilen vorzusehen.
Daher wird kumulativ hierzu weiterhin vorgeschlagen, dass zwei in Reihe geschaltete Ladungswechselventile der Einlassventilgruppe eine voneinander verschiedene Öffnungsrichtung aufweisen. Es kann an jedem einzelnen dieser Ladungswechselventile der Vorteil einer selbständigen Dichtwirkung umgesetzt werden. Im Falle einer an einem Expansionszylinder befindlichen Einlassventilgruppe mit zwei in Reihe geschalteten Ladungswechselventilen kann das erste Ventil eine nach außen gerichtete Öffnungsrichtung aufweisen, wodurch sich bei einem hohen Druck im Einlasskanal ein selbstdichtender Ventilsitz ausbildet. Das zweite dieser in Reihe geschalteten Ventile kann folglich eine in den Verbrennungsraum gerichtete Öffnungsrichtung aufweisen, wodurch der Verbrennungsdruck im Expansionszylinder einen weiteren selbstdichtenden Ventilsitz ermöglicht. Die unterschiedliche Dichtwirkung beider Ventilsitze ergibt in Summe eine in jedem Betriebspunkt betriebssicher abgedichtete Ventilgruppe. Insofern ist eine derartige Reihenschaltung auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für einen Verbrennungsmotor mit einem Wärmeübertrager sowie getrennten Verdichter- und Expandergruppen entsprechend vorteilhaft.
Kumulativ oder alternativ hierzu können wenigstens zwei Ladungswechselventile der Einlassventilgruppe parallel geschaltet sein. Die Parallelschaltung zweier Ventile ermöglicht den Vorteil eines großen Strömungsquerschnitts.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine wenigstens ein Ladungswechselventil betätigende Nockenwelle eine zur Kurbelwellendrehzahl synchrone Drehzahl aufweist. Ein nach dieser Erfindung vorgeschlagener Verbrennungsmotor mit einem Verdichtungszylinder und einem Expansionszylinder realisiert in Kombination beider Zylinder ein Viertaktverfahren in einer Kurbelwellenumdrehung statt in zwei Kurbelwellenumdrehungen, wodurch in jedem Zylinder für sich ein Verfahren mit zwei Takten umgesetzt wird. Ein Arbeitszyklus, welcher in jeder Kurbelwellenumdrehung einmal ausgeführt wird, erfordert dementsprechend auch einen kurbelwellensynchronen Ladungswechsel, welcher vorteilhaft durch eine mit Kurbelwellendrehzahl synchron umlaufenden Nockenwelle umgesetzt wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Steuerung der Einlassventilgruppe und eine Steuerung der Auslassventilgruppe unterschiedliche Nockenwellen aufweist. Zusätzlich zum Vorteil unterschiedlicher Steuerzeiten und dem Vorteil eine bauraumoptimierte Ventilsteuerung auszuführen, kann hierdurch der weitere Vorteil umgesetzt werden, die für die Einlassventilgruppe und die Auslassventilgruppe unterschiedlichen Nockenwellen für unterschiedliche Nockenkräfte auszulegen. Beispielsweise kann eine dieser Nockenwellen für besonders hohe Nockenkräfte ausgelegt werden und die andere Nockenwelle für geringere Nockenkräfte, wodurch die Reibleistung der jeweiligen Nockenwelle bedarfsgerecht vorliegt und der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors entsprechend optimiert wird.
Um diese Vorteile weiterhin umzusetzen, kann eine Ventilsteuerung der Verdichtergruppe und eine Ventilsteuerung der Expandergruppe unterschiedliche Nockenwellen aufweisen.
Alternativ oder kumulativ hierzu wird ein Verbrennungsmotor nach dem vorstehenden Merkmalen vorgeschlagen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass der Verbrennungsmotor Mittel zur äußeren Gemischbildung aufweist. Mit „äußerer Gemischbildung” ist eine Kraftstoffzumessung außerhalb eines Zylinders gemeint, wodurch der Vorteil umgesetzt wird, einem Zylinder ein wesentlich homogeneres Kraftstoff-Luft-Gemisch zuzuführen als dies bei einer inneren Gemischbildung der Fall wäre.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Expandergruppe Mittel zur inneren Gemischbildung aufweist. Wird der zur Verbrennung notwendige Kraftstoff innerhalb eines Expansionszylinders zugeführt, kann vorteilhaft eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, beispielsweise im Wärmeübertrager, betriebssicher vermieden werden. Selbstverständlich kann eine äußere Gemischbildung und eine innere Gemischbildung in der Weise kombiniert werden, dass das durch eine äußere Gemischbildung vorliegende Kraftstoff-Luft-Gemisch ein Mischungsverhältnis jenseits einer für den Kraftstoff charakteristischen Zündgrenze aufweist. Somit kann wenigstens eine teilweise Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht werden. Der Begriff Zündgrenze bezeichnet hierbei die von dem Kraftstoff-Luft-Gemisch abhängige Zündfähigkeit.
Um eine vorteilhaft einfache Verfahrensführung umzusetzen, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Verbrennungsmotor ein Brennverfahren mit Selbstzündung aufweist.
Vorteilhaft kann ein Brennverfahren mit Selbstzündung auch als Dieselbrennverfahren, mit für dieses Brennverfahren typischen hohen Wirkungsgraden, ausgeführt werden, so dass vorgeschlagen wird, dass der Verbrennungsmotor bei Erreichen der Selbstzündbedingungen ein heterogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch aufweist. Die Selbstzündung und die Selbstzündbedingungen ergeben sich aus dem jeweils eingesetzten Kraftstoff. Es versteht sich, dass ein Dieselbrennverfahren nicht notwendigerweise mit Dieselkraftstoff ausgeführt wird. Denkbar sind auch veresterte Pflanzenöle, Leichtöle, Schweröle, Kerosin, Gasöle, Leichtbenzine, Schwerbenzine, Petroleum, synthetisch hergestellte Kraftstoffe oder brennbare Gase.
Zudem können andere Brennverfahren oder mit Dieselbrennverfahren kombinierte, sogenannte Hybridbrennverfahren, ausgeführt werden. Es wird daher vorgeschlagen, dass der Verbrennungsmotor bei Erreichen der Selbstzündbedingungen ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch aufweist. Ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch kann beispielsweise auch dadurch vorliegen, dass mittels einer inneren Gemischbildung durch einen sehr frühen Einspritzzeitpunkt Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird.
Nach einem weiterem Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass die Verdichtergruppe wenigstens ein selbsttätig öffnendes und selbsttätig schließendes Ladungswechselventil aufweist. Ein solches selbsttätig öffnendes und selbsttätig schließendes Ladungswechselventil bietet den Vorteil, dass bei veränderlichen Betriebsbedingungen eine gute Regelungsmöglichkeit, insbesondere des erforderlichen Verdichtungsenddruckes, gegeben ist, so dass mittels dieser Lösung ebenfalls der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors maximiert werden kann. Je nach konkreter Ausgestaltung der Verfahrensführung kann eine selbsttätige Steuerung der Ladungswechselventile sowohl in einem Verdichtungszylinder als auch in einem Expansionszylinder erfolgen.
Bei der selbsttätigen Steuerung der Ladungswechselventile kann das Ladungswechselventil ein Einlassventil oder ein Auslassventil sein. Dies hat wiederum Vorteile für den Wirkungsgrad, wobei zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ein selbsttätig öffnendes und selbsttätig schließendes Ventil an einer Stelle in dem Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem zwangsgesteuerten Ventil an einer anderen Stelle in dem Verbrennungsmotor die Vorteile beider Steuerungsarten vereint.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Ladungswechselventil als Teller-, Platten- oder Kugelventil ausgebildet ist. Vorteilhaft wird hierdurch eine einfache und kostengünstige Bauweise für das Ladungswechselventil umgesetzt.
Es versteht sich, dass eine Ausgestaltung eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem selbsttätig öffnenden und selbsttätig schließenden Ladungswechselventil, vorzugsweise in der Verdichtergruppe, auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft ist.
Alternativ bzw. kumulativ wird ferner ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass der Wärmeübertrager als Gegen-Kreuzstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Diese Bauweise bietet den Vorteil, auch bei begrenztem Bauraum einen möglichst hohen Wärmeübertragerwirkungsgrad zu erzielen.
Ein derartiger Wärmeübertrager kann weiterhin Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein, wodurch eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung umgesetzt werden kann. Wie sofort ersichtlich ist ein als Plattenwärmeübertrager auch für sich alleine vorteilhaft für einen gattungsgemäßen Verbrennungsmotor.
Es versteht sich, dass auch diese Ausgestaltung eines Wärmeübertragers auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft ist.
Auch wird, um die eingangs stehende Aufgabe zu lösen, ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass die Heißstromkammer eingangsseitig eine höhere Anzahl an Anschlussflaschen aufweist als eingangsseitig.
Besonders vorteilhaft wird durch diese Ausgestaltung eines Wärmeübertragers die für die Verlustwärme verantwortliche Oberfläche zwischen der Expanderstufe und dem Wärmeübertrager, insbesondere zwischen der Expanderstufe und der Heißstromkammer, minimiert. Diese Ausgestaltung erlaubt es zudem einen üblicherweise verwendeten Abgassammler bzw. Abgaskrümmer zu substituieren, wodurch neben dem thermodynamischen Vorteil im gesteigerten Wirkungsgrad zusätzlich ein Vorteil durch verringerte Fertigungskosten erzielt wird.
Auch ist es möglich, wenn die Heißstromkammer eingangsseitig wenigstens zwei Anschlussflansche und ausgangsseitig einen Anschlussflansch aufweist. Insbesondere ist ein Wärmeübertrager für einen gattungsgemäßen Verbrennungsmotor vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher einen Anschlussflansch für jeweils einen Expansionszylinder der Expandergruppe aufweist. Die vorstehend genannten thermodynamischen und fertigungstechnischen Vorteile werden durch diese Ausgestaltung besonders umfangreich umgesetzt.
Alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen und entsprechend den zu erwartenden Vorteilen bezüglich des thermodynamischen Wirkungsgrades sowie der Fertigungskosten wird ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe austretendem Abgas auf ein in einer Verdichtergruppe verdichtetes Arbeitsgas mittels des Wärmeübertragers übertragen wird und sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, dass ein aus den Expansionszylindern austretendes Abgas im Wärmeübertrager zusammengeführt wird.
In diesem Zusammenhang orientieren sich die Begriffe „eingangsseitig” und „ausgangsseitig” an der Stromrichtung des durch den Wärmeübertrager strömenden Abgases, wobei mit „eingangsseitig” diejenige Seite bzw. diejenige Verrohrung oder derjenige Flansch gemeint ist, welcher zwischen dem Wärmeübertrager und der Expandergruppe oder einem Expansionszylinder angeordnet ist. Entsprechend bezeichnet der Begriff „ausgangsseitig” diejenige Seite der Heißstromkammer, aus welcher das Abgas wieder aus der Heißstromkammer austritt und in den nachfolgenden Abgasstrang und folglich in die Umgebung strömt.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass der Wärmeübertrager baulich außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist. Auch durch diese Ausgestaltung können in einfacher Art und Weise Gestaltungsmöglichkeiten für den Wärmeübertrager, insbesondere auch für dessen Isolation, ermöglicht werden. Darüber hinaus bietet diese Ausgestaltung auch den Vorteil, den Zylinderkopf für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor in seiner Komplexität auf einem geringen Maß zu halten und somit Konstruktionsaufwand, Entwicklungskosten und Dauerhaltbarkeit in einem optimal vorzuhalten.
Insbesondere kann der Wärmeübertrager baulich außerhalb des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Dies bietet ebenfalls den Vorteil, jede denkbare Gestaltungsmöglichkeit in Anspruch zu nehmen und den Wärmeübertrager baulich, schwingungstechnisch, thermisch oder akustisch vom Verbrennungsmotor zu entkoppeln.
Um einen weiteren Vorteil mit einem wiederum höheren Wirkungsgrades umzusetzen, wird alternativ bzw. kumulativ vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager an einer umhüllenden Oberfläche wärmeisoliert ist. Typischerweise sind Wärmeübertrager in einem geschlossenen, gasdichten und meist aus Metall bestehenden Gehäuse aufgebaut. Dieses als „umhüllende Oberfläche” bezeichnete Gehäuse ist, da es die Kaltstromkammer und die Heißstromkammer beinhaltet, auch mit einem nach außen wirkenden Wärmestrom beaufschlagt, wodurch es zu einem Austrag von nicht mehr nutzbarer Energie kommt. Die Isolation reduziert den Energieaustrag auf ein Minimum.
Zur Verminderung von Wärmeverlusten durch Konvektion oder Strahlung wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager eine von der ersten umhüllenden Oberfläche beabstandete zweite umhüllende Oberfläche aufweist. Dies bringt den Vorteil, die Isolation besonders einfach sowie ohne weitere Hilfsmittel zur Verfügung zu stellen. So kann der zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche und der zweiten umhüllenden Oberfläche gebildete Raum beispielsweise evakuiert sein, um zumindest die Wärmekonvektion auszuschalten.
Die „zweite umhüllende Oberfläche” beschreibt demnach eine an der Außenoberfläche des Wärmeübertragers angebrachte Verkleidung bzw. ein dem Gehäuse des Wärmeübertragers ähnelndes zweites Gehäuse, welches vorzugsweise ebenfalls gasdicht ausgestaltet ist.
Wird aus Gründen der Sicherheit oder der Dauerhaltbarkeit eine Evakuation des zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche und der zweiten umhüllenden Oberfläche bereitgestellten Volumens verzichtet, kann der Wärmeübertrager zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche und der zweiten umhüllenden Oberfläche wenigstens einen wärmeisolierenden Stoff beinhalten. Als wärmeisolierender Stoff kann somit jeglicher Stoff verwendet werden, welcher den Wärmeübergang aus dem Inneren des Wärmeübertragers zum Äußeren des Wärmeübertragers negativ beeinflusst und somit einen Vorteil in der Energiebilanz des Verbrennungsmotors bewirkt. Denkbar sind beispielsweise Feststoffe, wie Steinwolle oder Glaswolle, sowie gasförmige Stoffe, wie etwa Luft. In Frage kommen aber auch keramische Materialien, Granulate, temperaturfeste Kunststoffe oder Metalle mit einem geringeren Wärmeleitkoeffizienten als das Material aus welchem der Wärmeübertrager besteht. Hierbei bietet sich vorteilhaft die Verwendung eines mit Luft gefüllten Spaltes an, da die Wärmeleitfähigkeit von Luft um etwa drei Größenordnungen kleiner ist (1:2000), als die Wärmeleitfähigkeit von Stahl.
Besonders effektiv und daher vorteilhaft für die Energiebilanz des Verbrennungsmotors ist ein wärmeisolierender Stoff mit einer dem Wärmeübertrager angeglichenen Temperatur. Es wird daher vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche und der zweiten umhüllenden Oberfläche Abgas aufweist. Abgas welches die Heißstromkammer des Wärmeübertragers verlassen hat, kann somit, bevor es in die Umgebung geleitet wird, dem Isolierspalt des Wärmeübertragers zugeführt werden, wodurch eine besonders effektive Wärmeisolation bewerkstelligt wird. Da ein aus dem Wärmeübertrager austretender Wärmestrom proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertrager und der Umgebung ist, wird der austretende Wärmestrom durch Isolation mittels Abgas minimiert und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors vorteilhaft maximiert. Kumulativ hierzu wird auch vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche und der zweiten umhüllenden Oberfläche aus dem Inneren des Wärmeübertragers austretendes Abgas aufweist.
Dem Energieverlust durch Strahlungswärme kann ebenfalls durch eine spiegelnde Oberfläche begegnet werden.
Weiterhin wird ein Verbrennungsmotor, auch nach den vorstehenden Merkmalen, vorgeschlagen, bei welchem der Wärmeübertrager eine zur Zylinderbank parallele Hauptströmungsrichtung aufweist. Der Einsatz eines derartigen Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug unterliegt bekannter weise den Restriktionen eines begrenzten Bauraumes. Ein nach vorliegender Erfindung vorgeschlagener Wärmeübertrager mit einer zur Zylinderbank parallelen Hauptströmungsrichtung bietet konsequenterweise den Vorteil, den begrenzten vorhandenen Bauraum optimal und bedarfsgerecht in Anspruch zu nehmen. Hierbei versteht es sich, dass eine derartige Anordnung eines Wärmeübertrager auch unabhängig von den übrigen Merkmalen bei einem Verbrennungsmotor mit Wärmetauscher vorteilhaft ist.
Um den Bauraum weiterhin vorteilhaft zu verringern und um eine Wärmeabstrahlung am Wärmeübertrager oder an den angeschlossenen Rohren des Wärmeübertragers auf einem vorteilhaften minimalen Niveau zu halten, wird alternativ bzw. kumulativ vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager einen Anschlussflansch mit einem maximal dem 2,1-fachen der Flanschmutterhöhe entsprechenden Abstand zur zweiten umhüllenden Oberfläche aufweist. Die Begrenzung des Abstandes des Anschlussflansches zur äußeren umhüllenden Oberfläche des Wärmeübertragers bietet auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Wärmetauscher die Möglichkeit, möglichst kurze und heiße Verrohrungen an den Ein- oder Ausgängen des Wärmeübertragers zu realisieren.
Zur Gewährleistung der Montage eines entsprechenden Wärmeübertragers ist der Abstand zwischen dem Anschlussflansch und der äußeren Oberfläche des Wärmeübertragers jedoch durch die Höhe einer zur Montage verwendeten Flanschmutter begrenzt. Sollte es nicht erforderlich sein, dass eine Flanschmutter mit dem gesamten zur Verfügung stehenden Gewinde auf einem Montagebolzen montiert werden muss, ist auch ein geringerer Abstand als das 2,1-fache der Flanschmutterhöhe zwischen dem Anschlussflansch und einer äußeren Oberfläche des Wärmeübertragers denkbar.
Insbesondere kann die Flanschmutter stoffschlüssig mit dem Anschlussflansch verbunden sein. Zusätzlich zu dem Vorteil, dass eine stoffschlüssige Verbindung mit der Flanschmutter mit dem Anschlussflansch eine einfach auszuführende Verliersicherung darstellt, wird durch eine am Anschlussflansch unbeweglich befestigte Flanschmutter den Montageaufwand verringern.
Kumulativ hierzu wird vorgeschlagen, dass der Anschlussflansch maximal dem 1,1-fachen der Flanschdicke entsprechenden Abstand zur zweiten umhüllenden Oberfläche aufweist, falls bei einer Montage die Flanschmutter bereits am Anschlussflansch befestigt ist und der zur Montage erforderliche Bolzen nachträglich eingeführt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Eingänge oder die Ausgänge, insbesondere die heißen Eingänge des Wärmeübertragers, noch kürzer ausgeführt werden können und hierdurch ein noch geringerer Verlust an Wärmenergie durch einen Wärmestrom ermöglicht wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anschlussflansch ein Gewinde zur Aufnahme eines Montagemittels aufweist. Denkbar ist demnach auch eine Montage des Wärmeübertragers ohne eine Flanschmutter, da der zur Montage verwendete Bolzen direkt in ein im Anschlussflansch befindliches Gewinde greift, wodurch eine wesentlich einfachere und kostengünstigere Montage eines Wärmeübertragers für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor möglich wird.
Kumulativ wird vorgeschlagen, dass das Montagemittel ein Stehbolzen ist. Hierdurch wird eine wiederum bessere Montage möglich, da auf Schrauben als Befestigungsmittel verzichtet werden kann und der Wärmeübertrager lediglich mittels einer zusätzlichen Mutter befestigt werden muss.
Um den Vorteil einer noch kürzeren und heißeren Eingangsverrohrung umzusetzen, kann der Anschlussflansch einen maximal dem 0,1-fachen der Flanschdicke entsprechenden Abstand zur weiteren umhüllenden Oberfläche aufweisen. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein im Flansch befindlicher Bolzen durch das im Flansch vorhandene Gewinde vollständig umgriffen wird und genügend Spiel zwischen dem der zweiten umhüllenden Oberfläche zugewandten Endes des Bolzens verbleibt.
Es versteht sich, dass diese Ausgestaltung des Anschlussflansches auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung bei einem Verbrennungsmotor mit einem über wenigstens einen Anschlussflansch mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Wärmetauscher vorteilhaft ist.
Darüber hinaus wird ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass zwischen dem Wärmeübertrager und der Expandergruppe ein Brenner angeordnet ist.
Ein Brenner zwischen dem Wärmeübertrager und der Expandergruppe bietet insbesondere den Vorteil, bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors das in diesem Verbrennungsmotor angewendete Brennverfahren betriebssicher in Gang zu setzen und zu Beginn auch aufrecht zu erhalten, wenn der Wärmeübertrager in diesem Betriebszustand noch keine ausreichende Wärme an das Arbeitsgas übertragen kann. Es versteht sich, dass ein zwischen dem Wärmeübertrager und der Expandergruppe angeordneter Brenner stromabwärts der Kaltstromkammer, stromaufwärts der Kaltstromkammer oder stromaufwärts der Heißstromkammer angeordnet sein kann.
Dementsprechend wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe austretenden Abgas auf ein aus einer Verdichtergruppe austretendes Arbeitsgas mittels des Wärmeübertragers übertragen wird und wobei sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, dass dem Arbeitsgas nach dem Austreten aus dem Wärmeübertrager mittels einer Heizeinrichtung Wärme zugeführt wird. Eine Zuführung von Wärme mittels einer Heizeinrichtung bringt, wie schon vorstehend dargelegt den Vorteil, dem Arbeitsgas beispielsweise bei einem Kaltstart bereits Wärme zuzuführen ohne die Stoffmengen bzw. die Gaszusammensetzung zu verändern. Denkbar ist aber auch, dass die Heizeinrichtung zur Erzeugung einer Grundleistung des Verbrennungsmotors herangezogen wird, wobei auch das aus dem Verbrennungsmotor austretende Abgas auf ein mindestens erforderliches Temperaturniveau gebracht wird. Weiterhin kann vorteilhaft das Brennverfahren aufrecht erhalten werden, sofern Zündbedingungen, wie sie bei Selbstzündung vorliegen, erreicht und eingehalten werden müssen.
Insbesondere kann, wie bereits vorstehend ausgeführt, dem Arbeitsgas Wärme mittels eines Brenners zugeführt werden. Auch hierdurch kann vorteilhaft ein betriebssicherer Kaltstart gewährleistet werden. Ebenfalls kann hierdurch das Brennverfahren wiederum positiv beeinflusst werden.
Kumulativ wird vorgeschlagen, dass dem Brenner ein variabler Luftmassenstrom zugeführt wird. Die Zuführung eines variablen Luftmassenstroms ermöglicht es, die dem Arbeitsgas zugeführte Wärmeleistung variabel zu gestalten und mittels einer geeigneten Regelung des Brenners den Kaltstart bis zum gewünschten Betriebszustand zu durchlaufen.
Auch kann der Brenner mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Zwecks eines minimalen Bauraumes und einem minimalen Brennstoffeinsatz sind auch für den Brenner ein maximaler Wirkungsgrad und eine maximale Brennerleistung erforderlich. Die Einhaltung eines festen Verbrennungsluftverhältnisses, vorzugsweise eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses, kann die hierzu erforderlichen Bedingungen vorteilhaft schaffen.
Es versteht sich, dass die vorstehend erläuterten Merkmale eines Verbrennungsmotors mit einer Heizvorrichtung oder eines Verfahrens für einen Verbrennungsmotor mit einer Heizeinrichtung auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft sind.
Es wird darüber hinaus ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass zwischen einem Auslass der Expandergruppe und der Heißstromkammer eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssysteme nach dem Stand der Technik setzen teilweise Wärmeenergie auf Grund einer exothermen Reaktion frei. Vorteilhaft kann diese der Abgasnachbehandlung zugeführte oder in der Abgasnachbehandlung freigesetzte Wärme über den Wärmeübertrager wieder in den Kreisprozess des Verbrennungsmotors eingekoppelt werden. Für eine Abgasnachbehandlung eingesetzter Kraftstoff muss somit nicht notwendigerweise den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors vermindern.
Kumulativ zu vorstehender Ausgestaltung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem kann die Abgasnachbehandlung einen Brenner aufweisen. Erfolgt die Wärmezufuhr in der Abgasnachbehandlung durch die Verbrennung von Kraftstoff oder einem anderen Brennmittel in einem Brenner, statt durch eine exotherme Reaktion in der Abgasnachbehandlung, um die Baugruppe für die Abgasnachbehandlung auf eine erforderliche minimale Temperatur aufzuheizen, kann auch diese eingesetzte Energie durch den Wärmeübertrager dem Kreisprozess vorteilhaft wieder zugeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und wobei sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass die Heißstromkammer als Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt ist. Hierdurch ergeben sich erhebliche Vorteile im notwendigen Bauraum, da ein zweites Gehäuse für eine Abgasnachbehandlung nicht notwendig ist und der Wärmeübertrager diesen nicht verwendeten Bauraum zusätzlich nutzen kann.
Dementsprechend wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe austretenden Abgas auf ein aus einer Verdichtergruppe austretendes Arbeitsgas mittels des Wärmeübertragers übertragen wird und sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass Abgas nach dem Austreten aus der Expandergruppe und vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager einer Nachbehandlung unterzogen wird.
Ein aus der Expandergruppe austretendes heißes Abgas kann für eine Abgasnachbehandlung vorteilhaft verwendet werden, sofern die in dem Abgas befindliche Wärme noch nicht bzw. noch nicht zur Gänze durch einen Wärmeübertrager entzogen worden ist. Für eine möglichst effektive Abgasnachbehandlung ist bekanntermaßen ein hohes Temperaturniveau wegen der damit verbundenen hohen Reaktionsgeschwindigkeiten und katalytischen Effekten erforderlich bzw. hilfreich. Eine durch eine Abgasnachbehandlung freigesetzte Wärme kann dann auch vorteilhaft wieder durch den Wärmeübertrager dem Kreisprozess zugeführt werden.
Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass die Nachbehandlung durch Wärmezufuhr erfolgt. Sollte ein in dem Abgasstrang befindliches Abgasnachbehandlungssystem eine erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreicht haben, so kann gegebenenfalls, bevor das Abgas in den Wärmeübertrager eintritt und nachdem das Abgas aus der Expandergruppe ausgetreten ist, mittels einer hierzu geeigneten Wärmezufuhr auf eine erforderlich Temperatur gebracht werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem kann ein katalytisch wirkendes Abgasnachbehandlungssystem sein. Kumulativ bzw. alternativ hierzu kann das Abgasnachbehandlungssystem auch ein als Partikelfilter wirkendes Abgasnachbehandlungssystem und/oder ein Stickoxid reduzierendes Abgasnachbehandlungssystem sein. All die vorstehend genannten Ausgestaltungen ermöglichen eine Ausgestaltung des Wärmeübertragers und eines Abgasnachbehandlungssystems, in welchen die Vorteile synergetisch umgesetzt werden können. Die vorstehenden Merkmale können alternativ oder kumulativ eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass eine derartige Abgasnachbehandlung bzw. eine derartige Zusatztemperierung trotz eines vorhandenen Wärmeübertragers, insbesondere durch einen Brenner, auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für einen Verbrennungsmotor mit Wärmeübertrager vorteilhaft ist.
Alternativ bzw. kumulativ wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem einlassseitigen Ladungswechselventil und wenigstens einem auslassseitigen Ladungswechselventil vorgeschlagen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Ladungswechselventil einen Druckausgleich aufweist. Ein Ladungswechselventil mit einem Druckausgleich bietet den Vorteil, dass sehr hohe Drücke in einem Einlasskanal beherrscht werden können und ein unerwünschtes Öffnen des Ladungswechselventils, insbesondere sofern dieses nur durch eine Federkraft geschlossen wird, bei einem Druckabfall im Zylinder wirksam verhindert wird.
Um beispielsweise an einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor die Dichtigkeit eines einlassseitigen Ladungswechselventils zu gewährleisten und Vorteile im Wirkungsgrad aufrecht zu erhalten, kann wenigstens ein einlassseitiges Ladungswechselventil eines Expansionszylinders einen Druckausgleich aufweisen.
Auch kann das Ladungswechselventil einen Teller sowie eine zylinderinnenseitige Tellerfläche aufweisen und der Druckausgleich über einen am Schaft des Tellerventils angebrachten Ausgleichskolben erfolgen. Somit ist ein konstruktiv einfach realisierbarer Druckausgleich verfügbar, welcher durch den am Kolben wirkenden Gasdruck den am Ventilteller wirkenden Gasdruck ausgleichen kann und somit das Ventil durch den Gasdruck, bei Ventilen die in den Zylinderraum hinein öffnen, keine durch diesen Gasdruck bedingte Leckage mehr aufweist. Die Dichtwirkung des Ventils obliegt demnach nur noch der Ventilfederspannung und dem Zylinderinnendruck.
Kumulativ wird vorgeschlagen, dass der Ausgleichskolben ein doppelwirkender Kolben ist. Verfügt der Kolben über eine weitere Ausgleichsfläche auf der mit Gasdruck beaufschlagten gegenüberliegenden Seite, so kann gegebenenfalls auf dieser Rückseite auf baulich einfache Weise ein Gegendruck erzeugt werden, mittels welchem es möglich ist, Druckgradienten in den Ein- bzw. Auslasskanälen des Verbrennungsmotors zu beherrschen. Besonders vorteilhaft wirkt ein auf die Rückseite des doppelwirkenden Kolbens gegebener Druck, welcher kurz vor dem Öffnen des Ventils aufgebracht wird. Mit dieser Maßnahme kann ein druckausgeglichenes Ventil auch bei sehr hohen Zylinderinnendrücken geöffnet werden, da ein auf die Rückseite des doppelwirkenden Kolbens wirkender Druck den, einer Öffnung des Ventil entgegenstehenden, Zylinderinnendruck auszugleichen vermag.
Der Durchmesser des Ausgleichskolbens kann größer als der Durchmesser des Tellers sein. Alternativ hierzu kann der Durchmesser des Ausgleichskolbens gleich dem Durchmesser des Tellers sein. In einer weiteren Alternative kann der Durchmesser des Ausgleichskolbens kleiner als der Durchmesser des Tellers sein. Diese weiteren Maßnahmen ermöglichen es, vorteilhaft die am Ventil wirkende Ausgleichskraft dem an diesem Ventil wirkenden Gasdruck anzupassen. So kann es beispielsweise nötig sein, dass die Wirkfläche des Ausgleichskolbens kleiner ist, sofern die an dem Ventil wirkende Gaskraft kleiner ist als die durch den Verbrennungsdruck auf den Teller wirkende Gaskraft. Im Umkehrschluss erfordert ein relativ zum Zylinderinnendruck wesentlich höherer auf den Kolben wirkender Gasdruck, dass der Ausgleichskolben einen kleineren Durchmesser aufweist als der Teller des Ventils.
Es versteht sich, dass auch ein vorstehend erläuterter Druckausgleich unabhängig von den übrigen Merkmalen der Erfindung vorteilhaft für einen Verbrennungsmotor ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder bestehenden Verdichtergruppe, mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem zwischen der Verdichtergruppe und der Expandergruppe angeordneten Wärmeübertrager vorgeschlagen, wobei eine Kaltstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer des Wärmeübertragers einen aus der Expandergruppe austretenden Abgasstrom aufweist und sich der Verbrennungsmotor dadurch auszeichnet, dass die Verdichtergruppe Verdichtungskolben mit einem Schadvolumen kleiner 5%, vorzugsweise kleiner 3%, aufweist. Ein deratig kleines Schadvolumen in dem Verdichtungskolben ermöglicht eine möglichst hohe Kompression des zu verdichtenden Arbeitsgases, wodurch vorteilhaft eine hohe Leistungsdichte des Verbrennungsmotors erreicht wird. Es versteht sich, dass das Schadvolumen nicht notwendigerweise durch die Geometrie des Verdichtungskolbens definiert ist, sondern auch über die genauere Ausgestaltung des Zylinders, insbesondere des Zylinderraumdachs, definiert sein kann. „Zylinderraumdach” bezeichnet hierbei die den Brennraum begrenzende Fläche des Zylinderkopfes. Das „Schadvolumen” bezeichnet, wie im Stand der Technik üblich, das um das Hubvolumen eines Zylinders reduzierte maximale Volumen eines Zylinders.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einer Kraftstoffleitung vorgeschlagen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Kraftstoffleitung wenigstens teilweise innerhalb eines Einlasskrümmers verläuft. Weiterhin wird ein Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einer Kraftstoffleitung vorgeschlagen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Kraftstoffleitung wenigstens teilweise innerhalb eines Auslasskrümmers verläuft. Diese Ausgestaltungen ermöglichen es einerseits, den in der Kraftstoffleitung befindlichen Kraftstoff, bevor dieser der Gemischbildung zugeführt wird, auf ein Temperaturniveau aufzuheizen, bei welchem die Gemischbildungsenergie erheblich herabgesetzt wird und demnach eine Gemischbildung, beispielsweise innerhalb eines Brennraums, sehr viel schneller und mit einem wesentlich geringeren Anteil an Bereichen mit heterogenem Kraftstoff-Luft-Gemisch erfolgt. Andererseits kann durch die sehr starke Aufheizung des Kraftstoffes eine bereits eingeleitete oder aber auch sehr viel schneller ablaufende Bildung von Radikalen des Kraftstoffes oder des Kraftstoffdampfes ermöglicht werden, weswegen der Kraftstoff sehr viel schneller mit dem ihm umgebenden Sauerstoff reagieren kann, da der Zündmechanismus durch die bereits erfolgten Startreaktionen im Kraftstoff unverzüglich eingeleitet werden kann. Somit finden auch eine sehr viel schnellere Verbrennungseinleitung, ein sehr viel schnelleres Durchbrennen der Ladung und eine sehr viel geringere Bildung von Rußpartikeln statt.
Dementsprechend wird auch ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einer kraftstoffführenden Kraftstoffleitung vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass der Kraftstoff vor dem Einbringen in ein Arbeitsgas vorgeheizt wird.
Insbesondere kann der Kraftstoff auf eine Temperatur größer als 700°C, bevorzugt auf eine Temperatur größer als 900°C, noch bevorzugter auf eine Temperatur größer als 1100°C aufgeheizt werden. Das Aufheizen des Kraftstoffes auf ein derart hohes Temperaturniveau bringt den Vorteil, dass der Kraftstoff bereits in der Kraftstoffleitung oder unmittelbar nach dem Einbringen in das Arbeitsgas durch Radikalenbildung oder durch sonstige Vorgänge auf molekularer Ebene zerlegt wird, wodurch eine erforderliche Startenergie für das Einleiten der der Verbrennung erheblich verringert wird und die Verbrennung mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt.
Insbesondere kann – wie bereits vorstehend dargelegt – der Kraftstoff in einem Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors aufgeheizt werden. Das Aufheizen des Kraftstoffes mittels eines ebenfalls sehr heißen Arbeitsgases bringt den Vorteil, dass der Kraftstoff beim Einbringen in das Arbeitsgas bereits die Temperatur dessen aufweist und somit Temperaturgradienten zwischen Kraftstoff und Arbeitsgas nicht auftreten bzw. auf ein Minimum reduziert werden. Alternativ bzw. kumulativ wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Kraftstoff in einem Auslasskrümmer des Verbrennungsmotors aufgeheizt wird. Das Aufheizen des Kraftstoffes in einem Auslasskrümmer beeinflusst wiederum positiv den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, da zum Aufheizen benötigte Wärme die um den Verbrennungsmotor gelegte Bilanzhülle ungenutzt verlassen würde. Ein Aufheizen des Kraftstoffes bewirkt somit eine Wärmerückgewinnung, da die auf den Kraftstoff übertragene Wärmemenge in den Kreisprozess rekuperativ eingekoppelt wird. Insbesondere ermöglichen diese Lösungen bei geeigneter Ausgestaltung des Verfahrens bzw. des Verbrennungsmotors einen Verzicht auf zusätzliche Heizungen für den Kraftstoff.
Hierbei kann die Kraftstoffleitung, in welcher die Vorheizung des Kraftstoffs erfolgt, insbesondere ein Verteilerrohr eines Speichereinspritzsystems sein. Dies bringt einerseits den Vorteil, dass ein Synergieeffekt entsteht, indem bereits verwendete und notwendige Bauteile des Kraftstoffsystems zusätzlich als Wärmeübertrager fungieren. Andererseits wird dadurch vorteilhaft eine gemeinsame Druckleitung mit einem identischen Druck und einer identischen Temperatur für alle vorhandenen Einspritzdüsen zur Verfügung gestellt. Das „Verteilerrohr” des Speichereinspritzsystems bezeichnet hierbei den Speicher des Speichereinspritzsystems, also das „Rail” eines Common-Rail-Einspritzsystems.
Eine weiter Ausgestaltung kann zusätzlich daraus bestehen, dass der Verbrennungsmotor stromaufwärts des Einlasskrümmers Mittel zum Aufheizen eines Arbeitsgases aufweist. Hierüber wird – wie obenstehend bereits erläutert – ein weiteres Aufheizen des Arbeitsgases auf die gewünschte Arbeitsgastemperatur ermöglicht, sofern die Temperatur des Arbeitsgases, beispielsweise nach einem Kaltstart oder bei einem Betriebspunkt mit sehr geringer Last, noch nicht das erforderliche Temperaturniveau von etwa 1100°C erreicht hat. Der „Einlasskrümmer” bezeichnet hierbei die einem Zylinder Arbeitsgas zuführende Verrohrung und die hierin befindlichen Arbeitsgasverteiler, wobei mit „stromaufwärts” diejenige Seite des Einlasskrümmers gemeint ist, aus welcher ein Gas in diesen Einlasskrümmer hineinströmt. Durch eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere auch der Kraftstoff gezielt vorgewärmt werden, indem das Arbeitsgas entsprechend temperiert wird.
Weiterhin kann, wie bereits vorstehend vorgeschlagen, das Mittel zum Aufheizen des Arbeitsgases ein Brenner sein. Ein Brenner bietet dem Vorteil unverzüglich nach einem Kaltstart heißes Arbeitsgas zur Verfügung zu stellen. Möglicherweise ist hierbei nur eine Teiloxidation des Arbeitsgases erforderlich, so dass eine weitere Verbrennung innerhalb eines Zylinders noch stattfinden kann. Denkbar sind auch Mittel zum Aufheizen, bestehend aus einer elektrischen Heizspirale oder einem Wärmeübertrager, wodurch dem Arbeitsgas für eine Verbrennung notwendiger Sauerstoff nicht entzogen wird.
Denkbar ist darüber hinaus auch der Betrieb eines Brenners mit einer stöchiometrischen Verbrennung. Somit wird kumulativ vorgeschlagen, dass der Brenner in einem Hauptstrom oder in einem Nebenstrom des Einlasskrümmers oder stromaufwärts des Einlasskrümmers angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht einen Brenner, sofern er in dem Nebenstrom angeordnet ist, welcher ein stöchiometrisches Gemisch verbrennt, so dass der Brenner größtmögliche Leistung abgibt und im Arbeitsgas des Hauptstromes genügend Sauerstoff für eine weitere Umsetzung in einem Zylinder verbleibt. Der „Nebenstrom” bezeichnet somit einen Arbeitsgasstrom, der stromaufwärts des Einlasskrümmers entnommen wird und nach dem Passieren des Brenners wieder dem Einlasskrümmer oder gegebenenfalls stromaufwärts des Einlasskrümmers in den Hauptstrom des Arbeitsgases eingeleitet wird. Wie sofort ersichtlich sind der Hauptstrom und der Nebenstrom nicht über ihre Massenströme definiert, so dass der Hauptstrom auch einen kleineren Massenstrom an Arbeitsgas führen kann als der Nebenstrom.
Es versteht sich, dass die Anordnung eines Mittels zum Aufheizen des Arbeitsgases auch unabhängig von den übrigen Merkmalen entsprechend vorteilhaft für einen Verbrennungsmotor mit Wärmeübertrager und getrennten Verdichtungs- und Expansionszylindern ist.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass das Mittel zum Aufheizen des Arbeitsgases ein Hilfswärmeübertrager ist, wobei eine Hilfskaltstromkammer des Hilfswärmeübertragers einen aus der Verdichtergruppe austretenden sowie in die Expandergruppe eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist. Ein kumulativ oder alternativ zu einem Brenner verwendeter Wärmeübertrager, der Hilfswärmeübertrager, kann somit als weitere Starthilfe, unter Ausnutzung einer äußeren Wärmezufuhr, verwendet werden.
Denkbar ist auch, dass eine aus dem Verbrennungsmotor austretende Wärme über diesen Hilfswärmeübertrager rekuperativ wieder zugeführt wird. Die Hilfskaltstromkammer führt in diesem Fall vorzugsweise den Hauptstrom oder den Nebenstrom des Arbeitsgases und eine Hilfsheißstromkammer kann hierbei Abgas führen. Denkbar ist auch, dass die Hilfsheißstromkammer einen vom Verbrennungsmotor separaten Luftstrom, also ein Luftstrom, welcher kein Arbeitsgas beinhaltet, führt und dem Arbeitsgas mittels eines zusätzlichen Brenners Wärme zugeführt wird.
Kumulativ zu den vorstehend erläuterten Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors kann wenigstens ein Expansionszylinder der Expandergruppe wenigstens ein Einlassventil aufweisen, welches 10° bis 12° vor dem oberen Totpunkt eines in dem Expansionszylinder hin- und herlaufenden Expansionskolbens schließt. Ein sehr frühes Schließen des Auslassventils bewirkt einen hohen Restgasanteil im Zylinder, wobei dieses Restgas im weiteren Verlauf des Arbeitszyklusses verdichtet wird. Das Vorliegen einer bereits vorverdichteten Ladung in einem Expansionszylinder verhindert, sofern der Zylinderinnendruck dem Druck in einem Einlasskrümmer des Expansionszylinders gleicht, ein Öffnen eines Einlassventils genau dann, wenn der Druck vor dem Ventil dem Druck nach dem Ventil gleicht und demnach keine überkritische Strömung an dem Ventil auftritt. Überkritische Strömungen bzw. Strömungen nahe an der Schallgeschwindigkeit in einem sehr engen Spalt, wie er bei Öffnen eines Ventils auftreten kann, können zu einem übermäßigen Aufheizen des Ventilsitzes oder des Ventils führen. Ebenso können unerwünschte Strömungszustände das Brennverfahren negativ durch Turbolenzen oder Stoßwellen beeinflussen.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Erläuterung anliegender Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 einen ersten Verbrennungsmotor mit vier Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus zwei Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus zwei Zylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem Wärmeübertrager;
2 einen Verbrennungsmotor mit fünf Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus zwei Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus drei Zylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem Wärmeübertrager;
3 einen Verbrennungsmotor mit sechs Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus zwei Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus vier Zylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem Wärmeübertrager;
4 einen Verbrennungsmotor mit sechs Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus drei Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus drei Zylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem Wärmeübertrager;
5 einen Verbrennungsmotor mit acht in V-form angeordneten Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus vier Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus vier Zylindern bestehenden Expandergruppe, die jeweils auf beide Bänke verteilt sind, und mit einem Wärmeübertrager;
6 einen Verbrennungsmotor mit acht in V-form angeordneten Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus vier Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus vier Zylindern bestehenden Expandergruppe, die jeweils in einer Bank angeordnet sind, und mit einem Wärmeübertrager;
7 einen Verbrennungsmotor mit acht in V-form angeordneten Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus drei Zylindern bestehenden Verdichtergruppe, mit einer aus fünf Zylindern bestehenden Expandergruppe und mit einem Wärmeübertrager;
8 einen Verbrennungsmotor in einer dem Verbrennungsmotor nach 6 entsprechenden Anordnung, wobei zwischen Wärmeübertrager und Expandergruppe ein Brenner vorgesehen ist und die Anordnung bei einem Kaltstart bzw. kühlem Wärmeübertrager vorgesehen ist;
9 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, insbesondere auch eines Verbrennungsmotors nach den vorstehend erläuterten Figuren, mit Tellerventilen und mit einem Druckausgleich;
10 eine schematische Ansicht eines beheizten Speichereinspritzsystems für direkt eingespritzte Kraftstoffe, insbesondere auch für einen Verbrennungsmotor nach den vorstehend erläuterten Figuren; und
11 einen Wärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor, insbesondere auch eines Verbrennungsmotors nach den vorstehend erläuterten Figuren.
In der 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit vier Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus zwei Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus zwei Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13 dargestellt. Die jeweiligen Verdichtungszylinder 12 der Verdichtergruppe 11 saugen aus einer Umgebung das Arbeitsgas 15 an und leiten das verdichtete Arbeitsgas 16 daraufhin in den Wärmeübertrager 20. Die bauliche Trennung in eine Verdichtergruppe 11 und in eine Expandergruppe 13 ermöglicht hierbei einen Verdichtungsprozess mit geringerer Verdichterarbeit als dies bei einem Viertaktverfahren in gängigen Otto- oder Dieselmotoren möglich ist, da die Verdichtungszylinder 12 durch diese bauliche Trennung kalte Zylinderrohre und kalte Kolben aufweisen und somit das zu verdichtende Arbeitsgas 15 während der Verdichtung nicht zusätzlich durch einen Wärmestrom aufgeheizt wird. Die bestehende Temperatursenke in den Verdichtungszylindern 12 führt vielmehr zu einer gekühlten Verdichtung. Im besten Fall wird das Arbeitsgas 15 isotherm verdichtet, wobei eine minimale Verdichterarbeit aufgebracht werden muss.
Das verdichtete Arbeitsgas 16 wird sodann in die Kaltstromkammer 22 des Wärmeübertragers 20 eingeleitet und dort in den Kaltstrom 21 des Wärmeübertragers 20 überführt. Der in dieser Kaltstromkammer 22 befindliche Kaltstrom erfährt durch die vom ebenfalls im Wärmeübertrager 20 befindlichen Heißstrom 23 eine thermische Zustandsänderung durch Aufheizen. Das als Kaltstrom 21 vorliegende Arbeitsgas verlässt wiederum den Wärmeübertrager 20 als erhitztes Arbeitsgas 17, welches im weiteren Verlauf der Expandergruppe 13 zugeführt wird. In einem nicht dargestellten Arbeitsgasverteiler wird das erhitzte Arbeitsgas 17 gleichmäßig auf die Expansionszylinder 14 der Expandergruppe 13 verteilt. Während und/oder nach der Einleitung des erhitzten Arbeitsgases 17 in die jeweiligen Expansionszylinder 14 erfolgt die Einleitung des in diesem Verbrennungsmotor 10 realisierten Brennverfahrens.
Das Brennverfahren beinhaltet bei diesem Ausführungsbeispiel in der Hauptsache einen Dieselprozess, welcher gerade durch das den Expansionszylindern 14 zugeführte erhitzte Arbeitsgas 17 bevorzugt eingesetzt werden kann. Das Arbeitsgas 17 erhält durch die Erhitzung im Wärmeübertrager 20 eine besonders hohe thermische Energie, so dass im erhitzten Arbeitsgas 17 bereits Bedingungen für eine Selbstzündung eines Kraftstoffes in den Expansionszylindern 14 vorliegen. Selbstverständlich ist auch eine weitere Kompression in den Expansionszylindern 40 denkbar. Folglich ist das Vorliegen von Selbstzündbedingungen im erhitzten Arbeitsgas 17 nicht notwendigerweise für dieses Brennverfahren erforderlich.
Durch die positive Volumenänderung in den Expansionszylindern 14 ist die Expandergruppe 13 in der Lage eine positive Kolbenarbeit abzugeben, welche naturgemäß größer ist als der Betrag der Verdichterarbeit in der Verdichtergruppe 11. An dieser Stelle wird der Nutzen der in der Verdichtergruppe 11 realisierten gekühlten Verdichtung deutlich, da der besonders große Abstand zwischen der Expanderleistung und der Verdichterleistung zu einer großen, an der Kurbelwelle abgegebenen, Leistung bei einem relativ geringen Brennstoffeinsatz führt und somit der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren wesentlich höher ist.
Das aus der Expandergruppe 13 austretende heiße Abgas 18 wird abschließend erneut in den Wärmeübertrager 20 geleitet, in welchem es in den Heißstrom 23 überführt wird. Der Heißstrom 23 wird durch die Heißstromkammer 24 geleitet und gibt dort seine nicht während der Expansion umgesetzte Wärmeenergie an den Kaltstrom 21 ab. Das Abgas verlässt den Wärmeübertrager als kaltes Abgas 19 und kann daraufhin wiederum in die Umgebung abgeleitet werden.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor 10 mit 5 Zylindern ist in 2 in schematischer Aufsicht mit einer aus zwei Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus drei Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein weiterer Vorteil des verwendeten Verfahrens deutlich, welcher sich durch eine verlängerte Expansion auszeichnet. Die Verdichtungszylinder 12 und Expansionszylinder 14 beinhalten jeweils dasselbe Hubvolumen, wodurch die um einen Zylinder größere Expandergruppe 13 das erhitzte Arbeitsgas 17 unter einem größeren Druckverhältnis expandiert als das Arbeitsgas 15 in der Verdichtergruppe 11 verdichtet worden ist. Auch durch diese Maßnahme steigt wiederum die in der Expandergruppe 13 abgegebene Kolbenarbeit und führt zu einem weiter ansteigenden Wirkungsgrad gegenüber Verbrennungsmotoren mit gängigen Diesel- bzw. Ottobrennverfahren.
Ein wesentliches Merkmal der in den 1 und 2 gezeigten Bauform des Verbrennungsmotors 10 ist die Anordnung des Wärmetauschers 20, wessen Längserstreckung parallel zur Kurbelwellenachse des Verbrennungsmotors 10 verläuft. Diese vorteilhafte Anordnung von Wärmeübertrager 20 und Verbrennungsmotor 10 nutzt den in einem Fahrzeug befindlichen Bauraum optimal aus. Schematisch ist auch die Bauform des Wärmeübertragers 20 dargestellt, welche aus Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgeführt wird. Denkbar ist selbstverständlich auch jede andere Bauform für einen Wärmeübertrager 20, wobei vorzugsweise Bauformen mit einer charakteristischen Längserstreckung, wie etwa Rohrbündelwärmeübertrager, verwendet werden können.
Die 3 und 4 zeigen weiterhin einen Verbrennungsmotor 10 mit sechs Zylindern in schematischer Aufsicht. Die in 3 dargestellte Ausführungsform verfügt über einer aus zwei Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus vier Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13. Hierbei wird das Prinzip der verlängerten Expansion in einem stärkeren Maße angewandt als dies bei der Ausführungsform nach 2 möglich wäre. Die 4 zeigt hierbei eine Ausführungsform mit einer aus drei Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus ebenfalls drei Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13. Das Prinzip der verlängerten Expansion kann allerdings auch hier ebenfalls dadurch realisiert werden, indem die Verdichterzylinder 12 einen geringeren Hub oder eine geringere Bohrung als die Expansionszylinder 14 aufweisen. Es versteht sich, dass die Anordnung von Verdichtungszylindern 12 und Expansionszylindern 14 auch willkürlich in einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors 10 gewählt werden kann. Die Anordnung zweier Verdichtungszylinder 12 oder mehrerer Expansionszylinder 14 als benachbarte Zylinder ermöglicht es jedoch die Kühlung der jeweiligen Expandergruppe 13 oder Verdichtergruppe 11 bedarfsgerecht auszulegen.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsformen beinhalten jeweils einen Verbrennungsmotor 10 mit acht in V-form abgeordneten Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus vier Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus vier Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13. So ist in 5 ein Verbrennungsmotor 10 mit acht Zylindern dargestellt, wobei die jeweiligen Verdichtungszylinder 12 und Expansionszylinder 14 gleichmäßig auf beide Zylinderbänke des Verbrennungsmotors 10 verteilt sind und somit zwei Verdichtergruppen 11 und zwei Expandergruppen 13 vorhanden sind.
In jedem Falle kann bei einem derartigen Verbrennungsmotor 10 mit acht Zylindern nach 5, aber auch nach den folgend beschriebenen 6 bis 8, der Wärmeübertrager 20 platzsparend zwischen den beiden Zylinderbänken angeordnet werden. Wie sofort ersichtlich ist eine hierbei gezeigte Anordnung auch bei mehrzylindrigen Motoren wie etwa Verbrennungsmotoren mit zehn Zylindern, zwölf Zylindern oder aber auch 16 Zylindern möglich. So wird in diesem Falle das heiße Abgas 18 auf besonders kurzen Wegen in den Wärmeübertrager 20 geführt. Der Wärmeübertrager 20 bündelt den Heißstrom 23 und führt das kalte Abgas 19 in einen gemeinsamen Abgasstrang. Im Gegensatz hierzu wird das Arbeitsgas 15 an zwei separaten Seiten des Verbrennungsmotors 10 in die jeweilige Verdichtergruppe 11 der verschiedenen Zylinderbänke geleitet. Auch bündelt der Wärmeübertrager 20 das verdichtete Arbeitsgas 16 und führt das im Wärmeübertrager 20 erhitzte Arbeitsgas 17 wiederum in mehrere Arbeitsgasverteiler, wodurch die Expansionszylinder 14 der Expandergruppen 13 gleichmäßig mit erhitztem Arbeitsgas 17 beschickt werden.
Die in der 6 dargestellte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 10 mit einer Verdichtergruppe 11 und einer Expandergruppe 13 beinhaltet die Verdichtungszylinder 12 und die Expansionszylinder 14 in jeweils einer separaten Zylinderbank. Diese Bauform ermöglicht es vorzüglich, das Thermomanagement, also die Kühlstrategie der Verdichtergruppe 11 bzw. der Expandergruppe 13, auf die jeweiligen thermischen Gegebenheiten auszulegen. Diese Anordnung bietet ebenfalls den Vorteil, dass die verlängerte Expansion durch eine unterschiedliche Bohrung zwischen den Verdichtungszylindern 12 und Expansionszylindern 14 verwirklicht werden kann, da die Verdichtungszylinder 12 in einer separaten Zylinderbank untergebracht sind. Die Anordnung aller Verdichtungszylinder 12 in einer gemeinsamen Zylinderbank führt auch dazu, dass das Arbeitsgas 15 jeweils in einem gemeinsamen Rohrstrang geführt wird.
Eine weitere Ausführungsform mit verlängerter Expansion zeigt der Verbrennungsmotor 10, dargestellt in 7. Diese Ansicht zeigt den Verbrennungsmotor 10 mit acht in V-form angeordneten Zylindern in schematischer Aufsicht mit einer aus drei Verdichtungszylindern 12 bestehenden Verdichtergruppe 11 und einer aus fünf Expansionszylindern 14 bestehenden Expandergruppe 13, wobei ein Expansionszylinder 14 in einer Zylinderbank gemeinsam mit den Verdichtungszylindern 12 der Verdichtergruppe 11 angeordnet ist. Der in die Verdichtergruppe eingeleitete Strom des Arbeitsgases 15 unterliegt auch hier einer Verdichtung in den Verdichtungszylindern 12 mit einem Druckverhältnis, welches kleiner ist als das Druckverhältnis während der Expansion des erhitzten Arbeitsgases 17 in der Expandergruppe 13, wodurch wiederum ein thermodynamisch besserer Wirkungsgrad ermöglicht wird.
Der in 8 dargestellte Verbrennungsmotor 10 entspricht einer dem Verbrennungsmotor 10 nach 6 entsprechenden Anordnung, wobei zwischen dem Wärmeübertrager 20 und der Expandergruppe 13 ein Brenner 40 vorgesehen ist und die Anordnung bei einem Kaltstart bzw. kühlem Wärmeübertrager 20 vorzugsweise zur Anwendung kommt. Aus dem Wärmeübertrager 20 erfolgt bei einem kalten Verbrennungsmotor 10 ein Austritt von warmen Arbeitsgas 17A aus dem Wärmeübertrager 20. Das warme Arbeitsgas 17A wird im weiteren Prozess in einem Brenner 40 erhitzt und als erhitztes Arbeitsgas 17 der Expandergruppe 13 zugeführt. Die Erhitzung des warmen Arbeitsgases 17A erfolgt in dieser Ausführungsform mittels der Verbrennung eines Kraftstoffes 41. Selbstverständlich bleibt die Anwendung einer elektrischen Heizung oder eines zweiten Wärmeübertragers zur Erhitzung des warmen Arbeitsgases 17A alternativ oder kumulativ hiervon möglich. Die Anwendung eines mit Kraftstoff 41 betriebenen Brenners 40 muss nicht notwendigerweise zu Einbußen im Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 führen, da durch die Expansion des erhitzten Arbeitsgases in der Expandergruppe 13 die im Brenner 40 umgesetzte Kraftstoffenergie ebenfalls in mechanische Arbeit gewandelt wird. Denkbar ist auch eine Kombination eines Brenners 40 mit einer elektrischen Heizung oder einem weiteren Wärmeübertrager.
9 zeigt einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf 50 eines Verbrennungsmotors, insbesondere auch eines Verbrennungsmotors 10 nach den vorstehend erläuterten Figuren. Dieser einen Einlasskanal 58 und einen Auslasskanal 59 beinhaltende Zylinderkopf 50 weist ein Tellerventil 51 auf, bei welchem mittels eines Ausgleichskolbens 55 ein Druckausgleich bewerkstelligt wird, wobei ein, durch das im Einlasskanal 58 befindliche Arbeitsgas, bewirkter Druck auf den Teller 52 des Tellerventils 51 ausgeglichen wird. Der in dem Einlasskanal 58 erzeugte und auf den Teller 52 wirkende Druck würde, im Falle eines positiven Druckgefälles zwischen dem Einlasskanal 58 und dem in dem Zylinder befindlichen niedrigeren Druck, das Tellerventil 51 öffnen und das in dem Einlasskanal 58 befindliche Arbeitsgas in den Zylinder entweichen lassen. Da in einem konventionellen Verbrennungsmotor der Zylinderinnendruck stets höher oder gleich dem Druck in dem Einlasskanal 58 ist, folgt eine verstärkte Dichtwirkung am Teller 52 des Tellerventils 51, so dass dieses bei einem konventionellen Verbrennungsmotor unkritisch ist.
Der Ausgleichskolben 55 verfügt bei dieser Ausführungsform nach 9 eine Kolbenfläche 56, welche weitgehend der oberen Telleroberfläche 52A entspricht und somit den auf die obere Telleroberfläche 52A wirkenden Druck durch eine entgegengerichtete Kraft entsprechend ausgleicht. Sofern die rückseitige Kolbenoberfläche 57 lediglich mit Umgebungsdruck beaufschlagt wird verbleibt an dem Tellerventil 51 der auf die untere Telleroberfläche 52B wirkende Zylinderinnendruck. Somit kann die Ventilfeder 54 entsprechend gängigen Konstruktionsregeln ausgelegt werden, so dass die Ventilfeder 54 lediglich Kräfte zum betriebssicheren Schließen des Tellerventils 51 aufbringen muss. Diese Auslegung der Feder 54 bewirkt ebenfalls, dass die zum Öffnen des Tellerventils 51 nötige Nockenkraft minimal und hierdurch wiederum die Reibleistung des Verbrennungsmotors 10 ebenfalls minimal und der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 maximal ist.
Die Kolbenfläche 56 des Ausgleichkolbens 55 muss jedoch nicht notwendigerweise der oberen Telleroberfläche 52A entsprechen. Denkbar ist auch, dass der Außendurchmesser des Kolbens 55 kleiner ist als der Durchmesser des Tellers 52, so dass die am Ausgleichskolben 55 wirkende Gaskraft kleiner ist als die auf die obere Telleroberfläche 52A wirkende Gaskraft. Umgekehrt kann auch der Durchmesser des Ausgleichskolbens 55 größer sein als der Durchmesser des Tellers 52 des Tellerventils 51. Hieraus resultiert eine auf den Ausgleichskolben 55 wirkende größere Gaskraft. Letztlich ist es auch möglich, die rückseitige Kolbenfläche 57 mit einem Druck zu beaufschlagen, welcher dem Zylinderinnendruck entspricht. Diese Maßnahme kann beispielsweise mittels eines Verbindungskanals zwischen der rückseitigen Kolbenoberfläche 57 und dem Expansionszylinder 14 erfolgen. Als Resultat würden sich in Summe alle am Tellerventil 51 wirkenden Gaskräfte zu Null ergeben. Der Vorteil hierbei wäre, dass das Tellerventil 51 nicht gegen einen im Zylinder befindlichen Innendruck geöffnet werden muss, falls im Einlasskanal 58 der Gasdruck abfällt. Die Aufgabe der Dichtung obliegt somit lediglich der Ventilfeder 54.
9 zeigt weiterhin, dass in dem Auslasskanal 59 befindliche Auslassventil 61. Deutlich ist der Unterscheid zwischen dem Teller 52 des Einlassventils 51 und dem Teller 62 des Auslassventils 61 zu erkennen. Hierbei ist der Durchmesser des Tellers 62 wesentlich größer als der Durchmesser des Tellers 52. Das durch den Einlasskanal 58 in den Zylinder eingebrachte Arbeitsgas steht in dieser Phase des Prozesses unter einem hohen Druck, welcher zu einem relativ geringen spezifischen Volumen und einem geringem Volumenstrom führt. Nach der im Zylinder durchgeführten Expansion des Arbeitsgases steigt das Volumen dessen um ein Vielfaches an, wodurch es zu einem erheblich größeren Volumenstrom im Auslasskanal 59 kommt. Diesem Umstand wird durch die verschiedenen Tellerdurchmesser des Einlassventils 51 und des Auslassventils 61 Rechnung getragen.
Auch ist in dem Zylinderkopf 50 eine Einspritzdüse 63 untergebracht, welche eine innere Gemischbildung durch Direkteinspritzung ermöglicht. Die Verwendung einer inneren Gemischbildung bietet gewisse Freiheitsgrade im Einspritzzeitpunkt und in der Einspritzdauer, welche durch eine äußere Gemischbildung nicht notwendigerweise dargestellt werden kann, da bei einer äußeren Gemischbildung das Einbringen des Kraftstoffes in den Zylinder lediglich von der Öffnungsdauer und vom Öffnungszeitpunkt des Einlassventils abhängt. Ebenso ist bei einer äußeren Gemischbildung die Regelung des Verbrennungsmotors 10 durch die Quantitätsregelung nicht bzw. nur sehr begrenzt möglich.
In dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, wegen des im Expansionszylinder 14 verwendeten Verfahrens mit zwei Arbeitstakten, das Auslassventil 62 etwa zwischen 10° und 12° vor dem oberen Totpunkt geschlossen, so dass ab diesem Zeitpunkt die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgen kann, selbst dann, wenn das Einlassventil 51 noch nicht geöffnet worden ist. Die Angabe der Steuerzeiten der Ventile bezieht sich naturgemäß auf die Stellung der Kurbelwelle, wobei der obere Totpunkt den Punkt bezeichnet, an welchem der Kolben des jeweiligen Expansionszylinders seinen minimalen Abstand zum Brennraumdach 60 erreicht hat. Wie sofort ersichtlich kann zwischen dem oberen Totpunkt eines Expansionszylinders 14 und zwischen dem oberen Totpunkt eines Verdichtungszylinders 12 ein von Null verschiedener Winkelversatz vorhanden sein. Das frühe Schließen des Auslassventils 62 führt folglich zu einer Kompression des in dem Expansionszylinder 14 befindlichen heißen Abgases 18, wobei zu einem Zeitpunkt nach dem Schließen des Auslassventils 61 das Einlassventil 51 öffnet, verdichtetes Arbeitsgas 16 aus dem Einlasskanal 58 in den Expansionszylinder 14 geleitet wird und das Einlassventil 51 wieder schließt, bevor der Druck im Expansionszylinder 14 den Gasdruck im Einlasskanal 58 überschritten hat. Nach dem Schließen des Einlassventils 51 kann gegebenenfalls eine weitere Kompression im Expansionszylinder erfolgen, bevor die Verbrennung eingeleitet wird.
Die Verbrennung wiederum kann durch zahlreiche Maßnahmen, wie etwa durch den Restgasanteil, durch die Temperatur des erhitzten Arbeitsgases 17, durch den Grad an weiterer Kompression im Expansionszylinder 14, durch die Temperatur des Kraftstoffes 41 und durch den Anteil an homogener und heterogener bzw. äußerer und innerer Gemischbildung beeinflusst und stabil gehalten werden. Zum Zwecke der Verbrennungseinleitung kann in dem Einlasskanal 58 oder aber auch bereits im Kaltstrom 21 des Wärmeübertragers 20 eine weitere Einspritzdüse zum Zwecke der äußeren Gemischbildung vorhanden sein, welche so viel Kraftstoff in das verdichtete Arbeitsgas 16 oder das erhitzte Arbeitsgas 17 einbringt, dass die Zündgrenzen des verwendeten Kraftstoffes gerade nicht erreicht werden. Der Kraftstoff ist somit in der Lage während einer weiteren Verdichtung im Expansionszylinder in einem sehr kurzen Zeitraum bereits Radikale oder andere hochreaktive Reaktionsteilnehmer zu bilden und die durch die Direkteinspritzung eingeleitete Verbrennung zu beschleunigen.
Die beschleunigte und schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt durch die Erhitzung des Kraftstoffes. 10 zeigt eine schematische Ansicht eines beheizten Speichereinspritzsystems für direkt eingespritzte Kraftstoffe, insbesondere auch für einen Verbrennungsmotor nach den vorstehend erläuterten Figuren, in welchem die Erhitzung im Einlasskrümmer erfolgt. Dargestellt ist auch der Wärmeübertrager 20 und mehrere Expansionszylinder 14 der Expandergruppe 13 des zuvor beschriebenen Verbrennungsmotors 10.
Das in den Wärmeübertrager 20 eingeleitete verdichtete Arbeitsgas 16 wird in dem Wärmeübertrager 20 erhitzt und als erhitztes Arbeitsgas 17 auf die jeweiligen Expansionszylinder 14 mittels eines Arbeitsgasverteilers oder mehreren Arbeitsgasverteilern verteilt. Der Arbeitsgasverteiler bzw. Einlasskrümmer der Expandergruppe 13 beinhaltet, wie bereits weiter oben angedeutet, hierbei den Druckspeicher 43 des Kraftstoffsystems. Der Druckspeicher 43 wird durch das erhitzte Arbeitsgas 17 ebenfalls erhitzt und überträgt die aus dem erhitzten Arbeitsgas 17 stammende Wärme auf den einzuspritzenden Kraftstoff 41. Der Kraftstoff 41 wird in üblicher Weise in einen Kraftstofftank 45 mit dem Fahrzeug mitgeführt und über eine Kraftstoffförderpumpe 46 in die Kraftstoffleitung 42 und folglich auch in den Druckspeicher 43 befördert. Anschließend erfolgt die Verteilung des Kraftstoffes 41 auf die jeweiligen hier exemplarisch bezifferten Einspritzdüsen 44. Die Einspritzdüse 44 bringt den Kraftstoff 41 direkt in den jeweiligen Expansionszylinder 14 ein, in welchem der Kraftstoff 41 durch die sehr hohe Temperatur des Kraftstoffs 41 selbst und des in den Expansionszylinder 14 eingeleiteten erhitzten Arbeitsgases 17 unverzüglich in seine Bestandteile zerfällt, mit äußerst geringem Tropfendurchmesser verdampft und somit in einer sehr kurzen Zeitspanne verbrennt. Die Kraftstoffdüsen 44 werden wie üblich und zur Wahrung einer möglichst großen Flexibilität von einem Motorsteuergerät 47 über die Steuerleitung 48 angesteuert.
Weiterhin zeigt die 10 den bereits erläuterten Brenner 40 welcher in der Zuleitung stromaufwärts des Arbeitsgasverteilers bzw. des Einlasskrümmers der Expandergruppe 13 sitzt. Der Brenner 40 wird verwendet um das aus dem Wärmeübertrager 20 austretende warme Arbeitsgas 17A auf die erforderliche Prozesstemperatur zu bringen, sofern im Wärmeübertrager 20 keine ausreichende Wärmemenge übertragen wird. Dies kann der Fall sein, wenn beispielsweise das verwendete heiße Abgas 18 nach einem Kaltstart nicht mit dem erforderlichen Temperaturniveau zur Verfügung steht. Zusätzlich ist es daher denkbar und vorgesehen, dass der Brenner 40 oder ein alternativer bzw. weiterer Brenner stromaufwärts des Heißstrom 23 des Wärmeübertragers 20 in einem das heiße Abgas 18 führenden Abgasrohr untergebracht ist.
An dieser Stelle, stromaufwärts des Heißstroms 23, kann auch ein nicht dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sein. In diesem Falle ist es auch zweckmäßig, einen erforderlichen weiteren Brenner mit dem Abgasnachbehandlungssystem zu kombinieren, sofern die Abgasnachbehandlung eine weitere Temperaturerhöhung des heißen Abgases 18 erfordert. Einerseits kann hierdurch eine möglicherweise erforderliche Light-Off-Temperatur erreicht werden, andererseits kann wiederum die eingebrachte Wärme im Wärmeübertrager 20 auf den Kaltstrom 21 übertragen werden, wodurch eine Rückkopplung einer Wärmemenge in den Kreisprozess des Verbrennungsmotors 10 stattfindet.
11 zeigt einen Wärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor, insbesondere auch für einen Verbrennungsmotor nach den vorstehend erläuterten Figuren. Der in 11 dargestellte Wärmeübertrager 20 ist als Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgeführt. Das in diesen Wärmeübertrager 20 eingeleitete verdichtete Arbeitsgas 16 wird in den Kaltstrom 21 überführt, welcher durch die aus geraden Rohren bestehende Kaltstromkammer 22 geführt wird. Der Kaltstrom 21 verlässt sodann den Wärmeübertrager 20 als erhitztes Arbeitsgas 17. Der um diesen Wärmeübertrager 20 Wärme auf den Kaltstrom 21 übertragende Heißstrom 23 wird aus dem in den Wärmeübertrager 20 eingeleiteten heißen Abgas 18 gebildet. Das heiße Abgas 18 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch drei Anschlussrohre 26 in den Wärmeübertrager 20 eingeleitet und durch lediglich ein Anschlussrohr 26 wieder heraus geleitet, weswegen dieser dargestellte Wärmeübertrager 20 insbesondere für eine Expandergruppe mit drei benachbarten Expansionszylindern vorteilhaft ist, da auf einen Auslasskrümmer am Zylinderkopf der Expandergruppe 13 verzichtet wird. Das in dem inneren Zwischenraum 29A gesammelte und in den Heißstrom 23 überführte heiße Abgas 18 wird nach dem Einleiten durch ein einlassseitiges Anschlussrohr 26 in die Heißstromkammer 24 geleitet. Die Heißstromkammer 24 wird durch die in dem Wärmeübertrager 20 befindlichen Zwischenwände 31 im Kreuz-Gegenstrom zur Kaltstromkammer 22 geführt und auslassseitig als kaltes Abgas 19 in die Umgebung abgeleitet.
Der dargestellte Wärmeübertrager 20 weist darüber hinaus zwei weitere Besonderheiten auf. Einerseits beinhaltet der Wärmeübertrager 20 eine zwischen einer ersten umhüllenden Oberfläche 27 und einer zweiten umhüllenden Oberfläche 28 befindliche Isolation 30. Andererseits verfügt der Wärmeübertrager 20 über mehrere Anschlussflansche 25 und Anschlussrohre 26, welche ebenfalls zur Vermeidung von schädlichen Wärmeverlusten so kurz wie möglich ausgebildet sind.
In der einfachsten in dieser 11 dargestellten Ausführungsform befindet sich im Zwischenraum 29 zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche 27 und der zweiten umhüllenden Oberfläche 28 als Isolation lediglich ein bestimmtes Volumen an Luft. Luft hat mit seiner besonders geringen Wärmeleitfähigkeit eine bereits hervorragende Eigenschaft zur Wärmeisolation. Um die Isolationswirkung in diesem Zwischenraum 29 zu erhöhen, kann der Zwischenraum 29 auch evakuiert werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit auf einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit von Luft gesenkt werden kann. Alternativ kann der Zwischenraum 29 auch mit heißem Abgas 18 geflutet werden, so wie dies im inneren Zwischenraum 29A auch erfolgt. Oder aber der Zwischenraum 29 kann mit kaltem Abgas 19 geflutet werden, wenn dieses eine höhere Temperatur aufweist als die Temperatur der Umgebungsluft. Als weitere Alternative kann der Zwischenraum 29 gegebenenfalls auch eine Isolation 30, also eine feste Isolationsschicht aus Granulat, Keramik, Glaswolle oder Steinwolle, aufweisen.
Die zweite Maßnahme zur Verringerung der Wärmeabstrahlung liegt in der Ausführung der hier dargestellten Anschlussrohre 26 und der Anschlussflansche 25. Die Anschlussrohre 26, an welche die Anschlussflansche 25 angebracht sind haben eine derart bemessene Länge, dass zwischen einem Anschlussflansch 25 und der äußeren umhüllenden Oberfläche 28 ein minimaler Abstand vorhanden ist, welcher gerade noch die Montierbarkeit des Wärmeübertragers 20 gewährleistet. Hierbei sind im Wesentlichen drei Ausführungsformen denkbar. In einer ersten Ausführungsform wird eine hier nicht dargestellte Flanschmutter in den Zwischenraum zwischen dem Anschlussflansch 25 und der äußeren umhüllenden Oberfläche 28 eingeführt und eine durch den Anschlussflansch 25 geführte Schraube mittels des Flanschmutter befestigt. Somit ergibt sich der Abstand zwischen dem Anschlussflansch 25 und der äußeren umhüllenden Oberfläche 28 in dem Maße, dass dieser Abstand maximal dem 2,1-fachen der Flanschenmutternhöhe entspricht.
Sollte die Mutter jedoch in der vorgesehenen Montagereihenfolge vor der jeweiligen Schraube bzw. vor dem jeweiligen Bolzen an den Anschlussflansch 25 geführt werden, so ist auch ein geringerer Abstand zwischen dem Anschlussflansch 25 und der äußeren umhüllenden Oberfläche 28 möglich. Die Flanschmutter kann selbstverständlich auch bereits am Anschlussflansch 25 angeschweißt oder angelötet sein. In diesem Fall bietet die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anschlussflansch 25 und der Flanschmutter eine zusätzliche Verliersicherung. Der Abstand des Anschlussflansches 25 zur äußeren umhüllenden Oberfläche 28 entspricht in diesem Falle maximal dem 1,1-fachen der Flanschenmutterhöhe.
Die dritte denkbare Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Mutter gemeinsam mit dem Anschlussflansch 25 ausgebildet ist bzw. dadurch, dass der Flansch 25 bereits ein Montagegewinde enthält. Insofern kann der Abstand zwischen dem Anschlussflansch 25 und der äußeren umhüllenden Oberfläche 28 nochmals reduziert werden, wodurch dieser Abstand maximal dem 0,1-fachen der Dicke des Anschlussflansches 25 entspricht.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
11: Verdichtergruppe
12: Verdichtungszylinder
13: Expandergruppe
14: Expansionszylinder
15: Arbeitsgas
16: verdichtetes Arbeitsgas
17: erhitztes Arbeitsgas
17A: warmes Arbeitsgas
18: heißes Abgas
19: kaltes Abgas
20: Wärmeübertrager
21: Kaltstrom
22: Kaltstromkammer
23: Heißstrom
24: Heißstromkammer
25: Anschlussflansch
26: Anschlussrohr
27: erste umhüllende Oberfläche
28: zweite umhüllende Oberfläche
29: Zwischenraum
29A: innerer Zwischenraum
30: Isolation
31: Zwischenwand
40: Brenner
41: Kraftstoff
42: Kraftstoffleitung
43: Druckspeicher
44: Einspritzdüse
45: Kraftstofftank
46: Kraftstoffförderpumpe
47: Motorsteuergerät
48: Steuerleitung
50: Zylinderkopf
51: Tellerventil
52: Teller
52A: obere Telleroberfläche
52B: untere Telleroberfläche
52C: Ventilsitz
53: Ventilschaft
54: Ventilfeder
55: Ausgleichskolben
56: Kolbenfläche
57: rückseitige Kolbenfläche
58: Einlasskanal
59: Auslasskanal
60: Brennraumdach
61: Auslassventil
62: Teller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5857436 [0002]

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) sowie der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (23) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) stromabwärts der Kaltstromkammer (22) einen Arbeitsgasverteiler mit wenigstens zwei Ausgängen aufweist, wobei die Ausgänge des Arbeitsgasverteilers jeweils mit einem Eingang der Expansionszylinder (14) verbunden sind.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgang der Expansionszylinder (14) mit der Heißstromkammer (24) verbunden ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Arbeitsgas (15) führende Zuleitung zwischen der Expandergruppe (13) und dem Wärmeübertrager (20) wärmeisoliert ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergruppe (11) ein kleineres Hubvolumen aufweist als die Expandergruppe (13).
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Expandergruppe (13) eine höhere Zylinderzahl als die Verdichtergruppe (11) aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expandergruppe (13) eine Einlassventilgruppe und eine Auslassventilgruppe aufweist, wobei die Einlassventilgruppe einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Auslassventilgruppe aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Expandergruppe (13) eine Einlassventilgruppe und eine Auslassventilgruppe aufweist, wobei zwei Ladungswechselventile der Einlassventilgruppe in Reihe geschaltet sind.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete Ladungswechselventile der Einlassventilgruppe eine voneinander verschiedene Öffnungsrichtung aufweisen.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) und der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergruppe (11) wenigstens ein selbsttätig öffnendes und selbsttätig schließendes Ladungswechselventil aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) sowie der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) als Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) sowie der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (24) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißstromkammer (24) eingangsseitig eine höhere Anzahl an Anschlussflanschen (25) aufweist als ausgangsseitig.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißstromkammer (24) eingangsseitig wenigstens zwei Anschlussflansche (25) und ausgangsseitig einen Anschlussflansch (25) aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) und der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) baulich außerhalb des Zylinderkopfes (50) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) baulich außerhalb des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) an einer umhüllenden Oberfläche (27, 28) wärmeisoliert ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) eine von einer ersten umhüllenden Oberfläche (27) beabstandete zweite umhüllenden Oberfläche (28) aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche (27) und der zweiten umhüllenden Oberfläche (28) wenigstens einen wärmeisolierenden Stoff (30) beinhaltet.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche (27) und der zweiten umhüllenden Oberfläche (28) Abgas aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) zwischen der ersten umhüllenden Oberfläche (27) und der zweiten umhüllenden Oberfläche (28) aus dem inneren des Wärmeübertragers (20) austretendes Abgas aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) eine zu einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors parallele Hauptströmungsrichtung aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) und der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeübertrager (20) und der Expandergruppe (13) ein Brenner (40) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) sowie der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass der Expandergruppe (13) und der Heißstromkammer (24) eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlung einen Brenner (40) aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) und der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heissstromkammer (24) als Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens einem Zylinder, mit wenigstens einem einlassseitigen Ladungswechselventil (51) und mit wenigstens einem auslassseitigen Ladungswechselventil (61), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ladungswechselventil (51) einen Druckausgleich aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein einlassseitiges Ladungswechselventil (51) eines Expansionszylinders (13) einen Druckausgleich aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungswechselventil (51) einen Teller (52) sowie eine zylinderinnenseitige Tellerfläche (52A, 52B) aufweist und der Druckausgleich über einen am Schaft (53) des Ladungswechselventils (51) angebrachten Ausgleichskolben (55) erfolgt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskolben (55) ein doppelwirkender Kolben ist.
Verbrennungsmotor (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung, mit einer aus wenigstens einem Verdichtungszylinder (12) bestehenden Verdichtergruppe (11), mit wenigstens einer aus wenigstens zwei Expansionszylindern (14) bestehenden Expandergruppe (13) und mit einem zwischen der Verdichtergruppe (11) sowie der Expandergruppe (13) angeordneten Wärmeübertrager (20), wobei eine Kaltstromkammer (22) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Verdichtergruppe (11) austretenden sowie in die Expandergruppe (13) eintretenden Arbeitsgasstrom aufweist und eine Heißstromkammer (24) des Wärmeübertragers (20) einen aus der Expandergruppe (13) austretenden Abgasstrom aufweist, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergruppe (11) Verdichtungskolben mit einem Schadvolumen kleiner 5%, vorzugsweise kleiner 3%, aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einer Kraftstoffleitung (42), insbesondere auch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (42) wenigstens teilweise innerhalb eines Einlass- und/oder Auslasskrümmers verläuft.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (42) ein Verteilerrohr eines Speichereinspritzsystems ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) stromaufwärts des Einlasskrümmers Mittel zum Aufheizen eines Arbeitsgases (15) aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager (20), wobei Wärme auf ein in einer Verdichtergruppe (11) verdichtetes Arbeitsgas (16) mittels des Wärmeübertragers (20) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Arbeitsgas (16) auf wenigstens zwei Expansionszylinder (14) der Expandergruppe (13) verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Expansionszylindern (14) austretendes Abgas durch den Wärmeübertrager (20) geleitet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager (20), wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe (13) austretendem Abgas auf ein in einer Verdichtergruppe (11) verdichtetes Arbeitsgas (16) mittels des Wärmeübertragers (20) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Expansionszylindern (14) austretendes Abgas im Wärmeübertrager (20) zusammengeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager (20), wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe (13) austretendem Abgas auf ein aus einer Verdichtergruppe (11) austretenden Arbeitsgas (15) mittels des Wärmeübertragers (20) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsgas (15) nach dem Austreten aus dem Wärmeübertrager (20) mittels einer Heizeinrichtung Wärme zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsgas (15) Wärme mittels eines Brenners (40) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (40) ein variabler Luftmassenstrom zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (40) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (10) mit innerer, intermittierender Verbrennung und mit einem Wärmeübertrager (20), wobei Wärme von einem aus einer Expandergruppe (13) austretendem Abgas auf ein aus einer Verdichtergruppe (11) austretendes Arbeitsgas (15) mittels des Wärmeübertragers (20) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas nach dem Austreten aus der Expandergruppe (13) und vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager (20) einer Nachbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung durch Wärmezufuhr erfolgt.
Verfahren für einen Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens einem Zylinder und mit wenigstens einer Kraftstoff (41) führenden Kraftstoffleitung (42) dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff (41) vor dem Einbringen in ein Arbeitsgas (15) vorgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff (41) auf eine Temperatur größer 700°C, bevorzugter auf eine Temperatur größer als 900°C, noch bevorzugter auf eine Temperatur größer als 1100°C aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Expansionszylinder (14) der Expandergruppe (13) wenigstens ein Einlassventil aufweist und das Einlassventil 10° bis 12° vor dem oberen Totpunkt eines in dem Expansionszylinder (14) hin und her laufenden Expansionskolbens schließt.