DE102011090142A1 - Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), umfassend: – mindestens einen Zylinder (3) mit einem Brennraum (31) zum Durchführen einer Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs; – ein Kraftstoffeinspritzventil (6) zum Einspritzen von Kraftstoff; – einen Druckbehälter (11) zum Speichern von komprimierter Frischluft; – jeweils mindestens ein Luftventil (10) pro Zylinder (3) zum Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Druckbehälter (11) in den Brennraum des Zylinders (3).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, insbesondere Maßnahmen zur Zuführung von Frischluft in Brennräume eines Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik
  • Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird Luft über einen Luftzuführungsabschnitt zugeführt. Insbesondere bei Ottomotoren resultiert die in die Brennräume der Zylinder strömende Frischluft aus der Ansaugwirkung, die durch eine Kolbenbewegung in den Zylindern des Verbrennungsmotors hervorgerufen wird. Die Menge der durch die Kolbenbewegung in den Zylindern angesaugten Frischluft wird durch eine im Luftzuführungsabschnitt vorgesehene Drosselklappe gesteuert, so dass die in den Brennräumen der Zylinder für die anstehende Verbrennung vorhandene Luftmenge eingestellt werden kann.
  • Zum Verbessern des dynamischen Ansprechverhaltens von Verbrennungsmotoren werden zusehends abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen vorgesehen, die die Förderung von Frischluft in die Brennräume der Zylinder unterstützen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
    • – mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum zum Durchführen einer Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs;
    • – ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere in den Brennraum des Zylinders;
    • – einen Druckbehälter zum Speichern von komprimierter Frischluft;
    • – jeweils mindestens ein Luftventil pro Zylinder zum Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Druckbehälter in den Brennraum des betreffenden Zylinders.
  • Das bisherige Verfahren, den Zylindern eines Verbrennungsmotors Frischluft zuzuführen, weist eine Reihe von Nachteilen auf:
    Die Frischluftzufuhr über das Saugrohr hat im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors ein relativ langsames dynamisches Verhalten der in die Zylinder eingelassenen Luftmenge zur Folge.
  • Weiterhin hat ein herkömmlicher Verbrennungsmotor den Nachteil, dass die in dem Luftzuführungsabschnitt vorhandenen Komponenten Energieverluste bewirken. So erzeugt beispielsweise das Ansaugen der Frischluft durch die Kolbenbewegung in den Brennräumen der Zylinder Ladungswechselverluste und der Betrieb der Nockenwelle für das Ventilspiel erzeugt zusätzliche Reibungsverluste.
  • Bei Verwenden einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung zum Bereitstellen eines erhöhten Drucks der zuzuführenden Frischluft wird zusätzliche Restenergie des Verbrennungsabgases für den Antrieb der Aufladeeinrichtung verwendet, was zu einem erhöhten Abgasgegendruck führt und somit die Leistung des Verbrennungsmotors ebenfalls reduziert.
  • Weitere Nachteile bei der Verwendung des herkömmlichen Luftzuführungssystems bestehen in der Ungenauigkeit der Beimessung der in die Brennräume der Zylinder strömenden Luftmenge, so dass eine aufwändige Abgasnachbehandlung notwendig wird.
  • Eine Idee des obigen Motorsystems besteht darin, ein Druckluftreservoir vorzusehen, aus dem die zum Betreiben des Verbrennungsmotors benötigte Menge an Frischluft entnommen wird. Dadurch können die bisherigen Nachteile von Verbrennungsmotoren, die mit dem langsamen dynamischen Verhalten des Luftsystems im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors in Verbindung stehen, vermieden werden.
  • Die Verwendung eines Druckluftspeichers als Quelle der für die Verbrennung benötigten Frischluft hat den Vorteil, dass Frischluft in der benötigten Menge direkt in die Brennräume der Zylinder eingelassen werden kann bzw. einströmen kann. Die Beimessung der Frischluft in die Brennräume der Zylinder kann durch einfache Luftventile erfolgen und Komponenten wie Drosselklappen oder eine Aufladeeinrichtung sind nicht mehr notwendig. Die Menge der injizierten Frischluft kann durch die Öffnungszeit der Luftventile eingestellt werden.
  • Die Dekomprimierung der aus dem Druckbehälter in die Brennräume der Zylinder strömenden Luft führt zu einer Abkühlung, so dass die Brennräume der Zylinder entsprechend gekühlt werden können. Dies verbessert das Klopfverhalten des Verbrennungsmotors. Zudem ist es möglich, die für die Verbrennung in die Brennräume der Zylinder einzuspritzende Luftmenge zylinderindividuell einzustellen, was für einen HCCI-Betrieb (HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) hilfreich sein kann.
  • Weiterhin kann durch das obige Motorsystem die Anzahl der zur Ermittlung der in die Brennräume gelangende Frischluft benötigten Sensoren deutlich reduziert werden. So sind die üblicherweise verwendeten Sensoren, nämlich Heißluftmassenmesser, Drosselklappenstellungssensor, Winkelsensor für die Einlassnockenwelle, weitere Druck- und Temperatursensoren und dergleichen bei der Verwendung des Druckbehälters als Frischluftquelle nicht länger notwendig. Stattdessen könnte man für die Ermittlung der exakten Beimessung der Frischluft in die Zylinder mit einem Druck- und einem Temperatursensor für die in dem Druckbehälter komprimierte Frischluft auskommen.
  • Weiterhin kann das Volumen des Druckbehälters das 10-fache des gesamten Volumens der Zylinder des Verbrennungsmotors übersteigen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein Kompressor vorgesehen sein, um den Druckbehälter mit komprimierter Frischluft zu befüllen.
  • Insbesondere kann der Kompressor durch mehrere Energiequellen antreibbar sein, insbesondere durch einen Elektromotor und/oder einen Stirlingmotor und/oder eine abgasgetriebene Turbine.
  • Weiterhin kann der Stirlingmotor einen ersten mit einem Abgasabführungsabschnitt des Verbrennungsmotors gekoppelten Luftzylinder und einen zweiten von dem ersten Luftzylinder thermisch isoliert angeordneten Luftzylinder aufweisen.
  • Weiterhin kann ein Klimaanlagenventil vorgesehen sein, um komprimierte Frischluft aus dem Druckbehälter zu entnehmen, zu dekomprimieren und die durch die Dekompression abgekühlte Frischluft zum Kühlen zur Verfügung zu stellen.
  • Weiterhin kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, um das Einspritzventil und das Luftventil so anzusteuern, dass vor einem Verbrennungstakt ein Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, dem Luft über einen Druckbehälter zugeführt wird.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 (im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ottomotor), von dem beispielhaft ein Zylinder 3 dargestellt ist. Das Motorsystem 1 dient beispielsweise zum Betreiben eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs. Der Zylinder 3 umfasst einen Brennraum 31, der an einem Ende durch einen beweglichen Kolben 32 abgeschlossen ist.
  • An einem dem Kolben 32 gegenüberliegenden Zylinderkopf 33 ist eine Zündeinrichtung 5 vorgesehen, um in einem Verbrennungstakt ein in dem Brennraum 31 des Zylinders 3 befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu zünden und dadurch eine Expansionsbewegung des Kolbens 32 zu bewirken.
  • Weiterhin ist ein Kraftstoffeinspritzventil 6 vorgesehen, um Kraftstoff direkt in den Brennraum 31 des Zylinders 3 einzuspritzen. In einem auf den Verbrennungstakt folgenden Ausstoßtakt wird ein Auslassventil 7 im Zylinderkopf 33 geöffnet und Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt 8 ausgestoßen.
  • Über ein Luftventil 10 wird dem Verbrennungsmotor 2 Frischluft zugeführt, die aus einem Druckbehälter 11 entnommen wird. Der Druckbehälter 11 ist in einem Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, der eine Umgebungstemperatur oder eine Temperatur aufweist, die signifikant niedriger ist als die Temperatur in Motornähe. Der Druckbehälter 11 kann beispielsweise aus Metall und/oder aus einem Glasfiber- und/oder Verbundmaterial ausgebildet sein. Insbesondere Glasfibermaterial hat die Vorteile des geringen Gewichts oder einer hohen Druckbelastbarkeit.
  • Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Druckbehälter 11 und dem Brennraum 31 des Zylinders 3 strömt die Luft bei Öffnen des Luftventils 10 in den Brennraum 31 und entspannt sich hierbei. Dadurch wird der Zylinder 3 gekühlt, da sich die expandierende Luft abkühlt.
  • Die Ansteuerung des Luftventils 10, der Zündeinrichtung 5, des Kraftstoffeinspritzventils 6 und des Auslassventils 7 wird von einer Steuereinheit 15 gesteuert. Die Steuerung des Verbrennungsmotors 2 ähnelt im Wesentlichen der Steuerung eines herkömmlichen Verbrennungsmotors, wobei lediglich das Öffnen des Luftventils 10 zum Einlassen einer bestimmten Luftmenge so vorgenommen wird, dass eine vorgegebene, z. B. eine möglichst stöchiometrische, Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Brennraum 31 des Zylinders 3 erfolgen kann.
  • Die Abmessung der Menge an in den Brennraum zu injizierende Frischluft kann durch Vorgeben von Öffnungszeiten für die Luftventile 10 vorgenommen werden, wobei die Steuereinheit 15 über einen an dem Druckbehälter 11 angeordneten Druck- und Temperatursensor 9 entsprechende Zustandsgrößen in dem Druckbehälter 11 erfassen kann und daraus die entsprechenden Öffnungszeiten der Luftventile 10 bestimmen kann.
  • Die Beladung des Druckbehälters 11 mit komprimierter Luft erfolgt über einen Kompressor 12, der entweder elektromotorisch mithilfe eines Elektromotors 13 oder über eine sonstige Energiequelle angetrieben werden kann. Der Kompressor 12 saugt Frischluft über einen Luftfilter 16 an, verdichtet diese und leitet die komprimierte Frischluft über eine Kühleinrichtung 17 zum Kühlen der komprimierten Frischluft in den Druckbehälter 11.
  • Um die durch die Kompression der Frischluft in dem Druckbehälter 11 entstehende Kompressionswärme abzuführen, kann der Druckbehälter 11 weiterhin mit einer Kühlvorrichtung, z.B. mit Kühllamellen versehen sein. Dadurch wird die dort entstehende Wärme in die Umgebung abgeführt.
  • Je nach Größe des Druckbehälters 11 kann eine Zusatznutzung für eine Klimaanlage vorgesehen sein, da sich die über ein Klimaanlagenventil 18 aus dem Druckbehälter 11 ausgelassene Luft aufgrund ihrer Expansion abkühlt und damit zum Kühlen des Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs geeignet wäre.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kompressor 12 weiterhin über einen Stirlingmotor 19 betrieben, der die Temperaturdifferenz zwischen der Abgasseite des Verbrennungsmotors 2 und der Umgebung nutzt, um einen mechanischen Antrieb des Kompressors 12 zu erreichen.
  • Der Stirlingmotor 19 umfasst zwei Luftzylinder, die jeweils über eine Pleuelstange mit einem Antriebsrad 20 verbunden sind. Ein erster Luftzylinder 22 ist nahe dem Abgasabführungsabschnitt 8 angeordnet, um dort die Wärme des Verbrennungsabgases aufzunehmen. Die Wärme des Verbrennungsabgases wird vorzugsweise über Kühllamellen 21 in dem Abgasabführungsabschnitt 8 dem Verbrennungsabgas entzogen und dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 zugeführt.
  • Durch die dem Verbrennungsabgas entnommene Wärme dehnt sich das in dem ersten Luftzylinder 22 befindliche Luftvolumen aus und bewirkt eine Kraft auf eine erste Pleuelstange 25, wodurch das Antriebsrad 20 angetrieben wird. Bei einer Kompressionsbewegung des Kolbens in dem ersten Luftzylinder 22 wird die erwärmte Luft über einen Regenerator 23 in einen zweiten Luftzylinder 24 gedrückt, der motorfern angeordnet ist und sich somit in einer Umgebung mit Umgebungstemperatur befindet.
  • Da die Betriebsdrehzahlen eines Stirlingmotors 19 im Vergleich zu der von dem Kompressor 12 zur Kompression von Frischluft benötigten Drehzahl gering ist, muss eine geeignete Übersetzung vorgesehen sein, um die von dem Stirlingmotor 19 bereitgestellte Drehzahl zu erhöhen.
  • Die von dem ersten Luftzylinder 22 in den zweiten Luftzylinder 24 beförderte Luft weist eine hohe Temperatur auf und wird in dem zweiten Luftzylinder 24, der entsprechend mit Kühllamellen versehen sein kann, gekühlt, wodurch sich der Druck in dem Zylinderraum verringert und eine entsprechende Bewegung des Kolbens des zweiten Luftzylinders 24 hervorruft. Diese Bewegung wird über eine zweite Pleuelstange 27 an das Antriebsrad 20 weitergeleitet.
  • Im Wesentlichen wird zum Betrieb des Stirlingmotors 19 auf den Stand der Technik verwiesen und es wird hierin auf eine ausführlichere Beschreibung verzichtet.
  • Die Nutzung der Temperatur des Verbrennungsabgases führt zu keinem erhöhten Abgasgegendruck und somit nicht zu einem Wirkungsgradverlust beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2.
  • Sollte die Kompressionsleistung, die von dem Stirlingmotor 19 bereitgestellt wird, nicht zum Aufrechterhalten eines Drucks in dem Druckbehälter 11 ausreichen, so kann der Elektromotor 13 zugeschaltet werden. Dies gilt auch für den Warmlaufbetrieb des Verbrennungsmotors 2, bei dem kein ausreichender Temperaturunterschied zum Betrieb des Stirlingmotors 19 zur Verfügung steht.
  • Der Druckbehälter 11 stellt ein Reservoir für alle Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 dar. Das Volumen des Druckbehälters 11 ist vorzugsweise im Verhältnis zu dem Brennraumvolumen der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 groß gewählt. Vorzugsweise sollte das Volumen des Druckbehälters 11 mindestens das 10-fache des gesamten maximalen Brennraumvolumens aller Zylinder 3 betragen. Der Luftdruck im Inneren des Druckbehälters 11 sollte im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 mindestens 10 bar, vorzugsweise 20 bar betragen, um ein ausreichend schnelles Einlassen von Frischluft in den Zylinder 3 zu erreichen. Es kann vorgesehen sein, je nach angeforderter Last den Luftdruck im Druckbehälter 11 anzupassen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem Stirlingmotor 19 können auch andere Antriebsenergiequellen für den Kompressor 12 verwendet werden, wie beispielsweise eine Turbine zum Umsetzen der Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases, wie sie beispielsweise in einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung (Turbolader) verwendet wird.
  • Der erste Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 ist an den Abgasabführungsabschnitt 8 gekoppelt, wobei Wärmeleitungslamellen im Abgasabführungsabschnitt 8 vorgesehen sind, um die Wärme des Verbrennungsabgases aufzunehmen und dem ersten Luftzylinder 22 zuzuleiten. Durch geeignete Formgebung der Wärmeleitungslamellen und durch eine katalysatorische Beschichtung kann die Funktion des Katalysators mit der Funktion der Wärmeübertragung zu dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 kombiniert werden.
  • Zwischen dem Druckbehälter 11 und dem zweiten Luftzylinder 24 des Stirlingmotors 19 und dem Verbrennungsmotor 2 und dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 kann eine thermische Isolierung 28 vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass der Druckbehälter 11 und der zweite Luftzylinder 24 des Stirlingmotors 19 nicht durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 2 erwärmt werden.

Claims (8)

  1. Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), umfassend: – mindestens einen Zylinder (3) mit einem Brennraum (31) zum Durchführen einer Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs; – ein Kraftstoffeinspritzventil (6) zum Einspritzen von Kraftstoff; – einen Druckbehälter (11) zum Speichern von komprimierter Frischluft; – jeweils mindestens ein Luftventil (10) pro Zylinder (3) zum Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Druckbehälter (11) in den Brennraum des Zylinders (3).
  2. Motorsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Volumen des Druckbehälters (11) das 10-fache des gesamten Volumens der Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2) übersteigt.
  3. Motorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kompressor (12) vorgesehen ist, um den Druckbehälter (11) mit komprimierter Frischluft zu befüllen.
  4. Motorsystem (1) nach Anspruch 3, wobei der Kompressor (12) durch mehrere Energiequellen antreibbar ist, insbesondere durch einen Elektromotor (13) und/oder einen Stirlingmotor und/oder eine abgasgetriebene Turbine.
  5. Motorsystem (1) nach Anspruch 4, wobei der Stirlingmotor (19) einen ersten mit einem Abgasabführungsabschnitt (8) des Verbrennungsmotors (2) gekoppelten ersten Luftzylinder (22) und einen zweiten, von dem ersten Luftzylinder (22) thermisch isoliert angeordneten Luftzylinder (24) aufweist.
  6. Motorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Klimaanlagenventil (18) vorgesehen ist, um komprimierte Frischluft aus dem Druckbehälter (11) zu entnehmen, zu dekomprimieren und die durch die Dekompression abgekühlte Frischluft zum Kühlen zur Verfügung zu stellen.
  7. Motorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Steuereinheit (15) vorgesehen ist, um das Kraftstoffeinspritzventil (6) und das Luftventil (10) so anzusteuern, dass vor einem Verbrennungstakt ein Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird.
  8. Motorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (6) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (31) des Zylinders (3) vorgesehen ist.
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