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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung und Abwärmenutzung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 2 204 763 A1 geht eine Gleichdruck-Kolbenkraftmaschine hervor, mittels welcher eine kontinuierliche Verbrennung außerhalb oder innerhalb des Motors ermöglicht wird. Ein Zylinder mit kleinerem Hubvolumen arbeitet als Kompressor und fördert Luft zu einer Brennkammer oder zu einem Wärmeübertrager. Der Luft wird in der Brennkammer oder in dem Wärmeübertrager Wärme zugeführt, so dass sich diese dann unter gleichem Druck ausdehnt. Die erwärmte Luft wird anschließend zum Verrichten von Arbeit einem Zylinder mit größerem Hubvolumen zugeführt. Die nutzbare Arbeit ergibt sich dabei aus der Differenz zwischen der vom Kompressor aufgenommenen und dem Arbeitszylinder abgegebenen Arbeit.
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Aus der Patentschrift
DE 2 610 508 C2 geht eine Brennkraftmaschine hervor, welche eine von einer Verdrängerkammer der Hubkolbenmaschine getrennte Brennkammer, wenigstens einen Druckluftspeicher und einen Wärmeübertrager umfasst. Während einer Luftkomprimierungsstufe wird Frischluft in den Zylinder angesaugt, verdichtet und in einen Druckluftspeicher ausgeschoben. Über ein Ventil kann die komprimierte Luft zum indirekten Wärmeeintrag mit heißem Abgas über einen Wärmeübertrager geleitet werden. Die vorgeheizte Luft wird anschließend der Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff zugeführt. Anschließend werden die Verbrennungsgase in die Verdrängerkammer zum Verrichten von Arbeit eingeleitet.
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Aus der Patentschrift
US 5 695 430 A geht ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine hervor. Die Brennkraftmaschine weist mehrere Wegeventile auf, mittels welcher Luft und Abgas in mehreren Gasspeichern zwischengespeichert werden kann. Dadurch können verschiedene Betriebsarten dargestellt werden, wobei in einer speziellen Betriebsart die Brennkraftmaschine mittels gespeicherter Luft aus dem Gasspeicher betrieben wird. Zur Erhöhung der Kraftstoffeinsparung wird vorgeschlagen, die in dem Gasspeicher gespeicherte Luft unter Verwendung von Abwärme aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine und dem Abgas der Brennkraftmaschine zu erwärmen und somit den Druck im Gasspeicher und damit die für den Antrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehende Leistung zu erhöhen.
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Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 299 03 834 U1 ist eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der Antriebs- und Wärmeenergie von Kolbenmotoren bekannt, wobei dazu ein Druckluftspeicher vorgesehen ist, welcher durch Abwärme aus dem Abgassystem oder dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine beheizbar ist. Während einer Schubabschaltung wird die Energie der verdichteten Luft in dem separaten Druckluftspeicher gespeichert und der Brennkraftmaschine nach der jeweiligen Verbrennung wieder zugeführt. Dadurch wird der Gasdruck auf den Kolben gegenüber der normalen Arbeitsweise ohne Drucklufteinspeisung erhöht.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung und Abwärmenutzung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung und Abwärmenutzung bereit, wobei mittels eines abgeschalteten Zylinders Abwärme eines wenigstens einen weiteren betriebenen Zylinders zurückgewonnen wird. Dazu wird beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung mittels des abgeschalteten Zylinders Luft in den Brennraum und weiter in einen Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager befördert, mittels welchem die Abwärme des weiter betriebenen Zylinders auf die Luft im Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager übertragen und zur weiteren Expansion im abgeschalteten Zylinder genutzt wird.
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Die Zylinderabschaltung kann durch eine Abschaltung der Kraftstoffzuführung, insbesondere durch eine Einspritzventilabschaltung, und/oder durch eine Abschaltung der Verbrennungseinleitung, insbesondere durch eine Zündsystemabschaltung, erfolgen, wobei der abgeschaltete Zylinder im 4-Taktbetrieb geschleppt wird. Mehrere Gaswechselventile des abgeschalteten Zylinders werden dabei weiterhin betrieben, so dass im Ansaugtakt wenigstens ein erstes Gaswechselventil und im Auslasstakt wenigstens das erste Gaswechselventil und/oder ein zweites Gaswechselventil geöffnet wird.
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Der Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager ist derart ausgeführt, dass während des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung Abwärme des weiterhin betriebenen Zylinders auf die Luft im Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager des abgeschalteten Zylinders zur Abwärmenutzung übertragen werden kann. Die Abwärme kann dabei von den Verbrennungsabgasen direkt oder über ein zusätzliches Kühlmittel auf den Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager übertragen werden. Weiter kann die Abwärme auch in einem zusätzlichen Wärmespeicher zwischengespeichert werden, bevor diese dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager zugeführt wird.
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Der Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager ist mit dem Brennraum des abgeschalteten Zylinders schaltbar verbunden oder nicht verbunden. Über ein drittes Gaswechselventil zwischen Brennraum und Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager wird eine Strömungsverbindung bereitgestellt oder unterbrochen. Ist die Strömungsverbindung bereitgestellt, also das dritte Gaswechselventil geöffnet, wird Luft aus dem Brennraum in den Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager oder mittels der Abwärme des weiter betriebenen Zylinders erwärmte Luft aus dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager in den Brennraum befördert. Ist die Strömungsverbindung unterbrochen, also das dritte Gaswechselventil geschlossen, findet keine Beförderung von Luft zwischen Brennraum und Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager statt.
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Der Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager kann als separate Einheit oder in einer besonders vorteilhaften Ausführung im Auslasskanal des abgeschalteten Zylinders angeordnet sein. Ist der Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager im Auslasskanal des abgeschalteten Zylinders angeordnet, ist einerseits des Gas- und Wärmespeichers mit Wärmeübertrager das zweite Gaswechselventil und andererseits des Gas- und Wärmespeichers mit Wärmeübertrager das dritte Gaswechselventil vorgesehen. Um dann ein unkontrolliertes Entweichen der Luft aus dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager in den Abgastrakt oder Vermischen der Luft mit Abgas des weiter betriebenen Zylinders im Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager zu unterbinden, wird das zweite Gaswechselventil geschlossen, wenn die Abwärme des weiter betriebenen Zylinders auf die Luft übertragen und zur weiteren Expansion im abgeschalteten Zylinder genutzt werden soll.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise werden während der Zylinderabschaltung wenigstens ein Zylinder abgeschaltet und wenigstens ein weiterer Zylinder betrieben, wobei das erste Gaswechselventil, das zweite Gaswechselventil und das dritte Gaswechselventil des abgeschalteten Zylinders derart betrieben werden, dass im Einlasstakt Luft über das geöffnete erste Gaswechselventil bei geschlossenem zweiten Gaswechselventil in den Brennraum befördert wird,
im Verdichtungstakt die Luft im Brennraum bei geschlossenem ersten Gaswechselventil und geschlossenem zweiten Gaswechselventil verdichtet und über das geöffnete dritte Gaswechselventil teilweise aus dem Brennraum in den Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager befördert wird, um Abwärme des weiter betriebenen Zylinders aufzunehmen,
im Expansionstakt die Luft im Brennraum bei geschlossenem ersten Gaswechselventil und geschlossenem zweiten Gaswechselventil expandiert und über das geöffnete dritte Gaswechselventil mittels der Abwärme des weiter betriebenen Zylinders erwärmte Luft aus dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager in den Brennraum zur weiteren Expansion befördert wird, und
im Auslasstakt die Luft über das geöffnete erste Gaswechselventil und/oder über das geöffnete zweite Gaswechselventil aus dem Brennraum befördert wird.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird der Luft auch während des Expansionstaktes über den Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager Abwärme zugeführt, um die Abwärmenutzung weiter zu erhöhen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausbildung bleibt das zweite Gaswechselventil während der Zylinderabschaltung dauerhaft geschlossen, um eine einfache und kostengünstige Lösung bereitzustellen. In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausbildung kann das zweite Gaswechselventil taktrichtig betrieben werden, wobei das zweite Gaswechselventil wenigstens im Auslasstakt geöffnet ist.
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In einer erfindungsgemäßen Ausbildung bleibt das dritte Gaswechselventil während der Zylinderabschaltung dauerhaft geöffnet, um eine einfache und kostengünstige Lösung bereitzustellen. In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausbildung kann das dritte Gaswechselventil taktrichtig betrieben werden, wobei das dritte Gaswechselventil wenigstens im Verdichtungstakt und im Expansionstakt geöffnet ist.
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In einer erfindungsgemäßen Ausbildung kann im Auslasstakt die Luft entweder bei geschlossenem ersten Gaswechselventil und geöffnetem zweiten Gaswechselventil oder bei geöffnetem ersten Gaswechselventil und geschlossenem zweiten Gaswechselventil aus dem Brennraum befördert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine Rekuperation verbrennungsmotorischer Abwärme und vermindert oder überkompensiert die Verlustleistung des abgeschalteten Zylinders.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In den dazugehörigen Figuren wird eine schematische Darstellung eines abgeschalteten Zylinders 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) und ein dazugehöriger Zustand A, B, C, D der Luft im Brennraum 2 des abgeschalteten Zylinders 1 in einem p-V-Diagramm gezeigt, wobei
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1 oder 5 einen Einlasstakt,
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2 oder 6 einen Verdichtungstakt,
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3 oder 7 einen Expansionstakt und
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4 oder 8 einen Auslasstakt darstellt.
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Während des Einlasstakts, dargestellt in 1 oder 5, bewegt sich ein Hubkolben 3 des abgeschalteten Zylinders 1 bei geöffnetem ersten Gaswechselventil 4 und geschlossenem zweiten Gaswechselventil 5 von einem oberen Totpunkt 6 zu einem unteren Totpunkt 7, wobei Luft in den Brennraum 2 befördert wird und dabei eine Zustandsänderung von einem Zustand A in einen Zustand B erfährt.
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Während des Verdichtungstakts, dargestellt in 2 oder 6, bewegt sich der Hubkolben 3 des abgeschalteten Zylinders 1 bei geschlossenem ersten Gaswechselventil 4 und geschlossenem zweiten Gaswechselventil 5 vom unteren Totpunkt 7 zum oberen Totpunkt 6, wobei die im Brennraum 2 befindliche Luft verdichtet und über ein geöffnetes drittes Gaswechselventil 8 teilweise in einen Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager 9 befördert wird und dabei eine Zustandsänderung vom Zustand B in einen Zustand C erfährt. In dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager 9 wird der Luft Wärme aus der Abwärme eines weiterhin betriebenen Zylinders (nicht dargestellt) der Hubkolben-Brennkraftmaschine zugeführt.
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Während des Expansionstakts, dargestellt in 3 oder 7, bewegt sich der Hubkolben 3 des abgeschalteten Zylinders 1 bei geschlossenem ersten Gaswechselventil 4 und geschlossenem zweiten Gaswechselventil 5 vom oberen Totpunkt 6 zum unteren Totpunkt 7, wobei die im Brennraum 2 befindliche Luft expandiert und über das geöffnete dritte Gaswechselventil 8 teilweise aus dem Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager 9 zurück in den Brennraum 2 befördert wird und dabei eine Zustandsänderung vom Zustand C in einen Zustand D erfährt. Die Expansion der mittels der Abwärme des weiterhin betriebenen Zylinders erwärmten Luft vom Zustand C zum Zustand D erfolgt damit bei einem höheren Druck als die Verdichtung der Luft vom Zustand B zum Zustand C, wodurch Nettoarbeit am Hubkolben 3 verrichtet wird.
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Während des Auslasstakts, dargestellt in 4 oder 8, bewegt sich der Hubkolben 3 des abgeschalteten Zylinders 1 bei geschlossenem ersten Gaswechselventil 4 und geöffnetem zweiten Gaswechselventil 5 vom unteren Totpunkt 7 zum oberen Totpunkt 6, wobei die im Brennraum 2 befindliche erwärmte Luft aus dem Brennraum 2 befördert wird und die im Brennraum 2 verbleibende Luft eine Zustandsänderung vom Zustand D in den Zustand A erfährt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- abgeschalteter Zylinder
- 2
- Brennraum
- 3
- Hubkolben
- 4
- erstes Gaswechselventil
- 5
- zweites Gaswechselventil
- 6
- oberer Totpunkt
- 7
- unterer Totpunkt
- 8
- drittes Gaswechselventil
- 9
- Gas- und Wärmespeicher mit Wärmeübertrager
