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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
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Stand der Technik
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Aus der Patentschrift
DE 10 2006 014 596 B4 geht eine Vorrichtung zum Kühlen von Luft unter Nutzung des magnetokalorischen Effekts, insbesondere für die Kabine eines Nutzfahrzeuges hervor. Dazu ist magnetokalorisches Material vorgesehen, welches ringförmig um eine Welle angeordnet ist. Weiter ist in einem ersten Bereich ein Magnetfeld und in einem zweiten Bereich ein schwächeres Magnetfeld oder kein Magnetfeld vorgesehen. Durch Rotation der Welle wird das magnetokalorische Material zwischen den Bereichen überführt. Weiter sind Einrichtungen zum Einleiten von Luft in die jeweiligen Bereiche vorgesehen, so dass eine Kühlung der Luft im zweiten Bereich erfolgt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2008 051 843 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit Aufladeeinrichtung und einen Ladeluftkühler. Der Ladeluftkühler ist mit einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Weiter ist ein thermoelektrischer Wandler vorgesehen, der wärmeübertragend mit der aufgeladenen Frischluft gekoppelt ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 217 215 A1 ist ein Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Ladeluftkühler umfasst einen ladeluftführenden Bereich, einen kühlmittelführenden Bereich und einen thermoelektrischen Generator. Es wird beschrieben, dass mittels des thermoelektrischen Generators eine Aufheizung oder Abkühlung der Ladeluft erfolgt. Weiter wird beschrieben, dass der thermoelektrische Generator im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors zur elektrischen Stromerzeugung genutzt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 062 977 A1 ist ein mit Ferritadditiven versehener Kunststoff für die Fluidführung oder Fluidspeicherung bei Kraftfahrzeugen bekannt, welcher als Heizzone unter Einfluss eines mittels eines Generators erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds steht und erwärmt wird. Mittels eines derartigen Kunststoffs soll insbesondere ein Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine im Bereich der Einmündung eines Blow-By-Kanals erwärmt werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 110 415 A1 ist eine Magnetkühlvorrichtung bekannt, die ein magnetokalorisches Modul und eine Magneteinheit enthält. Das magnetokalorische Modul enthält ein Bett, ein im Bett angeordnetes erstes magnetokalorisches Material, ein im Bett angeordnetes zweites magnetokalorisches Material mit abweichender Curie-Temperatur und einen dazwischen angeordneten Wärmeisolator. Die Magneteinheit ist an das magnetokalorische Modul gekoppelt, wobei die Magneteinheit wechselweise verschiedene Magnetfelder an das erste und das zweite magnetokalorische Material anlegt, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen und eine Kühlfunktion zu schaffen.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine mit verbessertem Ansprechverhalten bei einem positiven Lastwechsel oder positivem Lastsprung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung bereit. Die Brennkraftmaschine weist einen Einlasstrakt auf, in welchem ein Wärmeübertrager angeordnet ist. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise besteht der Wärmeübertrager aus einem magnetokalorischen Material oder ist mit einem magnetokalorischen Material thermisch verbunden, welches beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit der durch den Einlasstrakt strömenden Verbrennungsluft zur Aufwärmung oder Abkühlung der Verbrennungsluft in Verbindung steht. Weiter ist ein schaltbarer Magnetfelderzeuger vorgesehen, mittels welchem ein Magnetfeld erzeugt oder nicht erzeugt wird. Das Magnetfeld erstreckt sich dabei über den Wärmeübertrager aus magnetokalorischem Material, so dass das magnetokalorische Material dem Magnetfeld ausgesetzt ist.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird basierend auf dem magnetokalorischen Effekt das magnetokalorische Material des Wärmeübertragers unter Einfluss des Magnetfeldes bei aktiviertem Magnetfelderzeuger erwärmt, wobei mittels der durch den Einlasstrakt und den Wärmeübertrager strömenden Verbrennungsluft die Wärme vom magnetokalorischen Material bei Erwärmung der Verbrennungsluft abgeführt wird. Der Wärmeübertrager wird demnach als Wärmequelle betrieben, wobei die Temperatur der Verbrennungsluft beim Durchströmen des Wärmeübertragers ansteigt.
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Entfällt oder verringert sich anschließend der Einfluss des Magnetfeldes auf das magnetokalorische Material bei deaktiviertem oder gedrosseltem Magnetfelderzeuger, kühlt das magnetokalorische Material ab, wobei Wärme aus der durch den Einlasstrakt und den Wärmeübertrager strömenden Verbrennungsluft bei Kühlung der Verbrennungsluft vom magnetokalorischen Material aufgenommen wird. Der Wärmeübertrager wird demnach als Wärmesenke betrieben, wobei die Temperatur der Verbrennungsluft beim Durchströmen des Wärmeübertragers abfällt.
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Mittels der magnetokalorischen Verbrennungsluftkonditionierung der Brennkraftmaschine kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Abkühlung der Verbrennungsluft bei deaktiviertem oder gedrosseltem Magnetfelderzeuger erfolgen, wenn zuvor Wärme vom magnetokalorischen Material bei aktiviertem Magnetfelderzeuger durch die Verbrennungsluft abgeführt wurde. Durch die Abkühlung der Verbrennungsluft wird ein Aufladeeffekt erreicht, welcher sich günstig auf einen positiven Lastwechsel oder einen positiven Lastsprung auswirkt.
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Demnach erfolgt in einem ersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine die Kühlung des im Magnetfeld befindlichen magnetokalorischen Materials mittels Verbrennungsluft. In einem auf den ersten Betriebsbereich folgenden zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird das Magnetfeld abgeschwächt oder vorzugsweise abgeschaltet und der Abkühlung des magnetokalorischen Materials folgt eine Abkühlung der durch den Einlasstrakt strömenden Verbrennungsluft.
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Die Erfindung stellt ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung bereit. In dem ersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird die Verbrennungsluft mittels des Wärmeübertragers erwärmt und in dem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird die Verbrennungsluft mittels des Wärmeübertragers abgekühlt. Dazu wird in dem ersten Betriebsbereich der Wärmeübertrager als Wärmequelle betrieben, indem basierend auf dem magnetokalorischen Effekt das magnetokalorische Material unter Einfluss des Magnetfeldes erwärmt wird und mittels der durch den Einlasstrakt und den Wärmeübertrager strömenden Verbrennungsluft die Wärme vom magnetokalorischen Material bei Erwärmung der Verbrennungsluft abgeführt wird. In dem zweiten Betriebsbereich wird der Wärmeübertrager als Wärmesenke betrieben, indem das magnetokalorische Material unter Einfluss eines abgeschwächten Magnetfeldes oder ohne Einfluss des Magnetfeldes abgekühlt wird und Wärme aus der durch den Einlasstrakt und den Wärmeübertrager strömenden Verbrennungsluft bei Kühlung der Verbrennungsluft vom magnetokalorischen Material aufgenommen wird. Die Brennkraftmaschine wird dabei im zweiten Betriebsbereich mit einer gegenüber dem ersten Betriebsbereich höheren Last betrieben.
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Mittels der magnetokalorischen Verbrennungsluftkonditionierung der Brennkraftmaschine kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Erwärmung der Verbrennungsluft erfolgen, wobei der Magnetfelderzeuger aktiviert ist. Während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine werden dadurch die Erwärmung der Brennkraftmaschine und die Erwärmung eines Abgasnachbehandlungssystems beschleunigt. Weiter bewirkt die Erwärmung der Verbrennungsluft mittels der Verbrennungsluftkonditionierung eine Entdrosselung und somit eine Verringerung der Ladungswechselverluste der Brennkraftmaschine im Teillastbereich. Weiter bewirkt die Erwärmung der Verbrennungsluft mittels der Verbrennungsluftkonditionierung eine Erhaltung der Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems im niedrigen Teillastbereich oder bei Schubbetrieb.
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Es werden magnetokalorische Materialien verwendet, deren Curie-Temperatur im Bereich der beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Verbrennungslufttemperaturen liegt. Als magnetokalorische Materialien werden insbesondere Gadolinium, Gadolinium- oder Mangan-Legierungen verwendet.
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Das magnetokalorische Material steht beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit der durch den Einlasstrakt strömenden Verbrennungsluft zur Aufwärmung oder Abkühlung in Verbindung, wobei das magnetokalorische Material in vorteilhafter Weise direkt mit der Verbrennungsluft wärmeübertragend in Kontakt steht. Das magnetokalorische Material steht beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit der durch den Einlasstrakt strömenden Verbrennungsluft zur Aufwärmung oder Abkühlung in Verbindung, wobei alternativ zusätzliche Wärmeübertragerflächen vorgesehen sind, welche einerseits mit dem magnetokalorischen Material wärmeleitend verbunden sind und andererseits mit der Verbrennungsluft wärmeübertragend in Kontakt stehen.
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Durch die thermische Masse des magnetokalorischen Materials kann die Energie zur Kühlung der Verbrennungsluft beeinflusst werden.
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Der Magnetfelderzeuger kann als einfacher Elektromagnet ausgeführt sein. Um den Magnetfelderzeuger zu aktivieren, wird der Elektromagnet aktiviert und es wird ein Magnetfeld erzeugt, welches sich über das magnetokalorische Material erstreckt.
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Der Magnetfelderzeuger ist alternativ aus einer Kombination von Permanentmagneten und Elektromagneten aufgebaut. Um den Magnetfelderzeuger zu aktivieren, bleibt der Elektromagnet deaktiviert und es wird durch den Permanentmagneten ein Magnetfeld erzeugt, welches sich über das magnetokalorische Material erstreckt. Soll der Magnetfelderzeuger deaktiviert werden, muss der Elektromagnet aktiviert werden, wodurch das Magnetfeld des Permanentmagneten durch das entgegengerichtete Magnetfeld des Elektromagneten aufgehoben wird.
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Der Magnetfelderzeuger ist alternativ aus einer weiteren Kombination von Permanentmagneten und Elektromagneten aufgebaut, wobei sich das Magnetfeld des Permanentmagneten bei deaktiviertem Magnetfelderzeuger nicht über das magnetokalorische Material erstreckt. Um den Magnetfelderzeuger zu aktivieren, wird der Elektromagnet aktiviert, wodurch das Magnetfeld des Permanentmagneten abgelenkt wird und sich dann über das magnetokalorische Material erstreckt.
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Der Magnetfelderzeuger ist alternativ als ein relativ zum magnetokalorischen Material bewegbarer Permanentmagnet ausgestaltet, so dass sich das Magnetfeld des Permanentmagneten in Abhängigkeit der relativen Position unterschiedlich stark auf das magnetokalorische Material auswirkt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Permanentmagnete als Magnetsystem zur Erhöhung des magnetischen Flusses angeordnet. Dazu sind mehrere Permanentmagnete zu einem Halbach-Array konfiguriert.
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Zur Erhöhung der Abkühlung des Luftstroms werden mehrere unterschiedliche magnetokalorische Materialien in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft im Einlasstrakt in Reihe angeordnet, wobei die unterschiedlichen magnetokalorischen Materialien eine an eine im Einlasstrakt jeweils vorherrschende Verbrennungslufttemperatur angepasste Curie-Temperatur aufweisen.
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Die Verbrennungsluftkonditionierung ist für aufgeladene Brennkraftmaschinen geeignet, wobei der Wärmeübertrager mit magnetokalorischem Material in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach dem Verdichter angeordnet ist. Die Verbrennungsluftkonditionierung ist für als Saugmotor ausgeführte Brennkraftmaschinen geeignet. Verfügt die Brennkraftmaschine dann über eine Drosseleinrichtung, ist der Wärmeübertrager aus magnetokalorischem Material in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor einer Drosseleinrichtung angeordnet.
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Ausführungsbeispiel Brennkraftmaschine
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung.
Die erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine 1 mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung, dargestellt in 1, weist einen Einlasstrakt 2 auf, in welchem ein Wärmeübertrager 3 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager 3 ist thermisch mit einem magnetokalorischen Material 4 verbunden, welches beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit einer durch den Einlasstrakt 2 strömenden Verbrennungsluft 5 zur Aufwärmung oder Abkühlung in Verbindung steht. Weiter ist ein schaltbarer Magnetfelderzeuger 6 vorgesehen, mittels welchem ein Magnetfeld 7 erzeugt oder nicht erzeugt wird. Das Magnetfeld 7 erstreckt sich bei aktiviertem Magnetfelderzeuger über das magnetokalorische Material 4 des Wärmeübertragers 3.
Ausführungsbeispiel Betriebsverfahren
Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 2: eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung und der Verbrennungsluft 5 in Strömungsrichtung vor und nach dem Wärmeübertrager 3.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 mit magnetokalorischer Verbrennungsluftkonditionierung, dargestellt in 2, wird in einem ersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 basierend auf dem magnetokalorischen Effekt das magnetokalorische Material 4 des Wärmeübertragers 3 unter Einfluss des Magnetfeldes 7 bei aktiviertem Magnetfelderzeuger 6 erwärmt, wobei mittels der durch den Einlasstrakt 2 und den Wärmeübertrager 3 strömenden Verbrennungsluft 5 die Wärme vom magnetokalorischen Material 4 bei Erwärmung der Verbrennungsluft 5 abgeführt wird. Dabei ist die Temperatur der in den Wärmeübertrager 3 einströmenden Verbrennungsluft 5.1 niedriger als die Temperatur der aus dem Wärmeübertrager 3 ausströmenden Verbrennungsluft 5.2.
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Entfällt anschließend der Einfluss des Magnetfeldes 7 auf das magnetokalorische Material 4 bei deaktiviertem Magnetfelderzeuger 6 in einem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 mit gegenüber dem ersten Betriebsbereich höherer Last, kühlt das magnetokalorische Material 4 ab, wobei Wärme aus der durch den Einlasstrakt 2 und den Wärmeübertrager 3 strömenden Verbrennungsluft 5 bei Kühlung der Verbrennungsluft 5 vom magnetokalorischen Material 4 aufgenommen wird. Dabei ist die Temperatur der in den Wärmeübertrager 3 einströmenden Verbrennungsluft 5.1 höher als die Temperatur der aus dem Wärmeübertrager 3 ausströmenden Verbrennungsluft 5.2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Einlasstrakt
- 3
- Wärmeübertrager
- 4
- magnetokalorisches Material
- 5
- Verbrennungsluft
- 5.1
- in den Wärmeübertrager 3 einströmende Verbrennungsluft
- 5.2
- aus dem Wärmeübertrager 3 ausströmende Verbrennungsluft
- 6
- Magnetfelderzeuger
- 7
- Magnetfeld
