DE102015008668A1 - Internal combustion engine for a motor vehicle - Google Patents
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Brennraum (14), mit einem von dem Brennraum (14) zuzuführender Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (28), mit wenigstens einem in dem Ansaugtrakt (28) angeordneten Verdichter (50) zum Verdichten der dem Brennraum (14) zuzuführenden Luft, und mit wenigstens einem in dem Ansaugtrakt (28) stromab des Verdichters (50) angeordneten Ladeluftkühler (52) zum Kühlen der verdichteten Luft, wobei der Ladeluftkühler (52) dazu ausgebildet ist, eine Kondensation von in der verdichteten Luft enthaltenem Wasser zu bewirken, wobei wenigstens ein Behältnis (56) zum Aufnehmen des kondensierten Wassers und eine Zuführeinrichtung (62) vorgesehen sind, mittels welcher das kondensierte Wasser aus dem Behältnis (56) der verdichteten Luft zuführbar ist.The invention relates to an internal combustion engine (10) for a motor vehicle, having at least one combustion chamber (14) with an intake tract (28) through which air can flow from the combustion chamber (14), with at least one compressor (50) arranged in the intake tract (28). for compressing the air to be supplied to the combustion chamber (14), and with at least one charge air cooler (52) arranged in the intake duct (28) downstream of the compressor (50) for cooling the compressed air, the charge air cooler (52) being adapted to cause condensation to effect water contained in the compressed air, wherein at least one container (56) for receiving the condensed water and a supply means (62) are provided, by means of which the condensed water from the container (56) of the compressed air can be fed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ist beispielsweise bereits der
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ferner wenigstens einen Ladeluftkühler, welcher in dem Ansaugtrakt stromab des Verdichters angeordnet ist. Mittels des Ladeluftkühlers wird die mittels des Verdichters verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt.The internal combustion engine further comprises at least one intercooler, which is arranged in the intake tract downstream of the compressor. By means of the intercooler, the compressed by the compressor and thus heated air is cooled.
Außerdem offenbart die
Darüber hinaus offenbart die
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, Verbrennungskraftmaschinen zunehmend nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip auszugestalten. Im Rahmen des Downsizings wird das Hubvolumen der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine gering gehalten. Um dennoch hohe spezifische Leistungen und Drehmomente zu realisieren, wird die Verbrennungskraftmaschine aufgeladen. Diese Aufladung erfolgt beispielsweise mittels eines Abgasturboladers, welcher den zuvor genannten Verdichter und eine Turbine umfasst. Die Turbine ist in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnet und von dem Abgas antreibbar, wobei der Verdichter von der Turbine antreibbar ist. Hierdurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.Furthermore, it is known from the general state of the art to design internal combustion engines increasingly according to the so-called downsizing principle. As part of the downsizing, the stroke volume of the respective internal combustion engine is kept low. Nevertheless, in order to realize high specific powers and torques, the internal combustion engine is charged. This charging takes place for example by means of an exhaust gas turbocharger, which comprises the aforementioned compressor and a turbine. The turbine is arranged in an exhaust gas tract of the internal combustion engine and can be driven by the exhaust gas, wherein the compressor can be driven by the turbine. As a result, energy contained in the exhaust gas can be used to compress the air.
Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, immer weiter an. Ermöglicht wird dies unter anderem durch die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist. Bei einer solchen Direkteinspritzung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingebracht, insbesondere eingespritzt.Due to the unbroken trend of downsizing to reduce CO 2 emissions, the specific torque and specific performance of internal combustion engines, in particular gasoline engines, are steadily increasing. This is made possible inter alia by the supercharging of the internal combustion engine, which is equipped for example with a direct injection. In such a direct injection, the fuel is introduced directly into the combustion chamber, in particular injected.
Um im aufgeladenen Betrieb einen günstigen Wirkungsgrad – und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch – erreichen zu können, sollte die Verbrennungskraftmaschine mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten Luft von besonderer Bedeutung, die – bedingt durch das Streben, das Verdichtungsverhältnis mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Kraftstoffsverbrauchs zu erhöhen – zunehmend an Bedeutung gewinnt.In order to achieve a favorable efficiency - and thus a low fuel consumption - in turbocharged operation, the internal combustion engine should be operated with a favorable center of gravity. For this purpose, an effective cooling of the compressed air is of particular importance, which - due to the desire to increase the compression ratio with the aim of further improving fuel consumption - is becoming increasingly important.
Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment und steigender spezifischer Leistung der Verbrennungskraftmaschine als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Luft weiter an, was dazu führt, dass der Ladeluftkühler nach heutigem Stand vergrößert wird. Sowohl die verfügbare Kühlleistung eines herkömmlichen Ladeluftkühlers als auch der Bauraum im Fahrzeug beziehungsweise im Kraftwagen sind begrenzt, weshalb langfristig alternative Lösungen zur Kühlung der verdichteten Luft notwendig sein werden.Both with increasing specific torque and increasing specific power of the internal combustion engine as well as by increasing the compression ratio of the cooling demand of the compressed air continues to increase, resulting in that the intercooler is increased as of today. Both the available cooling capacity of a conventional intercooler and the installation space in the vehicle or in the motor vehicle are limited, which is why long-term alternative solutions for cooling the compressed air will be necessary.
Bei aktuellen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, erfolgt die Ladeluftkühlung mittels eines Ladeluftkühlers, welcher von der verdichteten Luft durchströmt wird. Mittels des Ladeluftkühlers wird der verdichteten Luft Wärme entzogen. Die Wärme wird von dem als Wärmetauscher fungierenden beziehungsweise ausgebildeten Ladeluftkühler dann beispielsweise direkt an die Umgebung oder an ein den Ladeluftkühler durchströmendes Kühlmittel, insbesondere eines Niedertemperaturkreislaufs des Kraftwagens, abgegeben. Es wird folglich zwischen der sogenannten direkten und indirekten Ladeluftkühlung unterschieden. Je nach Ausführung können einer oder mehrere, von der verdichteten Verbrennungsluft durchströmbare Ladeluftkühler beziehungsweise Wärmetauscher zur Kühlung der verdichteten Luft verwendet werden. Diese Art der Kühlung wird auch als aktive Ladeluftkühlung bezeichnet.In current internal combustion engines, in particular gasoline engines, the Intercooling by means of a charge air cooler, which is flowed through by the compressed air. By means of the charge air cooler heat is extracted from the compressed air. The heat is then released from the intercooler functioning as a heat exchanger or, for example, directly to the environment or to a coolant flowing through the intercooler, in particular a low-temperature circuit of the motor vehicle. It is therefore distinguished between the so-called direct and indirect charge air cooling. Depending on the design, one or more charge air coolers or heat exchangers through which the compressed combustion air can flow are used to cool the compressed air. This type of cooling is also known as active charge air cooling.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die verdichtete Luft besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.Object of the present invention is to provide an internal combustion engine of the type mentioned, in which the compressed air can be cooled particularly advantageous.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an internal combustion engine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die verdichtete Luft (Ladeluft) besonders vorteilhaft gekühlt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ladeluftkühler dazu ausgebildet ist, eine Kondensation von in der verdichteten Luft enthaltenem Wasser zu bewirken, wobei wenigstens ein Behältnis zum Aufnehmen des kondensierten Wassers und eine Zuführeinrichtung vorgesehen sind, mittels welcher das kondensierte Wasser aus dem Behältnis der verdichteten Luft zuführbar ist. Mit anderen Worten wird das Wasser in die verdichtete Luft eingebracht, insbesondere in die verdichtete Luft eingespritzt. Das Wasser wird hierbei als Kühlmedium genutzt, mittels welchem der verdichteten Luft durch eine Verdampfung des Kühlmediums Wärme entzogen wird. Dadurch kann die verdichtete Luft zumindest nahezu ohne Druckverlust gekühlt werden. Mittels der Zuführeinrichtung lässt sich somit eine besonders bedarfsgerechte Kühlung der verdichteten Luft (Ladeluft) realisieren. Darüber hinaus lässt sich bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine eine besonders effiziente Kühlung der Ladeluft realisieren, da der ohnehin vorhandene Ladeluftkühler nicht nur zum Kühlen der verdichteten Luft, sondern auch zur Gewinnung von Wasser aus der verdichteten Luft genutzt wird. Hierdurch kommt dem Ladeluftkühler eine Doppelfunktion zu und Synergieeffekte können genutzt werden.To further develop an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1 type such that the compressed air (charge air) can be cooled particularly advantageous, it is inventively provided that the charge air cooler is adapted to cause a condensation of water contained in the compressed air , wherein at least one container for receiving the condensed water and a supply means are provided, by means of which the condensed water from the container of the compressed air can be fed. In other words, the water is introduced into the compressed air, in particular injected into the compressed air. The water is used here as a cooling medium, by means of which the compressed air is removed by evaporation of the cooling medium heat. As a result, the compressed air can be cooled at least almost without pressure loss. By means of the feeder, it is thus possible to realize particularly demand-oriented cooling of the compressed air (charge air). In addition, a particularly efficient cooling of the charge air can be realized in the internal combustion engine according to the invention, since the already existing intercooler is not only used for cooling the compressed air, but also for the recovery of water from the compressed air. This gives the intercooler a dual function and synergy effects can be used.
Grundsätzlich bedingt die Kühlung der verdichteten Luft mittels eines Kühlmediums, das der verdichteten Luft zugeführt wird, die Mitfuhr eines Behältnisses, in welchem das Kühlmedium gespeichert wird. Abhängig von dem Lastkollektiv, dem Kühlungsbedarf und der Betriebsstrategie hinsichtlich der Zufuhr des Kühlmediums in die verdichtete Luft ergibt sich ein Bedarf an Kühlmedium. Um nun durch einen Nutzer des Kraftwagens durchzuführende Befüllungen beziehungsweise Betankungen des Behältnisses zu vermeiden oder Zeitintervalle zwischen Betankungen des Behältnisses zu maximieren, wird der Ladeluftkühler genutzt, um das Kühlmedium in Form des Wassers aus der verdichteten Luft zu gewinnen. Im Gegensatz zur Wassergewinnung aus Abgas der Verbrennungskraftmaschine ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine kein zusätzlicher Kondensator erforderlich, so dass auch damit verbundene Konsequenzen wie beispielsweise ein höheres Gewicht, ein höherer Bauraumbedarf, ein höherer Abgasgegendruck etc. vermieden werden können.Basically, the cooling of the compressed air by means of a cooling medium, which is supplied to the compressed air, the Mitfuhr a container in which the cooling medium is stored. Depending on the load spectrum, the cooling requirement and the operating strategy with regard to the supply of the cooling medium into the compressed air, there is a need for cooling medium. In order to avoid now to be performed by a user of the motor vehicle fillings or refueling of the container or to maximize time intervals between refueling of the container, the charge air cooler is used to recover the cooling medium in the form of water from the compressed air. In contrast to the extraction of water from exhaust gas of the internal combustion engine no additional capacitor is required in the internal combustion engine according to the invention, so that associated consequences such as a higher weight, a higher space requirement, a higher exhaust back pressure, etc. can be avoided.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine stellt der Ladeluftkühler somit eine gewichts-, kosten- und bauraumneutrale Vorrichtung zur Wassergewinnung dar. Zusätzlich zur Kühlung der verdichteten Luft ist es durch die Zuführung des Wassers in die verdichtete Luft möglich, das Risiko einer klopfenden Verbrennung besonders gering zu halten. Ferner kann etwaigen Vorentflammungen vorgebeugt oder auf solche etwaige Vorentflammungen reagiert werden.In the internal combustion engine according to the invention, the intercooler thus represents a weight, cost and space neutral device for water extraction. In addition to cooling the compressed air, it is possible by supplying the water in the compressed air to keep the risk of knocking combustion particularly low. Furthermore, any pre-ignition may be prevented or reacted to any pre-ignition.
Mittels der Zuführeinrichtung wird das Wasser beispielsweise direkt in den Brennraum eingespritzt und dadurch der verdichteten Luft zugeführt. Der verdichteten Luft wird das als Kühlmedium fungierende Wasser zugeführt, bevor die Luft in den Brennraum zusammen mit Kraftstoff verbrannt wird. Alternativ oder zusätzlich zur direkten Einbringung, insbesondere Einspritzung, des Wassers in den Brennraum ist es denkbar, dass der verdichteten Luft das Wasser an wenigstens einer stromauf des Brennraums angeordneten Stelle, insbesondere im Ansaugtrakt, zugeführt wird.By means of the feeder, the water is for example injected directly into the combustion chamber and thereby fed to the compressed air. The compressed air is supplied to the water acting as a cooling medium, before the air is burned into the combustion chamber together with fuel. Alternatively or in addition to the direct introduction, in particular injection, of the water into the combustion chamber, it is conceivable for the compressed air to be supplied to the water at at least one point arranged upstream of the combustion chamber, in particular in the intake tract.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the sole FIGURE are usable not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the To leave frame of the invention.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Ladeluftkühler zum Kühlen von verdichteter Luft, wobei der Ladeluftkühler dazu ausgebildet ist, eine Kondensation von in der verdichteten Luft enthaltenem Wasser zu bewirken und wenigstens ein Behältnis zum Aufnehmen des kondensierten Wassers und eine Zuführeinrichtung vorgesehen sind, mittels welcher das kondensierte Wasser aus dem Behältnis der verdichteten Luft zuführbar ist. The drawing shows in the single FIGURE a schematic representation of an internal combustion engine for a motor vehicle, with a charge air cooler for cooling compressed air, wherein the charge air cooler is adapted to cause a condensation of water contained in the compressed air and at least one container for receiving the condensed water and a supply means are provided, by means of which the condensed water from the container of the compressed air can be fed.
Die einige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine
Je Zylinder
Die Verbrennungskraftmaschine
Somit wird den Zylindern
Die Verbrennungskraftmaschine
Der Abgasturbolader
Durch das Verdichten der Luft wird die Luft erwärmt. Um einen besonders hohen Aufladegrad darzustellen, ist im Ansaugtrakt
Dabei kann eine indirekte Ladeluftkühlung vorgesehen sein. Bei dieser indirekten Ladeluftkühlung wird der Ladeluftkühler
Bei der in der Fig. veranschaulichten Ausführungsform ist jedoch eine direkte Ladeluftkühlung vorgesehen. Bei dieser direkten Ladeluftkühlung ist eine nach dem Prinzip eines thermodynamischen Kreisprozessors arbeitende Kältemaschine
Vorzugsweise ist die Kältemaschine
Um nun eine besonders effiziente und vorteilhafte Kühlung der Ladeluft zu realisieren, ist der Ladeluftkühler
Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine im Ganzen mit
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass wenigstens eine Stelle, an welcher das Wasser der Luft zuführbar ist beziehungsweise zugeführt wird, stromauf der Zylinder
Der Ladeluftkühler
Durch die Kombination der Zufuhr von Wasser in die verdichtete Luft mit der aktiven Ladeluftkühlung ist eine besonders große Menge an kondensiertem und somit zurückgewinnbarem Wasser realisierbar, was den Wirkungsgrad der Ladeluftkühlung mittels Einspritzung des Wassers deutlich steigert. Gründe dafür sind: bei hohem Aufladegrad sehr hoher Luftmassenstrom und damit hoher Wassermassenstrom, der zur Wassergewinnung genutzt werden kann. Hoher Temperaturgradient zwischen Verbrennungsluft und Wandtemperatur innerhalb des Wärmetauschers. Einspritzung eines Kühlmediums in Form des Wassers ermöglicht weitere Steigerung des Aufladegrads.By combining the supply of water in the compressed air with the active charge air cooling a particularly large amount of condensed and thus recoverable water can be realized, which significantly increases the efficiency of the intercooler by injecting the water. The reasons for this are: with a high degree of supercharging very high air mass flow and thus high water mass flow, which can be used for water production. High temperature gradient between combustion air and wall temperature inside the heat exchanger. Injection of a cooling medium in the form of water allows further increase in the degree of supercharging.
Durch die Nutzung des Ladeluftkühlers
Ferner ist es möglich, die Größe des Behältnisses
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 1212
- Zylindergehäusecylinder housing
- 1414
- Zylindercylinder
- 1616
- KraftstofftankFuel tank
- 1818
- Einspritzanlageinjection
- 2020
- KraftstoffleitungFuel line
- 2222
- KraftstoffverteilerrohrFuel rail
- 2626
- Injektorinjector
- 2828
- Ansaugtraktintake system
- 3030
- AnsaugmodulIntake module
- 3232
- Richtungspfeilarrow
- 3636
- Abgastraktexhaust tract
- 4040
- Abgasturboladerturbocharger
- 4242
- Turbineturbine
- 4444
- Abgasnachbehandlungseinrichtungexhaust treatment device
- 4646
- Richtungspfeilarrow
- 4848
- Wellewave
- 5050
- Verdichtercompressor
- 5252
- LadeluftkühlerIntercooler
- 5454
- EinspritzventilInjector
- 5656
- Behältniscontainer
- 5858
- Kältemaschinerefrigeration machine
- 6060
- Leitungmanagement
- 6262
- Zuführeinrichtungfeeding
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007045347 A1 [0002] DE 102007045347 A1 [0002]
- DE 102012207903 A1 [0004] DE 102012207903 A1 [0004]
- DE 102012207904 A1 [0005] DE 102012207904 A1 [0005]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |