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Die Erfindung betrifft eine mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine, d.h. eine Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor und einen mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Frischgasstrang aufweist, wobei in den Frischgasstrang ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter hintereinander bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases integriert sind, so dass das Frischgas zuerst von dem ersten Verdichter und anschließend von dem zweiten Verdichter verdichtet werden kann. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
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Eine Aufladung von Brennkraftmaschinen zur Leistungssteigerung und zur positiven Beeinflussung des Wirkungsgrads und/oder des Emissionsverhaltens ist weit verbreitet. Zumindest bei Brennkraftmaschinen, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, erfolgt eine Aufladung zumeist mittels eines oder mehrerer Verdichter, der/die (jeweils) Teil eines Abgasturboladers ist/sind, so dass die Verdichtungsleistung für den/die Verdichter mittels einer dem (jeweiligen) Verdichter zugeordneten Abgasturbine, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschinen integriert ist, bereitgestellt wird. Bekannt ist aber auch die Verwendung von sogenannten Kompressoren, d.h. Verdichtern, die von dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine angetrieben werden, sowie von elektrisch, d.h. mittels eines Elektromotors angetriebenen Verdichtern.
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Ebenfalls bekannt ist, mehrere Verdichter in einen Frischgasstrang einer Brennkraftmaschine zu integrieren, um eine möglichst optimale Verdichtung des dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Frischgases in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu realisieren. Beispielsweise können zwei relativ klein dimensionierte Abgasturbolader, die parallel zueinander in den Frischgasstrang einer Brennkraftmaschine integriert sind, anstelle eines relativ groß dimensionierten Abgasturboladers eingesetzt werden. Bei einer mehrstufigen Aufladung sind die mehreren Verdichter dagegen hintereinander in den Frischgasstrang integriert, so dass diese zumindest zeitweise auch nacheinander zur Verdichtung des Frischgases genutzt werden können. Nachteilig kann dabei sein, dass ein zweiter Verdichter, der stromabwärts eines ersten Verdichters in einem Frischgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit bereits verdichtetem und infolge der Verdichtung relativ heißem Frischgas beaufschlagt wird, was eine entsprechend temperaturfeste Ausgestaltung dieses zweiten Verdichters mit den damit verbundenen relativ hohen Kosten bedingt. Dieser Nachteil lässt sich vermeiden, wenn eine sogenannte Zwischenkühlung durchgeführt wird, bei der das mittels des ersten Verdichters verdichtete Frischgas, bevor dieses dem zweiten Verdichtern zugeführt wird, mittels eines Wärmetauschers, der sowohl als Luft-Luft-Wärmetauscher als auch als Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet sein kann, gekühlt wird. Ein solcher Zwischenkühler benötigt jedoch relativ viel Bauraum, welcher zumindest in den Motorräumen von Kraftfahrzeugen üblicherweise nicht vorhanden ist. Dies gilt insbesondere auch für Motorräume, in denen eine mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine aufgenommen ist, da bereits für die mehrstufige Aufladung ein erheblicher Bauraumbedarf besteht.
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Die
DE 603 18 821 T2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, in dem eine Mischung aus Kraftstoff und Wasser gemeinsam mit dazu separat zugeführter Luft verbrannt wird. Ergänzend dazu wird auch der Luft Wasser im flüssigen oder dampfförmigen Zustand zugeführt. Dies kann vor oder hinter einem in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Verdichter, der Teil eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine ist, erfolgen. Das Umsetzen des Wassers während der Verbrennungsprozesse in dem Verbrennungsmotor soll die Erzeugung von Stickoxiden gering halten.
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Auch die
GB 2 259 326 A offenbart ein Einbringen von Wasser oder einer wässrigen Alkohollösung in den Frischgasstrang einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei dieses Einbringen stromauf eines Ladeluftkühlers erfolgt.
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Die
US 8,10 9,093 B2 beschreibt eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der Wasser in einen Abschnitt eines Frischgasstrangs der Brennkraftmaschine, der zwischen einem Verdichter eines Abgasturboladers und einem Ladeluftkühler angeordnet ist, eingebracht wird.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine eine vorteilhafte Möglichkeit zur Zwischenkühlung von Frischgas zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der Patentansprüche 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die zumindest einen Verbrennungsmotor und einen mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Frischgasstrang umfasst. Mittels des Frischgasstrangs kann dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt werden, das anschließend in einem oder mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors mit in das Frischgas eingebrachtem Kraftstoff verbrannt werden kann, wodurch der Verbrennungsmotor Antriebsleistung erzeugt. In den Frischgasstrang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind zumindest ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter hintereinander integriert, um zumindest bedarfsweise eine mehrstufige Verdichtung des Frischgases und damit eine mehrstufige Aufladung der Brennkraftmaschine zu bewirken. Zur zumindest bedarfsweisen Erzielung einer Zwischenkühlung des Frischgases nach einer Verdichtung in dem ersten Verdichter und vor dem Zuführen zu dem zweiten Verdichter ist erfindungsgemäß eine Einspritzvorrichtung vorgesehen, mittels der ein flüssiges Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem Alkohol, beispielsweise Methanol, in einen zwischen den Verdichtern liegenden Abschnitt des Frischgasstrangs einbringbar ist. Vorgesehen ist, dass das in diesen Abschnitt des Frischgasstrangs eingebrachte Kühlmedium infolge einer relativ hohen Temperatur des Frischgases, die sich aufgrund der Verdichtung des Frischgases mittels des ersten Verdichters eingestellt hat, verdampft. Die dafür erforderliche Verdampfungsenthalpie wird dabei dem Frischgas entzogen, wodurch dieses wirkungsvoll gekühlt wird. Das nunmehr auch das dann dampfförmige Kühlmedium umfassende Frischgas kann anschließend mit einer ausreichend niedrigen Temperatur dem zweiten Verdichter zugeführt werden, so dass keine besonders temperaturfeste Ausgestaltung dieses zweiten Verdichters erforderlich ist. Dabei kann der Bedarf an Bauraum, der für die Integration der Einspritzvorrichtung erforderlich ist, deutlich geringer sein als der Bedarf an Bauraum, der für eine Zwischenkühlung gemäß dem Stand der Technik mittels eines Wärmetauschers erforderlich wäre.
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Ein weiterhin durch das erfindungsgemäße Einbringen eines flüssigen Kühlmediums mit dem Zweck einer Zwischenkühlung realisierbarer Vorteil liegt in der positiven Wirkung des eingebrachten Kühlmediums auf das Abgasemissionsverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere hinsichtlich der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Stickoxide (NOX). Die Einbringung des zunächst noch flüssigen Kühlmediums in das Frischgas führt nämlich zumindest dann, wenn dessen Verdampfung noch außerhalb des oder der Brennräume des Verbrennungsmotors erfolgt, zu einer Verdünnung des Frischgasgemisches und damit zu einer Reduzierung des Sauerstoffpartialdrucks. Weiterhin erhöht sich die spezifische Wärmekapazität das Frischgasgemisches, wodurch die während des Betriebs des Verbrennungsmotors in dem oder den Brennräumen auftretenden Spitzentemperaturen relativ gering gehalten werden können.
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Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mehr als zwei hintereinander in den Frischgasstrang integrierte Verdichter aufweist, kann eine erfindungsgemäße Zwischenkühlung basierend auf dem Einbringen eines flüssigen Kühlmediums zwischen einem, mehreren oder allen Paaren von aneinander angrenzend angeordneten Verdichtern vorgesehen sein.
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Um eine Gefahr von Flüssigkeitsschlägen am zweiten Verdichter zu vermeiden, sollte sichergestellt werden, dass im Wesentlichen das gesamte in den Frischgasstrom eingebrachte Kühlmedium verdampft ist, wenn dieses den zweiten Verdichter erreicht. Insbesondere bei einem relativ geringen Abstand zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter kann dies eine möglichst gute Verteilung des Kühlmediums innerhalb der Frischgasströmung bedingen. Eine solche gute Verteilung des Kühlmediums kann insbesondere dadurch positiv beeinflusst werden, dass möglichst kleine Tröpfchen des Kühlmediums erzeugt und diese Tröpfchen zudem möglichst großvolumig verteilt in den Frischgasstrom eingebracht werden. Um dies zu erreichen kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Einspritzvorrichtung mindestens eine Einspritzdüse, vorzugsweise eine Mehrzahl von Einspritzdüsen zur Zerstäubung der Flüssigkeit beim Einbringen in den Frischgasstrang umfasst. Dabei können die mehrere Einspritzdüsen insbesondere auch in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung bezüglich eines Rohrabschnitts des Frischgasstrangs verteilt angeordnet sein, um eine solche möglichst großvolumige Verteilung zu realisieren.
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Ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst großvolumigen Verteilung des Kühlmediums innerhalb des zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter liegenden Abschnitts des Frischgasstrangs kann sein, wenn die Einspritzvorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium in einer der Strömungsrichtung des Frischgases (in Richtung des Verbrennungsmotors) innerhalb des Frischgastrangs entgegengesetzten Richtung in den Frischgasstrang eingebracht wird beziehungsweise das Kühlmedium eine entsprechende Strömungsrichtung beim Eintritt in die Frischgasströmung aufweist. Dabei kann es ausreichend sein, wenn die Strömungsrichtung des Kühlmediums beim Eintritt in die Frischgasströmung eine Richtungskomponente aufweist, die der Strömungsrichtung des Frischgases exakt entgegengesetzt ausgerichtet ist.
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Eine großvolumige Verteilung des in den Frischgasstrang eingebrachten Kühlmediums kann auch dadurch in vorteilhafter Weise realisiert werden, dass das Kühlmedium gegen die Auslassseite eines Verdichterlaufrads des ersten Verdichters gespritzt wird, wozu die Einspritzvorrichtung derart ausgebildet ist, dass das aus dieser in das Innenvolumen des Frischgasstrangs eingetretene Kühlmedium noch mehrheitlich, d.h. mit mindestens 50 Massenprozent, auf die Auslassseite des Verdichterlaufrads des ersten Verdichters auftritt, bevor dieses verdampft ist.
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Um sicherzustellen, dass das in das Frischgas eingebrachte Kühlmedium beim Erreichen des zweiten Verdichters im Wesentlichen vollständig verdampft ist, kann gemäß einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass das Kühlmedium mittels der Einspritzvorrichtung nur dann (zumindest zeitweise) in den zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs eingebracht wird, wenn eine Temperatur des Frischgases in dem entsprechenden Abschnitt mindestens 130°C, vorzugsweise mindestens 140°C und besonders bevorzugt mindestens 150°C beträgt. Die Temperatur des Frischgases kann dazu an einer oder mehreren Stellen gemessen und gegebenenfalls gemittelt werden oder diese Temperatur wird aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abgeleitet.
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Eine Versorgung der Einspritzvorrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit dem für das Einbringen in den Frischgasstrang vorgesehenen, flüssigen Kühlmedium, das insbesondere in Form von Wasser vorliegend kann, kann insbesondere mittels einer Kondensatsammelvorrichtung erfolgen, die Teil eines Abgaskühlers ist, der in einen mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Abgasstrang integriert ist, oder die mit einem solchen Abgaskühler fluidleitend verbunden ist. Mittels des Abgasstrangs wird im Betrieb des Verbrennungsmotors Abgas, das bei der Verbrennung von Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors entstanden ist, abgeführt und teilweise oder vollständig in die Umgebung entlassen. Bei einem nur teilweise Entlassen in die Umgebung kann der andere Teil des Abgases zur Realisierung eine Abgasrückführung in den Frischgasstrang zurückgeführt werden. Der Abgaskühler bewirkt eine Kühlung des durch diesen geführten Abgasstroms, womit zumindest temporär im relevanten Umfang ein Kondensieren von in dem Abgas enthaltenem Wasser oder einer wässrigen Lösung einhergehen kann. Dieses Wasser beziehungsweise diese wässrige Lösung wird mittels der Kondensatsammelvorrichtung gezielt gesammelt, um dieses der Einspritzvorrichtung als flüssiges Kühlmedium zuzuführen. Hierzu ist die Kondensatsammelvorrichtung entsprechend fluidleitend mit der Einspritzvorrichtung verbunden. Ein Kühlen des Abgases mittels des Abgaskühlers, der beispielsweise in Form eines Gas-Gas-Wärmetauschers oder eines Gas-Flüssigkeit-Wärmetauschers (der in ein Flüssigkeitskühlsystem der Brennkraftmaschine integriert sein kann) ausgebildet sein kann, kann dabei nicht ausschließlich zu dem Zweck der Erzeugung eines solchen Kondensats vorgesehen sein. Vielmehr kann der Abgaskühler auch oder primär dazu dienen, zumindest bedarfsweise, d.h. insbesondere in solchen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, in denen diese Abgas mit relativ hohen Abgastemperaturen erzeugt, dieses Abgas zu kühlen, um stromabwärts des Abgaskrümmers in den Abgasstrang integrierte Komponenten, beispielsweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, vor einer thermischen Überlastung zu schützen.
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Sofern zumindest einer der Verdichter Teil eines Abgasturboladers ist, der (jeweils) zudem eine in den Abgasstrang integrierte Abgasturbine umfasst, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Abgaskühler stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases) der Abgasturbine(n) in den Abgasstrang integriert ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass infolge der bereits erfolgten Entspannung des Abgases in der/den Abgasturbine(n) und der damit verbundenen Temperaturabsenkung mittels des Abgaskühlers auf relativ einfache Weise eine Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur bis unterhalb der Kondensationstemperatur von Wasser bewirkt werden kann. Zudem kann dadurch vermieden werden, dass die Abgasenthalpie infolge der Kühlung noch vor einer Nutzung in der/den Abgasturbine(n) reduziert wird, womit auch eine Reduzierung der Turbinenleistung(en) einhergehen würde.
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Da mittels eines Abgaskühlers und einer diesem zugeordneten Kondensatsammelvorrichtung gegebenenfalls nur zeitweise beziehungsweise in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors Kondensat und damit flüssiges Kühlmedium in einem relevantem Umfang gewonnen werden kann, kann vorzugsweise zusätzlich ein fluidleitend mit sowohl der Kondensatsammelvorrichtung als auch der Einspritzvorrichtung verbundener Tank vorgesehen sein, in dem mittels des Abgaskühlers der Kondensatsammelvorrichtung gesammeltes Kondensat bedarfsweise zwischengespeichert werden kann, so dass dieses Kondensat als flüssiges Kühlmedium der Einspritzvorrichtung bedarfsgerecht zugeführt werden kann.
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Für eine stets ausreichende Zufuhr von flüssigem Kühlmedium zu der Einspritzvorrichtung kann es sinnvoll sein, dieser mindestens eine Pumpe für das flüssige Kühlmedium zuzuordnen, beispielsweise durch die Integration dieser mindestens einen Pumpe in die fluidleitende Verbindung zwischen der Einspritzvorrichtung und der Kondensatsammelvorrichtung beziehungsweise in zumindest eine der fluidleitenden Verbindungen zwischen der Einspritzvorrichtung und dem Tank oder dem Tank und der Kondensatsammelvorrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Dieselmotor, d.h. einen Verbrennungsmotor mit (stets vorgesehener) Kompressionszündung, innerer Gemischbildung und qualitativer Leistungsregelung, da eine mehrstufige Aufladung insbesondere bei einer solchen Diesel-Brennkraftmaschine sinnvoll umsetzbar sein kann und sich zudem der Vorteil hinsichtlich des Stickoxid-Emissionsverhaltens insbesondere bei einer solchen Diesel-Brennkraftmaschine vorteilhaft auswirkt. Vorteilhaft umsetzbar kann die erfindungsgemäße Zwischenkühlung jedoch auch bei beliebigen anderen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei ausschließlich oder zumindest zeitweise fremdgezündeten Verbrennungsmotoren (z.B. Ottomotoren oder Verbrennungsmotoren mit homogener Kompressionszündung) sein.
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Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass der zweite Verdichter mittels eines Bypasses und eines Steuerventils bedarfsweise umgehbar ist. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, wenn Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, in denen eine Verdichtung des Frischgases nur mittels des ersten Verdichters vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn der zweite Verdichter lediglich zur temporären Unterstützung des ersten Verdichters vorgesehen ist. Der zweite Verdichter kann dabei beispielsweise elektrisch angetrieben ausgebildet sein, während der erste Verdichter vorzugsweise Teil eines Abgasturboladers ist. Durch eine Umgehung des zweiten Verdichters kann dann vermieden werden, dass das bereits ausreichend verdichtete Frischgas noch den zweiten Verdichter durchströmen muss, womit ungewollte Strömungsverluste verbunden sein könnten. Da die erfindungsgemäße Zwischenkühlung durch Einbringen eines flüssigen Kühlmediums in mittels des ersten Verdichters verdichtetes Frischgas ausschließlich, primär oder zumindest auch dem Schutz des zweiten Verdichters vor einer thermischen Überlastung dient, kann gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass das Kühlmedium mittels der Einspritzvorrichtung nur dann in den Frischgasstrang eingebracht wird, wenn auch der zweite Verdichter von dem Frischgas durchströmt wird und das Frischgas somit nicht oder zumindest nicht vollständig über den Bypass geführt wird. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, wenn in den Frischgasstrang noch ein als Gas-Gas-Wärmetauscher oder als Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildeter Ladeluftkühler integriert ist, der insbesondere stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases in Richtung des Verbrennungsmotors) des zweiten Verdichters (und des dazugehörigen Bypasses) in dem Frischgasstrang angeordnet sein kann. Im Hinblick auf die durch das Kühlen des Frischgases und die Anwesenheit von dampfförmigem Kühlmittel in dem Frischgas erzielbaren Vorteile kann es jedoch auch zumindest zeitweise sinnvoll sein, dass Kühlmedium auch dann in das Frischgas einzubringen, wenn zumindest ein Teil oder das gesamte von dem ersten Verdichter kommende Frischgas über den Bypass geführt wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor. Dabei kann der Verbrennungsmotor insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:
- 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform und
- 2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform.
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Die 1 zeigt eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 2 ausgebildet ist. Die Zylinder 2 begrenzen mit darin geführten Kolben 3 und einem nicht dargestellten Zylinderkopf jeweils einen Brennraum. Diesen Brennräumen wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 4 zugeführt. Bei diesem Frischgas handelt es sich primär um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird und die anschließend über einen ersten Verdichter 5 geführt wird. Dieser erste Verdichter 5 ist der Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 6 umfasst, die in einen Abgasstrang 7 der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas und direkt über Kraftstoffinjektoren 8 in die Brennräume eingespritztem Kraftstoff bestehen, entstanden ist, wird über den Abgasstrang 7 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 6. Dabei wird ein Turbinenlaufrad (nicht dargestellt) der Abgasturbine 6 drehend angetrieben, wobei diese Drehbewegung des Turbinenlaufrads über eine Welle 9 auf ein Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des ersten Verdichters 5 übertragen wird. Die Rotation des Verdichterlaufrads des ersten Verdichters 5 führt zu einer Verdichtung des durch diesen geführten Frischgases, das dort noch vollständig aus Luft besteht. Dabei erhöht sich nicht nur der Druck des Frischgases sondern auch dessen Temperatur.
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Um unter anderem eine thermische Überlastung eines stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases durch den Frischgasstrang 4) des ersten Verdichters 5 angeordneten zweiten Verdichters 10, der mittels eines Elektromotors 11 angetrieben ist, zu vermeiden, ist in denjenigen Abschnitt des Frischgasstrangs 4, der zwischen dem ersten Verdichter 5 und dem zweiten Verdichter 10 gelegen ist, eine Einspritzvorrichtung 12 angeordnet, mittels der bedarfsweise ein flüssiges Kühlmedium, konkret Wasser, in diesen Abschnitt des Frischgasstrangs 4 beziehungsweise in das diesen Abschnitt durchströmende Frischgas eingebracht werden kann. Infolge einer dabei ausreichend hohen Temperatur des Frischgases in diesem Abschnitt verdampft das Wasser und führt dadurch zu einer relevanten Abkühlung des nunmehr neben der Luft auch das Wasser im dampfförmigen Zustand umfassenden Frischgases. Das Frischgas kann dann mittels des zweiten Verdichters 10 weiter verdichtet werden, ohne dass eine thermische Überlastung des zweiten Verdichters 10 zu befürchten wäre.
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Der zweite, elektrisch angetriebenen Verdichter 10 kann insbesondere dafür vorgesehen sein, ein verzögertes Ansprechverhalten des ersten Verdichters 5 bei einer spontanen Lasterhöhung im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 zu überbrücken, die darin begründet ist, dass für eine erhöhte Verdichtungsleistung des ersten Verdichters 5 zunächst ein entsprechend erhöhter Abgasstrom erzeugt werden muss. Es kann daher vorgesehen sein, dass der zweite Verdichter 10 zeitweise während eines Betriebs der Brennkraftmaschine nicht betrieben wird. Um zu vermeiden, dass das dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführende Frischgas den dann deaktivierten zweiten Verdichter 10 durchströmen muss, womit in ein einem relevanten Umfang ungewollte Strömungsverluste verbunden wären, ist ein den zweiten Verdichter 10 umgehender Bypass 13 vorgesehen. Mittels eines Steuerventils 14, das mittels einer Steuerungsvorrichtung 15 der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist, kann eine bedarfsgerechte Aufteilung des Frischgases zur Durchströmung des zweiten Verdichters 10 und/oder des Bypasses 13 realisiert werden. Mittels des Steuerventils 14, das in Form eines Klappenventils ausgebildet ist, kann dabei zudem auch eine Durchströmung des Frischgasstrangs 4 insgesamt beeinflusst und insbesondere bis auf null oder nahezu null reduziert werden. Das Steuerventil 14 kann demnach auch die Funktion einer sogenannten Drosselklappe bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 1 als Ottomotor oder einer sogenannten Regelklappe bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als Dieselmotor, mittels der insbesondere auch ein bedarfsweises Verschließen des Frischgasstrangs bei einem Beendigen eines Betriebs der Brennkraftmaschine bewirkt werden kann, um ein Nachlaufen des Dieselmotors zu vermeiden, aufweisen.
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Das gegebenenfalls zusätzlich mittels des zweiten Verdichters 10 verdichtete Frischgas durchströmt noch einen Ladeluftkühler 16, der insbesondere als Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet sein kann, bei dem zur Kühlung des Frischgases ein Übergang vom Wärmeenergie von dem Frischgas auf ein den Wärmetauscher ebenfalls (und getrennt von dem Frischgas) durchströmendes Kühlmittel, das in einem auch den Verbrennungsmotor 1 umfassenden Kühlsystem (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine zirkulierend gefördert wird, bewirkt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 16 kann dem Frischgas bedarfsweise noch Abgas beigemischt werden, das über eine Abgasrückführleitung 17 einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung aus dem Abgasstrang 7 in den Frischgasstrang 4 zurückgeführt werden kann. Die Abgasrückführleitung 17 der Hochdruck-Abgasrückführung geht dabei stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgasstrang 7) der Abgasturbine 6 aus dem Abgasstrang 7 ab und mündet stromab (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases in dem Frischgasstrang 4) der Verdichter 5, 10 und im vorliegenden Ausgestaltungsbeispiel auch stromab des Ladeluftkühlers 16 in den Frischgasstrang 4. Zur Steuerung oder Regelung der Menge des rückgeführten Abgases ist in die Abgasrückführleitung 17 ein ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 15 ansteuerbares Abgasrückführventil 18 integriert.
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Ein Einleiten von gegebenenfalls rückgeführtem Abgas in das Frischgas erfolgt in einem als Saugrohr 19 bezeichneten Abschnitt des Frischgasstrangs, in dem zusätzlich eine Aufteilung des Frischgases auf die einzelnen Brennräume erfolgt.
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Das in das Frischgas eingebrachte Wasser wird der Einspritzvorrichtung 12 mittels einer Pumpe 20 aus einem Tank 21 zugeführt, wobei dieser Tank 21 zudem mit einer in den Abgasstrang 7 integrierten Kondensatsammelvorrichtung 22, die Teil eines Abgaskühlers 23 ist, fluidleitend verbunden ist. Der Abgaskühler 23 ist mitsamt der Kondensatsammelvorrichtung 22 stromab der Abgasturbine in den Abgasstrang integriert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass mittels des Abgaskühlers auf relativ einfache Weise eine Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur bis unterhalb der Kondensationstemperatur von Wasser bewirkt werden kann. Zudem kann dadurch vermieden werden, dass die Abgasenthalpie infolge der Kühlung noch vor einer Nutzung in der Abgasturbine 6 reduziert wird.
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Mittels des Abgaskühlers 23, dessen Kühlwirkung beeinflussbar und insbesondere steuerbar oder regelbar sein kann, kann zumindest zeitweise eine Kühlung des Abgases bewirkt werden, bei der in einem relevanten Umfang Kondensat anfällt, das im Wesentlichen (mit Ausnahme von Verunreinigungen) vollständig aus Wasser besteht. Dieses nachfolgend auch als Wasser bezeichnete Kondensat wird mittels der Kondensatsammelvorrichtung 22 gezielt gesammelt, in den Tank 21 befördert und in diesem für eine gegebenenfalls spätere Verwendung zum Einbringen in das Frischgas mittels der Einspritzvorrichtung 12 zwischengespeichert. Gegebenenfalls kann dabei auch eine Aufbereitung beziehungsweise Reinigung des Wassers, beispielsweise mittels eines Filters (nicht dargestellt), vorgesehen sein, um dieses von Verunreinigungen zu befreien.
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Die in der 2 dargestellte Brennkraftmaschine unterscheidet sich von derjenigen gemäß der 1 im Wesentlichen ausschließlich darin, dass auch der zweite Verdichter 10 Teil eines Abgasturboladers ist und folglich in den Abgasstrang 7 zwei Abgasturbinen 6a, 6b integriert sind. Dabei ist gemäß dem Ausgestaltungsbeispiel vorgesehen, dass diese Abgasturbinen 6a, 6b hintereinander in dem Abgasstrang 7 angeordnet sind, so dass das Abgas zunächst die Abgasturbine 6a des den zweiten Verdichter 10 umfassenden Abgasturboladers und anschließend die Abgasturbine 6b des den ersten Verdichter 5 umfassenden Abgasturboladers durchströmt.
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In dem in der 2 gezeigten Ausgestaltungsbeispiel ist weiterhin kein Bypass zur bedarfsweisen Umgehung des zweiten Verdichters 10 vorgesehen. Eine solche Ausgestaltung ist jedoch gleichfalls möglich, insbesondere in Kombination mit einem entsprechenden Bypass zur bedarfsweisen Umgehung der dazugehörigen Abgasturbine 6a.
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Weiterhin ist bei dem in der 2 gezeigten Ausgestaltungsbeispiel vorgesehen, den Abgaskühler 23 mit der darin integrierten Kondensatsammelvorrichtung 22 stromab beider Abgasturbinen 6a, 6b anzuordnen.
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Mangels eines für den zweiten Verdichter 10 vorgesehenen Bypasses dient das Steuerventil 14 der Brennkraftmaschine gemäß der 2 lediglich als Drossel- oder Regelklappe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Frischgasstrang
- 5
- erster Verdichter
- 6
- Abgasturbine
- 6a
- erste Abgasturbine
- 6b
- zweite Abgasturbine
- 7
- Abgasstrang
- 8
- Kraftstoffinjektor
- 9
- Welle
- 10
- zweiter Verdichter
- 11
- Elektromotor
- 12
- Einspritzvorrichtung
- 13
- Bypass
- 14
- Steuerventil
- 15
- Steuerungsvorrichtung
- 16
- Ladeluftkühler
- 17
- Abgasrückführleitung
- 18
- Abgasrückführventil
- 19
- Saugrohr
- 20
- Pumpe
- 21
- Tank
- 22
- Kondensatsammelvorrichtung
- 23
- Abgaskühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60318821 T2 [0004]
- GB 2259326 A [0005]
- US 8109093 B2 [0006]
