DE102021100966A1

DE102021100966A1 - Brennkraftmaschine, Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021100966A1
Application number: DE102021100966.9A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Brandes-Grote; Andreas Grote; Frank Schürg; André Casal Kulzer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10) für ein Fahrzeug (11), aufweisend eine Brennkammer (60, 61) für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank (13), eine Zuführleitung (14) zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank (13) zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen, einen Wärmetauscher (15) für einen Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine (10) auf das Kühlmittel in der Zuführleitung (14), eine Rückführleitung (16) zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung (14) zurück zum Kühlmitteltank (13) und eine Ventilanordnung (17) zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher (15) temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung (14) zur Brennkammer (60, 61) und/oder durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13). Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug (11) mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (10) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, aufweisend eine Brennkammer für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank und eine Zuführleitung zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
Zur Erfüllung heutiger und insbesondere zukünftiger Emissionsstandards ist es notwendig, Brennkraftmaschinen, die nach ottomotorischem Prinzip arbeiten, kennfeldweit stöchiometrisch zu betreiben. Das gilt insbesondere mit Blick auf aktuelle Gesetzgebungen. Um über das gesamte Kennfeld einen stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten zu können, helfen Maßnahmen zur Absenkung der Abgastemperatur im Hochlast-Bereich der Brennkraftmaschine. Damit können Bauteile wie ein Abgasturbolader vor Überhitzung geschützt und Komponenten zur Abgasnachbehandlung in einem akzeptablen Temperaturbereich gehalten werden. Darüber hinaus können damit irreguläre Verbrennungsphänomene wie eine Vorentflammung verhindert werden.
Um die Abgastemperaturen zu verringern, sind eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze bekannt. Neben einem unterstöchiometrischen Betrieb mit Lambda < 1 und der Abgasrückführung (AGR) in verschiedenen Varianten wie Niederdruck-AGR, Hochdruck-AGR oder chemisch aktivierte AGR können zusätzlich zu Frischgas und Kraftstoff noch beispielsweise Wasser oder ein Wassergemisch als Kühlmittel zum Brennraum bzw. zur Brennkammer der Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Es zeigt sich jedoch beim Betreiben einer Brennkraftmaschine, dass Teile des eingebrachten Wassers an den Zylinderlaufbuchsen anhaften. Der über die Zylinderlaufbuchsen gleitende Kolben bzw. die über die Zylinderlaufbuchsen gleitenden Kolbenringe sorgen, ggf. unterstützt vom Verbrennungsdruck, nun dafür, dass die an den Zylinderlaufbuchsen haftenden Wassertropfen in das Zylinderkurbelgehäuse gelangen und dort aufgrund der im Zylinderkurbelgehäuse herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse schlagartig verdampfen, wodurch es zu einem erheblichen Volumensprung im hohen drei- bis niedrigen vierstelligen Bereich kommen kann, der bei den in das Zylinderkurbelgehäuse gelangenden Wassermengen einen starken Druckanstieg im Zylinderkurbelgehäuse nach sich ziehen kann. Damit ist es möglich, dass der von der Emissionsgesetzgebung geforderte Unterdruck im Zylinderkurbelgehäuse nicht mehr unter allen Betriebsbedingungen eingehalten werden kann. Wenn nun eine erhebliche Masse an Wasser in das Zylinderkurbelgehäuse gelangt, kann dieses nicht, wie bei in das Zylinderkurbelgehäuse entwichenem Kraftstoff üblich, vollständig über das sogenannte Blow-By-System auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden, sondern verbleibt im Öl und verdünnt dieses. Das Öl kann damit seinen Aufgaben, beispielsweise der Übertragung von Kräften, nicht mehr im vollem Maße nachkommen, wodurch die Brennkraftmaschine beschädigt oder zerstört werden kann. Überdies kann der Teil des Wassers aus dem Zylinderkurbelgehäuse, welcher über das Blow-By-System wieder auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine zurückgelangt, dort aufgrund der vorherrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse kondensieren. Bekanntermaßen kann dort der hinter der im Aufladebetrieb genutzten Blow-By-Einleitung positionierte Verdichter durch Tropfenschlag ebenfalls beschädigt werden. Ist der Blow-By-Volumenstrom durch einen erheblichen Wassereintrag stark erhöht, kann es weiter passieren, dass der Ölabscheider für diese Mengen unterdimensioniert ist, sodass ein Teil des Öles in die Ansaugstrecke ausgetragen wird. Das mit dem Frischgas in die Brennräume transportierte Öl erhöht dort die Gefahr der irregulären Verbrennungsphänomene und führt zu einer Veraschung des ottomotorischen Partikelfilters. Eine Vergrößerung des Ölabscheiders kommt hierbei nicht zwangsweise in Betracht, da, selbst wenn ein ausreichender Bauraum zur Verfügung stünde, die typischerweise eingesetzten Ölabscheider für ihr Wirkprinzip ein Mindestmaß an Strömungsgeschwindigkeit benötigen. Werden die Dimensionen vergrößert, kann in einem Schwachlastbetrieb die Strömungsgeschwindigkeit möglicherweise nicht ausreichend groß sein. Handelt es sich um einen vom Motorblock abgesetzten Ölabscheider, rekondensiert das Wasser bereits vor dem Ölabscheider und bildet eine Emulsion bzw. einen Schaum, der durch den Ölabscheider grundsätzlich nicht mehr getrennt werden kann, wodurch dieser ebenfalls massiv Öl austrägt und zudem verstopft. Ein verstopfter Ölabscheider führt zusätzlich zu einer Erhöhung des Drucks im Zylinderkurbelgehäuse, wodurch die legislative Forderung nach einem Unterdruck im Zylinderkurbelgehäuse verletzt werden kann. Es ist deshalb anzustreben, das Wasser möglichst fein zu zerstäuben oder vollständig in gasförmiger Form in den Brennraum einzubringen, um ein Anhaften von Wassertropfen an den Zylinderlaufbuchsen möglichst vollumfänglich zu vermeiden.
Das Kühlmedium kann indirekt über eine Einspritzung in das Saugrohr oder den Einlasskanal oder direkt in den Brennraum eingebracht werden. Die direkte Einbringung hat gegenüber der indirekten Einbringung grundsätzlich den Vorteil der Möglichkeit, Tropfen mit kleinerem Durchmesser zu generieren und damit bessere Verdampfungsbedingungen für das Kühlmedium zu schaffen. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 006263 A1 wird dazu erwähnt, dass dem zuvor genannten Problem der Ölverdünnung damit jedoch trotz Vorliegen besserer Verdampfungsbedingungen nicht immer ausreichend Rechnung getragen werden kann. Ferner wird dort beschrieben, dass es verschiedene Konzepte zur Lösung des Problems der Ölverdünnung gibt, von welchen ein Großteil eine Reduktion der einzuspritzenden Wassermenge durch geschickte Prozessführung vorschlägt. Unter der Prämisse, dass der Wasserverbrauch ohnehin aus Komfortgründen für den Fahrzeugführer so gering wie möglich sein sollte, und dass durch immer schärfer werdende Schadstoffemissionsgrenzwerte und gesetzliche Restriktionen die einzusetzende Wassermenge eher zunehmen wird, wird eine Reduktion der Wassermenge jedoch kein Allheilmittel gegen Ölverdünnung durch Wassereintrag in das Zylinderkurbelgehäuse, gegen den möglicherweise zu hohen Druck im Zylinderkurbelgehäuse und gegen die zuvor beschriebenen Probleme hinsichtlich des Ölabscheiders sein. In der vorgenannten Patentanmeldung wird vorgeschlagen, die gesamte, pro Arbeitsspiel einzusetzende Menge an Wasser in zwei Teilmengen aufzuteilen, wobei die erste Teilmenge vorzugsweise größer als die zweite Teilmenge ist. Die erste Teilmenge soll vor dem oberen Zündtotpunkt und die zweite Teilmenge nach dem oberen Zündtotpunkt eingebracht werden, wobei die Einspritzung der ersten Teilmenge zur Ausnutzung der kühlenden Wirkung und die Einspritzung der zweiten Teilmenge bei einem vergleichsweise geringen Brennraumdruck erfolgt. Diese Maßnahmen sollen einen übermäßigen Eintrag von Wasser in das Zylinderkurbelgehäuse möglichst verhindern. Es bleibt jedoch fraglich, inwieweit die benannten Zeitpunkte von Parametern wie den Eigenschaften des Injektors, der Einspritzstrahlrichtung, der Ladungsbewegung und/oder der Kolbenmuldengeometrie abhängig sind, und ob der Eintrag von Wasser in das Motoröl unter allen Umständen ausschließlich durch eine geeignete Wahl von Einspritz-Zeitpunkten und der Aufteilung der Wassermenge pro Einspritzung verhindert werden kann. Zudem wird eine Direkteinspritzung mit einem zusätzlichen Injektor für das Kühlmedium vorausgesetzt, die häufig an mangelndem Bauraum scheitert. Darüber hinaus soll Wasser oder ein anderes Kühlmittel in der Brennkammer in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine aber auch gänzlich verhindert werden. Mit Blick auf den bekannten Stand der Technik lässt sich demnach zusammenfassen, dass die Problematik beim Einbringen von Wasser bzw. einem geeigneten Kühlmittel zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren der Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen vielschichtig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Kühlmittel vor dem Einbringen in die Brennkammer möglichst effizient, effektiv und/oder flexibel zu temperieren.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, das Fahrzeug gemäß Anspruch 8 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug, dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Die Brennkraftmaschine weist eine Brennkammer bzw. wenigstens eine Brennkammer für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank und eine Zuführleitung zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen auf. Die Brennkraftmaschine weist ferner einen Wärmetauscher bzw. wenigstens einen Wärmetauscher für einen Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine auf das Kühlmittel in der Zuführleitung und eine Rückführleitung zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung zurück zum Kühlmitteltank auf. Außerdem weist die Brennkraftmaschine eine Ventilanordnung zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank auf.
Unter Verwendung des Wärmetauschers und der ohnehin in der Brennkraftmaschine verfügbaren Wärmequelle kann das Kühlmittel zunächst effizient auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden. Mittels der Ventilanordnung kann das aufgeheizte Kühlmittel beispielsweise abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine selektiv zur Brennkammer bzw. zu wenigstens einer Brennkammer und/oder zurück zum Kühlmitteltank geleitet werden. Damit können insbesondere eine übermäßige Zufuhr von Kühlmittel zur Brennkammer verhindert und trotz Reduktion des Potentials der Verdampfungsenthalpie eine entsprechend sparsame Kühlmittelzufuhr erreicht werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Fahrzeugführer das Kühlmittel seltener nachfüllen muss und/oder eine On-Board-Generierung seltener erfolgen muss. Außerdem können überschüssiges Kühlmittel in der Brennkammer und/oder in der Peripherie der Brennkammer und folglich die in der Beschreibungseinleitung hierzu beschriebenen Probleme verhindert werden.
Durch den Wärmetransport von der Wärmequelle auf das Kühlmittel kann dieses auf Temperaturen von vorzugsweise über 100°C erhitzt werden. Ein vorzeitiges Verdampfen des Kühlmittels in der Kühlmittelleitung gilt es jedoch zu verhindern. Mit anderen Worten, das Kühlmittel soll in der Kühlmittelleitung möglichst keinen Phasenübergang von einer flüssigen Phase in eine gasförmige Phase durchschreiten. Um dies nun möglichst kennfeldweit zu verhindern, kann ein Massenstrom des Kühlmittels durch die Zuführleitung und/oder die Rückführleitung unter Verwendung der Ventilanordnung, beispielsweise abhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine und/oder einem gewählten Einspritzdruck zum Einspritzen des Kühlmittels in die Brennkammer oder einen Einlasskanal der Brennkraftmaschine, gesteuert und/oder geregelt werden. Wird für den Verbrennungsprozess beispielsweise weniger Kühlmittel benötigt, als es zur Verhinderung des Phasenübergangs erforderlich ist, kann durch den Wärmetauscher temperiertes und überschüssiges Kühlmittel durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank geleitet werden. Genauer gesagt kann das Kühlmittel unter Verwendung der Ventilanordnung wahlweise vollständig zurück zum Kühlmitteltank, vollständig weiter zur Brennkammer oder teilweise zurück zum Kühlmitteltank und teilweise weiter zur Brennkammer geleitet werden.
Die Wärmequelle und der Wärmetauscher sind zum Aufheizen des Kühlmittels auf eine Temperatur von vorzugsweise über 100°C konfiguriert und ausgestaltet. Das Temperieren des Kühlmittels auf eine ausreichend hohe Temperatur vor dem Einbringen in die Brennkammer ist eine besonders effektive Maßnahme bzw. Vorbereitungsmaßnahme, um das Kühlmittel anschließend in Form von Nebel mit möglichst geringen Tropfendurchmessern von wenigen hundertstel Millimetern oder gasförmig in die Brennkammer einzubringen. Hierbei kann verhindert werden, dass das Kühlmittel in flüssiger Form an den Brennraumwänden anhaften kann. Entsprechend kann auch verhindert werden, dass Kühlmittel entlang der Zylinderlaufbuchsen in das Zylinderkurbelgehäuse gelangt, wodurch das Motoröl keine Verdünnung erfährt und der Zylinderkurbelgehäusedruck auf einem gewünscht niedrigen Druck verbleibt. Damit werden der Kurbeltrieb, das Blow-By-System und der Ölabscheider geschont, was wiederum Bauteil- und Motorschäden durch Verbrennungsphänomene wie Vorentflammungen vorbeugt. Trotzdem lässt sich die Brennkraftmaschine kennfeldweit stöchiometrisch betreiben, was für eine Einhaltung aktueller und zukünftiger Grenzwerte für Schadstoff-Emissionen von besonderem Vorteil ist.
Das Kühlmittel wird an der Wärmequelle nicht nur aufgeheizt, sondern dient gleichzeitig auch als Kühlmittel zum Kühlen der Wärmequelle. Durch die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist nun eine Betriebsweise der Brennkraftmaschine möglich, in welcher das Kühlmittel zum Kühlen der Wärmequelle durch die Zuführleitung geleitet wird, obwohl kein Kühlmittel in der Brennkammer benötigt wird. Dies ist nur deshalb möglich, da das Kühlmittel noch vor Erreichen der Brennkammer durch die Rückführleitung wieder vollständig zurück zum Kühlmitteltank geleitet werden kann. Durch den Kühleffekt auf die Wärmequelle kann die Lebensdauer der Wärmequelle verlängert und die Wirksamkeit der Wärmequelle verbessert werden.
Als Wärmequelle können unterschiedliche Funktionsbauteile der Brennkraftmaschine verwendet werden. So kann die wenigstens eine Wärmequelle beispielsweise einen Abgaskrümmer aufweisen, an welchem der Wärmetauscher ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher kann einen Hohlraum am Abgaskrümmer umfassen, wobei der Hohlraum dadurch entsteht, dass eine zweite Hülle bzw. eine Kammer um den Abgaskrümmer ausgestaltet ist. Der Hohlraum kann in diesem Fall als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Der Krümmerkanal zum Leiten des Abgases durch den Abgaskrümmer kann als heiße Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Der Abgaskrümmer ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Brennkraftmaschine als natürlich beatmete Brennkraftmaschine oder eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Aufladung nicht mit einem Abgasturbolader erfolgt, ausgestaltet ist.
Die wenigstens eine Wärmequelle kann ferner Komponenten zur Abgasnachbehandlung von Abgas aus der Brennkraftmaschine aufweisen. In diesem Fall umfasst die Brennkraftmaschine entsprechend Bauteile, die einer klassischen Brennkraftmaschine sonst nicht zuzuordnen sind. So kann die Wärmequelle einen 3-Wege-Katalysator umfassen, der mit Rohren durchzogen ist, um die Wärme des Abgases und die Wärme, die aufgrund möglicher Exothermen im Katalysator entsteht, auf das Kühlmittel zu transportieren bzw. zu übertragen. Auch der Ölkühler eines Fahrzeugs kann als Wärmequelle zur Erhitzung des Kühlmittels dienen. Darüber hinaus kann die Wärmequelle den Verdichter eines Abgasturboladers umfassen. Hier kann das Kühlmittel über die Frischgasseite bzw. den Verdichter vorgeheizt werden. Der Wärmetauscher am Verdichter umfasst in diesem Fall eine Hülle bzw. ein Gehäuse um den Verdichter bzw. um das obligatorische Verdichtergehäuse, um das Kühlmittel am Verdichter entlang führen zu können. Der in der Hülle gebildete Fluidkanal kann als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Eine beim Einsatz des Verdichtergehäuses zur Erhitzung des Kühlmittels einhergehende Abkühlung des komprimierten Frischgases entlastet sowohl die Materialien zwischen Verdichter und gattungsgemäßem Ladeluftkühler als auch einen etwaigen Ladeluftkühler und damit den Rückkühlbedarf des Fahrzeugs selbst. Je nach Fahrzeugkonfiguration ist der Verdichter auch näher am Zylinderkopf als die Turbine des Abgasturboladers, wodurch kürzere Leitungslängen zwischen Kühlmittelaustritt aus der Hülle und Injektoren, über die das Kühlmittel dem Verbrennungsprozess zugeführt werden kann, realisiert werden können.
Die Brennkraftmaschine kann wenigstens einen Wärmetauscher und wenigstens eine Wärmequelle für den Wärmetransport auf das Kühlmittel bzw. das Erhitzen des Kühlmittels aufweisen. Das Zuführen des Kühlmittels zur Brennkammer zum Reduzieren der Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen ist dahingehend zu verstehen, dass das Kühlmittel zur Brennkammer geführt wird, um dort die Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren der Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern der irregulären Verbrennungsphänomene zu beeinflussen. Die Zuführleitung ist nicht auf eine einzige Leitung beschränkt. Die Zuführleitung kann mehrere Leitungsabschnitte aufweisen. Für den Fall, dass das Kühlmittel über wenigstens einen Injektor in einen Einlasskanal der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, um von dort weiter in die Brennkammer zu gelangen, kann die Zuführleitung einen Zuführleitungsabschnitt zum Zuführen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank zum Einlasskanal sowie den Einlasskanal umfassen. Funktionsbauteile wie der Wärmetauscher, der Injektor und/oder Teile des Wärmetauschers und des Injektors können als Teil oder Teile der Zuführleitung betrachtet werden.
Der Kühlmitteltank kann zumindest teilweise mit destilliertem und/oder demineralisiertem Wasser oder einem Wassergemisch als Kühlmittel gefüllt sein. Das Kühlmittel ist bei Umgebungstemperatur über 0°C und Umgebungsdruck von ca. 1 bar vorzugsweise flüssig und besteht vorzugsweise aus einem nicht-brennbaren Stoff. Darunter, dass der Wärmetauscher für einen Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine auf das Kühlmittel in der Zuführleitung ausgestaltet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Wärmetauscher konfiguriert und ausgestaltet ist, den Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine auf das Kühlmittel, das in der Zuführleitung geführt wird, zu bewirken. Die Brennkraftmaschine ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Verbrennungsmotor als solchen beschränkt zu betrachten. Vielmehr können auch Funktionsbauteile in der Peripherie eines konventionellen Verbrennungsmotors wie der Wärmetauscher, der Kühlmitteltank, unterschiedliche Fluidleitungen, Ventil- und Steuerschaltungen als der Brennkraftmaschine zugeordnet betrachtet werden. Unter der Abgastemperatur ist die Temperatur des Abgases aus der Brennkammer zu verstehen. Unter dem Reduzieren der Abgastemperatur kann mithin auch das Reduzieren einer Verbrennungstemperatur in der Brennkammer verstanden werden.
Vorzugsweise sind alle Komponenten und insbesondere die Zuführleitung thermisch isoliert und/oder heizbar ausgeführt, sodass auch bei längeren Zeiträumen ohne Kühlmittel-Zufuhr zur Brennkammer stehendes Kühlmittel temperiert bleibt bzw. werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, einer im Turbinengehäuse angeordneten Turbine, einem Verdichtergehäuse und einem im Verdichtergehäuse angeordneten Verdichter aufweist, wobei der wenigstens eine Wärmetauscher für einen Wärmetransport von Abgas bzw. Verbrennungsabgas aus der Brennkammer im Turbinengehäuse auf das Kühlmittel ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher kann demnach eine Hülle bzw. ein weiteres Gehäuse um das Turbinengehäuse umfassen, wodurch sich eine Kammer mit einem Hohlraum zwischen einer Innenseite des weiteren Gehäuses bzw. der Kammer und einer Außenseite des Turbinengehäuses ergibt. Dieser Hohlraum kann einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweisen und als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Die heiße Seite des Wärmetauschers kann in diesem Fall innerhalb des inneren Turbinengehäuses ausgestaltet sein. Das Kühlmittel, das zur Absenkung der Abgastemperatur sowie zur Vermeidung von irregulären Verbrennungsphänomenen in die Brennkammer bzw. in den Verbrennungsprozess eingebracht wird, kann demnach, zum Erreichen der gewünschten feinen Zerstäubung und/oder Verdampfung des Kühlmittels vor dem Einbringen in die Brennkammer, zunächst am Turbinengehäuse entlang bzw. durch den Hohlraum hindurch geleitet werden, um dort mithilfe der Abgaswärme des Abgases an der Turbine erhitzt zu werden. Der Wärmetauscher oder ein Teil des Wärmetauschers kann damit auch als Teil der Zuführleitung und/oder als integraler Bestandteil des Turbinengehäuses ausgestaltet sein. Durch den Einsatz des dem Verbrennungsprozess zuzuführenden Kühlmittels am Turbinengehäuse kann das Kühlmittel effektiv und effizient erhitzt werden. Außerdem kann damit die Bauteiltemperatur des Turbinengehäuses sowie des Abgasturboladers gesenkt werden. Das Material des Turbinengehäuses kann damit auf geringere Temperaturen als bislang üblich ausgelegt werden. Damit können das Gewicht reduziert und die Kosten gesenkt werden. Zudem bedeutet ein nach außen hin kühleres Turbinengehäuse, dass die Abschirmung zu anderen peripheren Komponenten der Brennkraftmaschine geringer ausfallen kann. Damit können eine Gewichtsersparnis sowie eine kompaktere Bauweise der Brennkraftmaschine erreicht werden. Die den Hohlraum begrenzenden Wände und/oder das weitere Gehäuse sind zur Beaufschlagung mit Temperaturen von 1000°C oder mehr sowie für einen geeigneten Wärmetransport von dem Abgas an der Turbine auf das Kühlmittel im Hohlraum ausgestaltet. Die Ventilanordnung ist, mit Bezug auf eine Kühlmittelleitrichtung durch die Zuführleitung vom Kühlmitteltank zur Brennkammer, stromabwärts des Turbinengehäuses bzw. stromabwärts des Hohlraums angeordnet.
Ferner ist es möglich, dass die Ventilanordnung bei einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ein 3-Wege-Ventil aufweist und/oder als ein solches ausgestaltet ist, wobei das 3-Wege-Ventil zum kontrollierten Leiten des durch den Wärmetauscher temperierten Kühlmittels durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank mit der Zuführleitung und der Rückführleitung verbunden ist. Das 3-Wege-Ventil ermöglicht eine besonders einfache und kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Lösung. Das 3-Wege-Ventil kann als Verbindungsventil und/oder Verbindungsglied zum mechanischen und fluidtechnischen Verbinden der Zuführleitung mit der Rückführleitung verstanden werden.
Weiterhin kann eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung einen Einlasskanal zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die Brennkammer, einen Zuführleitungsabschnitt zum Leiten des Kühlmittels zum Einlasskanal und einen Injektor zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt in den Einlasskanal aufweisen. Der Injektor lässt sich im Vergleich zu einer Positionierung direkt an und/oder in der Brennkammer relativ flexibel am Einlasskanal positionieren. Damit kann eine indirekte Kühlmitteleinspritzung mittels Injektor über den Einlasskanal im Vergleich zu einer Kühlmitteleinspritzung direkt in die Brennkammer auf einfache und kompakte Weise realisiert werden. Bei der Verwendung eines Injektors ist es ferner möglich, nur einen Injektor an einer Position vor dem Brennraum am Einlasskanal zu platzieren, an welcher noch keine Aufteilung des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Frischgases auf die einzelnen Zylinder bzw. Brennkammern erfolgt ist. Eine solche Position kann beispielsweise an einem Sammler der Brennkraftmaschine sein. Für die indirekte Einspritzung ist ein Injektor von Vorteil, der für Einspritzdrücke von weniger als 50 bar konfiguriert ist. Der Injektor kann in seinen geometrischen Eigenschaften derart ausgelegt werden, dass der Kühlmittelstrahl beim Aufbrechen nach dem Verlassen des Injektors in den Einlasskanal in möglichst viele Tropfen, deren Durchmesser vorzugsweise im Bereich weniger hundertstel Millimeter liegen, zerfällt. Der Injektor weist für die erfindungsgemäße Verwendung ein Verschlussmittel auf, das zum Verschließen von Düsenlöchern des Injektors über einen vordefinierbaren Zeitraum, in welchem kein Kühlmittel in den Einlasskanal eingespritzt werden soll, konfiguriert ist. Die Brennkraftmaschine kann wenigstens eine weitere Brennkammer, wenigstens einen weiteren Einlasskanal zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die wenigstens eine weitere Brennkammer und wenigstens einen weiteren Injektor zum Einspritzen des Kühlmittels in den Einlasskanal aufweisen, wobei der Zuführleitungsabschnitt eine Leitungsverzweigung zum Zuführen des durch den wenigstens einen Wärmetauscher temperierten Kühlmittels zum Injektor und zu dem wenigstens einen weiteren Injektor aufweist. Damit kann die gewünschte Kühlmittelzufuhr zu mehreren Injektoren kompakt zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennkraftmaschine wenigstens ein Teil der Rückführleitung an einer an die Umgebung der Brennkraftmaschine angrenzenden Außenseite der Brennkraftmaschine ausgestaltet ist. Damit kann auf einfache und trotzdem effektive sowie platzsparende Weise eine passive Kühlung des aufgeheizten Kühlmittels durch beispielsweise Fahrtwind ermöglicht werden. Durch das Kühlen des Kühlmittels in der Rückführleitung kann ein Verdampfen des Kühlmittels im Kühlmitteltank verhindert werden. Damit kann eine entsprechend hohe Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet werden. Zudem ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine eine Kühleinheit zum aktiven Kühlen des Kühlmittels in der Rückführleitung aufweist.
Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen Temperatursensor zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank, ein Temperiermittel zum Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank und einen Controller zum Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank unter Verwendung des Temperiermittels anhand einer ermittelten Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank aufweisen. Damit kann ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen gewährleistet werden. Auf die Zugabe von brennbaren Stoffen wie beispielsweise Alkohol zum Kühlmittel zum Reduzieren des Gefrierpunktes des Kühlmittels kann verzichtet werden. Damit können außerdem unerwünschte Verbrennungsphänomene verhindert werden, die aus der Zugabe von Additiven in das Kühlmittel resultieren können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einer wie vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beschrieben worden sind. Das Fahrzeug ist insbesondere in Form eines Straßenfahrzeugs wie beispielsweise eines PKW oder LKW ausgestaltet. Dies lässt sich insbesondere durch die Möglichkeit der kompakten Bauweise der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine realisieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt. Die Brennkraftmaschine weist die folgenden Schritte auf:

- Ermitteln eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine, und
- Leiten des Kühlmittels durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank abhängig vom ermittelten Betriebszustand der Brennkraftmaschine.

Damit bringt auch das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Der Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann unter Verwendung einer Zustandsermittlungseinheit ermittelt werden. Die Zustandsermittlungseinheit kann verschiedene Sensoren wie einen Drehzahlsensor, einen Temperatursensor und einen Drucksensor sowie einen Controller zum Auswerten von durch die Sensoren ermittelte Daten und/oder von Kennfelddaten zur Brennkraftmaschine aufweisen. Der Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann beispielsweise von einer Temperatur und/oder einem Druck des Kühlmittels im Kühlmitteltank und/oder in der Zuführleitung, einer Temperatur in und/oder an der Wärmequelle, einer Verbrennungstemperatur in der Brennkammer, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder einem Drehmoment der Brennkraftmaschine abhängen. Abhängig vom ermittelten Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann das Kühlmittel durch die Rückführleitung vollständig zurück zum Kühlmitteltank, durch die Zuführleitung vollständig zur Brennkammer oder teilweise zurück zum Kühlmitteltank und teilweise zur Brennkammer geleitet werden.
Die Brennkraftmaschine kann eine Kühlmittelpumpe zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank in die Zuführleitung aufweisen. Die Kühlmittelpumpe kann ferner zum Druckbeaufschlagen des Kühlmittels in der Kühlmittelleitung konfiguriert sein. So kann das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung durch die Kühlmittelpumpe auf einen Druck in einem Bereich nahe des Einspritzdrucks des Injektors, beispielsweise zwischen 5 bar und 15 bar, beispielsweise 10 bar, eingestellt werden. Hierdurch kann das Kühlmittel bereits aufgewärmt werden. Im Wärmetauscher bzw. an der Wärmequelle wird das Kühlmittel weiter erwärmt bzw. erhitzt. Da das Kühlmedium keinen Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase durchschreiten soll, kann der Massenstrom des Kühlmittels unter Verwendung der Ventilanordnung nun so groß gewählt werden, dass das Kühlmittel sicher in der flüssigen Phase verbleibt. Bei einem Druck von beispielsweise 10 bar erfolgt der Phasenübergang im Fall von Wasser als Kühlmittel bei einer Temperatur von ca. 180°C, wobei es bei einer geringeren Temperatur flüssig ist. Bei einem Druck von unter 10 bar erfolgt der Phasenübergang bei einer geringeren Temperatur, bei einem Druck von über 10 bar erfolgt der Phasenübergang bei einer höheren Temperatur. Die Höhe des Massenstroms kann nun so gewählt werden, dass in Abhängigkeit von einer ermittelten Temperatur und einem ermittelten Druck, den das Kühlmittel nach der Kompression bzw. in der Zuführleitung hat, sowie von dem Material des eingesetzten Kühlmittels, die Temperatur des Kühlmittels unter einer vordefinierbaren Temperatur bzw. unter der Temperatur, bei welcher der Phasenübergang erfolgen würde, bleibt. Bei Wasser als Kühlmittel können beim Eintritt in einen Injektor ein Druck von ca. 10 bar und eine Temperatur von ca. 180°C eingestellt werden. Beim Verlassen des Injektors tritt das Kühlmittel nun in eine Umgebung im Einlasskanal ein, in der je nach Aufladegrad der Brennkraftmaschine ein Druck von ca. 1 bar bis ca. 4 bar und eine Temperatur von weniger als 50°C herrscht. Aufgrund der deutlichen Druckunterschiede erfolgt direkt am Austritt des wenigstens einen Injektors eine schlagartige Verdampfung des Kühlmittels. Hierfür ist es von Vorteil, wenn die Temperatur des Kühlmittels oberhalb der Siedetemperatur des Kühlmediums bei einem Druck, wie er im Einlasskanal vorherrscht, eingestellt wird.
Wie vorstehend bereits beschrieben kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Kühlmittel in einem Betriebszustand, in welchem kein Kühlmittel in der Brennkammer benötigt wird, vom Kühlmitteltank durch die Zuführleitung und den Wärmetauscher zur Ventilanordnung und von dort vollständig durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank geleitet wird. Damit kann in einem Zeitpunkt, in welchem kein Kühlmittel in der Brennkammer benötigt wird, das Kühlmittel trotzdem verwendet werden, um die Wärmequelle, beispielsweise in Form der Turbine, zu kühlen.
Außerdem ist es möglich, dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mittels Temperatursensor ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen wird, wobei Kühlmittel vom Kühlmitteltank durch die Zuführleitung und den Wärmetauscher zur Ventilanordnung und von dort vollständig durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank geleitet wird, wenn die ermittelte Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteltank höher als die Referenztemperatur ist. Damit kann in dem Zeitpunkt, in welchem kein Kühlmittel in der Brennkammer benötigt wird, das Kühlmittel durch die Wärmequelle temperiert und somit ein Einfrieren des Kühlmittels im Kühlmitteltank verhindert werden. Auf ein separates Temperiermittel zum Aufwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank für den Fall, dass die Umgebungstemperatur unter einem vordefinierbaren Wert liegt, kann dadurch verzichtet werden.
Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass der Kühlmitteldruck und/oder die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung zwischen dem Wärmetauscher und dem Injektor jeweils um ein Vielfaches höher als im Einlasskanal eingestellt wird. Damit kann ein schlagartiges Verdampfen des Kühlmittels erreicht und folglich Kühlmittel- bzw. Wasserablagerungen in der Brennkammer verhindert werden. Der Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur werden insbesondere durch eine Druck- und/oder Temperatureinstelleinheit eingestellt, welche den Controller, die Kühlmittelpumpe, die Ventilanordnung und/oder den jeweiligen Injektor umfasst.
Zudem ist es bei einem Verfahren gemäß der Erfindung möglich, dass der Kühlmitteldruck in der Zuführleitung zwischen dem Wärmetauscher und dem Injektor abhängig von einem Einspritzdruck des Kühlmittels im Injektor auf einen Wert in der Nähe des Einspritzdrucks des Injektors, beispielsweise zwischen 5 bar und 15 bar, eingestellt wird und/oder die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung zwischen dem Wärmetauscher und dem Injektor, insbesondere durch eine Temperatureinstelleinheit, abhängig vom verwendeten Kühlmittel, von einem Einspritzdruck des Kühlmittels im Injektor und/oder von einem Fluiddruck im Einlasskanal und/oder stromabwärts des Injektors eingestellt wird. Falls beispielsweise Wasser als Kühlmittel verwendet wird, der Einspritzdruck 10 bar beträgt und der Druck stromabwärts des Injektors 2 bar beträgt, kann die Kühlmitteltemperatur auf einen Wert zwischen 130°C und 170°C eingestellt werden. Damit kann die gewünschte Verdampfung des Kühlmittels stromabwärts des Injektors erzielt werden, ohne einen Phasenübergang des Kühlmittels von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase in der Zuführleitung befürchten zu müssen. Der Kühlmitteldruck kann durch eine Druckeinstelleinheit, die Teil der Kühlmittelpumpe und/oder des Controllers sein kann, eingestellt werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine Brennkraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 ein Druckniveau von Kühlmittel während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, und
5 ein Temperaturniveau von Kühlmittel während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

1 zeigt die erfindungswesentlichen Details einer Brennkraftmaschine 10 für ein Fahrzeug 11, das in 2 dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 10 weist mehrere Brennkammern 60, 61 für eine jeweilige Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern 60, 61, einen Kühlmitteltank 13 und eine Zuführleitung 14 zum Zuführen von Kühlmittel aus dem Kühlmitteltank 13 zu den Brennkammern 60, 61 auf. Das Kühlmittel wird vor oder während der Kraftstoffverbrennung bzw. für die Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern 60, 61 zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung sowie zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen während der Kraftstoffverbrennung eingespritzt bzw. den Brennkammern 60, 61 zugeführt.
Die dargestellte Brennkraftmaschine 10 weist einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse 18, einer im Turbinengehäuse 18 angeordneten Turbine 19 (nicht im Detail dargestellt), einem Verdichtergehäuse 20 und einem im Verdichtergehäuse 20 angeordneten Verdichter 21 (nicht im Detail dargestellt) auf. Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Wärmetauscher 15 für einen Wärmetransport von einer Wärmequelle in Form des Abgases im Turbinengehäuse 18 auf das Kühlmittel in der Zuführleitung 14 auf. Der Wärmetauscher 15 ist hierzu am Turbinengehäuse 18 sowie als Teil des Turbinengehäuses 18 ausgestaltet. Genauer gesagt weist der Wärmetauscher 15 ein zusätzliches Gehäuse 62 am Turbinengehäuse 18 auf, wodurch sich zwischen dem zusätzlichen Gehäuse 62 und dem Turbinengehäuse 18 eine Kammer 63 ergibt, durch die das Kühlmittel zum Temperieren des Kühlmittels geleitet werden kann. Die Kammer 63 kann folglich als Teil der Zuführleitung 14 betrachtet werden. Die Kammer 63 bzw. das Volumen innerhalb der Kammer 63 kann als kalte Seite des Wärmetauschers 15 betrachtet werden. Das Turbinengehäuse 18 bzw. das Volumen innerhalb des Turbinengehäuses 18 kann als heiße Seite des Wärmetauschers 15 betrachtet werden.
Die gezeigte Brennkraftmaschine 10 umfasst ferner eine Rückführleitung 16 zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung 14 zurück zum Kühlmitteltank 13 und eine Ventilanordnung 17 zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher 15 temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung 14 zu den Brennkammern 60, 61 und/oder durch die Rückführleitung 16 zurück zum Kühlmitteltank 13. Die Ventilanordnung 17 ist in Form eines 3-Wege-Ventils ausgestaltet, das zum kontrollierten Leiten des durch den Wärmetauscher 15 temperierten Kühlmittels durch die Zuführleitung 14 zu den Brennkammern 60, 61 und/oder durch die Rückführleitung 16 zurück zum Kühlmitteltank 13 mit der Zuführleitung 14 und der Rückführleitung 16 verbunden ist. Das heißt, das Kühlmittel kann wahlweise durch die Rückführleitung 16 vollständig zurück in den Kühlmitteltank 13, durch die Zuführleitung 14 vollständig weiter zu den Brennkammern 60, 61 oder teilweise zurück zum Kühlmitteltank 13 und teilweise weiter zu den Brennkammern 60, 61 geleitet werden.
Die gezeigte Brennkraftmaschine 10 umfasst zudem einen ersten Einlasskanal 22 zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in eine erste Brennkammer 60 und einen zweiten Einlasskanal 24 zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in eine zweite Brennkammer 61. Die Zuführleitung 14 weist einen Zuführleitungsabschnitt 46 zum Leiten des Kühlmittels zum ersten Einlasskanal 22 und zum zweiten Einlasskanal 24 auf. Am Zuführleitungsabschnitt 46 sind ein erster Injektor 23 zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt 46 in den ersten Einlasskanal 22 und ein zweiter Injektor 25 zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt 46 in den zweiten Einlasskanal 24 ausgestaltet, wobei die Injektoren 23, 25 über eine Leitungsverzweigung 26 des Zuführleitungsabschnitts 46 mit Kühlmittel versorgt werden können. Im Kühlmitteltank 13 ist ein Füllstandsensor 12 zum Ermitteln eines Kühlmittelfüllstands im Kühlmitteltank 13 bereitgestellt.
Die Rückführleitung 16 ist an einer an die Umgebung der Brennkraftmaschine 10 angrenzenden Außenseite der Brennkraftmaschine 10 ausgestaltet. Ferner weist die gezeigte Brennkraftmaschine 10 eine Kühleinheit 27 zum aktiven Kühlen des Kühlmittels in der Rückführleitung 16 stromabwärts der Ventilanordnung 17 und stromaufwärts des Kühlmitteltanks 13 auf. Wie ferner in 1 gezeigt, weist die Brennkraftmaschine 10 einen Temperatursensor 28 zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13, ein Temperiermittel 53 zum aktiven Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13 und einen Controller 30 auf. Der Controller 30 ist konfiguriert, anhand einer ermittelten Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13 das Temperiermittel 53 dahingehend anzusteuern, dass das Kühlmittel im Kühlmitteltank 13 auf eine vordefinierbare Temperatur erwärmt wird. So kann das Kühlmittel im Kühlmitteltank 13 beispielsweise erwärmt werden, sobald mittels des Temperatursensors 28 erkannt wird, dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank unter 5°C fällt bzw. ist.
Stromaufwärts des Turbinengehäuses 18 sind ferner ein Temperatursensor 47 und ein Drucksensor 48 für Druck- und Temperaturmessungen im Zuführleitungsabschnitt 46 ausgestaltet. Ein weiterer Drucksensor 35 ist im Kühlmitteltank 13 angeordnet. Im Kühlmitteltank 13 ist außerdem eine Kühlmittelpumpe 29 zum Pumpen des Kühlmittels in die Zuführleitung 14 bzw. den Zuführleitungsabschnitt 46 angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor 36 ist am Zuführleitungsabschnitt 46 stromabwärts des Turbinengehäuses 18 bzw. des Wärmetauschers 15 und stromaufwärts der Ventilanordnung 17 ausgestaltet.
Mit Bezug auf 3 wird anschließend ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der gezeigten Brennkraftmaschine 10 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird zunächst die Brennkraftmaschine 10 gestartet. Anschließend wird in Schritt S2 die Kühlmittelpumpe 29 eingeschaltet. Außerdem wird in Schritt S3 die Ventilanordnung 17 dahingehend angesteuert, dass die Rückführleitung 16 zurück in den Kühlmitteltank 13 freigegeben wird. In Schritt S4 wird nun der zu fördernde Massenstrom des Kühlmittels zu den Injektoren 23, 25 auf Basis eines im Controller 30 hinterlegten Kennfelds eingestellt. Die Einstellung wird insbesondere mittels der Ventilanordnung 17 vorgenommen, durch welche gesteuert und/oder geregelt wird, wie viel Kühlmittel zu den Brennkammern 60, 61 bzw. zu den Injektoren 23, 25 und/oder zurück zum Kühlmitteltank 13 geleitet wird. Hierzu werden Temperatur und Druck des Kühlmittels im Zuführleitungsabschnitt 46 zwischen Kühlmittelpumpe 29 und Wärmetauscher 15 sowie eine Abgastemperatur berücksichtigt. Genauer gesagt werden die stromabwärts der Kühlmittelpumpe 29 positionierten Druck- und Temperatursensoren 47, 48 verwendet, um dem Controller 30 Temperatur- und Druckergebnisse zum Kühlmittel zu liefern. Nun kann auf Basis eines im Controller 30 hinterlegten Kennfelds entschieden werden, welcher Kühlmittel-Massenstrom benötigt wird, um eine Vermeidung des Phasenübergangs von der flüssigen in die gasförmige Phase des Kühlmittels sicherzustellen. Im darauffolgenden Schritt S5 wird unter Verwendung des Füllstandsensors 12 ermittelt, ob im Kühlmitteltank 13 ausreichend Kühlmittel vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, schreitet das Verfahren zu Schritt S6 voran. Dort wird die Ventilanordnung 17 in Richtung der Injektoren 23, 25 geschlossen. Außerdem wird eine Warnlampe im Fahrzeug 11 aktiviert, um den Fahrer des Fahrzeugs 11 über diesen Umstand zu informieren. Darüber hinaus wird bei Schritt S6 die der Brennkraftmaschine 10 zur Verfügung stehende Leistung bzw. die durch die Brennkraftmaschine 10 maximal erzeugbare Leistung reduziert, sofern ohne Kühlmittel kein stöchiometrischer Betrieb mehr möglich ist. Mit anderen Worten, die Brennkraftmaschine 10 wird in ihrer Leistung begrenzt, sobald festgestellt wird, dass sich nicht mehr ausreichend Kühlmittel im Kühlmitteltank 13 befindet.
Wird bei Schritt S5 hingegen festgestellt, dass ausreichend Kühlmittel vorhanden ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S7 voran. Dort wird anhand des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 10 entschieden, ob in den Brennkammern 60, 61 Kühlmittel benötigt wird. Dies kann insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahl und/oder eines effektiven Mitteldrucks der Brennkraftmaschine 10 ermittelt werden. Wird kein Kühlmittel benötigt, schreitet das Verfahren zu Schritt S8 voran. Dort kann die Ventilanordnung 17 in Richtung der Injektoren 23, 25 geschlossen werden. Die Injektoren 23, 25 können entsprechend geschlossen bzw. deaktiviert bleiben. Wird hingegen festgestellt, dass in den Brennkammern 60, 61 Kühlmittel benötigt wird, wird die Ventilanordnung 17 in Schritt S9 in Richtung der Injektoren 23, 25 geöffnet. Hierbei wird außerdem die in den Brennkammern 60, 61 benötigte Menge an Kühlmittel ermittelt.
In Schritt S10 wird das Kühlmittel nun zu den Injektoren 23, 25 geleitet. Hierbei wird der Kühlmitteldruck in der Zuführleitung 14 zwischen dem Wärmetauscher 15 und den Injektoren 23, 25 auf einen Wert von ca. 10 bar eingestellt. In Schritt S11 wird der Einspritzbeginn ermittelt. Ist der Zeitpunkt noch nicht erreicht, werden die Injektoren 23, 25 gemäß Schritt S12 noch nicht aktuiert. Wird der Einspritzzeitpunkt erreicht, wird in Schritt S13 Kühlmittel durch die Injektoren 23, 25 eingespritzt. Anschließend wird in Schritt S14 anhand der ermittelten Einspritzdauer festgelegt, wann die Injektoren 23, 25 wieder geschlossen werden bzw. wann die Kühlmittelzufuhr zu den Brennkammern 60, 61 beendet werden soll. Wurde die vordefinierte Einspritzdauer erreicht, werden die Injektoren 23, 25 in Schritt S15 geschlossen.
Gleichzeitig zu Schritt S10 wird in Schritt S20 ein Teil des Kühlmittels durch die Rückführleitung 16 zurück zum Kühlmitteltank 13 geleitet. Die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung 14 zwischen dem Wärmetauscher 15 und den Injektoren 23, 25 wird unter Verwendung des Wärmetauschers 15 möglichst auf einen Wert von ca. 180°C eingestellt. Wird in Schritt S21 mittels des Temperatursensors 36 festgestellt, dass die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Turbinengehäuses 18 bzw. stromabwärts des Wärmetauschers 15 niedriger als eine vordefinierbare Referenztemperatur ist, wird das rückgeführte Kühlmittel nicht aktiv gekühlt. Das heißt, die Kühleinheit 27 bleibt gemäß Schritt S22 deaktiviert. Wird hingegen festgestellt, dass die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Turbinengehäuses 18 bzw. stromabwärts des Wärmetauschers 15 höher als die vordefinierbare Referenztemperatur ist, wird das rückgeführte Kühlmittel in Schritt S23 aktiv gekühlt.
Mit Bezug auf die 4 und 5 werden nachfolgend die verschiedenen Druck- und Temperaturniveaus des Kühlmittels über die Zeit während eines bevorzugten Betriebs der Brennkraftmaschine 10 beschrieben. Im Zeitpunkt t1 befindet sich das Kühlmittel bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck im Kühlmitteltank 13. Im Zeitpunkt t2 wird der Pumpvorgang zum Pumpen des Kühlmittels in die Zuführleitung 14 gestartet. Im Zeitpunkt t3 erreicht das Kühlmittel hierdurch seinen Höchstwert von beispielsweise 10 bar an den Injektoren 23, 25. Wie in 5 zu erkennen, wird damit auch die Temperatur des Kühlmittels erhöht. Zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4 wird das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 15 geführt und auf die gewünschte Soll-Temperatur erhitzt. Im Zeitpunkt t4 wird das Kühlmittel durch die Injektoren 23, 25 in den Einlasskanal 22, 24 eingespritzt. Entsprechend sinken bis zum Zeitpunkt t5 der Druck und die Temperatur des Kühlmittels.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Fahrzeug
12: Füllstandsensor
13: Kühlmitteltank
14: Zuführleitung
15: Wärmetauscher
16: Rückführleitung
17: Ventilanordnung
18: Turbinengehäuse
19: Turbine
20: Verdichtergehäuse
21: Verdichter
22: Einlasskanal
23: Injektor
24: Einlasskanal
25: Injektor
26: Leitungsverzweigung
27: Kühleinheit
28: Temperatursensor
29: Kühlmittelpumpe
30: Controller
35: Drucksensor
36: Temperatursensor
46: Zuführleitungsabschnitt
47: Temperatursensor
48: Drucksensor
53: Temperiermittel
60: Brennkammer
61: Brennkammer
62: Gehäuse
63: Kammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017006263 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine (10) für ein Fahrzeug (11), aufweisend eine Brennkammer (60, 61) für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank (13) und eine Zuführleitung (14) zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank (13) zur Brennkammer (60, 61) vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (15) für einen Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine (10) auf das Kühlmittel in der Zuführleitung (14), eine Rückführleitung (16) zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung (14) zurück zum Kühlmitteltank (13) und eine Ventilanordnung (17) zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher (15) temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung (14) zur Brennkammer (60, 61) und/oder durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13).
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse (18), einer im Turbinengehäuse (18) angeordneten Turbine (19), einem Verdichtergehäuse (20) und einem im Verdichtergehäuse (20) angeordneten Verdichter (21), wobei der Wärmetauscher (15) für einen Wärmetransport von Abgas im Turbinengehäuse (18) auf das Kühlmittel ausgestaltet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (17) ein 3-Wege-Ventil aufweist und das 3-Wege-Ventil zum kontrollierten Leiten des durch den Wärmetauscher (15) temperierten Kühlmittels durch die Zuführleitung (14) zur Brennkammer (60, 61) und/oder durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13) mit der Zuführleitung (14) und der Rückführleitung (16) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Einlasskanal (22, 24) zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die Brennkammer (60, 61), einen Zuführleitungsabschnitt (46) zum Leiten des Kühlmittels zum Einlasskanal (22, 24) und einen Injektor (23, 25) zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt (46) in den Einlasskanal (22, 24).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Rückführleitung (16) an einer an die Umgebung der Brennkraftmaschine (10) angrenzenden Außenseite der Brennkraftmaschine (10) ausgestaltet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinheit (27) zum aktiven Kühlen des Kühlmittels in der Rückführleitung (16).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (28) zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13), ein Temperiermittel (53) zum Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13) und einen Controller (30) zum Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13) unter Verwendung des Temperiermittels (53) anhand einer ermittelten Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13).
Fahrzeug (11) mit einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die Schritte: - Ermitteln eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (10), und - Leiten des Kühlmittels durch die Zuführleitung (14) zur Brennkammer (60, 61) und/oder durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13) abhängig vom ermittelten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem Betriebszustand, in welchem kein Kühlmittel in der Brennkammer (60, 61) benötigt wird, vom Kühlmitteltank (13) durch die Zuführleitung (14) und den Wärmetauscher (15) zur Ventilanordnung (17) und von dort vollständig durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13) mittels Temperatursensor (28) ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen wird, wobei Kühlmittel vom Kühlmitteltank (13) durch die Zuführleitung (14) und den Wärmetauscher (15) zur Ventilanordnung (17) und von dort vollständig durch die Rückführleitung (16) zurück zum Kühlmitteltank (13) geleitet wird, wenn die ermittelte Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteltank (13) höher als die Referenztemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck und/oder die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung (14) zwischen dem Wärmetauscher (15) und dem Injektor (23, 25) jeweils um ein Vielfaches höher als im Einlasskanal (22, 24) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck in der Zuführleitung (14) zwischen dem Wärmetauscher (15) und dem Injektor (23, 25) abhängig von einem Einspritzdruck des Kühlmittels im Injektor (23, 25) eingestellt wird und/oder die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung (14) zwischen dem Wärmetauscher (15) und dem Injektor (23, 25) abhängig vom verwendeten Kühlmittel, von einem Einspritzdruck des Kühlmittels im Injektor (23, 25) und/oder von einem Fluiddruck im Einlasskanal (22, 24) eingestellt wird.