DE102008027172A1

DE102008027172A1 - Antriebssystem

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Publication number: DE102008027172A1
Application number: DE102008027172A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Dold; Julius Dipl.-Ing. Dr. Pretterebner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssytem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest zwei Zylindern (3), von denen zumindest einer konventionell mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betrieben wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass
- zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die zur Erhitzung eines Arbeitsmediums unter Ausnutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors (2) ausgebildet ist,
- wenigstens eine Kondensatoreinrichtung (5) zur Verflüssigung und wenigstens eine Verdichtereinrichtung (6) zur Verdichtung des Arbeitsmediums vorgesehen sind,
- zumindest einer der Zylinder (3) des Verbrennungsmotors als Expansionszylinder (3a) ausgebildet ist, in welchem das erhitzte und unter Druck stehende Arbeitsmedium einen Kolben antreibend expandiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein, mit einem derartigen Antriebssystem ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Um den immer strenger werdenden Umweltschutzauflagen, beispielsweise hinsichtlich einer CO₂-Emission, gerecht werden zu können, sowie die Wirtschaftlichkeit moderner Antriebssysteme, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zu steigern, richtet sich der Focus der Forschung insbesondere auf die Entwicklung verbrauchsärmerer Verbrennungsmotoren, deren Wirkungsgrad im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren gesteigert ist.
Aus der US 6,202,416 B1 ist ein gattungsgemäßes Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor bekannt, welches gemäß einer Ausführungsform vier in konventioneller Weise mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betriebene Zylinder sowie einen externen, mit Abgas aus den vier anderen Zylindern betriebenen Zylinder aufweist. Der externe Zylinder ist dabei als so genannter Expansionszylinder ausgebildet und greift an einer Kurbelwelle an, welche mit einer, von den vier übrigen Zylindern angetriebenen, Kurbelwelle wirkungsverbunden ist.
Mit dem extern angeordneten Expansionszylinder sollen der Wirkungsgrad und die Leistung des Verbrennungsmotors angehoben werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Antriebssystem, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, mit Hilfe welcher insbesondere eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine Reduzierung der CO₂-Emission erreicht werden können.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor zu realisieren, bei welchem über eine Kraft-Wärme-Kopplung zumindest zwei Zylinder mit unterschiedlichen Arbeitsweisen zur Verfügung stehen. Zumindest ein Zylinder ist dabei in konventioneller Weise mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betrieben, während zumindest ein weiterer Zylinder des Verbrennungsmotors als Expansionszylinder ausgebildet ist, in welchem ein erhitztes und unter Druck stehendes Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, einen Kolben antreibend, expandieren kann. Zur Erhitzung des Arbeitsmediums steht zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung zur Verfügung, welche das Arbeitsmedium unter Ausnutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt bzw. erhitzt. Eine derartige Wärmeübertragereinrichtung kann beispielsweise die zur Erhitzung des Arbeitsmediums erforderliche Energie aus einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors oder von dessen ausgestoßenen Abgasen empfangen. Darüber hinaus ist zumindest eine Kondensatoreinrichtung zur Verflüssigung und wenigstens eine Verdichtereinrichtung zur Verdichtung des Arbeitsmediums vorgesehen. Das Arbeitsmedium zirkuliert dabei in einem geschlossenen Kreislauf, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt funktioniert: Das mittels der Verdichtereinrichtung verdichtete Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, wird anschließend mittels der vorher genannten, zumindest einen Wärmeübertragereinrichtung überhitzt und in diesem unter Druck stehenden und überhitzten Zustand dem Expansionszylinder des Verbrennungsmotors zugeführt bzw. in diesen eingespritzt. Beim Einspritzen in den Expansionszylinder expandiert das eingespritzte Arbeitsmedium explosionsartig und verrichtet dabei Arbeit in der Weise, dass es einen in dem Zylinder geführten Kolben linear verstellt. Das expandierte und damit entspannte Arbeitsmedium wird anschließend der Kondensatoreinrichtung zugeführt, in welcher es vom gasförmigen Zustand mittels Kondensation in einen flüssigen Zustand überführt wird. Das somit wieder verflüssigte Arbeitsmedium wird erneut der Verdichtereinrichtung und anschließend der zumindest einen Wärmeübertragereinrichtung zugeführt, welche die Komprimierung und die Erhitzung des Arbeitsmediums bewirkt, so dass dieses erneut dem Expansionszylinder des Verbrennungsmotors zugeführt und dort seine Arbeit verrichten kann. Mit dem erfindungsgemäßen Expansionszylinder innerhalb des Verbrennungsmotors kann eine Kraftstoff- und CO₂-reduzierende Kraft-Wärme-Kopplung erreicht werden, bei welcher durch Nutzung der Motorabwärme ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erreicht werden kann. Darüber hinaus lässt mit einem derartigen Antriebssystem auch eine schnelle Motordynamik bei Lastwechseln realisieren.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind eine erste und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung vorgesehen, wobei die erste Wärmeübertragereinrichtung Energie-Wärme von einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors und die zweite Wärmeübertragereinrichtung Energie/Wärme von einem Abgas des Verbrennungsmotors erhält. Das Arbeitsmedium wird somit zweistufig erhitzt, nämlich in einer ersten Stufe in der ersten Wärmeübertragereinrichtung, in welcher das vom Verbrennungsmotor erhitzte Kühlwasser dazu genutzt wird, das Arbeitsmedium zu erwärmen. In diesem bereits vorerwärmten Zustand, strömt das Arbeitsmedium der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zu, welche auslassseitig und kommunizierend mit einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors verbunden ist, so dass in der zweiten Wärmeübertragereinrichtung eine weitere Erhitzung des Arbeitsmediums mittels der vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen heißen Abgase erfolgen kann. Im Vergleich zu lediglich einer einzigen Wärmeübertragereinrichtung, ist mit einer derartigen Ausführungsform ein besonders hoher Ausnutzungsgrad der Motorabwärme möglich. Hierdurch kann die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie besonders effektiv genutzt werden und verpufft nicht wirkungslos in die Umgebung, so dass eine optimale Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist stromauf der zweiten Wärmeübertragereinrichtung eine Ladeeinrichtung, insbesondere in der Art eines Abgasturboladers, im Abgasstrang vorgesehen. Ein derartiger Abgasturbolader dient üblicherweise der Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt. Die Ladeeinrichtung ist bei einer derartigen Ausführungsform mit einer Turbine im Abgasstrom angeordnet, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist, so dass die zur Verbrennung angesaugte Luft vom Abgasturbolader verdichtet und in diesem verdichteten Zustand mit einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge in den Zylinder eingespritzt werden kann. Der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wird somit gemäß dieser Ausführungsform nicht nur für die Erwärmung des Arbeitsmediums, sondern zugleich bzw. zuvor zusätzlich zum Antrieb der Ladeeinrichtung verwendet, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Antriebssystems gesteigert werden kann.
Zweckmäßig ist stromab der zweiten Wärmeübertragereinrichtung und stromauf des Expansionszylinders des Verbrennungsmotors eine Speichereinrichtung zur Speicherung des erhitzten und unter Druck stehenden Arbeitsmediums vorgesehen. Mit einer derartigen Speichereinrichtung ist es möglich, Leistungstäler bzw. Leistungsspitzen zu Puffern, das heißt zu glätten, so dass das für den Betrieb des Expansionszylinders erforderliche erhitzte und unter Druck stehende Arbeitsmedium in stets ausreichender Menge, das heißt kontinuierlich zur Verfügung steht. Hier ist es insbesondere möglich, eine besonders gleichmäßige Belieferung des Expansionszylinders mit Arbeitsmedium zu gewährleisten.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine schematisch Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 einen Verbrennungsmotor 2 mit insgesamt vier Zylinder 3a, 3b, 3c und 3d auf. Über eine nicht gezeichnete Kurbelwelle ist dabei der Verbrennungsmotor 2 in bekannter Weise mit einer Abtriebswelle und/oder einem nachfolgenden Getriebe antriebsverbunden. Drei der insgesamt vier Zylinder, nämlich die Zylinder 3b, 3c und 3d, sind bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 in konventioneller Weise, das heißt mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betrieben, während der vierte Zylinder 3a des Verbrennungsmotors 2 als so genannter Expansionszylinder ausgebildet ist, in welchem ein erhitztes und unter Druck stehendes Arbeitsmedium in einer, einen Kolben angreifenden Weise, expandieren kann. Das Arbeitsmedium zirkuliert dabei innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes 4 durch den Zylinder 3a des Verbrennungsmotors 2, eine sich daran anschließende Kondensatoreinrichtung 5, eine Verdichtereinrichtung 6, eine erste Wärmeübertragereinrichtung 7, eine zweite Wärmeübertragereinrichtung 8 sowie eine Speichereinrichtung 9 und wieder zurück in den Expansionszylinder 3a.
Generell funktioniert das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 dabei wie folgt: Das Arbeitsmedium, welches beispielsweise Wasser sein kann, wird in der Verdichtereinrichtung 6 verdichtet und in der ersten Wärmeübertragereinrichtung 7 erwärmt. Die erste Wärmeübertragereinrichtung 7 ist dabei an einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 2 angeschlossen und dient somit in bekannter Weise zur Kühlung der einzelnen Zylinder 3a bis 3d des Verbrennungsmotors 2. Im weiteren Verlauf durchfließt das Arbeitsmedium die zweite Wärmeübertragereinrichtung 8, die ihre Energie bzw. Wärme von einem Abgas, das heißt insbesondere aus einem Abgasstrang 10, des Verbrennungsmotors 2 bezieht. Über die heißen Abgase des Verbrennungsmotors 2, erfolgt eine überkritische Erhitzung des bereits mittels der Verdichtereinrichtung 6 unter Druck gesetzten Arbeitsmediums, so dass dieses der stromab der zweiten Wärmeübertragereinrichtung 8 angeordneten Speichereinrichtung 9 in unter Druck stehendem und überhitzten Zustand zugeführt werden kann. Bei Bedarf wird das derart unter Druck stehende und überhitzte Arbeitsmedium dem Expansionszylinder 3a zugeführt, das heißt in diesen eingespritzt, wobei es explosionsartig expandiert und dabei einen Kolben des Expansionszylinders 3a antreibt. Durch die Expansion des Arbeitsmediums im Expansionszylinder 3a wird dieses von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand überführt und kann in diesem gasförmigen Zustand über entsprechende Ventileinrichtungen den Expansionszylinder 3a wieder verlassen. Anschließend wird das nun gasförmige Arbeitsmedium der Kondensatoreinrichtung 5 zugeführt, in dieser kondensiert, das heißt verflüssigt, so dass das Arbeitsmedium in verflüssigtem Zustand der Verdichtereinrichtung 6 wieder zugeführt werden kann, wodurch sich der Kreislauf 4 schließt. Zwischen der Verdichtereinrichtung 6 und dem Expansionszylinder 3a befindet sich somit das Arbeitsmedium in flüssigem Zustand während es sich zwischen dem Expansionszylinder 3a und der Verdichtereinrichtung 6 überwiegend in gasförmigem Zustand befindet.
Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, ist stromauf der zweiten Wärmeübertragereinrichtung 8, bezogen auf den Abgasstrang 10, eine Ladeeinrichtung 11, insbesondere ein Abgasturbolader, im Abgasstrang 10 vorgesehen. Die Ladeeinrichtung 11 ist dabei mit einem Turbinenrad im Abgasstrang 10 angeordnet, welches über eine Welle mit einem Verdichterrad auf einer Ansaugseite des Verbrennungsmotors 2 drehfest verbunden ist. Die Ladeeinrichtung 11 verdichtet die zur Verbrennung im Verbrennungsmotor angesaugte Luft und führt diese zunächst einem Ladeluftkühler 12 vor der eigentliche Einspeisung in die Zylinder 3b bis 3d zu. Der Ladeluftkühler 12 ist dabei ebenfalls im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 2 angeordnet und dient dazu, die Temperatur der dem Verbrennungsmotor 2 zuführenden Luft zu verringern, wodurch sich die Leistung und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 erhöhen. Bei der Kompression der angesaugten Luft der Ladeeinrichtung 11, kommt es üblicherweise zu einer adiabatischen Temperaturerhöhung, wodurch sich die Dichte der Luft im Vergleich zu einer kühleren, unter dem gleichen Druck stehenden Gasmenge verringert. Die Menge der Luft in einem definierten Volumen bzw. die Dichte der Luft ist demnach umgekehrt proportional zur Temperatur. Dies bedeutet, dass bei konstantem Druck und Volumen die Luftmenge mit abnehmender Temperatur zunimmt. Wird somit die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte Luft gekühlt, befinden sich also mehr Sauerstoffmolekühle in den Zylinder 3b bis 3d, wodurch deren Füllgrad steigt. Da für eine vollständige Verbrennung Kraftstoff und Sauerstoff in einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis stehen müssen, kann mit einer größeren Sauerstoffmenge entsprechend mehr Kraftstoff verbrannt werden, wodurch mehr Energie frei wird und eine Erhöhung der Leistung des Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Der Ladeluftkühler 12 kann dabei entweder luft- oder wassergekühlt sein.
Im Kreislauf des Arbeitsmediums 4 ist stromab der zweiten Wärmeübertragereinrichtung 8 und stromauf des Expansionszylinders 3a die Speichereinrichtung 9 angeordnet, welche zur Speicherung des erhitzten und unter Druck stehenden Arbeitsmediums vorgesehen ist. Mit einer derartigen Speichereinrichtung 9, lassen sich insbesondere Druck- und Temperaturspitzen bzw. -täler abpuffern, das heißt glätten, wodurch eine gleichmäßige Belieferung des Expansionszylinders 3a mit entsprechend temperiertem und unter entsprechendem Druck stehenden Arbeitsmedium gewährleistet werden kann. Ein Druck des in der Speichereinrichtung 9 gespeicherten Arbeitsmediums beträgt dabei beispielsweise 10 bar, während die Temperatur ca. 650°C beträgt.
Eingespritzt werden kann das Arbeitsmedium in den Expansionszylinder 3a beispielsweise mittels elektronisch gesteuerter Einspritzdüsen, welche über eine nicht gezeigte Steuereinrichtung ein besonders bedarfsgerechtes und den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 erhöhendes Einspritzen ermöglichen.
Mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 ist somit eine nahezu optimale Kraft-Wärme-Kopplung möglich, bei welcher üblicherweise wirkungslos verpuffende Wärmeverluste des Verbrennungsmotors 2 dazu verwendet werden können, das Arbeitsmedium zu erhitzen und den Wirkungsgrad sowie die Leistung des Verbrennungsmotors 2 zu erhöhen. Darüber hinaus wird mit einem derartigen Antriebssystem 1 eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches sowie eine Reduktion der CO₂-Emission erreicht, was insbesondere im Hinblick auf immer strenger werdende Umweltschutzauflagen von besonderem Vorteil ist. Darüber hinaus lässt sich mit einem derartigen Antriebssystem 1 auch eine schnelle Motordynamik bei Lastwechseln realisieren. Durch die Tatsache, dass der Expansionszylinder 3a wie einer der herkömmlichen Zylinder 3b bis 3d in den Verbrennungsmotor 2 integriert ist, kann eine aufwändige externe Positionierung des Expansionszylinders 3a vermieden und damit die Komplexität des Antriebssystems 1 verringert werden.

1: Antriebssystem
2: Verbrennungsmotor
3: Zylinder
4: Kreislauf des Arbeitsmediums
5: Kondensatoreinrichtung
6: Verdichtereinrichtung
7: erste Wärmeübertragereinrichtung
8: zweite Wärmeübertragereinrichtung
9: Speichereinrichtung
10: Abgasstrang
11: Ladeeinrichtung
12: Ladeluftkühle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6202416 B1 [0003]

Claims

Antriebssystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest zwei Zylindern (3), von denen zumindest einer konventionell mit einem Kraftstoff-Gas-Gemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die zur Erhitzung eines Arbeitsmediums unter Ausnutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors (2) ausgebildet ist, – wenigstens eine Kondensatoreinrichtung (5) zur Verflüssigung und wenigstens eine Verdichtereinrichtung (6) zur Verdichtung des Arbeitsmediums vorgesehen sind, – zumindest einer der Zylinder (3) des Verbrennungsmotors als Expansionszylinder (3a) ausgebildet ist, in welchem das erhitzte und unter Druck stehende Arbeitsmedium einen Kolben antreibend expandiert.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung (7, 8) vorgesehen sind, wobei die erste Wärmeübertragereinrichtung (7) Energie/Wärme von einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors (2) und die zweite Wärmeübertragereinrichtung (8) Energie/Wärme von einem Abgas des Verbrennungsmotors (2) erhält.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abgasstrang (10) stromauf der zweiten Wärmeübertragereinrichtung (8) eine Ladeeinrichtung (11), insbesondere ein Abgasturbolader, vorgesehen ist.
Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichterseite der Ladeeinrichtung (11) mit einem Ladeluftkühler (12) kommuniziert.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) stromab der Kondensatoreinrichtung (5) angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der zweiten Wärmeübertragereinrichtung (8) und stromauf des Expansionszylinders (3a) eine Speichereinrichtung (9) zur Speicherung des erhitzten und unter Druck stehenden Arbeitsmediums vorgesehen ist.
Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Druck des in der Speichereinrichtung (9) gespeicherten Arbeitsmediums ca. 10 bar beträgt, – eine Temperatur des in der Speichereinrichtung (9) gespeicherten Arbeitsmediums ca. 650°C beträgt.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzung des überkritisch erhitzten Arbeitsmediums in den Expansionszylinder (3a) mittels elektronisch gesteuerter Einspritzdüsen erfolgt.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Wasser ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf (4) zirkuliert.
Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.