DE102009018235A1

DE102009018235A1 - Klimatisierung der Verbrennungsluft von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE102009018235A1
Application number: DE102009018235A
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Winkelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Durch Klimatisierung der Verbrennungsluft mittels einer Klimaanlage auf ein stabiles Temperaturniveau deutlich unterhalb der bisher üblichen Auslegungstemperatur wird die Anhebung der Verdichtung von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise von Otto-Motoren, deutlich über das bisher übliche Niveau möglich. Dadurch steigen, trotz des Energieaufwandes für die Klimatisierung der Verbrennungsluft, das Drehmoment und die Leistung und es verringern sich der Kraftstoffverbrauch und der CO2-Ausstoß der Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1. Die Höhe der Verdichtung der Verbrennungsluft bestimmt entscheidend den Wirkungsgrad der Kraftstoffnutzung einer Verbrennungskraftmaschine.
Berechnet man nach den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten die spezifischen Verdichtungsgrenzen fremd gezündeter Kraftstoffe zeigt sich, daß diese, außer von der Selbstentzündungstemperatur, sehr stark von der Temperatur der Verbrennungsluft oder des Verbrennungsluft-Kraftstoffdampfgemisches im Brennraum zum Zeitpunkt des Verdichtungsbeginns abhängig sind. So errechnen sich beispielsweise für den Otto-Kraftstoff Superbenzin Grenzverdichtungswerte die von e = 10 bei einer Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft von +40°C bis zu e = 20 bei einer Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft von –28°C variieren. Die realisierten Verdichtungen von Verbrennungskraftmaschinen mit Fremdzündung (Otto-Motoren) und Einbringung des Kraftstoffs in den Ansaugkanal berücksichtigten zum einen die dauerhaft maximal auftretende Ansauglufttemperatur und zum anderen die notwendige Verdampfungstemperatur des verwendeten Kraftstoffes, vorzugsweise Benzin mit einer Siedetemperaturspanne von 25°C bis 210°C, die Wandanlagerungseffekte des Kraftstoffes auf dem Weg in den Brennraum gering hielt. Mit diesen Randbedingungen wurden überwiegend Verdichtungen von e = 9–10 realisiert und erreicht, dass unter keinen Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine die Klopfgrenze des verwendeten Kraftstoffes dauerhaft überschritten wurde. Allerdings schöpften diese Verdichtungsverhältnisse bei Betriebsbedingungen mit geringerer Temperatur der Verbrennungsluft das Verdichtungspotential der Verbrennungskraftmaschine nicht aus.
Mittlerweile ist bei Otto-Motoren die direkte Einspritzung von Otto-Kraftstoff in den Brennraum Stand der Technik. Mit dieser Einspritztechnik entfallen Wandanlagerungseffekte des Kraftstoffes im Ansaugtrakt, was, in Verbindung mit anderen Effekten, eine Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft von e = 12 bei frei ansaugenden Motoren und von e = 10 bei aufgeladenen Motoren ermöglicht. Diese Verdichtungen beruhen mittlerweile auf einer Auslegungsbasis für die Ansaugtemperatur der Verbrennungsluft von ca. 25°C.
Eine stabile, von der Lufttemperatur der Umgebung der Verbrennungskraftmaschine unabhängige, Absenkung der Ansauglufttemperatur auf 0°C würde Verdichtungen von e = 16 erlauben, eine Absenkung auf –20°C sogar auf e = 20, vorausgesetzt die Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft unterscheidet sich nicht wesentlich von der Temperatur der Verbrennungsluft zu Beginn der Verdichtung.
Mit diesen Verdichtungen käme ein Otto-Motor nahe an den Wirkungsgrad eines Dieselmotors. Derart niedrige Temperaturen der angesaugten Verbrennungsluft sind jedoch bei Umgebungslufttemperaturen die in der Spitze bei 40°C und mehr liegen können nur durch Klimatisierung zu erreichen.
Insofern ist die in der DE 198 03 853 C1 beschriebene Vorrichtung zur Regelung der Ansauglufttemperatur nicht geeignet die Ansauglufttemperatur unabhängig von der Außentemperatur konstant auf einem vorgegebenen Temperaturniveau unterhalb der Außentemperatur zu halten, denn sie nutzt, unabhängig vom Aufbau der Kühlvorrichtung, in allen Fällen die Außenluft als Kühlmedium.
In der US 5 081 977 A und der EP 1 213 465 A3 werden deshalb Methoden der Kühlung der angesaugten Verbrennungsluft beschrieben. Beide Verfahren basieren aber auf der Verwendung von kyrogenem Kraftstoff und sind dadurch auf diesen speziellen Anwendungsfall mit diesen speziellen Kraftstoffen beschränkt.
Eines offenen Prozesses zur Kühlung der angesaugten Verbrennungsluft durch Kraftstoffverdampfung, hier mit dem Kühlmedium Propan, bedient sich auch, wie die beiden vorerwähnten Verfahren, die FR 2 517 367 A . Damit ist auch dieses Verfahren auf einen speziellen Kraftstoff, hier Propan, beschränkt. Abgesehen davon, dass ohne eine Regelung der Kraftstoffverdampfung oder eine externe Beheizung aller Wahrscheinlichkeit nach der Propan verdampfende Wärmetauscher im realen Betrieb vereisen würde, hebt die nachfolgende Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft in einem, der Verbrennungskraftmaschine vorgeschalteten, Kompressor den Kühlungseffekt der Kraftstoffverdampfung wieder auf, wodurch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine auf Grund einer kühleren Temperatur der Verbrennungsluft ausgeschlossen ist.
In der DE 10 2006 042 054 A1 wird ebenfalls vorgeschlagen als Kraftstoff Flüssiggas (mit Propan als Kraftstoffbestandteil) (LPG) einzusetzen, hier aber um dessen Doppelcharakter als Kraftstoff und Kältemittel in einem gekoppelten System von Kraftstoffzuführung in einem offenen System und Kältekreislauf für die Kühlung der angesaugten Verbrennungsluft in einem geschlossenen System zu nutzen. Der Nachteil der dort vorgeschlagenen Lösung liegt zum einen in der Beschränkung auf den Kraftstoff Flüssiggas (LPG). Zum anderen kann nicht auf ein am Markt vorhandenes und erprobtes Kühlsystem zurückgegriffen werden. Schließlich ist das dort vorgeschlagene Kühlsystem durch die Koppelung mit dem offenen Kraftstoffzuführungs system kein vollständig geschlossenes System, so dass Probleme auf Grund des ständig neu zuzuführenden LPGs als Kraftstoff-Kältemittel wechselnder Qualität zu erwarten sind. Bei der vorliegenden Erfindung werden die beschriebenen Probleme mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. Die Klimatisierung der Verbrennungsluft ist konstruktionstechnisch mit relativ geringem Aufwand zu realisieren, weil sie auf Komponenten, wie Klimaanlage, zurückgreifen kann, die erprobt und in der überwiegenden Zahl der neu auf den Markt gelangenden Fahrzeugen schon vorhanden sind. Die höhere Verdichtung mit der die Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise ein Otto-Motor, betrieben werden kann bewirkt, trotz des notwendigen Energieaufwandes für die Klimatisierung der Verbrennungsluft, eine höhere Kraftstoffeffizienz. Abschätzungsberechnungen ergaben, dass ungefähr 1/3 des Effizienzgewinns für die Klimatisierung aufgewendet werden muss. Die bessere Ausnutzung des Kraftstoffes schlägt sich in verringertem spezifischem Verbrauch und entsprechend reduziertem CO2-Ausstoß nieder. Besonders ausgeprägt ist die CO2-Reduzierung bei der Nutzung von LPG als Kraftstoff. Durch die höhere Verdichtung erhöhen sich außerdem Leistung und Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine.
Anhand der 1 wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
In der Zeichnung wird ein Zylinder eines Ottomotors (1) einschließlich Ansaugkanal (2) und Drosselklappe schematisch dargestellt. Die angesaugte oder durch einen Verdichter vorverdichtete Verbrennungsluft (7) strömt durch den Verdampfer (4) einer (hier nicht vollständig gezeigten) Klimaanlage. Erhalt die Steuereinheit (5) von der Temperatursonde (3) im Ansaugkanal (2) das Signal, daß eine kritische Verbrennungslufttemperatur erreicht ist, schaltet diese den Klimakompressor (6) ein, worauf der Verdampfer (4) von gekühltem Kühlmittel (10) durchflossen wird. Die durch den Verdampfer (4) strömende Verbrennungsluft (7) gibt mm Wärme an das Kühlmittel (10) ab und tritt gekühlt aus dem Verdampfer (4) aus (8). Die Verbrennungsluft (7) wird so lange gekühlt, bis ein vorgegebener unterer Temperaturwert erreicht ist oder sich ein dynamisches Gleichgewicht innerhalb der vorgegebenen Temperaturregelungsspanne einstellt.
Welcher untere Temperaturwert mit der Klimatisierung der Verbrennungsluft (8) bei mineralölbasierten Ottokraftstoffen wie Superbenzin realisiert werden kann, ohne dass sich im Betrieb unerwünschte Effekte, z. B. Schmierölverdünnung, einstellen und damit auch der bei 100°C verdampfende, neben dem Anwärmverhalten vor allem die Betriebsbereitschaft und das Beschleunigungsverhalten der warmen Verbrennungskraftmaschine bestimmende, Kraftstoffanteil des mineralölbasierten Otto-Kraftstoffs in ausreichendem Maß verdampft, muss die Praxis erweisen. In Vorversuchen mit serienmäßigen Fahrzeugen mit direkt einspritzendem Ottomotor waren bei einer Verbrennungslufttemperatur von 9°C noch keine störenden Effekte wahrzunehmen. Es ist daher zu erwarten, dass bei Otto-Motoren mit direkter Einspritzung mineralölbasierten Otto-Kraftstoffs in den Brennraum (1) die angestrebte Absenkung der Verbrennungslufttemperatur (8) durch ihre Klimatisierung auf einen Wert wenig über 0°C realisierbar ist, besonders wenn bei homogenem Betriebsmodus, eine Aufteilung der Kraftstoffeinspritzung in mehrere, auf den Ansaugtakt und den Verdichtungstakt verteilte, Teileinspritzungen vorgenommen wird. Damit ließen sich mit nicht aufgeladenen Motoren Verdichtungen von e = 16 darstellen.
Für den Kraftstoff LPG mit einer Siedetemperatur von –30°C bei 1013 mbar (LPG mit 60% Propan und 40% Butan) stellt sich eine Absenkung der Verbrennungslufttemperatur (8) auch unter den Gefrierpunkt von Wasser durch Klimatisierung als unproblematisch dar. Damit kann bei der Nutzung dieses Kraftstoffes davon ausgegangen werden, dass Verdichtungen von e = 20 zu realisieren sind.
Soll die Verbrennungskraftmaschine mit einer Verdichtung betrieben werden, die Ansaugtemperaturen der Verbrennungsluft (8) unter dem Gefrierpunkt von Wasser bedingt, dann muss der Verdampfer (4) der Klimaanlage von Zeit zu Zeit von der Eisschicht befreit werden, die sich an ihm durch den, in der angesaugten Verbrennungsluft (7) enthaltenen, gefrierenden Wasserdampf anlagert. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Mikrokavitationen in der Eisschicht, die durch, vorzugsweise durch Ultraschall angeregte, Schwingelemente (9) erzeugt werden.
Ein klärender Vorversuch mit einem handelsüblichen Ultraschallreinigungsgerät zeigte, dass die durch den Ultraschall erzeugten Mikrokavitationen eine Eisschicht absprengen, womit die prinzipielle Eignung dieses Verfahrens nachgewiesen war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19803853 C1 [0006]
- US 5081977 A [0007]
- EP 1213465 A3 [0007]
- FR 2517367 A [0008]
- DE 102006042054 A1 [0009]

Claims

Verbrennungskraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft (7) durch eine Klimaanlage klimatisiert wird.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung (5) die Klimaanlage so regelt, dass diese die Temperatur der Verbrennungsluft (7) in einem vorgegebenen Temperaturfenster hält.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung (5) die Klimaanlage so regelt, dass diese die Feuchtigkeit der Verbrennungsluft (7) verringert.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass Eisschichten, die sich durch gefrierenden Wasserdampf der Verbrennungsluft (7) am Verdampfer (4) der Klimaanlage bilden, durch Mikrokavitation (9) abgesprengt werden.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Kraftstoff Otto-Kraftstoff ist, vorzugsweise hochoktaniges Benzin.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Kraftstoff Flüssiggas (LPG) ist.