DE102016011489A1

DE102016011489A1 - Verbrennungskraftmaschine mit Vorrichtung zum Kühlen der Verbrennungsluft anhand eines Kühlmediums

Info

Publication number: DE102016011489A1
Application number: DE102016011489.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Böcking; Jürgen Friedrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14), welcher mit einem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und mit Verbrennungsluft versorgbar ist, mit wenigstens einer Dosiereinrichtung (26), mittels welcher ein von dem Kraftstoff unterschiedliches Kühlmedium (46) zum Kühlen der Verbrennungsluft in diese einbringbar ist, mit wenigstens einem Reservoir (44) zum Aufnehmen des Kühlmediums (46), und mit wenigstens einer Fördereinrichtung (50) zum Fördern eines Gases in das Reservoir (44), um dadurch das Kühlmedium aus dem Reservoir (44) zu der Dosiereinrichtung (26) zu fördern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der DE 10 2012 207 904 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, welcher mit einem Kraftstoff, insbesondere mit einem flüssigen Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine und mit Verbrennungsluft versorgbar ist. Bei der Verbrennungsluft handelt es sich um Luft, welche mit dem Kraftstoff in dem Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch kann verbrannt werden, wodurch Abgas der Verbrennungskraftmaschine entsteht und die Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise das Kraftfahrzeug angetrieben wird. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Dosiereinrichtung, mittels welcher ein von dem Kraftstoff unterschiedliches Kühlmedium zum Kühlen der Verbrennungsluft in diese einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist.
Ferner offenbart die DE 10 2014 205 179 A1 eine Kraftstoffverteilerleiste für eine Brennkraftmaschine, mit einem länglichen Gehäuse mit einem Hohlraum, mit einem Kraftstoffzufluss in dem Hohlraum und mit zumindest zwei Kraftstoffabflüssen aus dem Hohlraum heraus für jeweils einen Kraftstoffinjektor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass der Bauraumbedarf zum Einbringen des Kühlmediums in die Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass der Bauraumbedarf zum Einbringen des Kühlmediums in die Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Reservoir zum Aufnehmen und somit insbesondere zum zumindest vorübergehenden Speichern des Kühlmediums vorgesehen. Ferner ist erfindungsgemäß wenigstens eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Gases in das Reservoir vorgesehen, um dadurch das Kühlmedium aus dem Reservoir zu der Dosiereinrichtung zu fördern. Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um Luft, welche mittels der Fördereinrichtung in das Reservoir gefördert werden kann. Durch dieses Fördern des Gases in das Reservoir wird beispielsweise zumindest ein Teil des in dem Reservoir aufgenommenen Kühlmediums aus dem Reservoir verdrängt und dadurch mittels des in das Reservoir geförderten Gases von dem Reservoir zu der Dosiereinrichtung bewegt beziehungsweise gefördert, sodass dann mittels der Dosiereinrichtung das Kühlmedium in die Verbrennungsluft eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden kann.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes steigen das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen immer weiter an. Ermöglicht wird dies unter anderem durch die sogenannte Aufladung der beispielsweise mit einer Direkteinspritzung ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine, wobei die Aufladung beispielsweise mittels wenigstens eines von der Fördereinrichtung unterschiedlichen Verdichters erfolgen kann. Der Verdichter ist beispielsweise Bestandteil eines von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Abgasturboladers. Unter der Aufladung ist zu verstehen, dass die dem Brennraum zuzuführende Verbrennungsluft mittels des Verdichters verdichtet wird, wobei die verdichtete Verbrennungsluft auch als Ladeluft bezeichnet wird. Der zuvor genannte Abgasturbolader umfasst dabei beispielsweise den Verdichter und eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine, mittels welcher der Verdichter antreibbar ist. Dadurch kann im Abgas der auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
Um im aufgeladenen Betrieb einen günstigen Wirkungsgrad – und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch – erreichen zu können, sollte der Motor mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft, welche einfach auch als Luft bezeichnet wird, von besonderer Bedeutung, wobei die Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft bedingt durch das Streben, das Verdichtungsverhältnis mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen, zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Darüber hinaus ist das darstellbare maximale Drehmoment – insbesondere bei höherer Motordrehzahl – durch bauteilspezifische Grenztemperaturen begrenzt. Hieraus ergibt sich neben der Möglichkeit, die Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung früh zu verschieben – sofern dies möglich ist – ein Bedarf für zusätzliche Kühlmaßnahmen. Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment und steigender spezifischer Leistung des Motors als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Luft und/oder des Brennraums weiter an.
Bei aktuellen, beispielsweise als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen erfolgt die Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft, das heißt die sogenannte Ladeluftkühlung mittels wenigstens eines Ladeluftkühlers, welcher von der verdichteten Verbrennungsluft durchströmt wird und dieser damit Wärme entzieht. Die Wärme wird beispielsweise von dem als Wärmetauscher fungierenden Ladeluftkühler direkt an die Umgebung oder an ein den Ladeluftkühler durchströmendes Kühlmittel eines Niedertemperaturkreislaufs abgegeben. Es wird folglich zwischen der sogenannten direkten und der indirekten Ladeluftkühlung unterschieden.
Die Überschreitung von bauteilspezifischen Grenztemperaturen bei hohen Lasten wird heute durch eine Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum verhindert. Der zu Kühlungszwecken zusätzlich eingespritzte Kraftstoff führt aufgrund von Sauerstoffmangel zu einem erhöhten Schadstoffausstoß, der insbesondere durch zukünftige Abgasgesetzgebung im Hinblick auf Real-Driving-Emissions (RDE) als kritisch zu bewerten ist. Eine heute bekannte Alternative stellt die Verwendung höherwertiger Werkstoffe und/oder der Einsatz optimierter Kühleinrichtung auf der heißen Seite der Verbrennungskraftmaschine dar, wobei beispielsweise ein gekühlter Abgaskrümmer und/oder ein gekühltes Turbinengehäuse der Turbine und/oder eine andere Maßnahme zum Einsatz kommt.
Eine weitere, sehr effektive Möglichkeit zur Kühlung der Verbrennungsluft und zur Absenkung der Prozesstemperatur stellt die Einspritzung des von dem Kraftstoff unterschiedlichen Kühlmediums in die verdichtete Verbrennungsluft dar. Durch diese Maßnahme wird der Verbrennungsluft durch die hohe spezifische Wärmekapazität und die Verdampfung des Kühlmediums Wärme entzogen. Neben der Reduzierung des Risikos einer klopfenden Verbrennung kann darüber hinaus auf etwaige Vorentflammungen reagiert oder diesen vorgebeugt werden. Insbesondere ist es denkbar, das Kühlmedium in einem überstöchiometrischen Betrieb des Motors in die Verbrennungsluft einzubringen, insbesondere einzuspritzen. Insbesondere ist es denkbar, dass das Kühlmedium zumindest eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser umfasst, wobei dieses Wasser beispielsweise an Bord des Kraftfahrzeugs gewonnen werden kann und somit nicht oder nicht übermäßig extern nachgefüllt werden muss.
Nach heutigem Stand der Technik bedarf es zur Zufuhr beziehungsweise Eindosierung des Kühlmediums in die Verbrennungsluft einer dafür vorgesehenen Dosiereinrichtung, welche beispielsweise als Einspritzanlage ausgebildet ist. Dabei ist das Reservoir zur Aufbewahrung des einzubringenden beziehungsweise einzuspritzenden Kühlmediums vorgesehen, wobei das Reservoir beispielsweise über wenigstens eine Leitung fluidisch mit der Dosiereinrichtung verbunden ist, um mittels der Leitung das einzuspritzende Kühlmedium von dem Reservoir zur Dosiereinrichtung zu führen.
Herkömmlicherweise kommt wenigstens eine elektrisch oder mechanisch antreibbare beziehungsweise angetriebene Fördereinheit zum Einsatz, um das Kühlmedium von dem Reservoir zur Dosiereinrichtung zu fördern. Eine solche Fördereinheit zum direkten Fördern des Kühlmediums von dem Reservoir der Dosiereinrichtung kann erfindungsgemäß vermieden werden, sodass der Bauraumbedarf der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden kann. Neben der mechanischen Haltbarkeit der Verbrennungskraftmaschine, die für den Betrieb mit erhöhtem Anteil des Kühlmediums wie beispielsweise Wasser üblicherweise nicht ausgelegt ist, sind die Dauerhaltbarkeit aller mit dem Kühlmedium in Berührung kommenden Komponenten der Verbrennungskraftmaschine sowie die Beständigkeit bei etwaigem Erstarren des Kühlmediums infolge niedriger Temperaturen zu entwickeln und nachzuweisen.
Dem beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum ist wenigstens ein Injektor zugeordnet, mittels welchem der Kraftstoff in den Brennraum einbringbar, insbesondere direkt einspritzbar, ist. Dabei ist es denkbar, dass mittels desselben Injektors auch das Kühlmedium in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere direkt in den Brennraum einspritzbar, ist. Beispielsweise ist der Injektor dazu ausgebildet, eine Mischung beziehungsweise eine Emulsion aus dem Kraftstoff und dem Kühlmedium in die Verbrennungsluft einzubringen, insbesondere direkt in den Brennraum einzuspritzen. Alternativ dazu ist es denkbar, dass ein von dem Injektor unterschiedliches, zusätzlich zu dem Injektor vorgesehenes Einbringelement vorgesehen ist, welches beispielsweise auch als Gemischbildner bezeichnet wird. Mittels des Einbringelements kann das Kühlmedium, insbesondere an einer stromauf des Brennraums angeordneten Stelle, in die Verbrennungsluft eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. Die zuvor genannte Dosiereinrichtung umfasst somit beispielsweise den Injektor und/oder das Einbringelement, sodass mittels der Fördereinrichtung auf die beschriebene Weise das Kühlmedium von dem Reservoir zu dem Injektor beziehungsweise zu dem Einbringelement gefördert werden kann. Durch den Einsatz der Fördereinrichtung kann dabei eine besonders bauraumgünstige sowie effektive und effiziente Förderung des Kühlmediums von dem Reservoir zur Dosiereinrichtung realisiert werden, wobei sich insbesondere eine besonders vorteilhafte Gemischaufbereitung darstellen lässt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Reservoir zum Aufnehmen eines Kühlmittels, und mit wenigstens einer Fördereinrichtung zum Fördern eines Gases in das Reservoir, um dadurch das Kühlmedium aus dem Reservoir zu einer Dosiereinrichtung zu fördern, mittels welcher das Kühlmedium in wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft einbringbar ist.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise eine Komponente eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein beispielsweise als Zylindergehäuse ausgebildetes Motorgehäuse 12, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern 14 gebildet ist. Der jeweilige Zylinder 14 ist mit Luft und einem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 versorgbar, wobei es sich bei dem Kraftstoff um einen flüssigen Kraftstoff wie beispielsweise einen Ottokraftstoff oder einen Dieselkraftstoff handelt. Die Luft und der Kraftstoff werden in den jeweiligen Zylinder 14 eingebracht und bilden in dem jeweiligen Zylinder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches beispielsweise gezündet und verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10. Die mit dem Kraftstoff in dem jeweiligen Zylinder 14 das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch bildende Luft, welche mit dem Kraftstoff verbrannt wird, wird auch als Verbrennungsluft bezeichnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei einen Ansaugtrakt 16, welcher zumindest von der Luft durchströmbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 saugt die Verbrennungsluft über den Ansaugtrakt beispielsweise aus der Umgebung an, wobei die Verbrennungsluft mittels des Ansaugtrakts 16 zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet wird. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 18, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 abgeführt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem eine Einspritzanlage 20, mittels welcher der Kraftstoff in die Zylinder 14 einbringbar, insbesondere direkt einspritzbar, ist. Somit ist die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise als direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine, insbesondere als direkteinspritzender Ottomotor, ausgebildet. Dem jeweiligen Zylinder 14 ist dabei wenigstens ein Injektor 22 zugeordnet, wobei der jeweilige Injektor 22 Bestandteil der Einspritzanlage 20 ist. Mittels des jeweiligen Injektors 22 kann der Kraftstoff direkt in den jeweils zugeordneten Zylinder 14 eingespritzt werden. Dabei umfasst die Einspritzanlage 20 ein den Injektoren 22 gemeinsames Kraftstoffverteilungselement 24, welches auch als Rail oder Kraftstoff-Rail bezeichnet wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst des Weiteren eine im Ganzen mit 26 bezeichnete Dosiereinrichtung, mittels welcher ein von dem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 unterschiedliches Kühlmedium zum Kühlen der Verbrennungsluft in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Hierzu umfasst die Dosiereinrichtung 26 beispielsweise die Injektoren 22, mittels welchen sowohl der Kraftstoff als auch das Kühlmedium in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere in die jeweiligen Zylinder 14 direkt einspritzbar, sind. Beispielsweise ist mittels des jeweiligen Injektors 22 ein Gemisch beziehungsweise eine Emulsion aus dem Kraftstoff und dem Kühlmedium in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere in den jeweils zugeordneten Zylinder 14 direkt einspritzbar.
Dabei umfasst die Dosiereinrichtung 26, welche auch als Einspritzanlage bezeichnet wird, beispielsweise ein optional vorgesehenes Dosierventil 28, mittels welchem das Kühlmedium zu dem Kraftstoff beigemischt werden kann. Daraus entsteht ein Gemisch beziehungsweise eine Emulsion aus dem Kraftstoff und dem Kühlmedium, wobei dieses Gemisch beziehungsweise diese Emulsion mittels des jeweiligen Injektors 22 in die Verbrennungsluft einbringbar ist.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Dosiereinrichtung 26 von den Injektoren 22 unterschiedliche, zusätzlich zu den Injektoren 22 vorgesehene Einbringelemente 30, welche auch als Gemischbildner bezeichnet werden. Insbesondere ist je Zylinder 14 ein Einbringelement 30 vorgesehen. Mittels des jeweiligen Einbringelements 30 ist das Kühlmedium in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere einspritzbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kühlmedium mittels des jeweiligen Einbringelements 30 an einer in Strömungsrichtung der Luft stromauf des jeweiligen Zylinders 14 angeordneten Stelle, insbesondere des Ansaugtrakts 16, in die Verbrennungsluft einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Das Kühlmedium ist vorzugsweise als Kühlfluid, insbesondere als Kühlflüssigkeit, ausgebildet und umfasst zumindest Wasser. Ferner kann das Kühlmedium beispielsweise wenigstens ein von dem Wasser unterschiedliches Additiv umfassen.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Hierzu umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens einen Abgasturbolader 32, welcher wenigstens einen im Ansaugtrakt 16 angeordneten Verdichter 34 aufweist. Mittels des Verdichters 34 wird die den Ansaugtrakt 16 durchströmende und den Zylindern 14 zuzuführende Luft verdichtet. Hierzu umfasst der Verdichter 34 ein Verdichterrad 36 zum Verdichten der Luft.
Der Abgasturbolader 32 umfasst ferner eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete und von dem den Abgastrakt 18 durchströmende Abgas antreibbare Turbine 38, welche ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad 40 aufweist. Der Abgasturbolader 32 umfasst ferner eine Welle 42, mit welcher sowohl das Turbinenrad 40 als auch das Verdichterrad 36 antreibbar sind. Hierdurch ist das Verdichterrad 36 über die Welle 42 von dem Turbinenrad 40 antreibbar, wodurch die Luft mittels des Verdichterrads 36 verdichtet wird. Da das Turbinenrad 40 von dem Abgas angetrieben wird, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch und somit insbesondere die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders gering gehalten werden. Das Verdichten der Verbrennungsluft wird auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet, wobei die verdichtete Luft auch als Ladeluft bezeichnet wird.
Um nun den Bauraumbedarf zum Einbringen des Kühlmediums besonders gering zu halten, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens ein Reservoir 44 zum Aufnehmen und somit zumindest vorübergehenden Speichern des Kühlmediums. Das in dem Reservoir 44 aufgenommene beziehungsweise gespeicherte Kühlmedium ist in der Fig. mit 46 bezeichnet. Das Reservoir 44 ist über wenigstens eine Leitung 48 fluidisch mit der Dosiereinrichtung 26 verbunden, sodass das in dem Reservoir 44 aufgenommene Kühlmedium 46 über die Leitung 48 zu der Dosiereinrichtung 26 und somit insbesondere zu den Einbringelementen 30 und/oder, insbesondere über das Dosierventil 28, zu den Injektoren 22 geführt werden kann. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Fördereinrichtung 50 zum Fördern eines Gases in das Reservoir 44, um dadurch das Kühlmedium 46 aus dem Reservoir 44 über die Leitung 48 zur Dosiereinrichtung 26 zu fördern.
Mit anderen Worten kann das zur Einbringung beziehungsweise Einspritzung benötigte Kühlmedium in dem Reservoir 44 bevorratet werden. Das Reservoir 44 ist über die wenigstens eine Leitung 48 mit den Einbringelementen 30 und/oder, insbesondere über das Dosierventil 28, mit den Injektoren 22 zur Beimischung des Kühlmediums mit dem Kraftstoff verbunden, sodass das den Kraftstoff und das Kühlmedium umfassende Gemisch über die als Kraftstoffinjektoren fungierenden Injektoren 22 in die Zylinder 14 eingebracht werden kann. Dabei ist in der Leitung 48 beispielsweise wenigstens ein Filter zum Filtern des Kühlmediums und/oder wenigstens ein Sensor angeordnet, mittels welchem beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Volumen- oder Massenstrom des die Leitung 48 durchströmenden Kühlmediums erfasst werden kann.
Um das Wasser der Verbrennungsluft zuzuführen und eine gute Gemischaufbereitung – entweder in der Verbrennungsluft oder im Kraftstoff – gewährleisten zu können, werden beispielsweise das Kühlmedium 46 und das Gas zum Fördern des Kühlmediums 46 verdichtet beziehungsweise unter Druck gesetzt. Bei dem Gas zum Fördern des Kühlmediums 46 handelt es sich beispielsweise um Luft beziehungsweise das Gas zum Fördern des Kühlmediums 46 umfasst zumindest Luft. Um das Gas und das Kühlmedium 46 zu verdichten beziehungsweise unter Druck zu setzen, ist die Fördereinrichtung 50 als Druckübersetzer ausgebildet, welcher auf seiner Niederdruckseite 52 mit der Druckseite des Verdichters 34 des Abgasturboladers 32 fluidisch verbunden ist, wodurch der Druckübersetzer antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird. Mit anderen Worten ist die Niederdruckseite 52 des Druckübersetzers an einer stromab des Verdichters 34 angeordneten Stelle fluidisch mit dem Ansaugtrakt 16 verbunden, sodass der Druckübersetzer mittels der mittels des Verdichters 34 verdichteten Luft antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird. Der Druckübersetzer ist auf seiner Hochdruckseite 54 fluidisch mit dem Reservoir 44 verbunden, sodass das Gas mittels des Druckübersetzers verdichtet beziehungsweise unter einen hohen Druck gesetzt und von der Hochdruckseite 54 zu dem und insbesondere in das Reservoir 44 strömen kann beziehungsweise gefördert werden kann.
Ferner ist der Druckübersetzer an einer stromauf des Verdichters 34 angeordneten Stelle fluidisch mit dem Ansaugtrakt 16 verbunden, sodass die zum Antreiben des Druckübersetzers verwendete Verbrennungsluft auf einem Druckniveau, welches gegenüber der stromab des Verdichters 34 angeordneten Stelle geringer ist, die dem Ansaugtrakt 16 vor dem Verdichter 34 zugeführt wird. Auf der Hochdruckseite 54 des Druckübersetzers wird mittels des Druckübersetzers Luft beispielsweise aus der Umgebung angesaugt, mittels des Druckübersetzers verdichtet und dem Reservoir 44 zugeführt beziehungsweise in das Reservoir 44 eingeleitet.
Dem Reservoir 44 ist ein Füllrohr 56 zugeordnet, über welches das Kühlmedium in das Reservoir 44 eingefüllt werden kann. Das Füllrohr 56 ist dabei mit einem Rückschlagventil 58 ausgestattet, sodass beispielsweise in einem aufgeladenen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem Reservoir 44 ein höheres Druckniveau als Umgebungsdruck beziehungsweise als in der Umgebung des Reservoirs 44 eingestellt werden kann, ohne dass das in dem Reservoir 44 aufgenommene Kühlmedium 46 über das Füllrohr 56 aus dem Reservoir 44 austritt. Der in dem Reservoir 44 realisierbare Druck des in das Reservoir 44 geförderten Gases hängt im Wesentlichen von Flächenverhältnissen von Kolben des Druckübersetzers ab und beträgt mindestens 5 bar. Mit anderen Worten kann das Gas mittels des Druckübersetzers derart unter Druck beziehungsweise verdichtet und in das Reservoir 44 gefördert werden, dass das Gas mit einem Druck von mindestens 5 bar in dem Reservoir 44 aufgenommen ist beziehungsweise wirkt.
Um beispielsweise den Druck des Gases in dem Reservoir 44 einzustellen, ist zwischen dem Druckübersetzer (Fördereinrichtung 50) und der Druckseite des Verdichters 34 ein Schaltventil 60 angeordnet, welches beispielsweise elektrisch ansteuerbar beziehungsweise elektrisch betreibbar oder schaltbar ist. Die Dosiereinrichtung 26 kann beispielsweise an einem beliebigen Ort im Kraftfahrzeug positioniert werden, idealerweise in einem Motorraum oder in Motorraumnähe, wobei in dem Motorraum die Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Die Dosiereinrichtung 26 kann zusätzlich zu den genannten Bestandteilen weitere Komponenten wie beispielsweise einen Füllstandssensor im Reservoir 44, einen Temperatursensor, einen Drucksensor, wenigstens einen Filter oder dergleichen verfügen.
Aus der Fig. ist erkennbar, dass in dem Ansaugtrakt 16 auch wenigstens eine Drosselklappe 62 angeordnet ist, mittels welcher beispielsweise eine Menge der den Zylindern 14 zuzuführenden Luft einstellbar ist und/oder mittels welcher ein Druck in dem Ansaugtrakt 16 einstellbar ist. Ferner ist in dem Ansaugtrakt 16 ein Ladeluftkühler 64 angeordnet, welcher stromauf der Zylinder 14 und stromab des Verdichters 34 angeordnet ist. Der Ladeluftkühler 64 ist von der verdichteten Verbrennungsluft durchströmbar, sodass die verdichtete und dadurch erwärmte Verbrennungsluft mittels des Ladeluftkühlers 64 gekühlt wird. Ferner ist im Ansaugtrakt 16 ein Luftfilter 66 angeordnet, welcher stromauf des Verdichters 34 angeordnet ist. Mittels des Luftfilters 66 wird die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft gefiltert. In dem Abgastrakt 18 ist stromab der Turbine 38 wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 68 zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner mittels eines beispielsweise von dem Kühlmedium unterschiedlichen Kühlmittels zu kühlen, wobei das Kühlmittel beispielsweise als Kühlfluid, insbesondere als Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist. Das Motorgehäuse 12 umfasst beispielsweise wenigstens einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel, sodass das Motorgehäuse 12 und somit die Verbrennungskraftmaschine insgesamt infolge eines Wärmeübergangs von dem Motorgehäuse 12 an das den Kühlmantel durchströmende Kühlmittel gekühlt wird. Dabei ist der Kühlmantel in einem von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf 70 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. In dem Kühlkreislauf 70 ist auch wenigstens ein Wärmetauscher 72 angeordnet, welcher von dem beispielsweise als Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlmittel durchströmbar ist. Der Wärmetauscher 72 ist dem Reservoir 44 zugeordnet, sodass mittels des Wärmetauschers 72 ein Wärmeaustausch zwischen dem in dem Reservoir 44 aufgenommenen Kühlmedium 46 und dem Kühlmittel bewirkt werden kann. Infolge dieses Wärmeaustausches zwischen dem Kühlmittel und dem Kühlmedium 46 kann beispielsweise das Kühlmedium 46 temperiert, insbesondere erwärmt und/oder gekühlt, werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als Vierzylinder-Ottomotor mit einem Hubraum von 1991 Kubikzentimetern ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst beispielsweise je Zylinder 14 vier Gaswechselventile, von denen zwei als Einlassventile und zwei als Auslassventile ausgebildet sind. Beispielsweise in Kennfeldbereichen hoher Motorlast ist das Schaltventil 60 geöffnet, sodass der Druckübersetzer mit der mittels des Verdichters 34 verdichteten Luft und somit mit Druck beaufschlagt wird. Mit anderen Worten wird dadurch der Druckübersetzer mittels der mittels des Verdichters 34 verdichteten Luft angetrieben. Dies hat eine Verdichtung des Gases und des Kühlmediums 46 innerhalb des Reservoirs 44 zur Folge, sodass Kühlmedium 46 durch die Leitung 48 hindurch zur Dosiereinrichtung 26 gefördert und in die Verbrennungsluft eingebracht werden kann, sofern die Einbringelemente 30 entsprechend angesteuert werden und eine Zufuhr des Kühlmediums in die Verbrennungsluft zulassen beziehungsweise herbeiführen.
Der Kühlkreislauf 70 umfasst beispielsweise Leitungen 74 oder wenigstens eine Leitung 74, welche sich beispielsweise mäanderförmig in dem beziehungsweise durch das Reservoir 44 erstrecken beziehungsweise erstreckt. Mit anderen Worten ist das Reservoir 44 beispielsweise von Leitungen 74 durchzogen, sodass beispielsweise das Kühlmedium 46 über den Wärmetauscher 72 mittels des Kühlmittels erwärmt werden kann. Dadurch kann einer Biokontamination vorgebeugt werden.
Die in der Fig. gezeigte Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere der Dosiereinrichtung 26, und der Einsatz des Druckübersetzers und des Reservoirs 44 erlauben eine sehr kompakte Bauweise, sodass die zum Einbringen des Kühlmediums 46 in die Verbrennungsluft erforderlichen Komponenten vorteilhaft und insbesondere in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs platziert werden können. Folglich können Leitungen, welche beispielsweise genutzt werden, um das Kühlmedium 46 von dem Reservoir 44 der Dosiereinrichtung 26 zu leiten, besonders kurz gehalten werden und es bedarf keiner zusätzlichen Einrichtung zur Erwärmung dieser Leitungen, falls die Außentemperaturen unter ein kritisches Niveau absinken, da im Motorraum während des Betriebs der im Motorraum angeordneten Verbrennungskraftmaschine 10 bereits vor dem Bedarf der Zufuhr des Kühlmediums 46 in die Verbrennungsluft ausreichend hohe Temperaturen erreicht werden. Im Gegensatz dazu führt beispielsweise ein am Fahrzeugheck positioniertes Reservoir zu langen Leitungen, insbesondere an einem Fahrzeugboden, die zu einem besonders hohen Risiko des Erstarrens des Kühlmediums bei niedrigen Außentemperaturen führen. Diese Probleme beziehungsweise Nachteile können vermieden werden.
Ergänzend kann aufgrund der geringen Entfernung zur Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise zu den Zylindern 14 eine Erwärmung der Dosiereinrichtung 26 und/oder des Reservoirs 44 und/oder der Leitung 48 beziehungsweise des Kühlmediums mittels des Kühlmittels erfolgen, sodass einer Biokontamination vorgebeugt und ein Verflüssigen des Kühlmediums 46 innerhalb des Reservoirs 44 bei sehr niedrigen Außentemperaturen ermöglicht werden kann.
Darüber hinaus entfällt der Bedarf des Einsatzes einer Förderpumpe für das Kühlmedium 46, wodurch kein Risiko eines Schadens durch Frost oder die dauerhafte Förderung von Wasser beziehungsweise Kühlmedium besteht und außerdem geringere Kosten entstehen. Weitere Vorteile, die sich durch die Möglichkeit, den Zylindern 14 das Kühlmedium 46 zuführen zu können, ergeben, sind:

– effektive Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft
– Verschiebung der klopfenden Verbrennung in Richtung höherer Lasten
– Steigerung des Wirkungsgrades durch früheren Verbrennungsschwerpunkt
– Reaktion auf Vorentflammungsereignisse durch bedarfsgerechte, insbesondere temporäre, Einspritzung des Kühlmediums
– enormes Potential zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und des CO₂-Ausstoßes durch weiteres Downsizing
– je nach Auslegung deutlich kleinere Ladeluftkühler als bei herkömmlicher Ladeluftkühlung möglich
– Reduzierung beziehungsweise Entfall der Kraftstoffanreicherung zum Bauteilschutz bei hohen Lasten
– Reduzierung der Schadstoffemissionen (RDE).

Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Motorgehäuse
14: Zylinder
16: Ansaugtrakt
18: Abgastrakt
20: Einspritzanlage
22: Injektor
24: Kraftstoffverteilungselement
26: Dosiereinrichtung
28: Dosierventil
30: Einbringelement
32: Abgasturbolader
34: Verdichter
36: Verdichterrad
38: Turbine
40: Turbinenrad
42: Welle
44: Reservoir
46: Kühlmedium
48: Leitung
50: Fördereinrichtung
52: Niederdruckseite
54: Hochdruckseite
56: Füllrohr
58: Rückschlagventil
60: Schaltventil
62: Drosselklappe
64: Ladeluftkühler
66: Luftfilter
68: Abgasnachbehandlungseinrichtung
70: Kühlkreislauf
72: Wärmetauscher
74: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012207904 A1 [0002]
DE 102014205179 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14), welcher mit einem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und mit Verbrennungsluft versorgbar ist, und mit wenigstens einer Dosiereinrichtung (26), mittels welcher ein von dem Kraftstoff unterschiedliches Kühlmedium (46) zum Kühlen der Verbrennungsluft in diese einbringbar ist, gekennzeichnet durch: – wenigstens ein Reservoir (44) zum Aufnehmen des Kühlmediums (46); und – wenigstens eine Fördereinrichtung (50) zum Fördern eines Gases in das Reservoir (44), um dadurch das Kühlmedium aus dem Reservoir (44) zu der Dosiereinrichtung (26) zu fördern.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, das Gas in das Reservoir (44) zu fördern und zu verdichten.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (50) als Druckübersetzer ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von der Fördereinrichtung (50) unterschiedlicher Verdichter (34) zum Verdichten der dem Brennraum (14) zuzuführenden Verbrennungsluft vorgesehen ist, wobei die Fördereinrichtung (50) mittels der von dem Verdichter (34) verdichteten Verbrennungsluft antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reservoir (44) wenigstens ein Wärmetauscher (72) zum Bewirken eines Wärmeaustausches zwischen dem in dem Reservoir (44) aufgenommenen Kühlmedium (46) und einem von dem Kühlmedium (46) unterschiedlichen Kühlmittel zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine (10) zugeordnet ist.