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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschine.
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Die derzeit üblicherweise verwendeten Verbrennungsmaschinen, insbesondere klassische Zwei- oder Viertaktottomotoren, Dieselmotoren und deren Ausgestaltungen mit Vorrichtungen zum direkten oder indirekten Einspritzen des Kraftstoffes sowie turboaufgeladene oder abgasturboaufgeladene Ausführungen haben immer noch zwei wesentliche Nachteile. Der erste Nachteil besteht darin, dass ein erheblicher Anteil der Wärme der Verbrennungsmaschine ungenutzt durch das Abgassystem entweicht. Der zweite Nachteil besteht darin, dass ein wesentlicher Anteil der Energie durch das Kühlsystem ungenutzt bleibt. Selbst bei den größten Zweitaktdieselmotoren, die derzeit in Schiffen zum Einsatz kommen und in Folge der Größenverhältnisse bei Schiffen nur geringen mechanischen Verlusten ausgesetzt sind, können Wirkungsgrade von mehr als 0,5 derzeit nicht erzielt werden. Das gleiche gilt für Verbrennungsmaschinen mit homogener Kompressionszündung (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) und/oder kontrollierter Selbstzündung (Controlled Auto Ignition, CAI).
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Eine Möglichkeit die Wärme des Abgassystems effektiv zu nutzen besteht darin, das Abgassystem mit einem Rankine-Prozeß zu verbinden. So wird beispielsweise in
EP 1 326 009 A1 ein Rankine-Prozeß mit dem Kühlsystem einer Verbrennungsmaschine verbunden, wobei der Rankine-Prozeß mit Hilfe des Kühlwassers betrieben wird.
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In einem Rankine-Kreisprozeß wird in einem ersten Schritt der Druck einer Flüssigkeit, erhöht. In einem zweiten Schritt wird die Flüssigkeit erhitzt und bei konstantem Druck verdampft. Anschließend treibt der Dampf in einem dritten Schritt eine Turbine an, wobei sich der Druck und die Temperatur des Dampfes verringern. In einem letzten, vierten Schritt wird der Dampf mit Hilfe eines Kondensators bei konstantem Druck und konstanter Temperatur kondensiert. Die dabei entstehende Flüssigkeit steht dann wieder für den ersten Schritt, nämlich die Druckerhöhung, zur Verfügung.
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In
EP 1 573 194 B1 und
EP 1 333 157 A1 werden eine Abgassysteme für eine Verbrennungsmaschinen beschrieben, die nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeiten. Die Abgassysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwei parallele Rankine-Kreisprozesse aufweisen. In jedem Rankine-Kreisprozeß fördert eine Pumpe eine Flüssigkeit zuerst durch einen Wärmetauscher, der an einem Abgasstrang einer Verbrennungsmaschine angeordnet ist. Dabei wird die Flüssigkeit verdampft und anschließend in eine Entspannungseinrichtung geleitet. In der Entspannungseinrichtung treibt der Heißdampf eine Flügelzellenpumpe an. Danach wird in einem Kondensator der Restdampf auskondensiert. Anschließend durchläuft die Flüssigkeit denselben Kreislauf wieder. Um den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine zu verbessern, werden in den Kreisläufen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten eingesetzt. Dabei verwendet derjenige Kreislauf die Flüssigkeit mit der höheren Siedetemperatur, dessen Wärmetauscher näher an der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dieser Kreislauf ist ein Hochtemperaturkreislauf, während der zweite Kreislauf ein Niedertemperaturkreislauf ist.
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Weiterhin ist
EP 1 249 580 A1 ein Wärmerückgewinnungssystem für eine Verbrennungsmaschine beschrieben, welches einen Rankine-Prozeß nutzt.
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In den Dokumenten
GB 2 437 309 A und
JP 2009-115 065 A werden Kühlsysteme für Verbrennungsmaschinen unter Verwendung einer Stirlingmaschine offenbart.
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Vor diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Verbrennungsmaschine zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine umfaßt einen zu kühlenden Bereich und ein Kühlsystem. Das Kühlsystem umfaßt eine Turbine mit einer Fluideinlaßöffnung und einer Fluidauslaßöffnung und einen Kondensator mit einer Fluideinlaßöffnung und einer Fluidauslaßöffnung. Mithilfe eines ersten Strömungskanals ist die Fluidauslaßöffnung des Kondensators mit der Fluideinlaßöffnung der Turbine strömungstechnisch verbunden. Der erste Strömungskanal umfaßt eine Pumpe. Weiterhin ist mit Hilfe eines zweiten Strömungskanals die Fluidauslaßöffnung der Turbine mit der Fluideinlaßöffnung des Kondensators strömungstechnisch verbunden. Dabei steht der zu kühlende Bereich der Verbrennungsmaschine in thermischer Verbindung mit dem ersten Strömungskanal. Die Verbrennungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Stirlingmaschine zum Betrieb der Pumpe umfaßt.
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Zudem kann die Pumpe eine Fluideinlaßöffnung und eine Fluidauslaßöffnung umfassen. Mithilfe des ersten Strömungskanals kann beispielsweise die Fluidauslaßöffnung der Pumpe mit der Fluideinlaßöffnung der Turbine strömungstechnisch verbunden sein. Mithilfe eines dritten Strömungskanals kann dann die Fluidauslaßöffnung des Kondensators mit der Fluideinlaßöffnung der Pumpe verbunden sein.
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Vorteilhafterweise können der zu kühlende Bereich der Verbrennungsmaschine und/oder der erste Strömungskanal in thermischer Verbindung mit der Stirlingmaschine stehen. Auf diese Weise können ein Teil der Wärme des Abgassystems und/oder des Kühlsystems, insbesondere Wärme des Kühlwassers, zum Betrieb der Stirlingmaschine und damit zum Betrieb der Pumpe genutzt werden. Zum Beispiel kann die Stirlingmaschine ausschließlich mit Hilfe der Restenthalpie des Kühlwassers oder des Abgases angetrieben werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennungsmaschine.
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Die Pumpe kann vorzugsweise für die Durchführung eines Rankine-Kreisprozesses eingesetzt werden. Insbesondere kann die Verbrennungsmaschine ein Abgassystem umfassen, welches den zu kühlenden Bereich umfaßt.
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Der erste Strömungskanal kann insbesondere einen ersten Bereich umfassen, welcher in thermischer Verbindung mit dem zu kühlenden Bereich der Verbrennungsmaschine steht, und einen zweiten Bereich, welcher in thermischer Verbindung mit der Stirlingmaschine steht. Vorzugweise ist der zweite Bereich des ersten Strömungskanal, welcher in thermischer Verbindung mit der Stirlingmaschine steht, dem ersten Bereich des ersten Strömungskanal, welcher in thermischer Verbindung mit dem zu kühlenden Bereich der Verbrennungsmaschine steht, in Strömungsrichtung nachgeordnet.
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Vorteilhafterweise kann die Verbrennungsmaschine eine Antriebswelle und die Turbine eine Kurbelwelle umfassen. Dabei können die Kurbelwelle und Antriebswelle so miteinander verbunden sein, dass die mechanische Energie der Kurbelwelle auf die Antriebswelle übertragbar ist. Auf diese Weise kann ein Teil der Wärme des Abgassystems in mechanische Energie umgewandelt und der Verbrennungsmaschine zur Verfügung gestellt werden.
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Die Verbrennungsmaschine kann insbesondere einen Ottomotor, beispielsweise einen Zwei- oder Viertaktottomotor, oder einen Dieselmotor umfassen. Zudem kann die Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder eine Vorrichtung zur indirekten Kraftstoffeinspritzung umfassen. Darüber hinaus kann die Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur homogenen Kompressionszündung (HCCI) oder eine Vorrichtung zur kontrollierten Selbstzündung (CAI) umfassen.
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Grundsätzlich kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine ein Rankine-Prozeß durchgeführt werden, mit dessen Hilfe Abgaswärme in mechanische Energie umgewandelt und der Verbrennungsmaschine zur Verfügung gestellt wird. Dabei kann die für die Durchführung des Rankine-Prozesses erforderliche Pumpe mit Hilfe einer Stirlingmaschine betrieben werden, die ebenfalls einen Teil der Abgaswärme in mechanische Energie umwandelt.
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Eine Verwendung einer Stirlingmaschine beim Betrieb einer Verbrennungsmaschine bezieht sich auf eine Verbrennungsmaschine, die einen zu kühlenden Bereich und ein Kühlsystem umfaßt. Die Stirlingmaschine ist Teil des Kühlsystems. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung wird Wärme von dem zu kühlenden Bereich der Verbrennungsmaschine und/oder dem Kühlsystem der Stirlingmaschine zugeführt. Beispielsweise kann das Kühlsystem ein Kühlfluid, zum Beispiel Wasser, umfassen. Im Rahmen der Verwendung kann insbesondere Wärme von dem Kühlfluid der Stirlingmaschine zugeführt werden.
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Vorteilhafterweise kann das Kühlsystem eine Pumpe umfassen, die mit Hilfe der Stirlingmaschine betrieben wird. Weiterhin kann ein Kühlfluid mit Hilfe einer Pumpe zu dem zu kühlenden Bereich gepumpt werden. Dabei kann das Kühlfluid insbesondere komprimiert werden beziehungsweise der Druck des Kühlfluids erhöht werden. Darüber hinaus kann das Kühlfluid mit Hilfe des zu kühlenden Bereiches erhitzt werden. Mit Hilfe des erhitzten bzw. überhitzten Kühlfluids kann eine Turbine und/ oder die Stirlingmaschine angetrieben werden.
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Die durch das Antreiben der Turbine gewonnene Energie kann auf eine Antriebswelle der Verbrennungsmaschine übertragen werden. Darüber hinaus kann die durch das Antreiben der Turbine gewonnene Energie zum Betrieb einer Pumpe, beispielsweise der Pumpe des Kühlsystems, verwendet werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Abgasenthalpie zum Betrieb der Pumpe durch den Stirlingprozeß nicht ausreicht, z. B. beim Anfahren bzw. Hochfahren des Systems.
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Zudem kann das Kühlfluid mit Hilfe eines Kondensators verflüssigt werden. Es kann insbesondere bei konstantem Druck und/oder konstanter Temperatur verflüssigt werden. Zum Beispiel kann das gasförmige Kühlfluid, welches die Turbine verläßt, mit Hilfe des Kondensators verflüssigt und anschließend dem Kühlkreislauf wieder zur Verfügung gestellt werden. Das wieder verflüssigte Kühlfluid kann dann wieder zu dem zu kühlenden Bereich geleitet und dort erneut verdichtet und erhitzt werden.
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Vorzugsweise kann die Verbrennungsmaschine ein Abgassystem umfassen, welches von dem zu kühlenden Bereich zusätzlich umfaßt wird. Bei der verwendeten Verbrennungsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Ottomotor, insbesondere einen Zweitakt- oder Viertaktottomotor, oder einen Dieselmotor handeln. Darüber hinaus kann die verwendete Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder eine Vorrichtung zur indirekten Kraftstoffeinspritzung umfassen. Weiterhin kann die verwendete Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur homogenen Kompressionszündung (HCCI) und/oder eine Vorrichtung zur kontrollierten Selbstzündung (CAI) umfassen und/oder eine Abgasturbine mit Kompressor zur Verdichtung der Ansaugluft.
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Im Rahmen der Verwendung kann ein vollständiger Rankine-Prozeß durchgeführt werden. Dabei kann die (Rest-)Abgaswärme der Verbrennungsmaschine nach Verlassen des Kühlsystems der Stirlingmaschine zugeführt werden, die ihrerseits die erforderliche, verhältnismäßig geringe Leistung zum Betrieb einer Speisewasserpumpe zur Verfügung stellt. Mithilfe der Speisewasserpumpe kann Kühlwasser bis zu einem Druck, der deutlich höher ist als der Atmosphärendruck, komprimiert werden. Die verwendete Kühlflüssigkeit, beispielsweise das Kühlwasser, kann mit Hilfe der Wärme von Zylinderkopf/Motorblock, Turboladerkühlung oder Ölkühlung und der Abgaswärme bei konstantem Druck erhitzt und dabei verdampft werden.
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Beim Komprimieren und Verdampfen handelt es sich um die ersten beiden Schritte eines Rankine-Prozesses. Im Rahmen eines Rankine-Prozesses wird in einem dritten Schritt der Dampf über eine Dampfturbine entspannt und dabei mechanische Energie erzeugt. Die auf diese Weise erzeugte mechanische Energie kann beispielsweise auf eine Antriebswelle der Verbrennungsmaschine übertragen werden. Das nach dem Verlassen der Turbine entspannte Gas kann anschließend in einem vierten Schritt des Rankine-Prozesses mit Hilfe eines Kondensators (Verflüssiger) wieder verflüssigt werden. Die Verflüssigung kann insbesondere bei konstantem Druck und bei konstanter Temperatur erfolgen. Die erforderliche Kühlleistung kann z. B. bei Betrieb in einem Kraftfahrzeug durch die mit hohem Volumenstrom vorbeiströmende bzw. durch den Kondensator strömende Außenluft erfolgen. Anschließend kann das verflüssigte Fluid erneut mit Hilfe der Pumpe verdichtet und zu dem zu kühlenden Bereich geleitet werden.
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Im Vergleich mit einer herkömmlichen Verbrennungsmaschine kann die im Rahmen der erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine benötigte kleine Stirlingmaschine mit der von ihr angetriebenen Pumpe eine üblicherweise verwendete Kühlwasserpumpe ersetzen. Bei der von der Stirlingmaschine angetriebenen Pumpe kann es sich vorteilhafterweise um eine Speisewasserpumpe handeln. Der benötigte Kondensator kann weiterhin anstelle des herkömmlichen Kühlers eingesetzt werden. Da die einzige verwendete Wasserpumpe, nämlich die Speisewasserpumpe, nicht mechanisch betrieben werden muß, wird die gesamte Effizienz der Verbrennungsmaschine erhöht. Weiterhin kann mit Hilfe der Stirlingmaschine eine Ölpumpe betrieben werden.
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Grundsätzlich kann mit einer erfindungsgemäß ausgestatteten Verbrennungsmaschine ein Wirkungsgrad weit oberhalb von 0,5 erzielt werden. Insbesondere ist eine Anwendung im Rahmen von Downsizing z. B. ein 1,0 Liter abgasturboaufgeladenen Dreizylindermotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung möglich, wodurch konventionelle 2,0 Liter Vierzylindermotoren mit indirekter Kraftstoffeinspritzung ersetzt werden können, wobei ein ähnliches Niveau von Drehmoment und Leistung bei deutlich verringertem Verbrauch erzielt werden kann.
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Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Die dabei beschriebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.
- 1 zeigt schematisch einen Teil einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine.
- 2 zeigt schematisch einen Teil einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine.
- 3 zeigt schematisch einen Teil einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch einen Teil einer Verbrennungsmaschine 1. Die Verbrennungsmaschine 1 umfaßt einen zu kühlenden Bereich 2. Der zu kühlende Bereich 2 kann beispielsweise ein Gesamtsystem aus durchströmten Zylinderkopf-/Zylinderblock, Abgasturbine, Ölwanne und Abgassystem sein. Weiterhin umfaßt die Verbrennungsmaschine 1 ein Kühlsystem 3.
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Das Kühlsystem 3 umfaßt eine Pumpe 10, beispielsweise eine Speisewasserpumpe, eine Turbine 4, einen Kondensator 7 und eine Stirlingmaschine 18. Die Pumpe 10 umfaßt eine Fluideinlaßöffnung 11 und eine Fluidauslaßöffnung 12. Die Turbine 4 umfaßt eine Fluideinlaßöffnung 5 und eine Fluidauslaßöffnung 6. Der Kondensator 7 umfaßt eine Fluideinlaßöffnung 8 und eine Fluidauslaßöffnung 9.
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Die Fluidauslaßöffnung 12 der Pumpe 10 ist mit Hilfe eines ersten Strömungskanals 13 strömungstechnisch mit der Fluideinlaßöffnung 5 der Turbine 4 verbunden. Weiterhin ist die Fluidauslaßöffnung 6 der Turbine 4 mit Hilfe eines zweiten Strömungskanals 14 strömungstechnisch mit der Fluideinlaßöffnung 8 des Kondensators 7 verbunden. Die Fluidauslaßöffnung 9 des Kondensators 7 ist mit Hilfe eines dritten Strömungskanals 15 strömungstechnisch mit der Fluideinlaßöffnung 11 der Pumpe 10 verbunden. Durch die Strömungskanäle 13, 14, 15 fließt ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, dessen Strömungsrichtung durch Pfeile 21 gekennzeichnet ist.
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Der zu kühlende Bereich 2 ist thermisch mit dem ersten Strömungskanal 13 verbunden, so dass eine Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Bereich 2 auf den ersten Strömungskanal 13 und damit auf das im Inneren des ersten Strömungskanals 13 befindliche Kühlfluid erfolgen kann. Die Wärmeübertragung ist durch Pfeile 19 gekennzeichnet.
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Darüber hinaus steht der zu kühlende Bereich 2 in thermischer Verbindung mit der Stirlingmaschine 18, so dass eine Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Bereich 2 auf die Stirlingmaschine 18 erfolgen kann. Die Wärmeübertragung ebenfalls durch Pfeile 20 gekennzeichnet. Mithilfe der Stirlingmaschine 18 wird die Pumpe 10 betrieben. Dies ist durch einen Pfeil 22 gekennzeichnet.
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Mit Hilfe der Pumpe 10 wird das Kühlfluid komprimiert und durch die Fluidauslaßöffnung 12 in den ersten Strömungskanal 13 geleitet. Durch die Wärmeübertragung 19 von dem zu kühlenden Bereich 2 auf den ersten Strömungskanal 13 wird das Kühlfluid im Inneren des ersten Strömungskanals 13 erhitzt und verdampft. Der so erzeugte Wasserdampf wird durch die Fluideinlaßöffnung 5 in die Turbine 4 geleitet und dort entspannt, wobei die Turbine 4 mit Hilfe des Wasserdampfes angetrieben wird.
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Die Turbine 4 umfaßt eine Kurbelwelle 16, die mit Hilfe des Wasserdampfes in eine Drehbewegung 16 versetzt wird. Ein Teil der dabei erzeugten mechanischen Energie kann sowohl auf eine Antriebswelle der Verbrennungsmaschine 1 übertragen werden, als auch zum Betreiben der Pumpe 10 verwendet werden. Die mögliche Verwendung eines Teils der mit Hilfe der Turbine 4 erzeugten mechanischen Energie zum Betrieb der Pumpe 10 ist durch einen gestrichelten Pfeil 23 gekennzeichnet.
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Das die Turbine durch die Fluidauslaßöffnung 6 verlassende Kühlfluid, insbesondere in Form von Wasserdampf, wird anschließend durch den zweiten Strömungskanal 14 zu der Fluideinlaßöffnung 8 des Kondensators 7 geleitet. Im Inneren des Kondensators 7 wird das Kühlfluid bei konstantem Druck und konstanter Temperatur verflüssigt. Anschließend verläßt das verflüssigte Kühlfluid den Kondensator 7 durch die Fluidauslaßöffnung 9 und wird über den dritten Strömungskanal 15 zu der Fluideinlaßöffnung 11 der Pumpe 10 geleitet und dem Rankine-Kreislauf erneut zur Verfügung gestellt.
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Die 2 zeigt schematisch einen Teil einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine 100. Die in der 2 gezeigte Verbrennungsmaschine 100 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten Verbrennungsmaschine 1 dadurch, dass die Fluidauslaßöffnung 9 des Kondensators 7 mit Hilfe eines ersten Strömungskanals 13 mit der Fluideinlaßöffnung 5 der Turbine 4 verbunden ist. Der erste Strömungskanal 13 umfaßt die Pumpe 10. Die Pumpe 10 wird mit Hilfe der Stirlingmaschine 18 angetrieben. Dies ist durch einen Pfeil 22 gekennzeichnet. Bei der Stirlingmaschine 18 kann es sich beispielsweise um einen Stirlingmotor handeln.
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Von einem zu kühlenden Bereich 2 der Verbrennungsmaschine 100 wird Wärme auf ein den ersten Strömungskanal 13 durchfließendes Kühlfluid, beispielsweise Wasser, übertragen. Dies ist durch Pfeile 19 gekennzeichnet. Weiterhin wird von dem zu kühlenden Bereich 2 Wärme zur Stirlingmaschine 18 hin übertragen. Dies ist durch Pfeile 20 gekennzeichnet. Dabei kann es sich beispielsweise um Abgasrestwärme handeln. Grundsätzlich kann der zu kühlende Bereich, von welchem Wärme 19 auf das Kühlfluid übertragen wird, von dem zu kühlenden Bereich, von welchem Wärme 20 auf die Stirlingmaschine übertragen wird, verschieden sein.
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Zusätzlich kann Wärme von dem erwärmten Kühlfluid zur Stirlingmaschine 18 hin übertragen werden. Dies ist durch Pfeile 24 gekennzeichnet. Dazu umfaßt der erste Strömungskanal 13 einen ersten Bereich 13 a, welcher in thermischer Verbindung 19 mit dem zu kühlenden Bereich 2 steht. Weiterhin umfaßt der erste Strömungskanal 13 einen zweiten Bereich 13 b, welcher in thermischer Verbindung 24 mit der Stirlingmaschine 18 steht. Dabei ist der zweite Bereich 13 b dem ersten Bereich 13 a in Strömungsrichtung 21 nachgeordnet. Es erfolgt also zunächst eine Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Bereich 2 auf das Kühlfluid in dem ersten Bereich 13 a des ersten Strömungskanals 13. Anschließend durchfließt das Kühlfluid den zweiten Bereich 13 b des ersten Strömungskanals 13. In dem zweiten Bereich 13 b erfolgt eine Wärmeübertragung 24 von dem Kühlfluid hin zur Stirlingmaschine 18. Insbesondere kann die Pumpe 10 strömungstechnisch zwischen dem ersten Bereich 13 a und dem zweiten Bereich 13 b des ersten Strömungskanals 13 angeordnet sein. Eine alternative Anordnung der Pumpe 10 ist möglich.
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Die 3 zeigt schematisch eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine 200. Die in der 3 gezeigte Verbrennungsmaschine 200 umfaßt einen Verbrennungsmotor 36. Mit Hilfe des Verbrennungsmotors 36 wird eine Antriebswelle 25 in eine Drehbewegung 26 versetzt.
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Der Verbrennungsmotor 36 umfaßt einen Kompressor 28 und eine Abgasturbine 29. Der Kompressor 28 und die Abgasturbine 29 sind über eine Kurbelwelle 30 miteinander verbunden. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Abgasturbine 29 der Kompressor 28 angetrieben. Die dabei mit Hilfe der Kurbelwelle 30 von der Turbine 29 auf den Kompressor 28 übertragene Drehbewegung ist durch einen Pfeil 31 gekennzeichnet. Die dem Kompressor zugeführte Luft ist durch einen Pfeil 32 gekennzeichnet. Die von dem die Turbine 29 verlassenden Abgas abgegebene Wärme ist durch einen Pfeil 33 gekennzeichnet.
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Von dem Kondensator 7 wird ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, durch einen ersten Strömungskanal 13 zu dem Verbrennungsmotor 36 geleitet. Im Rahmen des Verbrennungsmotors 36 wird Wärme von zu kühlenden Bereichen z. B. Zylinderkopf, Zylinderblock, Abgasturbolader, Ölwanne und Abgassystem auf das Kühlfluid übertragen. Das erwärmte Kühlfluid wird anschließend über die Pumpe 10 zu einem Wärmetauscher 27 weitergeleitet. Im Rahmen des Wärmetauschers 27 wird die Restwärme von dem Kühlfluid auf eine Stirlingmaschine 18, beispielsweise einen Stirlingmotor übertragen. Die Wärmeübertragung von dem Kühlfluid zur Stirlingmaschine 18 ist durch einen Pfeil 34 gekennzeichnet.
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Zuerst kann jedoch die Restabgaswärme nach der Turbine unmittelbar auf das den Strömungskanal 13 durchfließende Kühlfluid übertragen werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe des Wärmetauschers 27 erfolgen. Dies ist in der 3 durch den Pfeil 33 gekennzeichnet. Das den Wärmetauscher 27 verlassende Kühlfluid kann also durch zu kühlende Bereiche im Rahmen des Verbrennungsmotors 36 und durch Wärmeübertragung vom Abgas 33 erwärmt sein.
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Das erwärmte Kühlfluid wird anschließend zur Turbine 4 weitergeleitet. Im Rahmen der Turbine 4 wird mit Hilfe des erwärmten oder erhitzten Kühlfluids eine Kurbelwelle 16 angetrieben. Die Kurbelwelle 16 der Turbine 4 kann mit der Antriebswelle 25 des Verbrennungsmotors 36 mechanisch verbunden sein. Bei der Turbine 4 kann es sich beispielsweise um eine Dampfturbine handeln. Das die Turbine 4 verlassende Kühlfluid wird anschließend mit Hilfe des zweiten Strömungskanals 14 zum Kondensator 7 weitergeleitet. Im Rahmen des Kondensators 7 wird das Kühlfluid abgekühlt. Dabei erfolgt ein Wärmeaustausch 35 zwischen dem Kondensator und der Umgebung. Bei einer Ausführung des Systems als Fahrzeugantrieb kann dazu die bei hohen Geschwindigkeiten vorbeiströmende Außenluft z. B. am Unterboden des Fahrzeugs genutzt werden.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsvarianten können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bei der verwendeten Verbrennungsmaschine 1 kann es sich um einen Ottomotor beispielsweise einen Zweitakt- oder Viertaktottomotor oder einen Dieselmotor handeln. Die Verbrennungsmaschine 1 kann eine Vorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder eine Vorrichtung zur indirekten Kraftstoffeinspritzung umfassen. Darüber hinaus kann die Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur homogenen Kompressionszündung (HCCI) und/oder eine Vorrichtung zur kontrollierten Selbstzündung (CAI) und/oder eine Vorrichtung zur Abgasturboaufladung umfassen.
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Insgesamt wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine effektive Nutzung der Abgaswärme einer Verbrennungsmaschine erreicht und damit der Wirkungsgrad erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmaschine
- 2
- zu kühlender Bereich
- 3
- Kühlsystem
- 4
- Turbine
- 5
- Fluideinlaßöffnung
- 6
- Fluidauslaßöffnung
- 7
- Kondensator
- 8
- Fluideinlaßöffnung
- 9
- Fluidauslaßöffnung
- 10
- Pumpe
- 11
- Fluideinlaßöffnung
- 12
- Fluidauslaßöffnung
- 13
- erster Strömungskanal
- 13a
- erster Bereich
- 13b
- zweiter Bereich
- 14
- zweiter Strömungskanal
- 15
- dritter Strömungskanal
- 16
- Kurbelwelle
- 17
- Drehbewegung
- 18
- Stirlingmaschine
- 19
- Wärmeübertragung zum Kühlfluid
- 20
- Wärmeübertragung zur Stirlingmaschine
- 21
- Strömungsrichtung des Kühlfluids
- 22
- Antrieb der Pumpe mit Hilfe der Stirlingmaschine
- 23
- Antrieb der Pumpe mit Hilfe der Turbine
- 24
- Wärmeübertragung zur Stirlingmaschine
- 25
- Antriebswelle
- 26
- Drehbewegung
- 27
- Wärmetauscher
- 28
- Kompressor
- 29
- Abgasturbine
- 30
- Kurbelwelle
- 31
- Drehbewegung
- 32
- Luftzufuhr
- 33
- Wärmeübertragung vom Abgas zum Wärmetauscher
- 34
- Wärmeübertragung vom Wärmetauscher zur Stirlingmaschine
- 35
- Wärmeaustausch zwischen dem Kondensator und der Umgebung
- 36
- Verbrennungsmotor
- 100
- Verbrennungsmaschine
- 200
- Verbrennungsmaschine
