DE102021100968A1

DE102021100968A1 - Brennkraftmaschine und Fahrzeug mit Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021100968A1
Application number: DE102021100968.5A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Brandes-Grote; Andreas Grote; Frank Schürg; André Casal Kulzer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10) für ein Fahrzeug (11), aufweisend eine Brennkammer (60, 61) für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank (13), eine Zuführleitung (14) zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank (13) zur Brennkammer (60, 61) vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen und eine Kühlmittelpumpe (29) zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank (13) durch die Zuführleitung (14) in Richtung der Brennkammer (60, 61), wobei die Kühlmittelpumpe (29) im Kühlmitteltank (13) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug (11) mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, aufweisend eine Brennkammer für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank und eine Zuführleitung zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
Zur Erfüllung heutiger und insbesondere zukünftiger Emissionsstandards ist es notwendig, Brennkraftmaschinen, die nach ottomotorischem Prinzip arbeiten, kennfeldweit stöchiometrisch zu betreiben. Das gilt insbesondere mit Blick auf aktuelle Gesetzgebungen. Um über das gesamte Kennfeld einen stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten zu können, helfen Maßnahmen zur Absenkung der Abgastemperatur im Hochlast-Bereich der Brennkraftmaschine. Damit können Bauteile wie ein Abgasturbolader vor Überhitzung geschützt und Komponenten zur Abgasnachbehandlung in einem akzeptablen Temperaturbereich gehalten werden. Darüber hinaus können damit irreguläre Verbrennungsphänomene wie eine Vorentflammung verhindert werden.
Um die Abgastemperaturen zu verringern, sind eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze bekannt. Neben einem unterstöchiometrischen Betrieb mit Lambda < 1 und der Abgasrückführung (AGR) in verschiedenen Varianten wie Niederdruck-AGR, Hochdruck-AGR oder chemisch aktivierte AGR können zusätzlich zu Frischgas und Kraftstoff noch beispielsweise Wasser oder ein Wassergemisch als Kühlmittel zum Brennraum bzw. zur Brennkammer der Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Insbesondere bei mobilen Anwendungen ist es wünschenswert, Hilfsvorrichtungen möglichst platzsparend bereitzustellen. Außerdem soll stets eine möglichst hohe Betriebssicherheit erreicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Kühlmitteleinspritzung in einer Brennkraftmaschine auf möglichst kompakte Weise und/oder mit möglichst hoher Betriebssicherheit zu ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und das Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Brennkammer bzw. wenigstens eine Brennkammer für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank und eine Zuführleitung zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen. Die Brennkraftmaschine weist ferner eine Kühlmittelpumpe zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank durch die Zuführleitung in Richtung der Brennkammer auf, wobei die Kühlmittelpumpe im Kühlmitteltank angeordnet ist.
Versuche im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass eine Positionierung der Kühlmittelpumpe im Kühlmitteltank bzw. in einem Tankvolumen des Kühlmitteltanks entscheidende Vorteile mit sich bringt. Zunächst kann die Kühlmittelpumpe im Kühlmitteltank besonders platzsparend in der Brennkraftmaschine installiert werden. Damit kann eine entsprechend kompakte Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus lässt sich durch die Positionierung der Kühlmittelpumpe innerhalb des Kühlmitteltanks eine Dampfblasenbildung vermeiden oder im Vergleich zu bekannten Systemen zumindest reduzieren. Dampfblasen entstehen, wenn das Kühlmittel aufgrund eines zu geringen Massenstroms in der Zuführleitung bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck zunächst punktuell verdampft. Durch die Positionierung der Kühlmittelpumpe möglichst nahe bzw. wie vorgeschlagen sogar innerhalb des Kühlmitteltanks kann die Bildung dieser Dampfblasen verhindert bzw. auf das gewünschte Maß reduziert werden.
Die Kühlmittelpumpe ist mit Bezug auf die Gravitationsrichtung und die Verwendung der Brennkraftmaschine im Fahrzeug vorzugsweise an der tiefsten Stelle und/oder am Boden des Kühlmitteltanks angeordnet. Der Kühlmitteltank kann zumindest teilweise mit vorzugsweise destilliertem und/oder demineralisiertem Wasser oder einem Wassergemisch als Kühlmittel gefüllt sein. Das Kühlmittel ist bei Umgebungstemperatur über 0°C und Umgebungsdruck vorzugsweise flüssig und besteht vorzugsweise aus einem nicht-brennbaren Stoff. Die Brennkraftmaschine ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Verbrennungsmotor als solchen beschränkt zu betrachten. Vielmehr können auch Funktionsbauteile in der Peripherie eines konventionellen Verbrennungsmotors wie der Kühlmitteltank, unterschiedliche Fluidleitungen, Ventil- und Steuerschaltungen als der Brennkraftmaschine zugeordnet betrachtet werden. Unter der Abgastemperatur ist die Temperatur des Abgases aus der Brennkammer zu verstehen. Unter dem Reduzieren der Abgastemperatur kann mithin auch das Reduzieren einer Verbrennungstemperatur in der Brennkammer verstanden werden.
Vorzugsweise sind alle Komponenten und insbesondere die Zuführleitung thermisch isoliert und/oder heizbar ausgeführt, sodass auch bei längeren Zeiträumen ohne Kühlmittel-Zufuhr zur Brennkammer stehendes Kühlmittel temperiert bleibt und/oder werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennkraftmaschine die Kühlmittelpumpe in einen aktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe Kühlmittel durch die Zuführleitung pumpt, und in einen deaktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe kein Kühlmittel durch die Zuführleitung pumpt, einstellbar ist, wobei die Brennkraftmaschine ein Rückschlagventil, zum Halten eines im aktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe erzeugten Systemdrucks in der Zuführleitung auch im deaktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe in der Zuführleitung, aufweist. Durch das Rückschlagventil ist es möglich, dass ein einmal aufgebauter Systemdruck auch beim Abschalten der Kühlmittelpumpe aufrechterhalten wird, wenn kein Kühlmittel entnommen bzw. in die Zuführleitung gepumpt wird. Während das Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe durch die Zuführleitung gepumpte ist auch der Kühlmittel-Massenstrom einstellbar.
Weiterhin ist es bei einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Rückschlagventil in und/oder an der Kühlmittelpumpe ausgestaltet ist. Durch die Positionierung des Rückschlagventils in der Kühlmittelpumpe und/oder als Bestandteil der Kühlmittelpumpe kann das Rückschlagventil bauraumoptimiert und vor Umgebungseinflüssen geschützt zur Verfügung gestellt werden.
Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen bzw. wenigstens einen Einlasskanal zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die Brennkammer und einen bzw. wenigstens einen Injektor zum Einspritzen des Kühlmittels aus der Zuführleitung in den wenigstens einen Einlasskanal aufweisen, wobei die Kühlmittelpumpe zum Komprimieren des Kühlmittels auf den Betriebsdruck des Injektors konfiguriert ist. Die Kühlmittelpumpe ist insbesondere zum Komprimieren des Kühlmittels auf einen Wert in einem Bereich nahe des Einspritzdrucks des Injektors, beispielsweise zwischen 8 bar und 12 bar, insbesondere ca. 10 bar, konfiguriert. Auf eine Drucksteuerung und/oder Druckregelung am Injektor kann damit verzichtet werden. Der Injektor lässt sich im Vergleich zu einer Positionierung direkt in der Brennkammer relativ flexibel am Einlasskanal positionieren. Damit kann eine indirekte Kühlmitteleinspritzung mittels Injektor über den Einlasskanal im Vergleich zu einer Kühlmitteleinspritzung direkt in die Brennkammer auf einfache und kompakte Weise realisiert werden. Bei der Verwendung eines Injektors ist es ferner möglich, nur einen Injektor an einer Position vor dem Brennraum zu platzieren, an welcher noch keine Aufteilung des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Frischgases auf die einzelnen Zylinder bzw. Brennkammern erfolgt ist. Eine solche Position kann beispielsweise an einem Sammler der Brennkraftmaschine sein. Für die indirekte Einspritzung kann ein Injektor verwendet werden, der für Einspritzdrücke von weniger als 50 bar konfiguriert ist. Damit können relativ kostengünstige Injektoren verwendet werden. Der Injektor kann in seinen geometrischen Eigenschaften derart ausgelegt werden, dass der Kühlmittelstrahl beim Aufbrechen nach dem Verlassen des Injektors in den Einlasskanal in möglichst viele Tropfen, deren Durchmesser vorzugsweise im Bereich weniger hundertstel Millimeter liegen, zerfällt. Der Injektor weist für die erfindungsgemäße Verwendung ein Verschlussmittel auf, das zum Verschließen von Düsenlöchern des Injektors über einen vordefinierbaren Zeitraum, in welchem kein Kühlmittel in den Einlasskanal eingespritzt werden soll, konfiguriert ist. Die Brennkraftmaschine kann wenigstens eine weitere Brennkammer, wenigstens einen weiteren Einlasskanal zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die wenigstens eine weitere Brennkammer und wenigstens einen weiteren Injektor zum Einspritzen des Kühlmittels in den Einlasskanal aufweisen, wobei der Zuführleitungsabschnitt eine Leitungsverzweigung zum Zuführen des durch den wenigstens einen Wärmetauscher temperierten Kühlmittels zum Injektor und zu dem wenigstens einen weiteren Injektor aufweist. Damit kann die gewünschte Kühlmittelzufuhr zu mehreren Injektoren kompakt zur Verfügung gestellt werden.
An der Zuführleitung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zum direkten Zuführen des Kühlmittels in die Brennkammer ein Injektor ausgestaltet sein, wobei die Kühlmittelpumpe zum Komprimieren des Kühlmittels auf einen Kühlmitteldruck oberhalb des zum Einspritzzeitpunkt vorherrschenden Brennraumdrucks, insbesondere im Bereich des Einspritzdrucks, beispielsweise mehr als 90 bar, und bevorzugt in einem Bereich zwischen 90 bar und 300 bar, konfiguriert ist.
Hinsichtlich des einzustellenden Kühlmitteldrucks kann es von Vorteil sein, wenn die Brennkraftmaschine einen Drucksensor und/oder einen Temperatursensor zum Messen des Drucks und/oder der Temperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung stromabwärts der Kühlmittelpumpe sowie einen Controller zum Einstellen der Kühlmittelpumpe abhängig vom gemessenen Druck und/oder der gemessenen Temperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung aufweist. Die Kühlmittelpumpe kann anhand der ermittelten Temperatur und des ermittelten Drucks des Kühlmittels insbesondere zum Verhindern eines Phasenübergangs von einer flüssigen Phase in eine gasförmige Phase des Kühlmittels in der Zuführleitung stromaufwärts des Injektors eingestellt werden. Um den Phasenübergang möglichst kennfeldweit zu verhindern, kann ein Massenstrom des Kühlmittels durch die Zuführleitung auch abhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine und/oder einem gewählten Einspritzdruck zum Einspritzen des Kühlmittels in die Brennkammer oder einen Einlasskanal der Brennkraftmaschine gesteuert und/oder geregelt werden. Um eine Verdampfung des Kühlmittels direkt am Austritt des Injektors und/oder der Injektoren zu erzielen, kann der Controller dahingehend konfiguriert sein, dass der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdruck in Kombination mit der Temperatur des Kühlmittels am Austritt der Injektoren für einen schlagartigen Umschlag von der flüssigen Phase in der Zuführleitung bzw. einem Zuführleitungsabschnitt stromaufwärts des Injektors in die gasförmige Phase im Einlasskanal oder in der Brennkammer stromabwärts des Injektors erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Brennkraftmaschine einen Füllstandsensor zum Ermitteln des Kühlmittelfüllstandes im Kühlmitteltank und einen Controller zum Einstellen der Kühlmittelpumpe abhängig vom ermittelten Kühlmittelfüllstand im Kühlmitteltank aufweist. So kann die Kühlmittelpumpe beispielsweise mit reduzierter Leistung oder gar nicht mehr betrieben werden, wenn ein zu geringer Kühlmittelfüllstand ermittelt bzw. erkannt wird. Damit können ein unnötiger Leistungsverbrauch der Kühlmittelpumpe verhindert und die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe verlängert werden.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann ferner einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, einer im Turbinengehäuse angeordneten Turbine, einem Verdichtergehäuse und einem im Verdichtergehäuse angeordneten Verdichter, sowie wenigstens einen Wärmetauscher für einen Wärmetransport von Abgas im Turbinengehäuse auf das Kühlmittel in der Zuführleitung aufweisen. Der Wärmetauscher kann demnach eine Hülle bzw. ein weiteres Gehäuse um das Turbinengehäuse umfassen, wodurch sich eine Kammer mit einem Hohlraum zwischen einer Innenseite des weiteren Gehäuses bzw. der Kammer und einer Außenseite des Turbinengehäuses ergibt. Dieser Hohlraum kann einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweisen und als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Die heiße Seite des Wärmetauschers kann in diesem Fall innerhalb des inneren Turbinengehäuses ausgestaltet sein. Das Kühlmittel, das zur Absenkung der Abgastemperatur sowie zur Vermeidung von irregulären Verbrennungsphänomenen in die Brennkammer bzw. in den Verbrennungsprozess eingebracht wird, kann demnach, zum Erreichen der gewünschten feinen Zerstäubung und/oder Verdampfung des Kühlmittels vor dem Einbringen in die Brennkammer, zunächst am Turbinengehäuse entlang bzw. durch den Hohlraum hindurch geleitet werden, um dort mithilfe der Abgaswärme des Abgases an der Turbine erhitzt zu werden. Der Wärmetauscher oder ein Teil des Wärmetauschers kann damit auch als Teil der Zuführleitung und/oder als integraler Bestandteil des Turbinengehäuses ausgestaltet sein. Durch den Einsatz des dem Verbrennungsprozess zuzuführenden Kühlmittels am Turbinengehäuse kann das Kühlmittel effektiv und effizient erhitzt werden. Außerdem kann damit die Bauteiltemperatur des Turbinengehäuses sowie des Abgasturboladers gesenkt werden. Das Material des Turbinengehäuses kann damit auf geringere Temperaturen als bislang üblich ausgelegt werden. Damit können das Gewicht reduziert und die Kosten gesenkt werden. Zudem bedeutet ein nach außen hin kühleres Turbinengehäuse, dass die Abschirmung zu anderen peripheren Komponenten der Brennkraftmaschine geringer ausfallen kann. Damit können eine Gewichtsersparnis sowie eine kompaktere Bauweise der Brennkraftmaschine erreicht werden. Die den Hohlraum begrenzenden Wände und/oder das weitere Gehäuses sind zur Beaufschlagung mit Temperaturen von 1000°C oder mehr sowie für einen geeigneten Wärmetransport von dem Abgas an der Turbine auf das Kühlmittel im Hohlraum ausgestaltet.
Die Wärmequelle und der Wärmetauscher sind zum Aufheizen des Kühlmittels auf eine Temperatur von vorzugsweise über 100°C konfiguriert und ausgestaltet. Das Temperieren des Kühlmittels auf eine ausreichend hohe Temperatur vor dem Einbringen in die Brennkammer ist eine besonders effektive Maßnahme bzw. Vorbereitungsmaßnahme, um das Kühlmittel anschließend in Form von Nebel mit möglichst geringen Tropfendurchmessern von wenigen hundertstel Millimetern oder gasförmig in die Brennkammer einzubringen. Hierbei kann verhindert werden, dass das Kühlmittel in flüssiger Form an den Brennraumwänden anhaften kann. Entsprechend kann auch verhindert werden, dass Kühlmittel entlang der Zylinderlaufbuchsen in das Zylinderkurbelgehäuse gelangt, wodurch das Motoröl keine Verdünnung erfährt und der Zylinderkurbelgehäusedruck auf einem gewünscht niedrigen Druck verbleibt. Damit werden der Kurbeltrieb, das Blow-By-System und der Ölabscheider geschont, was wiederum Bauteil- und Motorschäden durch Verbrennungsphänomene wie Vorentflammungen vorbeugt. Trotzdem lässt sich die Brennkraftmaschine kennfeldweit stöchiometrisch betreiben, was für eine Einhaltung aktueller und zukünftiger Grenzwerte für Schadstoff-Emissionen von besonderem Vorteil ist.
Als Wärmequelle können neben dem Turbinengehäuse bzw. dem Abgas im Turbinengehäuse zusätzlich oder alternativ noch weitere Funktionsbauteile der Brennkraftmaschine verwendet werden. So kann die wenigstens eine Wärmequelle beispielsweise einen Abgaskrümmer aufweisen, an welchem der Wärmetauscher ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher kann einen wie vorstehend beschriebenen Hohlraum am Abgaskrümmer umfassen, wobei der Hohlraum dadurch entsteht, dass eine zweite Hülle bzw. eine Kammer um den Abgaskrümmer ausgestaltet ist. Der Hohlraum kann in diesem Fall als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Der Krümmerkanal zum Leiten des Abgases durch den Abgaskrümmer kann als heiße Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Der Abgaskrümmer ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Brennkraftmaschine als natürlich beatmete Brennkraftmaschine oder eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Aufladung nicht mit einem Abgasturbolader erfolgt, ausgestaltet ist. Die wenigstens eine Wärmequelle kann ferner Komponenten zur Abgasnachbehandlung von Abgas aus der Brennkraftmaschine aufweisen. In diesem Fall umfasst die Brennkraftmaschine entsprechend Bauteile, die einer klassischen Brennkraftmaschine sonst nicht zuzuordnen sind. So kann die Wärmequelle einen 3-Wege-Katalysator umfassen, der mit Rohren durchzogen ist, um die Wärme des Abgases und die Wärme, die aufgrund möglicher Exothermen im Katalysator entsteht, auf das Kühlmittel zu transportieren bzw. zu übertragen. Auch der Ölkühler eines Fahrzeugs kann als Wärmequelle zur Erhitzung des Kühlmittels dienen.
Darüber hinaus kann die Wärmequelle den Verdichter eines Abgasturboladers umfassen. Hier kann das Kühlmittel über die Frischgasseite bzw. den Verdichter geheizt und insbesondere vorgeheizt werden. Der Wärmetauscher am Verdichter umfasst in diesem Fall eine Hülle bzw. ein Gehäuse um den Verdichter bzw. um das obligatorische Verdichtergehäuse, um das Kühlmittel am Verdichter entlang führen zu können. Der in der Hülle gebildete Fluidkanal kann als kalte Seite des Wärmetauschers verstanden werden. Eine beim Einsatz des Verdichtergehäuses zur Erhitzung des Kühlmittels einhergehende Abkühlung des komprimierten Frischgases entlastet sowohl die Materialien zwischen Verdichter und gattungsgemäßem Ladeluftkühler als auch einen etwaigen Ladeluftkühler und damit den Rückkühlbedarf des Fahrzeugs selbst. Je nach Fahrzeugkonfiguration ist der Verdichter auch näher am Zylinderkopf als die Turbine des Abgasturboladers, wodurch kürzere Leitungslängen zwischen Kühlmittelaustritt aus der Hülle bzw. einer Kammer der Hülle und Injektoren, über die das Kühlmittel dem Verbrennungsprozess zugeführt werden kann, realisiert werden können. Darunter, dass der Wärmetauscher für einen Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine auf das Kühlmittel in der Zuführleitung ausgestaltet ist soll insbesondere verstanden werden, dass der Wärmetauscher konfiguriert und ausgestaltet ist, den Wärmetransport von wenigstens einer Wärmequelle der Brennkraftmaschine auf das Kühlmittel, das in der Zuführleitung geführt wird, zu bewirken.
Weiterhin ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Rückführleitung zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung zurück zum Kühlmitteltank und eine Ventilanordnung zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank aufweist, wobei der Controller konfiguriert ist, das durch den Wärmetauscher temperierte Kühlmittel abhängig vom ermittelten Kühlmittelfüllstand durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank zu leiten. Unter Verwendung der Ventilanordnung und der Rückführleitung ist es möglich, bei einem geringen Füllstand das verbleibende Kühlmittel zumindest noch zum Kühlen der Wärmequelle zu verwenden. So ist es beispielsweise möglich, dass das Kühlmittel unter Verwendung der Ventilanordnung wahlweise vollständig zur Brennkammer bzw. zur wenigstens einen Brennkammer, teilweise zurück zum Kühlmitteltank und teilweise weiter zur Brennkammer, oder, bei beispielsweise einem zu geringen Füllstand, zwar zum Wärmetauscher geleitet, von dort aber wieder vollständig zurück in den Kühlmitteltank geleitet wird.
Außerdem kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des ermittelten Kühlmittelfüllstandes mit einem Referenzfüllstand aufweisen, wobei der Controller konfiguriert ist, Kühlmittel durch die Zuführleitung durch den Wärmetauscher und über die Ventilanordnung durch die Rückführleitung vollständig zurück zum Kühlmitteltank zu leiten, wenn der Kühlmittelfüllstand niedriger als der Referenzfüllstand ist. Damit kann das Kühlmittel auch bei einem niedrigen Füllstand verwendet werden, um die Wärmequelle zu kühlen. Mittels des Controllers kann die zur Verfügung stehende Leistung der Brennkraftmaschine mithin dahingehend begrenzt werden, dass keine zu hohen Abgastemperaturen erzielt werden und auch möglichst keine irregulären Verbrennungsphänomene auftreten. Diese Lösung kann insbesondere dann realisiert werden, wenn das Kühlmittel nicht komplett aufgebraucht werden soll, also die Leistung schon reduziert wird, bevor sich kein Kühlmittel mehr im Kühlmitteltank befindet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventilanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ein 3-Wege-Ventil aufweisen und/oder als ein solches ausgestaltet sein, wobei das 3-Wege-Ventil zum kontrollierten Leiten des durch den Wärmetauscher temperierten Kühlmittels durch die Zuführleitung zur Brennkammer und/oder durch die Rückführleitung zurück zum Kühlmitteltank mit der Zuführleitung und der Rückführleitung verbunden ist. Das 3-Wege-Ventil ermöglicht eine besonders einfache und kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Lösung. Das 3-Wege-Ventil kann als Verbindungsventil und/oder Verbindungsglied zum mechanischen und fluidtechnischen Verbinden der Zuführleitung mit der Rückführleitung verstanden werden.
Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ein Temperiermittel zum Temperieren des Kühlmitteltanks und/oder des Kühlmittels im Kühlmitteltank aufweisen. Damit kann beispielsweise ein Einfrieren des Kühlmittels im Kühlmitteltank verhindert werden. Somit können der Kühlmitteltank und die Kühlmittelpumpe vor Schäden durch gefrorenes Kühlmittel geschützt werden. Die Brennkraftmaschine kann einen Temperatursensor zum Ermitteln der Kühlmitteltemperatur im Kühlmitteltank aufweisen, wobei der Controller zum Ansteuern des Temperiermittels anhand der ermittelten Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank zum Temperieren des Kühlmitteltanks und/oder des Kühlmittels konfiguriert sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einer wie vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beschrieben worden sind. Das Fahrzeug ist insbesondere in Form eines Straßenfahrzeugs wie beispielsweise eines PKW oder LKW ausgestaltet. Das Fahrzeug kann eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines niedrigen Kühlmittelfüllstandes und/oder zum Anzeigen einer durch den Controller reduzierten Leistung der Brennkraftmaschine für den Fahrer des Fahrzeugs aufweisen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
3 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt die erfindungswesentlichen Details einer Brennkraftmaschine 10 für ein Fahrzeug 11, das in 3 dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 10 weist mehrere Brennkammern 60, 61 für eine jeweilige Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern 60, 61, einen Kühlmitteltank 13 und eine Zuführleitung 14 zum Zuführen von Kühlmittel aus dem Kühlmitteltank 13 zu den Brennkammern 60, 61 auf. Das Kühlmittel wird vor oder während der Kraftstoffverbrennung bzw. für die Kraftstoffverbrennung in den Brennkammern 60, 61 zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen während der Kraftstoffverbrennung eingespritzt bzw. den Brennkammern 60, 61 zugeführt. Die gezeigte Brennkraftmaschine 10 weist ferner eine Kühlmittelpumpe 29 zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank 13 durch die Zuführleitung 14 in Richtung der Brennkammern 60, 61 auf, wobei die Kühlmittelpumpe 29 im Kühlmitteltank 13 angeordnet ist.
Die dargestellte Brennkraftmaschine 10 weist außerdem einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse 18, einer im Turbinengehäuse 18 angeordneten Turbine 19 (nicht im Detail dargestellt), einem Verdichtergehäuse 20 und einem im Verdichtergehäuse 20 angeordneten Verdichter 21 (nicht im Detail dargestellt) auf. Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Wärmetauscher 15 für einen Wärmetransport von einer Wärmequelle in Form des Abgases im Turbinengehäuse 18 auf das Kühlmittel in der Zuführleitung 14 auf. Der Wärmetauscher 15 ist hierzu am Turbinengehäuse 18 sowie als Teil des Turbinengehäuses 18 ausgestaltet. Genauer gesagt weist der Wärmetauscher 15 ein zusätzliches Gehäuse 62 am Turbinengehäuse 18 auf, wodurch sich zwischen dem zusätzlichen Gehäuse 62 und dem Turbinengehäuse 18 eine Kammer 63 ergibt, durch die das Kühlmittel zum Temperieren des Kühlmittels geleitet werden kann. Die Kammer 63 kann folglich als Teil der Zuführleitung 14 betrachtet werden. Die Kammer 63 bzw. das Volumen innerhalb der Kammer 63 kann als kalte Seite des Wärmetauschers 15 betrachtet werden. Das Turbinengehäuse 18 bzw. das Volumen innerhalb des Turbinengehäuses 18 kann als heiße Seite des Wärmetauschers 15 betrachtet werden.
Die gezeigte Brennkraftmaschine 10 umfasst ferner eine Rückführleitung 16 zum Leiten von Kühlmittel aus der Zuführleitung 14 zurück zum Kühlmitteltank 13 und eine Ventilanordnung 17 zum kontrollierten Leiten von durch den Wärmetauscher 15 temperiertem Kühlmittel durch die Zuführleitung 14 zu den Brennkammern 60, 61 und/oder durch die Rückführleitung 16 zurück zum Kühlmitteltank 13. Die Ventilanordnung 17 ist in Form eines 3-Wege-Ventils ausgestaltet, das zum kontrollierten Leiten des durch den Wärmetauscher 15 temperierten Kühlmittels durch die Zuführleitung 14 zu den Brennkammern 60, 61 und/oder durch die Rückführleitung 16 zurück zum Kühlmitteltank 13 mit der Zuführleitung 14 und der Rückführleitung 16 verbunden ist. Das heißt, das Kühlmittel kann wahlweise durch die Rückführleitung 16 vollständig zurück in den Kühlmitteltank 13, durch die Zuführleitung 14 vollständig weiter zu den Brennkammern 60, 61 oder teilweise zurück zum Kühlmitteltank 13 und teilweise weiter zu den Brennkammern 60, 61 geleitet werden.
Die gezeigte Brennkraftmaschine 10 umfasst ferner einen ersten Einlasskanal 22 zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in eine erste Brennkammer 60 und einen zweiten Einlasskanal 24 zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in eine zweite Brennkammer 61. Die Zuführleitung 14 weist einen Zuführleitungsabschnitt 46 zum Leiten des Kühlmittels zum ersten Einlasskanal 22 und zum zweiten Einlasskanal 24 auf. Am Zuführleitungsabschnitt 46 sind ein erster Injektor 23 zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt 46 in den ersten Einlasskanal 22 und ein zweiter Injektor 25 zum Einspritzen des Kühlmittels aus dem Zuführleitungsabschnitt 46 in den zweiten Einlasskanal 24 ausgestaltet, wobei die Injektoren 23, 25 über eine Leitungsverzweigung 26 des Zuführleitungsabschnitts 46 mit Kühlmittel versorgt werden können. Im Kühlmitteltank 13 ist ein Füllstandsensor 12 zum Ermitteln eines Kühlmittelfüllstands im Kühlmitteltank 13 bereitgestellt.
Die Rückführleitung 16 ist an einer an die Umgebung der Brennkraftmaschine 10 angrenzenden Außenseite der Brennkraftmaschine 10 ausgestaltet. Ferner weist die gezeigte Brennkraftmaschine 10 eine Kühleinheit 27 zum aktiven Kühlen des Kühlmittels in der Rückführleitung 16 stromabwärts der Ventilanordnung 17 und stromaufwärts des Kühlmitteltanks 13 auf. Wie ferner in 1 gezeigt, weist die Brennkraftmaschine 10 einen Temperatursensor 28 zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13, ein Temperiermittel 53 zum Temperieren und insbesondere zum aktiven Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13 und einen Controller 30 auf. Der Controller 30 ist konfiguriert, anhand einer ermittelten Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank 13 das Temperiermittel 53 dahingehend anzusteuern, dass das Kühlmittel im Kühlmitteltank 13 auf eine vordefinierbare Temperatur erwärmt wird. So kann das Kühlmittel im Kühlmitteltank 13 beispielsweise erwärmt werden, sobald mittels des Temperatursensors 28 erkannt wird, dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmitteltank unter beispielsweise 5°C fällt bzw. ist. Der Controller 30 ist ferner zum Einstellen der Kühlmittelpumpe 29 abhängig vom ermittelten Kühlmittelfüllstand im Kühlmitteltank 13 konfiguriert.
Stromaufwärts des Turbinengehäuses 18 sind ferner ein Temperatursensor 47 und ein Drucksensor 48 für Druck- und Temperaturmessungen im Zuführleitungsabschnitt 46 ausgestaltet. Der Controller 30 ist zum Einstellen der Kühlmittelpumpe 29 abhängig vom gemessenen Druck und abhängig von der gemessenen Temperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung 14 konfiguriert. Ein weiterer Drucksensor 35 ist im Kühlmitteltank 13 angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor 36 ist am Zuführleitungsabschnitt 46 stromabwärts des Turbinengehäuses 18 bzw. des Wärmetauschers 15 und stromaufwärts der Ventilanordnung 17 ausgestaltet. Die Kühlmittelpumpe 29 ist zum Komprimieren des Kühlmittels auf den Betriebsdruck der Injektoren 23, 25, beispielsweise auf 10 bar, konfiguriert.
In 2 ist eine Brennkraftmaschine 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, bei welcher das Kühlmittel nicht über den Einlasskanal 22, sondern direkt in die Brennkammer 60 eingespritzt wird. Die Kühlmittelpumpe 29 ist in einen aktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe 29 Kühlmittel durch die Zuführleitung 14 pumpt, und in einen deaktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe 29 kein Kühlmittel durch die Zuführleitung 14 pumpt, einstellbar, wobei die Kühlmittelpumpe 29 ein Rückschlagventil 44 aufweist, unter Verwendung von welchem ein im aktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe 29 erzeugter Systemdruck in der Zuführleitung 14 auch im deaktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe 29 in der Zuführleitung 14 aufrechterhalten werden kann. Die in 2 gezeigte Kühlmittelpumpe ist am Boden des Kühlmitteltanks 13 angeordnet.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Brennkraftmaschine (10) für ein Fahrzeug (11), aufweisend eine Brennkammer (60, 61) für eine Kraftstoffverbrennung, einen Kühlmitteltank (13) und eine Zuführleitung (14) zum Zuführen von Kühlmittel vom Kühlmitteltank (13) zur Brennkammer vor oder während der Kraftstoffverbrennung zum Reduzieren einer Abgastemperatur während der Kraftstoffverbrennung und/oder zum Verhindern von irregulären Verbrennungsphänomenen, gekennzeichnet durch eine Kühlmittelpumpe (29) zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteltank (13) durch die Zuführleitung (14) in Richtung der Brennkammer, wobei die Kühlmittelpumpe (29) im Kühlmitteltank (13) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (29) in einen aktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe (29) Kühlmittel durch die Zuführleitung (14) pumpt, und in einen deaktivierten Zustand, in welchem die Kühlmittelpumpe (29) kein Kühlmittel durch die Zuführleitung (14) pumpt, einstellbar ist, wobei die Brennkraftmaschine (10) ein Rückschlagventil (44) zum Halten eines im aktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe (29) erzeugten Systemdrucks in der Zuführleitung (14) auch im deaktivierten Zustand der Kühlmittelpumpe (29) in der Zuführleitung (14) aufweist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil in und/oder an der Kühlmittelpumpe (29) ausgestaltet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Einlasskanal (22, 24) zum Leiten eines Kraftstoffgemisches oder von Frischgas in die Brennkammer und einen Injektor (23, 25) zum Einspritzen des Kühlmittels aus der Zuführleitung (14) in den Einlasskanal (22, 24), wobei die Kühlmittelpumpe (29) zum Komprimieren des Kühlmittels auf den Betriebsdruck des Injektors (23, 25) konfiguriert ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zuführleitung (14) ein Injektor (23) zum direkten Zuführen des Kühlmittels in die Brennkammer ausgestaltet ist und die Kühlmittelpumpe (29) zum Komprimieren des Kühlmittels auf einen Kühlmitteldruck oberhalb des zum Einspritzzeitpunkt vorherrschenden Brennraumdrucks konfiguriert ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (48) und/oder einen Temperatursensor (47) zum Messen des Drucks und/oder der Temperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung (14) stromabwärts der Kühlmittelpumpe (29) und einen Controller (30) zum Einstellen der Kühlmittelpumpe (29) abhängig vom gemessenen Druck und/oder der gemessenen Temperatur des Kühlmittels in der Zuführleitung (14).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Füllstandsensor (12) zum Ermitteln des Kühlmittelfüllstandes im Kühlmitteltank (13) und einen Controller (30) zum Einstellen der Kühlmittelpumpe (29) abhängig vom ermittelten Kühlmittelfüllstand im Kühlmitteltank (13).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse (18), einer im Turbinengehäuse (18) angeordneten Turbine (19), einem Verdichtergehäuse (20) und einem im Verdichtergehäuse (20) angeordneten Verdichter (21) und einen Wärmetauscher (15) für einen Wärmetransport von Abgas im Turbinengehäuse (18) auf das Kühlmittel in der Zuführleitung (14).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Temperiermittel (53) zum Temperieren des Kühlmitteltanks (13) und/oder des Kühlmittels im Kühlmitteltank (13).
Fahrzeug (11) mit einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.