AT512922B1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Hauptverbrennungskammer (1) zum Verbrennen eines ersten Brenngemisches (BG1), wenigstens einer Vorverbrennungskammer (2) je Hauptverbrennungskammer (1) zum Verbrennen eines zweiten Brenngemisches (BG2), einem ersten Brenngasmischer (24) zur Bereitstellung des ersten Brenngemisches (BG1), welche mit einer Treibstoffzuleitung (4) und einer Luftzuleitung (5) verbunden ist, einem zweiten Brenngasmischer (25) zur Bereitstellung des zweiten Brenngemisches (BG2), welche mit einer Treibstoffzuleitung (4). einer Luftzuleitung (5) und einer Synthesegaszuleitung (6) verbunden ist, und einer ersten Gemischleitung (10), welche mit dem ersten Brenngasmischer (24) und der Hauptverbrennungskammer (1) verbunden ist, einer zweiten Gemischleitung (10'), welche mit dem zweiten Brenngasmischer (25) und der Vorverbrennungskammer (2) verbunden ist, wobei die Vorverbrennungskammer (2) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (33) in die Hauptverbrennungskammer (1) aufweist, wobei der erste Brenngasmischer (24) zur Beimischung von Synthesegas (S) mit der Synthesegaszuleitung (6) verbunden ist und dass eine Steuereinrichtung (31) oder eine Regeleinrichtung (31) zur Steuerung oder Regelung von Mischverhältnissen von Treibstoff, Luft und Synthesegas im ersten Brenngemisch (BG1) und/oder im zweiten Brenngemisch (BG2) vorgesehen ist, welche mit dem ersten Brenngasmischer (24) und/oder mit dem zweiten Brenngasmischer (25) verbunden ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 512 922 B1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Verbrennungsmotors.

[0002] In der EP 359 298 A2 wird ein Verbrennungsmotor mit einer Hauptverbrennungskammer und einer Vorverbrennungskammer offengelegt, bei dem der Vorverbrennungskammer aus einem Reformer ein Synthesegas zugeführt wird. Da das Synthesegas wasserstoffhaltig ist, wird hierdurch das Zündverhalten des Verbrennungsmotors verbessert.

[0003] In der WO 2008/150370 A1 wird ein Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung offengelegt, wobei das Abgas stofflich zusammen mit Treibstoff in einem Reformer zu Synthesegas reformiert wird. Dies dient der Reduktion unerwünschter Emissionen im Abgas des Verbrennungsmotors.

[0004] Die Nutzung beider oben beschriebenen positiven Effekte ist schwierig, da je nach Betriebspunkt des Verbrennungsmotors der optimale Synthesegasanteil im Brenngas für beide Effekte unterschiedlich ist. Des Weiteren ist die gasmotorische Verwertung von Synthesegasen beschränkt durch Selbstzündungsereignisse in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung (H2, CO, CH4, Kohlenwasserstoffe mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen sowie Wasserdampf) und des Motorbetriebes (Leistung, Aufladung, ...) sowie durch Klopfen in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beiden oben beschriebenen positiven Effekte gemeinsam optimal nutzbar zu machen und die genannten Einschränkungen ganz oder teilweise aufzuheben.

[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

[0007] Dies geschieht einerseits indem nicht nur der Vorverbrennungskammer sondern auch der Hauptverbrennungskammer zumindest anteilig Synthesegas zugeführt wird und andererseits dadurch, dass - vorzugsweise in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors - die Brenngaszusammensetzungen für die Hauptverbrennungskammer und die Vorverbrennungskammer durch zwei getrennte Brenngasmischer unabhängig voneinander einstellbar sind.

[0008] Durch die Regelung oder Steuerung des Synthesegasanteils kann der optimale Betriebspunkt für den Verbrennungsmotor erreicht werden. Dieser ergibt sich einerseits aus der Zunahme des verbrennungstechnischen Motorwirkungsgrades mit zunehmendem Synthesegasanteil, das heißt zunehmendem Wasserstoffgehalt im Brenngas. Andererseits nimmt mit höherem Synthesegasanteil der energetischen Wirkungsgrad der Anlage ab, da im Reformer höhere Verluste auftreten. Dieser Zusammenhang ist in Figur 2 verdeutlicht.

[0009] In der US 2004/0045514 A1 wird ein Verbrennungsmotor offengelegt, wobei sowohl der Hauptverbrennungskammer als auch der Vorverbrennungskammer weiterverarbeitete Reaktionsprodukte aus einem Reformer zugeführt werden, wobei zum Einen dem Flüssigtreibstoff für die Hauptverbrennungskammer eine hohe Oktanzahl verliehen werden soll und zum Anderen die Zündung verbessert werden soll. Es ist aber weder eine Steuerung noch eine Regelung der Mischverhältnisse vorgesehen.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0011] Um der Steuereinrichtung oder Regeleinrichtung möglichst viel Information bezüglich des Zustands des Motors zur Verfügung zu stellen, können Volumenstrommessgeräte in der Treibstoffzuleitung und/oder in der Luftzuleitung und/oder in der Abgasleitung und/oder in der Dampfzuleitung und/oder in der Synthesegaszuleitung vorgesehen sein, welche mit der Regeleinrichtung oder Steuereinrichtung verbunden sind. Die Volumenstrommessgeräte können 1 /8 österreichisches Patentamt AT512 922B1 2013-12-15 auch als Volumenstromregelventile ausgebildet sein, welche zusätzlich zur Volumenstrommessung über ein Stellventil und einen Regelkreis verfügen.

[0012] Bevorzugt ist vorgesehen, dass in der Steuereinrichtung oder Regeleinrichtung Sollmischverhältnisse berechenbar sind und die Mischverhältnisse von Treibstoff, Luft und/oder Synthesegas im ersten Brenngasmischer des Verbrennungsmotors und im zweiten Brenngasmischer des Verbrennungsmotors gemäß den Sollmischverhältnissen regelbar oder steuerbar sind. Die Sollmischverhältnisse unterscheiden sich je nach Betriebspunkt und Anwendungsgebiet sowie natürlich für die Hauptverbrennungskammer und die Vorverbrennungskammer des Motors.

[0013] Durch entsprechende Einstellung einer definierten Brenngaszusammensetzung für die jeweilige Anwendungen (hohe Motorleistung, hoher Motorwirkungsgrad, niedrige Emissionen) soll ein optimaler Motorbetrieb in Abhängigkeit des eingesetzten Treibstoffes und der Emissionsvorgaben ermöglicht werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn jeweils die Anteile an Wasserstoff Kohlenstoffmonoxid und Methan sowie höhere Kohlenwasserstoffe innerhalb gewisser Konzentrationslimits eingestellt werden.

[0014] Um beispielsweise einen Gasmotor für möglichst niedrige Schadstoffemissionen zu optimieren, kann das erste Brenngemisch für die Hauptverbrennungskammer (Sollbrenngaszusammensetzung) einen Anteil an 20 % bis 30 % Wasserstoff und einen Anteil von 5 % bis 10 % Kohlenmonoxid umfassen. (Alle Prozentangaben beziehen sich auf Volumenanteile.) [0015] Als zweites Beispiel ist ein Gasmotor für den Betrieb mit Treibstoff, der neben Methan auch höhere Kohlenwasserstoffe beinhaltet, anzuführen, wobei eine möglichst hohe Motorleistung erreicht werden soll. In diesem Fall kann die Sollbrenngaszusammensetzung des ersten Brenngemisches Anteile von 35 % bis 45 % Wasserstoff, 5 % bis 10 % Kohlenmonoxid und maximal 5 % höhere Kohlenwasserstoffe aufweisen.

[0016] Für ein verbessertes Zündverhalten und für die Emissionsverminderung eines Gasmotors kann die Sollbrenngaszusammensetzung des zweiten Brenngemisches für die Vorverbrennungskammer 25 % bis 40 % Wasserstoff, 5 % bis 10 % Kohlenmonoxid und 20 % bis 30 % Methan beinhalten.

[0017] Um für die Steuereinrichtung oder Regeleinrichtung die Zusammensetzung des Synthesegases gut abschätzbar zu machen, kann zur Berechnung der Sollmischverhältnisse eine Reformertransferfunktion eingesetzt werden. Hierdurch wird ein aufwändiges Messen der verschiedenen Konzentrationen der Bestandteile des Synthesegases vermieden, indem die Konzentrationen der verschiedenen Bestandteile des produzierten Synthesegases in Abhängigkeit der Volumenströme der in den Reformer gerichteten Stoffströme und der Ein- und Austrittstemperatur im Reformer als Werte der Reformertransferfunktion berechnet werden. Die Reformertransferfunktion kann durch Messungen oder thermodynamische Simulationen generiert werden.

[0018] Um das Zündverhalten in der Vorverbrennungskammer weiter zu verbessern, kann in der zweiten Gemischleitung ein Verdichter angeordnet sein, wodurch ein höherer Einspritzdruck in der Vorverbrennungskammer erreichbar ist.

[0019] Es kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor einen Reformer zur Synthesegasproduktion aufweist, welcher mit einer Treibstoffzuleitung und einer Luftzuleitung verbunden ist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der Reformer außerdem mit einer Wasserzuleitung und/oder einer Abgasleitung verbunden ist. Durch die Rückführung des Abgases in den Reformer wird der Anlagenwirkungsgrad erhöht.

[0020] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen: [0021] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors und 2/8 österreichisches Patentamt AT512 922 B1 2013-12-15 [0022] Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des optimalen Betriebspunkts eines erfin dungsgemäßen Verbrennungsmotors.

[0023] Figur 1 zeigt die Verschaltung einer Verbrennungsmotor-Reformer-Anlage. Gezeigt sind die Hauptverbrennungskammer 1, die Vorverbrennungskammer 2 sowie der Reformer 3. Dem Verbrennungsmotor 30 werden über die Luftzuleitungen 5 Luft L zugeführt, über die Treibstoffzuleitungen 4 Treibstoff aus einem Treibstoffreservoir T zugeführt sowie über die Synthesegaszuleitung 6 Synthesegas S zugeführt. Der erste Brenngasmischer 24 und der zweite Brenngasmischer 25 mischen daraus das erste Brenngemisch BG1 bzw. das zweite Brenngemisch BG2. Das erste Brenngemisch BG1 wird der Hauptverbrennungskammer 1 über die erste Gemischleitung 10 zugeführt und das zweite Brenngemisch BG2 wird der Vorverbrennungskammer 2 über die zweite Gemischleitung 10' zugeführt. Wird das zweite Brenngemisch BG2 in der Vorkammer 2 gezündet, tritt durch die Durchtrittsöffnung 33 eine Zündfackel, welche das erste Brenngemisch BG1 in der Hauptverbrennungskammer 1 zündet. Des Weiteren kann der Verbrennungsmotor 30 einen Verdichter 26 in der zweiten Gemischleitung 10' sowie einen Turbolader 27 aufweisen. Das Abgas A des Verbrennungsmotors 30 wird über die Abgasleitung 9 abgeführt.

[0024] Die Mischungsverhältnisse für den ersten Brenngasmischer 24 und den zweiten Brenngasmischer 25 werden in der Steuer- oder Regeleinrichtung 31 bestimmt, wobei diese mit beiden Brenngasmischern verbunden ist. Nicht dargestellt sind die Verbindungen der Regel- oder Steuereinrichtung 31 mit allen Volumenstromregelventilen 32, da dies zeichnerisch schwierig wäre und nicht zum Verständnis beitragen würde. Es befindet sind je wenigsten sein Volumenstromregelventil 32 in der Treibstoffzuleitung 4, der Luftzuleitung 5, der Synthesegaszuleitung 6, der Dampfzuleitung 8 sowie der Abgasleitung 9. Mit Hilfe der in den Volumenstromregelventile 32 geregelten Volumenströme und ggf. mit Hilfe einer Reformertransferfunktion ist die Steuereinheit 31 in der Lage die Mischverhältnisse so einzustellen, dass die gewünschten Konzentrationen an Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan usw. in den Brenngemischen vorliegen.

[0025] In diesem Ausführungsbeispiel wird über eine Luftzuleitung 5 und eine Abgasleitung 9 der weiteren Mischeinrichtung 18 Luft und Abgas aus dem Verbrennungsmotor 30 zugeführt. Daraus wird in der weiteren Mischeinrichtung 18 ein erster Stoffstrom gemischt und über die Zuleitung 11 weitergeleitet.

[0026] Aus einem Wasserreservoir W wird mit Hilfe der Pumpe 36 Wasser über eine Wasserzuleitung 7 einem Verdampfer 20 zugeführt. Dieser Verdampfer 20 kann verschiedenartig ausgeführt sein. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Verdampfer 20 als ein Wärmetauscher in Wärmekopplung mit der Abgasleitung 9 oder als ein Wärmetauscher in Wärmekopplung mit der Synthesegasleitung 6 ausgeführt ist.

[0027] In der Wasserzuleitung 7 ist ein Heizelement 23 angeordnet. Auch dieses kann als Wärmetauscher ausgebildet sein. Dabei kann der Heizelement 23 dann in Wärmekopplung mit der Synthesegasleitung 6 zwischen erstem Kühlelement 16 und zweitem Kühlelement 17 oder in Wärmekopplung mit dem ersten Kühlelement 16 stehen.

[0028] Der im Verdampfer 20 erzeugte Wasserdampf wird über eine Dampfzuleitung 8 der weiteren Mischeinrichtung 19 zugeführt. Über eine Treibstoff leitu ng 4 wird der weiteren Mischeinrichtung 19 außerdem Treibstoff zugeführt. In der weiteren Mischeinrichtung 19 wird aus Dampf und Treibstoff ein zweiter Stoffstrom gemischt und über die zweite Zuleitung 12 weitergeleitet.

[0029] Der weiteren ist der Mischeinrichtung 19 in der Treibstoff leitu ng 4 ein Vorwärmelement 21 vorgeschaltet, welches als Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Dabei kann das Vorwärmelement in Wärmekopplung mit dem ersten Kühlelement 16, mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors und/oder mit der Synthesegasleitung 6 ausgebildet sein. Der Kühlkreislauf ist nicht dargestellt, da dieser im Stand der Technik wohlbekannt ist.

[0030] Über eine Luftzuleitung 5 und eine Abgasleitung 9 wird der weiteren Mischeinrichtung 18 Luft und Abgas aus dem Verbrennungsmotor 30 zugeführt. Daraus wird in der weiteren Misch- 3/8 österreichisches Patentamt AT512 922B1 2013-12-15 einrichtung 18 der erste Stoffstrom gemischt und über die Zuleitung 11 weitergeleitet.

[0031] Die erste Zuleitung 11 und die zweite Zuleitung 12 münden, nachdem sie den ersten Wärmetauscher 13 bzw. den zweiten Wärmetauscher 14 durchlaufen haben, in die Mischeinrichtung 28. Hierin wird ein Gemisch hergestellt, welches über die Gemischleitung 29 dem Reformer 3 zugeführt wird. Die aus dem Reformer 3 führende Synthesegaszuleitung 6 führt durch den ersten Wärmetauscher 13 sowie den zweiten Wärmetauscher 14, wobei als Umgehung um den zweiten Wärmetauscher 14 eine Bypass-Leitung 22 vorgesehen ist. Außerdem ist in der Synthesegaszuleitung 6 die Synthesegaskühlung 15 angeordnet, welche aus dem ersten Kühlelement 16 und dem zweiten Kühlelement 17 besteht.

[0032] Mit Hilfe des Erwärmungselementes 34 in der Synthesegaszuleitung 6 nach der Synthesegaskühlung kann das Synthesegas wieder erwärmt werden. Durch die Abfolge von Abkühlung, Wasserabscheidung und Erwärmung kann die relative Feuchte des Synthesegases auf dem für den Motor geeigneten Niveau gehalten werden.

[0033] In der Abgasleitung 9 ist ein Wärmetauscher 21 angeordnet.

[0034] In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Luftzuleitung 5 ein Verdichter 35 angeordnet.

[0035] In Fig. 2 ist das qualitative Verhalten einerseits des Wirkungsgrades der Gesamtanlage und andererseits der verbrennungstechnische Effizienz dargestellt. Dabei steigt die verbrennungstechnische Effizienz durch Beimischung von Synthesegas, während der Wirkungsgrad der gesamten Anlage bei Erhöhung des Synthesegasanteils im Brenngas. Der optimale Betriebspunkt findet sich im Bereich zwischen den vertikalen Linien, welcher dem Bereich entspricht in dem sich die beiden Graphen schneiden.

[0036] Die Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere kann die Zusammensetzung des Brenngases auch durch eine direkte Messung oder eine mitlaufende Simulation des Reformers ermittelt werden. Diese Mess- bzw. Simulationswerte können dann an die Steuer- oder Regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Mischverhältnisse übermittelt werden. 4/8

Claims (13)

1. österreichisches Patentamt AT512 922 B1 2013-12-15 Patentansprüche 1. Verbrennungsmotor mit - wenigstens einer Hauptverbrennungskammer (1) zum Verbrennen eines ersten Brenngemisches (BG1), - wenigstens einer Vorverbrennungskammer (2) je Hauptverbrennungskammer (1) zum Verbrennen eines zweiten Brenngemisches (BG2), - einem ersten Brenngasmischer (24) zur Bereitstellung des ersten Brenngemisches (BG1), welche mit einer Treibstoffzuleitung (4) und einer Luftzuleitung (5) verbunden ist, - einem zweiten Brenngasmischer (25) zur Bereitstellung des zweiten Brenngemisches (BG2), welche mit einer Treibstoffzuleitung (4), einer Luftzuleitung (5) und einer Synthesegaszuleitung (6) verbunden ist, und - einer ersten Gemischleitung (10), welche mit dem ersten Brenngasmischer (24) und der Hauptverbrennungskammer (1) verbunden ist, - einer zweiten Gemischleitung (10'), welche mit dem zweiten Brenngasmischer (25) und der Vorverbrennungskammer (2) verbunden ist, wobei die Vorverbrennungskammer (2) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (33) in die Hauptverbrennungskammer (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brenngasmischer (24) zur Beimischung von Synthesegas (S) mit der Synthesegaszuleitung (6) verbunden ist und dass eine Steuereinrichtung (31) oder eine Regeleinrichtung (31) zur Steuerung oder Regelung von Mischverhältnissen von Treibstoff, Luft und Synthesegas im ersten Brenngemisch (BG1) und/oder im zweiten Brenngemisch (BG2) vorgesehen ist, welche mit dem ersten Brenngasmischer (24) und/oder mit dem zweiten Brenngasmischer (25) verbunden ist.
2. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je wenigstens ein Volumenstrommessgerät (32) in der Treibstoffzuleitung (4) und/oder in der Luftzuleitung (5) und/oder einer Abgasleitung (9) und/oder einer Dampfzuleitung (8) und/oder in der Synthesegaszuleitung (6) vorgesehen ist, welches mit der Regeleinrichtung (31) oder Steuereinrichtung (31) verbunden ist.
3. 3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (31) oder Regeleinrichtung (31) Sollmischverhältnisse aufgrund von Volumenströmen berechenbar sind, wobei die Volumenströme von dem wenigstens einen Volumenstrommessgerät (32) messbar sind, und die Mischverhältnisse von Treibstoff, Luft und Synthesegas im ersten Brenngasmischer (24) und im zweiten Brenngasmischer (25) gemäß den Sollmischverhältnissen regelbar oder steuerbar sind.
4. 4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollmischverhältnisse zur Erreichung der Sollbrenngaszusammensetzung in der Regeleinrichtung (31) oder der Steuereinrichtung (31) mit Hilfe einer Reformertransferfunktion berechenbar sind.
5. 5. Verbrennungsmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Gemischleitung (10') ein Verdichter (26) angeordnet ist.
6. 6. Verbrennungsmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformer (3) zur Synthesegasproduktion vorgesehen ist, welcher mit einer Treibstoffzuleitung (4) und einer Luftzuleitung (5) verbunden ist.
7. 7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) mit einer Dampfzuleitung (8) und/oder einer Abgasleitung (9) verbunden ist.
8. 8. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (30), wobei - ein erstes Brenngemisch (BG1) und ein zweites Brenngemisch (BG2) aus einem Treibstoff, Luft und einem Synthesegas (S) gemischt werden und - das erste Brenngemisch (BG1) einer Hauptverbrennungskammer (1) zugeführt wird und das zweite Brenngemisch (BG2) einer Vorverbrennungskammer (2) zugeführt wird. 5/8 österreichisches Patentamt AT512 922B1 2013-12-15
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei je wenigstens ein Volumenstrom in einer Treibstoffzuleitung (4) und/oder in einer Luftzuleitung (5) und/oder in einer Abgasleitung (9) und/oder in einer Dampfzuleitung (8) und/oder in einer Synthesegaszuleitung (6) gemessen wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Sollmischverhältnisse von Treibstoff, Luft und Synthesegas (S) aufgrund des wenigstens einen gemessenen Volumenstroms für Mischverhältnisse des ersten Brenngemisches (BG1) und/oder des zweiten Brenngemisches (BG2) berechnet werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Sollmischverhältnisse zur Erreichung der Sollbrenngaszusammensetzung mit Hilfe einer Reformertransferfunktion berechnet werden.
12. 12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das zweite Brenngemisch (BG2) vor der Zuführung zur Vorverbrennungskammer verdichtet wird.
13. 13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Synthesegas (S) in einem Reformer (3) hergestellt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 6/8