AT525804B1 - Method for operating a gas-powered internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, bei welcher Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisenden Abgasturbolader (7), wobei Abgaswärme eines Auslasssystems (3) und/oder eines Abgasrückführsystems (6) der Brennkraftmaschine (1) mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus (ORC) arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit einer bestimmten Kombination von Parametern betrieben wird.The invention relates to a method for operating a gas-powered internal combustion engine, in which fuel is introduced into the combustion chamber at the end of the compression stroke in gaseous compressed form, with at least one gas exchange opening per cylinder, with at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbine (72) and one Compressor (71) having an exhaust gas turbocharger (7), wherein exhaust gas heat of an exhaust system (3) and/or an exhaust gas recirculation system (6) of the internal combustion engine (1) is recovered with a waste heat recovery device (5) operating according to an organic Rankine cycle (ORC), thereby characterized in that the internal combustion engine (1) is operated in at least one defined operating point with a specific combination of parameters.
Description
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER GASBETRIEBENEN BRENNKRAFTMASCHINE METHOD OF OPERATING A GAS-FUEL INTERNAL ENGINE
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine und eine gasbetriebene Brennkraftmaschine bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, zumindest einem Kraftsstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei Abgaswärme des Auslasssystems und/oder des Abgasrückführsystems der Brennkraftmaschine mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung rückgewonnen wird. The invention relates to a method for operating a gas-powered internal combustion engine and a gas-powered internal combustion engine in which the fuel is introduced into the combustion chamber at the end of the compression stroke in gaseous compressed form, with at least one gas exchange opening per cylinder, at least one fuel injector, with at least one one Exhaust gas turbine and an exhaust gas turbocharger having a compressor, exhaust heat from the exhaust system and/or the exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine being recovered with a waste heat recovery device operating according to an organic Rankine cycle.
[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei vorzugsweise die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung zwischen einem Einlasssystem und einem Auslasssystem aufweist, sowie mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung zur Rückgewinnung von Abgaswärme aus dem Abgassystem und/oder dem Abgasrückführsystem, welche Abwärmerückgewinnungseinrichtung einen Kreislauf für ein Arbeitsmedium mit zumindest einer Pumpe, zumindest einem Verdampfer, zumindest einem Expander und zumindest einem Kondensator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen dieser Brennkraftmaschine. The invention also relates to a gas-operated internal combustion engine, in which the fuel is introduced into the combustion chamber in gaseous compressed form at the end of the compression stroke, with at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbine and a compressor, with the internal combustion engine preferably having a Exhaust gas recirculation system with at least one exhaust gas recirculation line between an intake system and an exhaust system, and with a waste heat recovery device operating according to an organic Rankine cycle for recovering exhaust gas heat from the exhaust gas system and/or the exhaust gas recirculation system, which waste heat recovery device has a circuit for a working medium with at least one pump, at least an evaporator, at least one expander and at least one condenser. The invention also relates to a method for designing this internal combustion engine.
[0003] Abwärmerückgewinnungseinrichtungen werden unter anderem bei Straßen-Nutzfahrzeugen eingesetzt, um die Abgas-Abwärme der Brennkraftmaschine unter Verwendung eines einen Verdichter und einen Expander aufweisenden Abgasturboladers im organischen Rankine Zyklus zu nutzen. Dabei wird im Expander, beispielsweise einer Turbine oder einer Kolbenmaschine. mechanische Arbeit verrichtet. [0003] Waste heat recovery devices are used, inter alia, in road commercial vehicles in order to use the exhaust gas waste heat of the internal combustion engine using an exhaust gas turbocharger having a compressor and an expander in the organic Rankine cycle. In this case, in the expander, for example a turbine or a piston machine. mechanical work done.
[0004] Bisher wurden Abwärmerückgewinnungseinrichtungen und gasbetriebene Brennkraftmaschinen unabhängig voneinander entwickelt und optimiert. Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung wurde nachträglich der gasbetriebenen Brennkraftmaschine zugefügt. Nachteilig ist, dass obwohl die gasbetriebene Brennkraftmaschine für sich und die Abwärmerückgewinnungseinrichtung für sich optimiert wurden - der thermische Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus gasbetriebener Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung nicht optimal war. [0004] Hitherto, waste heat recovery devices and gas-fired internal combustion engines have been developed and optimized independently of one another. The waste heat recovery device was added to the gas-powered internal combustion engine after the fact. The disadvantage is that although the gas-powered internal combustion engine and the waste heat recovery device have been optimized for themselves, the thermal efficiency of the overall system made up of gas-powered internal combustion engine and waste heat recovery device was not optimal.
[0005] Dokument DE102009039551 A1 offenbart eine mit Alkoholkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine, bei der das Abgas nach dem Abgas-Katalysator über einen Wärmetauscher geleitet wird, welcher auf der Gegenseite mit dem Alkoholkraftstoff, beispielsweise E85, als Arbeitsmedium durchströmt wird. Diese alkoholbetriebene Brennkraftmaschine operiert jedoch mit anderen Betriebsparametern als eine gasbetriebene Brennkraftmaschine. Document DE102009039551 A1 discloses an internal combustion engine operated with alcohol fuel, in which the exhaust gas is routed after the exhaust gas catalytic converter via a heat exchanger, through which the alcohol fuel, for example E85, flows as the working medium on the opposite side. However, this alcohol-powered internal combustion engine operates with different operating parameters than a gas-powered internal combustion engine.
[0006] Lediglich aus der österreichischen Patentschrift AT522176 B1 wurde ein System aus einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung und einer Brennkraftmaschine optimiert. Bei dieser Brennkraftmaschine handelt es sich jedoch um eine mit Kraftstoffen wie Diesel operierende Brennkraftmaschine, dessen Ergebnisse nicht auf gasbetriebene Brennkraftmaschinen übertragbar sind. Only from the Austrian patent AT522176 B1 a system of a waste heat recovery device and an internal combustion engine was optimized. However, this internal combustion engine is an internal combustion engine that operates with fuels such as diesel, the results of which cannot be transferred to gas-operated internal combustion engines.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, den Gesamtwirkungsgrad des Systems aus gasbetriebener Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung in zumindest einem Betriebspunkt einen thermischen Gesamtwirkungsrad vom mindestens 50% zu erreichen. The object of the invention is to improve the overall efficiency of the system of gas-powered internal combustion engine and waste heat recovery device. In particular, the object of the invention is to achieve an overall thermal efficiency of at least 50% in at least one operating point.
[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die gasbetriebene Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit folgender Kombination von Parametern betrieben wird: According to the invention, this object is achieved in that the gas-powered internal combustion engine, in which the fuel is introduced into the combustion chamber in gaseous compressed form at the end of the compression stroke, is operated in at least one defined operating point with the following combination of parameters:
- Kompressionsverhältnis zwischen 16,5 und 19; - Compression ratio between 16.5 and 19;
- Spitzenverbrennungsdruck von mindestens 200 bar, vorzugsweise zwischen 200 bar und 220 bar, an der Nennleistung; - peak combustion pressure of at least 200 bar, preferably between 200 bar and 220 bar, at rated power;
- Liefergrad von mindestens 90%; - degree of delivery of at least 90%;
- Drallzahl im Brennraum zwischen 0 und 1,6; - swirl number in the combustion chamber between 0 and 1.6;
- Durchflusskoeffizient zumindest einer Gaswechselöffnung: Mindestens 0,068; - flow coefficient of at least one gas exchange opening: at least 0.068;
- Einblasedruck der Kraftstoffinjektoren von mindestens 200 bar und höchstens 350 bar; - injection pressure of the fuel injectors of at least 200 bar and at most 350 bar;
- spezifische Düsendurchflussrate der Kraftstoffinjektoren so, dass diese bei einer Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel und der Nennleistung, bei 280 bar bis 320 bar Einblasedruck, vorzugsweise bei 290 bis 310 bar Einblasedruck resultiert; - Specific nozzle flow rate of the fuel injectors such that this results with an injection duration of 20-30° crank angle and the rated power, at 280 bar to 320 bar injection pressure, preferably at 290 to 310 bar injection pressure;
- maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad mindestens 65%, vorzugsweise mindestens 70%; - Maximum exhaust gas turbocharger efficiency at least 65%, preferably at least 70%;
- Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei 6° bis 14°, vorzugsweise 8° bis 12°, Kurbelwinkel KW nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt; - Beginning of the main fuel injection at the best operating point of the thermal efficiency so that the combustion center (MFB50%) is at 6° to 14°, preferably 8° to 12°, crank angle KW after the dead center (ATDC) of the ignition;
- Aufladung so, dass ein Luftverhältnis von 1,25 - 1,45 im Bereich des maximalen Drehmoments und von 1,40 - 1,60 im Bereich der Nennleistung beträgt. - Supercharging in such a way that the air ratio is 1.25 - 1.45 in the maximum torque range and 1.40 - 1.60 in the nominal power range.
[0009] Kraftstoff ist insbesondere LNG (LNG=Liquified Natural Gas, verflüssigtes Methangas) und/oder CNG (CNG=Compressed Natural Gas, komprimiertes Methangas). Die zumindest eine Gaswechselöffnung pro Zylinder ist zum Ein- oder Auslassen eines Gases in die oder aus der Brennkammer des Zylinders vorgesehen. Als Abgasturbolader wird eine Einrichtung zur Verdichtung der einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft bezeichnet. Der Abgasturbolaser weist zumindest eine Abgasturbine und einen Verdichter auf. Mit der Abgasturbine wird Leistung gewonnen. Die von der Abgasturbine gewonnene Leistung kann über den Verdichter die Ladeluft komprimieren. Der Spitzenverbrennungsdruck ist der maximal vorliegende Druck und entsteht üblicherweise kurz nach der Zündung. Er liegt grundsätzlich um ein Mehrfaches höher als der effektive und der innere Mitteldruck und steht immer nur für kurze Zeit an. Der Liefergrad beschreibt bei der Brennkraftmaschine das Verhältnis der nach Abschluss eines Ladungswechsels tatsächlich im Zylinder enthaltenen Frischladung zur theoretisch maximal möglichen Füllung. Der Durchflusskoeffizient ist ein Maß für den erzielbaren Durchsatz einer Flüssigkeit oder eines Gases durch die zumindest eine Gaswechselöffnung. Der Wert des Durchflusskoeffizienten wird in der Einheit m°/h angegeben und ist als effektiver Querschnitt interpretierbar. Der Einblasedruck des zumindest einen Kraftstoffinjektors beträgt maximal 290 - 350 bar an der Nennleistungsbegrenzung. Unterhalb der Nennleistung erfolgt eine Reduktion des Einblasedrucks, jedoch auf nicht weniger als 200 bar. Als Verbrennungsschwerpunkt wird der Zeitpunkt bezeichnet, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Die Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel bedeutet, dass die Dauer, die der Kraftstoffinjektor Kraftstoff einbläst, der Dauer entspricht, in der die Kurbel einen Kurbelwinkel einer Größe zwischen 20° und 30° überstreicht. Mit einer gegebenen Drehzahl folgt aus dieser drehzahlunabhängigen Definition die Einblasedauer in Sekunden. Das Luftverhältnis ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Verbrennungslehre, die das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff relativ zum jeweils stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess angibt. Das Luftverhältnis setzt die tatsächlich zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse, die für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird. [0009]Fuel is in particular LNG (LNG=Liquified Natural Gas, liquefied methane gas) and/or CNG (CNG=Compressed Natural Gas, compressed methane gas). The at least one gas exchange opening per cylinder is provided for letting a gas in or out of the combustion chamber of the cylinder. A device for compressing the air supplied to an internal combustion engine is referred to as an exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbolaser has at least one exhaust gas turbine and a compressor. Power is gained with the exhaust gas turbine. The power generated by the exhaust gas turbine can compress the charge air via the compressor. The peak combustion pressure is the maximum pressure present and usually occurs shortly after ignition. In principle, it is several times higher than the effective and mean internal pressure and is only present for a short time. In the case of the internal combustion engine, the degree of delivery describes the ratio of the fresh charge actually contained in the cylinder after completion of a gas exchange to the theoretically maximum possible charge. The flow coefficient is a measure of the achievable throughput of a liquid or a gas through the at least one gas exchange opening. The value of the flow coefficient is given in the unit m°/h and can be interpreted as the effective cross-section. The injection pressure of the at least one fuel injector is a maximum of 290-350 bar at the nominal power limit. Below the rated output, the injection pressure is reduced, but to no less than 200 bar. The point in time at which 50% of the fuel mass used has burned is referred to as the focal point of combustion. The injection duration of 20-30° crank angle means that the duration that the fuel injector injects fuel corresponds to the duration in which the crank sweeps a crank angle of a magnitude between 20° and 30°. With a given speed, the injection duration in seconds follows from this speed-independent definition. The air ratio is a dimensionless number from the theory of combustion, which indicates the mass ratio of air to fuel relative to the respective stoichiometrically ideal ratio for a theoretically complete combustion process. The air ratio puts the air mass actually available in relation to the minimum necessary air mass that is theoretically required for stoichiometrically complete combustion.
[0010] Als Nennleistung wird, die maximale Leistung der Brennkraftmaschine bei einer gegebenen Drehzahl verstanden. [0010] Rated power is understood to mean the maximum power of the internal combustion engine at a given speed.
[0011] Weist die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem, insbesondere ein HochdruckAbgasrückführsystem auf, mit welchem in zumindest einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine Abgas von einem Auslasssystem zu einem Einlasssystem der Brennkraftmaschine rückgeführt wird, so ist es vorteilhaft, wenn das Abgas in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit einer Abgasrückführrate zwischen 0 und 25% rückgeführt wird. Vorzugsweise wird dabei das rückgeführte Abgas in der Abgasrückführleitung des Abgasrückführsystems über ein in Strömungsrichtung öffnendes Reed- Ventil geleitet. If the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation system, in particular a high-pressure exhaust gas recirculation system, with which in at least one operating point of the internal combustion engine exhaust gas is recirculated from an outlet system to an intake system of the internal combustion engine, it is advantageous if the exhaust gas in at least one defined operating point has an exhaust gas recirculation rate between 0 and 25% is returned. Preferably, the recirculated exhaust gas is routed in the exhaust gas recirculation line of the exhaust gas recirculation system via a reed valve that opens in the direction of flow.
[0012] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasturbine des In one embodiment of the invention it is provided that the exhaust gas turbine of the
Abgasturboladers mittels eines Waste-Gates oder einer variablen Turbinengeometrie geregelt wird. Exhaust gas turbocharger is regulated by means of a waste gate or a variable turbine geometry.
[0013] Das Waste-Gate ist ein Bypassventil, welches im Abgasstrom des Turboladers angeordnet ist. Dieses Bypassventil kann über einen Aktuator geöffnet werden und so einen Teil des Abgasstroms an der Turbine vorbeileiten, um den Ladedruck auf den gewünschten Wert einzuregeln. The waste gate is a bypass valve which is arranged in the exhaust gas stream of the turbocharger. This bypass valve can be opened via an actuator and in this way divert part of the exhaust gas flow past the turbine in order to adjust the charging pressure to the desired value.
[0014] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine bei einer Drehzahl der Kurbelwelle in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1250 U/min, vorzugsweise zwischen 1025 U/min und 1150 U/min, und bei einem Drehmoment in einem Bereich zwischen 75% und 85% des Nenndrehmomentes für diese Drehzahl mit maximalem thermischen Wirkungsgrad betrieben wird, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgasturboladers zwischen 2,8 und 3,1 bar liegt. In one embodiment of the invention, it is provided that the internal combustion engine at a speed of the crankshaft in a range between 1020 rpm and 1250 rpm, preferably between 1025 rpm and 1150 rpm, and at a torque in is operated in a range between 75% and 85% of the nominal torque for this speed with maximum thermal efficiency, with the relative boost pressure of the exhaust gas turbocharger preferably being between 2.8 and 3.1 bar.
[0015] Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn als Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung Cyclopentan verwendet wird. The best results can be achieved when cyclopentane is used as the working medium of the waste heat recovery device.
[0016] Durch die genannten Maßnahmen wird der Massenfluss durch die Brennkraftmaschine minimiert, um höchste Abgastemperaturen zu erreichen. Auf diese Weise erreicht man einen Thermischen Gesamtwirkungsgrad von mindesten 50%, wobei zum thermischen Gesamtwirkungsgrad die Brennkraftmaschine mit etwa 48% und die Abwärmerückgewinnungseinrichtung mit etwa 2% beiträgt. [0016] The mass flow through the internal combustion engine is minimized by the measures mentioned in order to achieve the highest exhaust gas temperatures. In this way, an overall thermal efficiency of at least 50% is achieved, with the internal combustion engine contributing approximately 48% and the waste heat recovery device approximately 2% to the overall thermal efficiency.
[0017] Dadurch ist es möglich die CO2-Emissionen im Vergleich zu leistungsgleichen herkömmlichen Kombinationen aus Brennkraftmaschinen und Abwärmerückgewinnungseinrichtungen zu reduzieren. [0017] This makes it possible to reduce the CO2 emissions compared to conventional combinations of internal combustion engines and waste heat recovery devices with the same performance.
[0018] Um einen hohen thermischen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Auslegung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist: In order to achieve a high overall thermal efficiency, a method for designing an internal combustion engine is proposed according to the invention, which has the following steps:
a. Anpassen des Abgasturboladers so lange, bis ein minimaler Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers erreicht wird, bei dem eine erforderliche Abgasmenge noch rückgeführt werden kann, um gesetzlich vorgegebene maximale NOx-Emissionswerte am Endrohraustritt der Brennkraftmaschine zu erfüllen; a. Adjusting the exhaust gas turbocharger until a minimum charging pressure of the compressor of the exhaust gas turbocharger is reached, at which a necessary amount of exhaust gas can still be recirculated in order to meet legally specified maximum NOx emission values at the tailpipe outlet of the internal combustion engine;
b. Erhöhen des Kompressionsverhältnisses der Brennkraftmaschine, bis der maximale Zylinder-Spitzendruck erreicht wird; b. increasing the compression ratio of the engine until the maximum peak cylinder pressure is reached;
c. Wiederholen der Schritte a. und b. mit höherer Abgasrückführrate, wenn der Stickoxidgehalt am Endrohraustritt des Auslassstranges der Brennkraftmaschine die gesetzlich vorgegebenen maximalen NOx-Emissionswerte überschreitet. c. repeating steps a. and b. with a higher exhaust gas recirculation rate if the nitrogen oxide content at the tailpipe outlet of the exhaust line of the internal combustion engine exceeds the legally specified maximum NOx emission values.
[0019] Diese iterative Auslegungsmethode für die Brennkraftmaschine ermöglicht den höchsten thermischen Gesamtwirkungsgrad für die Brennkraftmaschine samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung für einen einzelnen stationären Betriebspunkt. This iterative design method for the internal combustion engine enables the highest overall thermal efficiency for the internal combustion engine including waste heat recovery device for a single stationary operating point.
[0020] Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to the embodiment shown in the non-limiting figures.
[0021] Darin zeigen schematisch: Schematically shown therein:
[0022] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, 1 shows an internal combustion engine according to the invention,
[0023] Fig. 2 eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung dieser Brennkraftmaschine, [0024] Fig. 3 ein Detail der Brennkraftmaschine, [0023] FIG. 2 shows a waste heat recovery device of this internal combustion engine, [0024] FIG. 3 shows a detail of the internal combustion engine,
[0025] Fig. 4 eine vereinfachte Abwärmerückgewinnungseinrichtung, 4 shows a simplified waste heat recovery device,
[0026] Fig. 5 ein Leistungsdiagramm des Expanders, 5 shows a performance diagram of the expander,
[0027] Fig. 6 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine ohne Abwärmerückgewinnungseinrichtung und 6 shows a characteristic map of the internal combustion engine without a waste heat recovery device and
[0028] Fig. 7 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungseinrichtung. 7 shows a characteristic map of the internal combustion engine with a waste heat recovery device.
[0029] Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Einlassstrang 2, einen Auslassstrang 3, eine im Auslassstrang 3 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 und eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 auf, von welcher in Fig. 1 der Abgaswärmetauscher 51 und der EGR-Wärmetauscher 52 (EGR=exhaust gas recirculation) dargestellt ist. Zwischen dem Auslassstrang 3 und dem Einlassstrang 2 ist eine Abgasrückführeinrichtung 6, beispielsweise eine Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung vorgesehen, mit welcher Abgase aus dem Auslassstrang 3 in den Einlassstrang 2 rückgeführt werden. Weiters weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader 7 mit einem Verdichter 71 im Einlassstrang 2 und einer Abgasturbine 72 im Auslassstrang 3 auf. 1 schematically shows an internal combustion engine 1 according to the invention for carrying out the claimed method. The internal combustion engine 1 has an intake line 2, an outlet line 3, an exhaust gas aftertreatment device 4 arranged in the outlet line 3 and a waste heat recovery device 5, of which the exhaust gas heat exchanger 51 and the EGR heat exchanger 52 (EGR=exhaust gas recirculation) are shown in FIG. An exhaust gas recirculation device 6 , for example a high-pressure exhaust gas recirculation device, is provided between the outlet line 3 and the inlet line 2 , with which exhaust gases are recirculated from the outlet line 3 into the inlet line 2 . The internal combustion engine 1 also has an exhaust gas turbocharger 7 with a compressor 71 in the intake line 2 and an exhaust gas turbine 72 in the outlet line 3 .
[0030] Pro Zylinder sind über Hubventile gesteuerte Gaswechselöffnungen, also eine oder mehrere Einlassöffnungen und eine oder mehrere Auslassöffnungen vorgesehen, welche den Gasaustausch im Zylinder ermöglichen. Die Brennkraftmaschine 1 ist zur Verbrennung von gasförmigem Brennstoff eingerichtet und kann einen oder mehrere Zylinder für hin- und hergehende Kolben aufweisen. Der gasförmige Brennstoff ist insbesondere LNG (LNG=Liquified Natural Gas, verflüssigtes Methangas) oder CNG (CNG=Compressed Natural Gas, komprimiertes Methangas), die Brennkraftmaschine somit eine gasbetriebene Brennkraftmaschine. Gas exchange openings controlled by lift valves, ie one or more inlet openings and one or more outlet openings, are provided per cylinder, which enable gas exchange in the cylinder. The internal combustion engine 1 is set up to burn gaseous fuel and may have one or more cylinders for reciprocating pistons. The gaseous fuel is in particular LNG (LNG=Liquified Natural Gas, liquefied methane gas) or CNG (CNG=Compressed Natural Gas, compressed methane gas), the internal combustion engine is therefore a gas-powered internal combustion engine.
[0031] Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 kann zumindest einen Partikelfilter und/oder zumindest einen Katalysator aufweisen. Die Abgasrückführeinrichtung 6 weist ein Abgasrückführventil 60 und eine Abgasrückführleitung 61 auf, in welchem der EGR-Wärmetauscher 52 und ein Reed-Ventil 62 (Flatterventil) angeordnet ist. The exhaust aftertreatment device 4 can have at least one particle filter and/or at least one catalytic converter. The exhaust gas recirculation device 6 has an exhaust gas recirculation valve 60 and an exhaust gas recirculation line 61 in which the EGR heat exchanger 52 and a reed valve 62 (reed valve) are arranged.
[0032] Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 arbeitet nach dem ORC-Verfahren (ORC=Organic Rankine Cycle) und weist einen Kreislauf 50 für ein organisches Arbeitsmedium auf, welcher in Fig. 2 dargestellt ist. In dem Kreislauf 50 sind neben dem ersten Verdampfer 510 des Abgaswärmetauschers 51 und dem zweiten Verdampfer 520 des EGR- Wärmetauschers 52 ein Expander 53 - beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine, ein Kondensator 54, ein Reservoir 55, eine Pumpe 56 und ein Verteilerventil 57 angeordnet. The waste heat recovery device 5 works according to the ORC method (ORC=Organic Rankine Cycle) and has a circuit 50 for an organic working medium, which is shown in FIG. In addition to the first evaporator 510 of the exhaust gas heat exchanger 51 and the second evaporator 520 of the EGR heat exchanger 52, an expander 53 - for example a piston machine or a turbine, a condenser 54, a reservoir 55, a pump 56 and a distributor valve 57 - are arranged in the circuit 50 .
[0033] Die Wärmequellen - Abgas des Abgasstranges 3 und rückgeführtes Abgas des Abgasrückführleitung 61 - werden in der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 genutzt, um das Arbeitsmedium im ersten Verdampfer 51 und/oder zweiten Verdampfer 52 zu verdampfen. Der erste Verdampfer 51 und der zweite Verdampfer 52 sind im Kreislauf 50 der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 parallelgeschaltet und werden über das Verteilerventil 57 geschaltet, um einen Betrieb mit oder ohne Abgasrückführung zu ermöglichen. In letzterem Falle wird das Arbeitsmedium am zweiten Verdampfer 520 vorbeigeleitet. The heat sources - exhaust gas from the exhaust system 3 and recirculated exhaust gas from the exhaust gas recirculation line 61 - are used in the waste heat recovery device 5 in order to evaporate the working medium in the first evaporator 51 and/or the second evaporator 52 . The first evaporator 51 and the second evaporator 52 are connected in parallel in the circuit 50 of the waste heat recovery device 5 and are connected via the distributor valve 57 in order to enable operation with or without exhaust gas recirculation. In the latter case, the working medium is routed past the second evaporator 520 .
[0034] Der erste Verdampfer 510 ist im Abgasstrang 3 nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 der Brennkraftmaschine 1 positioniert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch können nachteilige Auswirkungen auf die Abgasnachbehandlung vermieden werden. The first evaporator 510 is positioned in the exhaust system 3 after the exhaust gas treatment device 4 of the internal combustion engine 1, as shown in FIG. As a result, adverse effects on the exhaust aftertreatment can be avoided.
[0035] Mittels des ORC-Verfahrens wird in der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 Abwärme aus dem Abgas (Enthalpie) in mechanische Energie umgewandelt. Waste heat from the exhaust gas (enthalpy) is converted into mechanical energy in the waste heat recovery device 5 by means of the ORC process.
[0036] Fig. 4 zeigt eine Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 mit vereinfachtem ORC mit nur einer Wärmequelle, und zwar einem ersten Verdampfer 510 eines Abgaswärmetauschers 51. Die Enthalpie Q des Abgases kann aus dem Abgasmassenstrom m, der spezifischen Wärmekapazität cp, welche als annähernd konstant betrachtet wird, und der abgasseitigen Temperaturdifferenz AT zwischen Eintritt 511 und Austritt 512 des ersten Verdampfers 510 berechnet werden: Fig. 4 shows a waste heat recovery device 5 with a simplified ORC with only one heat source, namely a first evaporator 510 of an exhaust gas heat exchanger 51. The enthalpy Q of the exhaust gas can be calculated from the exhaust gas mass flow m, the specific heat capacity cp, which is considered to be approximately constant , and the temperature difference AT on the exhaust gas side between the inlet 511 and the outlet 512 of the first evaporator 510 can be calculated:
Q=m ‘cp ‘AT Q=m'cp'AT
[0037] Ein Ansteigen der Enthalpie Q hat ein Ansteigen der mechanischen Leistung P des Expanders zu Folge. An increase in the enthalpy Q results in an increase in the mechanical power P of the expander.
[0038] In Fig.5 ist die Leistung P des Expanders 53 als Funktion über verschiedenen Abgasmassenströme m und abgasseitige Eintrittstemperaturen T£ des Abgaswärmetauschers 51 mit einem In Figure 5, the power P of the expander 53 as a function of various exhaust gas mass flows m and exhaust gas-side inlet temperatures T £ of the exhaust gas heat exchanger 51 with a
konstanten Wirkungsgrad aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, dass die abgasseitigen Eintrittstemperaturen T£ des Abgaswärmetauschers 51 größeren Einfluss auf die Leistung P des Expanders 53 haben als der Abgasmassenstrom m. plotted constant efficiency. From this it can be seen that the inlet temperatures T£ of the exhaust gas heat exchanger 51 on the exhaust gas side have a greater influence on the power P of the expander 53 than the exhaust gas mass flow m.
[0039] Zur Verdeutlichung des Wirkprinzips des ORC Verfahrens ist die Position des Betriebspunktes mit dem höchsten thermischen Wirkungsgrad BTEog für eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschine in den in Fig. 6 und 7 gezeigten Kennfeldern dargestellt, wobei jeweils das Drehmoment MD über der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen sind. Im Kennfeld sind die thermischen Wirkungsgrade BTE+ der Brennkraftmaschine 1 eingetragen. Fig. 6 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTE+ für die Brennkraftmaschine 1 alleine, also ohne Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 (WHR=Waste Heat Recovery), und Fig. 7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTE +45 für die Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5. Der markierte Bestpunkt BTEop: des thermischen Wirkungsgrades BTE; liegt in Fig. 6 bei der Brennkraftmaschine 1 alleine bei 47,5 % - bei einer Drehzahl N von 1250 U/min und einem Drehmoment MD von 1800 Nm, das sind 82% des Nenndrehmomentes MN für diese Drehzahl N - und in Fig. 7 bei der Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 bei etwa 50 % - bei einer Drehzahl N von 1250 U/min und einem Drehmoment M von 1700 Nm, das sind 77% des Nenndrehmomentes My für diese Drehzahl N. To illustrate the operating principle of the ORC method, the position of the operating point with the highest thermal efficiency BTEog for an internal combustion engine operated with liquid fuel is shown in the maps shown in Figs. 6 and 7, with the torque MD being plotted against the speed N of the Internal combustion engine 1 are applied. The thermal efficiencies BTE+ of internal combustion engine 1 are entered in the characteristics map. Fig. 6 shows the thermal efficiency BTE+ for the internal combustion engine 1 alone, i.e. without waste heat recovery device 5 (WHR=waste heat recovery), and Fig. 7 shows the thermal efficiency BTE +45 for the internal combustion engine 1 including the waste heat recovery device 5. The marked best point BTEop: the thermal efficiency BTE; is 47.5% in Fig. 6 for the internal combustion engine 1 alone - at a speed N of 1250 rpm and a torque MD of 1800 Nm, which is 82% of the nominal torque MN for this speed N - and in Fig. 7 in the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 at about 50% - at a speed N of 1250 rpm and a torque M of 1700 Nm, which is 77% of the nominal torque My for this speed N.
[0040] Auf der Basis der Figuren 5, 6 und 7 lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass - bei gegebener Abwärmemenge einer Brennkraftmaschine 1 - für die Effizienz des ORC-Verfahrens hohe Abgastemperaturen T£ und geringe Abgasmassenströme m besser sind als niedrige Abgastemperaturen T£ und hohe Abgasmassenströme m. On the basis of Figures 5, 6 and 7, the conclusion can be drawn that - for a given amount of waste heat from an internal combustion engine 1 - for the efficiency of the ORC process, high exhaust gas temperatures T£ and low exhaust gas mass flows m are better than low exhaust gas temperatures T£ and high exhaust gas mass flows m.
[0041] Hohe Abgastemperaturen T£ bei möglichst geringen Abgasmassenströmen m können in einer Brennkraftmaschine 1 durch größtmögliche Reduzierung der Luftmenge erzielt werden. Dieses Prinzip ist für mit gasförmigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschinen 1 ebenso gültig wie für mit flüssigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschinen. [0041] High exhaust gas temperatures T £ with the lowest possible exhaust gas mass flows m can be achieved in an internal combustion engine 1 by reducing the amount of air as much as possible. This principle is just as valid for internal combustion engines 1 operated with gaseous fuel as for internal combustion engines operated with liquid fuel.
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| ATA50450/2022A AT525804B1 (en) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Method for operating a gas-powered internal combustion engine |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| AT525804A4 AT525804A4 (en) | 2023-08-15 |
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| DE102009039551A1 (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Andreas Gotter | Alcohol-fueled combustion engine of an otto engine comprises a charging device, in which exhaust gas is led towards exhaust-gas catalyst over a heat exchanger, which is flowed through with the alcohol fuel as process medium |
| AT522176B1 (en) * | 2019-07-23 | 2020-09-15 | Avl List Gmbh | METHOD OF OPERATING A COMBUSTION ENGINE |
-
2022
- 2022-06-23 AT ATA50450/2022A patent/AT525804B1/en active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| AT522176B1 (en) * | 2019-07-23 | 2020-09-15 | Avl List Gmbh | METHOD OF OPERATING A COMBUSTION ENGINE |
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