AT527889A1

AT527889A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT527889A1
Application number: ATA50333/2024A
Authority: AT
Inventors: Wolkerstorfer Dipl -Ing Dr Josef
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-04-19
Filing date: 2024-04-19
Publication date: 2025-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1), wobei Wasser aus dem Abgas rückgewonnen wird, indem Wasserdampf aus dem Abgas eines Abgasstranges (5) kondensiert wird, das entstehende Kondensat zwischengespeichert, zumindest einem Wärmetauscher (12) zugeführt und in dem zumindest einem Wärmetauscher (12) erwärmt wird und ein überhitzter Wasserdampf erzeugt wird, der zumindest einer Dampfexpansionsmaschine (13) zugeführt und in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird. Um eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades auf möglichst einfache Weise zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der aus der zumindest einen Dampfexpansionsmaschine (13) austretende Wasserdampf wieder dem Abgasstrang (5) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine, wobei Wasser aus dem Abgas rückgewonnen wird, indem Wasserdampf aus dem Abgas eines Abgasstranges kondensiert wird, das entstehende Kondensat zwischengespeichert wird, zumindest einem Wärmetauscher zugeführt wird und in dem zumindest einen Wärmetauscher erwärmt wird und ein überhitzter Wasserdampf erzeugt wird, der zumindest einer Dampfexpansionsmaschine zugeführt und in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine, mit einem in einem ersten Abgasstrang angeordneten Kondensator zur Kondensierung des Wasserdampfs im Abgas, einem Kondensatspeicher zur Zwischenspeicherung des kondensierten Wassers, zumindest einem Wärmetauscher zur Verdampfung und Überhitzung des Kondensates zuführbar ist und einer Dampfexpansionsmaschine zur Entspannung des aus dem Wärmetauscher austretenden überhitzten Wasserdampfes und zur

Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie.

Aus der WO 2016/000400 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Wasser aus dem im Abgas enthaltenen Wasserdampf in einem Abgaskühler kondensiert und in einem Behälter zwischengespeichert wird. Das Wasser wird über eine Pumpe

und eine Einspritzvorrichtung dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt.

Die CN 114233442 A offenbart eine ähnliche Brennkraftmaschine, bei der das kondensierte Wasser der Einlassströmung zugeführt wird.

Die WO 2010/092684 A1 offenbart eine als Arbeitsgasumlaufmotor ausgebildete Wasserstoff-Brennkraftmaschine, bei der Wasserdampf aus dem Abgas kondensiert, aufgefangen und einem Wärmetauscher zugeführt wird. Das Kondensat wird in dem Wärmetauscher erwärmt und ein überhitzter Wasserdampf erzeugt. Der überhitzte Wasserdampf wird einer Dampfturbine zugeführt und in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt. Der aus der Dampfturbine austretende Wasserdampf wird schließlich ohne weitere Nutzung der Umgebung zugeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades auf möglichst einfache Weise zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der aus der zumindest einen Dampfexpansionsmaschine austretende Wasserdampf wieder dem Abgasstrang

zugeführt wird.

Als Dampfexpansionsmaschine wird eine Vorrichtung verstanden, welche die Expansion von Dampf nutzt, um eine rotierende Bewegung zu erzeugen und umfasst jegliche Form von Expansionsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen

oder Dampfkolbenmaschinen mit Kurbeltrieben.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wasser als Wasserdampf stromaufwärts einer im Abgasstrang angeordneten Nutzturbine in den Abgasstrang rückgeführt wird. Die restliche Energie des Wasserdampfes steht

zusammen mit der Abgasenergie für die Nutzturbine zur Verfügung.

Vorzugsweise wird dabei das Wasser als Kondensat erst stromabwärts der im Abgasstrang angeordneten Nutzturbine dem Abgasstrang entnommen. Für die Kondensierung des Wasserdampfes wird günstigerweise die die Nutzturbine

passierende gesamte Abgasmenge verwendet.

Zur Überhitzung des Wasserdampfes ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Wärmetauscher mit Ladeluft, mit Motorkühlmittel, mit Motoröl, mit Getriebeöl, oder mit Abgas als wärmeabgebendes Medium durchströmt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung zum Betreiben einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine, mit einem in einem ersten Abgasstrang angeordneten Kondensator zur Kondensierung des Wasserdampf im Abgas, einem Kondensatspeicher zur Zwischenspeicherung des kondensierten Wassers, zumindest einem Wärmetauscher zur Verdampfung und Überhitzung des Kondensates zuführbar ist und einer Dampfexpansionsmaschine zur Entspannung des aus dem Wärmetauscher austretenden überhitzten Wasserdampfes und zur Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie dadurch gelöst, dass der aus der Dampfexpansionsmaschine austretende Wasserdampf über eine

Dampfaustrittsleitung mit dem Abgasstrang verbunden ist.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die Dampfaustrittsleitung stromaufwärts einer im Abgasstrang angeordneten Nutzturbine in den Abgasstrang rückgeführt.

Dies ermöglicht es, die Energie des aus der Dampfexpansionsmaschine

austretenden Wasserdampfes zusammen mit der Abgasenergie für die Umwandlung in der Nutzturbine in mechanische Energie zu verwenden. Auf diese Weise lässt sich

der thermische Wirkungsgrad maximieren.

Zur Erreichung eines hohen thermischen Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, wenn der Kondensator stromabwärts der im Abgasstrang angeordneten Nutzturbine angeordnet ist. Somit wird das gesamte im Abgas enthaltene Wasser (dampfförmig oder flüssig) für die Wasserrückgewinnung verwendet.

Dadurch, dass die Nutzturbine und der Kondensator nacheinander im Abgasstrang angeordnet sind, lässt sich die Abgasenergie optimal nutzen.

Insbesondere wenn die Expansion des Abgases in der Nutzturbine in das Sattdampfgebiet erfolgt, ist im Vergleich zu einem geschlossenen Wasserdampfprozess eine wesentlich geringere Kondensierungsenergie zur Kondensierung des Wasserdampfes aus dem Abgas notwendig. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den thermischen Wirkungsgrad aus.

Im Rahmen der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass das Wasser in einem offenen Wasserdampfprozess geführt ist. Die Verwendung eines offenen Wasserdampfprozesses hat im Vergleich zu einem geschlossenen Wasserdampfprozess einige Vorteileile:

e Das im System vorhandene flüssige Wasser kann nach dem Abstellen der Wasserstoff-Brennkraftmaschine einfach aus dem Zwischenspeicher, den Leitungen und den restlichen Komponenten entleert werden, wodurch keine Gefahr des Einfrierens besteht.

e Frostschutzvorrichtungen sind somit nicht notwendig.

e Ein Spülen und/oder Halten des Systemdruckes bei und nach Stillstand ist nicht erforderlich.

e Auf ein separates Spülmedium wie Stickstoff kann verzichtet werden.

e Somit können viele Komponenten und Teile entfallen. Das System mit einem offenen Wasserdampfprozess kann somit viel einfacher und kostengünstiger

ausgeführt werden.

Im Vergleich zu einem ORC-Prozess mit organischen Betriebsmitteln (wie beispielsweise Ethanol) hat der Wasserdampfprozess den Vorteil, dass kein brennbares Medium erforderlich ist.

In weiterer Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest ein Wärmetauscher ein Ladeluftkühler zur Kühlung der Ladeluft, ein Motorkühlmittelkühler zum Kühlen von Motorkühlmittel, ein Ölkühler zum Kühlen von Motoröl oder Getriebeöl, ein Abgaskühler zur Kühlung von Abgas und/oder ein Abgasrückführkühler zum Kühlen von rückgeführtem Abgas ist. Dabei ist es auch möglich, im Wasserdampfkreis mehrere Wärmetauscher - hydraulisch seriell oder parallel - einzusetzen.

Schließlich ist es möglich, während des Verbrennungsprozesses mittels einer Düse an einem Zylinderkopf eines Zylinders der Brennkraftmaschine einen Wasser- oder Dampfstrahl in den Verbrennungsraum einzuspritzen, um die Temperatur im Zylinder zu reduzieren. Dies reduziert die thermische Belastung des Motors und verbessert die Effizienz der Verbrennung, da erhöhte Temperaturen zu unvollständiger Verbrennung und damit zu einem Effizienzverlust führen. Die Düse kann hierzu durch eine Pumpe, die mit einem Flüssigkeitsspeicher verbunden ist, mit Druck beaufschlagt werden, wobei der Flüssigkeitsspeicher mit einem Kühler verbunden sein kann. Der Kühler kann ferner an einen Auslasspfad angeschlossen

sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des nicht weiter einschränkenden Ausführungsbeispiels, welches in den Figuren gezeigt ist, näher erläutert. Darin

zeigen

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei einer im Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, im Folgenden WasserstoffBrennkraftmaschine 1 genannt, werden Verbrennungsluft 2 sowie Wasserstoff 3 als Kraftstoff der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. In der WasserstoffBrennkraftmaschine 1 wird der Wasserstoff in einer exothermen Reaktion zu

Wasser verbrannt und die freigesetzte Energie in mechanische Leistung 4,

beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeuges umgewandelt. Der Anteil an Wasser im Abgas ist beispielsweise im Vergleich zu einer Diesel-Brennkraftmaschine relativ hoch und besteht bei einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine 1 bei einer Luftzahl A

von etwa 1,3 beispielsweise etwa aus 17% H2O0, 77% N2, 5% O2 und 1% Ar.

Eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Abgasstrang 5 mit einer Nutzturbine („Compoundturbine“) 6 und einer stromabwärts der Nutzturbine 6 angeordneten Wasserabscheidevorrichtung 7 mit einem Kondensator 8 mit einem Kondensatspeicher 9 auf. Die Wasserabscheidevorrichtung 7 ist Teil eines offenen Wasserdampfkreises 10, dem weiters eine Kondensatspeisepumpe 11, ein Wärmetauscher 12 und eine beispielsweise durch eine Dampfturbine gebildete Dampfexpansionsmaschine 13 angehören. Der offene Wasserdampfkreis 10 mündet stromaufwärts der

Nutzturbine 6 in den Abgasstrang 5 ein.

Der Wärmetauscher 12 kann beispielsweise ein Ladeluftkühler zur Kühlung der Ladeluft, ein Motorkühlmittelkühler zum Kühlen von Motorkühlmittel, ein Ölkühler zum Kühlen von Motoröl oder Getriebeöl, ein Abgaskühler zur Kühlung von Abgas oder ein Abgasrückführkühler zum Kühlen von rückgeführtem Abgas sein. Es ist auch möglich mehrere gleiche oder verschiedene Wärmetauscher seriell oder

parallel im Wasserdampfkreis 10 einzusetzen.

Im Kondensator 8 kondensiert der im Abgas enthaltene Wasserdampf. Das kondensierte Wasser wird im Kondensatspeicher 9 zwischengespeichert und über die Kondensatspeisepumpe 11 dem zumindest einem Wärmetauscher 12 zugeführt. Im Wärmetauscher 12 verdampft das Kondensat und wird überhitzt. Der überhitzte Dampf des Kondensats wird der Dampfexpansionsmaschine 13 zugeführt und die Energie des überhitzten Dampfes in mechanische und/oder elektrische Energie 15 umgewandelt. Nach dem Austritt aus der Dampfexpansionsmaschine 13 wird der Wasserdampf über die Dampfaustrittsleitung 14 wieder in den Abgasstrang 5 stromaufwärts der Nutzturbine 6 eingeleitet. In der Nutzturbine 6 wird das Abgas samt dem eingeleiteten rückströmenden Wasserdampf abgearbeitet und die darin enthaltene Wärmeleistung beispielsweise in elektrische Leistung und/oder —insbesondere bei einem Turbo-Compound-Motor - in Antriebsleistung 16 umgewandelt. Dabei wird das Gemisch aus Abgas und Wasserdampf bereits so weit

expandiert, dass Kondensat entsteht. Durch diese Expansion in das

Stattdampfgebiet ist nur geringe Kühlung des Abgases durch den Kondensator 8 erforderlich, sodass für die Wasserabscheidung weniger Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden müssen als bei vergleichbaren bekannten Systemen. Nach Austritt aus der Nutzturbine 6 wird das gesamte Abgas und der darin enthalten Wasserdampf der Wasserabscheidevorrichtung 7 zugeführt, wo der für den Wasserdampfkreis 10 nötige Wasserdampf kondensiert und in den offenen Wasserdampfkreis 10 eingespeist wird. Der restliche Wasserdampf wird über die

Abgasleitung 17 mit dem Abgas in die Umgebung freigesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei herkömmlichen Wasserstoff-

Brennkraftmaschinen 1, aber auch bei Kreislaufmotoren eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt ein Zustandsdiagramm über das erfindungsgemäße Verfahren, in welchem die Temperatur T über der Entropie s aufgetragen ist. Im Diagramm sind

folgende Bereiche eingetragen:

A) Förderung mit der Kondensatspeisepumpe B) Erwärmung und Überhitzung des Wasserdampfes in dem Wärmetauscher 12 C) Entspannung in der Dampfexpansionsmaschine 13

Am Ende des Betriebes der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 1 kann der offene Wasserdampfkreis 10 in einfacher Weise entleert werden, sodass keine weiteren frostsichernde Aktivitäten zur Vermeidung von Frostschäden erforderlich sind. Die Auffüllung des Wasserdampfkreises 10 erfolgt nach neuerlicher Inbetriebnahme der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 1 durch das während der Wasserstoffverbrennung stetig anfallende Kondensat im Abgas selbsttätig, ohne dass aktive Spülungs- oder Füllungsmaßnahmen des Wasserdampfkreises 10 erforderlich wären.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1), wobei Wasser aus dem Abgas rückgewonnen wird, indem Wasserdampf aus dem Abgas eines Abgasstranges (5) kondensiert wird, das entstehende Kondensat zwischengespeichert wird, zumindest einem Wärmetauscher (12) zugeführt wird und in dem zumindest einem Wärmetauscher (12) erwärmt wird und ein überhitzter Wasserdampf erzeugt wird, der zumindest einer Dampfexpansionsmaschine (13), insbesondere einer Dampfturbine, zugeführt und in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der zumindest einen Dampfexpansionsmaschine (13) austretende

Wasserdampf wieder dem Abgasstrang (5) zugeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Wasserdampf stromaufwärts zumindest einer im Abgasstrang (5)

angeordneten Nutzturbine (6) in den Abgasstrang (5) rückgeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kondensat stromabwärts der zumindest einen im Abgasstrang (5) angeordneten Nutzturbine (6) dem Abgasstrang (5) entnommen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

dass das Wasser in einem offenen Wasserdampfprozess (10) geführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (12) mit Ladeluft, mit Motorkühlmittel, mit Motoröl, mit Getriebeöl, oder mit Abgas als

wärmeabgebendes Medium durchströmt wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1), mit einem in einem Abgasstrang (5) angeordneten Kondensator (8) zur Kondensierung des Wasserdampfes im Abgas, einem Kondensatspeicher (9) zur Zwischenspeicherung des kondensierten Wassers, zumindest einem Wärmetauscher (12) zur Verdampfung und Überhitzung des Kondensates und

einer Dampfexpansionsmaschine (13), insbesondere einer Dampfturbine, zur

Entspannung des aus dem zumindest einen Wärmetauschers (12) austretenden überhitzten Wasserdampfes und zur Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Dampfexpansionsmaschine (13) austretende Wasserdampf über eine Dampfaustrittsleitung (14) mit dem

Abgasstrang (12) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfaustrittsleitung (14) stromaufwärts einer im Abgasstrang (5) angeordneten Nutzturbine (6) in den Abgasstrang (5) rückgeführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (8) stromabwärts der im Abgasstrang (5) angeordneten Nutzturbine (6) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in einem offenen Wasserdampfkreis (10) geführt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (12) ein Ladeluftkühler zur Kühlung der Ladeluft, ein Motorkühlmittelkühler zum Kühlen von Motorkühlmittel, ein Ölkühler zum Kühlen von Motoröl oder Getriebeöl, ein Abgaskühler zum Kühlung von Abgas und/oder ein Abgasrückführkühler zum Kühlen von

rückgeführten Abgas ist.

19.04.2024 FÜ