CN117287307A - 用于操作氢驱动式内燃机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作氢驱动式内燃机的方法，在该内燃机中，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火，该内燃机针对每个缸具有至少一个换气口，并且内燃机具有至少一个燃料喷射器、至少一个具有废气涡轮机(72)和压缩机(71)的废气涡轮增压器(7)，其中，内燃机(1)的排气系统(3)和/或废气循环系统(6)的废气热利用按照有机郎肯循环(ORC)工作的废热回收装置(5)被回收，本发明的任务是改善由氢驱动式内燃机和废热回收装置构成的系统的总效率。本发明的任务尤其是在至少一个工作点获得至少45％的热总效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作氢驱动式内燃机的方法，其中，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火，内燃机针对每个缸具有至少一个换气口并且内燃机具有至少一个燃料喷射器、至少一个具有废气涡轮机和压缩机的废气涡轮增压器，其中，内燃机的排气系统和/或废气循环系统的废气热利用按照有机郎肯循环工作的废热回收装置被回收。
本发明还涉及一种氢驱动式内燃机，其中，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火，内燃机具有至少一个燃料喷射器、至少一个具有废气涡轮机和压缩机的废气涡轮增压器，其中，该内燃机优选具有带有在进气系统与排气系统之间的至少一个废气循环管路的废气循环系统，以及具有按照有机郎肯循环工作的废热回收装置用于回收来自废气系统和/或废气循环系统的废气热，废热回收装置具有工作介质用循环，其具有至少一个泵、至少一个蒸发器、至少一个膨胀机和至少一个冷凝器。本发明还涉及一种用于设计这种内燃机的方法。
背景技术
废热回收装置尤其被用在公路载货汽车中以便在利用具有压缩机和膨胀机的废气涡轮增压器的情况下在有机郎肯循环中使用内燃机废气废热。在此，在膨胀机例如涡轮机或活塞机中做机械功。
迄今，废气回收装置和氢驱动式内燃机尤其被彼此独立地改进和优化。废热回收装置被事后加装至氢驱动式内燃机。不利的是，尽管氢驱动式内燃机本身和废热回收装置本身被优化，但由氢驱动式内燃机和废热回收装置构成的总系统的热效率并非最佳。
仅根据奥地利专利文献AT522176B1，一种由废热回收装置和内燃机构成的系统得到优化。但内燃机是以如柴油等燃料工作的内燃机，其结果无法套用到氢驱动式内燃机。
发明内容
本发明的任务是改善由氢驱动式内燃机和废热回收装置构成的系统的总效率。本发明的任务尤其是在至少一个工作点获得至少45％的热总效率。
根据本发明，如此完成该任务，即，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火的氢驱动式内燃机在至少一个规定工作点以如下参数组合工作：
-在10到13之间、尤其在11到13之间的压缩比(CR)；
-至少140巴、最好在140到160巴之间的沿额定功率曲线的最高燃烧压力(P_MX)；
-至少90％的充气度(λl)；
-在1到2之间的缸内涡流比(RS)，其中，优选绕气缸横轴线的空气运动(滚流)以在1到2之间的滚流比进行；
-至少一个换气口的流通系数(Kv)：至少0.068；
-至少一个燃料喷射器的最大喷入压力：对于直喷至少是10巴且最高是60巴，或对于多点喷入在进气管内至少是5巴且最高是13巴；
-至少一个燃料喷射器的特定喷嘴流通率，对于直喷，其在小于90°的曲轴角度的喷入期内在额定功率下存在，或者对于多点喷入，最高存在240°曲轴角的喷入期；
-最高废气涡轮增压器效率：至少65％，最好至少70％；
-点火时刻在内燃机热效率(BTE)的最佳工作点处，从而燃烧重心(MFB50％)位于点火死点之后(ATDC)的6°～14°、最好是8°～12°的曲轴角(KW)；
-为了直喷而增压，从而空燃比在最大扭矩范围内以及在额定功率范围内为1.8～2.3，或者为了多点喷入而增压，从而空燃比在最大扭矩范围内以及额定功率范围内为1.7～2.2。
关于压缩比，也可以确定平均压力值。平均压力是计算参数，其用于以独立于发动机的气缸工作容积或尺寸的方式评价活塞式发动机的效率和换气。它是发动机在一个工作循环中所做的机械功(以牛顿米Nm为单位)与其气缸工作容积(以立方米m3为单位)之商，故最终得到以巴为单位的压力。制动平均压力(制动平均有效压力BMEP)是基于被测制动力计算的平均压力并且可以在1～13压缩比下在20～22巴之间。
氢驱动式内燃机能以直喷或多点喷入方式工作。直喷意味着将氢直接喷入至气缸燃烧室。多点喷射发生在进气管内。根据选择的是直喷或多点喷入，将选择不同的参数。
额定功率是指在一定转数下的内燃机最大功率。
每个缸的至少一个换气口设置用于相对于气缸燃烧室输入或输出氢。废气涡轮增压器是指一种用于将内燃发动机被供以的空气进行压缩的装置。废气涡轮增压器具有至少一个废气涡轮机和压缩机。废气涡轮机做功。废气涡轮机所做的功可以用于通过压缩机压缩充填空气。最高燃烧压力是最大可达压力并且通常出现在点火之后不久。它原则上超过有效的内部平均压力达多倍且总是仅持续短暂时间。充气度在内燃机中描述换气结束后实际容装在气缸内的新鲜充气与理论上最大可能充气之比。流通系数是用于经过至少一个换气口可达成的液体流量或气体流量的量度。流通系数值以m3/h为单位来给出并且可被解读为有效横截面积。至少一个燃料喷射器的喷入压力在额定功率极限下最大为290～350巴。在部分负载下，喷入压力减小，但不小于200巴。燃烧重心是指如下时刻，此时50％所加入的燃料质量燃烧。20～30°曲轴角的喷入期意味着，燃料喷射器喷入燃料的时期对应于如下时期，在此期间内，曲轴经过大小在20°到30°之间的曲轴角。在一定转数下，从与转数无关的定义中得到以秒计的喷入期。空燃比是来自燃烧学的无量纲特征数，其相对于用于理论完全燃烧过程的各自当量理想比例表明空气与燃料的质量比。空燃比即为实际可用空气质量与理论上当量完全燃烧所需要的至少所需空气质量之比。
如果内燃机具有在内燃机的至少一个工作点将废气从内燃机的排气系统循环到进气系统的废气循环系统、尤其是高压废气循环系统，则有利的是废气在至少一个规定工作点以在0到15％之间的废气循环率被循环。优选地，循环废气在此在废气循环系统的废气循环管路中被引导经过沿流动方向打开的簧片阀。
在本发明的一个变型实施方式中规定，废气涡轮增压器的废气涡轮机借助废气门或可变涡轮机几何形状被调节。
在本发明的一个变型实施方式中规定，内燃机在1050U/min到1250U/min之间、最好在1025U/min到1150U/min之间范围内的曲轴转数下和在用于该转数的额定扭矩的75％到85％之间范围内的扭矩下以最大热效率工作，其中，该废气涡轮增压器的相对充气压力最好在1.6到2.1巴之间。
当环戊烷被用作废热回收装置的工作介质时可以得到最佳结果。
通过所述措施，将流过内燃机的质量流减至最小以获得最高废气温度。通过这种方式获得至少45％的热总效率，其中，关于热总效率，内燃机占比约43％并且废热回收装置占比约2％。
由此可以相比于由内燃机和废热回收装置构成的等功率的常见组合减小二氧化碳排放。
复合涡轮是指设于内燃机下游的涡轮机，其利用废气动能做功且最好设于废气涡轮机之后。复合涡轮通过传动装置而与变速器处于机械连接，以便将复合涡轮的高回转速度调节到通常明显更低的变速器回转速度。传动装置为此例如可以具有15:1至20:1的传动比。热效率的最佳工作点出现在约1100U/min的转数下。在一定传动比下由此得到约为15000～22000U/min的复合涡轮回转速度。复合涡轮的使用可带来优点，但结合废气循环装置来看总是有利有弊。复合涡轮的优点是，废气能量被直接利用且因此可供使用。而不利的效果是，废气温度因复合涡轮而降低且废气处理装置和废热回收装置的效率被降低。另外，复合涡轮的使用意味着额外成本和内燃机的更高复杂性。为了获得高的热总效率，本发明提出一种用于设计内燃机的方法，其具有以下步骤：
a.连续调整该废气涡轮增压器，直到达到废气涡轮增压器的压缩机的最小充气压力，此时还能将所需的废气量进行循环以满足在内燃机尾管出口处的法定最大NOx排放值；
b.提高内燃机压缩比，直到达到最大气缸峰值压力或自点火；
c.当在内燃机排气支路尾管出口处的氮氧化物含量超过法定最大NOx排放值时，以更高的废气循环率重复步骤a.和b.。
这种用于内燃机的迭代设计方法允许针对单独静态工作点的内燃机以及废热回收装置两者共同的最高热总效率。
附图说明
以下将结合非限制性图所示的实施例来详细解释本发明，其中示意性示出：
图1示出本发明的内燃机，
图1a示出具有复合涡轮的本发明的内燃机，
图2示出这种内燃机的废热回收装置，
图3示出内燃机的细节，
图4示出简化的废热回收装置，
图5示出膨胀机的功率曲线图，
图6示出无废热回收装置的内燃机的特性曲线族，
图7示出带有废热回收装置的内燃机的特性曲线族。
具体实施方式
图1示意性示出根据本发明的氢驱动式内燃机1，用于执行所要求保护的方法。氢驱动式内燃机1具有进气支路2、排气支路3、布置在排气支路3中的废气处理装置4和废热回收装置5，图1示出废热回收装置的废气换热器51和EGR换热器52(EGR＝废气再循环)。在排气支路3与进气支路2之间设有废气循环装置6(例如高压废气循环装置)，借此将来自排气支路3的废气循环到进气支路2中。另外，内燃机1具有废气涡轮增压器7，其带有在进气支路2中的压缩机71和在排气支路3中的废气涡轮机72。
每个缸设有通过提升阀被控制的换气口、即一个或多个进气孔和一个或多个排气孔，其允许缸内气体交换。氢驱动式内燃机1采用外部点火方式、设立用于氢燃烧并可具有一个或多个气缸用于往复式活塞。故内燃机是氢内燃机。
废气处理装置4可以具有至少一个微粒过滤器和/或至少一个催化器。废气循环装置6具有废气循环阀60和废气循环管路61，在其中设有EGR换热器52和簧片阀62(振动阀)。
废热回收装置5按照ORC方法(ORC＝有机郎肯循环)工作并且具有如图2所示的用于有机工作介质的循环50。在循环50中，除了废气换热器51的第一蒸发器510和EGR换热器52的第二蒸发器520外，还设有膨胀机53(例如活塞机或涡轮机)、冷凝器54、储罐55、泵56和分配阀57。
废气支路3的废气和废气循环管路61的循环废气两者作为热源被用在废热回收装置5中，用以将第一蒸发器51和/或第二蒸发器52中的工作介质进行蒸发。第一蒸发器51和第二蒸发器52在废热回收装置5的循环50中并联并且通过分配阀57来切换，以允许在带有或不具废气循环的情况下工作。在后者情况下，工作介质在第二蒸发器520旁绕过。
第一蒸发器510在废气支路3内位于内燃机1的废气处理装置4之后，如图3所示。由此可避免对废气处理的不利影响。
借助ORC方法，在废热回收装置5中将废气废热(焓)转化为机械能。
图1a示出具有布置在废气涡轮机72与废气处理装置4之间的复合涡轮8的本发明的氢驱动式内燃机。复合涡轮8是如下涡轮机，其设立用于借助废气动能做功。复合涡轮8通过传动装置(未示出)而与变速器(未示出)处于机械连接中。复合涡轮的在工作中约为15000～30000U/min的高回转速度能借助传动装置被调节到变速器回转速度。该传动装置为此可以例如具有20:1的传动比。
图4示出利用简化的ORC的废热回收装置5，其只有一个热源，确切说是废气换热器51的第一蒸发器510。废气的焓Q可以从废气质量流m、视为近似恒定的比热容cp和在第一蒸发器510的入口511与出口512之间的废气侧温度差ΔT来计算：
Q＝m·cP·ΔT
焓Q的增大造成膨胀机机械功率P的增大。
膨胀机53的功率P作为关于多个不同废气质量流m和废气换热器51的废气侧入口温度TE的函数以恒定效率在图5中被绘制出。从中可看到，比之废气质量流m，废气换热器51的废气侧入口温度TE对膨胀机53的功率P的影响更大。
为了表明ORC方法的工作原理，具有用于以液态燃料驱动的内燃机的最高热效率BTEopt的工作点的位置在图6和7所示的特性曲线族中被示出，其中，分别关于内燃机的转数N绘制出扭矩MD。内燃机1的热效率BTE1在特性曲线族中被绘出。图6示出内燃机1单独的热效率BTE1，即，不包括废热回收装置5(WHR＝废热回收)，图7示出内燃机1以及废热回收装置5共同的热效率BTE1+5。热效率BTE1的所标记的最佳点BTEopt在图6中在内燃机1单独的情况下在43％处，即为1250U/min的转数N和1200Nm的扭矩MD(其为用于这一转数N的额定扭矩MN的85％)，在图7中在内燃机1以及废热回收装置5两者的情况下在约45％处，即，转数N为1230U/min且扭矩MD为1200Nm(其为用于这一转数N的额定扭矩MN的85％)。
基于图5、6和7可作出以下结论：在内燃机1的一定废热量下，对于ORC方法的效率，高废气温度TE和低废气质量流m比低废气温度TE和高废气质量流m更好。
在尽量低的废气质量流m下的高废气温度TE可以在内燃机1中通过尽量减小空气量来获得。该原理按照与用于以其它燃料驱动的内燃机相同的方式适用于以氢驱动的内燃机。
Claims (15)
1.一种用于操作氢驱动式内燃机的方法，在该内燃机中，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火，该内燃机针对每个缸具有至少一个换气口，并且内燃机具有至少一个燃料喷射器、至少一个具有废气涡轮机(72)和压缩机(71)的废气涡轮增压器(7)，其中，该内燃机(1)的排气系统(3)和/或废气循环系统(6)的废气热利用按照有机郎肯循环(ORC)工作的废热回收装置(5)被回收，
其特征是，
该内燃机(1)在至少一个规定工作点以如下参数组合来工作：
-在10到13之间、尤其在11到13之间的压缩比(CR)；
-至少140巴、最好在140到160巴之间的沿额定功率曲线的最高燃烧压力(P_MX)；
-至少90％的充气度(λl)；
-在1到2之间的缸内涡流比(RS)，其中，优选绕气缸横轴线的空气运动(滚流)以在1到2之间的滚流比进行；
-该至少一个换气口的流通系数(Kv)：至少0.068；
-该至少一个燃料喷射器的最大喷入压力：对于直喷至少是10巴且最高是60巴，或对于多点喷入在进气管内至少是5巴且最高是13巴；
-该至少一个燃料喷射器的特定喷嘴流通率，其对于直喷在小于90°的曲轴角度的喷入期内存在，或者对于多点喷入，最高存在240°曲轴角的喷入期；
-最高废气涡轮增压器效率：至少65％，最好至少70％；
-在该内燃机(1)的热效率(BTE)的最佳工作点处的点火时刻，使得燃烧重心(MFB50％)位于点火死点之后(ATDC)的6°～14°、最好是8°～12°的曲轴角(KW)；
-为了直喷而增压，使得空燃比在最大扭矩范围内以及在额定功率范围内为1.8～2.3，或者为了多点喷入而增压，使得空燃比在最大扭矩范围内以及额定功率范围内为1.7～2.2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助废气循环系统(6)至少在该内燃机(1)的规定工作点从排气系统(3)到进气系统(2)地进行废气循环，其特征是，废气至少在该规定的工作点以0％～15％的废气循环率(RT_EGR)被循环。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，循环的废气在该废气循环系统(6)的废气循环管路(61)中被引导经过在流动方向上打开的簧片阀(62)。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，该废气涡轮增压器(7)的废气涡轮机(72)借助废气门或可变的涡轮机几何形状被调整。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，作为废热回收装置(5)的工作介质采用环戊烷。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，所述外部点火由点火塞引发。
7.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，该氢驱动式内燃机具有通过传动装置而与变速器处于机械连接中的复合涡轮，并且该复合涡轮的回转速度在热效率的最佳工作点处在15000～22000U/min范围内。
8.一种氢驱动式内燃机(1)，在该内燃机中，氢在进气冲程期间或在压缩冲程开始时被供入并借助外部点火装置被点火，该内燃机具有至少一个换气阀、至少一个燃料喷射器、至少一个具有废气涡轮机(72)和压缩机(71)的废气涡轮增压器(7)，其中，该内燃机(1)优选具有带有在进气系统(2)与排气系统(3)之间的至少一个废气循环管路(61)的废气循环系统(6)，以及具有按照有机郎肯循环(ORC)工作的用于回收来自该废气系统(3)和/或该废气循环系统(6)的废气热的废热回收装置(5)，该废热回收装置(5)具有工作介质用循环，该循环具有至少一个泵(56)、至少一个蒸发器(510,520)、至少一个膨胀机(53)和至少一个冷凝器(54)，其特征是，该内燃机(1)设计用于在至少一个规定工作点以如下参数组合工作：
-在10到13之间、尤其在11到13之间的压缩比(CR)；
-至少140巴、最好在140到160巴之间的沿额定功率曲线的最高燃烧压力(P_MX)；
-至少90％的充气度(λl)；
-在1到2之间的缸内涡流比(RS)，其中，优选绕气缸横轴线的空气运动(滚流)以在1到2之间的滚流比进行；
-至少一个换气口的流通系数(Kv)：至少0.068；
-该至少一个燃料喷射器的最大喷入压力：对于直喷至少是10巴且最高是60巴，或对于多点喷入在进气管内至少是5巴且最高是13巴；
-该至少一个燃料喷射器的特定喷嘴流通率，其对于直喷在小于90°的曲轴角度的喷入期内存在，或者对于多点喷入，最高存在240°曲轴角的喷入期；
-最高废气涡轮增压器效率：至少65％，最好至少70％；
-在热效率的最佳工作点处的点火时刻，使得燃烧重心(MFB50％)位于点火死点之后(ATDC)的6°～14°、最好是8°～12°的曲轴角(KW)；
-为了直喷而增压，使得空燃比在最大扭矩范围内以及在额定功率范围内为1.8～2.3，或者为了多点喷入而增压，使得空燃比在额定功率范围内为1.7～2.2。
9.根据权利要求8所述的氢驱动式内燃机(1)，具有废气循环系统(6)、最好是高压废气循环系统，该废气循环系统具有在进气系统(2)和排气系统(3)之间的至少一个废气循环管路(61)，其特征是，废气在该规定的工作点能够以在0到15％之间的废气循环率(RT_EGR)被循环。
10.根据权利要求9所述的氢驱动式内燃机(1)，其特征是，在该废气循环系统(6)的至少一个废气循环管路(61)中设置在循环废气的流动方向上打开的簧片阀(62)。
11.根据权利要求8至10之一所述的氢驱动式内燃机(1)，其特征是，该废气涡轮增压器(7)的废气涡轮机(72)具有废气门或可变涡轮机几何形状。
12.根据权利要求8至10之一所述的氢驱动式内燃机(1)，其特征是，该内燃机(1)的最大热效率(BTE1)在1020U/min到1200U/min之间、最好在1025U/min到1150U/min之间范围内的转数(N)下且在用于这一转数(N)的额定扭矩(MN)的75％到85％之间范围内的扭矩(M)下存在，其中，该废气涡轮增压器(7)的相对充气压力最好在2.8到3.1巴之间。
13.根据权利要求8至10之一所述的氢驱动式内燃机(1)，其特征是，该废热回收装置(5)的工作介质是环戊烷。
14.根据权利要求8至10之一所述的氢驱动式内燃机(1)，其特征是，该氢驱动式内燃机具有通过传动装置而与变速器处于机械连接中的复合涡轮，该复合涡轮的回转速度在热效率的最佳工作点在15000～22000U/min范围内。
15.一种用于设计根据权利要求8至14之一所述的氢驱动式内燃机(1)的方法，其特征是，该方法具有以下步骤：
a.连续调整该废气涡轮增压器，直到达到该废气涡轮增压器的压缩机的最小充气压力，在该最小充气压力下，必要的废气量仍能被循环，以满足在内燃机尾管出口处的法定最大NOx排放值；
b.提高内燃机的压缩比，直到达到最大气缸峰值压力或自点火；并且
c.当在内燃机排气支路尾管出口处的氮氧化物含量超过该法定最大NOx排放值时，以更高的废气循环率重复步骤a.和b.。
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