DE102006037649A1

DE102006037649A1 - Gasmotor mit verbessertem instationären Verhalten

Info

Publication number: DE102006037649A1
Application number: DE102006037649A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Lepperhoff
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Kolbenbrennkraftmaschine 11 für den insbesondere überstöchiometrischen Betrieb mit gasförmigem Brennstoff, die mit einem Abgasturbolader 13 bestückt ist, dessen Turboverdichter 14 im Verbrennungsluftzuführstrang 15 und dessen Turbine 16 im Abgasstrang 17 liegt und die jeweils ein Brennstoffeinblasventil 20 für jeden Brennraum 12 aufweist, wobei ein zusätzliches Brennstoffeinblasventil 23 im Abgasstrang 17 vor der Turbine 16 des Abgasturboladers 13 vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betriff eine Kolbenbrennkraftmaschine für den insbesondere überstöchiometrischen Betrieb mit gasförmigem Brennstoff, die mit einem Abgasturbolader bestückt ist, dessen Turboverdichter im Verbrennungsluftzuführstrang und dessen Turbine im Abgasstrang liegt und die jeweils ein Brennstoffeinblasventil für jeden Brennraum aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine die allgemein als Gasmotor bezeichnet wird. Als Brennstoff wird bevorzugt Erdgas vorausgesetzt; Flüssiggas (LPG) und Wasserstoff sind jedoch ebenfalls verwendbar.
Gasmotoren werden in der Regel bei stöchiometrischem Luftverhältnis betrieben. Der Grund hierfür liegt darin, daß Gasmotoren in der Regel von Ottomotoren gleicher Auslegung abgeleitet sind. Der Betrieb mit stöchiometrischem Luftverhältnis eröffnet die Möglichkeit einer Abgasnachbehandlung durch Drei-Wege-Katalysatoren. Nachteilig bei diesen Gasmotoren ist jedoch der schlechte Wirkungsgrad infolge von Drosselverlusten und niedrigen Verdichtungsverhältnissen.
Stationäre Gasmotoren mit Abgasturboaufladung, die am Markt sind (MAN B&W) werden im gesamten Kennfeld mit deutlich höheren Luftverhältnissen als λ = 1 betrieben, beispielsweise mit λ = 1,6, auch an der Volllast und in der Beschleunigung. Sie haben deutlich höhere Verdichtungsverhältnisse. Hierdurch sind deutliche Wirkungsgradsteigerungen möglich.
Motoren mit Abgasturboaufladung weisen ein verzögertes Ansprechverhalten bei Beschleunigung auf, da infolge der niedrigen Abgasenergie und des niedrigen Ab gasmassenstroms in der Teillast die Turbine nur langsam läuft und zur Bereitstellung des Vollastladedruckes auf erhöhte Drehzahl gebracht werden muß. Hierzu muß die Temperatur im Abgas und der Massenstrom des Abgases erst aufgebaut werden.
Zur Erhöhung der Abgasenergie und des Massenstroms des Abgases vor der Turbine wird bei Nutzfahrzeugmotoren bereits Druckluft aus einem Speicher kurzfristig zugeführt (MAN B&W). Bei Dieselmotoren ist es zur Leistungssteigerung nach dem Prinzip der Hyperbaraufladung bekannt, dem Abgas vor der Turbine Ladeluft zuzuführen und in das hierdurch O₂-haltige Abgas Brennstoff in einer Brennkammer vor der Turbine einzuspritzen und zu verbrennen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Beschleunigungsverhalten von Gasmotoren, die mit einem Abgasturbolader bestückt sind, zu verbessern, insbesondere bei Gasmotoren für den Betrieb bei höheren Luftverhältnissen als λ = 1. Die Lösung hierfür besteht in einer Kolbenbrennkraftmaschine für den insbesondere überstöchiometrischen Betrieb mit gasförmigen Brennstoff, die mit einem Abgasturbolader bestückt ist, dessen Turboverdichter im Verbrennungsluftzuführstrang und dessen Turbine im Abgasstrang liegt, die jeweils ein Brennstoffeinblasventil für jeden Brennraum aufweist, und die ein zusätzliches Brennstoffeinblasventil im Abgasstrang vor der Turbine des Abgasturboladers aufweist. Der zusätzlich eingeblasene Brennstoff verbrennt durch das heiße Abgas und das im Abgas vorhandene O₂ vor der Turbine und erhöht damit die in der Turbine umsetzbare Energie in Ladedruck im Luftzuführstrang. Der hierdurch beschleunigte Ladedruckaufbau führt zu einem beschleunigten Drehmomentaufbau des Gasmotors und damit zu einer verbesserten Fahrzeugbeschleunigung.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme gelingt es, im Fall der Leistungserhöhung der Turbine des Abgasturboladers mehr Energie zuzuführen, als das Motorabgas hinter Brennkraftmaschine bereitstellen kann. Hiermit verkürzt sich die Turbinenhochlaufzeit deutlich und das Ansprechverhalten des Motors verbessert sich. Die Abgasenergie vor der Turbine kann somit bedarfsweise bei einem erfindungsgemäßen Gasmotor im Magerbetrieb durch zusätzliche Brennstoffeinblasung in den Abgasstrang erhöht werden.
In günstiger Weise tritt keine Düsenverkokung an dem zusätzlichen Brennstoffeinblasventil statt, da an der Einbaustelle ein Gas-Gas-Gemisch gebildet wird. In günstiger Weise tritt auch keine Temperaturabsenkung durch Verdampfungswärme auf.
In günstiger Ausführung ist vorgesehen, daß Mittel zur Fremdzündung am zusätzlichen Brennstoffeinblasventil vorgesehen sind. Es kann eine einfache Mischstrecke, ggfs. mit zusätzlichen Mischeinrichtungen, oder eine Brennkammer im Abgasstrang ausgebildet werden, in der das zusätzliche Brennstoffeinblasventil und gegebenenfalls die Mittel zur Fremdzündung angeordnet sind. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das zusätzliche Brennstoffeinblasventil im Abgasstrang vor einem Oxidationskatalysator angeordnet ist, der seinerseits vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Hierdurch entsteht ein "katalytischer Nachbrenner" mit kleinem Volumenbedarf. Der üblicherweise nachteilige Einfluß eines Katalysators vor der Turbine des Abgasturboladers, der darin besteht, daß er dem Abgas im Beschleunigungsfall Wärme entzieht, wird hiermit vermieden. Die zusätzliche Abgasenergie als Folge der Nachverbrennung im Abgasstrang kann somit ohne Verzögerung in der Turbine umgesetzt werden.
Vorteilhaft ist die katalytische Gasoxidation mit dem im Abgas befindlichen O₂-Überschuß an der Katalysatorwand. Bei schnell wechselnden transienten Vorgängen (Verzögerung/Beschleunigung) erfolgt durch die Wärmespeicherung im Katalysator ein beschleunigter Ladedruckaufbau auch ohne die erfindungsgemäße Nachverbrennung im Abgasstrang. Zur Reduzierung der Stickoxide im Abgas kann eine Abgasrückführung vorgesehen sein, die vor dem zusätzlichen Brennstoffeinblasventil vom Abgassammler zum Luftzuführstrang abzweigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff im Falle der Drehmomenterhöhung der Brennkraftmaschine nur zeitlich begrenzt zugeführt und verbrannt wird, beispielsweise über einen Zeitraum von weniger als 20 Sekunden, gegebenenfalls auch getaktet. Daneben kann auch vorgesehen sein, zusätzlichen Brennstoff in den Abgasstrang im Niedriglastbereich bzw. bei Leerlauf zur Beheizung des Katalysators ständig zuzuführen und zu verbrennen. Die Brennstoffmenge kann in Abhängigkeit vom O₂-Gehalt im Abgas, in Abhängigkeit vom Ladedruckaufbau oder in Abhängigkeit vom angestrebten Drehmomentaufbau variiert werden.
Eine erfindungsgemäße Kolbenbrennmaschine ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend beschrieben. Diese zeigt eine Kolbenbrennkraftmaschine 11 in der vier Zylinder bzw. Brennräume 12 symbolisiert sind. Die Brennkraftmaschine 11 ist mit einem Abgasturbolader 13 bestückt, dessen Turboverdichter 14 im Verbrennungsluftzuführstrang 15 liegt und dessen Turbine 16 im Abgasstrang 17 liegt. Die Brennkraftmaschine 11 wird aus einem Gastank 18 über eine Brennstoffzuführleitung 19 mit gasförmigen Brennstoff versorgt, wobei Brennstoffeinblasventile 20 in Einlaßkanälen 21 zu den einzelnen Zylindern 12 angeordnet sind. Die Brennstoffeinblasventile 20 können auch unmittelbar in den Zylindern 12 angeordnet sein. Aus dem gleichen Gastank 18 wird über eine weitere Brennstoffzuführleitung 22 und ein einzelnes zusätzliches Gaseinblasventil 23 Brennstoff in den Abgasstrang 17 eingebracht. Das zusätzliche Brennstoffeinblasventil 23 liegt vor einer Mischstrecke oder einer Brennkammer 24 und einem Oxidationskatalysator 25 im Abgasstrang 17. Die Steuerung sowohl des Brennstoffes in der Brennstoffzuführleitung 19 als auch des Brennstoffes in der Brennstoffzuführleitung 22 zum zusätzlichen Brennstoffeinblasventil 23 erfolgt durch eine Regeleinheit 26, die auf Steuerventile 27, 28 in den Leitungen 19, 22 einwirken kann. Da die Brennkraftmaschine 11 im Magerbetrieb gefahren wird, ist der Katalysator 25 notwendig ein Oxidationskatalysator. Vom Abgassammler 30 unmittelbar nach der Zusammenführung der Auslaßkanäle 29 geht eine Abgasrückführleitung 31, in der ein Steuerventil 32 eingesetzt ist, zum Luftzuführstrang 15.
Die Meßgrößen, nach denen die Steuerventile 27, 28 durch die Regeleinheit 26 beeinflußt werden, können insbesondere die Drehzahl der Brennkraftmaschine, der Drehmomentsollwert (Gaspedalstellung der Brennkraftmaschine), der Ladedruck im Luftzuführstrang die Abgastemperatur nach Brennkraftmaschine und/oder nach Katalysator der O₂-Gehalt im Abgas oder andere Größen sein, die an Brennkraftmaschinen heute üblicherweise mittels geeigneter Sensoren regelmäßig erfaßt werden. Diese Sensoren sind hier nicht dargestellt.

11: Kolbenbrennkraftmaschine
12: Zylinder
13: Abgasturbolager
14: Turboverdichter
15: Luftzuführstrang
16: Turbine
17: Abgasstrang
18: Gastank
19: Brennstoffzuführleitung
20: Brennstoffeinblasventil
21: Einlaßkanal
22: Brennstoffzuführleitung
23: Brennstoffeinblasventil
24: Brennkammer
25: Oxidationskatalysator
26: Regeleinheit
27: Steuerventil
28: Steuerventil
29: Abgassammler

Claims

Kolbenbrennkraftmaschine (11) für den insbesondere überstöchiometrischen Betrieb mit gasförmigem Brennstoff, die mit einem Abgasturbolader (13) bestückt ist, dessen Turboverdichter (14) im Verbrennungsluftzuführstrang (15) und dessen Turbine (16) im Abgasstrang (17) liegt und die jeweils ein Brennstoffeinblasventil (20) für jeden Brennraum (12) aufweist, gekennzeichnet durch ein zusätzliches Brennstoffeinblasventil (23) im Abgasstrang (17) vor der Turbine (16) des Abgasturboladers (13).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Fremdzündung am zusätzlichen Brennstoffeinblasventil (23).
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Brennkammer (24) im Abgasstrang (17), in der das zusätzliche Brennstoffeinblasventil (23) und gegebenenfalls die Mittel zur Fremdzündung ange ordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Oxidationskatalysator (25), der im Abgasstrang (17) hinter dem zusätzlichen Brennstoffeinblasventil (23) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils eine Brennstoffeinblasventil (20) für jeden Brennraum (12) und das zusätzliche Brennstoffeinblasventil (23) im Abgasstrang (17) mit einer gemeinsamen Tank- (18) und Brennstoffregelanlage (26) verbunden sind.
Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine (11) für den insbesondere überstöchiometrischen Betrieb mit gasförmigem Brennstoff, die mit einem Abgasturbolader (13) bestückt ist, dessen Turboverdichter (14) im Verbrennungsluftzuführstrang (15) und dessen Turbine (16) im Abgasstrang (17) liegt und die jeweils ein Brennstoffeinblasventil (20) für jeden Brennraum (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Drehmomenterhöhung der Brennkraftmaschine gasförmiger Brennstoff in den Abgasstrang (17) zeitlich begrenzt zugeführt und in diesem verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff in den Abgasstrang (17) im Niedriglastbereich zur Reizung des Katalysators (25) ständig zugeführt und verbrannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmenge zum Abgasstrang (17) in Abhängigkeit vom O₂-Gehalt im Abgas verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmenge zum Abgasstrang (17) in Abhängigkeit vom Ladedruckaufbau im Verbrennungsluftzuführgang (15) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmenge zum Abgasstrang (17) in Abhängigkeit vom angestrebten Drehmomentaufbau verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in den Abgasstrang (17) getaktet erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in den Abgasstrang eine Fremdzündung im Abgasstrang erfolgt.