DE102007033174A1

DE102007033174A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007033174A1
Application number: DE102007033174A
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfgang Dr. Manz; Kai-Nicolas Dr. Jippa; Andreas Dr. Grote; Jürgen Willand
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), welche mit einem Verdichter (2) zum Komprimieren von Luft aus der Umgebung (9) zu einem Ladeluftstrom, wobei die Luft über einen ersten Pfad (3) einer Vorverbrennung (4) und über einen zweiten Pfad (5) einer Mischeinrichtung (6) zuführbar ist, der Mischeinrichtung (6) zum Herstellen eines energiearmen Luft-/Brennstoffgemischs aus dem Ladeluftstrom des zweiten Pfades (5) und den Gasen aus der Vorverbrennung (4) und einer Brennkammer (7) zur Krafterzeugung ausgestattet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingang genannten Art derart auszuführen, dass der Ausstoß an Rohemissionen und/oder Stickstoffoxiden mittels einer Vorverbrennung auf ein extrem niedriges Niveau gesenkt wird und dabei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine vergrößert wird. Ein Absenken der Emissionen bei deutlicher Verbessung der Stabilität der Verbrennung ist mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (1) möglich, bei der in dem zweiten Pfad (5) ein Druckspeicher (8) zur Zwischenspeicherung druckbeaufschlagter Ladeluft positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche mit einem Verdichter zum Komprimieren von Luft aus der Umgebung zu einem Ladeluftstrom, wobei die Luft über einen ersten Pfad einer Vorverbrennung und über einen zweiten Pfad einer Mischeinrichtung zuführbar ist, der Mischeinrichtung zum Herstellen eines energiearmen Luft-/Brennstoffgemischs aus dem Ladeluftstrom des zweiten Pfades und den Gasen aus der Vorverbrennung und einer Brennkammer zur Krafterzeugung ausgestattet ist und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zum Komprimieren von Luft aus der Umgebung zu einem Ladeluftstrom, welcher über einen ersten Pfad einer Vorverbrennung und über einen zweiten Pfad einer Mischeinrichtung zugeführt wird, in welcher der Ladeluftstrom mit den Gasen aus der Vorverbrennung zu einem energiearmen Luft-/Brennstoffgemisch vermengt wird, welches schließlich in einer Brennkammer zur Krafterzeugung verbrannt wird.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Motorkonzepte bekannt, die auf dem Prinzip der Ausnutzung der bei der Expansion von komprimierten und unter hohem Druck stehenden Gasen wirkenden Kräfte beruhen. Beispielhaft für solche Motorkonzepte seien Kolbenmotoren, wie z. B. der Otto-, der Diesel- oder der Wankelmotor, genannt, aber auch Gasturbinen. In allen diesen Motorkonzepten wird der Gasdruck zunächst durch Verdichtung und Temperaturerhöhung erhöht, wobei die Verdichtung des Gases entweder, wie bei Kolbenmotoren, durch die Verkleinerung eines Hubraums geschieht, oder, wie bei Gasturbinen, durch die Kompression in einer Verdichtungsstufe. Die Erhitzung des Gases erfolgt entweder durch eine gepulste Verbrennung zum Zeitpunkt der maximalen Kompression des Gases, wie im Fall der Kolben-Verbrennungsmotoren, oder durch kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffs, wie im Falle der Gasturbine.
Die EP 1 645 719 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine, umfassend eine Verdichtungseinheit, eine Expansionseinheit und eine Verbindungsvorrichtung, wobei in der Verbindungsvorrichtung die Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Weiterhin zeigt die genannte Druckschrift ein Kraftgewinnungsverfahren, bei dem eine Luftmenge in der Verdichtungseinheit eingeschlossen und durch Verkleinerung des Volumens verdichtet wird, die Luftmenge mit einem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung vermischt wird, der Gasdruck in der Verbindungsvorrichtung durch Zufuhr eines Brennstoffs und eine Verbrennung erhöht wird, eine Gasmenge vom Gasvolumen abgetrennt wird und die Gasmenge in der Expansionseinheit eingeschlossen wird.
Durch das Expandieren der Gasmenge in der Expansionseinheit wird die bei der Expansion der Gasmenge wirkenden Kraft nutzbar gemacht. Hierbei wird die zugeführte Luft vor der Verbrennung mit Teilen des Abgases gemischt. Dies dient in erster Linie dazu, die frische Luft zu erwärmen und so den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein Verfahren zur emissionsreduzierten Verbrennung ist in der DE 692 07 592 T2 offenbart. Dabei wird die Ladeluft von einem Verdichter komprimiert und ein Teil des Ladeluftvolumenstroms einem Pilotbrenner zugeführt. Der andere Teil des Ladeluftvolumenstroms wird in einer Mischeinrichtung mit dem Brennstoff und dem Abgas aus dem Pilotbrenner gemischt. Dieses Gas-Brennstoff-Luftgemisch wird dann in dem Brenner zur Krafterzeugung verbrannt. Bei dem hier aufgezeigten Verfahren wird Luft aus der Umgebung in einem Verdichter zunächst komprimiert und als Ladeluftvolumenstrom in zwei Pfade aufgeteilt. Der erste Pfad durchläuft einen Pilotbrenner. In dem Pilotbrenner wird der Ladeluft eine kleine Menge Brennstoff zugeführt und dieses Luft-/Brennstoffgemisch entzündet und verbrannt. Über den zweiten Pfad wird der Ladeluftvolumenstrom in einen Mischer geführt, in dem der Ladeluftvolumenstrom mit Brennstoff und den Abgasen aus dem Pilotbrenner zu einem mageren, energiearmen Luft-/Brennstoffgemisch vermengt werden. Dieses magere, energiearme Luft-/Brennstoffgemisch wird dann zur Krafterzeugung in einem Brenner verbrannt. Eine magere Verbrennung mit Vormischung/Vorverdampfung ist auch als LPP-Verbrennung (lean premixed/prevaporized combustion) bekannt.
Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ist es üblich, die Ladeluft mittels eines Kolbens zu verdichten. Auch nach einer Vorverbrennung zu einem energiearmen Luft-/Brennstoffgemisch weist der Gasvolumenstrom pulsierende Druckschwankungen auf.
Starke Druckschwankungen führen insbesondere bei hohen Drücken oder großer Dynamik zu instabilen Verbrennungsprozessen. Dies führt dazu, dass gerade energiearme Verbrennungen zum Ausblasen neigen. Weiterhin ist bei einer pulsierenden Druckversorgung eine starke Rußentwicklung unvermeidlich.
Die EP 1 645 179 A1 zeigt zwar eine Verbrennung mit einer quasi konstanten Druckversorgung, jedoch offenbart diese keine Vorverbrennung zur Erzeugung eines energiearmen Gasgemisches.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftgewinnungsverfahren einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der Ausstoß an Rohemissionen und/oder Stickstoffoxiden mittels einer Vorverbrennung auf ein extrem niedriges Niveau gesenkt werden und dabei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine vergrößert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kraftgewinnungsverfahren einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die in dem zweiten Pfad mit einem Druckspeicher zur Zwischenspeicherung druckbeaufschlagter Ladeluft ausgestattet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Stabilität der nachgeordneten Verbrennung erhöht, die Wahrscheinlichkeit des Ausblasens reduziert und die Entstehung von Rußpartikeln vermieden wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die Ladeluft des zweiten Pfades vor dem Eintritt in die Mischeinrichtung in einem Druckspeicher zwischengespeichert wird. Hierdurch wird es möglich, die stark pulsierende Druckschwingung der Ladeluft zu dämpfen, da die Ladeluft aus dem Druckspeicher nahezu schwingungsarm ausströmt.
Für die Durchführung einer energiearmen Verbrennung ist es besonders vorteilhaft, dass in der Mischeinrichtung die Ladeluft aus dem Druckspeicher und Abgas aus der Brennkammer zu einem Gasgemisch vermischt werden. Hierdurch ist es möglich, dass die energiearme Verbrennung nur einer gedämpften Druckschwingung ausgesetzt ist und somit nahezu rußfrei abläuft. Der wesentliche Vorteil der energiearmen Verbrennung ist, dass die Verbrennungstemperatur nicht zur Stickoxidbildung reicht.
Für die Realisierung einfacher und kostengünstiger Anlagen ist es von Nutzen, dass in der Brennkraftmaschine Brennstoff für die Verbrennung in der Brennkammer ausschließlich über die Vorverbrennung und den ersten Pfad des Ladeluftstroms eingebracht wird. Hierdurch ist es möglich, dass weder in der Mischeinrichtung noch in der Brennkammer eine zusätzliche Brennstoffzuführung vorzusehen ist, wodurch die Komplexität der Anlage und die Anzahl der Teile verringert werden.
Um die Emissionen zu reduzieren ist es von Vorteil, dass in dem Vorbrenner ein energiereiches Luft-/Brennstoffgemisch verbrannt wird. Hierdurch ist es möglich, dass aufgrund des Luftmangels keine Stickoxide gebildet werden.
Für die Stabilität der Verbrennung ist es günstig, dass die Ladeluft in dem Druckspeicher in einem gegenüber der Brennkammer höheren Druckniveau gespeichert wird. Hierdurch ist es möglich, dass die dämpfende Wirkung des Druckspeichers auf die Druckschwingung verbessert wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter 2, einer Vorverbrennung 4 in einem ersten Pfad 3 des Ladeluftstroms, einem Druckspeicher 8 in einem zweiten Pfad 5 des Ladeluftstroms, einer Mischeinrichtung 6 und einer Brennkammer 7. Bei dieser Brennkraftmaschine 1 wird Luft aus der Umgebung 9 in dem Verdichter 2 zu dem Ladeluftstrom komprimiert. Ist der Verdichter 2 eine Kolbenmaschine, so weist der Ladeluftstrom eine pulsierende Druckschwingung auf. Der Ladeluftstrom wird in zwei Pfade 3, 5 aufgeteilt. In dem ersten Pfad 3 wird ein Teil der Ladeluft einer Vorverbrennung 4 zugeführt. Dazu wird dieser Teil der Ladeluft mit dem Brennstoff zu einem energiereichen Luft-/Brennstoffgemisch vermengt. Die Brennstoffzufuhr 10 erfolgt dabei unmittelbar vor der Vorverbrennung 4. Der Ladeluftstrom in dem zweiten Pfad 5 wird in dem Druckspeicher 8 zwischengespeichert, tritt aus diesem nahezu schwingungsarm aus und wird mit den Abgasen aus der Vorverbrennung 4 in der Mischeinrichtung 6 zu einem energiearmen Luft-/Brennstoffgemisch vermengt. Die so mittels des Druckspeichers 8 erzeugte Dämpfung der pulsierenden Druckschwingung ermöglicht es, das energiearme Luft-/Brennstoffgemisch mit einer hohen Stabilität in der Brennkammer 7 nahezu ohne Rußbildung zur Krafterzeugung zu verbrennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1645719 A1 [0003]
- DE 69207592 T2 [0005]
- EP 1645179 A1 [0008]

Claims

Brennkraftmaschine (1), welche mit einem Verdichter (2) zum Komprimieren von Luft aus der Umgebung (9) zu einem Ladeluftstrom, wobei die Luft über einen ersten Pfad (3) einer Vorverbrennung (4) und über einen zweiten Pfad (5) einer Mischeinrichtung (6) zuführbar ist, der Mischeinrichtung (6) zum Herstellen eines energiearmen Luft-/Brennstoffgemischs aus dem Ladeluftstrom des zweiten Pfades (5) und den Gasen aus der Vorverbrennung (4) und einer Brennkammer (7) zur Krafterzeugung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in dem zweiten Pfad (5) mit einem Druckspeicher (8) zur Zwischenspeicherung druckbeaufschlagter Ladeluft ausgestattet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 mit einem Verdichter (2) zum Komprimieren von Luft aus der Umgebung (9) zu einem Ladeluftstrom, welcher über einen ersten Pfad (3) einer Vorverbrennung (4) und über einen zweiten Pfad (5) einer Mischeinrichtung (6) zugeführt wird, in welcher der Ladeluftstrom mit den Gasen aus der Vorverbrennung (4) zu einem energiearmen Luft-/Brennstoffgemisch vermengt wird, welches schließlich in einer Brennkammer (7) zur Krafterzeugung verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft des zweiten Pfades (5) vor dem Eintritt in die Mischeinrichtung (6) in einem Druckspeicher (8) zwischengespeichert wird.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (6) die Ladeluft aus dem Druckspeicher (8) und Abgas aus der Brennkammer (7) zu einem Gasgemisch vermischt werden.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkraftmaschine (1) Brennstoff für die Verbrennung in der Brennkammer (7) ausschließlich über die Vorverbrennung (4) und den ersten Pfad (3) des Ladeluftstroms eingebracht wird.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorbrenner (4) ein energiereiches Luft-/Brennstoffgemisch verbrannt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft in dem Druckspeicher (8) in einem gegenüber der Brennkammer (7) höheren Druckniveau gespeichert wird.