-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, wobei mit Luft vermischter Treibstoff in zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbrannt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer Verdichtungseinrichtung, insbesondere Abgasturbolader, wobei die Verdichtungseinrichtung einen Fluideinlass für ein zu verdichtendes Fluid und einen Fluidauslass für das verdichtete Fluid aufweist.
-
Für die Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen ist es hinlänglich bekannt, die der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft zu verdichten. Bei sogenannten gemischaufgeladenen Brennkraftmaschinen wird ein Treibstoff-/Luftgemisch verdichtet. Durch eine Verdichtungseinrichtung, wie beispielsweise einen Abgasturbolader, wird die Verbrennungsluft bzw. das Treibstoff-/Luftgemisch verdichtet und anschließend in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeleitet. Die Druckerhöhung führt zu einem Temperaturanstieg in der verdichteten Luft, was zu einem Leistungsverlust führt, da die Dichte der Luft bzw. des Treibstoff-/Luftgemischs sinkt und die Klopfneigung der Brennkraftmaschine steigt. Aus diesem Grund ist es üblich, die verdichtete Luft mittels einer der Verdichtungseinrichtung nachgeschalteten Kühleinrichtung zu kühlen.
-
Obgleich die Kühlung der verdichteten Luft einen Leistungsanstieg bewirkt, wird erhöhten Temperaturen an der Verdichtungseinrichtung nicht entgegen gewirkt. Um die Temperaturprobleme an der Verdichtungseinrichtung in den Griff zu bekommen, wurde bereits vorgeschlagen, einen Teil der verdichteten und gekühlten Luft wieder dafür zu verwenden, die Verdichtungseinrichtung zu kühlen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass ein Teil der verdichteten Luft für den Kühlvorgang abgezweigt werden muss und somit weniger verdichtete Luft bzw. Treibstoff-/Luftgemisch für die Verbrennung zur Verfügung steht. Diesem Problem kann man damit begegnen, dass man eine größere Verdichtungseinrichtung vorsieht, mit der mehr Luft verdichtet werden kann.
-
Die
DE 103 25 980 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, der ein Verdichterrad aufweist, dessen Radrücken von einem Kühlfluid kühlbar ist, wobei zur Beaufschlagung des Radrückens mit Kühlfluid zumindest eine Düse vorgesehen ist, welche achsnah zu einer Drehachse des Verdichterrades angeordnet ist. Zur Kühlung des Verdichterrades kann beispielsweise ein autarker Verdichterkühlkreislauf vorgesehen sein oder es kann Kühlwasser oder Kühlöl aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine oder Kühlöl aus dem Reservoir des Motorschmieröls verwendet werden.
-
Die
US 2009/0056681 A1 offenbart einen Kompressor, bei dem ein Teil der komprimierten Luft zur Kühlung des Elektromotors des Kompressors verwendet wird. Dazu weist das Gehäuse des Kompressors einen Kanal auf. Die Luft wird zudem auf ihrem Weg zu dem Elektromotor mittels Wärmetausch mit einem Kühlfluid gekühlt, welches ebenfalls den Elektromotor kühlt. Bei dem Kühlfluid kann es sich um Treibstoff, z. B. Benzin, der Brennkraftmaschine handeln.
-
Die
AT 501 184 B1 offenbart eine Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, mit einer Einrichtung zur Bereitstellung eines Brennstoff-Luft-Gemisches und zumindest einer von dieser Einrichtung zu einem Verdichter führenden Gemischzuleitung sowie mit zumindest einer vom Verdichter zu mindestens einer Brennkammer führenden Gemischeinlassleitung, wobei zumindest eine Zuführeinrichtung für zusätzliches Brennstoff-Luft-Gemisch und/oder zumindest eine Zuführeinrichtung für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft vorgesehen ist bzw. sind, welche, vorzugsweise direkt, in den Verdichter und/oder in die Gemischzuleitung und/oder in die Gemischeinlassleitung mündet bzw. münden. Dies dient zur Beschleunigung des Verdichterlaufrades.
-
Die
AT 412 985 B offenbart eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen stationären Gasmotor, mit einem Verdichter und einem um den Verdichter herumführenden Bypass, wobei mindestens ein Verpuffungsschutz im Bypass angeordnet ist. Mittels des Bypasses wird das in einem dem Verdichter nachgeordneten Gemischkühler gekühlte Luft/Gas-Gemisch in die Gemischleitung vor den Verdichter zurückgeführt.
-
Aus der
DE 44 19 429 A1 geht ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, insbesondere aufgeladenen Gasmotors hervor, der einen Hauptbrennraum und mindestens eine mit diesem verbundene Vorkammer aufweist, wobei zum Betrieb in die Vorkammer hochverdichteter, gasförmiger Brennstoff eingeblasen und dort zur Entzündung gebracht wird. Der unter geringem Druck stehende Brennstoff für den Hauptbrennraum wird über eine unter geringem Druck stehende Niederdruck-Brenngasleitung alternativ vor dem Verdichter oder dem Einlassventil zugeführt.
-
Die
US 6,190,123 B1 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Verdichter, der ein Verdichterrad aufweist. Die der Anströmseite gegenüberliegende Seite des Verdichterrads wird mit einem gasförmigen Kühlmedium gekühlt. Bei diesem kann es sich z. B. um Kühlluft vom Ladeluftkühler handeln. Das Kühlmedium kann aber auch aus einer externen Zuleitung stammen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, bei denen die Verdichtungseinrichtung gekühlt werden kann ohne dass die vorgenannten Probleme auftreten.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 3 gelöst.
-
Da der Treibstoff in der Regel eine Temperatur aufweist, die deutlich niedriger ist als die Temperaturverhältnisse in der Verdichtungseinrichtung sind, kann die niedrige Temperatur des Treibstoffs dazu genützt werden, die Verdichtungseinrichtung zu kühlen.
-
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Treibstoff ein Treibgas ist und es sich um einen Gasmotor handelt. Gasmotoren werden in der Regel ottomotorisch, d. h. fremdgezündet mit einem gasförmigen Treibstoff, d. h. einem Treibgas betrieben. Häufig steht das Treibgas bereits unter Druck und kann daher aufgrund des Druckgefälles und der Abkühlung bei Expansion im Dosierventil/Zumischeinheit als Kühlmittel dienen, ohne dabei Leistungsreserven der Verdichtungseinheit aufzubrauchen bzw. ohne zusätzlichen Kühlaufwand.
-
Häufig werden sogenannte gemischaufgeladene Brennkraftmaschinen eingesetzt. Bei gemischaufgeladenen Brennkraftmaschinen wird Luft und Treibstoff bereits vor der Verdichtungseinrichtung vermischt, anschließend in der Verdichtungseinrichtung verdichtet und nach einem optionalen Kühlschritt wird dieses Gemisch in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die mit einem Treibgas betreibbar ist, werden Treibgas und Luft in der Verdichtungseinrichtung selbst vermischt. Auf diese Art und Weise wird die Vermischung direkt in der Verdichtungseinrichtung vorgenommen, d. h. die Verdichtungseinrichtung übernimmt gleichzeitig die Aufgabe eines Gasmischers.
-
Bei gemischaufgeladenen, nicht erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen, bei denen bereits vorab, d. h. vor der Verdichtungseinrichtung, eine Gasmischung von Treibstoff und Luft erfolgt, ist neben der Zuleitung an Verdichtungseinrichtung für das Treibstoff-/Luftgemisch eine gesonderte Zuleitung für den Treibstoff zur Kühlung der Verdichtungseinrichtung vorgesehen. Zur Kühlung der Verdichtungseinrichtung wird daher, wenn der Verdichtungseinrichtung bereits ein noch nicht in der Verdichtungseinrichtung verdichtetes Treibstoff-/Luftgemisch zugeführt wird, der Treibstoff zur Kühlung der Verdichtungseinrichtung über eine gesonderte Zuleitung zugeführt.
-
In einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass Treibstoff und Luft vor der Verdichtungseinrichtung vermischt, in der Verdichtungseinrichtung verdichtet und nach der Verdichtungseinrichtung gekühlt werden und dass das gekühlte verdichtete Gemisch zur Kühlung der Verdichtungseinrichtung verwendet wird. Insbesondere bei stationären Brennkraftmaschinen, die der Stromerzeugung mittels eines Generators dienen, ist es üblich durch einen Verdichterbypass verdichtetes und gekühltes Treibstoff-/Luftgemisch um den Gemischkühler und den Verdichter umzublasen, um eine Regelreserve zu haben. Bei Laständerung kann nämlich die Umblasung verringert, gänzlich gestoppt oder erhöht werden, um mehr oder weniger Leistung zur Verfügung zu haben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel könnte dieses Treibstoff-/Luftgemisch, das bereits gekühlt ist, dazu verwendet werden, die Verdichtungseinrichtung zu kühlen. In diesem Fall wird also bereits mit Luft „verdünnter” und gekühlter Treibstoff zur Kühlung der Verdichtungseinrichtung verwendet.
-
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass ein Teil des der Brennkraftmaschine zugeführten Treibstoffs direkt in den Brennraum oder unmittelbar vor den Einlassventilen des jeweiligen Brennraums eingebracht wird. In diesem Fall wird zur Vermeidung von Zündungen im Einlasstrakt der Brennkraftmaschine ein Treibstoff-/Luftgemisch, das nicht selbstentzündlich ist, verdichtet und erst die zur endgültigen Zündung erforderliche Treibstoffmenge direkt in den Brennraum oder unmittelbar vor den Einlassventilen des jeweiligen Brennraums eingeleitet. Außerdem könnte der in den Brennraum eingeleitete Treibstoff auch ein unter Standardbedingungen, d. h. bei etwa 25°C und Standarddruck (ca. 1,013 bar), flüssiger Treibstoff in den Brennraum eingespritzt werden.
-
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdichtungseinrichtung ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes Verdichterlaufrad aufweist, wobei der Treibstoff das Verdichterlaufrad kühlt. Schließlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verdichterlaufrad eine Anströmfläche aufweist auf der das zu verdichtende Gas anströmt, wobei das Treibgas auf die der Anströmfläche gegenüber liegenden Seite am Verdichterlaufrad anströmt. In den beiden letztgenannten Varianten kann vorgesehen sein, dass es sich um Verdichter radialer Bauart handelt, beispielsweise ein radialer Abgasturbolader.
-
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Aufgabe der Erfindung auch eine Brennkraftmaschine mit Verdichtungseinrichtung bereit zu stellen, bei der die Nachteile des Standes der Technik vermindert sind. Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit einer Verdichtungseinrichtung, insbesondere Abgasturbolader, wobei die Verdichtungseinrichtung einen Fluideinlass für zu verdichtende Luft und einen Fluidauslass für das verdichtete Gas aufweist, gelöst, indem eine zusätzliche Fluidzufuhr vorgesehen ist, die zur Verdichtungseinrichtung führt und die mit einer Treibgasquelle verbunden ist. Als Fluide gelten Gase und Flüssigkeiten, wobei im vorliegenden Fall das zu verdichtende Fluid Luft ist.
-
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen sein, dass die Verdichtungseinrichtung ein Verdichtergehäuse und ein darin drehbar gelagertes Verdichterlaufrad aufweist.
-
Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Fluidzufuhr direkt zum Verdichterlaufrad führt.
-
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Verdichtungseinrichtung von radialer Bauart ist.
-
Gemäß der Erfindung weist das Verdichterlaufrad zudem eine Anströmfläche für das zu verdichtende Gas auf, wobei die Fluidzufuhr zur der Anströmfläche abgewandten Seite führt.
-
Während eine Mischung von Gemisch und Luft vor dem Verdichterlaufrad eine globale Temperaturabsenkung bewirkt, führt die Zuleitung von kühlem Gemisch an die Verdichterrad-Rückseite zu einer effektiven Kühlung des Werkstoffes (üblicherweise Aluminium), wodurch der Verdichter bei höheren Leistungen betrieben werden kann.
-
Die Kühlung der Verdichtungseinrichtung (hier das Verdichterlaufrad eines Radialverdichteres) an der dem zu verdichtenden Strom abgewandten Seite (→ Rückseite) führt zur Verminderung der Erwärmung des zu verdichtenden Mediums (Vergrößerung des Wärmestroms auf das Verdichterrad).
-
Dadurch wird eine Minimierung des Gemischaufwands für die Kühlung der Rückwand erreicht. Ein Gasmischer zur Zumischung des Gases vor der Verdichtungseinrichtung kann eingespart werden.
-
Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren und Figurenbeschreibungen erläutert.
-
Es zeigt die
-
1 eine Brennkraftmaschine nach Stand der Technik
-
2 schematisch eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens
-
3 und 4 schematisch nicht erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen
-
5 schematisch eine weitere Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens und
-
6 und 7 zwei Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Verdichtungseinrichtungen.
-
In der 1 ist eine Brennkraftmaschine in schematisierter Form gemäß Stand der Technik abgebildet. Diese weist den eigentlichen Motor 1 auf. Dieser ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein sogenannter Gasmotor. Treibgas aus der Treibstoffquelle 3 wird mit Luft 7, die durch ein Luftfilter 6 strömt, im Gasmischer 5 vermischt. Die Treibgasmenge wird durch ein Ventil 8 und eine Steuereinrichtung oder Regelvorrichtung 9 geregelt. Das Treibstoff-/Luftgemisch strömt nunmehr vom Gasmischer 5 in die Verdichtungseinrichtung 2, von dort in den Gemischkühler 4 und schließlich in den nicht gezeigten Brennraum des Motors. Die Verdichtungseinrichtung 2 ist mit einer Welle 11 verbunden, die wiederum mit einer Abgasturbine 10 verbunden ist. Abgas 12 aus dem Brennraum des Motors 1 treibt die Abgasturbine 10 an, die über die Welle 11 die Verdichtungseinrichtung 1 antreibt.
-
In der 2 ist nunmehr die einfachste Variante der Erfindung gezeigt. Bei den 1 bis 5 wurden dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass auf eine gesonderte Beschreibung in allen Beispielen verzichtet und auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Luft 7 wird über ein Luftfilter 6 gefiltert und anschließend in einer Verdichtungseinrichtung 2 verdichtet. An der Verdichtungseinrichtung 2 ist nunmehr direkt eine Fluidzufuhr 15 angeordnet, über die das Treibgas aus der Treibgasquelle 3 eingeleitet wird. Über ein Ventil 8 und eine Steuervorrichtung oder Regelvorrichtung 9 wird die Menge an Treibgas gesteuert. In der Verdichtungseinrichtung 2 erfolgt nun die Vermischung von Treibstoff und Luft und das Gemisch wird anschließend im Gemischkühler 4 gekühlt und schließlich im Brennraum des Motors 1 verbrannt.
-
Das nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich vom vorherigen Ausführungsbeispiel dadurch, dass nicht der reine Treibstoff zur Kühlung verwendet wird, sondern das bereits vermischte Treibstoff-/Luftgemisch. Erneut wird Luft 7 über ein Luftfilter 6 gefiltert und zum Gasmischer 5 geführt. Darin mündet von der Treibgasquelle 3 eine Treibgasleitung. Die Menge an Treibgas wird erneut über das Ventil 8 und die Steuer- oder Regelvorrichtung 9 gesteuert. Im Gasmischer 5 wird das Treibstoff-/Luftgemisch gebildet, das in weiterer Folge in der Verdichtungseinrichtung 2 verdichtet wird. Anschließend wird das verdichtete Treibstoff-/Luftgemisch im Gemischkühler 4 gekühlt und schließlich dem Brennraum des Motors 1 zugeführt. Über die Bypassleitung mit dem Ventil 13 kann nunmehr verdichtetes und gekühltes Treibstoff-/Luftgemisch umgeblasen werden und ebenfalls auf die Verdichtungseinrichtung 2 zurück geleitet werden, um dort die Verdichtungseinrichtung 2 zu kühlen. Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr des Gemisches in den Einlasstrakt. Über die Regeleinrichtung 9 kann nunmehr bei Laständerungen am Motor 1 das Umblaseventil 13 deaktiviert oder aktiviert werden, um die umgeblasene Treibstoff-/Luftmenge zu variieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame Regelvorrichtung 9 vorgesehen, es können aber selbstverständlich auch getrennte Regelvorrichtungen 9 oder Steuervorrichtungen 9 vorgesehen sein. Die Fluidzufuhr 15 zur Verdichtungseinrichtung 2 ist im Gegensatz zum Beispiel der 2 nicht direkt sondern indirekt, indem zuerst die Vermischung bzw. Verdünnung des Treibstoffes mit Luft erfolgt, und durch das Ventil 13 eine Rückführung zur Verdichtungseinrichtung 2 vorgesehen.
-
Im ebenfalls nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist nunmehr im Unterschied zur Variante der 3 vorgesehen, dass das im Gasmischer 5 gebildete Gemisch ein magereres Gemisch ist als das endgültig verbrannte Treibstoff-/Luftgemisch. Daher wird über die Leitung mit Ventil 14 zusätzlich reines Treibgas in den Brennraum eingeleitet beispielsweise über ein Portventil. Theoretisch könnte auch eine gesonderte Treibstoffquelle vorgesehen sein, über die beispielsweise ein anderes Gas oder ein flüssiger Treibstoff zugeführt wird. Ansonsten unterscheidet sich die Variante der 4 nicht von der Variante der 3. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame Regelvorrichtung 9 vorgesehen, es können aber selbstverständlich auch getrennte Regelvorrichtungen 9 oder Steuervorrichtungen 9 vorgesehen sein.
-
Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 5 sind nunmehr die Varianten der 2 und 4 kombiniert. Auch in diesem Beispiel wird zunächst ein magereres Gemisch gebildet als jenes das im Brennraum verbrannt wird. Die Gemischbildung des magereren Gemisches erfolgt analog zur 2 in der Verdichtungseinrichtung 2. Eine zusätzliche Treibgasmenge wird über das Ventil 14 direkt in den Brennraum eingebracht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame Regelvorrichtung 9 vorgesehen, es können aber selbstverständlich auch getrennte Regelvorrichtungen 9 oder Steuervorrichtungen 9 vorgesehen sein.
-
In der 6 ist ein Querschnitt durch eine Verdichtungseinrichtung 2 gemäß der Erfindung gezeigt. Es handelt sich hierbei um einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine 10, die über eine Welle 11 mit der Verdichtungseinrichtung 2 verbunden ist. Die in einem Abgasturbinengehäuse gelagerte Abgasturbine 10 wird von Abgas 12 aus dem Brennräumen der Brennkraftmaschine gespeist und treibt ein Turbinenlaufrad 16 an, das über die drehfest verbundene Welle 11 ein Verdichterlaufrad 17 antreibt. Das Verdichterlaufrad 17 ist von einem Verdichtergehäuse 18 umgeben. Luft 7 strömt an der Anströmfläche 20 auf das Verdichterlaufrad 17 und wird auch den Drehimpuls des Verdichterlaufrades 17 verdichtet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist nunmehr an der der Anströmfläche 20 abgewandten Fläche 21 eine Bohrung 22 vorgesehen, die mit der Fluidzufuhr 15 verbunden ist. Auf diese kann nunmehr das Treibgas strömen und sich im Verdichtungsraum mit der verdichteten Luft vermischen.
-
Die 7 zeigt denselben Abgasturbolader gemäß 6 mit einer zusätzlichen Injektionseinheit 23. Hier wird Treibstoff direkt vor den Einlassventilen 24 zum Treibstoff-/Luftgemisch beigemischt, um so das Treibstoff-/Luftgemisch aufzufetten, d. h. um den λ-Wert zu erhöhen.
