DE102015200873B4

DE102015200873B4 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015200873B4
Application number: DE102015200873.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Hehle; Philipp Klaas
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015200873A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei- einem Brennraum (5) der als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine (1) ein in einem Reformer (11) erzeugtes Reformat zugeführt wird, wobei- das Reformat stromaufwärts des Brennraums (5) und stromabwärts des Reformers (11) durch ein Reformatreservoir (13) geleitet wird, wobei- eine Füllmenge des Reformatreservoirs (13) parameterabhängig gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass- das Reformat in dem Reformer (11) durch eine Trockenreformierung oder durch eine Bi- oder Tri-Reformierung erzeugt wird, und dass- dem Reformer (11) als Edukt zur Reformatproduktion wenigstens ein heizwertschwaches Gas, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Grubengas, einem Kokereigas, einem Prozessgas eines chemischen Betriebs, einem Prozessgas einer Raffinerie, einem Prozessgas aus der Rohstoffförderung, einem Faulgas, einem Biogas, einem Deponiegas, und einem Produktgas aus der Holzvergasung, zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Aus der österreichischen Patentanmeldung AT 511 338 A4 sowie aus der deutschen Patentschrift DE 10 2013 210 116 B3 ist jeweils eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Brennraum aufweist, der mit einer Brennstoffquelle verbindbar ist. Die Brennkraftmaschine weist außerdem einen Reformer auf, der entlang einer Fluidverbindung zwischen der Brennstoffquelle und dem Brennraum angeordnet ist, sodass dem Brennraum ein von dem Reformer erzeugtes Reformat zuführbar ist. Ein solcher Reformer wird insbesondere dann vorgesehen, wenn eine Brennkraftmaschine mit einem Gas als Brennstoff betrieben werden soll, das einen sehr geringen Heizwert oder ungünstige Verbrennungseigenschaften, beispielsweise eine schlechte Entflammbarkeit, aufweist, beispielsweise mit einem Schwachgas. Hierzu bedürfte es normalerweise einer Anpassung der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Anpassung von Zündzeitpunkten, der Leistung und/oder eines anderen Parameters, was grundsätzlich durch Einspielen eines neuen Datensatzes in ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt werden könnte. Zusätzlich kann auch eine physikalische Anpassung der Brennkraftmaschine nötig sein. Diese Anpassungen sind jedoch aufwändig und kostenintensiv und insbesondere bei schwankenden Brennstoffqualitäten nicht schnell durchführbar. Sie können vermieden werden, indem ein Reformer vorgesehen wird, wobei insbesondere aus dem als Brennstoff verwendeten Schwachgas Synthesegas erzeugt werden kann, welches für eine verbesserte Zündung in dem Brennraum eingesetzt wird. Dabei zeigt sich jedoch, dass der Reformer weniger schnell transient regelbar ist wie die Brennkraftmaschine selbst; vielmehr ergibt sich eine deutliche Diskrepanz der relevanten Zeitskalen der Brennkraftmaschine einerseits und des Reformers andererseits, was sowohl das transiente Verhalten einer derart ausgestalteten Brennkraftmaschine als auch deren Kaltstartfähigkeit negativ beeinflusst. Im Kaltstart ist der Reformer typischerweise noch nicht auf Betriebstemperatur, sodass das Synthesegas noch nicht zum Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Zwar findet sich in der österreichischen Patentanmeldung AT 511 338 A4 bereits die Randbemerkung, zur Verbesserung der Regelbarkeit einer Spülgasmenge könne in einer Spülgasleitung ein Spülgaspuffer angeordnet sein, der dann quasi als passives Reservoir für von dem Reformer erzeugtes Reformat wirkt; dies kann jedoch die zuvor genannten Nachteile für das transiente Verhalten und/oder die Kaltstartfähigkeit der Brennkraftmaschine höchstens zum Teil beheben.
Aus US 7 771 675 B2 geht ein entlang einer Fluidverbindung zwischen einer Brennstoffquelle und wenigstens einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordneter Reformer hervor, wobei entlang der Fluidverbindung stromabwärts des Reformers und stromaufwärts des Brennraums ein Reformatreservoir angeordnet ist, das eingerichtet ist zum Zwischenspeichern von Reformat. Eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Brennkraftmaschine ist dabei als Füllmengen-Kontrolleinrichtung für das Reformatreservoir ausgebildet und eingerichtet zur Beeinflussung einer Füllmenge des Reformatreservoirs in Abhängigkeit von dessen Füllstand.
Aus US 2011 / 0 132 290 A1 geht hervor, dass eine Reformerproduktionsrate für einen solchen Reformer aus einem zeitlichen Gradienten eines Drucks in einem solchen Reformatreservoir bestimmt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche mindestens einen Brennraum aufweist, der mit mindestens einer ersten Brennstoffquelle verbindbar ist. Die Brennkraftmaschine weist außerdem einen Reformer auf, der entlang einer ersten Fluidverbindung zwischen der wenigstens einen Brennstoffquelle und dem wenigstens einen Brennraum angeordnet ist, sodass dem Brennraum ein von dem Reformer erzeugtes Reformat zuführbar ist. Dabei ist stromabwärts des Reformers und stromaufwärts des Brennraums - entlang der ersten Fluidverbindung in Strömungsrichtung des Reformats von dem Reformer zu dem Brennraum gesehen - ein Reformatreservoir vorgesehen, das eingerichtet ist zur Zwischenspeicherung von Reformat. Die Brennkraftmaschine weist eine Füllmengen-Kontrolleinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Beeinflussung einer Füllmenge - insbesondere der Füllmenge an Reformat - des Reformatreservoirs in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter. Die Brennkraftmaschine ist eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden beschriebenen Verfahrens. Das derart vorgesehene Reformatreservoir stellt quasi einen aktiven Zwischenpuffer dar, wobei die Füllmengen-Kontrolleinrichtung eine aktive Beeinflussung der Füllmenge des Reformatreservoirs ermöglicht. Somit ist es möglich, in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine Reformat in ausreichender Menge bereitzuhalten, um auch sehr schnelle Lastaufschaltungen abfangen zu können. Umgekehrt ist es auch möglich, in dem Reformatreservoir genügend Speicherkapazität freizuhalten, um auch bei plötzlichem Lastabwurf der Brennkraftmaschine und träger Reaktion des Reformers im Überschuss erzeugtes Reformat aufnehmen zu können. Weiterhin ist es möglich, bei einer Abschaltung der Brennkraftmaschine gezielt Reformat für ein erneutes Anfahren derselben in dem Reformatreservoir vorzuhalten, sodass dieses gleich bei einem nachfolgenden Kaltstart zur Verfügung steht. Insgesamt kann so die Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine einschließlich des Reformers sowie deren Kaltstartfähigkeit deutlich verbessert werden. Dies wiederum ermöglicht überhaupt erst einen sinnvollen Betrieb der Brennkraftmaschine in verschiedensten Anwendungen mit einem Schwachgas als Brennstoff, wobei hier auch neue, bisher nicht zugängliche Anwendungsfelder eröffnet werden können. Dies hat erhebliche Kostenvorteile und auch äußerst günstige gesamtwirtschaftliche und ökologische Auswirkungen, insbesondere da Schwachgase bisher typischerweise abgefackelt oder aber unverbrannt in die Umwelt entlassen werden, was bei methanhaltigen Schwachgasen aufgrund des deutlich höheren Klimapotentials von Methan sehr viel gravierendere Umweltauswirkungen hat, als wenn diese Schwachgase einer Verbrennung unter Bildung des deutlich weniger klimarelevanten Kohlendioxids zugeführt werden.
Entsprechend ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine vorgesehen, dass der wenigstens eine Brennraum mit einer ersten Brennstoffquelle verbindbar ist, die als Gasquelle, insbesondere als Erdgas- oder als Schwachgasquelle ausgebildet ist. Unter einem Schwachgas wird hier und im Folgenden ein brennbares Gas verstanden, welches einen geringen oder sehr geringen Heizwert aufweist, insbesondere einen Heizwert, der geringer ist als der Heizwert von Erdgas, insbesondere einen Heizwert von weniger als 30 MJ/m³, insbesondere einen Heizwert von weniger als 8,5 MJ/m³. Die Brennstoffquelle ist nicht zwingend Teil der Brennkraftmaschine, vielmehr ist die Brennkraftmaschine bevorzugt eingerichtet zur Verbindung mit der ersten Brennstoffquelle. Andererseits ist es möglich, eine entsprechende Schnittstelle der Brennkraftmaschine selbst als erste Brennstoffquelle aufzufassen. Weiterhin ist ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine möglich, bei welchem die erste Brennstoffquelle selbst Teil der Brennkraftmaschine ist, beispielsweise in Form eines Brennstoffreservoirs.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der Reformer als autothermer Reformer, als thermochemischer Reformer, als Dampfreformer, und/oder zur katalytischen partiellen Oxidation, zur thermischen partiellen Oxidation, für eine Trockenreformierung und/oder für ein Bi- oder Tri-Reforming von Brennstoff ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass der Reformer einen einer eigentlichen Reformiereinrichtung vorgeschalteten Verdampfer aufweist, oder dass dem Reformer ein Verdampfer vorgeschaltet ist. Die konkrete Ausgestaltung des Reformers kann auf den konkreten Einsatz der Brennkraftmaschine und/oder den konkreten Brennstoff, welcher dem Reformer zugeführt wird, spezifisch abgestimmt sein.
Als Reformat wird vorzugsweise Synthesegas in dem Reformer erzeugt, mithin ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Reformat kann zusätzlich weitere Bestandteile aufweisen, insbesondere Inertgasanteile, und ganz besonders Kohlendioxid. Dabei können die Anteile der verschiedenen, in dem Reformat vorhandenen Stoffe abhängig von den in dem Reformer durchgeführten Reaktionen sowie den eingesetzten Katalysatoren, Edukten und den Umgebungsbedingungen in dem Reformer, insbesondere einem Druck und einer Temperatur in dem Reformer, verschieden sein. Dabei ist es auch möglich, das chemische Gleichgewicht der in dem Reformer durchgeführten Reaktionen durch Beeinflussung der Parameter des Reformers und/oder der diesem zugeführten Stoff- und/oder Wärmeströme zu verschieben.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist das Reformatreservoir zur Speicherung von gasförmigem Reformat, insbesondere unter Druck, eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Reformatreservoir eingerichtet ist, um das Reformat in flüssigem Zustand zu speichern. Insbesondere ist es möglich, dass das Reformat in dem Reformatreservoir als Flüssiggas gespeichert wird. Es ist möglich, dass ein Druck des Reformats vor dem Einbringen in das Reformatreservoir erhöht wird, insbesondere durch eine hierfür geeignete Druckerhöhungseinrichtung, beispielsweise eine Reformatpumpe. Insbesondere ist es möglich, dass das Reformatreservoir als Druckspeicher ausgebildet ist, in welchem das Reformat unter erhöhtem Druck gespeichert wird.
Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum Steuern oder Regeln der Füllmenge des Reformatreservoirs in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter. Zusätzlich ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung vorzugsweise eingerichtet, um die Füllmenge des Reformatreservoirs zu überwachen. Es ist möglich, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung als separate Vorrichtung an der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Alternativ ist es möglich, dass zur Steuerung oder Regelung des Reformers eine Reformer-Kontrolleinrichtung (Reformer Control Unit - RCU) vorgesehen ist, in welche die Funktion der Füllmengen-Kontrolleinrichtung integriert ist. Insofern ist dann die Reformer-Kontrolleinrichtung als Füllmengen-Kontrolleinrichtung ausgebildet. Weiter alternativ ist es möglich, dass ein ohnehin von der Brennkraftmaschine umfasstes Motorsteuergerät (Engine Control Unit - ECU) eingerichtet ist, die Funktion der Reformer-Kontrolleinrichtung und/oder der Füllmengen-Kontrolleinrichtung zu übernehmen. In diesem Fall ist das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine bevorzugt als Füllmengen-Kontrolleinrichtung ausgebildet.
Dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung eingerichtet ist zur Beeinflussung der Füllmenge in dem Reformatreservoir bedeutet insbesondere, dass sie eingerichtet ist, um die Füllmenge des Reformatreservoirs in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter konstant zu halten, zu erhöhen und/oder zu erniedrigen. Besonders bevorzugt ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung eingerichtet, um die Füllmenge in dem Reformatreservoir abhängig von dem wenigstens einen Parameter konstant zu halten, zu erhöhen und zu erniedrigen - je nach aktuell vorliegendem Wert und/oder einer zeitlichen Entwicklung des wenigstens einen Parameters.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der wenigstens eine Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, einem Betriebsparameter des Reformers, und einem Betriebsparameter des Reformatreservoirs. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Lastpunkt der Brennkraftmaschine, eine Reformatproduktionsrate des Reformers, und/oder um eine für die Füllmenge charakteristische oder von der Füllmenge abhängige Größe des Reformatreservoirs handeln. Insbesondere kann die Füllmenge des Reformatreservoirs selbst als Parameter herangezogen werden. Wird wenigstens einer der hier genannten Parameter verwendet, kann die Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine einschließlich des Reformers in besonders günstiger Weise verbessert werden.
Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die Füllmenge zu erhöhen, wenn diese einen ersten vorbestimmten Sollwert unterschreitet, und die Füllmenge zu reduzieren, wenn diese den ersten oder einen zweiten vorbestimmten Sollwert überschreitet. Es können verschiedene Sollwerte für eine Erhöhung und eine Erniedrigung der Füllmenge definiert werden, sodass eine Hysterese für die Füllmenge des Reformatreservoirs verwirklicht werden kann. Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Regelung der Füllmenge, vorzugsweise auf einen vorbestimmten Sollwert oder in einen vorbestimmten Sollwert-Bereich, insbesondere zwischen einem ersten und einem zweiten Sollwert.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung mit dem Reformer zur Beeinflussung einer Reformatproduktionsrate wirkverbunden ist. Über die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist es dann abhängig von dem wenigstens einen Parameter ohne weiteres möglich, die pro Zeiteinheit hergestellte Menge an Reformat abhängig von dem wenigstens einen Parameter zu beeinflussen. Auf diese Weise kann die Füllmenge in dem Reformatreservoir besonders effizient und direkt beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung eingerichtet ist, um die Reformatproduktionsrate in dem Reformer zu erhöhen, wenn die Füllmenge des Reformatreservoirs einen hierfür bestimmten Sollwert unterschreitet, sowie die Reformatproduktionsrate zu erniedrigen, wenn die Füllmenge einen hierfür vorbestimmten Sollwert überschreitet.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung mit wenigstens einer dem Reformer zugeordneten Strömungsbeeinflussungseinrichtung zur Beeinflussung eines Stoffstroms und/oder eines Wärmestroms zu dem Reformer wirkverbunden ist. Dies stellt eine ebenso einfache wie kostengünstige Realisierung einer Beeinflussung der Reformatproduktionsrate des Reformers in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter zur Füllmengenregulierung dar. Dabei sind dem Reformer typischerweise eine Mehrzahl von Stoffströmen zuführbar, insbesondere ein Massenstrom von Brennstoff aus der ersten Brennstoffquelle, ein Massenstrom von Abgas der Brennkraftmaschine - wobei das Abgas einerseits zum Heizen des Reformers und andererseits als Lieferant für spezifische Edukte der im Reformer ablaufenden chemischen Reaktionen verwendet werden kann - und/oder ein Massenstrom an Wasser, insbesondere zur Verschiebung von chemischen Gleichgewichten in dem Reformer. Typischerweise ist Wasser auch im Abgas der Brennkraftmaschine enthalten, sodass der Abgasmassenstrom als Wasserquelle für die im Reformer ablaufenden chemischen Reaktionen genutzt werden kann. Jedem Stoffstrom ist vorzugsweise eine eigene Stoffstromleitung zugeordnet. Als Strömungsbeeinflussungseinrichtungen zur Beeinflussung von Stoffströmen werden vorzugsweise Ventile, insbesondere regelbare oder steuerbare Ventile, verwendet. Über diese kann ein Durchströmquerschnitt der Stoffstromleitungen beeinflusst werden. Mit wenigstens einem solchen Ventil ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung bevorzugt zu dessen Ansteuerung wirkverbunden. Zusätzlich oder alternativ wird dem Reformer vorzugsweise wenigstens ein Wärmestrom zugeführt, insbesondere in Form von aus dem Abgas der Brennkraftmaschine oder einem Kühlmittel für einen Motorblock derselben gewonnener Wärme. Hierfür ist eine Wärmeleitung zu dem Reformer vorgesehen, wobei es möglich ist, dass diese ebenfalls als Stoffstromleitung, beispielsweise für ein Kühl- und/oder Heizmedium, eingerichtet sein kann. Die Strömungsbeeinflussungseinrichtung für den Wärmestrom ist vorzugsweise ebenfalls als Ventil zur Beeinflussung einer Kühl- und/oder Heizmedienströmung eingerichtet. Vorzugsweise ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung dann mit diesem Ventil wirkverbunden. Über die Beeinflussung der dem Reformer zugeführten Stoff- und/oder Wärmeströme ist es möglich, die in dem Reformer herrschenden Bedingungen zu beeinflussen und somit nicht nur das chemische Gleichgewicht für die Reformatbildung zu verschieben, sondern auch insgesamt die Reformatproduktionsrate zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen oder zu senken. Alternativ oder zusätzlich ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung bevorzugt mit einer dem Reformer zugeordneten aktiven Temperiereinrichtung, die eingerichtet ist zur aktiven Temperierung des Reformers, wirkverbunden. Bei der aktiven Temperiereinrichtung kann es sich bevorzugt um eine elektrische Heizung handeln. Über die Beeinflussung der Temperatur in dem Reformer mittels der aktiven Temperiereinrichtung ist es ebenfalls möglich, die in dem Reformer herrschenden Bedingungen zu beeinflussen und somit nicht nur das chemische Gleichgewicht für die Reformatbildung zu verschieben, sondern auch insgesamt die Reformatproduktionsrate zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen oder zu senken.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung mit wenigstens einem, dem Reformatreservoir zugeordneten Zustandssensor wirkverbunden ist, wobei der Zustandssensor eingerichtet ist zur Erfassung der Füllmenge - insbesondere an Reformat - in dem Reformatreservoir. Somit ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung in einfacher und sehr genauer Weise in der Lage, vermittelt über den Zustandssensor die Füllmenge oder den Füllstand in dem Reformatreservoir festzustellen. Der wenigstens eine Zustandssensor ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Drucksensor und einem Temperatursensor. Derartige Sensoren sind insbesondere geeignet, die Füllmenge eines in dem Reformatreservoir gasförmig vorliegenden Reformats festzustellen. Dabei stellen Druck- und Temperatursensoren einfache und kostengünstige sowie genaue Instrumente dar, um die Füllmenge insbesondere von gasförmigen Reformaten in dem Reformatreservoir mit hoher Genauigkeit sowie schnell zu erfassen.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem die Füllmengen-Kontrolleinrichtung mit zwei Zustandssensoren wirkverbunden ist, nämlich sowohl mit einem dem Reformatreservoir zugeordneten Drucksensor, der eingerichtet ist zur Erfassung eines Drucks in dem Reformatreservoir, als auch mit einem dem Reformatreservoir zugeordneten Temperatursensor, der eingerichtet ist zur Erfassung einer Temperatur in dem Reformatreservoir. Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist insbesondere in diesem Fall in der Lage, die Füllmenge eines gasförmigen Reformats in dem Reformatreservoir sicher, schnell und mit hoher Genauigkeit festzustellen. Besonders bevorzugt ist die Füllmengen-Kontrolleinrichtung eingerichtet zur Ermittlung der Füllmenge aus den von den beiden Zustandssensoren übermittelten Messwerten gemäß einer Gasgleichung, insbesondere der idealen Gasgleichung, einer Virialgleichung, oder einer anderen geeigneten Realgasgleichung. Es ist möglich, dass Koeffizienten der Virialgleichung oder einer anderen geeigneten Realgasgleichung an die konkreten Bedingungen in dem Reformatreservoir, insbesondere an ein dort vorliegendes Gemisch aus Gasen - bevorzugt abhängig von einem Zustand des Reformers und darin vorliegender chemischer Gleichgewichte - angepasst werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Ermittlung der Füllmenge noch gesteigert werden. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Virialkoeffizienten oder Koeffizienten einer anderen Realgasgleichung konstant gehalten werden. Die Verwendung der idealen Gasgleichung bietet bereits eine für praktische Anwendungen typischerweise ausreichende Genauigkeit zur Ermittlung der Füllmenge in dem Reformatreservoir. Die Genauigkeit kann jedoch durch Verwendung einer Virialgleichung oder einer anderen geeigneten Realgasgleichung noch gesteigert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der wenigstens eine Zustandssensor ein Füllstandssensor ist, der direkt den Füllstand in dem Reformatreservoir erfasst. Dabei kann es sich insbesondere um einen Niveau- oder Levelsensor handeln. Diese Ausgestaltung wird insbesondere bevorzugt, wenn das Reformat in dem Reformatreservoir in flüssigem Zustand vorliegt.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennraum eine Hauptkammer und eine Vorkammer aufweist. Vorzugsweise sind dabei die Hauptkammer und die Vorkammer über wenigstens einen Strömungskanal, insbesondere einen sogenannten Schusskanal, miteinander in Fluidverbindung, wobei die Vorkammer in an sich bekannter Weise als Zündverstärker für die Hauptkammer eingerichtet ist. Dabei kann die Vorkammer in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert, oder als Teil einer Zündkerze, die dann als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist, vorgesehen sein. Auch andere für sich genommen bekannte Ausgestaltungen der Vorkammer sind möglich, wobei hierauf nicht im Detail eingegangen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Reformat aus dem Reformatreservoir - insbesondere ausschließlich - direkt der Vorkammer zuführbar. Dabei bedeutet der Begriff „direkt“ hier und im Folgenden, dass das Reformat nicht vermittelt über die jeweils andere Kammer des Brennraums, hier konkret also über die Hauptkammer, in die bezeichnete Kammer geführt wird, sondern vielmehr unmittelbar in diese, hier also konkret in die Vorkammer. Wird das Reformat ausschließlich direkt der Vorkammer zugeführt, besteht keine unmittelbare Fluidverbindung zwischen dem Reformatreservoir und der Hauptkammer, vielmehr kann Reformat nur vermittelt über die Vorkammer in die Hauptkammer gelangen. Über eine Zufuhr von Reformat in die Vorkammer kann dieses in sehr wirksamer und effizienter Weise als Zündverstärker eingesetzt werden. Dabei wirken sich die hervorragenden Brenneigenschaften, insbesondere eine verbesserte Entflammbarkeit, des Reformats günstig aus. Insbesondere der von einem typisch erweise als Reformat erzeugtem Synthesegas umfasste Wasserstoff wirkt in hohem Maße zündverstärkend. Dadurch ist es möglich, auch sehr heizwertschwache, in die Hauptkammer eingebrachte Brenngase, insbesondere Schwachgase, sicher, vollständig und zu einem definierten Zündzeitpunkt zu entflammen.
Bevorzugt wird das Reformat mittels Direkteindüsung in die Vorkammer eingebracht, wobei der Vorkammer insbesondere ein Injektor zur Eindüsung des Reformats zugeordnet ist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird das Reformat bevorzugt - insbesondere ausschließlich - direkt der Hauptkammer zugeführt. Dabei ist es gemäß einer ersten Alternative möglich, dass der Hauptkammer ausschließlich Reformat als Brennstoff zugeführt wird. Besonders bevorzugt wird allerdings ein Ausführungsbeispiel, bei welcher der Hauptkammer das Reformat zusätzlich zu einem weiteren Brennstoff - insbesondere zur Verbesserung eines Zünd- und Durchbrandverhaltens des dann in der Hauptkammer vorliegenden Brennstoffgemischs - zugeführt wird. Hierzu weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Brennstoffmischeinrichtung auf, die stromaufwärts der Hauptkammer vorgesehen ist, und in welcher das Reformat mit einem weiteren Brennstoff mischbar ist. Es ist aber auch möglich, dass der Hauptkammer zwei separate Injektoren oder ein Zweistoffinjektor zugeordnet ist/sind, wobei dann die verschiedenen Brennstoffe über die verschiedenen Injektoren oder den Zweistoffinjektor zugeführt werden können. Während das Durchbrandverhalten und die Zündeigenschaften in der Hauptkammer grundsätzlich durch das Vorhandensein von Reformat verbessert werden, besteht jedoch andererseits ein erhöhtes Klopfrisiko beim Einbringen von Reformat, insbesondere von Synthesegas, in die Hauptkammer, insbesondere wenn dies ausschließlich erfolgt, also der Vorkammer kein Reformat zugeführt wird.
Selbstverständlich ist auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine möglich, bei welchem der Brennraum einteilig ausgestaltet ist, sodass er nicht in eine Haupt- und eine Vorkammer unterteilt ist. In diesem Fall wird das Reformat selbstverständlich ausschließlich dem einteiligen Brennraum und insoweit auch ausschließlich einer Hauptkammer, nämlich der einzigen Kammer des Brennraums, zugeführt.
Eine Zuführung von Reformat in die Hauptkammer kann auf verschiedene Weise erfolgen: Zum einen ist es möglich, dass das Reformat der Ladeluft zugesetzt wird, wobei eine Eindüsung von Reformat in die Ladeluft insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts eines vorzugsweise vorgesehenen Verdichters zur Verdichtung der Ladeluft beziehungsweise des Ladeluft-Brennstoff-Gemischs erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich ist eine Saugrohr-Eindüsung möglich, wobei die Eindüsung entweder in ein allen Brennräumen der Brennkraftmaschine gemeinsames Saugrohr, oder aber zylinderindividuell in den verschiedenen Brennräumen separat zugeordnete Saugrohrabschnitte durchgeführt werden kann. Schließlich ist auch eine direkte Eindüsung - in Form einer Direkteinspritzung - des Reformats in die Hauptkammer möglich, wobei hierzu der Hauptkammer insbesondere ein Injektor zugeordnet ist, der mit dem Reformatreservoir in Fluidverbindung steht.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem das Reformat aus dem Reformatreservoir sowohl direkt der Vorkammer als auch direkt der Hauptkammer zuführbar ist. Hierdurch kann die Entflammung und der Durchbrand des Gemischs in der Hauptkammer deutlich verbessert werden, wobei zugleich das Klopfrisiko - insbesondere im Vergleich zu einer ausschließlichen Einbringung von Reformat direkt in die Hauptkammer - gesenkt werden kann. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Hauptkammer direkt ein Gemisch aus dem Reformat und einem weiteren Brennstoff zugeführt wird, wobei der Vorkammer direkt ausschließlich Reformat zugeführt wird. Das Reformat entfaltet dann in der Vorkammer in vollem Umfang seine zündverstärkenden Eigenschaften, wobei es in der Hauptkammer den Durchbrand des weiteren Brennstoffs, insbesondere eines heizwertschwachen Gases, verbessert.
Es ist auch eine Ausgestaltung der Brennkraftmaschine möglich, bei welcher der Vorkammer ein Gemisch aus dem Reformat und einem weiteren Brennstoff zugeführt wird. Diese Option kann gegebenenfalls genutzt werden, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu optimieren, insbesondere an konkret vorliegende Bedingungen anzupassen.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennraum über eine zweite Fluidverbindung mit der ersten Brennstoffquelle verbindbar ist. Insbesondere ist die Hauptkammer bevorzugt über die zweite Fluidverbindung mit der ersten Brennstoffquelle verbindbar. In diesem Fall ist der erste Brennstoff, der auch dem Reformer zugeführt wird, als weiterer Brennstoff in dem Brennraum nutzbar. Dabei kann es sich bei dem ersten Brennstoff insbesondere um ein heizwertschwaches Gas, ganz besonders um ein sogenanntes Schwachgas, handeln. Dieses kann problemlos in der Hauptkammer als Brennstoff verwendet werden, weil durch das zusätzlich in den Brennraum - nämlich in die Vorkammer und/oder in die Hauptkammer - eingebrachte Reformat eine sichere Entflammung und ein guter Durchbrand des ersten Brennstoffs gewährleistet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Brennraum - insbesondere die Hauptkammer - über eine zweite - oder gegebenenfalls eine dritte - Fluidverbindung mit einer zweiten, von der ersten Brennstoffquelle verschiedenen Brennstoffquelle verbindbar ist. Es ist dann insbesondere ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem der erste Brennstoff lediglich dem Reformer zur Produktion von Reformat zugeführt wird, während der zweite Brennstoff nur dem Brennraum zugeführt wird. Die Brennkraftmaschine ist in diesem Fall besonders flexibel betreibbar.
Es ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem als erster Brennstoff ein heizwertschwaches Gas, insbesondere ein Schwachgas, und als zweiter Brennstoff ein heizwertstarker Brennstoff, beispielsweise Erdgas, oder aber ein flüssiger Brennstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, verwendet wird. Das Schwachgas wird dann einer Verwertung durch den Reformer zugeführt, indem hier Reformat erzeugt wird, das dann anschließend vorzugsweise als Spülgas in die Vorkammer eingebracht wird.
Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem der erste Brennstoff als heizwertstarker Brennstoff, beispielsweise als Erdgas oder als flüssiger Brennstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, ausgebildet ist, wobei der zweite Brennstoff als heizwertschwacher Brennstoff, insbesondere als Schwachgas, ausgebildet ist. Auch aus einem heizwertstarken Brennstoff kann in dem Reformer ohne weiteres ein Reformat erzeugt werden, welches dann zur sicheren Entflammung und für einen guten Durchbrand des heizwertschwachen, zweiten Brennstoffs in dem Brennraum eingesetzt wird.
Schließlich ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem sowohl der erste Brennstoff als auch der zweite Brennstoff heizwertschwache Brennstoffe, insbesondere Schwachgase, sind. Dabei ist es gleichwohl möglich, dass die beiden Brennstoffe sich chemisch unterscheiden und/oder aus verschiedenen Quellen kommen. Auch in diesem Fall wird das aus dem ersten Brennstoff gebildete Reformat eingesetzt, um einen sicheren Durchbrand und eine gute Entflammung des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Selbstverständlich ist allerdings auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine möglich, bei welchem sowohl der erste als auch der zweite Brennstoff ein heizwertstarker Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder ein flüssiger Brennstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, sind. Auch in diesem Fall erhöht die Erzeugung von Reformat aus dem ersten Brennstoff die Flexibilität des Einsatzes der Brennkraftmaschine - insbesondere unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des ersten Brennstoffs -, wobei zugleich das Reformat das Zündverhalten und das Durchbrandverhalten des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum verbessert.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, oder besonders bevorzugt als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, insbesondere einem Schwachgas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welche eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden. Das Kraftfahrzeug kann als Personenkraftwagen, als Lastkraftwagen, als Nutzfahrzeug, als Sonderfahrzeug, als Wasserfahrzeug, insbesondere als Schiff oder Unterseeboot, als Schienenfahrzeug, insbesondere als Triebwagen, Triebkopf, Lokomotive oder Rangier-Lokomotive, als Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, als Bau- oder Konstruktionsmaschine, insbesondere als Kran, Bagger oder Muldenkipper, als Kraftfahrzeug für den Tagebau oder auch für den Einbau unter Tage, als zur Verteidigung dienendes Kraftfahrzeug, insbesondere als Panzer, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.
Zur Erfindung gehört auch eine stationäre Anlage, die eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der stationären Anlage die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden. Die stationäre Anlage ist besonders bevorzugt eingerichtet zur Energieerzeugung, insbesondere zur Stromerzeugung. Bevorzugt ist dabei die Brennkraftmaschine mit einem Generator wirkverbunden, welcher durch die Brennkraftmaschine antreibbar ist. Es ist aber auch eine stationäre Anlage möglich, welche der Förderung von Stoffen dient, beispielsweise eine Pumpe, insbesondere für die Rohstoffförderung, für die Förderung von Stoffen, die in der Rohstoffförderung eingesetzt werden, beispielsweise beim Fracking, oder eine Pumpe auf einer Bohrinsel, insbesondere auch eine Feuerlöschpumpe auf einer Bohrinsel.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei im Rahmen des Verfahrens einem Brennraum der als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine ein in einem Reformer erzeugtes Reformat zugeführt wird. Das Reformat wird - in Strömungsrichtung des Reformats von dem Reformer zu dem Brennraum gesehen - stromaufwärts des Brennraums und stromabwärts des Reformers durch eine Reformatreservoir geführt oder geleitet, wobei eine Füllmenge - insbesondere ein Reformat - des Reformatreservoirs parameterabhängig gesteuert oder geregelt wird. Das Reformat wird in dem Reformer durch eine Trockenreformierung oder durch eine Bi- oder Tri-Reformierung erzeugt. Dem Reformer wird als Edukt zur Reformatproduktion wenigstens ein heizwertschwaches Gas, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Grubengas, einem Kokereigas, einem Prozessgas eines chemischen Betriebs, einem Prozessgas einer Raffinerie, einem Prozessgas aus der Rohstoffförderung, einem Faulgas, einem Biogas, einem Deponiegas, und einem Produktgas aus der Holzvergasung, zugeführt. Das Verfahren ist insbesondere eingerichtet zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Insbesondere wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Parameter, in Abhängigkeit von dem die Füllmenge des Reformatreservoirs gesteuert oder geregelt wird, ausgewählt ist aus einer Gruppe aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, einem Betriebsparameter des Reformers, und einem Betriebsparameter des Reformatreservoirs.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung parameterabhängig eine Reformatproduktionsrate des Reformers oder in dem Reformer beeinflusst.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass durch die Füllmengen-Kontrolleinrichtung wenigstens eine dem Reformer zugeordnete Strömungsbeeinflussungseinrichtung zur Beeinflussung eines Stoff- und/oder eines Wärmestroms zu dem Reformer parameterabhängig beeinflusst wird. Dabei wird besonders bevorzugt durch die Füllmengen-Kontrolleinrichtung ein Stoff- und/oder Wärmestrom parameterabhängig beeinflusst, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine, einem Brennstoff-Massenstrom, einem Wasser-Massenstrom, und einem Wärmestrom, insbesondere einem aus dem Abgas der Brennkraftmaschine oder aus einem Kühlkreislauf derselben gewonnenen Wärmestrom.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass durch die Füllmengen-Kontrolleinrichtung die Füllmenge in dem Reformatreservoir aus einem Messwert von wenigstens einem Zustandssensor, der dem Reformatreservoir zugeordnet und insbesondere eingerichtet ist, um einen inneren Zustand des Reformatreservoirs zu erfassen, ermittelt wird. Dabei wird die Füllmenge besonders bevorzugt aus wenigstens einem Messwert eines Druck- und/oder eines Temperatursensors ermittelt. Vorzugsweise wird die Füllmenge aus Messwerten eines Druck- und eines Temperatursensors ermittelt, insbesondere anhand einer Gasgleichung, insbesondere der idealen Gasgleichen, einer Virialgleichung oder einer anderen geeigneten Realgasgleichung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Füllmenge geregelt, besonders bevorzugt auf wenigstens einen vorbestimmten Sollwert einer die Füllmenge charakterisierenden oder von der Füllmenge abhängigen Größe, insbesondere eines Drucks und/oder einer Temperatur in dem Reformatreservoir, oder auch der Füllmenge selbst. Das Verfahren kann so besonders stabil durchgeführt werden. Dabei ist es gemäß einer Ausgestaltung möglich, dass der wenigstens eine Sollwert konstant ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass der wenigstens eine Sollwert insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und/oder des Reformers variabel angepasst wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der wenigstens eine Sollwert insbesondere bei transienten Zuständen der Brennkraftmaschine und/oder des Reformers variiert, um besonders schnell und flexibel eine Anpassung an den vorliegenden transienten Zustand vornehmen zu können und so das Regelungsverhalten des Gesamtsystems der Brennkraftmaschine einschließlich des Reformers weiter zu verbessern.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Füllmenge in dem Reformatreservoir in Abhängigkeit von einem zeitlichen Gradienten einer für die Füllmenge charakteristischen und/oder von der Füllmenge abhängigen Größe beeinflusst wird. Eine solche Größe ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Druck in dem Reformatreservoir, einer Temperatur in dem Reformatreservoir, und der Füllmenge selbst. Insbesondere wenn das Reformat in dem Reformatreservoir in flüssigem Zustand vorliegt, kann die Füllmenge selbst - beispielsweise über einen Schwimmer in Form eines Füllstands - gemessen werden. Anhand des zeitlichen Gradienten können in sehr sicherer und einfacher Weise insbesondere transiente Zustände erkannt werden, sodass das Regelungsverhalten der Brennkraftmaschine einschließlich des Reformers deutlich verbessert werden kann.
Bevorzugt wird ein transienter Vorgang anhand des zeitlichen Gradienten erkannt, wenn dieser von Null verschieden ist, wobei bevorzugt ein vorbestimmter Schwellenwert für einen Betrag oder eine Norm des Gradienten existiert, bei dem oder oberhalb dessen ein transienter Zustand festgestellt wird. Die Einführung eines solchen Schwellenwerts verhindert in wirksamer Weise, dass bereits geringfügige Fluktuationen des zeitlichen Gradienten um Null als transiente Vorgänge erkannt werden. Der Schwellenwert bewirkt somit insbesondere eine Stabilisierung des Steuerungs- oder Regelungsverhaltens der Füllmengen-Kontrolleinrichtung.
Die Füllmenge wird vorzugsweise nur dann verändert, wenn ein transienter Vorgang erkannt wurde, also der Betrag oder die Norm des Gradienten den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Im Übrigen wird die Füllmenge vorzugsweise konstant gehalten. Die Reformatproduktionsrate des Reformers wird bei Vorliegen eines transienten Zustands vorzugsweise abhängig von einem Vorzeichen des Gradienten erhöht oder erniedrigt. Dabei wird sie erhöht, wenn das Vorzeichen des Gradienten - in Abhängigkeit von der konkret gewählten Größe - eine Erniedrigung der Füllmenge in dem Reformatreservoir aufgrund des vorliegenden transienten Zustands anzeigt. Umgekehrt wird die Reformatproduktionsrate vorzugsweise erniedrigt, wenn das Vorzeichen des Gradienten eine Erhöhung der Füllmenge aufgrund des transienten Zustands anzeigt. Ist dabei die für die Füllmenge charakteristische oder von der Füllmenge abhängige Größe in Abhängigkeit von der Füllmenge monoton steigend, wird die Reformatproduktionsrate demnach erhöht, wenn der zeitliche Gradient negativ ist, wobei sie erniedrigt wird, wenn der Gradient positiv ist. Ein umgekehrter Zusammenhang ergibt sich für eine abhängig von der Füllmenge monoton fallende Größe.
Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Druck-Temperatur-Regelung für das Reformatreservoir in einem Normalbetrieb durchgeführt; der Druck und die Temperatur in dem Reformatreservoir werden also durch die Füllmengen-Kontrolleinrichtung konstant gehalten, wenn kein transienter Zustand erkannt wird.
Erfindungsgemäß wird dem Reformer als Edukt zur Reformatproduktion wenigstens ein heizwertschwaches Gas, vorzugsweise genau ein heizwertschwaches Gas, zugeführt wird. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, weil die Brennkraftmaschine zu jedem Zeitpunkt mit Schwachgas betrieben werden kann. Ein Schwachgas ist dabei ein Gas, welches einen Heizwert, der geringer ist als der Heizwert von Erdgas, insbesondere einen Heizwert von weniger als 30 MJ/m³, besonders bevorzugt einen Heizwert von weniger als 8,5 MJ/m³, aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Gas verwendet, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Grubengas, einem Kokereigas, einem Prozessgas eines chemischen Betriebs oder einer Raffinerie, einem Faulgas, einem Biogas, einem Deponiegas, einem Prozessgas aus der Rohstoffförderung, insbesondere sogenanntes Flare Gas, und einem Produktgas aus der Holzvergasung. Gerade solche Gase werden heute typischerweise abgefackelt. Mithilfe der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschine und dem vorgeschlagenen
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine können diese Gase zum Antrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wodurch ein signifikanter finanzieller Vorteil, insbesondere auch ein gesamtwirtschaftlicher Vorteil und ein Vorteil für die Umwelt entsteht, weil andere Treibstoffe entsprechend substituiert und damit eingespart werden können. Dabei sind keine Einschränkungen mehr in Hinblick auf das Transient- und Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine zu befürchten, sodass diese vielfältig und ohne Beschränkung eingesetzt werden kann.
Zur Erfindung gehört auch eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei ist es möglich, dass das Verfahren fest in eine elektronische Struktur, insbesondere eine Hardware, der Steuereinrichtung implementiert ist. Alternativ ist es möglich, dass in die Steuereinrichtung ein Computerprogrammprodukt geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Steuereinrichtung abläuft.
Die Steuereinrichtung kann als separates Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Funktion der Steuereinrichtung in eine allgemeine Steuereinrichtung zur Steuerung des Reformers, nämlich eine sogenannte Reformer-Kontrolleinrichtung (Reformer Control Unit - RCU) integriert ist. Auch ist es möglich, dass die Funktion der Steuereinrichtung in ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine, insbesondere in das zentrale Motorsteuergerät (Engine Control Unit - ECU) integriert ist.
Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung oder einem Computer, insbesondere einer Steuereinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, läuft.
Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Brennkraftmaschine bedingt ist. Diese zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die insbesondere als Hubkolbenmotor mit einem Motorblock 3 ausgebildet ist, wobei sie wenigstens einen Brennraum 5, insbesondere eine Mehrzahl von Brennräumen, aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder, zehn Zylinder, zwölf Zylinder, sechzehn Zylinder, achtzehn Zylinder, zwanzig Zylinder oder auch mehr Zylinder oder eine andere Zylinderzahl aufweist. Es ist auch insbesondere möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 als Reihenmotor, als V-Motor, als W-Motor oder in anderer geeigneter Weise ausgestaltet ist.
In 1 ist eine Brennstoffquelle 7 dargestellt, mit welcher der Brennraum 5 in Fluidverbindung steht. Die Brennstoffquelle 7 ist insbesondere ausgebildet als Quelle eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere eines Schwachgases. Bevorzugt ist die Brennstoffquelle 7 eine Quelle eines heizwertschwachen Gases mit einem Heizwert, der geringer ist als der Heizwert von Erdgas, insbesondere einem Heizwert von weniger als 30 MJ/m³, besonders bevorzugt mit einem Heizwert von weniger als 8,5 MJ/m³, wobei das Gas bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Kuppelgas aus der Montanindustrie, insbesondere einem Prozessgas aus der Stahlerzeugung, einem Grubengas, einem Gichtgas oder einem Hochofengas, einem Kokereigas, einem Prozessgas eines chemischen Betriebs oder einer Raffinerie, einem Prozessgas aus der Rohstoffförderung, insbesondere einem Flare Gas, einem Faulgas, einem Biogas, einem Deponiegas, und einem Produktgas aus der Holzvergasung. Hierbei handelt es sich insbesondere um Gasgemische, die wenigstens ein brennbares Gas, typischerweise Methan oder andere gasförmige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, aufweisen, wobei die brennbaren Gase mit nicht brennbaren Komponenten, beispielsweise Stickstoff, Wasserdampf oder Kohlendioxid, verdünnt sind. Solche Gase werden teilweise auch als Armgase bezeichnet. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit solchen heizwertschwachen Gasen stellt insbesondere in Hinblick auf die Definition eines Zündzeitpunkts und den Durchbrand des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum 5 eine Herausforderung dar.
Um eine sichere Entflammung und einen guten Durchbrand in dem Brennraum 5 zu gewährleisten, ist entlang einer ersten Fluidverbindung 9 zwischen der Brennstoffquelle 7 und dem Brennraum 5 ein Reformer 11 angeordnet, wobei dem Brennraum 5 ein von dem Reformer 11 aus dem durch die erste Brennstoffquelle 7 bereitgestellten Brennstoff erzeugtes Reformat, vorzugsweise Synthesegas, zuführbar ist. Dabei ist es möglich, dass der Reformer 11 als autothermer Reformer, oder als Reformer eingerichtet zur Trockenreformierung, zum Bi- oder Tri-Reforming, zur katalytischen partiellen Oxidation und/oder zur thermischen partiellen Oxidation eingerichtet ist. Dies kann insbesondere abhängig von dem konkret eingesetzten Edukt, also dem von der Brennstoffquelle 7 bereitgestellten Brennstoff, ausgewählt werden, wobei es insbesondere möglich ist, dass der Reformer 11 verschiedene Reaktionen variabel durchführen kann.
Es zeigt sich, dass die Zeitskalen, auf welchen der Motorblock 3 der Brennkraftmaschine 1 einerseits und der Reformer 11 andererseits regelbar ist, stark voneinander abweichen, wobei eine unmittelbare Fluidverbindung des Reformers 11 mit dem Brennraum 5 dazu führen würde, dass letztlich die Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 im Wesentlichen reduziert wäre auf das Transientverhalten des Reformers 11.
Um eine Entkopplung der Zeitskalen und eine verbesserte Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 zu bewirken, ist stromabwärts des Reformers 11 und stromaufwärts des Brennraums 5 - entlang der ersten Fluidverbindung 9 gesehen - ein Reformatreservoir 13 angeordnet, das eingerichtet ist zur Speicherung, insbesondere zur Zwischenspeicherung, von Reformat, wobei durch den Reformer 11 erzeugtes Reformat dem Brennraum 5 über das Reformatreservoir 13 zugeleitet wird.
Das Transientverhalten der Brennkraftmaschine 1 wird weiter entscheidend dadurch verbessert, dass diese eine Füllmengen-Kontrolleinrichtung 15 aufweist, die eingerichtet ist zur Beeinflussung einer Füllmenge an Reformat in dem Reformatreservoir 13 in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter. Die Funktionalität der Füllmengen-Kontrolleinrichtung ist hier insbesondere implementiert in eine Reformer-Steuerungseinrichtung 17, die auch zur Steuerung des Reformers 11 eingerichtet ist. Insofern ist hier die Reformer-Steuerungseinrichtung 17 ausgebildet als Füllmengen-Kontrolleinrichtung 15. Dabei ist es ohne weiteres möglich, eine herkömmliche Reformer-Steuerungseinrichtung um die Funktionalität der Füllmengen-Kontrolleinrichtung zu ergänzen, indem ein entsprechendes Computerprogrammprodukt in die Reformer-Steuerungseinrichtung geladen wird. Gegebenenfalls bedarf es allerdings noch einer Erweiterung der Reformer-Steuerungseinrichtung um zusätzliche Schnittstellen zu wenigstens einem Zustandssensor und/oder wenigstens einer Strömungsbeeinflussungseinrichtung.
Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung 15 ist hier - in Form der Reformer-Steuerungseinrichtung 17 - mit dem Reformer 11 zugeordneten Strömungsbeeinflussungseinrichtungen wirkverbunden, nämlich mit einem in der ersten Fluidverbindung 9 stromaufwärts des Reformers 11 angeordneten Brennstoffventil 19, welches eingerichtet ist zur Beeinflussung eines dem Reformer 11 zugeführten Brennstoff-Massenstroms aus der Brennstoffquelle 7, einem Abgasventil 21, welches in einer Abzweigleitung 23 angeordnet ist, über welche dem Reformer 11 Abgas der Brennkraftmaschine 1 aus einer Abgasleitung 25 zuführbar ist, wobei durch das Abgasventil 21 ein dem Reformer 11 zugeführter Abgasmassenstrom einstellbar ist, und einem Wärmestromventil 27, über welches ein dem Reformer 11 zugeführter Wärmestrom einstellbar ist. Dabei ist das Wärmestromventil 27 hier in einer Wärmestromleitung 29 angeordnet, die vorzugsweise ein Kühl- und/oder Heizmedium führt, mittels welchem dem Reformer 11 Wärme zuführbar ist, die hier in einem Wärmetauscher 31 aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 entnommen wird. Der Wärmetauscher 31 ist dabei in der Abgasleitung 25 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann dem Reformer 11 über die Wärmestromleitung 29 oder eine weitere Wärmestromleitung auch Abwärme der Brennkraftmaschine 1 aus einem Kühlmittelkreislauf zugeführt werden. Auch eine aktive Temperierung des Reformers 11 beispielsweise mittels einer elektrischen Heizeinrichtung ist möglich, wobei diese dann bevorzugt ebenfalls mit der Reformer-Steuerungseinrichtung 17 zu deren Ansteuerung in Wirkverbindung steht.
Über die Einstellung des Brennstoffventils 19, des Abgasventils 21 und/oder des Wärmestromventils 27 ist es möglich, eine Reformatproduktionsrate in dem Reformer 11 zu beeinflussen, insbesondere konstant zu halten, zu erhöhen oder zu erniedrigen. Darüber kann wiederum mittelbar die Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 beeinflusst, insbesondere konstant gehalten, erhöht oder erniedrigt werden.
Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung 15 ist außerdem mit wenigstens einem Zustandssensor wirkverbunden, hier nämlich konkret mit einem Drucksensor 33 und einem Temperatursensor 35, die dem Reformatreservoir 13 zugeordnet sind und den Druck und die Temperatur in dem Reformatreservoir 13 erfassen können. Die Füllmengen-Kontrolleinrichtung 15, hier konkret die Reformer-Steuerungseinrichtung 17, ist eingerichtet zur Ermittlung der Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 aus den Messwerten des Drucksensors 33 und des Temperatursensors 35, insbesondere über eine Gasgleichung, beispielsweise die ideale Gasgleichung, eine Virialgleichung oder eine andere Realgasgleichung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist der Brennraum 5 unterteilt in eine Hauptkammer 37 und eine Vorkammer 39. Dabei ist hier das Reformat direkt - also ohne Umweg über die Hauptkammer 37 - der Vorkammer 39 aus dem Reformatreservoir 13 zuführbar, wobei zur Beeinflussung einer der Vorkammer 39 zugeführten Menge an Reformat ein erstes Reformatventil 41 vorgesehen ist, welches beispielsweise als Injektor ausgebildet sein kann. Es ist also insbesondere möglich, dass das Reformat direkt in die Vorkammer 39 mittels eines Injektors als erstem Reformatventil 41 eingedüst wird.
Weiterhin ist das Reformat aus dem Reformatreservoir 13 auch direkt - also ohne Umweg über die Vorkammer 39 - der Hauptkammer 37 zuführbar, nämlich hier über eine Brennstoffmischeinrichtung 43, in welcher das Reformat mit einem weiteren Brennstoff mischbar ist. Zur Beeinflussung eines der Brennstoffmischeinrichtung 43 aus dem Reformatreservoir 13 zugeführten Massenstroms an Reformat ist ein zweites Reformatventil 45 vorgesehen.
Der Brennraum 5 - hier konkret die Hauptkammer 37 - ist über eine zweite Fluidverbindung 47 mit der ersten Brennstoffquelle 7 verbunden, wobei der Brennstoff aus der Brennstoffquelle 7 ebenfalls der Brennstoffmischeinrichtung 43 zugeführt und dort mit dem Reformat gemischt wird. Dabei ist in der zweiten Fluidverbindung 47 stromaufwärts der Brennstoffmischeinrichtung 43 ein Brennstoffventil 49 angeordnet, über welches ein Massenstrom an Brennstoff aus der Brennstoffquelle 7 zu der Brennstoffmischeinrichtung 43 einstellbar ist. Durch Ansteuerung des Brennstoffventils 49 und/oder des zweiten Reformatventils 45 kann ein Mischungsverhältnis von Reformat einerseits und Brennstoff aus der ersten Brennstoffquelle 7 andererseits in der Brennstoffmischeinrichtung 43 eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Brennraum 5 - insbesondere die Hauptkammer 37 - über die zweite Fluidverbindung 47 oder eine andere Fluidverbindung mit einer zweiten Brennstoffquelle verbunden ist, die von der ersten Brennstoffquelle 7 verschieden ist.
Das in der Brennstoffmischeinrichtung 43 gebildete Brennstoffgemisch kann der Hauptkammer 37 entweder über die Ladeluft, insbesondere in Form einer Ladeluftleitungseindüsung oder einer Saugrohreindüsung, insbesondere einer zylinderindividuellen Saugrohreindüsung, oder durch Direkteindüsung mittels eines Injektors zugeführt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist - optiponal - stromabwärts der Brennstoffquelle 7 noch eine Gasreinigungseinrichtung 51, insbesondere ein Gaswäscher vorgesehen, wobei hier unerwünschte chemische Stoffe, beispielsweise Schwefel oder Schwefelverbindungen, aus dem durch die Brennstoffquelle 7 bereitgestellten Brennstoff entfernbar sind. Vorzugsweise erfolgt eine Verzweigung in die erste Fluidverbindung 9 und die zweite Fludiverbindung 47 stromabwärts der Gasreinigungseinrichtung 51.
Es ist möglich, dass die Brennstoffquelle 7 eine schwankende Brennstoffqualität aufweist, wobei insbesondere die konkrete Zusammensetzung eines durch die Brennstoffquelle 7 bereitgestellten Gasgemischs und/oder ein Heizwert des bereitgestellten Brennstoffs zeitlichen Variationen unterliegen kann. Dies ist jedoch für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 unproblematisch, da mittels des durch den Reformer 11 bereitgestellten Reformats stets eine sichere Entflammung und ein guter Durchbrand eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs in dem Brennraum 5 gewährleistet werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 1. In einem ersten Schritt S1 startet das Verfahren. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Druck-Sollwert für den Druck und ein Temperatur-Sollwert für eine Temperatur in dem Reformatreservoir 13 gesetzt.
In einem dritten Schritt S3 werden durch den Drucksensor 33 ein momentaner Ist-Druck und durch den Temperatursensor 35 eine momentane Ist-Temperatur in dem Reformatreservoir 13 erfasst. In einem vierten Schritt S4 wird eine Druckdifferenz zwischen dem Druck-Sollwert und dem momentanen Ist-Druck in dem Reformatreservoir 13 gebildet. Außerdem wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatur-Sollwert und der momentanen Ist-Temperatur in dem Reformatreservoir 13 gebildet.
Da das Verfahren vorzugsweise iterativ durchgeführt wird, steht stets wenigstens ein vorangegangener Istwert oder Differenzwert für den Druck und die Temperatur in dem Reformatreservoir 13 zur Verfügung. Bei einem initialen Durchlauf des Verfahrens ist es beispielsweise möglich, auf bei einem Start der Brennkraftmaschine 1 gemessene Werte des Drucksensors 33 und des Temperatursensors 35 zurückzugreifen. Jedenfalls ist es auf diese Weise möglich, eine zeitliche Entwicklung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Reformatreservoir 13 zu verfolgen und insbesondere einen zeitlichen Gradienten wenigstens einer dieser Größen zu bilden. Dabei ist es grundsätzlich für eine Genauigkeit des Regelungsverfahrens ausreichend, wenn nur der Gradient einer der beiden Größen betrachtet wird. Es ist aber auch möglich, Gradienten beider Größen zu bilden.
In einem fünften Schritt S5 wird bei der hier dargestellten Ausführungsform des Verfahrens ein zeitlicher Gradient des Drucks in dem Reformatreservoir 13 gebildet, wobei geprüft wird, ob der Betrag des Druck-Gradienten einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Ist dies nicht der Fall, wird kein transienter Vorgang erkannt und das Verfahren wird in einem sechsten Schritt S6 fortgesetzt, in dem der Druck und die Temperatur in dem Reformatreservoir 13 auf die vorbestimmten Sollwerte anhand der in dem vierten Schritt S4 berechneten Differenzwerte geregelt werden. Die Regelung kann dabei durch - insbesondere geringfügiges - Anpassen der Reformatproduktionsrate in dem Reformer 11 oder durch andere geeignete Maßnahmen durchgeführt werden.
In einem siebten Schritt S7 wird geprüft, ob die Brennkraftmaschine 1 noch läuft oder vielmehr gestoppt wurde. Falls die Brennkraftmaschine gestoppt wurde, endet das Verfahren in einem achten Schritt S8. Falls die Brennkraftmaschine 1 noch läuft, springt das Verfahren bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zurück vor den zweiten Schritt S2, wobei dann in dem zweiten Schritt S2 erneut der Druck-Sollwert und der Temperatur-Sollwert gesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass das Verfahren zurückspringt zwischen den zweiten Schritt S2 und den dritten Schritt S3, sodass der Druck-Sollwert und der Temperatur-Sollwert unverändert bleiben. Dies stellt eine einfachere Version des Verfahrens dar. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel, bei welchem der Druck-Sollwert und der Temperatur-Sollwert in jedem Zyklus neu gesetzt werden hat jedoch den Vorteil, dass diese Sollwerte flexibel an geänderte Bedingungen der Brennkraftmaschine 1 angepasst werden können, wobei sie insbesondere zur Anpassung an transiente Vorgänge variiert werden können. Hierdurch erlangt das Verfahren eine größere Variabilität und Flexibilität, als wenn die Sollwerte konstant gehalten werden.
Wird in dem fünften Schritt S5 ein transienter Zustand erkannt, was der Fall ist, wenn der Betrag des Druck-Gradienten den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wird das Verfahren in einem neunten Schritt S9 fortgesetzt, wo insbesondere ein Vorzeichen des Druck-Gradienten ermittelt wird. Ist der Wert des Druck-Gradienten kleiner Null, deutet dies auf eine Abnahme der Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 hin, wobei in diesem Fall in einem zehnten Schritt S10 die Reformatproduktionsrate in dem Reformer 11 - insbesondere in größerem Maße als gegebenenfalls in dem Schritt S6 - angehoben wird. Dies erfolgt insbesondere durch entsprechende Beeinflussung der Stoff- und/oder Wärmeströme zu dem Reformer 11. Ist der Wert des Druck-Gradienten dagegen positiv, also größer als Null, deutet dies auf eine steigende Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 hin. In diesem Fall wird in einem elften Schritt S 11 des Verfahrens die Reformatproduktionsrate in dem Reformer 11 - insbesondere in größerem Maße als gegebenenfalls in dem Schritt S6 - verringert.
Ausgehend von dem Schritt S10 oder von dem Schritt S 11 springt das Verfahren wiederum vorzugsweise zurück unmittelbar vor den zweiten Schritt S2. Selbstverständlich ist es auch hier alternativ möglich, dass das Verfahren zurückspringt zwischen den zweiten Schritt S2 und den dritten Schritt S3. Insbesondere ist insoweit vorzugsweise nach dem siebten Schritt S7 und nach dem zehnten Schritt S10 sowie nach dem elften Schritt S 11 dasselbe Sprungziel vorgesehen.
Im Rahmen des Verfahrens gemäß der Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, wird unmittelbar ein transienter Vorgang in dem Reformatreservoir 13 erkannt. Dieser ist jedoch verknüpft mit einem transienten Vorgang der Brennkraftmaschine 1. Weist diese nämlich eine Lastaufschaltung auf, wird eine erhöhte Menge an Reformat dem Brennraum 5 zugeführt, sodass die Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 sinkt. Weist dagegen die Brennkraftmaschine 1 einen Lastabwurf auf, wird eine reduzierte Menge an Reformat dem Brennraum 5 zugeführt, sodass die Füllmenge in dem Reformatreservoir 13 steigt. Mithilfe des Verfahrens kann hierauf schnell und gezielt reagiert werden, sodass die Brennkraftmaschine 1 insgesamt - einschließlich des Reformers 11 - ein verbessertes Gradientverhalten aufweist.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe der Brennkraftmaschine 1 und des Verfahrens die verschiedenen Zeitskalen der Brennkraftmaschine 1 und des Reformers 11 entkoppelt werden können, wodurch das Transientverhalten verbessert wird. Zugleich ist es möglich, den Brennraum 5 auch im Kaltstartbetrieb mit Reformat, insbesondere mit Synthesegas, zu versorgen und damit zu ermöglichen, dass die Brennkraftmaschine 1 zu jedem Zeitpunkt auch mit heizwertschwachen Gasen, insbesondere mit einem Schwachgas oder Armgas, betrieben werden kann. Dadurch können diese heizwertschwachen Gase in einer Vielzahl von Anwendungen sinnvoll eingesetzt werden, sodass sie nicht mehr abgefackelt werden müssen. Hierdurch ergibt sich ein signifikanter finanzieller Vorteil für den Nutzer der Brennkraftmaschine 1, weil die Schwachgase einen relativ geringen Preis haben. Auch gesamtwirtschaftlich ergibt sich ein großer Vorteil, weil die Schwachgase nicht mehr ohne zusätzlichen Nutzen abgefackelt werden müssen, sondern vielmehr einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden können. Es ergibt sich auch ein ökologischer Vorteil, weil ansonsten eingesetzte Brennstoffe durch Schwachgase substituiert werden können. Zusätzlich hat eine Verbrennung von methanhaltigen Schwachgasen gegenüber einem unverbrannten Entlassen in die Umwelt den Vorteil, dass das klimarelevantere Methan in das weniger klimarelevante Kohlendioxid umgesetzt wird. Durch die Erzeugung eines Reformats und dessen Einsatz zur Zündverstärkung vereinfacht sich darüber hinaus die Motorapplikation für die Brennkraftmaschine 1, sodass diese nicht mehr an den spezifisch verwendeten Brennstoff angepasst werden muss.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei - einem Brennraum (5) der als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine (1) ein in einem Reformer (11) erzeugtes Reformat zugeführt wird, wobei - das Reformat stromaufwärts des Brennraums (5) und stromabwärts des Reformers (11) durch ein Reformatreservoir (13) geleitet wird, wobei - eine Füllmenge des Reformatreservoirs (13) parameterabhängig gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das Reformat in dem Reformer (11) durch eine Trockenreformierung oder durch eine Bi- oder Tri-Reformierung erzeugt wird, und dass - dem Reformer (11) als Edukt zur Reformatproduktion wenigstens ein heizwertschwaches Gas, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Grubengas, einem Kokereigas, einem Prozessgas eines chemischen Betriebs, einem Prozessgas einer Raffinerie, einem Prozessgas aus der Rohstoffförderung, einem Faulgas, einem Biogas, einem Deponiegas, und einem Produktgas aus der Holzvergasung, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmenge in Abhängigkeit von einem zeitlichen Gradienten einer für die Füllmenge charakteristischen und/oder von der Füllmenge abhängigen Größe beeinflusst wird.
Brennkraftmaschine (1), mit - mindestens einem Brennraum (5), der mit - mindestens einer ersten Brennstoffquelle (7) verbindbar ist, und mit - einem Reformer (11), der entlang einer ersten Fluidverbindung (9) zwischen der wenigstens einen Brennstoffquelle (7) und dem wenigstens einen Brennraum (5) angeordnet ist, sodass dem Brennraum (5) ein von dem Reformer (11) erzeugtes Reformat zuführbar ist, wobei - entlang der ersten Fluidverbindung (9) stromabwärts des Reformers (11) und stromaufwärts des Brennraums (5) ein Reformatreservoir (13) vorgesehen ist, das eingerichtet ist zum Zwischenspeichern von Reformat, wobei - die Brennkraftmaschine (1) eine Füllmengen-Kontrolleinrichtung (15) aufweist, die eingerichtet ist zur Beeinflussung einer Füllmenge des Reformatreservoirs (13) in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter, und wobei - die Brennkraftmaschine eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1), einem Betriebsparameter des Reformers (11), und einem Betriebsparameter des Reformatreservoirs (13).
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung (15) mit dem Reformer (11) zur Beeinflussung einer Reformatproduktionsrate wirkverbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung (15) mit wenigstens einer dem Reformer (11) zugeordneten Strömungsbeeinflussungseinrichtung (19,21,27) zur Beeinflussung eines Stoff- und/oder Wärmestroms zu dem Reformer (11) wirkverbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmengen-Kontrolleinrichtung (15) mit wenigstens einem dem Reformatreservoir (13) zugeordneten Zustandssensor (33,35) zur Erfassung der Füllmenge in dem Reformatreservoir (13) wirkverbunden ist, wobei der wenigstens eine Zustandssensor (33,35) vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Drucksensor (33), einem Temperatursensor (35), und einem Füllstandssensor.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (5) eine Hauptkammer (37) und eine Vorkammer (39) aufweist, wobei das Reformat aus dem Reformatreservoir (13) direkt der Vorkammer (39), direkt der Hauptkammer (37) oder sowohl direkt der Vorkammer (39) als auch direkt der Hauptkammer (37) zuführbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (5) über eine zweite Fluidverbindung (47) mit der ersten Brennstoffquelle (7) oder mit einer zweiten, von der ersten Brennstoffquelle (7) verschiedenen Brennstoffquelle, verbindbar ist.