DE102016116040A1

DE102016116040A1 - Gasbetriebene brennkraftmaschine und verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number: DE102016116040A1
Application number: DE102016116040.7A
Authority: DE
Inventors: Dino IMHOF; German Weisser
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018041724A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs im Brennraum eines Verbrennungsmotors mit innerer Gemischbildung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Eindüsen einer ersten Gasmenge während des Ansaugvorgangs, wobei die Luftzahl des dabei gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb der Zündgrenze liegt; die Kompression des Gas-Luft-Gemischs; das Eindüsen einer zweiten Gasmenge beginnend während oder am Ende der Kompression; das Zünden des Gas-Luft-Gemischs; das Verbrennen der Gesamt-Gasmenge aus erster Gasmenge und zweiter Gasmenge, wobei die erste Gasmenge vorgemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird. Zudem wird ein entsprechender Verbrennungsmotor vorgeschlagen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, dabei insbesondere Verbrennungsmotoren mit Direkteindüsung eines gasförmigen Brennstoffs.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Verbrennungsmotoren werden typischerweise mit innerer Gemischbildung betrieben. Dabei ist es üblich, den Brennstoff, zum Beispiel Diesel oder Gas, unter hohem Druck etwa zum Ende des Kompressionstaktes nahe dem oberen Totpunkt (OT) in den Brennraum einzubringen. Eine kleine Menge eines Pilot-Brennstoffs, zum Beispiel Diesel, oder eine Fremdzündung, zum Beispiel eine Zündkerze, wird eingesetzt, diesen Gasstrahl zu zünden. Es ist bekannt, dass solche Verbrennungsmotoren einen hohen thermischen Wirkungsgrad aufweisen, der aus dem hohen Verdichtungsverhältnis resultiert.
In Verbrennungsmotoren mit direkter Eindüsung eines Gases in den Brennraum wird das Gas üblicherweise mit etwa 250 bis 500 bar eingedüst. Bei dynamischen Vorgängen, im Zweistoff-Betrieb und bei reinem Dieselbetrieb ist das Verhalten solcher Verbrennungsmotoren vergleichbar zu dem reiner Dieselmotoren mit Direkteinspritzung.
Zu den Nachteilen der Gas-Direkteindüsung gehören hohe NO_x-Emissionen, da das eingebrachte Gas vor allem in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird. Als nachteilig kann ferner der signifikante Energieaufwand angesehen werden, der zur Kompression des Gases auf den Eindüsungs-Druck aufgebracht werden muss. Aufgabe der Erfindung ist, diese gegenläufige Abhängigkeit von Effizienz und Emissionsbildung zu verbessern und den benötigten Eindüsungs-Druck zu senken.
CA 2838120 A1 offenbart einen direkteinspritzenden, gasbetriebenen Motor, der mittels Selbstzündung eines Pilot-Brennstoffs gezündet wird.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik besteht Bedarf nach Verbrennungsmotoren mit Gas-Direkteindüsung und Verfahren zu deren Betrieb, die verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 10.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs im Brennraum eines Verbrennungsmotors mit innerer Gemischbildung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Eindüsen einer ersten Gasmenge während des Ansaugvorgangs, wobei die Luftzahl des dabei gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb der Zündgrenze liegt; die Kompression des Gas-Luft-Gemischs; das Eindüsen einer zweiten Gasmenge beginnend während oder am Ende der Kompression; das Zünden des Gas-Luft-Gemischs; das Verbrennen der Gesamt-Gasmenge aus erster Gasmenge und zweiter Gasmenge, wobei die erste Gasmenge vorgemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird.
Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das hybride Verbrennungskonzept – mit einer Kombination aus vorgemischter Verbrennung und mischungskontrollierter Verbrennung – einen Betrieb mit einem hohen Anteil an vorgemischter Verbrennung ermöglicht. Dies ermöglicht die Erzielung niedriger NO_x-Emissionen durch einen geringen Anteil an mischungskontrollierter Verbrennung des eingedüsten Gasstroms, während das Verdichtungsverhältnis und damit der thermische Wirkungsgrad etwa auf dem Niveau eines direkteinspritzenden Dieselmotors liegen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen des Systems vorgestellt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den angehängten Figuren ersichtlich. Dabei zeigen:
1 zeigt ein Eindüsungsschema gemäß einem Verfahren nach Ausführungsformen der Erfindung;
2 zeigt einen Verbrennungsmotor zum Ausführen eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
Detaillierte Beschreibung
Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, ist der Schutzbereich der Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch für den Fachmann naheliegende Ausführungsformen.
Grundsätzlich betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsmotoren mit Gas-Direkteinspritzung, wobei ein hybrides Verbrennungsverfahren zur Anwendung kommt. Gemäß der hierin verwendeten Bedeutung bezieht sich „hybrides Verbrennungsverfahren“ darauf, dass ein Teil des Brennstoffs in einer vorgemischten Verbrennung und ein Teil in einer mischungskontrollierten Verbrennungumgesetzt wird.
Grundsätzlich wird dazu, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, die Gas-Eindüsung in den Zylinder in mindestens zwei zeitlich voneinander getrennte bzw. beabstandete Vorgänge aufgeteilt. Die erste Gaseindüsung geschieht während des Einlass-Taktes, wodurch eine nahezu homogene Durchmischung dieser ersten Gasmenge mit Luft ermöglicht wird. Dabei bleibt die Luftzahl Lambda des so gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb der Zündgrenze – bezogen auf die darauffolgende Kompression, das heißt, das während der ersten Eindüsung gebildete Gemisch ist derart ausgelegt, dass es bei der nachfolgenden Kompression auch im oberen Totpunkt noch nicht selbstzünden würde. Nahe dem oberen Totpunkt wird dann typischerweise ein flüssiger Pilot-Brennstoff eingespritzt, sowie eine zweite Gasmenge eingedüst. Die erste Gasmenge verbrennt in einer weitgehend bzw. idealerweise homogenen, vorgemischten Verbrennung als Gas-Luft-Gemisch. Die zweite Gasmenge wird dagegen in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt. Da eine mischungskontrollierte Verbrennung grundsätzlich mit signifikant höheren NO_x-Emissionen als eine vorgemischte Verbrennung bei den hier zur Anwendung kommenden Luftzahlen verbunden ist, ist der Stickoxid-Ausstoß des Motors deutlich reduziert im Vergleich zum reinen Direkteinspritzungs-Betrieb, und zwar umso stärker, je größer die vorgemischt verbrennende erste Gasmenge im Verhältnis zur zweiten Gasmenge gewählt bzw. eingestellt ist.
In einigen Ausführungsbeispielen, die im Folgenden noch genauer ausgeführt werden, können zumindest kurzfristig die jeweiligen Eindüs- oder Einspritzmengen der ersten und zweiten Gasmenge sowie des Pilot-Brennstoffs individuell reduziert werden, in einigen Fällen auch bis auf null reduziert werden. Auch können generell die Vorgänge des Eindüsens der ersten Gasmenge und/oder der zweiten Gasmenge jeweils weiter unterteilt, das heißt in mehrere Einzelphasen aufgeteilt vorgenommen werden.
1 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Gezeigt ist das Eindüsen einer ersten Gasmenge 20 während des Ansaugvorgangs, wobei die Luftzahl des dabei gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb der Zündgrenze liegt. In der folgenden Kompression wird das Gas-Luft-Gemisch komprimiert. Gegen Ende der Kompression, d.h. nahe des oberen Totpunkts (OT), wird eine zweite Gasmenge 30 eingedüst. Das so entstandene Gas-Luft-Gemisch wird gezündet, vorzugsweise durch Einspritzung eines Pilot-Brennstoffs 40 bereits zu Beginn der Eindüsung der zweiten Gasmenge 30. Das komprimierte Gas-Luft-Gemisch wird verbrannt, wobei die erste Gasmenge 20 vorgemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird.
Zur Lastregelung werden in Ausführungsbeispielen die erste Gasmenge 20 und die zweite Gasmenge 30 als Funktion der Last variiert. Dies betrifft die absoluten Mengen und insbesondere auch das Verhältnis der beiden Gasmengen zueinander. So kann etwa der prozentuale Anteil der zweiten Gasmenge (an der Gesamt-Gasmenge pro Zyklus) zu niedrigeren Lasten hin reduziert werden. Diese Reduzierung im Fall von Teillast bzw. niedriger Last kann soweit vorgenommen werden, dass die zweite Gasmenge 30 ganz wegfällt, also auf null reduziert wird. Die Zündung geschieht auch in diesem Fall typischerweise durch Einspritzung des Pilot-Brennstoffs 40, wie in 1 dargestellt, nahe des oberen Totpunkts. Da die gesamte umzusetzende Gasmenge dann nur aus der ersten eingedüsten Gasmenge 20 besteht, verbrennt das gesamte eingedüste Gas in vorgemischter Verbrennung, das heißt unter geringen Stickoxid-Bildung. Lediglich der Pilot-Brennstoff 40 verbrennt in diesem Fall in einer mischungskontrollierten Verbrennung.
Im Fall von dynamischen Lasterhöhungen kann in Ausführungsbeispielen die zweite Gasmenge 30 erhöht werden und die erste Gasmenge 20 reduziert werden. Die erste Gasmenge kann dabei optional auch kurzfristig bis auf null abgesenkt werden. Da die zweite Gasmenge durch die mischungskontrollierte Verbrennung unter geringeren Gesamt-Kohlenwasserstoff(total hydrocarbon – THC)-Emissionen verbrennt, lässt sich auf diese Weise die THC-Emission bei Lastwechseln minimieren. Ebenso kann bei dynamischen Lastabsenkungen vor allem die erste Gasmenge 20 reduziert werden. Diese Reduzierung kann optional bis auf null erfolgen, so dass nur noch die zweite Gasmenge 30 zur Verbrennung beiträgt.
Der in Bezug auf 1 erwähnte Pilot-Brennstoff 40 wird typischerweise zu Beginn des Eindüsens der zweiten Gasmenge 30 eingespritzt. Das Zünden des Gas-Luft-Gemisches geschieht dann als Folge des Selbstzündens des Pilot-Brennstoffs 40. Der Pilot-Brennstoff ist üblicherweise Diesel, kann aber auch andere flüssige Brennstoffe wie Biodiesel, Rapsöl, etc. umfassen.
Wird, wie oben mit Bezug auf Teillast bzw. niedrige Lasten angeführt, bei niedrigen Lasten die zweite Gasmenge 30 weitgehend oder ganz bis auf null reduziert, so kann der Pilot-Brennstoff 40 bereits früher, nämlich noch früh während der Kompression eingespritzt werden. Bevorzugt geschieht dies zu einem Zeitpunkt entsprechend etwa 50 Grad vor OT bis etwa 90 Grad vor OT.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Zündung des Gas-Luft-Gemisches statt durch den Pilot-Brennstoff auch durch Anwenden einer Fremdzündung geschehen, insbesondere durch eine Zündkerze.
In 2 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 60 dargestellt, der zur Ausführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen geeignet ist. Dieser weist typischerweise ein Verdichtungsverhältnis zwischen etwa 14:1 und 20:1 auf, ähnlich einem direkteinspritzenden Dieselmotor. Neben den typischen Grundbestandteilen eines Viertaktmotors – Zylinder 78, Zylinderkopf 70, Kolben 76, Einlassventil 72, Auslassventil 74, Brennraum 77 – weist der Motor gemäß Ausführungsbeispielen einen Injektor 50 auf. In Ausführungsbeispielen kann der Injektor 50 auf verschiedene Weise ausgeführt sein. Wie dargestellt, können die Zuführungen für Gas und Pilot-Brennstoff in einem einzelnen Injektorgehäuse vorgesehen sein. Ein solcher Injektor wird beispielsweise in der DE102014014452 (B4) offenbart. Möglich sind auch baulich getrennte Ausführungen, wobei die Injektoren für Gas und Diesel jeweils als eigene Einspritz- bzw. Eindüsvorrichtungen im Zylinderkopf 70 bereitgestellt sind, sowie Ausführungen bei denen mehrere Injektoren für Gas zur Anwendung kommen.
Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen liegen vor allem in erheblich reduzierten NO_x-Emissionswerten im Vergleich zu herkömmlichen direkt-eindüsenden gasbetriebenen Motoren. Zudem sind die THC-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen, im Magerbetrieb betriebenen Gasmotoren geringer. Beim Umstellen auf reinen Dieselbetrieb kann durch das mit einem Dieselmotor vergleichbare Verdichtungsverhältnis ein entsprechend hoher Wirkungsgrad erzielt werden Durch das geringere erforderliche Druckniveau beim Eindüsen der ersten Gasmenge, bzw. den deutlich geringeren Massenanteil der zweiten Gasmenge, ergibt sich eine signifikante Energieeinsparung im Vergleich zu direkteinspritzenden gasbetriebenen Motoren, die zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades beiträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CA 2838120 A1 [0005]
DE 102014014452 [0024]

Claims

Verfahren zur Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs im Brennraum eines Verbrennungsmotors (60) mit innerer Gemischbildung, umfassend: – Eindüsen einer ersten Gasmenge (20) während des Ansaugvorgangs, wobei die Luftzahl des dabei gebildeten Gas-Luft-Gemischs im mageren Bereich oberhalb der Zündgrenze liegt; – Kompression des Gas-Luft-Gemischs; – Eindüsen einer zweiten Gasmenge (30) beginnend während oder am Ende der Kompression; – Zünden des Gas-Luft-Gemischs; – Verbrennen der Gesamt-Gasmenge aus erster Gasmenge und zweiter Gasmenge, wobei die erste Gasmenge vorgemischt verbrannt wird, und die zweite Gasmenge vorwiegend in einer mischungskontrollierten Verbrennung umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Gasmenge (20) und die zweite Gasmenge (30) als Funktion der Last variiert werden, insbesondere der Anteil der zweiten Gasmenge (30) zu niedrigeren Lasten hin reduziert wird, optional bis auf null.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei dynamischen Lasterhöhungen die zweite Gasmenge (30) erhöht wird, und die erste Gasmenge (20) reduziert wird, optional bis auf null, und bei dynamischen Lastabsenkungen vor allem die erste Gasmenge (20) reduziert wird, optional bis auf null.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu Beginn des Eindüsens der zweiten Gasmenge (30) ein Pilot-Brennstoff (40) eingespritzt wird, und wobei das Zünden des Gas-Luft-Gemisches durch Selbstzünden des Pilot-Brennstoffs (40) geschieht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei niedrigen Lasten die zweite Gasmenge (30) bis auf null reduziert wird und der Pilot-Brennstoff (40) bereits früh während der Kompression eingespritzt wird, bevorzugt zu einem Zeitpunkt entsprechend 50 Grad vor OT bis 90 Grad vor OT.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zündung des Gas-Luft-Gemisches durch Fremdzündung geschieht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Ende des Eindüsens der ersten Gasmenge (20) und dem Beginn des Eindüsens der zweiten Gasmenge (30) ein Abstand von mindestens etwa 150 Grad Kurbelwinkel besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (60) ein Verdichtungsverhältnis zwischen etwa 14:1 und 20:1 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eindüsen der ersten Gasmenge (20) und/oder der zweiten Gasmenge (30) in mindestens zwei Einzelphasen aufgetrennt ist.
Ein Verbrennungsmotor (60), der zur Anwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgelegt ist.