-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung sowie eine Brennkraftmaschineneinrichtung.
-
Bei Brennkraftmaschinen, welche mit methanhaltigem Brenngas betrieben werden, insbesondere bei Gasmotoren, besteht das Problem, dass im Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine unverbranntes, in hohem Maße klimaschädliches Methan emittiert wird. Dabei handelt es sich bei Methan um ein chemisch sehr stabiles Molekül, welches sich insbesondere bei den im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine herrschenden, recht niedrigen Abgastemperaturen – gerade stromabwärts eines Abgasturboladers – auch katalytisch nicht effizient umsetzen lässt. Für stöchiometrisch betriebene Motoren sind zwar grundsätzlich Drei-Wege-Katalysatoren bekannt, die geeignet sind, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und insbesondere auch Methan sowie außerdem Stickoxide und Kohlenmonoxid umzusetzen. Diese arbeiten aber nur in einem sehr engen Lambda-Fenster mit ausreichender Effizienz und erzwingen damit auch für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein enges Fenster um den Bereich von λ = 1, also in jedem Betriebspunkt eine stöchiometrische Verbrennung. Während hierbei hohe Abgastemperaturen erreicht werden, die auch für den Betrieb des Drei-Wege-Katalysators geeignet sind, ergibt sich allerdings ein im Vergleich zu einem Magerbetrieb deutlich verringerter Wirkungsgrad einer solchen Brennkraftmaschine. Somit erscheint es ungünstig, bestehende, sehr effiziente und einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Magergasmotoren im stöchiometrischen Bereich zu fahren, wobei es zugleich aussichtslos erscheint, im Magerbetrieb betriebene Brennkraftmaschinen mit einem Drei-Wege-Katalysator zur Reduzierung der Methanemissionen auszustatten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung und eine Brennkraftmaschineneinrichtung 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 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung geschaffen wird, wobei einer ersten Brennkammer der Brennkraftmaschineneinrichtung ein methanhaltiges Brenngas zugeführt wird, wobei das methanhaltige Brenngas in der ersten Brennkammer mit Luftüberschuss verbrannt wird. Sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer wird einer zweiten Brennkammer der Brennkraftmaschineneinrichtung zugeführt, wobei das Verbrennungsgas in der zweiten Brennkammer in einer stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt wird. Abgas aus der zweiten Brennkammer wird einem Drei-Wege-Katalysator zugeführt. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Insbesondere kann die erste Brennkammer mit Luftüberschuss, das heißt im Magerbetrieb, betrieben werden, wodurch die Verbrennung in der ersten Brennkammer und insbesondere die Umsetzung der bei der Verbrennung freiwerdenden thermischen Energie in mechanische Energie einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen kann. Das insbesondere unverbranntes Methan aufweisende, aus der ersten Brennkammer stammende Verbrennungsgas kann dann in der zweiten Brennkammer stöchiometrisch umgesetzt werden, wobei insbesondere sauerstoffarmes oder sauerstofffreies Abgas entsteht, welches dann problemlos und mit hoher Effizienz in dem Drei-Wege-Katalysator umgesetzt werden kann. Dabei ist auch die Abgastemperatur des aus der zweiten Brennkammer stammenden Abgases aufgrund der stöchiometrischen Verbrennung hoch genug, um den Drei-Wege-Katalysator effizient betreiben zu können. Aus dem Drei-Wege-Katalysator ausströmendes Gesamtabgas der Brennkraftmaschineneinrichtung weist dann einen äußerst niedrigen, wenn nicht sogar verschwindenden Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und insbesondere an klimaschädlichem Methan auf, während zugleich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschineneinrichtung aufgrund der mageren Verbrennung in der ersten Brennkammer hoch sein kann.
-
Unter einer Brennkraftmaschineneinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, die wenigstens eine Brennkraftmaschine aufweist. Es ist möglich, dass die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer der gleichen Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine Mehrzahl von Brennkraftmaschinen aufweist, wobei die erste Brennkammer einer ersten Brennkraftmaschine und die zweite Brennkammer einer zweiten Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
-
Eine Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschineneinrichtung kann als Hubkolbenmaschine ausgebildet sein. Weist die Brennkraftmaschineneinrichtung genau eine Brennkraftmaschine auf, ist es möglich, dass die erste Brennkammer einer ersten Zylinderbank und die zweite Brennkammer einer zweiten Zylinderbank der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, die dann mindestens zwei Zylinderbänke aufweist und beispielsweise als V-Motor ausgebildet sein kann. Es ist aber auch möglich, dass die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer einer selben Zylinderbank oder Zylinderreihe zugeordnet sind, wobei insbesondere ein Spenderzylinderkonzept verwirklicht werden kann, wobei die erste Brennkammer ein erster Zylinder ist oder einer ersten Gruppe von Zylindern zugeordnet ist, wobei die zweite Brennkammer ein zweiter Zylinder ist oder einer zweiten Gruppe von Zylindern zugeordnet ist, wobei das Abgas des ersten Zylinders oder der ersten Gruppe von Zylindern dem zweiten Zylinder oder der zweiten Gruppe von Zylindern zugeführt wird.
-
Weist die Brennkraftmaschineneinrichtung zwei oder mehr Brennkraftmaschinen auf, können diese gleichartig oder verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise können die Brennkraftmaschinen als Hubkolbenmotoren ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass eine der Brennkraftmaschinen als Gasturbine ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass die zweite Brennkammer als Brennkammer einer Gasturbine ausgebildet ist. Es kann aber auch die erste Brennkammer zusätzlich oder alternativ als Brennkammer einer Gasturbine ausgebildet sein. Wenigstens eine Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschineneinrichtung kann auch als Kreiskolbenmaschine ausgebildet sein. Auch andere Ausgestaltungen der Brennkraftmaschinen einer Brennkraftmaschineneinrichtung sind grundsätzlich möglich.
-
Schließlich ist es auch möglich, dass die zweite Brennkammer keiner Brennkraftmaschine zugeordnet ist, sondern vielmehr als Reaktionskammer ausgebildet ist, in der eine stöchiometrische Umsetzung des Verbrennungsgases aus der ersten Brennkammer stattfinden kann. Es ist in diesem Fall insbesondere nicht möglich, die in der zweiten Brennkammer freiwerdende thermische Energie dort in mechanische Energie zu wandeln, jedoch kann diese noch immer als Wärme genutzt werden, beispielsweise im Rahmen einer Abwärmenutzung.
-
Der zweiten Brennkammer ist vorzugsweise eine Brennstoffzufuhr zugeordnet, beispielsweise in Form eines der zweiten Brennkammer zugeordneten Brennstoffinjektors, oder in Form einer stromaufwärts der zweiten Brennkammer angeordneten Mischeinrichtung, beispielsweise eines Vergasers, einer Mehrpunkteinspritzung, einer Einzelpunkteinspritzung, oder in anderer geeigneter Weise.
-
Es ist möglich, dass als Brennstoff für die zweite Brennkammer Brenngas verwendet wird, insbesondere dasselbe Brenngas, welches auch zum Betrieb der ersten Brennkammer eingesetzt wird. Es ist aber auch möglich, dass der zweiten Brennkammer ein Brennstoff zugeführt wird, welcher von dem der ersten Brennkammer zugeführten Brenngas verschieden ist. Beispielsweise kann für die zweite Brennkammer auch ein flüssiger Brennstoff, beispielweise Benzin oder Diesel, Dimethylether, oder ein anderes Zündöl, verwendet werden. Es ist auch möglich, dass für die zweite Brennkammer ein nicht methanhaltiges Brenngas verwendet wird.
-
Unter einem Brenngas wird insbesondere ein Brennstoff verstanden, der bei Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Ein methanhaltiges Brenngas ist ein Brenngas, welches Methan aufweist oder aus Methan besteht. Insbesondere kann es sich bei dem methanhaltigen Brenngas um Erdgas, um CNG (Compressed Natural Gas), um LNG (Liquefied Natural Gas), oder dergleichen handeln.
-
Die stöchiometrische Verbrennung in der zweiten Brennkammer wird vorzugsweise geregelt. Hierzu wird bevorzugt ein Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases aus der ersten Brennkammer und/oder ein Sauerstoffgehalt des Abgases aus der zweiten Brennkammer mittels eines geeigneten Sensors, insbesondere einer Lambdasonde, erfasst, und eine Brennstoffzufuhr zu der zweiten Brennkammer wird in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt des Abgases und/oder des Verbrennungsgases so gesteuert und/oder geregelt, dass in der zweiten Brennkammer eine stöchiometrische Verbrennung stattfindet. Dabei wird die Verbrennung in der zweiten Brennkammer vorzugsweise auf ein enges Lambda-Fenster, insbesondere von mindestens 0,99 bis höchstens 1 geregelt. Bei diesem Lambda-Fenster arbeitet der Drei-Wege-Katalysator mit hoher Effizienz.
-
Unter Verbrennungsgas wird hier Produktgas der ersten Verbrennung in der ersten Brennkammer verstanden, also Abgas der ersten Brennkammer, welches auch als erstes Abgas bezeichnet werden kann. Unter Abgas wird hier Produktgas der Verbrennung in der zweiten Brennkammer verstanden, also Abgas der zweiten Brennkammer, welches auch als zweites Abgas bezeichnet werden kann. Unter Gesamtabgas wird hier Abgas verstanden, welches den Drei-Wege-Katalysator verlässt, welches also insbesondere nach der Verbrennung in der zweiten Brennkammer den Drei-Wege-Katalysator durchströmt hat und in dem Drei-Wege-Katalysator umgesetzt wurde. Das Gesamtabgas kann auch als drittes Abgas bezeichnet werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsgas der zweiten Brennkammer stromaufwärts einer Abgasturbine zugeführt wird. Die zweite Brennkammer ist in diesem Fall also bevorzugt fluidisch zwischen der ersten Brennkammer und einer Abgasturbine angeordnet. Die Enthalpie des Gasstroms kann dann in der zweiten Brennkammer nochmals erhöht werden, sodass der Abgasturbine Abgas mit besonders hoher Enthalpie zugeführt werden kann.
-
Als Abgasturbine kann eine Turbine eines Abgasturboladers verwendet werden. Es ist aber auch möglich, dass als Abgasturbine eine Nutzturbine verwendet wird, welche thermische Energie des Verbrennungsgases und/oder des Abgases in mechanische oder elektrische Energie wandeln kann. Dabei ist es möglich, dass die Nutzturbine mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung – vorzugsweise über ein Getriebe – wirkverbunden ist, oder dass der Nutzturbine eine elektrische Maschine, insbesondere ein Generator, zugeordnet ist, wobei die Nutzturbine derart mit der elektrischen Maschine wirkverbunden ist, dass die in der Nutzturbine in Rotationsenergie gewandelte Enthalpie des Verbrennungsgases und/oder des Abgases in elektrische Energie gewandelt werden kann.
-
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das Verbrennungsgas der zweiten Brennkammer zwischen einer ersten Abgasturbine und einer zweiten Abgasturbine zugeführt wird. In diesem Fall ist die zweite Brennkammer insbesondere stromabwärts der ersten Abgasturbine und stromaufwärts der zweiten Abgasturbine angeordnet. Das Verbrennungsgas wird dann zunächst über die erste Abgasturbine geführt, wo Enthalpie des Verbrennungsgases in Rotationsenergie der Abgasturbine umgesetzt wird, wobei das Verbrennungsgas anschließend der zweiten Brennkammer zugeführt wird, wo es umgesetzt wird, und wobei die Enthalpie des Gasstroms erhöht wird, sodass das aus der zweiten Brennkammer ausströmende Abgas mit erhöhter Enthalpie dann der zweiten Abgasturbine zugeführt wird. In der zweiten Abgasturbine wird dann Enthalpie des Abgases in Rotationsenergie der zweiten Abgasturbine umgesetzt. Die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine können jeweils einer Abgasturboladereinrichtung zugeordnet sein. Dabei ist es insbesondere möglich, dass eine zweitstufige Aufladung für die Brennkraftmaschineneinrichtung verwirklicht wird, wobei die erste Abgasturbine einer ersten Aufladestufe und die zweite Abgasturbine einer zweiten Aufladestufe zugeordnet sind. Es ist auch möglich, dass wenigstens eine Abgasturbine, ausgewählt aus der ersten Abgasturbine und der zweiten Abgasturbine, als Nutzturbine ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass beide Abgasturbinen als Nutzturbinen ausgebildet sind.
-
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das Verbrennungsgas nach dem Durchströmen einer Abgasturbine – insbesondere nach dem Durchströmen einer entlang des Gasstroms insgesamt gesehen letzten Abgasturbine – der zweiten Brennkammer zugeführt wird. In diesem Fall ist vorzugsweise stromabwärts der zweiten Brennkammer keine Abgasturbine mehr vorgesehen.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abgas aus der zweiten Brennkammer einer Abgasturbine zugeführt wird. Dies ist vorteilhaft, da die besonders hohe Enthalpie des aus der stöchiometrischen Verbrennung resultierenden Abgases besonders günstig in einer Abgasturbine umgesetzt werden kann. Die Abgasturbine kann dabei als Nutzturbine oder als Turbine eines Abgasturboladers eingerichtet sein. Vorzugsweise ist dabei ein Bypass um die Abgasturbine vorgesehen, wobei dem Bypass bevorzugt eine Ventileinrichtung zugeordnet ist, über welche ein entlang des Bypasses geführter Teilstrom des Abgases steuerbar und/oder regelbar ist. Dadurch ist es möglich, einen Betriebspunkt der Abgasturbine zu beeinflussen. Die mechanische Energie der Abgasturbine kann beispielsweise für den Antrieb eines Generators, also zur Gewinnung elektrischer Energie, für den Antrieb mechanischer Nebenverbraucher, und/oder für den Antrieb eines Luftverdichters verwendet werden. Es ist auch möglich, dass die Abgasturbine mechanisch mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung wirkverbunden ist, insbesondere über ein Getriebe, sodass die mechanische Energie der Abgasturbine der Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung zugeführt werden kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Strömungspfad für das Verbrennungsgas abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variiert wird. Insbesondere wird der Strömungspfad für das Verbrennungsgas betriebspunktabhängig bevorzugt so verändert, dass das Verbrennungsgas entweder stromaufwärts einer Abgasturbine, zwischen einer ersten Abgasturbine und einer zweiten Abgasturbine, und/oder nach dem Durchströmen einer Abgasturbine der zweiten Brennkammer zugeführt wird. Zum Beeinflussen des Strömungspfads in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung sind bevorzugt geeignete Ventileinrichtungen sowie geeignete Abgasleitungen, insbesondere Umgehungsleitungen um bestimmte Elemente des Verbrennungsgaspfades, insbesondere um Abgasturbinen, vorgesehen. Durch Beeinflussen der Verbrennungsgasführung je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung kann insbesondere ein Dynamikverhalten der Brennkraftmaschineneinrichtung und ganz besonders ein Dynamikverhalten einer Aufladeeinrichtung, insbesondere von wenigstens einem Abgasturbolader, verbessert werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teilstrom des Abgases aus der zweiten Brennkammer abgezweigt und dem Verbrennungsgas stromaufwärts einer Abgasturbine – die insbesondere stromaufwärts der zweiten Brennkammer angeordnet ist – zugeführt wird. Dass der Teilstrom des aus der zweiten Brennkammer stammenden Abgases abgezweigt wird, kann bedeuten, dass dieser stromabwärts der zweiten Brennkammer aus einer Abgasleitung für das Abgas abgezweigt wird. Es ist aber auch möglich, dass der Teilstrom direkt aus der zweiten Brennkammer abgezweigt wird, vorzugsweise allerdings stromabwärts eines Ortes, an dem die Verbrennung in der zweiten Brennkammer stattfindet, also nach der Verbrennung. Die Abzweigung kann also insbesondere noch innerhalb der zweiten Brennkammer oder aber hinter der zweiten Brennkammer vorgesehen sein. Wird ein Teilstrom des Abgases der zweiten Brennkammer abgezweigt und dem Verbrennungsgas stromaufwärts einer Abgasturbine zugeführt, kann ein Massenstrom von Abgas über die Abgasturbine erhöht werden. Da das aus der stöchiometrischen Verbrennung stammende Abgas eine hohe Enthalpie hat, kann zugleich in vorteilhafter Weise die Enthalpie des über die Abgasturbine strömenden Gases erhöht werden. Die Abzweigung des Teilstroms und dessen Rückführung zu dem Verbrennungsgas stromaufwärts der Abgasturbine kann dauerhaft oder aber betriebspunktabhängig, insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung erfolgen. Es ist auf diese Weise möglich, insbesondere ein Dynamikverhalten der Brennkraftmaschineneinrichtung und ganz besonders einer Aufladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, zu verbessern. Es ist aber auch möglich, dass ein Abgasturbolader auf einen bestimmten Betriebspunkt optimiert ist, wobei er in anderen Betriebspunkten, auf welche er nicht optimiert ist, durch den abgezweigten Teilstrom des Abgases, welcher dem Verbrennungsgas stromaufwärts der Abgasturbine zugeführt wird, unterstützt wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer gekühlt wird. Dies ist günstig, weil so gegebenenfalls Abwärme aus dem Verbrennungsgas genutzt werden kann, wobei andererseits der Brennkammer aufgrund der höheren Dichte des gekühlten Verbrennungsgases eine größere Menge an Verbrennungsgas zugeführt werden kann. Das Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer erfüllt quasi die Funktion von Frischluft oder Verbrennungsluft für die zweite Brennkammer. Wird es gekühlt, kann insbesondere eine Füllung der zweiten Brennkammer erhöht werden.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Abgas stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators gekühlt wird. Auf diese Weise kann Enthalpie des sehr heißen, aus der stöchiometrischen Verbrennung stammenden Abgases abgeführt und anderweitig genutzt werden. Dabei ist allerdings darauf zu achten, dass die Temperatur des Abgases hoch genug bleibt, um den Drei-Wege-Katalysator effizient betreiben zu können.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Abgas stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators gekühlt wird. Dabei kann die hinter dem Drei-Wege-Katalysator noch zur Verfügung stehende Enthalpie des Abgases abgeführt oder in besonders bevorzugter Weise genutzt werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Abwärme aus dem Abgas einer Abwärmenutzung zugeführt wird. Auf diese Weise kann die vergleichsweise hohe Enthalpie des Abgases einer sinnvollen Nutzung zugeführt werden, sodass sie nicht ungenutzt an die Umwelt in Form von Wärme abgegeben wird.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass Abwärme aus dem Verbrennungsgas einer Abwärmenutzung zugeführt wird. Auch dies kann sinnvoll sein, insbesondere wenn das Verbrennungsgas gekühlt wird, um den Füllungsgrad der zweiten Brennkammer zu erhöhen, wobei die dann dem Verbrennungsgas entnommene Abwärme nicht ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird.
-
Eine Abwärmenutzung kann insbesondere in Form einer Einrichtung zur Produktion von Nahwärme oder Fernwärme, vorzugsweise in einem thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere einem organischen Rankine-Zyklus (ORC – Organic Rankine Cycle), erfolgen, oder die Abwärme kann in einem Wärmespeicher gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.
-
Mittels einer Kühlung des Verbrennungsgases und/oder des Abgases, und/oder mittels einer Abwärmenutzung ist auch eine Regelung der Temperatur des Verbrennungsgases und/oder des Abgases vor den jeweils stromabwärts der Kühlung oder Abwärmenutzung angeordneten Elementen oder Einrichtungen möglich. Beispielsweise kann die Abgastemperatur stromaufwärts einer Abgasturbine, der zweiten Brennkammer, einer Gasturbine, und/oder einem Drei-Wege-Katalysator gesteuert oder geregelt werden. Auf diese Weise kann der Betrieb solcher Einrichtungen optimiert werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennung in der ersten Brennkammer und die Verbrennung in der zweiten Brennkammer gemeinsam so geregelt werden, dass ein Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschineneirichtung optimiert wird. Dies geschieht insbesondere über eine geeignete Regelung des Luftverhältnisses in den beiden Brennkammern, wobei das Luftverhältnis in der ersten Brennkammer in weiteren Bereichen regelbar ist als das Luftverhältnis in der zweiten Kammer, welches vorzugsweise in einem engen Lambda-Fenster um 1 herum, insbesondere in einem Lambda-Fenster von mindestens 0,99 bis höchstens 1 geregelt wird. Dagegen kann das Luftverhältnis in der ersten Brennkammer in weiteren Bereichen, insbesondere zwischen einem Wert von Lambda von mindestens 1,2 bis höchstens 2 geregelt werden. Bevorzugt wird allerdings der Betrieb der Magerverbrennung in der ersten Brennkammer nicht verlassen, sodass dort stets eine Verbrennung mit Luftüberschuss, also mit einem Lambdawert größer als 1 durchgeführt wird.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Verbrennung in der ersten Brennkammer und die Verbrennung in der zweiten Brennkammer gemeinsam so geregelt werden, dass eine Gesamtdynamik der Brennkraftmaschineneinrichtung optimiert wird. Dies entspricht insbesondere einem Ansprechverhalten auf Lastanforderungen und damit einem Hochlaufen der Brennkraftmaschineneinrichtung, aber bevorzugt auch einer Dynamik von in der Brennkraftmaschineneinrichtung betriebenen Aufladeeinrichtungen und/oder Nutzturbinen.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Verbrennung in der ersten Brennkammer und die Verbrennung in der zweiten Brennkammer gemeinsam so geregelt werden, dass eine Gesamtemission der Brennkraftmaschineneinrichtung optimiert wird, insbesondere in Hinblick auf einen Schadstoffausstoß. Dabei liegt der Fokus der Optimierung hier auf einer Zusammensetzung des Gesamtabgases, welches möglichst geringe Schadstoffwerte, insbesondere einen möglichst geringen Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe und ganz besonders einen möglichst geringen Anteil an unverbranntem Methan aufweisen soll.
-
Mittels des Drei-Wege-Katalysators werden sehr effizient aber auch Stickoxide und Kohlenmonoxid umgesetzt, sodass auch diese Komponenten nur in sehr geringer Menge im Gesamtabgas enthalten sind. Dabei bedarf es insbesondere auch keines eigens vorgesehenen Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Weiterhin ist die Brennkraftmaschineneinrichtung sehr rußarm betreibbar, weil in der ersten Brennkammer bei der Magerverbrennung entstehender Ruß in der zweiten Brennkammer verbrannt wird.
-
Da die Verbrennungstemperatur in der zweiten Brennkammer aufgrund der stöchiometrischen Verbrennung hoch ist, kann auch das Abgas aus der zweiten Brennkammer eine ausreichend hohe Temperatur – insbesondere von mehr als 450 °C – für einen günstigen Betrieb des Drei-Wege-Katalysators – selbst stromabwärts einer Abgasturbine oder einer Gasturbine, aufweisen. Weiterhin ist durch die dem Drei-Wege-Katalysator vorgeschaltete stöchiometrische Verbrennung ein schnelles Anspringen beim Kaltstart sowie ein dynamischer Betrieb des gesamten Systems möglich. Ist der Drei-Wege-Katalysator stromabwärts einer Abgasturbine angeordnet, kann dabei insbesondere beim Kaltstart auch Abgas zumindest teilweise über einen Bypass oder eine Umgehungsleitung um die Abgasturbine herum zu dem Drei-Wege-Katalysator geleitet werden, um diesem eine maximale Enthalpie des Abgases zur Verfügung zu stellen, die nicht durch die vorgeschaltete Abgasturbine reduziert ist.
-
Die Aufgabe wir auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschineneinrichtung geschaffen wird, welche eine erste Brennkammer aufweist, der ein methanhaltiges Brenngas zuführbar ist, wobei die Brennkraftmaschineneinrichtung eingerichtet ist, um das methanhaltige Brenngas in der ersten Brennkammer mit Luftüberschuss zu verbrennen. Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist eine zweite Brennkammer auf, welcher sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer zuführbar ist. Die Brennkraftmaschineneinrichtung ist dabei eingerichtet, um das Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer in der zweiten Brennkammer stöchiometrisch umzusetzen. Weiterhin weist die Brennkraftmaschineneinrichtung einen Drei-Wege-Katalysator auf, dem Abgas aus der zweiten Brennkammer zuführbar ist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschineneinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Insbesondere ist die Brennkraftmaschineneinrichtung bevorzugt eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens.
-
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschineneinrichtung wenigstens eine Abgasturbine auf, die stromaufwärts der zweiten Brennkammer oder stromabwärts der zweiten Brennkammer vorgesehen sein kann. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine Mehrzahl von Abgasturbinen aufweist, wobei beispielsweise eine erste Abgasturbine stromaufwärts der zweiten Brennkammer und eine zweite Abgasturbine stromabwärts der zweiten Brennkammer angeordnet sein kann. Wenigstens eine der Abgasturbinen kann Teil einer Aufladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers sein. Es ist insbesondere möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine zweistufige Aufladung mit einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass wenigstens eine der Abgasturbinen als Nutzturbine ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass eine stromabwärts des zweiten Brennkammer angeordnete Abgasturbine als Nutzturbine, insbesondere als Gasturbine ausgebildet ist. Diese kann – vorzugsweise über ein Getriebe – mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung wirkverbunden sein, oder sie kann mit einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einem Generator derart wirkverbunden sein, dass Rotationsenergie der Abgasturbine in elektrische Energie der elektrischen Maschine umwandelbar ist.
-
Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist vorzugsweise einen variablen Strömungspfad oder eine Strömungspfadbeeinflussungseinrichtung auf, wobei das Verbrennungsgas insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung bezüglich seines Strömungspfads variiert werden kann. Dabei kann insbesondere variiert werden, ob das Verbrennungsgas stromaufwärts einer Abgasturbine, zwischen einer ersten Abgasturbine und einer zweiten Abgasturbine, und/oder nach dem Durchströmen einer Abgasturbine der zweiten Brennkammer zugeführt wird.
-
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschineneinrichtung ist eine Abgasrückführung dergestalt vorgesehen, dass ein Teilstrom des Abgases, welches aus der zweiten Brennkammer stammt, in der zweiten Brennkammer oder stromabwärts der zweiten Brennkammer abgezweigt und dem Verbrennungsgas stromaufwärts einer Abgasturbine zugeführt werden kann.
-
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschineneinrichtung wenigstens eine Kühleinrichtung auf, die stromaufwärts der zweiten Brennkammer angeordnet ist, sodass das Verbrennungsgas mittels der Kühleinrichtung kühlbar ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Brennkraftmaschineneinrichtung bevorzugt wenigstens eine Kühleinrichtung auf, die stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Brennkraftmaschineneinrichtung bevorzugt wenigstens eine Kühleinrichtung auf, die stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Mit solchen Kühleinrichtungen ist das Abgas stromabwärts der zweiten Brennkammer kühlbar.
-
Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist vorzugsweise eine Abwärmenutzungseinrichtung auf, mittels der Abwärme aus dem Abgas und/oder aus dem Verbrennungsgas nutzbar ist. Dabei kann es sich um eine Einrichtung zur Erzeugung von Nah- und/oder Fernwärme, um einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere eine Einrichtung zur Durchführung eines organischen Rankine-Zyklus, um einen Wärmespeicher oder dergleichen handeln.
-
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschineneinrichtung eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Verbrennung in der ersten Brennkammer und eine Verbrennung in der zweiten Brennkammer gemeinsam so zu regeln, dass ein Gesamtwirkungsgrad, eine Gesamtdynamik und/oder eine Gesamtemission der Brennkraftmaschineneinrichtung optimiert wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator stromaufwärts einer Abgasturbine – insbesondere stromaufwärts einer ersten Abgasturbine, die stromabwärts der zweiten Brennkammer angeordnet ist – angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, weil so dem Drei-Wege-Katalysator Abgas zugeführt werden kann, welches bezüglich seiner Enthalpie nicht durch die Abgasturbine gemindert ist. Dies erhöht die Betriebstemperatur des Drei-Wege-Katalysators in vorteilhafter Weise, sodass die Umsetzung von Schadstoffen in dem Abgas in dem Drei-Wege-Katalysator besonders effizient verläuft.
-
Es ist aber auch möglich, dass der Drei-Wege-Katalysator zwischen einer ersten Abgasturbine und einer zweiten Abgasturbine angeordnet ist. Auch in diesem Fall ist die Enthalpie des den Drei-Wege-Katalysator durchströmenden Abgases hoch, insbesondere da sie nicht noch durch die zweite Abgasturbine gemindert ist.
-
Es ist allerdings auch möglich, dass der Drei-Wege-Katalysator stromabwärts einer Abgasturbine angeordnet ist, insbesondere stromabwärts einer letzten Abgasturbine, die in dem Strömungspfad des Abgases angeordnet ist, wobei insbesondere keine weitere Abgasturbine mehr stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Insbesondere abhängig von der Auslegung der Abgasturbine(n) und/oder der Auslegung der zweiten Brennkammer und insbesondere der Führung der Verbrennung in der zweiten Brennkammer kann das Abgas auch dann in dem Drei-Wege-Katalysator noch immer eine Temperatur aufweisen, die hoch genug ist, um den Drei-Wege-Katalysator effizient zu betreiben.
-
Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschineneinrichtung dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschineneinrichtung in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschineneinrichtung zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschineneinrichtung wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschineneinrichtung in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschineneinrichtung zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschineneinrichtung im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschineneinrichtung im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich.
-
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschineneinrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschineneinrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschineneinrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung bedingt ist. Die Brennkraftmaschineneinrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung;
-
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung;
-
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung; und
-
4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung 1. Die Brennkraftmaschineneinrichtung 1 weist eine erste Brennkammer 3 auf, wobei hier schematisch sechs erste Brennkammern dargestellt sind, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die erste Brennkammer 3 ist hier Teil einer Brennkraftmaschine 5, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 5 kann aber auch als Gasturbine, als Rotationskolbenmotor oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Sie kann genau eine erste Brennkammer 3 oder eine Mehrzahl erster Brennkammern 3 aufweisen, wobei die Zahl der ersten Brennkammern 3 grundsätzlich nicht beschränkt ist.
-
Der ersten Brennkammer 3 wird ein methanhaltiges Brenngas 7 sowie – vorzugsweise verdichtete – Verbrennungsluft 9 im Betrieb der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 zugeführt.
-
Das methanhaltige Brenngas 7 wird in der ersten Brennkammer 3 unter Überschuss an Verbrennungsluft 9, also in einem Bereich mit λ > 1, verbrannt. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine 5 bevorzugt jedenfalls bezüglich der ersten Brennkammer 3 als Magermotor ausgebildet.
-
Bei der Verbrennung des methanhaltigen Brenngases 7 in der ersten Brennkammer 3 entsteht sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas 11, welches einer zweiten Brennkammer 13 zugeführt wird. Bei der zweiten Brennkammer 13 kann es sich um eine weitere Brennkammer derselben Brennkraftmaschine 5 handeln, welche auch die erste Brennkammer 3 aufweist. Es ist aber auch möglich, dass die zweite Brennkammer 13 einer zweiten Brennkraftmaschine zugeordnet ist, die beispielsweise als Hubkolbenmotor, als Rotationskolbenmotor, als Gasturbine oder dergleichen ausgebildet sein kann. Es ist auch möglich, dass die zweite Brennkammer 13 eine reine Reaktionskammer darstellt, ohne dass hier thermische Energie in mechanische Energie umgesetzt wird. Jedenfalls wird das Verbrennungsgas 11 in der zweiten Brennkammer 13 in einer stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt. Hierzu wird bevorzugt der zweiten Brennkammer 13 ein Brennstoff 15 zudosiert, und zwar vorzugsweise derart geregelt, dass in der zweiten Brennkammer 13 stöchiometrische Verbrennungsverhältnisse in einem engen Lambdafenster insbesondere von mindestens 0,99 bis höchstens 1,00 herrschen.
-
Es ist möglich, dass als Brennstoff 15 für die zweite Brennkammer das gleiche Brenngas 7 verwendet wird, welches auch der ersten Brennkammer 3 zugeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass als Brennstoff 15 für die zweite Brennkammer 13 ein anderer Brennstoff, beispielsweise ein anderes Brenngas, oder ein unter Normalbedingungen flüssiger Brennstoff, beispielsweise Benzin, Diesel, Dimethylether oder ein anderes Zündöl, verwendet wird.
-
Bei der stöchiometrischen Verbrennung in der zweiten Brennkammer 13 entsteht Abgas 17, welches keinen Sauerstoff mehr oder Sauerstoff nur noch in geringen Mengen enthält. Dieses Abgas 17 wird dann einem Drei-Wege-Katalysator 19 zugeführt und dort in für sich genommen bekannter Weise von Schadstoffen gereinigt. Da das Abgas 17 nahezu sauerstofffrei ist und außerdem nach der stöchiometrischen Verbrennung in der zweiten Brennkammer eine hohe Temperatur aufweist, kann der Drei-Wege-Katalysator 19 mit hoher Effizienz betrieben werden. Die erste Brennkammer 3 verlassende, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chemisch sehr stabiles, unverbranntes Methan, wird im Wesentlichen in der zweiten Brennkammer 13 bei der stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt, sodass die Kohlenwasserstoffemissionen und insbesondere die klimaschädlichen Methanemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 sehr gering sind. Zugleich kann in der unter Magerbedingungen betriebenen ersten Brennkammer 3 ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
-
Im Strömungspfad des Verbrennungsgases 11 von der ersten Brennkammer 3 zu der zweiten Brennkammer 13 ist hier eine erste Abgasturbine 21 angeordnet, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Teil eines ersten Abgasturboladers 23 ist. Dieser weist einen ersten Verdichter 25 auf, der mit der ersten Abgasturbine 21 derart in Wirkverbindung ist, dass der erste Verdichter 25 durch die erste Abgasturbine 21 antreibbar ist. Der erste Verdichter 25 dient zur Verdichtung der Verbrennungsluft 9, welche der ersten Brennkammer 3 zugeführt wird.
-
Es ist alternativ möglich, dass die erste Abgasturbine 21 als Nutzturbine ausgebildet ist und insbesondere zur Bereitstellung mechanischer und/oder elektrischer Energie eingerichtet ist.
-
Das aus der zweiten Brennkammer 13 ausströmende Abgas 17 wird einer zweiten Abgasturbine 27 zugeführt, die hier als Nutzturbine ausgebildet und mit einer Wandlungseinrichtung 29 wirkverbunden ist, wobei die Wandlungseinrichtung 29 durch die zweite Abgasturbine 27 antreibbar ist. Bei der Wandlungseinrichtung 29 kann es sich um eine Energiewandlungseinrichtung, insbesondere um eine elektrische Maschine, insbesondere um einen Generator handeln. Es kann aber insbesondere auch eine Wirkverbindung mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 vorgesehen sein, wobei die Wandlungseinrichtung 29 insbesondere als Getriebe ausgebildet sein kann, über welches die zweite Abgasturbine 27 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 wirkverbunden ist. Die Wandlungseinrichtung 29 ist dann als Drehmomentwandlungseinrichtung ausgebildet.
-
Um die zweite Abgasturbine 27 herum ist eine erste Umgehungsleitung 31, nämlich ein Bypass, vorgesehen, wobei zumindest ein Teilstrom des Abgases 17 – vorzugsweise betriebspunktabhängig – um die zweite Abgasturbine 27 herum geführt werden kann. Dies kann insbesondere genutzt werden, um bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 dem Drei-Wege-Katalysator 19 rasch eine ausreichende Enthalpie zum Erreichen der Betriebstemperatur zur Verfügung zu stellen.
-
Stromabwärts der ersten Brennkammer 11 und stromaufwärts der zweiten Brennkammer 13 ist hier im Strömungspfad des Verbrennungsgases 11 eine erste Kühleinrichtung 33 vorgesehen. Damit kann das Verbrennungsgas 11 stromaufwärts der zweiten Brennkammer 13 gekühlt werden. Die erste Kühleinrichtung 33 ist hier insbesondere stromabwärts der ersten Abgasturbine 21 und stromaufwärts der zweiten Brennkammer 13 angeordnet.
-
Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 19 ist hier optional eine zweite Kühleinrichtung 35 angeordnet, durch welche das Abgas 17 gekühlt werden kann. Die zweite Kühleinrichtung 35 ist hier insbesondere stromabwärts der zweiten Abgasturbine 27 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 19 angeordnet. Die erste Umgehungsleitung 31 umgeht hier insbesondere nicht nur die zweite Abgasturbine 27, sondern zugleich auch die zweite Kühleinrichtung 35 und mündet zwischen der zweiten Kühleinrichtung 35 und dem Drei-Wege-Katalysator 19 in den Strömungspfad des Abgases 17 wieder ein. Auf diese Weise ist insbesondere bei Kaltstartbedingungen auch die zweite Kühleinrichtung 35 umgehbar, sodass die volle Enthalpie des die zweite Brennkammer 13 verlassenden Abgases 17 in dem Drei-Wege-Katalysator 19 zum Erreichen der Betriebstemperatur zur Verfügung steht.
-
Weiterhin ist hier optional eine dritte Kühleinrichtung 37 vorgesehen, mit der das Abgas 17 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 19 gekühlt werden kann.
-
Die Kühleinrichtungen 33, 35, 37 sind grundsätzlich eingerichtet, um dem Verbrennungsgas 11 und/oder dem Abgas 17 Wärme zu entziehen, wobei diese Wärme zumindest bei einer der Kühleinrichtungen 33, 35, 37 einer Abwärmenutzung zugeführt werden kann, beispielsweise einem organischen Rankine-Zyklus oder einem Wärmespeicher. Insbesondere die erste Kühleinrichtung 33 und die zweite Kühleinrichtung 35 können auch genutzt werden, um die Verbrennungsgastemperatur beziehungsweise die Abgastemperatur für die nachfolgenden Komponenten, insbesondere den Betrieb der zweiten Brennkammer 13 sowie den Drei-Wege-Katalysator 19 in geeigneter Weise zu beeinflussen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
-
Die Verbrennung in der ersten Brennkammer 3 und die Verbrennung in der zweiten Brennkammer 13 werden bevorzugt gemeinsam so geregelt, dass ein Gesamtwirkungsgrad, eine Gesamtdynamik und/oder eine Gesamtemission der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 optimiert wird.
-
Unmittelbar stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 19 sind vorzugsweise ein Temperatursensor 39 sowie eine Lambda-Sonde 41 angeordnet. Dabei dient der Temperatursensor 39 zur Erfassung der Abgastemperatur unmittelbar stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 19, sodass dieser vorzugsweise auf eine bestimmte Betriebstemperatur oder in einen bestimmten Betriebstemperaturbereich geregelt werden kann, wobei mittels der Lambda-Sonde 41 vorzugsweise insbesondere die Verbrennung in der zweiten Brennkammer 13 auf stöchiometrische Bedingungen geregelt werden.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
-
Bei dem in 2 dargestellten Schema ist die zweite Abgasturbine 27 nicht dargestellt. Sie ist vorzugsweise gleichwohl stromabwärts des hier dargestellten Schemas vorhanden. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 weist eine zweistufige Aufladung auf, wobei hier ein zweiter Abgasturbolader 43 mit einer dritten Abgasturbine 45 sowie einem zweiten Verdichter 47 vorgesehen ist. Dabei ist die dritte Abgasturbine 45 derart mit dem zweiten Verdichter 47 wirkverbunden, dass der zweite Verdichter 47 durch die dritte Abgasturbine 45 antreibbar ist. Mit dem Bezugszeichen 49 ist hier allgemein die Anordnung der zweiten Brennkammer 13 und des stromabwärts der zweiten Brennkammer 13 vorgesehenen Drei-Wege-Katalysators 19 bezeichnet. Dabei ist es im Übrigen auch möglich, dass die hier nicht dargestellte Nutzturbine zwischen der zweiten Brennkammer und dem Drei-Wege-Katalysator angeordnet und damit Teil der Anordnung 49 ist.
-
2 dient der Erläuterung, an welchen Stellen im Strömungspfad des Gasstroms die Anordnung 49 grundsätzlich angeordnet sein kann. Dabei sind die verschiedenen optionalen Anordnungen hier jeweils in Klammern dargestellt. Das Schema gemäß 2 sagt also nicht, dass das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 drei Anordnungen 49 aufweist, vielmehr soll 2 in kompakter Form drei verschiedene Ausgestaltungen der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 mit jeweils einer solchen Anordnung 49 in verschiedenen Positionen zeigen.
-
Dabei zeigt sich, dass die Anordnung 49 stromaufwärts der ersten Abgasturbine 21, zwischen der ersten Abgasturbine 21 und der dritten Abgasturbine 45, oder stromabwärts der dritten Abgasturbine 45 angeordnet sein kann.
-
Es ist also insbesondere möglich, dass das Verbrennungsgas 11 vor dem Durchströmen einer Abgasturbine 21, zwischen einer ersten Abgasturbine 21 und einer zweiten Abgasturbine, hier nämlich der dritten Abgasturbine 45, und/oder nach dem Durchströmen einer insbesondere letzten Abgasturbine, hier nämlich der dritten Abgasturbine 45, der zweiten Brennkammer 13 zugeführt wird. Dabei bezieht sich der Begriff „letzte Abgasturbine“ hier auf den Strömungspfad des Verbrennungsgases. Für das Abgas kann eine weitere Abgasturbine vorgesehen sein, insbesondere die zweite Abgasturbine 27, welche dann bevorzugt als Nutzturbine ausgebildet ist.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei zeigt 3 insbesondere verschiedene Möglichkeiten der Anordnung des Drei-Wege-Katalysators 19 stromabwärts der zweiten Brennkammer 13. Auch hier bedeutet die Darstellung wiederum nicht, dass das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel drei Drei-Wege-Katalysatoren 19 aufweist, vielmehr sind verschiedene Optionen zur Anordnung des Drei-Wege-Katalysators 19 in Klammern dargestellt, wobei das Schema gemäß 3 quasi drei verschiedene Ausführungsvarianten für die Brennkraftmaschineneinrichtung 1 angibt. Auch bei diesem Schema ist die zweite Abgasturbine 27, die bevorzugt als Nutzturbine ausgebildet ist, nicht explizit dargestellt, es kann aber sehr wohl sein, dass das Abgas 17 – irgendwo entlang seines Strömungspfads, beispielsweise auch stromabwärts des hier dargestellten Schemas, über die zweite Abgasturbine 27 geführt wird.
-
Es zeigt sich anhand der Darstellung von 3, dass der Drei-Wege-Katalysator 19 insbesondere stromaufwärts der ersten Abgasturbine 21, und ganz besonders stromaufwärts jeder einzelnen Abgasturbine der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 angeordnet sein kann. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, weil dann eine möglichst ungeschmälerte Enthalpie des Abgases 17 für den Drei-Wege-Katalysator 19 zur Verfügung steht.
-
Es ist aber auch möglich, dass der Drei-Wege-Katalysator 19 zwischen der ersten Abgasturbine 21 und der dritten Abgasturbine 45 angeordnet ist. Auch in diesem Fall ist noch recht viel Enthalpie von dem Abgas 17 umfasst, welche in dem Drei-Wege-Katalysator 19 insbesondere zum Erreichen und Halten von dessen Betriebstemperatur zur Verfügung steht.
-
Schließlich ist es aber auch möglich, dass der Drei-Wege-Katalysator 19 stromabwärts der dritten Abgasturbine 45 angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann er auch – wie in 1 dargestellt – stromabwärts der zweiten Abgasturbine 27, insbesondere der Nutzturbine, angeordnet sein. Je nach konkreten Bedingungen des Strömungspfads für das Abgas und der stöchiometrischen Verbrennung in der zweiten Brennkammer 13 kann dann das Abgas 17 gleichwohl noch eine ausreichende Enthalpie aufweisen, um den Drei-Wege-Katalysator 19 effizient betreiben zu können.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Strömungspfad für das Verbrennungsgas 11 – insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 – variierbar. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Verbrennungsgas 11 über eine zweite Umgehungsleitung 51 um die erste Abgasturbine 21 herum direkt in die zweite Brennkammer 13 geführt wird.
-
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das Verbrennungsgas 11 über eine dritte Umgehungsleitung 53 stromabwärts der ersten Abgasturbine 21 abgezweigt und unter Umgehung der dritten Abgasturbine 45 der zweiten Brennkammer 13 zugeführt wird. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das Verbrennungsgas 11 nach Durchströmen der ersten Abgasturbine 21 und der dritten Abgasturbine 45 über einen Leitungsabschnitt 55 der zweiten Brennkammer 13 zugeführt wird. Dabei kann die Führung des Verbrennungsgases 11 – vorzugsweise mithilfe geeigneter Ventileinrichtung – vorzugsweise abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 verändert werden.
-
Es ist auch möglich, dass ein Teilstrom des Abgases 17 – bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere direkt aus der zweiten Brennkammer 13 – abgezweigt, und dem Verbrennungsgas 11 stromaufwärts einer Abgasturbine 21, 45 wieder zugeführt wird. Hierzu ist schematisch eine erste Rückführleitung 57 gestrichelt dargestellt, über welche Abgas 17 aus der zweiten Brennkammer 13 abgezweigt und dem Verbrennungsgas 11 stromaufwärts der ersten Abgasturbine 21 zugeführt werden kann. Mittels einer zweiten Rückführleitung 59, die hier schematisch gestrichelt dargestellt ist, kann Abgas 17 aus der zweiten Brennkammer 13 abgezweigt und dem Verbrennungsgas 11 stromabwärts der ersten Abgasturbine 21 und stromaufwärts der dritten Abgasturbine 45 zugeführt werden. Die Teilrückführung des Abgases 17 wird vorzugsweise ebenfalls betriebspunktabhängig variiert, wobei es insbesondere hierdurch möglich ist, den Abgasturbinen 21, 45 einen zusätzlichen Massenstrom zur Verfügung zu stellen, insbesondere wenn der Massenstrom des Verbrennungsgases 11 zu deren effizienten Betrieb nicht ausreicht.
-
Insgesamt zeigt sich, dass mit dem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung 1 und der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 eine Möglichkeit bereitgestellt wird, die Brennkraftmaschineneinrichtung 1 zum einen mit hohem Wirkungsgrad und zum anderen mit sehr niedrigen Emissionen, insbesondere mit niedrigen Emissionen klimaschädlicher, unverbrannter Kohlenwasserstoffe, ganz besonders Methan, zu betreiben.
