DE102016204142A1 - Method for operating an internal combustion engine device and internal combustion engine device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung (1), wobei einer ersten Brennkammer (3) der Brennkraftmaschineneinrichtung (1) ein erster Brennstoff zugeführt wird, wobei der erste Brennstoff in der ersten Brennkammer (3) mit Luftüberschuss verbrannt wird, wobei sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas (5) aus der ersten Brennkammer (3) einer zweiten Brennkammer (7) der Brennkraftmaschineneinrichtung (1) zugeführt wird, wobei das Verbrennungsgas (5) in der zweiten Brennkammer (7) in einer stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt wird, und wobei Abgas (9) aus der zweiten Brennkammer (7) einem Drei-Wege-Katalysator (11) zugeführt wird.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine device (1), wherein a first fuel is supplied to a first combustion chamber (3) of the internal combustion engine device (1), wherein the first fuel is burned in the first combustion chamber (3) with excess air, wherein oxygen-containing combustion gas (5) from the first combustion chamber (3) is supplied to a second combustion chamber (7) of the engine device (1), wherein the combustion gas (5) is reacted in the second combustion chamber (7) in a stoichiometric combustion, and wherein exhaust gas (9) from the second combustion chamber (7) is fed to a three-way catalyst (11).
Description
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung und Brennkraftmaschineneinrichtung Method for operating an internal combustion engine device and internal combustion engine device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung sowie eine Brennkraftmaschineneinrichtung. The invention relates to a method for operating an internal combustion engine device and an internal combustion engine device.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für eine Brennkraftmaschine zu erreichen, ist häufig eine Magerverbrennung vorgesehen, wobei Brennstoff in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss verbrannt wird. Nachteilig hierbei ist, dass sich das bei einer solchen Verbrennung entstehende Abgas aufgrund der vergleichsweise niedrigen Abgastemperatur einerseits und dem vergleichsweise hohen Sauerstoffgehalt andererseits nur schwierig nachbehandeln lässt. Insbesondere ist es nicht möglich, Schadstoffe in dem Abgas in vergleichsweise einfacher Weise in einem Drei-Wege-Katalysator umzusetzen, weil dieser für einen effizienten Betrieb ein sehr enges Fenster für ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis in der Brennkammer, welches auch als Lambdawert bezeichnet wird, benötigt. Insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe und ganz besonders – bei Gasmotoren – chemisch sehr stabiles Methan im Abgas können nur sehr schwer oder gar nicht umgesetzt werden. Demgegenüber weisen Brennkraftmaschinen, welche eine stöchiometrische Verbrennung realisieren, zwar den Vorteil der Möglichkeit einer Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators zur Abgasnachbehandlung auf, sind aber bezüglich ihres Wirkungsgrads den Magermotoren unterlegen. In order to achieve the highest possible efficiency for an internal combustion engine, a lean combustion is often provided, wherein fuel is burned in a combustion chamber of the internal combustion engine with excess air. The disadvantage here is that the resulting in such a combustion exhaust gas on the other hand, due to the comparatively low exhaust gas temperature on the one hand and the relatively high oxygen content on the other hand difficult to post-treatment. In particular, it is not possible to convert pollutants in the exhaust gas in a comparatively simple manner in a three-way catalyst, because this for efficient operation a very narrow window for a combustion air-fuel ratio in the combustion chamber, which is also referred to as lambda value , needed. In particular unburned hydrocarbons and especially - in gas engines - chemically very stable methane in the exhaust gas can be very difficult or impossible to implement. On the other hand, although internal combustion engines which realize stoichiometric combustion have the advantage of being able to use a three-way catalytic converter for exhaust gas aftertreatment, they are inferior to lean-burn engines in terms of their efficiency.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung und eine Brennkraftmaschineneinrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. The invention has for its object to provide a method for operating an internal combustion engine device and an internal combustion engine device, said disadvantages do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung geschaffen wird, bei welchem einer ersten Brennkammer einer Brennkraftmaschineneinrichtung ein erster Brennstoff zugeführt wird, wobei der erste Brennstoff in der ersten Brennkammer mit Luftüberschuss verbrannt wird. Dabei entsteht als Produktgas der Verbrennung in der ersten Brennkammer sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas, wobei das sauerstoffhaltige Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer einer zweiten Brennkammer der Brennkraftmaschineneinrichtung zugeführt wird, wobei das Verbrennungsgas in der zweiten Brennkammer in einer stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt wird. Als Produktgas der Verbrennung in der zweiten Brennkammer entsteht Abgas, wobei das Abgas aus der zweiten Brennkammer einem Drei-Wege-Katalysator zugeführt wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Insbesondere ermöglicht die Verbrennung mit Luftüberschuss in der ersten Brennkammer einen hohen Wirkungsgrad für die Brennkraftmaschineneinrichtung, wobei zugleich die stöchiometrische Verbrennung in der zweiten Brennkammer eine günstige, einfache und sehr effiziente Abgasnachbehandlung mit einem Drei-Wege-Katalysator ermöglicht. Insbesondere schwer umsetzbare Bestandteile des Verbrennungsgases können bereits in dem stöchiometrischen Brennverfahren in der zweiten Brennkammer umgesetzt werden. Insbesondere sind die bei der stöchiometrischen Verbrennung in der zweiten Brennkammer herrschenden Temperaturen ohne weiteres hoch genug, um auch chemisch sehr stabile Moleküle wie Methan effizient und vorzugsweise vollständig umzusetzen, insbesondere zu oxidieren. The object is achieved in particular by providing a method for operating an internal combustion engine device in which a first fuel is supplied to a first combustion chamber of an internal combustion engine device, wherein the first fuel is burned in the first combustion chamber with excess air. Oxygen-containing combustion gas is thereby produced as the product gas of the combustion in the first combustion chamber, the oxygen-containing combustion gas being supplied from the first combustion chamber to a second combustion chamber of the internal combustion engine device, the combustion gas being converted into stoichiometric combustion in the second combustion chamber. Exhaust gas is produced as product gas of the combustion in the second combustion chamber, the exhaust gas from the second combustion chamber being fed to a three-way catalytic converter. In connection with the method, there are advantages compared to the prior art. In particular, the combustion with excess air in the first combustion chamber allows a high efficiency for the internal combustion engine device, at the same time the stoichiometric combustion in the second combustion chamber allows a cheap, simple and very efficient exhaust aftertreatment with a three-way catalyst. Particularly difficult to convert components of the combustion gas can be implemented in the stoichiometric combustion process in the second combustion chamber. In particular, the temperatures prevailing in the stoichiometric combustion in the second combustion chamber are readily high enough to efficiently and preferably fully react even chemically very stable molecules such as methane, in particular to oxidize.
Unter dem Begriff „Verbrennungsgas“ wird – wie bereits ausgeführt – aus der Verbrennung in der ersten Brennkammer resultierendes Produktgas, also insbesondere Abgas der ersten Brennkammer, welches auch als erstes Abgas bezeichnet werden kann, verstanden. Unter dem Begriff „Abgas“ wird hier spezifisch Produktgas der stöchiometrischen Verbrennung in der zweiten Brennkammer verstanden, also Abgas der zweiten Brennkammer, welches auch als zweites Abgas bezeichnet werden kann. Mit dem Begriff „Gesamtabgas“ wird Abgas der Brennkraftmaschineneinrichtung verstanden, welches den Drei-Wege-Katalysator verlässt, also stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators vorliegt. The term "combustion gas" is - as already stated - from the combustion in the first combustion chamber resulting product gas, ie in particular exhaust gas of the first combustion chamber, which can also be referred to as the first exhaust gas understood. The term "exhaust gas" is here specifically understood as meaning product gas of the stoichiometric combustion in the second combustion chamber, that is to say exhaust gas of the second combustion chamber, which can also be referred to as second exhaust gas. By the term "total exhaust gas" exhaust gas of the engine device is understood, which leaves the three-way catalyst, that is present downstream of the three-way catalyst.
Unter einer Brennkraftmaschineneinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, die wenigstens eine Brennkraftmaschine aufweist. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung mehr als eine Brennkraftmaschine, insbesondere zwei Brennkraftmaschinen aufweist. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine Brennkraftmaschine und eine Reaktionskammer insbesondere als zweite Brennkammer aufweist, wobei in der Reaktionskammer lediglich eine Verbrennung, nicht jedoch eine Wandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit stattfinden kann. An internal combustion engine device is understood to mean a device which has at least one internal combustion engine. It is possible that the internal combustion engine device has more than one internal combustion engine, in particular two internal combustion engines. It is also possible that the internal combustion engine device has an internal combustion engine and a reaction chamber, in particular as a second combustion chamber, wherein only a combustion, but not a conversion of chemical energy into mechanical work can take place in the reaction chamber.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ersten Brennkammer ein methanhaltiges Brenngas als erster Brennstoff zugeführt wird. Insbesondere kann der ersten Brennkammer Erdgas als Brennstoff zugeführt werden, aber auch CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas) oder dergleichen. Wird der ersten Brennkammer als Brennstoff ein methanhaltiges Brenngas zugeführt, verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, weil unverbranntes Methan effizient in der stöchiometrischen Verbrennung umgesetzt werden kann, welche in der zweiten Brennkammer durchgeführt wird. According to one embodiment of the invention it is provided that the first combustion chamber, a methane-containing fuel gas is supplied as the first fuel. In particular, the first combustion chamber natural gas can be supplied as fuel, but also CNG (compressed natural gas), LNG (Liquefied Natural Gas) or the like. Will the first Combustion chamber fed as fuel, a methane-containing fuel gas, realized in a special way, the advantages of the method, because unburned methane can be efficiently implemented in the stoichiometric combustion, which is carried out in the second combustion chamber.
Der zweiten Brennkammer wird bevorzugt ein zweiter Brennstoff zugeführt, insbesondere um eine Verbrennung in der zweiten Brennkammer überhaupt erst zu ermöglichen. Dabei wird die der zweiten Brennkammer zugeführte Menge des zweiten Brennstoffs bevorzugt gesteuert oder geregelt, wobei insbesondere ein Lambdawert für die Verbrennung in der zweiten Brennkammer gesteuert oder geregelt wird. Der Lambdawert in der zweiten Brennkammer wird bevorzugt in einem engen Lambdafenster, insbesondere zwischen mindestens 0,99 und höchstens 1, geregelt. Es ist möglich, dass der zweiten Brennkammer als zweiter Brennstoff der erste Brennstoff zugeführt wird, welcher auch der ersten Brennkammer zugeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass der zweiten Brennkammer ein von dem ersten Brennstoff verschiedener Brennstoff zugeführt wird, beispielsweise ein anderer gasförmiger Brennstoff, oder aber auch ein flüssiger Brennstoff, beispielsweise Benzin, Diesel, Dimethylether, oder ein anderes Zündöl. The second combustion chamber is preferably supplied with a second fuel, in particular in order to enable combustion in the second combustion chamber in the first place. In this case, the quantity of the second fuel supplied to the second combustion chamber is preferably controlled or regulated, wherein in particular a lambda value for the combustion in the second combustion chamber is controlled or regulated. The lambda value in the second combustion chamber is preferably regulated in a narrow lambda window, in particular between at least 0.99 and at most 1. It is possible that the first fuel is supplied to the second combustion chamber as the second fuel, which is also supplied to the first combustion chamber. But it is also possible that the second combustion chamber, a different fuel supplied from the first fuel, for example, another gaseous fuel, or even a liquid fuel, such as gasoline, diesel, dimethyl ether, or another ignition oil.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsgas vor dem Durchströmen einer Abgasturbine der zweiten Brennkammer zugeführt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die zweite Brennkammer stromabwärts der ersten Brennkammer, jedoch stromaufwärts einer Abgasturbine angeordnet ist, sodass das Verbrennungsgas stromaufwärts der Abgasturbine in die zweite Brennkammer gelangt. Alternativ ist es möglich, dass das Verbrennungsgas zwischen einer ersten Abgasturbine und einer zweiten Abgasturbine der zweiten Brennkammer zugeführt wird. Die zweite Brennkammer ist in diesem Fall stromabwärts der ersten Abgasturbine und stromaufwärts der zweiten Abgasturbine angeordnet. Auf diese Weise kann zum einen Enthalpie des Verbrennungsgases in der ersten Abgasturbine genutzt werden, und zum anderen kann der zweiten Brennkammer ein durch die Enthalpieabgabe in der ersten Abgasturbine gekühltes Verbrennungsgas zugeführt werden, was die Füllung der zweiten Brennkammer erhöht. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Verbrennungsgas nach dem Durchströmen einer Abgasturbine der zweiten Brennkammer zugeführt wird. Insbesondere ist es möglich, dass das Verbrennungsgas der zweiten Brennkammer stromabwärts einer – entlang des Strömungspfads des Gasstroms insgesamt gesehen – letzten Abgasturbine zugeführt wird. According to one embodiment of the invention it is provided that the combustion gas is supplied to the second combustion chamber before flowing through an exhaust gas turbine. This means, in particular, that the second combustion chamber is arranged downstream of the first combustion chamber, but upstream of an exhaust gas turbine, so that the combustion gas passes into the second combustion chamber upstream of the exhaust gas turbine. Alternatively, it is possible that the combustion gas is supplied between a first exhaust gas turbine and a second exhaust gas turbine of the second combustion chamber. The second combustion chamber is arranged in this case downstream of the first exhaust gas turbine and upstream of the second exhaust gas turbine. In this way, on the one hand enthalpy of the combustion gas in the first exhaust gas turbine can be used, and on the other hand, the second combustion chamber can be supplied by the enthalpy in the first exhaust gas cooled combustion gas, which increases the filling of the second combustion chamber. Alternatively or additionally, it is possible that the combustion gas is supplied to the second combustion chamber after flowing through an exhaust gas turbine. In particular, it is possible for the combustion gas to be supplied to the second combustion chamber downstream of a last exhaust gas turbine, viewed overall along the flow path of the gas flow.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Abgas der zweiten Brennkammer einer Abgasturbine zugeführt wird. Das als Produktgas der stöchiometrischen Verbrennung gebildete Abgas weist eine besonders hohe Enthalpie auf, die in sehr günstiger Weise in einer Abgasturbine umgesetzt werden kann. Alternatively or additionally, it is preferably provided that the exhaust gas of the second combustion chamber is supplied to an exhaust gas turbine. The exhaust gas formed as product gas of the stoichiometric combustion has a particularly high enthalpy, which can be implemented in a very favorable manner in an exhaust gas turbine.
Unter einer Abgasturbine wird hier allgemein eine Turbine verstanden, die von Produktgas einer Verbrennung antreibbar ist, also insbesondere von dem Verbrennungsgas, von dem Abgas, oder auch von dem Gesamtabgas der Brennkraftmaschineneinrichtung. Eine solche Abgasturbine kann Teil eines Abgasturboladers sein, wobei der Abgasturbolader vorzugsweise die Abgasturbine sowie einen Verdichter aufweist, wobei die Abgasturbine mit dem Verdichter derart wirkverbunden ist, dass der Verdichter durch die Abgasturbine antreibbar ist. Der Verdichter ist vorzugsweise eingerichtet zur Verdichtung von Verbrennungsluft, welche der ersten Brennkammer und/oder der zweiten Brennkammer zugeführt wird. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine mehrstufige Aufladung aufweist, wobei mehr als ein Abgasturbolader vorgesehen sind; insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine zweistufige Aufladung mit einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem Niederdruck-Abgasturbolader aufweist. Dabei kann eine Abgasturbine des Niederdruckturboladers beispielsweise durch das Abgas angetrieben sein, wobei eine Turbine des Hochdruckabgasturboladers beispielsweise durch das Verbrennungsgas angetrieben sein kann. Es ist aber auch möglich, dass sowohl die Hochdruckturbine als auch die Niederdruckturbine durch das Abgas antreibbar sind. Under an exhaust gas turbine is generally understood here a turbine which is driven by product gas combustion, so in particular by the combustion gas, the exhaust gas, or from the total exhaust gas of the internal combustion engine device. Such an exhaust gas turbine may be part of an exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas turbocharger preferably has the exhaust gas turbine and a compressor, wherein the exhaust gas turbine is operatively connected to the compressor such that the compressor can be driven by the exhaust gas turbine. The compressor is preferably configured to compress combustion air, which is supplied to the first combustion chamber and / or the second combustion chamber. It is possible that the engine device has a multi-stage charge, wherein more than one exhaust gas turbocharger are provided; In particular, it is possible that the internal combustion engine device has a two-stage supercharging with a high-pressure exhaust gas turbocharger and a low-pressure exhaust gas turbocharger. In this case, an exhaust gas turbine of the low-pressure turbocharger may be driven, for example, by the exhaust gas, wherein a turbine of the high-pressure exhaust gas turbocharger may be driven, for example, by the combustion gas. But it is also possible that both the high-pressure turbine and the low-pressure turbine can be driven by the exhaust gas.
Eine solche Abgasturbine kann aber auch als Nutzturbine ausgebildet sein. Dabei wird unter einer Nutzturbine ebenfalls eine Turbine verstanden, welche durch Produktgas einer Verbrennung, hier also insbesondere durch Verbrennungsgas, Abgas oder Gesamtabgas der Brennkraftmaschineneinrichtung, antreibbar ist. Dabei ist der Nutzturbine eine Wandlungseinrichtung zugeordnet, sodass die Wandlungseinrichtung durch die Nutzturbine antreibbar ist. Bei der Wandlungseinrichtung kann es sich um eine Drehmomentwandlungseinrichtung handeln, beispielsweise um ein Getriebe, wobei mechanische Arbeit der Nutzturbine bevorzugt einer Welle der Brennkraftmaschineneinrichtung, insbesondere einer Kurbelwelle, zugeführt wird. Die Wandlungseinrichtung kann aber auch als Energiewandlungseinrichtung eingerichtet sein, insbesondere als elektrische Maschine, besonders bevorzugt als Generator, wobei die mechanische Arbeit der Nutzturbine vorzugsweise in elektrische Energie gewandelt werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Nutzturbine vorgesehen, welche durch das Abgas antreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt eine Nutzturbine vorgesehen, welche durch das Gesamtabgas der Brennkraftmaschineneinrichtung antreibbar ist. However, such an exhaust gas turbine can also be designed as a power turbine. In this case, a turbine is also understood to mean a turbine which can be driven by product gas from combustion, in this case in particular by combustion gas, exhaust gas or total exhaust gas of the internal combustion engine device. Here, the power turbine is associated with a conversion device, so that the conversion device is driven by the power turbine. The conversion device can be a torque conversion device, for example a transmission, with mechanical work of the useful turbine preferably being supplied to a shaft of the internal combustion engine device, in particular a crankshaft. However, the conversion device can also be set up as an energy conversion device, in particular as an electrical machine, particularly preferably as a generator, wherein the mechanical work of the useful turbine can preferably be converted into electrical energy. Particularly preferably, a power turbine is provided which can be driven by the exhaust gas. Alternatively or additionally, a useful turbine is preferably provided which can be driven by the total exhaust gas of the internal combustion engine device.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer Verbrennungsluft zugeführt wird. Besonders bevorzugt wird dem Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer Ladeluft, das heißt verdichtete Verbrennungsluft, zugeführt. Auf diese Weise ist es möglich, das Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer mit Sauerstoff anzureichern. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass letztlich das Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer in der zweiten Brennkammer quasi die Funktion von Verbrennungsluft erfüllt, weil das Verbrennungsgas Sauerstoff aufweist. Eine Sauerstoffanreicherung des Verbrennungsgases durch Zumischung von Verbrennungsluft kann zur Steuerung und/oder Regelung des Lambdawerts in der zweiten Brennkammer genutzt werden. Zugleich mit dem Sauerstoff wird der zweiten Brennkammer mit dem Verbrennungsgas aber auch Abgas im Sinne von Verbrennungsrückständen und insbesondere Inertgasen, wie beispielsweise Kohlendioxid, zugeführt. Das Verbrennungsgas, welches der zweiten Brennkammer zugeführt wird, verwirklicht dort also zugleich auch eine Abgasrückführung. Für die erste Brennkammer wird vorzugsweise ein Lambdawert von 2 eingestellt, wobei dann die Ladungszusammensetzung in der zweiten Brennkammer – ohne Verbrennungsluftzufuhr zu dem Verbrennungsgas – einer stöchiometrischen Verbrennung bei Lambda = 1 mit einer Abgasrückführrate von 50 % entspricht. Dies ist bereits eine vergleichsweise hohe Abgasrückführrate, welche gegebenenfalls die Verbrennungsstabilität in der zweiten Brennkammer negativ beeinflussen kann, und welche insbesondere nicht überschritten werden sollte. Besonders bevorzugt wird für die erste Brennkammer ein Lambdawert von größer als 2 eingestellt, wobei höhere Lambdawerte in der ersten Brennkammer insbesondere den Wirkungsgrad erhöhen und zugleich die Abgasrückführrate für die zweite Brennkammer erniedrigen. Es sind aber auch Lambdawerte von weniger als 2 für die erste Brennkammer möglich. According to one embodiment of the invention it is provided that combustion air is supplied to the combustion gas upstream of the second combustion chamber. Particularly preferably, the combustion gas upstream of the second combustion chamber charge air, that is, compressed combustion air supplied. In this way, it is possible to enrich the combustion gas with oxygen upstream of the second combustion chamber. In this context, it should be noted that ultimately the combustion gas from the first combustion chamber in the second combustion chamber virtually fulfills the function of combustion air, because the combustion gas has oxygen. An oxygen enrichment of the combustion gas by admixing combustion air can be used for controlling and / or regulating the lambda value in the second combustion chamber. At the same time as the oxygen is the second combustion chamber with the combustion gas but also exhaust gas in the sense of combustion residues and in particular inert gases, such as carbon dioxide fed. The combustion gas, which is supplied to the second combustion chamber, thus also realizes an exhaust gas recirculation there. A lambda value of 2 is preferably set for the first combustion chamber, in which case the charge composition in the second combustion chamber - without combustion air supply to the combustion gas - corresponds to a stoichiometric combustion at lambda = 1 with an exhaust gas recirculation rate of 50%. This is already a comparatively high exhaust gas recirculation rate, which may possibly adversely affect the combustion stability in the second combustion chamber, and which in particular should not be exceeded. Particularly preferably, a lambda value of greater than 2 is set for the first combustion chamber, wherein higher lambda values in the first combustion chamber in particular increase the efficiency and at the same time reduce the exhaust gas recirculation rate for the second combustion chamber. However, lambda values of less than 2 are also possible for the first combustion chamber.
Um die Verbrennung in der zweiten Brennkammer stabil zu halten und insbesondere die Abgasrückführrate absenken zu können – gerade dann, wenn in der ersten Brennkammer ein Lambdawert von 2 nicht erreicht wird – kann dem Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer Verbrennungsluft, insbesondere Ladeluft, zugeführt werden. Hierdurch kann die Abgasrückführrate – vorzugsweise gesteuert oder geregelt – abgesenkt werden, was die Verbrennungsstabilität in der zweiten Brennkammer steigert. In order to keep the combustion stable in the second combustion chamber and in particular to be able to lower the exhaust gas recirculation rate - even if a lambda value of 2 is not reached in the first combustion chamber - combustion air, in particular charge air, can be supplied to the combustion gas upstream of the second combustion chamber. This allows the exhaust gas recirculation rate - preferably controlled or regulated - are lowered, which increases the combustion stability in the second combustion chamber.
In der ersten Brennkammer wird bevorzugt eine Verbrennung bei Lambda = 2 oder einem höheren Lambdawert angestrebt, um zum einen den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, und zum anderen eine möglichst geringe Abgasrückführrate für die zweite Brennkammer zu verwirklichen. Dabei ist nämlich zu beachten, dass bei fetterer Verbrennung in der ersten Brennkammer die Abgasrückführrate für die zweite Brennkammer steigt. In the first combustion chamber, combustion at lambda = 2 or a higher lambda value is preferably aimed at, on the one hand to keep the efficiency as high as possible and, on the other hand, to realize the lowest possible exhaust gas recirculation rate for the second combustion chamber. In this case, it should be noted that increases in exhaust fiercer combustion in the first combustion chamber, the exhaust gas recirculation rate for the second combustion chamber.
Die Zufuhr der Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer wird bevorzugt gesteuert oder geregelt. Hierzu ist bevorzugt eine entsprechend geeignete Ventileinrichtung vorgesehen. Dem Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer zugeführte Ladeluft wird bevorzugt aus einer Ladeluftleitung abgezweigt, insbesondere stromabwärts eines Hochdruckverdichters, stromabwärts eines Niederdruckverdichters und/oder zwischen einem Niederdruckverdichter und einem Hochdruckverdichter, oder an anderer Stelle der Ladeluftleitung. The supply of the combustion air to the combustion gas upstream of the second combustion chamber is preferably controlled or regulated. For this purpose, a correspondingly suitable valve device is preferably provided. The charge air supplied to the combustion gas upstream of the second combustion chamber is preferably branched off from a charge air line, in particular downstream of a high-pressure compressor, downstream of a low-pressure compressor and / or between a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, or elsewhere in the charge air line.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer geheizt oder gekühlt wird. Hierdurch kann in günstiger Weise insbesondere der Ladungswechsel für die Brennkammern beeinflusst werden. Insbesondere kann bevorzugt das Abgasgegendruckniveau für die erste Brennkammer abgesenkt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das Abgas stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators und/oder stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators geheizt oder gekühlt wird. Auf diese Weise kann die Abgastemperatur in günstiger Weise für den Drei-Wege-Katalysator und/oder für stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators vorgesehene Elemente angepasst, insbesondere gesteuert oder geregelt werden. According to one embodiment of the invention it is provided that the combustion gas is heated or cooled upstream of the second combustion chamber. This can be influenced in a favorable manner, in particular the change of charge for the combustion chambers. In particular, the exhaust backpressure level for the first combustion chamber can preferably be lowered. Additionally or alternatively, it is possible that the exhaust gas is heated or cooled upstream of the three-way catalyst and / or downstream of the three-way catalyst. In this way, the exhaust gas temperature can be adjusted in a favorable manner for the three-way catalyst and / or provided for downstream of the three-way catalyst elements, in particular controlled or regulated.
Es ist auch möglich, dass Abwärme aus dem Abgas, und/oder Abwärme aus dem Verbrennungsgas einer Abwärmenutzung zugeführt wird. Dabei kann insbesondere eine für das Verbrennungsgas und/oder für das Abgas vorgesehene Kühleinrichtung verwendet werden, um dem Abgas und/oder dem Verbrennungsgas Abwärme zu entziehen und einer Abwärmenutzung zuzuführen. Eine solche Abwärmenutzung kann insbesondere einen thermodynamischen Kreisprozess einschließen, besonders bevorzugt einen organischen Rankine-Zyklus (ORC – Organic Rankine Cycle). It is also possible that waste heat from the exhaust gas, and / or waste heat from the combustion gas is supplied to a waste heat recovery. In this case, in particular, a cooling device provided for the combustion gas and / or for the exhaust gas can be used in order to remove waste heat from the exhaust gas and / or the combustion gas and to supply it to a waste heat utilization. Such waste heat utilization may in particular include a thermodynamic cycle, more preferably an organic Rankine cycle (ORC - Organic Rankine Cycle).
Besonders bevorzugt ist eine zur Abwärmenutzung vorgesehene Kühleinrichtung stromaufwärts der zweiten Brennkammer derart vorgesehen, dass sie direkt mit dem Verbrennungsgas beaufschlagt werden kann, ohne dass stromaufwärts der Kühleinrichtung eine Abgasturbine vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kühleinrichtung mit Verbrennungsgas beaufschlagt werden kann, dessen Enthalpie nicht durch eine Abgasturbine verringert ist. Das Verbrennungsgas kann daher die Kühleinrichtung mit sehr hoher Temperatur anströmen, sodass der Wirkungsgrad für die Abwärmenutzung hoch ist. Particularly preferably, a cooling device provided for the use of waste heat upstream of the second combustion chamber is provided in such a way that it can be charged directly with the combustion gas without an exhaust gas turbine being provided upstream of the cooling device. This has the advantage that the cooling device can be acted upon with combustion gas whose enthalpy is not reduced by an exhaust gas turbine. The combustion gas can therefore flow to the cooling device with very high temperature, so that the efficiency for the waste heat recovery is high.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsgas stromaufwärts der zweiten Brennkammer verdichtet wird. Dies ist vorteilhaft, weil auf diese Weise der Füllungsgrad der zweiten Brennkammer erhöht werden kann. According to one embodiment of the invention, it is provided that the combustion gas is compressed upstream of the second combustion chamber. This is advantageous because in this way the degree of filling of the second combustion chamber can be increased.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Verdichter für das Verbrennungsgas durch eine Turbine angetrieben wird, die mit dem Verbrennungsgas selbst beaufschlagt wird. Dabei wird das Verbrennungsgas insbesondere erst der Turbine und danach dem Verdichter zugeführt, sodass die Turbine den Verdichter antreibt und das Verbrennungsgas zunächst in der Turbine entspannt und dann in dem Verdichter wiederum verdichtet wird. Dabei wird das Verbrennungsgas vorzugsweise stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Verdichters gekühlt. Es wird also insbesondere bevorzugt auf einem niedrigeren Temperaturniveau verdichtet, als es dem Temperaturniveau entspricht, auf welchem das Verbrennungsgas in der Turbine entspannt wird. According to a preferred embodiment of the method it is provided that a compressor for the combustion gas is driven by a turbine, which is acted upon by the combustion gas itself. In particular, the combustion gas is first supplied to the turbine and then to the compressor, so that the turbine drives the compressor and the combustion gas is first expanded in the turbine and then compressed again in the compressor. The combustion gas is preferably cooled downstream of the turbine and upstream of the compressor. It is thus particularly preferably compressed to a lower temperature level than corresponds to the temperature level at which the combustion gas is expanded in the turbine.
Es ist aber auch möglich, dass der Verdichter für das Verbrennungsgas durch eine Turbine angetrieben wird, die mit Verbrennungsluft beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt wird die Turbine mit Ladeluft, also mit verdichteter Verbrennungsluft beaufschlagt. Dabei kann das hohe Druckniveau der Ladeluft genutzt werden, um die Turbine zur Verdichtung des Verbrennungsgases anzutreiben. But it is also possible that the compressor for the combustion gas is driven by a turbine, which is acted upon by combustion air. Particularly preferably, the turbine is charged with charge air, that is to say with compressed combustion air. In this case, the high pressure level of the charge air can be used to drive the turbine to compress the combustion gas.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass das Verbrennungsgas – insbesondere stromaufwärts des Verdichters – durch Verbrennungsluft, insbesondere durch Ladeluft, gekühlt wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Verbrennungsgas durch zu der Turbine strömende Verbrennungsluft, durch von der Turbine abströmende Verbrennungsluft, oder sowohl durch zu der Turbine strömende als auch von der Turbine abströmende Verbrennungsluft gekühlt wird. In vorteilhafter Weise kann das Temperaturniveau der Verbrennungsluft, welches typischerweise niedriger ist als das Temperaturniveau des Verbrennungsgases, genutzt werden, um das Verbrennungsgas zu kühlen. Eine Abzweigung und/oder Wiederzuführung von Ladeluft von und/oder zu einem Ladeluftstrang der Brennkraftmaschineneinrichtung erfolgt bevorzugt stromaufwärts eines Ladeluftkühlers. Auf diese Weise kann die von der Ladeluft aufgenommene Enthalpie des Verbrennungsgases in den Ladeluftkühler abgeführt werden. It is additionally or alternatively provided that the combustion gas - in particular upstream of the compressor - by combustion air, in particular by charge air, is cooled. In this case, it is possible, in particular, for the combustion gas to be cooled by combustion air flowing to the turbine, by combustion air flowing out of the turbine, or both by combustion air flowing to the turbine and also flowing away from the turbine. Advantageously, the temperature level of the combustion air, which is typically lower than the temperature level of the combustion gas, can be used to cool the combustion gas. A diversion and / or reintroduction of charge air from and / or to a charge air line of the internal combustion engine device preferably takes place upstream of an intercooler. In this way, the absorbed by the charge air enthalpy of the combustion gas can be dissipated in the intercooler.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschineneinrichtung geschaffen wird, welche eine erste Brennkammer aufweist, der ein erster Brennstoff zuführbar ist. Der erste Brennstoff ist in der ersten Brennkammer mit Luftüberschuss verbrennbar. Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist eine zweite Brennkammer auf, welcher sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas aus der ersten Brennkammer zuführbar ist. Das Verbrennungsgas ist in der zweiten Brennkammer in einer stöchiometrischen Verbrennung umsetzbar. Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist einen Drei-Wege-Katalysator auf, dem Abgas aus der zweiten Brennkammer zuführbar ist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschineneinrichtung verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschineneinrichtung eingerichtet, um der ersten Brennkammer ein methanhaltiges Brenngas, insbesondere Erdgas, CNG, LNG, oder dergleichen, als Brennstoff zuzuführen. The object is also achieved by providing an internal combustion engine device which has a first combustion chamber, to which a first fuel can be supplied. The first fuel is combustible in the first combustor with excess air. The internal combustion engine device has a second combustion chamber, which can be fed with oxygen-containing combustion gas from the first combustion chamber. The combustion gas can be converted in the second combustion chamber in a stoichiometric combustion. The internal combustion engine device has a three-way catalytic converter to which exhaust gas can be supplied from the second combustion chamber. In connection with the internal combustion engine device, in particular, the advantages which have already been explained in connection with the method are realized. Preferably, the internal combustion engine device is set up in order to supply the first combustion chamber with a methane-containing fuel gas, in particular natural gas, CNG, LNG, or the like, as fuel.
Der zweiten Brennkammer ist bevorzugt ein zweiter Brennstoff zuführbar, insbesondere um eine Verbrennung in der zweiten Brennkammer überhaupt erst zu ermöglichen. Dabei ist die der zweiten Brennkammer zuführbare Menge des zweiten Brennstoffs vorzugsweise steuer- oder regelbar, insbesondere um einen Lambdawert für die Verbrennung in der zweiten Brennkammer zu steuern oder zu regeln. Es ist möglich, dass der zweiten Brennkammer als zweiter Brennstoff der erste Brennstoff zuführbar ist, welcher auch der ersten Brennkammer zuführbar ist. Es ist aber auch möglich, dass der zweiten Brennkammer ein von dem ersten Brennstoff verschiedener Brennstoff zuführbar ist, beispielsweise ein anderer gasförmiger Brennstoff, oder aber auch ein flüssiger Brennstoff, beispielsweise Benzin, Diesel, Dimethylether, oder ein anderes Zündöl. A second fuel can preferably be supplied to the second combustion chamber, in particular to enable combustion in the second combustion chamber in the first place. In this case, the quantity of the second fuel which can be supplied to the second combustion chamber can preferably be controlled or regulated, in particular in order to control or regulate a lambda value for the combustion in the second combustion chamber. It is possible that the second fuel, the first fuel is supplied to the second combustion chamber, which is also the first combustion chamber can be fed. But it is also possible that the second combustion chamber, a different fuel from the first fuel is supplied, for example, another gaseous fuel, or even a liquid fuel, such as gasoline, diesel, dimethyl ether, or other ignition oil.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer verschiedenen Brennkraftmaschinen zugeordnet sind. In diesem Fall weist die Brennkraftmaschineneinrichtung bevorzugt wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei Brennkraftmaschinen auf, wobei die erste Brennkammer einer ersten Brennkraftmaschine zugeordnet ist, und wobei die zweite Brennkammer einer zweiten Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass sowohl die erste Brennkraftmaschine als auch die zweite Brennkraftmaschine als Hubkolbenmotoren, als Rotationskolbenmotoren oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass beide Brennkraftmaschinen als Gasturbinen ausgebildet sind. Die Brennkraftmaschinen können aber auch verschieden ausgestaltet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Brennkraftmaschine als Hubkolbenmotor oder Rotationskolbenmotor ausgebildet ist, wobei die zweite Brennkraftmaschine als Gasturbine ausgebildet ist. According to one embodiment of the invention, it is provided that the first combustion chamber and the second combustion chamber are assigned to different internal combustion engines. In this case, the internal combustion engine device preferably has at least two, preferably exactly two internal combustion engines, wherein the first combustion chamber is assigned to a first internal combustion engine, and wherein the second combustion chamber is assigned to a second internal combustion engine. It is possible that both the first internal combustion engine and the second internal combustion engine are designed as reciprocating engines, as rotary piston engines or in any other suitable manner. It is also possible that both internal combustion engines are designed as gas turbines. The internal combustion engines can also be designed differently. In particular, it is possible that the first internal combustion engine is designed as a reciprocating engine or rotary piston engine, wherein the second internal combustion engine is designed as a gas turbine.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer derselben Brennkraftmaschine zugeordnet sind. In diesem Fall weist die Brennkraftmaschineneinrichtung besonders bevorzugt genau eine Brennkraftmaschine auf, welche sowohl die erste Brennkammer als auch die zweite Brennkammer aufweist. According to one embodiment of the invention it is provided that the first combustion chamber and the second combustion chamber of the same internal combustion engine are assigned. In this case, the Internal combustion engine device particularly preferably exactly one internal combustion engine, which has both the first combustion chamber and the second combustion chamber.
Dabei ist es möglich, dass die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer verschiedenen Zylinderbänken derselben Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Es ist insbesondere möglich, dass die Brennkraftmaschine als Hubkolbenmotor ausgebildet ist, der eine V-Konfiguration oder eine W-Konfiguration von Zylinderbänken aufweist, wobei die erste Brennkammer einer ersten Zylinderbank und die zweite Brennkammer einer zweiten Zylinderbank zugeordnet ist. It is possible that the first combustion chamber and the second combustion chamber are assigned to different cylinder banks of the same internal combustion engine. It is particularly possible that the internal combustion engine is designed as a reciprocating engine having a V-configuration or a W-configuration of cylinder banks, wherein the first combustion chamber of a first cylinder bank and the second combustion chamber is associated with a second cylinder bank.
Es ist aber alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die erste Brennkammer als Spenderzylinder ausgebildet ist, wobei die zweite Brennkammer als Empfängerzylinder ausgebildet ist. In diesem Fall ist es insbesondere möglich, dass beide Brennkammern derselben Zylinderbank derselben Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Vorzugsweise weist eine Zylinderbank eine erste Untergruppe von Zylindern auf, die als Spenderzylinder ausgebildet sind, wobei die Zylinderbank eine zweite Untergruppe von Zylindern aufweist, die als Empfängerzylinder ausgebildet sind. Die Spenderzylinder werden vorzugsweise als erste Brennkammern betrieben, wobei in den Spenderzylindern eine Magerverbrennung mit Luftüberschuss durchgeführt wird. Die Empfängerzylinder werden vorzugsweise mit stöchiometrischer Verbrennung betrieben. Insbesondere da die Spenderzylinder zur Erlangung eines ausreichenden Druckniveaus für die Überführung des Verbrennungsgases in die Empfängerzylinder angedrosselt werden müssen, ist es günstig, wenn die Spenderzylinder mit einer Magerverbrennung betrieben werden, da diese in den angedrosselten Spenderzylindern eine erhöhte Verbrennungsstabilität gewährleisten kann. Es ist außerdem bevorzugt vorgesehen, dass die erste Untergruppe der Spenderzylinder eine geringere Anzahl an Zylindern aufweist als die zweite Untergruppe der Empfängerzylinder. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil auf diese Weise die Abgasrückführrate für die Empfängerzylinder auf einem hinreichend niedrigen Niveau gehalten werden kann. Beispielsweise ist es möglich, dass eine solche Zylinderbank sechs Zylinder aufweist, von denen zwei als Spenderzylinder betrieben werden, wobei vier Zylinder als Empfängerzylinder betrieben werden. However, it is alternatively or additionally also possible that the first combustion chamber is designed as a dispensing cylinder, wherein the second combustion chamber is designed as a receiver cylinder. In this case, it is possible, in particular, for both combustion chambers to be assigned to the same cylinder bank of the same internal combustion engine. Preferably, a cylinder bank has a first subset of cylinders formed as a donor cylinder, the cylinder bank having a second subset of cylinders formed as a receiver cylinder. The donor cylinders are preferably operated as first combustion chambers, wherein a lean burn with excess air is carried out in the donor cylinders. The receiver cylinders are preferably operated with stoichiometric combustion. In particular, since the donor cylinder must be throttled to obtain a sufficient pressure level for the transfer of the combustion gas into the receiver cylinder, it is advantageous if the donor cylinder are operated with a lean burn, as this can ensure increased combustion stability in the throttled donor cylinders. It is also preferred that the first subset of the donor cylinders have a smaller number of cylinders than the second subset of the recipient cylinders. This is particularly advantageous because in this way the exhaust gas recirculation rate for the receiver cylinders can be kept at a sufficiently low level. For example, it is possible that such a cylinder bank has six cylinders, two of which are operated as a donor cylinder, four cylinders are operated as a receiver cylinder.
Eine solche Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass eine Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschineneinrichtung zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. 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, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. Such an internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. It is possible that an internal combustion engine of the internal combustion engine device is arranged to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank. An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, used for stationary power supply in emergency operation, continuous load operation or peak load operation, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. A stationary application of the internal combustion engine for driving auxiliary equipment, such as fire pumps on oil rigs, is possible. Furthermore, an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas, possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator. The internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung eine Verdichtereinrichtung zur Verdichtung des Verbrennungsgases aufweist, wobei die Verdichtereinrichtung einen von dem Verbrennungsgas durchströmbaren Verdichter aufweist, der mit einer Turbine in Antriebswirkverbindung ist, sodass der Verdichter durch die Turbine antreibbar ist. Die Turbine kann im Strömungspfad des Verbrennungsgases stromaufwärts des Verdichters angeordnet sein. In diesem Fall wird die Turbine von dem Verbrennungsgas angetrieben, bevor dieses in dem Verdichter wieder verdichtet wird. Stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Verdichters ist bevorzugt eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Verbrennungsgases vorgesehen. According to one embodiment of the invention, it is provided that the internal combustion engine device has a compressor device for compressing the combustion gas, wherein the compressor device comprises a compressor which can be flowed through by the combustion gas, which is in drive connection with a turbine, so that the compressor can be driven by the turbine. The turbine may be disposed in the flow path of the combustion gas upstream of the compressor. In this case, the turbine is driven by the combustion gas before it is recompressed in the compressor. Downstream of the turbine and upstream of the compressor, a cooling device for cooling the combustion gas is preferably provided.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Turbine in einem Strömungspfad angeordnet ist, der bestimmungsgemäß eingerichtet ist, um mit Verbrennungsluft beaufschlagt zu werden. Insbesondere ist der Strömungspfad bevorzugt eingerichtet, um mit Ladeluft beaufschlagt zu werden. In diesem Fall kann die Turbine mit – vorzugsweise verdichteter – Verbrennungsluft beaufschlagt werden. Vorzugsweise ist eine Abzweigung für die Ladeluft aus einem Ladeluftpfad stromabwärts eines Ladeluftverdichters, insbesondere eines Hochdruckverdichters, und stromaufwärts eines Ladeluftkühlers vorgesehen. Es ist möglich, dass die Ladeluft aus dem Ladeluftpfad abgezweigt, der Turbine zugeführt und stromabwärts der Turbine dem Ladeluftpfad wieder zugeführt wird. In diesem Fall ist ein Bypass oder eine Umgehungsleitung für den Ladeluftpfad vorgesehen, wobei die Turbine der Verdichtereinrichtung in dem Umgehungspfad oder Bypass angeordnet ist. Alternatively, it is also possible for the turbine to be arranged in a flow path which is set up as intended in order to be exposed to combustion air. In particular, the flow path is preferably set up to be charged with charge air. In this case, the turbine can be charged with - preferably compressed - combustion air. Preferably, a branch for the charge air from a charge air path downstream of a charge air compressor, in particular a high-pressure compressor, and upstream of a charge air cooler is provided. It is it is possible for the charge air to be branched off from the charge air path, fed to the turbine and returned to the charge air path downstream of the turbine. In this case, a bypass or bleed line for the charge air path is provided, with the turbine of the compressor device being arranged in the bypass path or bypass.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Verdichters der Verdichtereinrichtung eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Verbrennungsgases angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung von – vorzugsweise verdichteter – Verbrennungsluft als Kühlmedium durchströmbar ist. Das niedrigere Temperaturniveau der Verbrennungsluft kann so genutzt werden, um das Verbrennungsgas zu kühlen. Es ist möglich, dass die Kühleinrichtung von der Verbrennungsluft als Kühlmedium nach Durchströmen – also stromabwärts – der Turbine durchströmbar ist. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Kühleinrichtung von der Verbrennungsluft vor Durchströmen – also stromaufwärts – der Turbine durchströmbar ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Verbrennungsluft sowohl vor dem Durchströmen als auch nach dem Durchströmen der Turbine als Kühlmedium durch die Kühleinrichtung geführt wird. According to one embodiment of the invention, it is provided that upstream of the compressor of the compressor device, a cooling device for cooling the combustion gas is arranged, wherein the cooling device of - preferably compressed - combustion air can be flowed through as a cooling medium. The lower temperature level of the combustion air can thus be used to cool the combustion gas. It is possible for the cooling device to be able to flow through the combustion air as the cooling medium after it has flowed through-that is, downstream-of the turbine. As an alternative or in addition, it is also possible for the cooling device to be able to flow through the combustion air before it flows through, ie upstream, of the turbine. In particular, it is possible that the combustion air is passed through the cooling device both before flowing through and after flowing through the turbine as a cooling medium.
Es ist möglich, dass zwischen der Kühleinrichtung und dem Verdichter eine weitere Kühleinrichtung zur Kühlung des Verbrennungsgases angeordnet ist, wobei diese Kühleinrichtung vorzugsweise nicht Verbrennungsluft als Kühlmedium nutzt, sondern vielmehr von einem anderen – vorzugsweise flüssigen – Kühlmedium durchsetzt wird. It is possible that between the cooling device and the compressor, a further cooling device for cooling the combustion gas is arranged, said cooling device preferably does not use combustion air as the cooling medium, but rather is penetrated by another - preferably liquid - cooling medium.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschineneinrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschineneinrichtung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Brennkraftmaschineneinrichtung, die implizit oder explizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschineneinrichtung. Das Verfahren 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 Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. The description of the method on the one hand and the internal combustion engine device on the other hand are to be understood as complementary to each other. Method steps that have been explicitly or implicitly described in connection with the internal combustion engine device are preferably individually or combined with each other steps of a preferred embodiment of the method. Features of the engine device that have been implicitly or explicitly described in connection with the method are preferably individually or combined with each other features of a preferred embodiment of the internal combustion engine device. The method is preferably characterized by at least one method step, which is due to at least one feature of an inventive or preferred embodiment of the internal combustion engine device. The internal combustion engine device is preferably characterized by at least one feature which is caused by at least one method step of a preferred embodiment of the method according to the invention or preferred embodiment.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:
Dabei ist es möglich, dass die erste Brennkammer
Der ersten Brennkammer
Der erste Brennstoff ist der ersten Brennkammer
Beispielsweise ist es möglich, dass eine Direkteinspritzung in die erste Brennkammer
For example, it is possible for a direct injection into the
Auch der zweiten Brennkammer
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste Kühleinrichtung
Das Abgas
Es zeigt sich, dass in der ersten Brennkammer
Wird die erste Brennkammer
Somit wird der höhere Wirkungsgrad durch die verbrauchsoptimierte Magergasverbrennung in der ersten Brennkammer
In dem Ladepfad
Es wird darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich auch möglich ist, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß
Das Verbrennungsgas
Es ist eine Ventileinrichtung
Die Ventileinrichtung
Es sei noch erwähnt, dass das Spenderzylinderkonzept, welches in
Generell ist es – bei allen Ausführungsbeispielen – auch möglich, dass die Ventileinrichtung
Es sei noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch nur eine der beiden hier im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellten Modifikationen vorgesehen sein kann. Es ist also möglich, dass ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß
In dem Strömungspfad des Abgases
Es ist optional möglich, dass stromabwärts der zweiten Kühleinrichtung
Es ist also auch eine Abgasrückführpumpe derart realisierbar, dass diese durch das Verbrennungsgas
Vorteilhaft an allen hier beschriebenen Ausgestaltungen ist insbesondere auch, dass die Verdichter der Abgasturbolader – unabhängig davon, ob eine einstufige oder mehrstufige Aufladung vorgesehen ist – nur die wenigstens eine erste Brennkammer mit verdichteter Ladeluft versorgen müssen, sodass eine Aufladegruppe für die hier vorgeschlagene Brennkraftmaschineneinrichtung
In gleicher Weise zeigt sich auch, dass der Drei-Wege-Katalysator
Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschineneinrichtung
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DE102017219446A1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-05-02 | Hyundai Motor Company | Engine system, vehicle, and exhaust aftertreatment process |
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