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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
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Eine solche Brennkraftmaschine weist einen Ladepfad auf, der eingerichtet ist zur Zuführung von Ladeluft zu wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasstrang auf, der eingerichtet ist zur Abführung von Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum. Es ist ein Abgasrückführpfad vorgesehen, der den Abgasstrang außerhalb des wenigstens einen Brennraums mit dem Ladepfad verbindet, sodass Abgas aus dem Abgasstrang dem Ladepfad zuführbar ist. Bei solchen Brennkraftmaschinen mit (externer) Abgasrückführung bedarf es einer Kühlung des in den Ladepfad zurückgeführten Abgases. Die dem rückgeführten Abgas entnommene Wärme wird dabei typischerweise über einen Kühlkreislauf abgeführt und geht der Brennkraftmaschine verloren. Dies wirkt sich negativ auf deren Wirkungsgrad aus. Ist eine solche Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet, der insbesondere mit einem methanhaltigen Brenngas betrieben wird, muss der Betrieb der Brennkraftmaschine auf einen begrenzten, möglichst geringen Methan-Schlupf abgestimmt sein. Insbesondere zur Umsetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe, beispielsweise von unverbranntem Methan, aber auch für andere Zwecke der Abgasreinigung ist bevorzugt wenigstens ein Katalysator, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator oder Oxidations-Katalysator vorgesehen, der eine Mindesttemperatur benötigt, um eine ihm zugeordnete katalytische Reaktion bestimmungsgemäß durchführen zu können. Eine solche Mindesttemperatur für einen Katalysator wird auch als „Light off-Temperatur” bezeichnet. Diese wird insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine erst spät erreicht, und es kann zu Betriebszeiten, zu denen die Brennkraftmaschine mit niedriger Last, insbesondere im Leerlaufbetrieb betrieben wird, dazu kommen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung auskühlt und unter ihre Mindest-Temperatur fällt. Weiterhin zeigt sich, dass das Ansprechverhalten einer solchen Brennkraftmaschine häufig durch eine Aufladung begrenzt wird. Insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet ist, muss ein erhöhter Luftbedarf beim Lastsprung von einem Abgasturbolader bereitgestellt werden, der die hierfür notwendige Energie wiederum über eine Abgasturbine aus der Abgasenthalpie entnimmt, die letztlich auf der Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum beruht. Auch hierbei zeigt sich, dass insbesondere bei einem Kaltstart, bei niedrigen Drehzahlen, oder einem transienten Betrieb, insbesondere aus dem Leerlauf kommend, häufig nicht genügend Abgasenthalpie und damit letztlich Leistung in dem Abgasturbolader zur Verfügung steht, um solche Lastsprünge mit zufriedenstellender Dynamik darstellen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist eine Wärmetransporteinrichtung auf, die ihrerseits eine Wärmeaufnahmeeinrichtung aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, um Wärme aus dem Abgasrückführpfad aufzunehmen. Die Wärmetransporteinrichtung ist weiterhin eingerichtet, um dem Abgasrückführpfad entnommene Wärme in den Abgasstrang stromabwärts einer Ausmündung des Abgasrückführpfads aus dem Abgasstrang einzubringen. Die Brennkraftmaschine weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, einerseits dem zurückgeführten Abgas in dem Abgasrückführpfad Wärme zu entziehen, und diese jedoch andererseits nicht zu vernichten, sondern vielmehr – stromabwärts der Ausmündung des Abgasrückführpfads aus dem Abgasstrang – wiederum in den Abgasstrang einzubringen, wo die zusätzliche Wärme genutzt werden kann, um beispielsweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung – insbesondere über deren Mindesttemperatur hinaus – zu erwärmen, und/oder um einer Abgasturbine zusätzliche Enthalpie zuzuführen und so einen dynamischeren Lastsprung für die Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Unter einer Wärmetransporteinrichtung wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, welche – vorzugsweise ausschließlich – eingerichtet ist, um Wärme zu übertragen oder zu fördern, wobei die Wärmetransporteinrichtung mithin insbesondere eine passive Einrichtung ist, welche selbst in keinerlei Weise zur Nutzung der Wärme, sondern lediglich zu deren Transport ausgebildet ist. Eine solche Wärmetransporteinrichtung ist insbesondere nicht eingerichtet zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozess, und auch nicht in anderer Weise geeignet, um die transportierte Wärme in irgendeine andere Energieform zu wandeln. Die Wärmetransporteinrichtung ist vielmehr nur ausgebildet, um Wärme an einem ersten Ort zu entnehmen und zu einem zweiten Ort zu fördern und dort abzugeben.
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Unter dem Begriff „Ladeluft” wird insbesondere im verallgemeinerten Sinne ein Gas oder Gasgemisch verstanden, welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Es kann sich hierbei um reine Verbrennungsluft handeln. Es ist aber auch möglich, dass dem wenigstens einen Brennraum über den Ladepfad bereits ein – vorzugsweise verdichtetes – Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch als Ladeluft zugeführt wird.
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Dass der Abgasstrang außerhalb des wenigstens einen Brennraums über den Abgasrückführpfad mit dem Ladepfad verbunden ist, bedeutet insbesondere, dass mit dem Abgasrückführpfad keine sogenannte interne Abgasrückführung, sondern vielmehr eine externe Abgasrückführung verwirklicht wird, bei welcher das zurückgeführte Abgas dem Abgasstrang stromabwärts des Brennraums entnommen und dem Ladepfad stromaufwärts des Brennraums zugeführt wird.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Hochdruck-Abgasrückführung auf. Der Abgasrückführpfad mündet in diesem Fall stromaufwärts einer einzigen Abgasturbine oder einer Hochdruck-Abgasturbine aus dem Abgasstrang aus und mündet stromabwärts eines einzigen Verdichters oder eines Hochdruck-Verdichters in den Ladepfad ein. Das Abgas wird also auf einem hohen, insbesondere dem höchsten zur Verfügung stehenden Druckniveau dem Abgasstrang entnommen und in den Ladepfad eingebracht.
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In dem Abgasrückführpfad ist vorzugsweise ein Abgasrückführ-Stellelement angeordnet, insbesondere eine sogenannte Abgasrückführ-Klappe. Mit dem Abgasrückführ-Stellelement kann in für sich genommen bekannter Weise eine Abgasrückführrate für die Brennkraftmaschine eingestellt werden.
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Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Gasmotor ausgebildet, wobei sie insbesondere eingerichtet ist zum Betrieb mit einem Brenngas, vorzugsweise einem methanhaltigen Brenngas. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine eingerichtet ist zum Betrieb mit Erdgas, komprimiertem Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas), Flüssiggas (LNG – Liquefied Natural Gas) oder einem anderen geeigneten, insbesondere methanhaltigen, Gas. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile, da insbesondere eine Mindesttemperatur für einen Oxidationskatalysator oder einen Drei-Wege-Katalysator, der eingerichtet ist, um einen Methanschlupf der Brennkraftmaschine zu reduzieren, schneller erreicht und besser beibehalten werden kann – unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine – als bei einer bekannten Brennkraftmaschine.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransporteinrichtung eingerichtet ist, um dem Abgasrückführpfad entnommene Wärme stromaufwärts einer Abgasturbine und/oder stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in den Abgasstrang einzubringen. Die Einbringung der Wärme in den Abgasstrang stromaufwärts einer Abgasturbine hat den Vorteil, dass dieser zusätzliche Enthalpie zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch insbesondere ein dynamischeres Ansprechverhalten für eine Aufladung der Brennkraftmaschine verwirklicht wird. Ein Einbringen der Wärme stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung hat den Vorteil, dass diese früher eine Mindesttemperatur erreichen oder diese Mindesttemperatur besser beibehalten kann, sodass insbesondere ein Umsatz an einer als Katalysator ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht oder überhaupt erst ermöglicht wird. Dementsprechend wirkt sich die Wärmetransporteinrichtung auch günstig auf die Emissionen der Brennkraftmaschine aus.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransporteinrichtung eingerichtet ist, um dem Abgasrückführpfad entnommene Wärme in den Abgasstrang
- a) zwischen einer Hochdruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine, und/oder
- b) zwischen einer Hochdruck-Abgasturbine und einer Mitteldruck-Abgasturbine, und/oder
- c) zwischen einer Mitteldruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine einzubringen. In allen diesen Fällen wird die Wärme dem Abgasstrang insbesondere stromabwärts einer Hochdruck-Abgasturbine zugeführt. Dies hat insbesondere in Verbindung mit einer Hochdruck-Abgasrückführung den Vorteil, dass die Wärme dem Abgasrückführpfad auf einem ersten, höheren Temperaturniveau entnommen wird, welches stromaufwärts der Hochdruck-Abgasturbine herrscht, wobei sie dem Abgasstrang auf einem zweiten, niedrigeren Temperaturniveau stromabwärts der Hochdruck-Abgasturbine wieder zugeführt werden kann. Das Abgas kühlt sich nämlich beim Durchströmen der Hochdruck-Abgasturbine ab, sodass die danach vorherrschende Temperaturdifferenz zu der Abgastemperatur im Bereich der Hochdruck-Abgasrückführung geeignet ist, um dem Abgasstrang die entnommene Wärme wieder zuzuführen. Da die Wärme in dem Abgasrückführpfad dem Abgas entnommen wird, geht der Hochdruckturbine keine Wärme verloren, vielmehr wird in rein vorteilhafter Weise zusätzliche Wärme für die Niederdruck-Abgasturbine und/oder die Mitteldruck-Abgasturbine bereitgestellt.
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Es ist also insbesondere möglich, dass die Brennkraftmaschine eine zweistufige Aufladung mit einer Hochdruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine aufweist. In diesem Fall wird vorzugsweise dem rückgeführten Abgas in dem Abgasrückführpfad Wärme auf einem Temperaturniveau stromaufwärts der Hochdruck-Abgasturbine entnommen, und die Wärme wird dem Abgasstrang stromabwärts der Hochdruck-Abgasturbine, jedoch stromaufwärts der Niederdruck-Abgasturbine zugeführt.
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Die Brennkraftmaschine kann auch eine dreistufige Aufladung mit einer Hochdruck-Abgasturbine, einer Mitteldruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine aufweisen. In diesem Fall kann die Wärme, welche dem Abgasrückführpfad entnommen wird, dem Abgasstrang stromaufwärts der Mitteldruck-Abgasturbine oder stromaufwärts der Niederdruck-Abgasturbine zugeführt werden. In beiden Fällen steht der jeweiligen Abgasturbine eine erhöhte Enthalpie zur Verfügung, wobei die hierfür vorgesehene Wärmemenge ohnehin dem rückgeführten Abgas hätte entnommen werden müssen, wobei sie bei konventioneller Vorgehensweise verloren wäre.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransporteinrichtung eine Wärmeabgabeeinrichtung aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, um Wärme an den Abgasstrang stromabwärts der Ausmündung des Abgasrückführpfads aus dem Abgasstrang abzugeben, wobei die Wärmetransporteinrichtung weiterhin einen Wärmetransportpfad aufweist, der eingerichtet ist zum Transport von Wärme von der Wärmeaufnahmeeinrichtung zu der Wärmeabgabeeinrichtung. Auf diese Weise kann Wärme besonders definiert und prozesssicher, zugleich vorzugsweise mit hoher Wärmekapazität in dem Wärmetransportpfad, einerseits dem Abgas in dem Abgasrückführpfad entnommen und andererseits dem Abgasstrang wieder zugeführt werden.
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Die Wärmeabgabeeinrichtung ist vorzugsweise stromaufwärts einer Abgasturbine und/oder stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in dem Abgasstrang angeordnet. Besonders bevorzugt ist sie zwischen einer Hochdruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine, oder zwischen einer Hochdruck-Abgasturbine und einer Mitteldruck-Abgasturbine, oder zwischen einer Mitteldruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine, angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeaufnahmeeinrichtung als Gas/Gas-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Die Wärmeaufnahmeeinrichtung ist demnach als Wärmeübertrager ausgebildet, der von zwei fluidisch voneinander getrennten, miteinander in thermischem Kontakt stehenden Gasströmen durchströmt wird, nämlich bevorzugt einerseits von dem rückgeführten Abgas und andererseits von entlang des Abgasstrangs strömendem Abgas, welches stromabwärts der Ausmündung des Abgasrückführpfads aus dem Abgasstrang durch die Wärmeaufnahmeeinrichtung strömt. Das Abgas, welches die Wärmeaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von Wärme von dem rückgeführten Abgas durchströmt, hat bevorzugt zuvor, stromaufwärts der Wärmeaufnahmeeinrichtung, bereits eine Hochdruck-Abgasturbine passiert und weist daher ein Temperaturniveau auf, welches niedriger ist als das Temperaturniveau des rückgeführten Abgases. Daher ist eine Wärmeübertragung in der Wärmeaufnahmeeinrichtung von dem rückgeführten Abgas auf das zusätzlich entlang des Abgasstrangs in dem Gas/Gas-Wärmeübertrager strömende Abgas möglich.
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Alternativ ist die Wärmeaufnahmeeinrichtung bevorzugt als flüssigkeitsdurchströmter Wärmeübertrager ausgebildet. In diesem Fall strömt im Betrieb der Brennkraftmaschine entlang des Wärmetransportpfads bevorzugt ein flüssiges Wärmetransportmedium, welches auch die Wärmeaufnahmeeinrichtung durchströmt, um dort Wärme aufzunehmen. Ein solches flüssiges Wärmetransportmedium kann eine hohe Wärmekapazität aufweisen und daher sehr große Wärmemengen effizient fördern. Unter einem flüssigen Wärmetransportmedium wird insbesondere ein Wärmetransportmedium verstanden, welches zumindest im Betrieb der Brennkraftmaschine sowie der Wärmetransporteinrichtung in flüssiger Phase vorliegt, wobei vorzugsweise ein Wärmetransportmedium verwendet wird, welches auch unter Normalbedingungen, mithin bei 25°C und 1.013 mbar, in flüssigem Aggregatzustand vorliegt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass entlang des Wärmetransportpfads ein flüssiges Wärmetransportmedium förderbar ist – wie bereits zuvor ausgeführt. Damit verwirklichen sich für den Wärmetransportpfad bereits die zuvor beschriebenen Vorteile. Insbesondere in diesem Fall weist die Wärmetransporteinrichtung bevorzugt zusätzlich zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung auch eine Wärmeabgabeeinrichtung auf, wobei die Wärmeabgabeeinrichtung bevorzugt als flüssigkeitsdurchströmter Wärmeübertrager ausgebildet ist. Dabei ist die Wärmeabgabeeinrichtung im Betrieb durch das flüssige Wärmetransportmedium durchströmt. Selbstverständlich sind sowohl die Wärmeaufnahmeeinrichtung als auch die Wärmeabgabeeinrichtung zusätzlich von Abgas durchströmt, derart, dass Wärme zwischen dem Abgasstrom einerseits und dem Wärmetransportmedienstrom andererseits austauschbar ist. Solche Wärmeübertrager sind für sich genommen bekannt, sodass sie nicht weiter auf deren Ausgestaltung eingegangen wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmetransportmedium eine Salzschmelze, ein Thermalöl oder ein Thermoöl, aufweist, oder aus einer Salzschmelze, einem Thermalöl oder einem Thermoöl besteht. Die hier genannten Materialien beziehungsweise Stoffe sind in besonderer Weise geeignet, um Wärme insbesondere bei den im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine herrschenden Temperaturniveaus aufzunehmen oder abzugeben. Zugleich werden diese Materialien oder Stoffe bei einer entsprechenden Temperatur nicht geschädigt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeaufnahmeeinrichtung von einem Teilstrang des Abgasstrangs durchsetzt ist, wobei dieser Teilstrang stromabwärts der Ausmündung des Abgasrückführpfads zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung führt, diese durchläuft, und stromabwärts der Wärmeaufnahmeeinrichtung mit einer Abgasturbine und/oder einer Abgasnachbehandlungseinrichtung fluidverbunden ist. Das Abgas wird über den Teilstrang des Abgasstrangs stromabwärts der Ausmündung des Abgasrückführpfads zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung geführt, durchströmt diese, und nimmt dabei Wärme aus dem rückgeführten Abgas auf, wobei es anschließend entlang des Teilstrangs weiterströmt und schließlich eine Abgasturbine und/oder eine Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmt, wobei der Abgasturbine und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung dann die zusätzliche, dem rückgeführten Abgas entnommene Enthalpie zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise schließt sich der Teilstrang stromabwärts einer einzigen Abgasturbine oder einer Hochdruck-Abgasturbine an den vorherigen Teil des Abgasstrangs, also den Teil des Abgasstrangs bis zu der einzigen Abgasturbine oder der Hochdruck-Abgasturbine, an, sodass das entlang des Teilstrangs strömende Abgas ein aufgrund der Abgasturbine reduziertes Temperaturniveau im Vergleich zu dem rückgeführten Abgas hat und Wärme von diesem aufnehmen kann. Der Teilstrang mündet dann bevorzugt in eine Mitteldruck-Abgasturbine, in eine Niederdruck-Abgasturbine, und/oder in eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere einen Katalysator.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransporteinrichtung steuerbar oder regelbar ausgebildet ist. Auf diese Weise steht ein Freiheitsgrad für ein aktives Thermomanagement der Brennkraftmaschine zur Verfügung, insbesondere ist es möglich, betriebspunktabhängig dem rückgeführten Abgas Wärme zu entnehmen und diese wieder in den Abgasstrang einzuspeisen. Damit kann insbesondere eine bedarfsgerechte Enthalpieerhöhung stromaufwärts einer Abgasturbine dargestellt werden. Auf diese Weise kann eine Betriebsbereichserweiterung für die Abgasturbine bereitgestellt werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Abgasturbine größer gewählt wird, als bisher vorgesehen, wobei in niedrigeren Lastpunkten der Brennkraftmaschine, in denen bisher eine größere Turbine nicht sinnvoll betreibbar gewesen wäre, die Enthalpieerhöhung dazu beitragen kann, genügend Enthalpie zum Betrieb auch der vergrößerten Turbine bereitzustellen, wobei in hohen Lastpunkten der Brennkraftmaschine ohne weiteres der gesamte Abgasmassenstrom über die vergrößerte Abgasturbine geleitet werden kann, sodass ein Turbinenbypass für die Abgasturbine gegebenenfalls sogar entfallen kann. Über das aktive Thermomanagement können insbesondere Wärmeströme in Zusammenhang mit der Abgasrückführung sowie der Enthalpiestrom zu der Abgasturbine und/oder der wenigstens einen Abgasnachbehandlungseinrichtung gesteuert, vorzugsweise geregelt werden. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Optionen für den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere in Hinblick auf eine Minimierung von Emissionen und/oder eine Optimierung des Wirkungsgrads. Eine solche Steuerbarkeit oder Regelbarkeit ist bei einem Wärmetransportpfad, in welchem ein flüssiges Wärmetransportmedium strömt, ohne weiteres darstellbar, indem insbesondere eine Fördereinrichtung, die zur Förderung des Wärmetransportmediums entlang des Wärmetransportpfads vorgesehen ist, in geeigneter Weise angesteuert wird, insbesondere um eine Strömungsgeschwindigkeit des Wärmetransportmediums in dem Wärmetransportpfad zu variieren. Weist die Wärmetransporteinrichtung den zuvor beschriebenen Teilstrang des Abgasstrangs auf, ist bevorzugt ein Bypass vorgesehen, welcher den Teilstrang überbrückt und damit beispielsweise eine Hochdruck-Abgasturbine mit einer Mitteldruck- oder Niederdruck-Abgasturbine kurzschließt, oder eine einzige Abgasturbine oder eine Niederdruck-Abgasturbine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung kurzschließt, oder der eine andere Kurzschlusskonfiguration zur Vermeidung einer Abgasströmung entlang des Teilstrangs zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung verwirklicht. Vorzugsweise ist/sind in dem Bypass und/oder in dem Teilstrang jeweils ein Stellelement angeordnet, durch welches eine Abgasströmung einerseits auf den Teilstrang und andererseits auf den Bypass aufteilbar ist. Auf diese Weise kann auch hier – insbesondere durch geeignete Ansteuerung des wenigstens einen Stellelements – eine Steuerung oder Regelung der Wärmetransporteinrichtung durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen Abgasrückführ-Kühler – insbesondere stromabwärts der Wärmeaufnahmeeinrichtung – in dem Abgasrückführpfad aufweist. Die dem rückgeführten Abgas in der Wärmeaufnahmeeinrichtung entnommene Wärme reicht typischerweise nicht aus, um das rückgeführte Abgas hinreichend für eine Zuführung in den Ladepfad zu kühlen. Daher ist bevorzugt zusätzlich noch ein Abgasrückführ-Kühler in dem Abgasrückführpfad angeordnet. Dieser kann allerdings vorteilhaft kleiner dimensioniert sein, als wenn die Wärmeaufnahmeeinrichtung nicht vorgesehen wäre, da das den Abgasrückführkühler durchströmende Abgas zusätzlich durch die Wärmeaufnahmeeinrichtung gekühlt wird. Die Wärmeaufnahmeeinrichtung ist bevorzugt stromaufwärts des Abgasrückführkühlers in dem Abgasrückführpfad angeordnet, um ein möglichst hohes Abgastemperaturniveau zur Entnahme von Wärme zur Verfügung zu haben. Zugleich ergibt sich daraus in besonderer Weise der Vorteil eines kleiner dimensionierbaren Abgasrückführkühlers.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 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.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine, und
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Ladepfad 3, der eingerichtet ist zur Zuführung von Ladeluft, was auch ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch sein kann, zu wenigstens einem Brennraum 5 der Brennkraftmaschine 3. Diese weist hier eine Mehrzahl von Brennräumen 5 auf, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer mit einem Bezugszeichen bezeichnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen Abgasstrang 7 auf, der eingerichtet ist zur Abführung von Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum 5. Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasrückführpfad 9 auf, der den Abgasstrang 7 außerhalb des wenigstens einen Brennraums 5 mit dem Ladepfad 3 verbindet, sodass Abgas aus dem Abgasstrang 7 dem Ladepfad 3 zuführbar ist.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist außerdem eine Wärmetransporteinrichtung 11 auf, die eine Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, um Wärme aus dem Abgasrückführpfad 9 aufzunehmen. Dabei ist die Wärmetransporteinrichtung 11 weiter eingerichtet, um dem Abgasrückführpfad 9 entnommene Wärme in den Abgasstrang 7 stromabwärts einer Ausmündung 15 des Abgasrückführpfads 9 aus dem Abgasstrang 7 in den Abgasstrang 7 einzubringen.
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Auf diese Weise kann dem rückgeführten Abgas in dem Abgasrückführpfad 9 Wärme entzogen werden, was ohnehin nötig ist, wobei diese Wärme jedoch nicht verloren geht, sondern dem Abgasstrang 7 an anderer Stelle wieder zugeführt und dort genutzt werden kann.
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Die Wärmetransporteinrichtung 11 ist insbesondere eingerichtet um dem Abgasrückführpfad 9 entnommene Wärme in den Abgasstrang 7 stromaufwärts einer Abgasturbine 17 einzubringen. Dabei kann die zusätzlich in den Abgasstrang 7 eingebrachte Wärme zur Enthalpieerhöhung des Abgases vor der Abgasturbine 17 genützt werden. Dies führt insbesondere zu einer Anhebung des Motorwirkungsgrads. Die Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 wird außerdem erhöht, weil das Ansprechverhalten der Abgasturbine 17 verbessert ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmetransporteinrichtung 11 insbesondere eingerichtet, um die Wärme in den Abgasstrang 7 stromabwärts einer Hochdruck-Abgasturbine 19 und stromaufwärts der hier als Niederdruck-Abgasturbine ausgebildeten Abgasturbine 17 in den Abgasstrang einzubringen. Es ist auch möglich, dass die Wärme zwischen einer Hochdruck-Abgasturbine 19 und einer Mitteldruck-Abgasturbine, oder zwischen einer Mitteldruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine in den Abgasstrang 7 eingebracht wird. Jedenfalls erfolgt die Wärmeübertragung bevorzugt stromabwärts der Hochdruck-Abgasturbine 19, da insbesondere so ein geeignetes Temperaturniveau zur Übertragung der Wärme aus dem rückgeführten Abgas in den Abgasstrang 7 vorliegt. Eine solche Ausgestaltung ist also insbesondere bei zweistufiger Aufladung vorgesehen, kann aber auch bei drei- oder mehrstufiger Aufladung vorgesehen sein.
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Die Wärmetransporteinrichtung 11 weist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wärmeabgabeeinrichtung 21 auf, die eingerichtet und angeordnet ist, um dem Abgasrückführpfad 9 entnommene Wärme an den Abgasstrang 7 stromabwärts der Ausmündung 15 abzugeben, wobei die Wärmetransporteinrichtung 11 außerdem einen Wärmetransportpfad 23 aufweist, der eingerichtet ist zum Transport von Wärme von der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 zu der Wärmeabgabeeinrichtung 21. Dabei ist entlang des Wärmetransportpfades 23 ein Wärmetransportmedium förderbar, das bevorzugt als flüssiges Wärmetransportmedium ausgebildet ist, insbesondere als Salzschmelze oder als Thermal- oder Thermoöl. Sowohl die Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 als auch die Wärmeabgabeeinrichtung 21 sind vorzugsweise als flüssigkeitsdurchströmte Wärmeübertrager ausgebildet, welche von dem Wärmetransportmedium durchströmt sind, wobei das Wärmetransportmedium in der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 Wärme aus dem rückgeführten Abgas aufnimmt und in der Wärmeabgabeeinrichtung 21 an das Abgas in dem Abgasstrang 7 abgibt. Beide Wärmeübertrager werden also einerseits von Abgas und andererseits von dem flüssigen Wärmetransportmedium durchströmt, wobei das Abgas einerseits und das Wärmetransportmedium andererseits miteinander in thermischem Kontakt sind.
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In dem Wärmetransportpfad 23 ist außerdem noch eine Fördereinrichtung 25, vorzugsweise eine Pumpe, angeordnet, die eingerichtet ist, um das Wärmetransportmedium entlang des Wärmetransportpfads 23 zu fördern. Insbesondere durch Ansteuerung der Fördereinrichtung 25 ist bevorzugt eine Steuerung oder Regelung der Wärmetransporteinrichtung 11 möglich, sodass ein aktives Thermomanagement für die Brennkraftmaschine 1 durchgeführt werden kann. Dabei kann die Enthalpieerhöhung vor der Abgasturbine 17 insbesondere bedarfsgerecht erfolgen. Auf diese Weise kann insbesondere der Betriebsbereich der Abgasturbine 17 erweitert werden. Insbesondere ist es möglich, diese größer auszulegen als bisher. Ein ansonsten bevorzugt vorgesehener Turbinenbypass um die Abgasturbine 17 kann dann gegebenenfalls entfallen.
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Anhand von 1 zeigt sich noch, dass die Hochdruck-Abgasturbine 19 bevorzugt Teil eines ersten Abgasturboladers 27 ist, wobei in dem Ladepfad 3 ein Hochdruckverdichter 29 des ersten Abgasturboladers 27 angeordnet ist, der durch die Hochdruck-Abgasturbine 19 antreibbar ist. Die Abgasturbine 17 ist Teil eines zweiten Abgasturboladers 31, wobei in dem Ladepfad 3 ein Niederdruckverdichter 33 des zweiten Abgasturboladers 31 angeordnet ist, welcher durch die Abgasturbine 17 antreibbar ist. Zwischen dem Niederdruckverdichter 33 und dem Hochdruckverdichter 29 ist ein Zwischenkühler 35 angeordnet. Stromabwärts des Hochdruckverdichters 33 ist ein Ladeluftkühler 37 in dem Ladepfad 3 angeordnet.
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Es zeigt sich auch noch, dass in dem Abgasrückführpfad 9 ein Abgasrückführ-Stellelement 39 angeordnet ist, insbesondere eine Abgasrückführ-Klappe, das eingerichtet ist, um eine Abgasrückführrate einzustellen. Außerdem ist in dem Abgasrückführpfad 9 insbesondere stromabwärts der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 – bevorzugt stromaufwärts des Abgasrückführ-Stellelements 39 – ein Abgasrückführkühler 41 angeordnet. Dieser kann in vorteilhafter Weise kleiner ausfallen, als wenn die Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 nicht vorgesehen ist, da dem rückgeführten Abgas bevorzugt bereits vor Durchströmen des Abgasrückführkühlers 41 Wärme in der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 entzogen wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Wärmetransporteinrichtung 11 hier keinen Wärmetransportpfad 23 mit einem flüssigen Wärmetransportmedium aufweist, sondern dass vielmehr die Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 als Gas/Gas-Wärmeübertrager ausgebildet ist, der von einem Teilstrang 43 des Abgasstrangs 7 durchsetzt ist. Dieser Teilstrang 43 führt von einer Stelle stromabwärts der Ausmündung 15 zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13, durchläuft diese, und mündet stromabwärts der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 in die Abgasturbine 17. Der Teilstrang 43 schließt sich hier insbesondere stromabwärts der Hochdruck-Abgasturbine 19 an den vorhergehenden, die Hochdruck-Abgasturbine 19 umfassenden Teil des Abgasstrangs 7 an. Das aus der Hochdruck-Abgasturbine 19 austretende und in dieser abgekühlte Abgas wird also über den Teilstrang 43 des Abgasstrangs 7 zu der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 geführt, wo es mit dem rückgeführten Abgas in dem Abgasrückführpfad 9 in thermischen Kontakt kommt und Wärme von diesem rückgeführten Abgas aufnimmt, weil das rückgeführte Abgas ein höheres Temperaturniveau hat als das in dem Teilstrang 43 strömende, bereits in der Hochdruck-Abgasturbine 19 abgekühlte Abgas. Das derart in der Wärmeaufnahmeeinrichtung 13 aufgeheizte Abgas wird über den weiteren Verlauf des Teilstangs 43 schließlich der Abgasturbine 17, welches eine Niederdruck-Abgasturbine ist, zugeführt, sodass dieser zusätzliche Enthalpie bereitgestellt wird, welche dem rückgeführten Abgas entnommen wurde. Dabei verwirklichen sich insbesondere auch die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit 1 erläutert wurden.
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Eine Steuerung oder Regelung der Wärmetransporteinrichtung 11 kann hier durch einen Bypass 45 erfolgen, welcher den Abgasstrang 7 zwischen der Hochdruck-Abgasturbine 19 und der Abgasturbine 17 kurschließt und damit den Teilstrang 43 überbrückt, wobei hier zwei Stellelemente 47, 47' vorgesehen sind, über die einerseits der Anteil des entlang des Teilstrangs 43 strömenden Abgases und andererseits der Anteil des entlang des Bypasses 45 strömenden Abgases eingestellt werden kann. Durch geeignete Ansteuerung der Stellelemente 47, 47' kann somit eine Steuerung oder Regelung der Wärmetransporteinrichtung 11 verwirklicht und vorzugsweise ein aktives Thermomanagement für die Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung gestellt werden.
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Der Teilstrang 43 ist hier zwischen der Hochdruck-Abgasturbine 19 und der als Niederdruck-Abgasturbine ausgebildeten Abgasturbine 17 vorgesehen. Es ist auch möglich, dass der Teilstrang 43 zwischen der Hochdruck-Abgasturbine 19 und einer Mitteldruck-Abgasturbine, oder zwischen einer Mitteldruck-Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasturbine vorgesehen ist. Die hier dargestellte Ausgestaltung ist also insbesondere möglich bei zweistufiger Aufladung, wie auch bei drei- oder mehrstufiger Aufladung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Wärmeabgabeeinrichtung 21 stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 angeordnet, sodass der Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 zusätzliche Wärme zugeführt werden kann. Dadurch kann insbesondere eine Mindesttemperatur für die Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 – vorzugsweise bedarfsabhängig – gewährleistet werden. Die Ansprechzeiten für die Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 können verkürzt werden, beispielsweise bei Kaltstart oder Lastwechsel, und es ist eine flexiblere Abstimmung der Brennkraftmaschine 1 möglich, da die Abhängigkeit von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 abnimmt. Nicht zuletzt steigt dadurch auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1, und deren Verbrauch sinkt.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 kann bevorzugt als Drei-Wege-Katalysator, als Oxidations-Katalysator, oder als andere derartige Katalysator-Einrichtung ausgebildet sein.
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Der zweite Abgasturbolader 31 ist gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, dass das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sowohl bei einer einstufigen Aufladung als auch bei einer zweistufigen Aufladung möglich ist. Ist eine zweistufige Aufladung vorgesehen und mithin der zweite Abgasturbolader 31 vorhanden, ist die Wärmeabgabeeinrichtung 21 bevorzugt stromabwärts der als Niederdruck-Abgasturbine ausgebildeten Abgasturbine 17 angeordnet. Ist eine einstufige Aufladung vorgesehen, wobei dann nur der erste Abgasturbolader 27 vorhanden ist, ist die Wärmeabgabeeinrichtung 21 stromabwärts der dann als einzige Abgasturbine vorgesehenen Hochdruck-Abgasturbine 19 angeordnet. Entfällt der zweite Abgasturbolader 31, entfallen entsprechend auch der Niederdruckverdichter 33 und der Zwischenkühler 35, weshalb auch diese hier gestrichelt dargestellt sind.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten, zweiten Ausführungsbeispiel in analoger Weise, wie sich das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel unterschiedet. Insbesondere ist hier der Teilstrang 43 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 angeordnet. Vorzugsweise ist er dabei zugleich stromabwärts der Abgasturbine 17 oder – falls der zweite Abgasturbolader 31 entfällt und eine nur einstufige Aufladung vorgesehen ist – stromabwärts der dann einzigen Abgasturbine, nämlich der Hochdruck-Abgasturbine 19, angeordnet. Im Übrigen verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 erläutert wurden.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier vorgestellten Brennkraftmaschine 1 eine Verbrauchssenkung möglich ist, wobei zugleich dann, wenn diese als Gasmotor ausgebildet ist, ein Methanschlupf herabgesetzt werden kann. Das Ansprechverhalten einer Aufladung und einer Abgasnachbehandlung im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist verbessert. Im Übrigen kann auch das Problem einer zu geringen Abgastemperatur bei Teillast für ein System zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden behoben werden. Insofern wird noch hervorgehoben, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 49 auch als SCR-Katalyseeinrichtung ausgebildet sein kann.
