DE102017129054A1 - Dual-Fuel-Motor sowie Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors - Google Patents

Dual-Fuel-Motor sowie Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors Download PDF

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Abstract

Dual-Fuel-Motor (1) mit mindestens einem Zylinder (2), wobei jeder Zylinder zumindest folgendes aufweist: ein einlassseitiges Gaswechselventil (11) zum Einbringen von zumindest Ladeluft in eine Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2), ein auslassseitiges Gaswechselventil (11) zum Abführen von Abgas aus der Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2), einen Kraftstoffinjektor (6), über welchem in einem ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1), in welchem ein zündwilliger, flüssiger Kraftstoff verbrannt wird, der zündunwillige Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2) einbringbar ist, wobei jeder Zylinder (2) mehrere Kraftstoffinjektoren (6) für den ersten Betriebsmodus aufweist, wobei über mindestens einen dieser Kraftstoffinjektoren (6) in einem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1), in welchem ein zündunwilliger, gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, ein zündwilliges Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2) einbringbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Dual-Fuel-Motor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors.
  • Aus der Praxis sind Dual-Fuel-Motoren bekannt, in denen einerseits in einem ersten Betriebsmodus ein flüssiger, zündwilliger Kraftstoff wie zum Beispiel Diesel und andererseits einerseits in einem zweiten Betriebsmodus ein gasförmiger, zündunwilliger Kraftstoff wie zum Beispiel Erdgas verbrannt werden kann. Im zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors wird in der Regel ein mageres, zündunwilliges Gas-Luft-Gemisch in die Zylinder des Motors eingebracht und durch die Zündenergie eines ebenfalls in die Zylinder eingebrachten zündwilligen, flüssigen Zündfluids gezündet.
  • Aus der Praxis bekannte Dual-Fuel-Motoren verfügen je Zylinder einen einzigen Kraftstoffinjektor, über welchen in dem ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors der flüssige, zündwillige Kraftstoff in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht werden kann. Ferner verfügen aus der Praxis bekannte Dual-Fuel-Motoren je Zylinder über einen Zündfluid-Injektor, der auch als Pilotinjektor bezeichnet wird, um im zweiten Betriebsmodus das Zündfluid, welches der Zündung des an sich zündunwilligen Gas-Luft-Gemischs dient, in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einzubringen. Aus der Praxis bekannte Dual-Fuel-Motoren verfügen demnach über zwei getrennte Einspritzsysteme, nämlich ein Einspritzsystem für den zündwilligen, flüssigen Kraftstoff im ersten Betriebsmodus und ein weiteres Einspritzsystem für das Zündfluid im zweiten Betriebsmodus, wobei die Einspritzsysteme im Bereich jedes Zylinders für jeden Zylinder jeweils einen einzigen Kraftstoffinjektor und jeweils einen einzigen Pilotinjektor bereithalten.
  • Es besteht Bedarf an einem neuen Dual-Fuel-Motor mit einem einfacheren Aufbau und an einem Verfahren zum Betreiben desselben. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Dual-Fuel-Motor und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Dual-Fuel-Motor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist jeder Zylinder mehrere Kraftstoffinjektoren für den ersten Betriebsmodus auf, wobei über mindestens einen dieser Kraftstoffinjektoren in einem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors, in welchem ein zündunwilliger, gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, ein zündwilliges Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders einbringbar ist.
  • Der erfindungsgemäße Dual-Fuel-Motor verfügt über mehrere Kraftstoffinjektoren für den ersten Betriebsmodus, um im ersten Betriebsmodus den zündwilligen, flüssigen Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders einzubringen, wobei die Kraftstoffinjektoren im zweiten Betriebsmodus genutzt werden können, um das Zündfluid in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einzubringen. Auf ein separates Einspritzsystem für das Zündfluid kann demnach verzichtet werden. Ein und dasselbe Einspritzsystem kann genutzt werden, um im ersten Betriebsmodus den flüssigen Kraftstoff und im zweiten Betriebsmodus das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder des Dual-Fuel-Motors einzubringen.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind alle Kraftstoffinjektoren gleich ausgebildet, gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren können sich ausschließlich hinsichtlich ihrer Düsenöffnungen unterscheiden. Hierdurch kann der konstruktive Aufwand des Dual-Fuel-Motors weiter reduziert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Dual-Fuel-Motors ist in Anspruch 7 oder 8 definiert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Dual-Fuel-Motor effektiv betrieben werden, und zwar mit hohem Wirkungsgrad unter Reduzierung von Abgasemissionen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 ein Blockschaltbild eines Dual-Fuel-Motors unter Darstellung eines Zylinders,
    • 2 eine schematisierte Draufsicht auf den Zylinder der 1; und
    • 3 eine Variante zur 2.
  • Die Erfindung betrifft einen Dual-Fuel-Motor und ein Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors.
  • In 1 sind Baugruppen eines Dual-Fuel-Motors 1 gezeigt, wobei 1 einen Zylinder 2 eines solchen Dual-Fuel-Motors 1 zeigt. Der Zylinder 2 verfügt über einen Zylinderkopf 3. Im Zylinder 2 bewegt sich ein Kolben 4, der von einem Pleuel 5 geführt ist, auf und ab.
  • Im Zylinderkopf 3 sind mehrere Kraftstoffinjektoren 6 befestigt, durch die flüssiger, zündwilliger Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, über eine Kraftstoffleitung 7 von einer Kraftstoffpumpe 8 aus in einen Brennraum 9 des Zylinders 2 eingespritzt werden kann.
  • Die mehreren Kraftstoffinjektoren 6 des Zylinders 2, die Kraftstoffleitung 7 sowie die Kraftstoffpumpe 8 sind Elemente eines Kraftstoffzuführsystems, das im ersten Betriebsmodus, in einem sogenannten Flüssigkraftstoffbetriebsmodus, der Zuführung von flüssigem, zündwilligem Kraftstoff in den Brennraum 9 des Zylinders 2 dient.
  • Dieses Kraftstoffzuführsystem ist insbesondere dann aktiv, wenn im Zylinder 2 als Kraftstoff flüssiger, zündwilliger Kraftstoff, insbesondere Diesel, verbrannt wird. Zur Verbrennung des flüssigen, zündwilligen Kraftstoffs ist in den jeweiligen Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors 1 weiter Ladeluft 10 über ein Einlassventil 11 einbringbar, wobei bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehendes Abgas 12 über ein Auslassventil 13 vom jeweiligen Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors 1 abgeführt werden kann.
  • Im Brennraum 9 des Zylinders 2 des Dual-Fuel-Motors 1 der 1 kann in einem zweiten Betriebsmodus, in einem sogenannten Gaskraftstoffbetriebsmodus, als Kraftstoff alternativ Gas verbrannt werden. Hierzu umfasst der Dual-Fuel-Motor 1 eine Gemischbildungseinheit 14, in der ein Gemisch aus Verbrennungsluft 10 und Gas, welches der Gemischbildungseinheit 14 über eine Gasversorgungsleitung 15 bereitgestellt wird, gebildet wird, wobei dieses Gas-Luft-Gemisch in den Brennraum 9 des Zylinders 2 über das Einlassventil 11 eingebracht wird. Auch bei der Verbrennung von Gases entsteht Abgas 12, welches über das Auslassventil 13 vom Zylinder 2 abgeführt werden kann.
  • Zur Zündung des an sich zündunwilligen Gas-Luft-Gemischs im zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors 1 dient ein zündwilliges, flüssiges Zündfluid, welches in den Brennraum 9 des Zylinders 2 eingebracht werden muss. Das Zündfluid kann alternativ auch in einen Vorbrennraum 11 des Zylinders 2 eingebracht werden, der mit dem Brennraum 9 über mindestens einen Verbindungskanal gekoppelt ist.
  • Wie oben bereits ausgeführt, umfasst jeder Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors mehrere Kraftstoffinjektoren 6, über die im ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors der zündwillige, flüssige Kraftstoff in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht werden kann.
  • Über mindestens einen dieser Kraftstoffinjektoren 6 kann im zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors, in welchem der zündunwillige, gasförmige Kraftstoff verbrannt wird, das zündwillige Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer 9 des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht werden. Beim zündwilligen Zündfluid handelt es sich vorzugweise um Dieselkraftstoff.
  • Die Kraftstoffinjektoren 6 dienen demnach der Bereitstellung von zwei Funktionen, nämlich erstens der Funktion, dass über dieselben im ersten Betriebsmodus der flüssige Kraftstoff in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht werden kann, und zweitens die Funktion, dass über dieselben im zweiten Betriebsmodus das Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen, gasförmigen Kraftstoffs in die Brennkammer 9 des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht werden kann. Es ist demnach für das Einbringen des Zündfluids kein separates Einspritzsystem und demnach kein separater linjektor erforderlich.
  • Die Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 verfügen über mehrere gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren 6 für den ersten Betriebsmodus. Gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren 6 verfügen über identische Abmessungen und können sich ausschließlich jedoch hinsichtlich ihrer Düsenöffnungen unterscheiden.
  • 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher der Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors 1 zwei gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren 6a, 6b umfasst, die beide, bezogen auf die Gaswechselventile 11, 13, außermittig zwischen den Gaswechselventilen 11, 13 angeordnet sind.
  • Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, wie 3 zeigt, einen ersten Kraftstoffinjektor 6a mittig zwischen allen Gaswechselventilen 11, 13 anzuordnen, wobei dann der zweite Kraftstoffinjektor 6b versetzt zum ersten Kraftstoffinjektor 6a außermittig positioniert ist.
  • Im ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, der auch als Flüssigkraftstoffbetriebsmodus bezeichnet wird, und in welchem ein zündwilliger, flüssiger Kraftstoff in den Zylindern 2 verbrannt wird, kann der flüssige, zündwillige Kraftstoff abhängig vom Betriebspunkt des Dual-Fuel-Motors 1 entweder über alle Kraftstoffinjektoren 6, in 2 und 3 über beide Kraftstoffinjektoren 6a, 6b, in den Brennraum des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht werden, oder alternativ über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren 6, also in 2, 3 über einen der Kraftstoffinjektoren 6a oder 6b.
  • Es ist bevorzugt, im ersten Betriebsmodus den flüssigen, zündwilligen Kraftstoff über alle Kraftstoffinjektoren 6 in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 einzubringen, und zwar unabhängig vom Betriebspunkt.
  • Im zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors 1 wird nach einer ersten Alternative unabhängig vom Betriebspunkt des Dual-Fuel-Motors das Zündfluid jeweils nur über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren 6 des jeweiligen Zylinders 2 in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht, also in 2 und 3 über ausschließlich einen einzigen der Kraftstoffinjektoren 6a, 6b.
  • Nach einer zweiten Alternative ist es möglich, abhängig vom Betriebspunkt des Dual-Fuel-Motors 1 entweder über alle Kraftstoffinjektoren des jeweiligen Zylinders 2 oder über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren des jeweiligen Zylinders 2 das Zündfluid im zweiten Betriebsmodus in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 einzubringen.
  • Dann, wenn im zweiten Betriebsmodus in 2 und 3 beide Kraftstoffinjektoren 6a, 6b genutzt werden, um im zweiten Betriebsmodus das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder 2 einzubringen, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass diese beiden Kraftstoffinjektoren 6a, 6b im zweiten Betriebsmodus dann nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt genutzt werden, um also in einer ersten Zeitspanne über den ersten Kraftstoffinjektor 6a und in einer nachfolgenden oder vorhergehenden zweiten Zeitspanne über den zweiten Kraftstoffinjektor 6b das Zündfluid in den Brennraum 9 des jeweiligen Zylinders 2 einzubringen.
  • Mit der Erfindung kann der konstruktive Aufwand an Dual-Fuel-Motoren reduziert werden. Ein einziges Kraftstoffeinspritzsystem ist ausreichend, um in beiden Betriebsmodi des Dual-Fuel-Motors 1 den Kraftstoff bzw. das Zündfluid in die Zylinder 2 einzubringen.
  • Über das erfindungsgemäße Verfahren kann der Dual-Fuel-Motor 1 mit höherem Wirkungsgrad und geringeren Emissionen betrieben werden, und zwar sowohl im ersten Betriebsmodus bzw. Flüssigkraftstoffbetriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus bzw. Gaskraftstoffbetriebsmodus. Dies kann durch eine geschickte Ansteuerung der mehreren Kraftstoffinjektoren 6 in den unterschiedlichen Betriebsmodi und ggf. in unterschiedlichen Betriebspunkten der beiden Betriebsmodi realisiert werden.

Claims (10)

  1. Dual-Fuel-Motor (1) mit mindestens einem Zylinder (2), wobei jeder Zylinder zumindest folgendes aufweist: ein einlassseitiges Gaswechselventil (11) zum Einbringen von zumindest Ladeluft in eine Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2), ein auslassseitiges Gaswechselventil (11) zum Abführen von Abgas aus der Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2), einen Kraftstoffinjektor (6), über welchem in einem ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1), in welchem ein zündwilliger, flüssiger Kraftstoff verbrannt wird, der zündunwillige Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (2) mehrere Kraftstoffinjektoren (6) für den ersten Betriebsmodus aufweist, wobei über mindestens einen dieser Kraftstoffinjektoren (6) in einem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1), in welchem ein zündunwilliger, gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, ein zündwilliges Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2) einbringbar ist.
  2. Dual-Fuel-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (2) mehrere gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren (6) für den ersten Betriebsmodus aufweist, wobei über mindestens einer dieser Kraftstoffinjektoren (6) in dem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1) das zündwillige Zündfluid zur Zündung des zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders (2) einbringbar ist.
  3. Dual-Fuel-Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (2) zwei gleiche Kraftstoffinjektoren (6) aufweist.
  4. Dual-Fuel-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kraftstoffinjektor (6) mittig zwischen allen Gaswechselventilen (11, 13) angeordnet ist, und dass mindestens ein zweiter Kraftstoffinjektor (6) versetzt zum ersten Kraftstoffinjektor (6) angeordnet ist.
  5. Dual-Fuel-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kraftstoffinjektoren (6) außermittig zwischen allen Gaswechselventilen (111, 13) angeordnet sind.
  6. Dual-Fuel-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich gleich ausgebildete Kraftstoffinjektoren (6) ausschließlich hinsichtlich ihrer Düsenöffnungen unterscheiden können.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1) ein zündwilliger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht und verbrannt wird, wobei in dem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1) ein zündunwilliger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht, mit einem zündwilligen Zündfluid gezündet und verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Dual-Fuel-Motors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem ersten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1) ein zündwilliger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht und verbrannt wird, wobei in dem zweiten Betriebsmodus des Dual-Fuel-Motors (1) ein zündunwilliger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht, mit einem zündwilligen Zündfluid gezündet und verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus abhängig vom Betriebspunkt des Dual-Fuel-Motors (1) entweder über alle Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) oder über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus über alle Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) der Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus abhängig vom Betriebspunkt des Dual-Fuel-Motors (1) entweder über alle Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) oder über eine Teilmenge der Kraftstoffinjektoren (6) des jeweiligen Zylinders (2) der Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.
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