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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere in einer mobilen oder in einer stationären Anwendung betrieben werden.
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Aus der
EP 0 956 896 A1 ist eine Emulgiervorrichtung bekannt. Mit der Emulgiervorrichtung können insbesondere Wasser und ein Kraftstoff miteinander vermischt werden. Das so gebildete Emulgat (bzw. die Emulsion) kann einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Diese Art der Zuführung von Wasser kann insbesondere der Bildung von Ruß und Stickoxiden entgegenwirken und in Teilbereichen auch zu einer geringen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs führen. Allerdings erfolgt in der Regel eine Reduzierung der von der Verbrennungskraftmaschine abgebbaren Leistung.
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Weiter ist bekannt, Wasser bzw. Mischungen mit anderen Flüssigkeiten wie z.B. Alkoholen einer Ansaugleitung einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführen. Dabei wird die Flüssigkeit mit der, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden, Luft vermischt. Diese Art der Zuführung von Flüssigkeit kann insbesondere zum Zweck der Leistungssteigerung oder der Verbrauchssenkung oder zur Verringerung der Stickoxidbildung genutzt werden. Allerdings kann es insbesondere bei Selbstzündungsmotoren zu einer verstärkten Rußbildung und einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs kommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme der jeweiligen Einzeltechnologien zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung vorgeschlagen werden, durch die jeweils ein verbesserter Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann. Insbesondere sollen Emissionen verringert und eine durch die Verbrennungskraftmaschine erzeugbare Leistung zumindest nicht verringert werden. Weiter soll durch eine Kombination der Einzeltechnologien insbesondere das jeweilig begrenzte Wirkungsspektrum ergänzt bzw. erweitert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgaben tragen ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus der Figur ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Die Verbrennungskraftmaschine weist zumindest eine (ggf. mehrere) Brennkammer(-n) auf, in der eine chemische Energie eines Kraftstoff-Luft-Gemisches infolge einer Verbrennung in eine mechanische Energie (z. B. Weg eines Kolbens) umgewandelt wird. Die Verbrennungskraftmaschine weist weiter zumindest eine mit der Brennkammer zur Zuführung eines ersten Gemisches verbindbare Zuleitung und eine mit der Brennkammer zur Abführung eines Abgases verbindbare Abgasleitung sowie eine mit der Brennkammer zur Zuführung eines zweiten Gemisches verbindbare Einspritzleitung auf. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Zuführen von Wasser in die Zuleitung und Bildung des ersten Gemisches umfassend zumindest Luft und Wasser; und (gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander)
- b) Mischen zumindest von Wasser und Kraftstoff in der Einspritzleitung und Bildung des zweiten Gemisches.
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Die Zuleitung ist insbesondere eine Ansaugleitung einer Verbrennungskraftmaschine, über die der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Brennkammer Luft zugeführt wird. Hier wird nun vorgeschlagen, Wasser der Zuleitung zuzuführen, so dass stromaufwärts der Brennkammer (ausschließlich) Wasser und Luft gemischt werden können (erstes Gemisch). Ggf. kann der Zuleitung auch ein Abgas zugeführt werden, z. B. über eine Abgasrückführleitung. Der Zuleitung kann auch ein Kraftstoff zugeführt werden. Insbesondere wird der Brennkammer über die Zuleitung aber kein Kraftstoff zugeführt. Das Zuführen von Wasser umfasst insbesondere nicht das Zuführen von in der Umgebungsluft enthaltendem Wasser, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit. Hier wird vorgeschlagen, der aus einer Umgebung zugeführten Luft zusätzlich Wasser zuzuführen, z. B. aus einem der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Behälter.
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Die Zuleitung ist insbesondere mit der Brennkammer über ein erstes Ventil verbindbar.
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Insbesondere kann die Zuleitung mit einer Mehrzahl von Brennkammern verbunden sein, wobei jede Brennkammer mit der Zuleitung über jeweils mindestens ein erstes Ventil (ggf. auch mehrere erste Ventile) verbindbar ist. Ein erstes Ventil wird insbesondere auch als Einlassventil bezeichnet.
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Über die Abgasleitung kann ein in der Brennkammer gebildetes Abgas (z. B. infolge der Verbrennung zumindest von Kraftstoff und Luft) abgeführt werden. Die Abgasleitung ist insbesondere mit der Brennkammer über ein zweites Ventil verbindbar. Ein zweites Ventil wird insbesondere auch als Auslassventil bezeichnet.
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Die Einspritzleitung ist insbesondere eine Einspritzleitung zur Einspritzung von Kraftstoff. Die Einspritzleitung kann mit der Brennkammer über ein drittes Ventil verbindbar sein, so dass das zweite Gemisch getrennt von dem ersten Gemisch der Brennkammer zuführbar ist. Ein solches Ventil wird auch als Injektor bezeichnet. Das dritte Ventil kann auch als Düse ausgeführt sein, die aufgrund eines in der Einspritzleitung gebildeten Überdrucks öffnet und selbsttätig wieder schließt (z. B. über eine Federkraft).
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In der Einspritzleitung werden insbesondere (ausschließlich) Kraftstoff (z. B. Kohlenwasserstoffe) und Wasser miteinander vermischt. Insbesondere wird hier keine Luft (geregelt) zugeführt. Insbesondere wird das zweite Gemisch zumindest zu 99 Vol.-% von Kraftstoff und Wasser gebildet.
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Insbesondere wird ein Druck des zweiten Gemisches nach dem Mischen und vor dem Zuführen in die Brennkammer erhöht. Insbesondere erfolgt die Vermischung von Kraftstoff und Wasser stromaufwärts einer Einspritzpumpe, durch die das zweite Gemisch auf einen für die Zuführung in die Brennkammer vorgesehenen Druck gebracht wird.
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Insbesondere erfolgt die Zufuhr von Wasser in die Zuleitung unmittelbar stromaufwärts des ersten Ventils, so dass das erste Gemisch unmittelbar stromaufwärts der Brennkammer gebildet wird. Alternativ kann die Zufuhr von Wasser in die Zuleitung auch beabstandet von dem ersten Ventil, z. B. stromaufwärts eines Verdichters oder eines Wärmetauschers, erfolgen.
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Insbesondere umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt c), in dem das erste Gemisch und/oder das zweite Gemisch der Brennkammer zur Bildung eines dritten Gemisches zugeführt werden, wobei das dritte Gemisch im Rahmen einer Verbrennung umgesetzt wird.
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Für das dritte Gemisch sind also folgende Zusammensetzungen möglich:
- - erstes Gemisch und zweites Gemisch,
- - erstes Gemisch und über die Einspritzleitung zugeführter Kraftstoff (ohne Wasser), und
- - zweites Gemisch und über die Zuführleitung zugeführte Luft (ohne zugeführtes Wasser).
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Infolge der Verbrennung wird insbesondere das Abgas gebildet, das aus der Brennkammer über die Abgasleitung abführbar ist. Insbesondere wird der Brennkammer also Wasser über das erste Gemisch, über das zweite Gemisch oder zeitgleich über beide Gemische zugeführt.
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Insbesondere werden das erste Gemisch und das zweite Gemisch voneinander getrennt der Brennkammer zugeführt. Insbesondere wird das dritte Gemisch erst in der Brennkammer gebildet.
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Insbesondere werden das erste Gemisch und das zweite Gemisch zeitlich zumindest teilweise parallel oder zeitlich voneinander getrennt der Brennkammer zugeführt.
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„Zeitlich parallel“ meint hier, dass das erste Gemisch und das zweite Gemisch gemeinsam für einen Verbrennungsvorgang zugeführt werden.
„Zeitlich getrennt“ meint hier, dass das erste Gemisch für einen ersten Verbrennungsvorgang (zusammen mit nur Kraftstoff) zugeführt wird und das zweite Gemisch für einen zeitlich davon getrennten zweiten Verbrennungsvorgang (zusammen mit nur Ansaugluft) während eines anderen Zeitpunktes des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
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Die Brennkammer wird insbesondere von einer Wandung und z. B. von dem ersten Ventil, dem zweiten Ventil und dem dritten Ventil begrenzt. In der Brennkammer kann ein Kolben angeordnet sein, der durch die Verbrennung des dritten Gemisches angetrieben wird. Der Kolben kann zum Ansaugen des ersten Gemisches und/oder zum Ausstoßen des Abgases eingesetzt werden.
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Insbesondere umfasst das zweite Gemisch zumindest teilweise (ggf. ausschließlich) eine Emulsion von Wasser und Kraftstoff. Insbesondere wird das zweite Gemisch in Form einer Emulsion von Kraftstoff und Wasser der Brennkammer zugeführt. Bevorzugt wird die Emulsion durch eine Emulgiervorrichtung gebildet, z. B. gemäß der
EP 0 956 896 A1 .
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Die Zuführung des zweiten Gemisches in die Brennkammer wird im Folgenden auch als KWE (Kraftstoff-Wasser-Einspritzung) bezeichnet.
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Die Zuführung des ersten Gemisches in die Brennkammer wird im Folgenden auch als WE (Wasser-Einspritzung) bezeichnet.
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Bevorzugt werden zur Bildung des zweiten Gemisches bzw. der Emulsion keine Emulgatoren eingesetzt, die die Emulsion stabilisieren würden. Emulgatoren - oftmals auf Basis von Tensiden - können unerwünscht Partikel bilden oder als Keime bei der Partikelbildung dienen. Emulgatoren sind weiterhin z. B. auf Grund der zuzuführenden Menge, oftmals im Prozentbereich des eingesetzten Kraftstoffes, sehr kostenintensiv.
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Die Zuführung eines zweiten Gemisches von Wasser und Kraftstoff, insbesondere von einer Emulsion aus Kraftstoff und Wasser (KWE; Kraftstoff-Wasser-Einspritzung), hat insbesondere erhebliche Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess in der Brennkammer an sich. Im Ergebnis wird insbesondere bei Selbstzündungsmotoren eine innermotorische Rußbildung stark reduziert - je nach Betriebspunkt, Verbrennungskraftmaschine und Einspritzsystem häufig bis weit über 90 %. Insbesondere können dabei auch sogenannte Mikroexplosionen in der Brennkammer auftreten, die durch die schlagartige Verdampfung von Wasser hervorgerufen werden und dabei die umgebenden Kraftstofftröpfchen erheblich intensiver zerstäuben, wodurch sich die thermische Umsetzung mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft verbessern kann. Weiter kann eine längere Vormischphase durch längeren Zündverzug erfolgen, so dass eine verbesserte Durchmischung von Kraftstoff mit Luft in der Brennkammer erfolgen kann. Im Brennraum kann weiterhin eine Dissoziation von Wasser in Sauerstoffradikale (OH) und Wasserstoff erfolgen. Diese Sauerstoffradikale können Ruß oxidieren, Wasserstoff kann als Brennstoff an der Verbrennung teilnehmen.
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Insbesondere kann durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers eine Verbrennungsspitzentemperatur, insbesondere in der Flammenfront innerhalb der Brennkammer, abgesenkt werden. Damit kann die von der lokalen Brennraumtemperatur exponentiell abhängige Stickoxidbildung deutlich reduziert werden.
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Zudem kann insbesondere bei Selbstzündungsmotoren insbesondere in den unteren bis mittleren Lastpunkten der thermische Wirkungsgrad leicht verbessert werden, d.h. ein Verbrauch von Kraftstoff kann häufig zumindest geringfügig gesenkt werden.
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Hinsichtlich der Stickoxidminderung sind die prozentualen Minderungen bei mittleren Wassergehalten in dem zweiten Gemisch bzw. der Emulsion von bspw. 10 bis 25 Vol.-% in dem zweiten Gemisch bzw. der Emulsion insbesondere oftmals annähernd proportional dem Wassergehalt. D. h. 1 Vol.-% Wassergehalt bedeutet insbesondere auch ca. 1 % NOx-Minderung. Bei höheren Wassergehalten kann die Wirkung auch überproportional sein, so dass bspw. 40 Vol.-% Wasseranteil in der Emulsion zu 60 bis 70 % NOx-Reduktion führen können. Rußreduktionen von 50 bis 90 % und mehr sind hingegen oftmals bereits bei 5 bis 15 Vol.-% Wassergehalt im zweiten Gemisch darstellbar.
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Die reduzierende Wirkung auf die Ruß- als auch Stickoxidbildung nimmt in der Regel mit zunehmendem Wasseranteil in der Emulsion bzw. in dem zweiten Gemisch zu. Die Minima der Rußbildung stellen sich jedoch regelmäßig schon bei deutlich niedrigeren Wassergehalten in der Emulsion bzw. in dem zweiten Gemisch ein als die Minima der Stickoxidbildung.
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Insbesondere bei Selbstzündungsmotoren liegen in den oberen und unteren Lastpunkten jedoch prinzipbedingte Grenzen des Verfahrens vor.
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In den unteren Lastpunkten kann bei relativ niedrigen Temperaturen in der Brennkammer der zugehörige längere Zündverzug durch Emulsionsbetrieb bzw. durch die Zuführung eines zweiten Gemisches zusätzlich deutlich verlängert werden. Die verspätet einsetzende Verbrennung kann durch die längere Vormischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einer sehr schnellen und heißen Wärmefreisetzung führen, wodurch der positive, NOx-senkende Effekt der Verdampfungsenthalpie teilweise oder vollständig kompensiert werden kann. In seltenen Fällen ist auch eine Überkompensation zu beobachten, d.h. der Anteil von NOx im Abgas kann gegenüber dem Betrieb ohne Wasser sogar ansteigen. Die Rußsenkende Wirkung bleibt hingegen jedoch meist erhalten und nimmt mit zunehmenden Wassergehalten oftmals weiter zu.
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Im Falle einer nachträglichen Anwendung des Verfahrens (Retrofit) ohne Änderung eines vorhandenen Einspritzsystems: Im oberen Last-/Drehzahlbereich, insbesondere ab dem oberen Teillastbereich kann das hydraulisch begrenzte Vermögen von herkömmlichen Einspritzpumpen nur ein bestimmtes maximales Kraftstoffvolumen pro Einspritzung in die Brennkammer fördern. Demzufolge wird die zusätzlich zum Kraftstoff zuzuführende maximale Wassermenge und damit einhergehend auch insbesondere die NOx-absenkende Wirkung in diesem Betriebspunkt begrenzt. Entsprechend besteht ein Zielkonflikt zwischen einer maximal erreichbaren Leistung und einer maximal erreichbaren Stickoxidreduktion durch den maximal einbringbaren Wassergehalt im zweiten Gemisch.
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So sind bspw. bei mittleren bis höheren Lasten bei Wassergehalten von 40 bis 45 Vol.-% in der Emulsion oftmals NOx-Reduktionen von 60 bis 70 % und mehr darstellbar. Dann ist jedoch die noch zur Verfügung stehende Leistung der Verbrennungskraftmaschine entsprechend dem Wassergehalt verringert.
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Es ist bekannt, die Wassereinspritzung in den Ansaugbereich (WE) als ein Verfahren zur Senkung der Ansaugluft- und Brennraumtemperaturen an Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen. WE kann zur Leistungssteigerung oder zur Senkung von Emissionen - insbesondere von Stickoxiden oder des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt werden. Ein Gemisch aus Wasser und Alkohol weist ähnliche Effekte auf. Der größte Teil des Wassernebels verdampft bei Eintritt in die heiße Brennkammer und senkt durch die Verdampfungsenthalpie die Brennkammertemperatur. Zudem wirkt die partielle Verdrängung der Ansaugluft durch den inerten Wasserdampfanteil senkend auf das Verbrennungsluftverhältnis. Beide Mechanismen wirken im Ergebnis mit zunehmender Wassermenge reduzierend auf die NOx-Bildung.
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Bei dem Einsatz der WE zur Leistungssteigerung wird im Wesentlichen auf die Erhöhung der Klopffestigkeit (Otto-Motoren) durch die Temperaturabsenkung im Brennraum gesetzt. Damit kann eine Zündung in der Brennkammer zeitlich vorverlegt, der Ladedruck und die Kraftstoffmenge erhöht werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung erzielen kann, ohne die Verbrennungskraftmaschine thermisch zu überlasten.
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Das Zuführen von Wasser in die Zuleitung (WE, Wassereinspritzung) und Bildung des ersten Gemisches, also z. B. die Einspritzung von Wasser in den Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, kann stromaufwärts eines Verdichters oder stromabwärts eines Verdichters, stromaufwärts eines Wärmetauschers (z. B. eines Ladeluftkühlers) oder stromabwärts eines Wärmetauschers durchgeführt werden.
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Insbesondere kann das Wasser z.B. zur besseren Zerstäubung vor der Zuführung in die Zuleitung mit Luft (ggf. Druckluft) vermischt werden.
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In der Wirkung auf die Emissionen, insbesondere auch auf die Stickoxidreduktion, ist die Art der Zuführung jedoch oftmals von untergeordneter Bedeutung. Von Bedeutung ist die Art der Zuführung jedoch insbesondere in Bezug auf das Ziel der Darstellung eines möglichst feinen Wasser-bzw. Flüssigkeitsnebels.
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Das Zuführen bzw. Einspritzen in die Zuleitung kann jeweils stromaufwärts der Brennkammer kontinuierlich zentral mit einer einzigen oder mehreren Düse(n) oder mit einer oder mehreren Düse(n) pro Brennkammer in die jeweilige Brennkammer-Zuleitung pro Brennkammer erfolgen. Alternativ kann die Zuführung auch über intermittierend arbeitende Ventile zeit- oder mengengeregelt erfolgen. Dabei ist ein einzelnes zentrales Ventil oder mehrere zentrale Ventile oder einzelne oder mehrere Ventile pro Brennkammer möglich.
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Im Vergleich zur KWE verringert sich durch WE die Leistung der Verbrennungskraftmaschine bei moderaten Wassergehalten nur geringfügig, da das Wasser zusätzlich zum Kraftstoff und unabhängig davon zugeführt werden kann.
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Während die Bildung des zweiten Gemisches bzw. einer Emulsion eine gewisse Zeit benötigt und damit die Anforderung eines geänderten Wasseranteils erst zeitverzögert zur Verfügung steht, ist die WE ausreichend dynamisch darstellbar.
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Ein überwiegend negativer Einfluss der WE (also des Zuführens von Wasser in die Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches) auf die innermotorische Rußbildung kann insbesondere wie folgt erläutert werden: Infolge des verdampften Wasseranteils in der Brennkammer wird ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis geringer. Damit sinkt mit zunehmendem Wassergehalt die Wahrscheinlichkeit, dass reaktionswillige Rußbestandteile auf Sauerstoff der Verbrennungsluft treffen. Zudem erfolgen durch getrennte Zuführung von Wasser und Kraftstoff keine Mikroexplosionen wie bei der KWE, die die Vermischung von Luft mit Kraftstoff bzw. die Homogenisierung stark begünstigen. Die Brennkammertemperaturen sinken mit WE zudem global weiter ab, so dass die temperaturabhängige, sehr wichtige Nachoxidation von Ruß in der Brennkammer reduziert wird. Weiterhin findet die Dissoziation von Wasser bei WE in einem weitaus geringfügigeren Maße statt, so dass deutlich weniger OH-Radikale für die Rußoxidation zur Verfügung stehen. Bei hohen Lasten fehlt bei sinkendem Lambda dann zunehmend auch der Reaktionssauerstoff, da dieser durch Wasserdampf verdrängt wird. In der Literatur sind z.B. Angaben von bis zu 500 % Ruß-Anstieg durch WE bekannt. Dabei ist die Rußbildung oftmals umso höher, je höher Last bzw. Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der Wasseranteil sind. Da die Verdampfungsenthalpie Energie aus dem Prozess benötigt, steigt auch der Kraftstoffverbrauch mit dem Wasseranteil an.
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Im Vergleich zur KWE (also der Vermischung von Kraftstoff mit Wasser in einer Einspritzleitung zur Bildung des zweiten Gemisches) wird bei WE (also der Vermischung von Ansaug-/ Ladeluft und Wasser in der Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches) oftmals deutlich mehr Wasser benötigt, um eine vergleichbare NOx-Minderung zu erzielen. Um ähnliche Resultate bei NOx zu erzielen, wird bei der WE nach Literaturangaben rund 80 % mehr Wasser benötigt als bei der KWE.
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Der geringere Wasserverbrauch bei KWE ist insbesondere bei Selbstzündungsmotoren im Wesentlichen darin begründet, dass bei KWE das Wasser als Teil des zweiten Gemisches über den aus der Einspritzleitung in die Brennkammer eintretenden Einspritzstrahl eingebracht wird. Damit befindet sich das kühlende Wasser direkt in/an der Flammenfront bzw. Diffusionsflammenfront, wo die höchsten Temperaturen herrschen und an der Stickoxide primär gebildet werden. Bei der WE hingegen wird die komplette Brennkammer mit dem aus der Zuleitung in die Brennkammer eintretendem Wasserdampf gefüllt. Damit ist nur ein Teil des Wassers in der heißen Flammenfront, wo es zur NOx-Reduktion benötigt wird.
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Die beiden beschriebenen Methoden der Wasserzufuhr weisen verfahrensbedingt jeweils für sich verschiedene Vorteile, jedoch auch Nachteile und Grenzen auf. Die hier vorgeschlagene Kombination der beiden Technologien WE und KWE zur Einbringung von Wasser in den Verbrennungsprozesses ermöglicht hingegen insbesondere eine häufige Egalisierung der jeweiligen Nachteile der beiden Einzel-Technologien und eine Addition bzw. Ergänzung der Vorteile in weiten Bereichen sowie eine Ausdehnung der jeweiligen Einzel-Betriebsgrenzen auf das nahezu gesamte Betriebsspektrum der Verbrennungskraftmaschine.
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Nachfolgend eine nicht erschöpfende Aufzählung einiger wesentlicher Vorteile des vorgeschlagenen kombinierten Verfahrens:
- Bei der Kombination kann im unteren Lastbereich der Wasseranteil über die KWE (also der Zuführung von Wasser in die Brennkammer über das zweite Gemisch) niedriger eingestellt werden. Damit wird einerseits die bereits mit den niedrigen Wasseranteilen der KWE mögliche hohe Rußreduktion gewährleistet, andererseits jedoch der Zündverzug nicht über ein vertretbares Maß hinaus verlängert. Die erforderliche zusätzliche NOx-Reduktion kann dabei durch Erhöhung des Wasseranteils der WE (also der Zuführung von Wasser in die Brennkammer über das erste Gemisch) erreicht werden, ohne die hohe Rußreduktion durch KWE wesentlich zu behindern, denn die Intensivierung/ Homogenisierung der Gemischbildung durch die Effekte zum Beispiel der Emulsion finden trotzdem noch statt und die Zündverzugsverlängerung durch WE ist geringer als mit KWE.
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In den oberen Lastbereichen kann der Wasseranteil über das zweite Gemisch ebenfalls reduziert und parallel der Wasseranteil über WE erhöht werden, um ebenfalls einerseits die gewünschte Rußreduktion durch KWE, andererseits die gewünschte zusätzliche NOx-Reduktion durch WE einzustellen, ohne dass die Leistung der Verbrennungskraftmaschine über ein vertretbares Maß hinaus reduziert wird.
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Durch die Kombination der kühlenden Wasserzuführung bei KWE und WE kann - insbesondere auch bei direkteinspritzenden Fremdzündungsmotoren - bei hohen Lasten/ Drehzahlen auf die sonst übliche Innenkühlung der Verbrennungskraftmaschine durch die Anfettung des Kraftstoff-Luftgemischs verzichtet werden. Die bei einer ausschließlichen Zuführung von kühlendem Wasser über die WE zu erwartende erhöhte Bildung von Ruß kann über den parallelen Einsatz der KWE verhindert bzw. sogar stark verringert werden. Zusätzlich kann dabei der lediglich für Kühlungszwecke eingesetzte Kraftstoff eingespart und parallel die zugehörige CO2-Emission gesenkt werden.
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Alternativ kann der kombinierte Kühlungseffekt insbesondere auch zur partiellen Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden, ohne den Motor thermisch zu überlasten und den Kraftstoffverbrauch stark zu erhöhen bzw. die Emissionen stark ansteigen zu lassen.
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In den mittleren Lastbereichen kann die Verbrennungskraftmaschine - je nach Emissions- (und/oder Verbrauchs-) Reduktionserfordernis, Motorverhalten und Betriebsbedingungen - insbesondere mit variablen relativen Wasser-Anteilen von KWE zu WE und mit jeweils variablen Anteilen von Wasser zu Kraftstoff betrieben werden. Damit kann insbesondere eine betriebspunktoptimierte parallele Reduktion der beiden Hauptschadstoffe Ruß und Stickoxide erreicht werden.
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Wenn davon auszugehen ist, dass die gleiche NOx-Minderung über WE erheblich mehr Wasser erfordert als mit KWE, kann bei mobilen Anwendungen mit begrenztem Wasservorrat der KWE-Einsatz bevorzugt mit höheren Wassergehalten eingesetzt werden. Bei höheren Anforderungen an die NOx-Minderung kann die Einspritzung von Wasser über WE zusätzlich mit höheren Anteilen helfen, ohne die Rußminderung durch KWE wesentlich bzw. negativ zu beeinflussen.
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Bei instationärem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und betriebspunktabhängigen Wassergehalten der KWE erfordert die Anpassung an den jeweiligen Soll-Wassergehalt immer eine gewisse Vorlaufzeit, während der Ist-Wassergehalt kurzzeitig entweder höher oder niedriger als der gewünschte Wassergehalt ist. Der Wassergehalt der WE ist prinzipbedingt sehr viel dynamischer einstellbar. In der Kombination von KWE und WE kann das erste Gemisch über die WE im transienten Betrieb schnell zu- oder abgeschaltet bzw. der Wassergehalt der WE schnell erhöht bzw. gesenkt werden, um insbesondere NOx-Emissionsspitzen zu vermeiden. Diese Einstellung kann so lange aufrechterhalten werden, bis das zweite Gemisch wieder den vorgesehenen Soll-Wassergehalt erreicht hat.
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Insbesondere wird das zweite Gemisch direkt oder indirekt (z. B. bei indirekt einspritzenden Verbrennungskraftmaschinen, z. B. mit Vorkammer bzw. Wirbelkammer) in die Brennkammer eingespritzt, insbesondere über das dritte Ventil. Bevorzugt wird das zweite Gemisch durch eine Einspritzpumpe auf einen für die Zuführung in die Brennkammer vorgesehenen Druck gebracht und erst dann in die Brennkammer überführt.
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Insbesondere wird das gemäß Schritt a) zugeführte Wasser zumindest
- • stromaufwärts eines Verdichters,
- • stromabwärts eines Verdichters,
- • stromaufwärts eines mit der Zuleitung wirkverbundenen Wärmetauschers,
- • stromabwärts eines mit der Zuleitung wirkverbundenen Wärmetauschers
zugeführt.
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Der Verdichter wird z. B. über einen Abgasturbolader angetrieben, der seinerseits von der Abgasströmung angetrieben wird. Über den Verdichter wird eine Ladeluftmasse für die Brennkammer in der Zuleitung erhöht.
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Der Wärmetauscher dient insbesondere der Temperierung (bevorzugt der Abkühlung, in bestimmten Betriebspunkten ggf. der Erwärmung) der durch die Zuleitung geführten Ladeluft.
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Insbesondere umfasst das zweite Gemisch bis höchstens 35 Vol.-% Wasser in der Emulsion (Rest im Wesentlichen Kraftstoff, insbesondere mindestens zu 99 Vol.-% Kraftstoff im Rest), bevorzugt bis höchstens 25 Vol.-% Wasser in der Emulsion, wobei eine zusätzlich benötigte Menge an Wasser über das erste Gemisch (der Brennkammer bzw. dem dritten Gemisch) zugeführt wird.
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Bevorzugt ist, wenn zumindest einer der folgenden Anteile von Wasser in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebspunktparameter der Verbrennungskraftmaschine angepasst wird:
- • ein erster Anteil von Wasser in dem ersten Gemisch und/oder
- • ein zweiter Anteil von Wasser in dem zweiten Gemisch.
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Ein Betriebspunktparameter der Verbrennungskraftmaschine ist jeder beliebige Parameter, der im Zusammenhang mit einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine steht. Hierzu zählen insbesondere:
- - Drehzahl,
- - Last,
- - Ladedruck,
- - Umgebungstemperatur,
- - Luftfeuchtigkeit,
- - Kraftstoffverbrauch,
- - Kraftstofftemperatur,
- - Taupunkt,
- - Status eines Abgasnachbehandlungssystems,
- - Ladelufttemperatur,
- - Ansaugluftmenge,
- - Ansauglufttemperatur,
- - Kühlmitteltemperatur,
- - Wassertemperatur,
- - Abgastemperatur,
- - NOx-Konzentration im Abgas,
- - Ruß-Konzentration im Abgas,
- - etc.
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Bevorzugt wird das Wasser zur Bildung des ersten Gemisches und des zweiten Gemisches aus einem gemeinsamen Behälter oder einer gemeinsamen Leitung entnommen.
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Insbesondere ist das Wasser für das erste Gemisch und für das zweite Gemisch jeweils ein vollständig entsalztes Wasser, welches bevorzugt aus einer entsprechenden Wasseraufbereitungsanlage gewonnen wird.
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Bevorzugt wird insbesondere der Wassergehalt des ersten Gemisches an die absolute/relative Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft angepasst bzw. korrigiert.
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Insbesondere bei einem mobilen Einsatz bspw. in Kraftfahrzeugen ist bevorzugt eine Beheizung des gemeinsamen Behälters bzw. der Behälter vorzusehen, um ein schnelles Auftauen des Wassers nach längeren Fahrzeugstillstand in einer Frostperiode zu gewährleisten. Alternativ kann ein geeignetes Frostschutzmittel, bspw. ein Alkohol, bevorzugt Bioethanol, in das Wasser dosiert werden.
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Insbesondere bei frostgefährdeten Anwendungen ist bei WE eine Evakuierungsfunktion der Zuführleitungen vorzusehen und bei KWE eine Spülfunktion, die gewährleistet, dass im Einspritzsystem bzw. der Zuführleitungen der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar vor bzw. unmittelbar nach dem Abstellen kein Wasser mehr enthalten ist.
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Die optionale Aufheizung der Flüssigkeit im Behälter, vorzugsweise im gemeinsamen Behälter, auf höhere Temperaturen kann einerseits die Vermischung/Verdampfung der Flüssigkeit des ersten Gemischs (WE) im Ansaugrohr (bspw. bei niedrigen Außentemperaturen, noch nicht betriebswarmen Motor, hohe Luftfeuchtigkeit, etc.) erheblich unterstützen. Parallel kann die Aufheizung der wasserhaltigen Flüssigkeit den die Korrosion im Einspritzsystem begünstigenden Sauerstoffgehalt durch die mit zunehmender Temperatur abnehmende Sauerstofflöslichkeit erheblich reduzieren. Weiterhin lässt sich über die Flüssigkeitstemperatur die Viskosität des zweiten Gemischs einstellen, um die für den Betrieb optimale Viskosität zu erzielen.
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Es wird weiter eine Anordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer Brennkammer, einer mit der Brennkammer zur Zuführung eines ersten Gemisches verbindbaren Zuleitung und einer mit der Brennkammer zur Abführung eines Abgases verbindbaren Abgasleitung sowie einer mit der Brennkammer zur Zuführung eines zweiten Gemisches verbindbaren Einspritzleitung. Die Anordnung umfasst weiter mindestens einen Behälter zur Bevorratung von Wasser. Das Wasser ist aus dem mindestens einen Behälter der Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches und der Einspritzleitung zur Bildung des zweiten Gemisches zuleitbar.
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Das Wasser kann zwischen dem jeweiligen Behälter und der Zuführung in die Zuleitung bzw. Einspritzleitung aufbereitet werden oder im Behälter bereits aufbereitet vorliegen.
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Insbesondere ist die Anordnung mit dem beschriebenen Verfahren betreibbar.
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Die Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere ein Motor mit Fremdzündung (Otto-Motor) oder ein Motor mit Selbstzündung (Diesel-Motor) oder ein Motor mit homogener Kompressionszündung sein.
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Die Anordnung kann insbesondere in einer mobilen Anwendung wie einem Kraftfahrzeug (z. B. einem PKW, LKW, Bus) oder einer mobilen Maschine (Schiff, Baumaschine, Kran, Traktor, mobiler Stromerzeuger, etc.) eingesetzt werden. Die Anordnung kann alternativ in einer stationären Anwendung (Stromerzeuger, Blockheizkraftwerk, mit einer Verbrennungskraftmaschine betriebenen Pumpe, etc.) betrieben werden.
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Die Anordnung kann eine Steuereinheit zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine aufweisen. Die Steuereinheit ist zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgeführt und/oder eingerichtet bzw. führt das Verfahren aus.
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Weiter kann die Steuereinheit auch vollständig oder teilweise autark von der Steuereinheit der Verbrennungskraftmaschine ausgeführt sein.
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Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.
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Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung (insbesondere ein Steuergerät bzw. Teil davon) vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens ausführt.
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Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.
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Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Anordnung, das System, das Speichermedium oder das computerimplementierte Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das angeführte Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. 1 zeigt eine Anordnung 15.
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Die Anordnung 15 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Brennkammer 2, einer mit der Brennkammer 2 zur Zuführung eines ersten Gemisches 3 verbindbaren Zuleitung 4 und einer mit der Brennkammer 2 zur Abführung eines Abgases 5 verbindbaren Abgasleitung 6 sowie einer mit der Brennkammer 2 zur Zuführung eines zweiten Gemisches 7 verbindbaren Einspritzleitung 8. Die Anordnung 15 umfasst weiter einen Behälter 14 zur Bevorratung von Wasser 9. Das Wasser 9 ist aus dem Behälter 14 der Zuleitung 4 zur Bildung des ersten Gemisches 3 und der Einspritzleitung 8 zur Bildung des zweiten Gemisches 7 zuleitbar.
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Aus einem Tank 16 ist ein Kraftstoff 10 entnehmbar, der in einer Mischvorrichtung 17 mit dem Wasser 9 zur Bildung einer Emulsion bzw. des zweiten Gemisches 7 vermischt wird. Das zweite Gemisch 7 wird über die Einspritzleitung 8 direkt in die Brennkammer 2 überführt.
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Die Bildung der Emulsion aus Kraftstoff 10 und Wasser 9 und das Zuführen dieser Emulsion in die Brennkammer 2 wird als KWE (Kraftstoff-Wasser-Einspritzung) bezeichnet.
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Über die Zuleitung 4 wird Luft angesaugt, durch den Verdichter 12 des Abgasturboladers verdichtet, mit dem Wasser 9 aus dem Behälter 14 zur Bildung des ersten Gemisches 3 vermischt, über den Wärmetauscher 13 abgekühlt und der Brennkammer 2 zugeführt.
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Die Mischung von Luft und Wasser 9 zum ersten Gemisch 3 und die Zuführung des ersten Gemisches 3 in die Brennkammer 2 wird als WE (Wasser-Einspritzung) bezeichnet.
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In der Brennkammer 2 wird aus dem ersten Gemisch 3 und/oder dem zweiten Gemisch 7 das dritte Gemisch 11 gebildet. Das dritte Gemisch 11 wird gezündet und verbrannt. Das dabei entstehende Abgas 5 wird über die Abgasleitung 6 aus der Brennkammer 2 an die Umgebung abgeführt.
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Es ist auch möglich, der Brennkammer 2 das Wasser 9 nur über das erste Gemisch 3 oder nur über das zweite Gemisch 7 zuzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Brennkammer
- 3
- erstes Gemisch
- 4
- Zuleitung
- 5
- Abgas
- 6
- Abgasleitung
- 7
- zweites Gemisch
- 8
- Einspritzleitung
- 9
- Wasser
- 10
- Kraftstoff
- 11
- drittes Gemisch
- 12
- Verdichter
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Behälter
- 15
- Anordnung
- 16
- Tank
- 17
- Mischvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0956896 A1 [0002, 0022]
