DE102018131679A1

DE102018131679A1 - Verfahren zum Betreiben eines Turbo-Compound-Systems

Info

Publication number: DE102018131679A1
Application number: DE102018131679.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-06-18
Also published as: WO2020120473A3; WO2020120473A2

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Turbo-Compound-Systems, bei dem eine Kurbelwelle von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, dessen Abgasstrom eine Abgasnutz-Turbine antreibt, die mit einem Antriebselement in Wirkverbindung steht, wobei einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors unter Druck Kraftstoff und Luft zugeführt und das Gemisch unter Volumenveränderung des Verbrennungsraumes gezündet wird, der durch einen zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt hin und her bewegbaren Kolben begrenzt ist, durch den nach Erreichen des unteren Totpunkts der Abgasstrom über mindestens ein Auslassventil des Verbrennungsraumes der Abgasnutzturbine zugeführt wird, ist so ausgebildet, dass zumindest während der Hubbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt gleichzeitig unter Druck Luft und Kraftstoff oder eine Mischung daraus in den Verbrennungsraum gespritzt werden und das Gemisch gezündet wird, wobei unter Beibehaltung des Maximaldrucks im Verbrennungsraum das mindestens eine Auslassventil zumindest teilweise geöffnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turbo-Compound-Systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. ein Turbo-Compound-System ist an sich bekannt. Beim Betrieb dieses Systems wird das bei der Verbrennung des Gemischs entstehende Abgas über das Auslassventil des Verbrennungsraumes einer Abgas-Nutzturbine mit entsprechendem Druck zugeführt, die wiederum an ein Antriebselement angeschlossen ist.
Das Arbeitsspiel eines beispielsweise 4-Takt-Otto-Motors ergibt sich aus folgenden nacheinander stattfindenden Verfahrensschritten, beginnend beim unteren Totpunkt des Kolbens:

- Ansaugen von Luft und Kraftstoff
- Verdichten
- Zünden des Luft/Kraftstoff-Gemisches, Arbeiten
- Ausschieben des Verbrennungsgases

- Ansaugen von Verbrennungsluft
- Verdichten der Verbrennungsluft
- Einspritzen von Kraftstoffstoff- und Selbstzündung, Arbeiten
- Ausschieben des Verbrennungsgases,

In beiden Fällen ist während des Ansaugens und Verdichtens das Auslassventil geschlossen, und lediglich beim Ausschieben des Verbrennungsgases geöffnet.
Allerdings ist die im Verbrennungsgas enthaltene und der Abgasnutzturbine zur Verfügung gestellte Energiemenge relativ gering und hinsichtlich der Effizienz sinnvollerweise nur dort einzusetzen, wo der Verbrennungsmotor über einen längeren Zeitraum unter hoher Last arbeitet.
Ein Betrieb in überwiegend Teillastbereichen des Verbrennungsmotors, wie sie beispielsweise in LKW-Motoren gegeben ist, führt nicht zu einer befriedigenden Leistungssteigerung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Turbo-Compound-Systems so weiterzuentwickeln, dass der Wirkungsgrad erhöht und die Betriebskosten insgesamt gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch das neue Verfahren besteht nun die Möglichkeit, deutlich mehr Energie der Abgasnutzturbine zur Verfügung zu stellen als dies bisher der Fall war. D.h., eine Energieabgabe an die Abgasnutzturbine erfolgt in zeitlicher Kontinuität, also sowohl während der Hubbewegung des Kolbens hin zu einem unteren Totpunkt wie auch, wie bisher, beim Ausschieben des Verbrennungsgases.
Als besonders vorteilhaft stellt sich die Ausgestaltung des neuen Verfahrens dar, nach der bei Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig unter Druck Luft und Kraftstoff oder eine Mischung daraus in den Verbrennungsraum gespritzt werden und das Gemisch gezündet wird.
Dabei wird auf den Arbeitstakt „Verdichten“ verzichtet, da die Verdichtung, auch der Luft, extern erfolgt und nicht, wie bisher intern durch eine Hubbewegung des Kolbens.
Stattdessen werden der Kraftstoff und die Luft gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig unter hohem Druck in den Verbrennungsraum gespritzt, wenn dieser bei Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens das kleinste Volumen aufweist. Je nach Belastung variiert die Einspritzdauer. D.h., je größer die Last, desto länger die Einspritzzeit ab dem oberen Totpunkt.
Bevorzugt weist der Verbrennungsraum mehrere beispielsweise zwei Auslassventile auf, von denen mindestens eines zumindest teilweise geöffnet wird, wenn, gemäß der Erfindung, während der Hubbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt gleichzeitig unter Druck Luft und Kraftstoff oder eine Mischung daraus in den Verbrennungsraum gespritzt werden und das Gemisch gezündet wird. Dabei wird der Maximaldruck im Verbrennungsraum beibehalten. In an sich bekannter Weise werden bei der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt die Auslassventile vollständig geöffnet.
Bei einer geringeren Last werden die Auslassventile bei einer Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt geschlossen, wobei der Massenstrom der Fluide so geregelt wird, dass im Verbrennungsraum der Maximaldruck herrscht.
Je nach Belastung variiert die Einspritzdauer. D.h., je größer die Last, desto länger die Einspritzzeit ab dem oberen Totpunkt, wobei dann bei der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt die Auslassventile geschlossen sind. Ab dem oberen Totpunkt wird dabei durch Regelung der Massenströme der Fluide der Maximaldruck im Verbrennungsraum solange gehalten, wie zum Erbringen der erforderlichen Leistung benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass neben dem Betrieb des Verbrennungsmotors in Volllast auch kurzzeitig ein Betrieb in Überlast möglich ist, ohne den Verbrennungsmotor zu schädigen. Dazu wird der Verbrennungsmotor entsprechend der Volllast gesteuert, wobei die Massenströme der Fluide oder der Massenstrom des Gemischs und deren freiwerdende Reaktionsenthalpie über eine maximale thermische Dauerfestigkeit erhöht wird. Dies ist möglich, wenn alle beteiligten Bauteile kälter sind als die zulässige Maximaltemperatur und zwar solange, bis eines der Bauteile die Maximaltemperatur erreicht hat. Danach muss der Verbrennungsmotor abkühlen, bevor er wiederum in Überlast betrieben werden kann.
Neben der beschriebenen Variante zur Reduzierung der Last erst die Massenströme bei der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt und dann vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zu reduzieren, kann dies auch umgekehrt oder parallel erfolgen.
In der Warmlauf- oder Regenerationsphase der Abgasnachbehandlung können überdies neben den in Teillast möglichen Betriebsarten zusätzlich während der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt Massenströme der Fluide zugeführt werden, um kalte Bauteile zur Abgasnachbehandlung sehr schnell aufzuheizen, was Schadstoffemissionen verringert, ohne einen schlechten Wirkungsgrad in Kauf nehmen zu müssen, wie dies bei bekannten Systemen der Fall ist.
Zur Schadstoffreduzierung können zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein, wie z.B. die Abgasrückführung oder eine Wassereinspritzung.
Insgesamt ergibt sich ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens daraus, dass eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades sowie der Drehmomentdichte erreicht wird, ebenso eine durchaus bemerkenswerte Reduzierung des Schadstoffausstoßes.
Im Übrigen ergibt sich das Arbeitsspiel des mit dem neuen Verfahren betriebenen Verbrennungsmotors, im Gegensatz zu einem 4-Takt-Motor, aus lediglich einer Kurbelwellenumdrehung und unterscheidet sich von anderen Verfahren zum Betreiben von Kolbenmotoren dadurch, dass während der gesamten Kurbelwellenumdrehung die Verbrennung, Zufuhr von Kraftstoff und Luft erfolgt, während die Auslassventile dauerhaft geöffnet sein können.
Darüber hinaus ist neben einer Fremdzündung auch eine Selbstzündung möglich, wobei bei einem Kaltstart oder bei schlecht zündenden Kraftstoffgemischen eine Zündhilfe eingesetzt werden kann, beispielsweise in Form eines Glühstiftes. Prinzipiell kann der Verbrennungsmotor selbsttätig, also ohne Anlasser starten, ebenso wie auf den Einsatz einer Kupplung verzichtet werden kann.
Zum Einspritzen von Luft und Kraftstoff kommen Hochdruckpumpen zum Einsatz. Alternativ können Luft und Kraftstoff jeweils in Drucktanks gespeichert sein, was in bestimmten Einsatzbereichen, insbesondere, wenn der Verbrennungsmotor stationär betrieben wird, hinsichtlich des konstruktiven Aufwands vereinfacht zu realisieren ist.
Überdies kann der Verbrennungsmotor als Hybrid-Motor fungieren und zwar zum einen als Verbrennungsmotor im Sinne der Erfindung und zum anderen als an sich bekannter Gasdruckmotor. Daraus ergibt sich in Fahrzeugen eine höhere Reichweite, da zusätzlich zum Heizwert des Verbrennungsgemischs Energie in den Drucktanks gespeichert ist, die vom Motor genutzt wird.
Die erwähnte, durch das erfindungsgemäße Verfahren mögliche vereinfachte konstruktive Realisierung des Verbrennungsmotors ist nicht nur hinsichtlich der kostengünstigen Herstellung von besonderem Vorteil, sondern auch hinsichtlich des geringeren Verschleißes, da z.B. auf den Einsatz eines Einlassventiles komplett verzichtet werden kann. In diesem Sinn ist auch die nun geringere Drehzahl der Kurbelwelle zu bewerten.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Turbo-Compound-Systems, bei dem eine Kurbelwelle von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, dessen Abgasstrom eine Abgasnutz-Turbine antreibt, die mit einem Antriebselement in Wirkverbindung steht, wobei einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors unter Druck Kraftstoff und Luft zugeführt und das Gemisch unter Volumenveränderung des Verbrennungsraumes gezündet wird, der durch einen zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt hin und her bewegbaren Kolben begrenzt ist, durch den nach Erreichen des unteren Totpunkts der Abgasstrom über mindestens ein Auslassventil des Verbrennungsraumes der Abgasnutzturbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Hubbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt gleichzeitig unter Druck Luft und Kraftstoff oder eine Mischung daraus in den Verbrennungsraum gespritzt werden und das Gemisch gezündet wird, wobei unter Beibehaltung des Maximaldrucks im Verbrennungsraum das mindestens eine Auslassventil zumindest teilweise geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Hubbewegung des Kolbens vom unteren zum oberen Totpunkt bei zumindest teilweise geöffnetem Auslassventil gleichzeitig unter Druck Luft und Kraftstoff oder eine Mischung daraus in den Verbrennungsraum gespritzt werden und das Gemisch gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des mindestens einen Auslassventils abhängig von der Menge des gleichzeitig eingespritzten Luft und Kraftstoff oder der eingespritzten Mischung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit Überlast betrieben wird bis zum Erreichen einer Maximaltemperatur der beteiligten Bauteile.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kraftstoffs und/oder der Verbrennungsluft durch eine Hochdruckpumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einzuspritzende Kraftstoff und/oder der Verbrennungsluft jeweils unter Druck in einem Drucktank gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsspiel in der Folge Einspritzen des Kraftstoffs und der Verbrennungsluft => Zünden => Arbeitshub => Ausstoßen einer Umdrehung der an den Kolben angeschlossenen Kurbelwelle entspricht.