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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit bordeigener Kraftstoffaufbereitung, die als Dual Fuel Brennkraftmaschine betrieben werden kann.
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Aus der
DE102013210116B3 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Verdampfer und einen Reformer umfasst, sodass einer Brennkammer ein von dem Reformer erzeugtes Reformat, ein im Verdampfer verdampfter und zugleich ein zumindest zum Teil gecrackter Brennstoff sowie ein Gemisch aus Reformat und verdampftem und/oder gecracktem Brennstoff zuführbar ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungszylinder, eine Injektorvorrichtung, eine erste Zuleitung, eine zweite Zuleitung, eine dritte Zuleitung, einen Reaktor und einen Kraftstofftank. Die Injektorvorrichtung ist über die erste Zuleitung mit dem Kraftstofftank und über die zweite Zuleitung mit dem Reaktor verbunden. Der Reaktor ist über eine dritte Zuleitung mit der ersten Zuleitung verbunden und derart ausgebildet, einen Hauptkraftstoff in einen aufbereiteten Hauptkraftstoff aufzubereiten. Die Injektorvorrichtung ist derart ausgebildet, den Hauptkraftstoff, den aufbereiteten Hauptkraftstoff und/oder ein Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff in den Verbrennungszylinder einzubringen. So kann die Brennkraftmaschine mit dem Hauptkraftstoff, dem im Reaktor aufbereiteten Hauptkraftstoff und/oder einem Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff betrieben werden.
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Heutige Dual Fuel Motoren werden üblicherweise mit Erdgas betrieben, das direkt in den Verbrennungszylinder oder in das Saugrohr eingespritzt wird. Zur Zündung wird ein Zündstrahl aus Diesel verwendet. Vergleichbare Strategien werden unter Nutzung von Methanol oder Ethanol anstelle von Erdgas verfolgt. Allerdings wird immer ein zusätzlicher Tank für den Diesel benötigt. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht den Betrieb als Dual Fuel Motor mit nur einem Kraftstofftank. Der in dem Kraftstofftank vorgehaltene Hauptkraftstoff kann in dem Reaktor aufbereitet werden. Über die Injektorvorrichtung kann dann der Hauptkraftstoff, der aufbereitete Hauptkraftstoff und/oder ein Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff dem Verbrennungszylinder zugeführt werden, wodurch ein sehr flexibler Betrieb der Brennkraftmaschine möglich wird. Als Hauptkraftstoff wird bevorzugt Methanol oder Methanol mit geringem Wasser-Anteil verwendet. Dieser lässt sich im Reaktor in DME (Dimethylether) oder in ein Gemisch aus DME, Wasser und Methanol aufbereiten. DME weist gegenüber Diesel den Vorteil auf, praktisch ohne Bildung unerwünschter Rußpartikel zu verbrennen. Der Reaktor ist vorzugsweise ein chemischer Reaktor, besonders bevorzugt ein Synthesereaktor oder Reformer.
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Vorzugsweise umfasst die Injektorvorrichtung einen ersten und einen zweiten Injektor. Der erste Injektor ist über die erste Zuleitung mit einem Kraftstofftank verbunden. Der zweite Injektor ist über die zweite Zuleitung mit dem Reaktor verbunden. Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hat den Vorteil, dass ein Dual Fuel Betrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft umgesetzt werden kann. Über den ersten Injektor kann mittels Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung der Hauptkraftstoff wie Methanol in den Verbrennungszylinder eingebracht werden. Es kann (ggf. zeitlich nachgelagert) über den zweiten Injektor der aufbereitete Hauptkraftstoff wie DME dem Verbrennungszylinder zur Zündung des Methanol-Luft Gemisches zugeführt wird. Je nach Bedarf kann der energetische Anteil des Hauptkraftstoffes an der gesamten pro Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffmasse variiert werden, bevorzugt beträgt der energetische Anteil des Hauptkraftstoffes mindestens 75 %, besonders bevorzugt liegt er im Bereich 80 - 98 %.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ein Steuergerät, das eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen:
- - Bereitstellung des Hauptkraftstoffes oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff über die erste Zuleitung,
- - Bereitstellung des aufbereiteten Hauptkraftstoffes oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff über die zweite Zuleitung und
- - Erste Einbringung des Hauptkraftstoffes, des aufbereiteten Hauptkraftstoffes und/oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff durch die Injektorvorrichtung.
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Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass abhängig von einem zu erzielenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzusammensetzung angepasst werden kann, woraus Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und/oder Schadstoffbildung erreicht werden können.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
- 2 Verfahrensschritte, die von einem Steuergerät einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgeführt werden.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, umfassend einen Verbrennungszylinder 16 mit Kolben 17, eine Injektorvorrichtung, eine erste Zuleitung 2, eine zweite Zuleitung 9, eine dritte Zuleitung 5, einen Reaktor 7 und einen Kraftstofftank 1. Die Injektorvorrichtung ist über die erste Zuleitung 2 mit dem Kraftstofftank 1 und über die zweite Zuleitung 9 mit dem Reaktor 7 verbunden. Der Reaktor 7 ist über eine dritte Zuleitung 5 mit der ersten Zuleitung 2 verbunden und derart ausgebildet, einen Hauptkraftstoff, hier Methanol, in einen aufbereiteten Hauptkraftstoff, hierein DME-Methanol Gemisch, aufzubereiten. Zur Aufbereitung des Hauptkraftstoffes wird in dem Reaktor 7 das chemische Verfahren der Synthese genutzt. Alternativ können aber auch andere Verfahren wie die chemische Reformierung genutzt werden. Die Injektorvorrichtung ist derart ausgebildet, den Hauptkraftstoff, den aufbereiteten Hauptkraftstoff und/oder ein Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff in den Verbrennungszylinder 16 einzubringen. Damit kann die Brennkraftmaschine mit dem Hauptkraftstoff, dem im Reaktor 7 aufbereiteten Hauptkraftstoff und/oder einem Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff betrieben werden. Diese Ausführungsform ermöglicht den Betrieb der Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen, woraus eine vorteilhafte Flexibilität entsteht, die in verbesserten Effizienzen und verringerten Schadstoffemissionen resultieren kann. Die Kraftstoffflexibilität wird dabei insbesondere unter Nutzung nur eines Kraftstofftanks 1 erreicht. Dadurch werden Vorteile hinsichtlich des Platzbedarfs erreicht und das Nachfüllen von Kraftstoff wird erleichtert, da nur ein Tank zu befüllen ist.
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In einem weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst die Injektorvorrichtung einen ersten Injektor 14. Der erste Injektor 14 ist über die erste Zuleitung 2 mit dem Kraftstofftank 1 verbunden und über die zweite Zuleitung 9 mit dem Reaktor 7 verbunden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, bei der Verwendung nur eines Injektors 14 unterschiedliche Kraftstoffe zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine einsetzen zu können, wodurch eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Brennverfahrens erreicht werden kann.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Injektorvorrichtung einen ersten Injektor 14 und einen zweiten Injektor 15. Der erste Injektor 14 ist über die erste Zuleitung 2 mit dem Kraftstofftank 1 und der zweite Injektor 15 ist über die zweite Zuleitung 9 mit dem Reaktor 7 verbunden. Diese Ausführungsform benötigt einen zweiten Injektor 15, die Verwendung eines weiteren Injektors erhöht aber die Flexibilität und auch die Sicherheit. So können der erste 14 und der zweite 15 Injektor räumlich getrennt angeordnet werden, indem beispielsweise beide im Zylinderkopf, aber an unterschiedlichen Stellen, oder der erste Injektor 14 im Saugrohr und der zweite Injektor 15 im Zylinderkopf angebracht sind. Dies erlaubt eine für Gemischbildung und Verbrennung optimierte Anpassung der Injektorpositionen. Die Betriebssicherheit wird erhöht, da bei Ausfall eines Injektors ein Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht wird.
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In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann eine Verbindungsleitung zwischen der ersten Zuleitung 2 und der zweiten Zuleitung 9 vorgesehen werden, so dass die beiden Zuleitungen 2,9 direkt miteinander verbunden sind. Dadurch wird ermöglicht, bereits vor Eintritt des Kraftstoffes in die Injektorvorrichtung ein Gemisch aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff aufzubereiten. Bevorzugt ist die Verbindungsleitung stromab des Reaktors 7 und des Abzweigs der dritten Zuleitung 5 von der Zuleitung 2 angeordnet. Besonders bevorzugt befinden sich der Hauptkraftstoff in Zuleitung 2 und der aufbereitete Hauptkraftstoff in Zuleitung 9 auf einem nahezu identischen Druckniveau, um unerwünschte Druckwellen im System zu vermeiden oder zumindest zu vermindern.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Brennkraftmaschine einen Wärmeübertrager 18. Der Wärmeübertrager 18 ist derart ausgebildet ist, dass die für den Reaktor 7 benötigte Energie zumindest teilweise über Abgasenergie bereitgestellt wird. Der Wärmeübertrager 18 ist hierzu mit der Abgasleitung 13 und dem Refomer 7 verbunden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abgases rekuperiert werden kann.
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Die Brennkraftmaschine umfasst hier vier Kompressoren/Pumpen 3, 4, 10, 11. Der erste Kompressor 3 ist in der ersten Zuleitung 2 stromauf des Abzweiges der dritten Zuleitung 5 angeordnet. Der zweite Kompressor 4 ist in der ersten Zuleitung 2 stromab des Abzweiges der dritten Zuleitung 5 angeordnet. Der dritte Kompressor 10 ist in der zweiten Zuleitung 9 stromab des Reaktors 7 angeordnet ist und der vierte Kompressor 4 ist in der dritten Zuleitung 5 stromauf des Reaktors 7 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht vorteilhafte Drücke an den jeweiligen Stellen der Zuleitungen. Der erste Kompressor/Pumpe 3 fördert den Hauptkraftstoff aus dem Kraftstofftank. Der zweite Kompressor 4 stellt den Hauptkraftstoff für den ersten Injektor 14 bei dem erforderlichen Einspritzdruck bereit. Für das gezeigte Ausführungsbeispiel mit im Zylinderkopf positioniertem ersten Injektor 14 beträgt der Einspritzdruck zwischen 100 und 1600 bar. Der genaue Wert ist von der Injektorpositionierung, dem Gegendruck im Verbrennungszylinder 16 sowie der Anwendung abhängig. Die Anwendung bestimmt insbesondere die Dimensionen der Brennkraftmaschine. Im PKW-Bereich sind andere Betriebsparameter vorteilhaft als im NFZ oder auch im Großmotorenbereich und einem Betrieb als stationärer Maschine. Bevorzugt sind Werte für den Einspritzdruck zwischen 400 und 1400 bar, besonders bevorzugt zwischen 800 und 1200 bar. Bei einer alternative Anordnung des ersten Injektors 14 im Saugrohr kann auf den zweiten Kompressor 4 verzichtet werden, da bereits Drücke auf atmosphärischem Niveau für die Einspritzung ausreichend sind. Der dritte Kompressor 10 stellt den aufbereiteten Kraftstoff für den zweiten Injektor 15 bei dem geforderten Einspritzdruck bereit. Auch hier ist der Einspritzdruck abhängig von Injektorpositionierung, Gegendruck und Anwendung und liegt in einem Bereich zwischen 200 und 1300 bar, bevorzugt zwischen 400 und 1200 bar, besonders bevorzugt zwischen 600 und 1000 bar. Der vierte Kompressor 4 fördert den Hauptkraftstoff zu dem Reaktor 7 und stellt einen für die Reformierung vorteilhaften Druck her, der zwischen 10 und 30 bar beträgt. Es sind auch Varianten mit einer anderen Anzahl an Kompressoren denkbar. Passend zur gewählten Einspritzstrategie können diese entsprechend gewählt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Brennkraftmaschine ein Rückschlagventil 6. Das Rückschlagventil 6 ist in der dritten Zuleitung 5 stromauf des Reaktors 7 und stromab des vierten Kompressors 4 angeordnet. Mit dem Rückschlagventil 6 kann sichergestellt werden, dass kein aufbereiteter Hauptkraftstoff zurückströmen und sich mit dem Hauptkraftstoff vermischen kann.
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Die Brennkraftmaschine umfasst ein Reservoir 8. Dieses ist in der zweiten Zuleitung 9 stromab des Reaktors 7 und stromauf des dritten Kompressors 10 angeordnet. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass auch bei Kaltstart, Kalt- und Warmlauf der Brennkraftmaschine aufbereiteter Kraftstoff bereitgestellt werden kann. Dimensionierung und Speicherdruck sind abhängig von der Anwendung und der benötigten Kraftstoffmenge. Das Volumen beträgt mindestens 1 Liter und der Speicherdruck liegt in einem Bereich zwischen 10 und 30 bar.
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Die Brennkraftmaschine umfasst ein Steuergerät, das eingerichtet ist, die in 2 dargestellten Schritte durchzuführen:
- - Bereitstellung des Hauptkraftstoffes oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff über die erste Zuleitung S1, 2,
- - Bereitstellung des aufbereiteten Hauptkraftstoffes oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff über die zweite Zuleitung S2, 9 und
- - Erste Einbringung S3 des Hauptkraftstoffes, des aufbereiteten Hauptkraftstoffes und/oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff durch die Injektorvorrichtung.
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Hierdurch wird ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen beziehungsweise Kraftstoffgemischen bei Verwendung von nur einem Kraftstofftank ermöglicht.
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Hier führt das Steuergerät nach der ersten Einbringung S3 eine zumindest zweite Einbringung S4 des Hauptkraftstoffes, des aufbereiteten Hauptkraftstoffes und/oder eines Gemisches aus Hauptkraftstoff und aufbereitetem Hauptkraftstoff durch die Injektorvorrichtung durch. Mit der zumindest zweiten Einbringung S4 wird der Vorteil erreicht, dass die Flexibilität einer Betriebsstrategie vorteilhaft erweitert werden kann. Durch die zumindest zweite Einbringung S4 kann das Kraftstoff-Luft Gemisch, das aus der ersten Einbringung S3 resultiert, entzündet werden. Es können aber auch andere Einspritzstrategien realisiert werden, die die Gemischbildung beeinflussen. So kann vor dem Einbringen eines Zündstrahls mehr als eine Einbringung erfolgen. Nach einer Einbringung zum Zünden des Kraftstoff-Luft Gemisches kann zumindest eine Nacheinspritzung eingebracht werden, die vorteilhaft hinsichtlich vollständiger Verbrennung, Emissionsbildung und -oxidation oder auch Abgastemperatur sein kann. Aufgrund der unterschiedlichen, zur Verfügung stehenden Kraftstoffe kann für jede Einspritzung der geeignete Kraftstoff oder die geeignete Kraftstoffmischung bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird bevorzugt als Dual Fuel Motor betrieben. Für solche Motoren sind insbesondere größere Motoren interessant, die als Schiffsmotoren, Hilfsaggregate oder auch stationäre Maschinen eingesetzt werden. Grundsätzlich sind die Dimensionen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nicht beschränkt, weshalb auch andere technische Anwendungen wie z.B. Nutzfahrzeuge und selbst PKW denkbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210116 B3 [0002]
