DE102022132522A1

DE102022132522A1 - Internal combustion engine and method for operating the same

Info

Publication number: DE102022132522A1
Application number: DE102022132522.9A
Authority: DE
Inventors: Julia Maier; Paul Hagl; Markus Bauer; Matthias Auer; Alexander Knafl
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2024-06-13

Abstract

Brennkraftmaschine (10), mit einem mindestens einen Zylinder (12) aufweisenden Motor (11), wobei der Motor (11) eingerichtet ist, in den Zylindern (12) als Kraftstoff Methanol zu verbrennen, mit mindestens einem eine Turbine (17, 18) und einen Verdichter (19, 20) aufweisenden Abgasturbolader (15, 16), wobei die Turbine (17, 18) des mindestens einen Abgasturboladers (15, 16) eingerichtet ist, in den Zylindern (12) bei der Verbrennung des Methanols entstehendes Abgas zu entspannen, und wobei der Verdichter (19, 20) des mindestens einen Abgasturboladers (15, 16) eingerichtet ist, um Ladeluft für die Verbrennung des Methanols zu verdichten, und mit einer Abgasrückführung (21), die eingerichtet ist, Abgas der Ladeluft derart zuzuführen, dass das Gemisch aus Ladeluft und Abgas eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, um das Methanol stromaufwärts der Zylinder (12) zu verdampfen und so ein gasförmiges Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol in die Zylinder (12) einzubringen.

Internal combustion engine (10), with an engine (11) having at least one cylinder (12), wherein the engine (11) is designed to burn methanol as fuel in the cylinders (12), with at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) having a turbine (17, 18) and a compressor (19, 20), wherein the turbine (17, 18) of the at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) is designed to expand exhaust gas produced in the cylinders (12) during the combustion of the methanol, and wherein the compressor (19, 20) of the at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) is designed to compress charge air for the combustion of the methanol, and with an exhaust gas recirculation (21) which is designed to supply exhaust gas to the charge air in such a way that the mixture of charge air and exhaust gas has a temperature which is suitable for evaporating the methanol upstream of the cylinders (12) and thus producing a gaseous Mixture of charge air, exhaust gas and vaporized methanol into the cylinders (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine.

Großbrennkraftmaschinen, wie sie zum Beispiel auf Schiffen als Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, werden zunehmend als Gasmotoren oder Dual-Fuel-Motoren ausgeführt. In Gasmotoren wird ein gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, verbrannt. In Dual-Fuel-Motoren kann in einem Gaskraftstoff-Betriebsmodus ein gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, und in einem Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus ein flüssiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff, verbrannt werden.Large combustion engines, such as those used on ships, are increasingly being designed as gas engines or dual-fuel engines. Gas engines burn a gaseous fuel, such as natural gas. Dual-fuel engines can burn a gaseous fuel, such as natural gas, in a gas fuel operating mode and a liquid fuel, such as diesel fuel, in a liquid fuel operating mode.

Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, in einer Brennkraftmaschine als Kraftstoff Methanol bzw. Methylalkohol zu verbrennen. Methanol weist im Vergleich zu Erdgas eine niedrigere Klopffestigkeit auf, wodurch die erreichbare Leistung der Brennkraftmaschine beschränkt wird. Es besteht Bedarf daran, die Leistung einer Brennkraftmaschine, die als Kraftstoff Methanol verbrennt, zu steigern.It is also known from the prior art to burn methanol or methyl alcohol as fuel in an internal combustion engine. Compared to natural gas, methanol has a lower knock resistance, which limits the achievable performance of the internal combustion engine. There is a need to increase the performance of an internal combustion engine that burns methanol as fuel.

CN 109 057 976 A offenbart ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, die als Kraftstoff Methanol verbrennt. CN 109 057 976 A discloses a method for starting an internal combustion engine that burns methanol as fuel.

CN 110 873 012 A1 offenbart eine weitere Brennkraftmaschine, die Methanol als Kraftstoff verbrennt. CN110 873 012 A1 reveals another internal combustion engine that burns methanol as fuel.

CN 206 206 021 U , CN 101 718 224 B und CN 108 691 701 B offenbaren weiteren Stand der Technik hinsichtlich Brennkraftmaschinen, die als Kraftstoff Methanol verbrennen. CN 206 206 021 U , CN 101 718 224 B and CN 108 691 701 B disclose further prior art regarding internal combustion engines that burn methanol as fuel.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Brennkraftmaschine zu schaffen.Based on this, the invention is based on the object of creating a novel internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by an internal combustion engine according to claim 1.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen mindestens einen Zylinder aufweisenden Motor, wobei der Motor eingerichtet ist, in den Zylindern als Kraftstoff Methanol zu verbrennen.The internal combustion engine according to the invention comprises an engine having at least one cylinder, wherein the engine is designed to burn methanol as fuel in the cylinders.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst weiterhin mindestens einen eine Turbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eingerichtet ist, in den Zylindern bei der Verbrennung des Methanols entstehendes Abgas zu entspannen, und wobei der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers eingerichtet ist, um Ladeluft für die Verbrennung des Methanols zu verdichten.The internal combustion engine according to the invention further comprises at least one exhaust gas turbocharger having a turbine and a compressor, wherein the turbine of the at least one exhaust gas turbocharger is designed to expand exhaust gas produced in the cylinders during the combustion of the methanol, and wherein the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is designed to compress charge air for the combustion of the methanol.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst weiterhin mindestens eine Abgasrückführung, die eingerichtet ist, Abgas der Ladeluft derart zuzuführen, dass das Gemisch aus Ladeluft und Abgas eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, um das Methanol stromaufwärts der Zylinder insbesondere vollständig zu verdampfen und so ein gasförmiges Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol in die Zylinder einzubringen.The internal combustion engine according to the invention further comprises at least one exhaust gas recirculation system which is designed to supply exhaust gas to the charge air in such a way that the mixture of charge air and exhaust gas has a temperature which is suitable for completely evaporating the methanol upstream of the cylinders and thus introducing a gaseous mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol into the cylinders.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die als Kraftstoff Methanol verbrennt, wobei mittels einer Abgasrückführung der Ladeluft Abgas zugemischt werden kann, um ein Gemisch aus Ladeluft und Abgas bereitzustellen, das eine Temperatur aufweist, um das Methanol stromaufwärts der Zylinder zu verdampfen und so ein gasförmiges Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol in die Zylinder einzubringen.The present invention proposes an internal combustion engine which burns methanol as fuel, wherein exhaust gas can be mixed with the charge air by means of exhaust gas recirculation in order to provide a mixture of charge air and exhaust gas which has a temperature to evaporate the methanol upstream of the cylinders and thus introduce a gaseous mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol into the cylinders.

Hiermit kann die Leistung, die mit einer Methanol verbrennenden Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann, gesteigert werden. Das Abgas erhöht die Klopffestigkeit des zu verbrennenden Gemischs. Der Enthalpiebedarf, der zur Verdampfung des Methanols benötigt wird, wird innermotorisch bereitgestellt.This can increase the power that can be provided by an internal combustion engine that burns methanol. The exhaust gas increases the knock resistance of the mixture to be burned. The enthalpy required to evaporate the methanol is provided within the engine.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Wandfilmbildung von flüssigem Methanol an den Wänden der Ladeluftleitung vermieden werden kann.A further advantage is that the formation of a film of liquid methanol on the walls of the charge air line can be avoided.

Ferner kann ein Ladeluftkühler kleiner ausgeführt werden oder gar entfallen, da bei der Verdampfung des Methanols die Ladeluft gekühlt wird.Furthermore, an intercooler can be made smaller or even eliminated, since the charge air is cooled when the methanol evaporates.

Vorzugsweise ist flüssiges Methanol über mindestens eine Dosiereinrichtung in die Ladeluftleitung einbringbar, wobei die mindestens eine Dosiereinrichtung das flüssige Methanol für alle Zylinder gemeinsam im Bereich einer Mündungsstelle einer Abgasrückführleitung der Abgasrückführung in die Ladeluftleitung oder stromabwärts der Mündungsstelle oder zylinderindividuell unmittelbar stromaufwärts des jeweiligen Zylinders in die Ladeluftleitung einbringt. Hiermit lässt sich das Methanol vorteilhaft in die Ladeluftleitung einbringen, und zwar entweder für alle Zylinder gemeinsam oder zylinderindividuell.Preferably, liquid methanol can be introduced into the charge air line via at least one metering device, wherein the at least one metering device introduces the liquid methanol for all cylinders together in the area of an outlet point of an exhaust gas recirculation line of the exhaust gas recirculation into the charge air line or downstream of the outlet point or cylinder-specifically directly upstream of the respective cylinder into the charge air line. The methanol can thus advantageously be introduced into the charge air line, either for all cylinders together or for each cylinder individually.

Vorzugsweise weist die Abgasrückführung ein Steuer- oder Regelventil auf, über welches die Menge des in die Ladeluftleitung eingebrachten Abgases einstellbar ist. Dies dient der Bereitstellung eines auf die Verdampfung des Methanols abgestimmten Gemischs aus Ladeluft und Abgas.Preferably, the exhaust gas recirculation has a control or regulating valve, via which the amount of exhaust gas introduced into the charge air line can be adjusted. This serves to provide a mixture of charge air and exhaust gas that is tailored to the evaporation of the methanol.

Vorzugsweise weist die Abgasrückführung ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist, abhängig von einer Temperatur der Ladeluft, abhängig von einer Temperatur des Abgases und abhängig von einer Menge des in die Ladeluft einzubringenden Methanols eine Öffnungsstellung für das Steuer- oder Regelventil so zu bestimmen, dass das in die Ladeluft eingebrachte Methanol stromaufwärts der Zylinder vollständig verdampft. Auch dies dient der Bereitstellung eines auf die Verdampfung des Methanols abgestimmten Gemischs aus Ladeluft und Abgas.Preferably, the exhaust gas recirculation has a control unit which is set up to determine an opening position for the control or regulating valve depending on a temperature of the charge air, depending on a temperature of the exhaust gas and depending on an amount of methanol to be introduced into the charge air so that the methanol introduced into the charge air completely evaporates upstream of the cylinders. This also serves to provide a mixture of charge air and exhaust gas which is tailored to the evaporation of the methanol.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Preferred developments of the invention emerge from the subclaims and the following description.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine erste erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, und
2 eine zweite erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being limited thereto. In this drawing:

1 a first internal combustion engine according to the invention, and
2 a second internal combustion engine according to the invention.

1 zeigt stark schematisiert eine Brennkraftmaschine 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über einen Motor 11 mit mindestens einem Zylinder 12, wobei der Motor 11 gemäß 1 mehrere Zylinder 12 aufweist. 1 shows a highly schematic view of an internal combustion engine 10 according to a first embodiment of the invention. The internal combustion engine 10 has an engine 11 with at least one cylinder 12, the engine 11 being arranged in accordance with 1 has several cylinders 12.

Bei dem Motor 11 kann es sich zum Beispiel um einen Dual-Fuel-Motor handeln, der in einer ersten Betriebsart einen zündwilligen Kraftstoff, wie zum Beispiel einen Dieselkraftstoff, und in einer zweiten Betriebsart einen zündunwilligen Kraftstoff verbrennt. Alternativ kann es sich bei dem Motor 11 auch um einen Motor handeln, der lediglich der Verbrennung von zündunwilligem Kraftstoff dient.The engine 11 can, for example, be a dual-fuel engine that burns an ignitable fuel, such as diesel fuel, in a first operating mode and a non-ignitable fuel in a second operating mode. Alternatively, the engine 11 can also be an engine that only serves to burn non-ignitable fuel.

Als zündunwilliger Kraftstoff wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 Methanol verbrannt. Methanol wird auch als Methylalkohol bzw. MeOH bzw. CH₄O bzw. CH₃OH bezeichnet. Der zündunwillige Kraftstoff kann über ein Zündöl bzw. Zündfluid oder eine Zündkerze gezündet werden.Methanol is burned as an unignitable fuel in the internal combustion engine 10 according to the invention. Methanol is also referred to as methyl alcohol or MeOH or CH ₄ O or CH ₃ OH. The unignitable fuel can be ignited using an ignition oil or ignition fluid or a spark plug.

Die Brennkraftmaschine 10 verfügt weiterhin über eine Ladeluftleitung 13, über welche den Zylindern 12 Ladeluft zur Verbrennung des Kraftstoffs, nämlich des Methanols, zugeführt werden kann. Bei der Verbrennung des Kraftstoffs, nämlich des Methanols, in den Zylindern 12 entstehendes Abgas kann über eine Abgasleitung 14 von den Zylinder 12 des Motors 11 abgeführt werden.The internal combustion engine 10 also has a charge air line 13, via which charge air can be supplied to the cylinders 12 for the combustion of the fuel, namely the methanol. Exhaust gases produced during the combustion of the fuel, namely the methanol, in the cylinders 12 can be discharged from the cylinders 12 of the engine 11 via an exhaust line 14.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 10 verfügt neben dem Motor 11 mit dem mindestens einen Zylinder 12 zumindest über einen Abgasturbolader, wobei in 1 zwei Abgasturbolader 15, 16 gezeigt sind. Jeder Abgasturbolader 15, 16 verfügt über eine Turbine 17, 18 sowie über einen Verdichter 19, 20. Bei dem Turbolader 15 handelt es sich in 1 um einen Hochdruckturbolader mit einer Hochdruckturbine 17 und einem Hochdruckverdichter 19 und beim Turbolader 16 um einen Niederdruckturbolader mit einer Niederdruckturbine 18 und einem Niederdruckverdichter 20. Abgas, welches über die Abgasleitung 14 von den Zylindern 12 des Motors 11 abgeführt wird, strömt in 1 zunächst über die Hochdruckturbine 17 des Hochdruckturboladers 15 und anschließend über die Niederdruckturbine 18 des Niederdruckturboladers 16. In der jeweiligen Turbine 17, 18 wird das Abgas entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie genutzt wird, um den jeweiligen Verdichter 19, 20 anzutreiben. So ist die Hochdruckturbine 17 des Hochdruckturboladers 15 mit dem Hochdruckverdichter 19 und die Niederdruckturbine 18 des Niederdruckverdichters 16 mit dem Niederdruckverdichter 20 gekoppelt.The internal combustion engine 10 according to the invention has, in addition to the engine 11 with the at least one cylinder 12, at least one exhaust gas turbocharger, wherein 1 two exhaust gas turbochargers 15, 16 are shown. Each exhaust gas turbocharger 15, 16 has a turbine 17, 18 and a compressor 19, 20. The turbocharger 15 is 1 a high-pressure turbocharger with a high-pressure turbine 17 and a high-pressure compressor 19 and the turbocharger 16 is a low-pressure turbocharger with a low-pressure turbine 18 and a low-pressure compressor 20. Exhaust gas, which is discharged via the exhaust line 14 from the cylinders 12 of the engine 11, flows into 1 firstly via the high-pressure turbine 17 of the high-pressure turbocharger 15 and then via the low-pressure turbine 18 of the low-pressure turbocharger 16. In the respective turbine 17, 18, the exhaust gas is expanded, whereby the energy gained is used to drive the respective compressor 19, 20. The high-pressure turbine 17 of the high-pressure turbocharger 15 is coupled to the high-pressure compressor 19 and the low-pressure turbine 18 of the low-pressure compressor 16 is coupled to the low-pressure compressor 20.

Die Verdichter 19, 20 dienen demnach der Verdichtung von Ladeluft, die über die Ladeluftleitung 13 den Zylindern 12 des Motors 11 zugeführt wird, um Ladeluft für die Verbrennung des Methanols bereitzustellen.The compressors 19, 20 therefore serve to compress charge air which is supplied to the cylinders 12 of the engine 11 via the charge air line 13 in order to provide charge air for the combustion of the methanol.

Die Brennkraftmaschine 10 verfügt weiterhin über eine Abgasrückführung 21. Die Abgasrückführung 21 ist eingerichtet, Abgas von der Abgasleitung 14 abzuzweigen und in Richtung auf die Ladeluftleitung 13 zu führen, um Abgas der Ladeluft zuzuführen.The internal combustion engine 10 further comprises an exhaust gas recirculation system 21. The exhaust gas recirculation system 21 is designed to branch off exhaust gas from the exhaust line 14 and to guide it in the direction of the charge air line 13 in order to supply exhaust gas to the charge air.

Über die Abgasrückführung 21 wird ein Gemisch aus Ladeluft und Abgas bereitgestellt, welches eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, um Methanol stromaufwärts der Zylinder 12 vorzugsweise vollständig zu verdampfen und so ein Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol in die Zylinder 12 zur Verbrennung des Methanols einzubringen.Via the exhaust gas recirculation 21, a mixture of charge air and exhaust gas is provided, which has a temperature suitable for preferably completely evaporating methanol upstream of the cylinders 12 and thus introducing a mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol into the cylinders 12 for combustion of the methanol.

Da es sich bei dem Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampften Methanol um ein zündunwilliges Gemisch handelt, wird zur Zündung des Methanols in den Zylindern 12 entweder eine Zündeinrichtung, wie eine Zündkerze, oder ein Zündöl oder Zündfluid, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff, genutzt.Since the mixture of charge air, exhaust gas and vaporized methanol is a non-ignitable mixture, either an ignition device, such as a spark plug, or an ignition oil or ignition fluid, such as diesel fuel, is used to ignite the methanol in the cylinders 12.

Die Abgasrückführung 21 verfügt über eine Abgasrückführleitung 22, die sich zwischen der Abgasleitung 14 und der Ladeluftleitung 13 erstreckt.The exhaust gas recirculation 21 has an exhaust gas recirculation line 22 which extends between the exhaust gas line 14 and the charge air line 13.

In 1 ist in Abgasrückführung 22 ein Verdichter 23 integriert, der von einer elektrischen Maschine 24 antreibbar ist. Dieser Verdichter 23 dient der Überwindung der Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck in der Abgasleitung 14 und dem Druck der Ladeluft in der Ladeluftleitung 13 stromabwärts des Hochdruckverdichters 19.In 1 A compressor 23 is integrated in the exhaust gas recirculation 22 and can be driven by an electric machine 24. This compressor 23 serves to overcome the pressure difference between the exhaust gas pressure in the exhaust line 14 and the pressure of the charge air in the charge air line 13 downstream of the high-pressure compressor 19.

Ferner sind in die Abgasrückführleitung 22 ein Absperrventil 25 und ein Steuerventil 26 integriert.Furthermore, a shut-off valve 25 and a control valve 26 are integrated into the exhaust gas recirculation line 22.

Ferner zeigt 1 einen optionalen Abgaskühler 27, der stromabwärts des Absperrventils 25 und stromaufwärts des Verdichters 23 in die Abgasrückführleitung 22 integriert ist.Furthermore, 1 an optional exhaust gas cooler 27, which is integrated into the exhaust gas recirculation line 22 downstream of the shut-off valve 25 and upstream of the compressor 23.

Wie bereits ausgeführt, ist über die Abgasrückführung 21 Abgas der Ladeluft zuführbar, und zwar zur Bereitstellung eines Gemischs aus Ladeluft und Abgas mit einer Temperatur des Gemischs, die geeignet ist, das Methanol stromaufwärts der Zylinder 12 vorzugsweise vollständig zu verdampfen und so den Zylindern 12 ein Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol bereitzustellen.As already stated, exhaust gas can be fed to the charge air via the exhaust gas recirculation 21, specifically to provide a mixture of charge air and exhaust gas with a temperature of the mixture which is suitable for preferably completely evaporating the methanol upstream of the cylinders 12 and thus providing the cylinders 12 with a mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol.

Methanol wird über mindestens eine Dosiereinrichtung 28 in die Ladeluftleitung 13 eingebracht, und zwar in 1 für alle Zylinder 12 gemeinsam im Bereich einer Mündungsstelle 29 der Abgasrückführleitung 22 in die Ladeluftleitung 13, wobei diese Mündungsstelle 29 in 1 stromabwärts des Hochdruckverdichters 19 ausgebildet ist.Methanol is introduced into the charge air line 13 via at least one metering device 28, namely in 1 for all cylinders 12 together in the area of a discharge point 29 of the exhaust gas recirculation line 22 into the charge air line 13, whereby this discharge point 29 in 1 downstream of the high pressure compressor 19.

2 zeigt eine Abwandlung der Brennkraftmaschine 10 der 1, die sich von der Brennkraftmaschine 10 der 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass in 2 die Mündungsstelle 29 der Abgasrückführleitung 22 in die Ladeluftleitung 13 stromaufwärts des Hochdruckverdichters 19 und stromabwärts des Niederdruckverdichters 20 ausgebildet ist. In diesem Fall kann dann auf den Verdichter 23 und die elektrische Maschine 24 verzichtet werden. 2 shows a modification of the internal combustion engine 10 of 1 , which is derived from the internal combustion engine 10 of 1 only differs in that in 2 the outlet point 29 of the exhaust gas recirculation line 22 into the charge air line 13 is formed upstream of the high-pressure compressor 19 and downstream of the low-pressure compressor 20. In this case, the compressor 23 and the electric machine 24 can be dispensed with.

Hinsichtlich aller übrigen Details stimmt jedoch das Ausführungsbeispiel der 2 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen in 2 für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden wie in 1.However, with regard to all other details, the design example of the 2 with the embodiment of the 1 so that to avoid unnecessary repetition in 2 For identical assemblies, the same reference numbers are used as in 1 .

Im Unterschied zu den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die mindestens eine Dosiereinrichtung 28 das flüssige Methanol für alle Zylinder 12 gemeinsam stromabwärts der Mündungsstelle 29 der Abgasrückführleitung 22 in die Ladeluftleitung 13 einbringt. So kann insbesondere im Ausführungsbeispiel der 2 vorgesehen sein, dass die Mündungsstelle 29 der Abgasrückführleitung 22 in die Ladeluftleitung 13 stromaufwärts des Hochdruckverdichters 19 ausgebildet ist, und dass die Dosiereinrichtung 28 das flüssige Methanol für alle Zylinder 12 gemeinsam stromabwärts des Hochdruckverdichters 19 in die Ladeluftleitung 13 einbringt.In contrast to the 1 and 2 In the embodiments shown, it is possible for the at least one metering device 28 to introduce the liquid methanol for all cylinders 12 together downstream of the outlet point 29 of the exhaust gas recirculation line 22 into the charge air line 13. In particular, in the embodiment of the 2 It can be provided that the outlet point 29 of the exhaust gas recirculation line 22 into the charge air line 13 is formed upstream of the high-pressure compressor 19, and that the metering device 28 introduces the liquid methanol for all cylinders 12 together downstream of the high-pressure compressor 19 into the charge air line 13.

Im Unterschied zu den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass für jeden Zylinder 12 eine separate Dosiereinrichtung 28 vorhanden ist, um das flüssige Methanol zylinderindividuell stromaufwärts des jeweiligen Zylinders 12 in die zum jeweiligen Zylinder 12 führende Abzweigung der Ladeluftleitung 13 einzubringen. Auch in diesem Fall dient dann das Gemisch aus Ladeluft und Abgas der vorzugsweise vollständigen Verdampfung des Methanols stromaufwärts des jeweiligen Zylinders 12, nämlich unmittelbar stromaufwärts des jeweiligen Zylinders 12, um dann in den jeweiligen Zylinder 12 wiederum ein Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampfen Methanol einzubringen.In contrast to the 1 and 2 In the embodiments shown, it is also possible for a separate metering device 28 to be present for each cylinder 12 in order to introduce the liquid methanol cylinder-specifically upstream of the respective cylinder 12 into the branch of the charge air line 13 leading to the respective cylinder 12. In this case too, the mixture of charge air and exhaust gas serves to preferably completely evaporate the methanol upstream of the respective cylinder 12, namely immediately upstream of the respective cylinder 12, in order to then introduce a mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol into the respective cylinder 12.

Wie bereits ausgeführt, umfasst die Abgasrückführung 21 das Steuerventil 26, über welches die Menge des der Ladeluft beigemischten Abgases eingestellt werden kann. Vorzugsweise weist die Abgasrückführung 21 ferner ein Steuergerät 30 auf, welches eingerichtet ist, abhängig von der Temperatur der Ladeluft, abhängig von der Temperatur des Abgases sowie abhängig von der Menge des in die Ladeluft einzubringenden Methanols eine Öffnungsstellung für das Steuerventil 26 so bestimmt werden kann, dass das in die Ladeluft eingebrachte Methanol stromaufwärts der Zylinder 12 vollständig verdampft wird, nämlich über eine geeignete Temperatur der Mischung aus Ladeluft und Abgas. Das Steuergerät 30 kann dann das Steuerventil 26 entsprechend ansteuern, um die entsprechende Menge Abgas der Ladeluft zur Verdampfung des Methanols beizumischen.As already explained, the exhaust gas recirculation 21 comprises the control valve 26, via which the amount of exhaust gas mixed with the charge air can be adjusted. The exhaust gas recirculation 21 preferably also has a control unit 30, which is set up to determine an opening position for the control valve 26 depending on the temperature of the charge air, the temperature of the exhaust gas and the amount of methanol to be introduced into the charge air, such that the methanol introduced into the charge air is completely evaporated upstream of the cylinders 12, namely above a suitable temperature of the mixture of charge air and exhaust gas. The control unit 30 can then control the control valve 26 accordingly in order to mix the appropriate amount of exhaust gas into the charge air to evaporate the methanol.

Das Steuergerät 30 kann die Öffnungsstellung für das Steuerventil 26 abhängig von der Temperatur der Ladeluft, abhängig von der Temperatur des Abgases sowie abhängig von der Menge des in die Ladeluft einzubringenden Methanols kennfeldabhängig bestimmen. Bei dem Steuergerät 30 handelt es sich vorzugsweise um ein elektronisches Motorsteuergerät, in dessen Speicher ein Kennfeld hinterlegt ist. Die Temperatur des Abgases und der Ladeluft kann insbesondere messtechnisch über Sensoren bestimmt werden, die ihre Messwerte dem Motorsteuergerät über mindestens eine Datenschnittstelle des Steuergeräts 30 bereitstellen. Ein Prozessor des Steuergeräts 30 ermittelt auf Grundlage des Kennfelds, der Temperatur der Ladeluft, der Temperatur des Abgases sowie der Menge des in die Ladeluft einzubringenden Methanols die Öffnungsstellung für das Steuerventil 26.The control unit 30 can determine the opening position for the control valve 26 based on the temperature of the charge air, the temperature of the exhaust gas and the amount of methanol to be introduced into the charge air. The control unit 30 is preferably an electronic engine control unit in whose memory a characteristic map is stored. The temperature of the exhaust gas and the charge air can be determined in particular by measurement using sensors that provide their measured values to the engine control unit via at least one data interface of the control unit 30. A processor of the control unit 30 determines the opening position for the control valve 26 based on the characteristic map, the temperature of the charge air, the temperature of the exhaust gas and the amount of methanol to be introduced into the charge air.

1 und 2 zeigt weiterhin Ladeluftkühler 31, 32. Der Ladeluftkühler 31 und/oder der Ladeluftkühler 32 können kleiner ausgeführt werden oder gar entfallen, da bei der Verdampfung des Methanols die Ladeluft gekühlt wird. 1 and 2 also shows intercooler 31, 32. The intercooler 31 and/or the intercooler 32 can be made smaller or even are not necessary because the charge air is cooled when the methanol evaporates.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 10, insbesondere einer unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Brennkraftmaschine 10. Wie bereits ausgeführt, kann es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Dual-Fuel-Motor handeln, der in einer Betriebsart zur Verbrennung von Methanol betrieben wird, welches über die Mischung aus Ladeluft und Abgas bei einer geeigneten Temperatur dieser Mischung aus Abgas und Ladeluft vorzugsweise vollständig verdampft wird, um den Zylindern 12 ein gasförmiges Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampften Methanol bereitzustellen.The invention further relates to a method for operating an internal combustion engine 10, in particular an internal combustion engine 10 described with reference to 1 and 2 described internal combustion engine 10. As already stated, the internal combustion engine can be a dual-fuel engine which is operated in an operating mode for the combustion of methanol, which is preferably completely vaporized via the mixture of charge air and exhaust gas at a suitable temperature of this mixture of exhaust gas and charge air in order to provide the cylinders 12 with a gaseous mixture of charge air, exhaust gas and vaporized methanol.

Mit der Erfindung kann bei Brennkraftmaschinen, die als Kraftstoff Methanol verbrennen, die Leistung gesteigert werden. Das Abgas erhöht die Klopffestigkeit des zu verbrennenden Gemischs aus verdampftem Methanol und Ladeluft. Der Enthalpiebedarf zur Verdampfung des Methanols wird innermotorisch bereitgestellt, und zwar über die Abgasrückführung 21. Das über die Abgasrückführung 21 geführte Abgas ist ungekühlt oder bei Bedarf über den optionalen Abgaskühler 27 teilgekühlt. Bei der Verdampfung des Methanlos entsteht Verdampfungskälte, welche das Gemisch aus Ladeluft, Abgas und verdampftem Methanol kühlt. Der Ladeluftkühler 31 und/oder der Ladeluftkühler 32 kann kleiner ausgeführt werden oder gar entfallen, da bei der Verdampfung des Methanols die Ladeluft über die Verdampfungskälte gekühlt wird.The invention can be used to increase the performance of internal combustion engines that burn methanol as fuel. The exhaust gas increases the knock resistance of the mixture of vaporized methanol and charge air to be burned. The enthalpy required to vaporize the methanol is provided within the engine, namely via the exhaust gas recirculation 21. The exhaust gas guided via the exhaust gas recirculation 21 is uncooled or, if required, partially cooled via the optional exhaust gas cooler 27. When the methane is evaporated, evaporative cooling is generated, which cools the mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol. The charge air cooler 31 and/or the charge air cooler 32 can be made smaller or even omitted, since when the methanol is evaporated, the charge air is cooled via the evaporative cooling.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: Brennkraftmaschineinternal combustion engine
1111: Motorengine
1212: Zylindercylinder
1313: LadeluftleitungCharge air line
1414: AbgasleitungExhaust pipe
1515: HochdruckturboladerHigh pressure turbocharger
1616: NiederdruckturboladerLow pressure turbocharger
1717: HochdruckturbineHigh pressure turbine
1818: NiederdruckturbineLow pressure turbine
1919: HochdruckverdichterHigh pressure compressor
2020: NiederdruckverdichterLow pressure compressor
2121: AbgasrückführungExhaust gas recirculation
2222: AbgasrückführleitungExhaust gas recirculation line
2323: Verdichtercompressor
2424: elektrische Maschineelectric machine
2525: AbsperrventilShut-off valve
2626: SteuerventilControl valve
2727: AbgaskühlerExhaust cooler
2828: DosiereinrichtungDosing device
2929: MündungsstelleMouth of the river
3030: SteuergerätControl unit
3131: LadeluftkühlerIntercooler
3232: LadeluftkühlerIntercooler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CN109057976A [0004]
CN110873012 A1 [0005]
CN 206206021 U [0006]
CN 101718224 B [0006]
CN 108691701 B [0006]

Claims

Internal combustion engine (10), with an engine (11) having at least one cylinder (12), the engine (11) being designed to burn methanol as fuel in the cylinders (12), with at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) having a turbine (17, 18) and a compressor (19, 20), the turbine (17, 18) of the at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) being designed to expand exhaust gas produced in the cylinders (12) during the combustion of the methanol, and the compressor (19, 20) of the at least one exhaust gas turbocharger (15, 16) being designed to compress charge air for the combustion of the methanol, with an exhaust gas recirculation system (21) which is designed to supply exhaust gas to the charge air in such a way that the mixture of charge air and exhaust gas has a temperature which is suitable for evaporating the methanol upstream of the cylinders (12) and thus creating a gaseous mixture of charge air, exhaust gas and vaporized methanol into the cylinders (12).

Internal combustion engine according to Claim 1 , characterized in that liquid methanol can be introduced into the charge air line (13) via at least one metering device (28).

Internal combustion engine according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one metering device (28) introduces the liquid methanol for all cylinders (12) together in the region of a mouth point (29) of an exhaust gas recirculation line (22) of the exhaust gas recirculation (21) or downstream of the mouth point (29) into the charge air line (13).

Internal combustion engine according to Claim 3 , characterized in that the opening point (29) of the exhaust gas recirculation line (22) into the charge air line (13) is formed downstream of a compressor (19, 20) as seen in the flow direction of the charge air.

Internal combustion engine according to Claim 4 , characterized in that the outlet point (29) of the exhaust gas recirculation line (22) is formed downstream of a high-pressure compressor (19).

Internal combustion engine according to Claim 4 , characterized in that the outlet point (29) of the exhaust gas recirculation line (22) is formed downstream of a low-pressure compressor (20) and upstream of a high-pressure compressor (19).

Internal combustion engine according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one metering device (28) introduces the liquid methanol into the charge air line (13) individually for each cylinder immediately upstream of the respective cylinder (12).

Internal combustion engine according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the exhaust gas recirculation (21) has a control or regulating valve (26) via which the quantity of exhaust gas introduced into the charge air line (13) can be adjusted.

Internal combustion engine according to Claim 8 , characterized in that the exhaust gas recirculation (21) has a control device (30) which is set up to determine an opening position for the control or regulating valve (26) depending on a temperature of the charge air, depending on a temperature of the exhaust gas and depending on an amount of methanol to be introduced into the charge air such that the methanol introduced into the charge air completely evaporates upstream of the cylinders (12).

Method for operating an internal combustion engine (10) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the exhaust gas is fed to the charge air in such a way that the methanol evaporates upstream of the cylinders (12) and thus a gaseous mixture of charge air, exhaust gas and evaporated methanol is introduced into the cylinders (12).