DE112013007111B4 - AGR-System für wasserstoffreiches Abgas und Verfahren - Google Patents

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Abstract

AGR-System für wasserstoffreiches Abgas für einen Erdgas betriebenen Fremdzündungsmotor, wobei das System enthält:eine zusätzliche Einspritzdüse (165), die ein zusätzliches Erdgas in eine Kraftstoffzufuhr für zumindest einen Zylinder (105) eines Motors einspritzt, wobei das zusätzliche Erdgas den stöchiometrischen Punkt der Verbrennung des zumindest einen Zylinders (105) übersteigt;einen Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas aus dem Ausgang des zumindest einen Zylinders (105); undeine Abgasrückführungsmischvorrichtung (135), wobei der Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas ein wasserstoffreiches Abgas aus dem zumindest einen Zylinder (105) zu der Abgasrückführungsmischvorrichtung (135) überträgt, wobei die Abgasrückführungsmischvorrichtung (135) das wasserstoffreiche Abgas mit Erdgas und einem Abgas aus zumindest einem anderen Zylinder (105) des Motors vermischt und das resultierende Gemisch mehreren Zylindern (105) des Motors zuführt, wobei der Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas eine Kühlereinrichtung (185) im Rückführungspfad für wasserstoffreiches Abgas enthält.

Description

  • Erdgas betriebene Fremdzündungs(SI-)Motoren verwenden derzeit aufgrund sehr schlechter Entzündbarkeit und Brennbarkeit des Erdgaskraftstoffs stöchiometrische oder nahezu stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnisse (AFR) mit eingeschränkter Gemischverdünnung durch Abgasrückführung (AGR). Niedrige AGR-Niveaus reduzieren aufgrund von Abgastemperaturgrenzen und einer klopfenden Verbrennung die Motorleistungsfähigkeit (Drehmoment und Leistung). Niedrige AGR-Niveaus reduzieren auch die Motoreffizienz aufgrund einer niedrigen Verdichtungsrate, die zur Verhinderung von klopfender Verbrennung notwendig ist.
  • Aus der nachveröffentlichten DE 11 2013 002 524 T5 ist ein Fahrzeugsystem und ein Verfahren bekannt, bei dem mit einer zusätzlichen Einspritzdüse ein zusätzliches Erdgas in eine Kraftstoffzufuhr für zumindest einen Zylinder eines Motors einspritzt wird. Ein Teilabgasstrom wird über eine Turbine eines Turboladers abgeführt. Ein zweiter Teilabgasstrom wird vor einem Verdichter des Turboladers einer Ansaugluft zugeführt.
  • Die US 2012 / 0 078 492 A1 zeigt eine Kühleinrichtung im Abgasstrom eines AGR-Abgasstranges eines Diesel- oder Benzinmotors.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen schaffen ein Rückführungssystem für wasserstoffreiches Abgas und ein Verfahren, die die Hinzufügung einer zusätzlichen Einspritzdüse, die zusätzliches Erdgas über den stöchiometrischen Punkt hinaus in einen der Motorzylinder einspritzt, enthalten. Nach der Verbrennung bleibt der Wasserstoffgehalt im Abgas des Zylinders hoch. Das Abgas wird dann durch einen Pfad für wasserstoffreiches Abgas über eine Kühleinrichtung zu einer Abgasrückführungsmischvorrichtung geleitet, wo es mit einem Erdgas und einem Abgas aus anderen Zylindern vermischt wird. Das resultierende Gemisch wird dann für eine verbesserte Verbrennung aufgrund des zusätzlichen Wasserstoffs zu allen Zylindern des Motors geleitet.
  • 1 veranschaulicht ein Super-AGR-System für wasserstoffreiches Abgas für einen Erdgas betriebenen Fremdzündungsmotor gemäß dem vorliegenden System und Verfahren.
  • Das vorliegende System und Verfahren verbessern die Verbrennung von sehr mageren und/oder (mit AGR) hochverdünnten Erdgas(NG-)Kraftstoffgemischen, wodurch höhere AGR-Niveaus für eine höhere Motorleistung und -effizienz ermöglicht werden.
  • Die Mehrheit von NG-Fremdzündungs(SI)-Motoren in Automobilanwendungen werden an oder in der Nähe eines stöchiometrischen AFR und niedriger AGR-Niveaus betrieben. Dies ermöglicht eine zuverlässige Verbrennung und die Anwendung eines 3-Wege-Katalysators zur Einhaltung von Emissionswerten. Magerverbrennung und/oder höhere AGR erfordern jedoch komplexere Hochenergie-Zündanlagen, die wiederum die Zündkerzenlebensdauer beeinträchtigen. Im Gegenzug verbessern Magerverbrennung und/oder höhere AGR aufgrund niedrigerer Pumpverluste und eines höheren Verdichtungsverhältnisses die Motorleistung.
  • Das vorliegende AGR-System macht sich die Vorteile eines Wasserstoff-Kraftstoffs zuteil. Konkret ist Wasserstoff mit 6 Mal so schnellen Flammengeschwindigkeiten als bei der Erdgasverbrennung hochgradig entflammbar. Die Hinzufügung von Wasserstoff bewirkt eine erhebliche Entzündungs- und Verbrennungsverbesserung. Auf der einen Seite führt, wie nachstehend weiter beschrieben, ein wasserstoffreiches „Super-AGR“ aus einem der Zylinder eines 6-Zylinder-Motors dem Gesamt-AGR-Strom, der durch den zweiten (stöchiometrischen) AGR-Pfad gesteuert wird, konstant einen 17%-Summanden zu.
  • Konkreter verwenden derzeit stöchiometrische Erdgas betriebene SI-Motoren eine Standard-AGR-Ringleitung. D.h. stöchiometrisches Abgas (mit keinem Wasserstoffgehalt) wird durch das AGR-Steuerventil und optional durch eine AGR-Kühlereinrichtung zugeführt. Das Kraftstoffsystem enthält typischerweise eine oder mehrere NG-Einspritzdüsen.
  • Das vorgeschlagene System und Verfahren fügt dem bestehenden AGR-System eine „superreiche“ Ringleitung hinzu. Die „superreiche“ Ringleitung enthält einen Anschluss für reiches Gemisch mit einer Anreicherungseinspritzdüse, um in einer Ausführungsform für den einen der sechs Zylinder die Kraftstoff-Luft-Äquivalenz auf das Niveau von 1,2 bis 1,4 zu erhöhen. Der wasserstoffreiche (in einer Ausführungsform 3% bis 6%) AGR-Pfad versorgt über die AGR-Kühlereinrichtung und die AGR-Mischvorrichtung alle Zylinder.
  • 1 veranschaulicht ein wasserstoffreiches Super-AGR-System 100 für einen Erdgas betriebenen Fremdzündungsmotor gemäß dem vorliegenden System und Verfahren. 1 zeigt einige Standardmotorkomponenten, einschließlich eines Pfads 102 für stöchiometrisches Gemisch, einiger Motorzylinder 105, eines Pfads 107 für stöchiometrisches Abgas, einer AGR-Kühlereinrichtung 110, eines AGR-Hauptpfads 115, eines Turboladers 120, eines Dreiwege-Katalysators 125, eines AGR-Ventils 130, einer AGR-Mischvorrichtung 135, einer Ladeluft-Kühlereinrichtung 140, einer Erdgashaupteinspritzdüse 145 und einer Einlassdrossel 150.
  • 1 veranschaulicht außerdem eine Erdgaskraftstoffzufuhr 160, eine zusätzliche Erdgas-Einspritzdüse 165 für die Anreicherung des Zylinder 6, einen Anschluss 170 für reiches Gemisch, einen wasserstoffreichen AGR-Pfad 180 und eine optionale sekundäre AGR-Kühlereinrichtung 185.
  • In einem typischen Betrieb wird Erdgas aus der Erdgaskraftstoffversorgung 160 der Erdgashaupteinspritzdüse 145 zugeführt. Das Erdgas wird dann zu der AGR-Mischvorrichtung 135 durchgeleitet, wo es mit einem Abgas aus dem AGR-Ventil 130 vermischt wird. Das Erdgas-Abgas-Gemisch wird dann den Zylindern 105 zugeführt, wo es verbrannt wird. Das Abgas aus den Zylindern strömt nach außen durch den stöchiometrischen Abgaspfad hindurch, wo ein Teil des Abgases verwendet wird, um den Turbolader 120 anzutreiben und durchströmt dann den Dreiwege-Katalysator 125. Der Rest des Abgases wird dann zu dem AGR-Ventil 130 zurückgeführt. Der Turbolader 120 verdichtet die Einlassluft, die dann zu der Ladeluft-Kühlereinrichtung 140 und in die Erdgashaupteinspritzdüse hinein durchgeleitet wird.
  • Als Zusatz zu einem typischen AGR-System zeigt 1, dass ein Teil der Erdgaskraftstoffversorgung nun zu der zusätzlichen NG-Einspritzdüse 165 für eine Anreicherung des Zylinders 6 geleitet wird. Somit wird der Kraftstoff, der in den Zylinder 6 einströmt, erheblich über den erwarteten stöchiometrischen Punkt hinaus angereichert. Infolgedessen wird, nach der Verbrennung im Zylinder 6, das Abgas einen hohen Wasserstoffgehalt aufweisen und das resultierende wasserstoffreiche Abgas des Zylinders 6 wird dann zu den verbleibenden Zylindern zurückgeführt.
  • Konkreter wird der zusätzliche Kraftstoff aus der zusätzlichen Erdgaseinspritzdüse 165 durch den Anschluss 170 für reiches Gemisch hindurch und in den Zylinder sechs hinein durchgeleitet, wo der Kraftstoff verbrannt wird. Das Abgas aus Zylinder 6 wird nicht durch den stöchiometrischen Abgaspfad 107 hindurch geleitet, sondern strömt stattdessen durch einen wasserstoffreichen AGR-Pfad 180 und in einer Ausführungsform durch eine Kühleinrichtung 185 für einen reichen AGR-Pfad hindurch, bis es die AGR-Mischvorrichtung 135 erreicht. In der AGR-Mischvorrichtung 135 verbindet sich das Abgas aus dem wasserstoffreichen AGR-Pfad 180 mit dem Abgas aus dem stöchiometrischen Abgaspfad 107 und einem Erdgas aus der Erdgaseinspritzdüse 145. Das Gemisch wird dann all den sechs Zylindern 105 zugeführt.
  • Die Hinzufügung einer sekundären „superreichen AGR-Ringleitung“ mit einem hohen Wasserstoffgehalt unterstützt die Fremdzündung und die Verbrennung von Gemischen mit hohem AGR-Gehalt und/oder Magergemischen aus Erdgas und Luft. Die reiche AGR weist einen Wasserstoffgehalt von 3% bis 6% auf, der in dem Zylinder für reiche Verbrennung durch Verbrennung von NG-Kraftstoff-Luft mit einem Äquivalenzverhältnis in einer Ausführungsform in Bereich von 1,2 bis 1,4 erzeugt wird. Die Anreicherung - höheres als (stöchiometrisches) Äquivalenzverhältnis 1,0 - wird durch zusätzliche Einspritzung von NG-Kraftstoff in den Ansaugkanal eines Zylinders eines 6-Zylinder-Motors erzielt. Der gesamte Abgasstrom des dedizierten Zylinders wird zu dem Einlass umgekehrt. Folglich beträgt eine minimale EGR % in einer Ausführungsform ungefähr ~17%. Eine AGR-Steuerung oberhalb von 17% wird durch Hinzufügung einer Standard-AGR-Strecke, die in einer Ausführungsform eine AGR-Kühlereinrichtung und ein AGR-Ventil enthält, erzielt.
  • Das vorliegende System und Verfahren bietet die Vorteile eines hohen Verdichtungsverhältnisses für eine bessere Leistungsfähigkeit und kühlere AGR, niedrigere Zündenergie für längere Zündkerzenlebensdauer, eine Reduktion oder Beseitigung von klopfender Verbrennung und ermöglicht hohe AGR-Verhältnisse (>17%), ohne Pumpverluste zu erhöhen, bei gleichzeitiger Schaffung eines Lade-Staudrucks im positiven Bereich oder nahe Null.
  • Das vorliegende System und Verfahren kann außerdem die Anwendung eines stöchiometrischen NG-Motors mit einem 3-Wege-Katalysator verbessern, was ein günstiger Weg sein kann, die Autobahn-Emissionsstandards gemäß EPA/CARB 2010 zu erfüllen.

Claims (4)

  1. AGR-System für wasserstoffreiches Abgas für einen Erdgas betriebenen Fremdzündungsmotor, wobei das System enthält: eine zusätzliche Einspritzdüse (165), die ein zusätzliches Erdgas in eine Kraftstoffzufuhr für zumindest einen Zylinder (105) eines Motors einspritzt, wobei das zusätzliche Erdgas den stöchiometrischen Punkt der Verbrennung des zumindest einen Zylinders (105) übersteigt; einen Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas aus dem Ausgang des zumindest einen Zylinders (105); und eine Abgasrückführungsmischvorrichtung (135), wobei der Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas ein wasserstoffreiches Abgas aus dem zumindest einen Zylinder (105) zu der Abgasrückführungsmischvorrichtung (135) überträgt, wobei die Abgasrückführungsmischvorrichtung (135) das wasserstoffreiche Abgas mit Erdgas und einem Abgas aus zumindest einem anderen Zylinder (105) des Motors vermischt und das resultierende Gemisch mehreren Zylindern (105) des Motors zuführt, wobei der Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas eine Kühlereinrichtung (185) im Rückführungspfad für wasserstoffreiches Abgas enthält.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei die Hinzunahme von Erdgas durch die zusätzliche Einspritzdüse ein Erdgaskraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4 zur Folge hat.
  3. Verfahren für eine Rückführung eines wasserstoffreichen Abgases, wobei das Verfahren enthält: Einspritzen zusätzlichen Erdgases in eine Kraftstoffzufuhr für zumindest einen Zylinder eines Motors, wobei das zusätzliche Erdgas den stöchiometrischen Punkt der Verbrennung des zumindest einen Zylinders übersteigt; Durchleiten des wasserstoffreichen Abgases des zumindest einen Zylinders (105) hinein in einen Pfad (180) für wasserstoffreiches Abgas zur Übertragung an eine Abgasrückführungsmischvorrichtung (135); Vermischen des wasserstoffreichen Abgases mit Erdgas und einem Abgas aus zumindest einem anderen Zylinder (105) des Motors in der Abgasrückführungsmischvorrichtung (135); Zuführen des resultierenden Gemisches zu mehreren Zylindern (105) des Motors; und Leiten des wasserstoffreichen Abgases durch eine Kühleinrichtung (185) im Rückführungspfad für wasserstoffreiches Abgas.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Einspritzen von zusätzlichem Erdgas ein Erdgaskraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4 zur Folge hat.
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