EP1664504A1 - Wirkungsgraderhöhung von mit wasserstoff betrieben verbrennungsmotoren - Google Patents

Wirkungsgraderhöhung von mit wasserstoff betrieben verbrennungsmotoren

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EP1664504A1
EP1664504A1 EP04765584A EP04765584A EP1664504A1 EP 1664504 A1 EP1664504 A1 EP 1664504A1 EP 04765584 A EP04765584 A EP 04765584A EP 04765584 A EP04765584 A EP 04765584A EP 1664504 A1 EP1664504 A1 EP 1664504A1
Authority
EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
supplied
water
medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04765584A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Adler
Robert Adler
Sascha Dorner
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP1664504A1 publication Critical patent/EP1664504A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F02M25/0222—Water recovery or storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
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    • F02M25/032—Producing and adding steam
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying a medium which can be dispersed in an internal combustion engine, combustion air being supplied before and / or at least temporarily together with the supply of the medium and being compressed in the combustion chamber (s) of the internal combustion engine.
  • cryogenic medium such as hydrogen
  • the possibly modified internal combustion engines usually have a hydrogen
  • Intake manifold injection system which essentially corresponds to the intake manifold injection system used in conventional Otto engines. Due to the poor efficiency of such internal combustion engines with hydrogen manifold injection, common-rail high-pressure injection systems are being tested. Common-rail high-pressure injection systems are not able to significantly improve the efficiency of an internal combustion engine, but they can be used to increase the displacement.
  • the temperature of the intake air at top dead center which is dependent on the compression ratio selected, is for example 275 ° C. Is now cold hydrogen in injected into the combustion chamber of the cylinder, the compression temperature is lowered and compression work is thereby destroyed.
  • German patent application 102 54 156 - the disclosure content of which is included in the disclosure content of the present patent application with this citation - a method for supplying a medium combustible in an internal combustion engine is known.
  • the medium is heated to at least ambient temperature, preferably to a temperature of at least 500 ° C., before being fed into the internal combustion engine, and is supplied to the internal combustion engine at a pressure between 100 and 500 bar, preferably at a pressure between 200 and 300 bar.
  • the above-described procedure - hereinafter referred to as the HTI procedure - results in an efficiency increase of more than 0% compared to conventional procedures in which an intake manifold injection system is used.
  • the consumption of fuel or combustible medium is reduced while the internal combustion engine is more powerful.
  • a significant increase in efficiency is achieved using the HTI process.
  • a disadvantage of the HTI process is that the comparatively high working temperatures cannot be implemented in practice. The reason for this is the heat loss or the required heat dissipation, since these working temperatures are too high for the materials previously used.
  • the procedure described in German patent application 103 35 799 - hereinafter referred to as the Advanced HTI process - has the advantage that, by supplying or injecting water during the compression of the combustion air required for the combustion, the mixture temperature - at a constant final pressure, however increased compression ratio - after compression can be kept significantly lower than is the case with the HTI process described above.
  • the cooling effect required for this is achieved by evaporating the supplied or injected water and the heat of evaporation released in the process.
  • the final pressure after the compression of the combustion air is designed so that it is compressed along the saturation line of water - i.e. the boundary between wet and superheated steam - so that the water that is supplied or injected is completely evaporated without it is overheated; thus the optimal cooling effect is achieved.
  • the medium to be burned fed to the internal combustion engine Only then is the medium to be burned fed to the internal combustion engine.
  • this supply can also take place at least temporarily together with the supply of the combustion air.
  • the combustible medium is advantageously only supplied to the internal combustion engine towards the end of the period in which the combustion air is supplied.
  • the method described above makes it possible to keep the combustion temperature lower compared to the HTI method. Although this results in reduced thermal efficiency, the thermal losses are comparatively low.
  • the invention is to provide a generic method for supplying a medium in an internal combustion engine, which avoids the aforementioned disadvantages, in particular reduces the described thermal losses of an internal combustion engine.
  • the supply of water vapor at top dead center is preferably isochoric or essentially isochoric.
  • essentially isochoric should be understood to mean a supply of water vapor in which the position of the piston changes by no more than 10% in relation to its entire stroke.
  • the isochoric or essentially isochoric supply of the water vapor in the final phase of the compression and / or after the compression of the combustion air has resulted in the mass, temperature and pressure of the medium in the respective combustion chambers or cylinders of the
  • the temperature of the water vapor supplied is up to a temperature of 1000 ° C. above the saturation line of water at the respective pressure.
  • the pressure of the supplied water vapor is preferably chosen between 100 and 300 bar.
  • the water vapor supplied to the internal combustion engine is provided by means of cooling the one or one of the exhaust gas streams of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas stream (s) of the internal combustion engine is or are subjected to cooling in a condenser, the water obtained is compressed, then, preferably in an exhaust gas heat exchanger, heated and evaporated at the same time before it is fed to the internal combustion engine.
  • water which is subjected to the aforementioned procedure can also be provided in a (separate) storage container.
  • this is preferably supplied under conditions which make it possible for the supplied water to evaporate substantially completely.
  • the medium to be fed to the internal combustion engine that is to say, for example, the hydrogen
  • the medium be at least at ambient temperature, preferably at a temperature, before it is fed into the internal combustion engine
  • the medium can be heated to the aforementioned temperatures at least partially by heat exchange with the or one of the exhaust gas streams of the internal combustion engine.
  • the pressure at which the water is fed to the internal combustion engine is or is preferably between 5 and 250 bar, in particular between 50 and 150 bar.
  • the method according to the invention enables lower working temperatures to be achieved in the combustion chambers of internal combustion engines and, in connection with this, a corresponding protection of the materials used for the internal combustion engine or its combustion chambers.
  • the heat losses of an internal combustion engine can be reduced.
  • the performance can also be increased; in particular, the part-load behavior of the internal combustion engine is improved.
  • the method according to the invention is fundamentally suitable for all known media which can be burned in an internal combustion engine, such as cryogenic media - for example hydrogen -, natural gas and all types of diesel and gasoline fuels.
  • the method according to the invention for supplying a medium which is combustible in an internal combustion engine and further refinements thereof are explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • the three exemplary embodiments each show hydrogen-powered internal combustion engines M. Here show:
  • Figure 1 A first embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 2 A second embodiment of the method according to the invention, in which the above-described HTI method is additionally implemented
  • FIG. 3 A third embodiment of the method according to the invention, in which the above-described Advanced HTI method is additionally implemented
  • FIGS. 1, 2 and 3 show a multi-cylinder internal combustion engine M, which is only shown schematically and to which or whose cylinder spaces the combustion air required for the combustion is supplied via line 1.
  • hydrogen is supplied via line 1 in the form of a hydrogen / air mixture formed by an external mixture formation.
  • the water vapor required for the method according to the invention is obtained by the condensation of the water vapor contained in the exhaust gas stream of the internal combustion engine M.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine M is drawn off via the exhaust gas line 2, cleaned in an optionally provided catalytic converter K and cooled in a first heat exchanger E1 connected downstream of the catalytic converter K against the water vapor stream 5 to be explained. Subsequently, in a second heat exchanger E2 - preferably against ambient air - the exhaust gas stream is cooled further before it is fed to a condenser or ⁇ water separator W. The exhaust gas stream treated in this way is then discharged via line 3 - as a rule via an exhaust not shown in FIGS. 1 to 3.
  • the water obtained in the condenser or water separator W is first fed via line 4 to an optional filter F and then to an (intermediate) water reservoir S which is also optionally provided.
  • the filter F is to be provided at least whenever the water has dissolved particles, such as burnt lubricant components, which have to be removed before the water is supplied to the internal combustion engine M.
  • the water reservoir S serves as a buffer in order to be able to ensure an adequate supply of water or steam to the internal combustion engine M at all times. In particular in the start-up phase of the internal combustion engine M or in the event of load changes, insufficient water or water vapor may possibly be obtained using the condenser or water separator W.
  • the water is now drawn off from the water reservoir S via line 5, in which at least one water pump P is provided, fed to heat exchanger E1 and evaporated in line 2 against the exhaust gas stream to be cooled.
  • the water vapor is then fed to the internal combustion engine M or its cylinder chamber or chambers.
  • the amount of water vapor supplied to the internal combustion engine M or its cylinder chamber or chambers can be varied by means of appropriate injection valves 8.
  • the exhaust gas stream drawn off from the internal combustion engine M via the exhaust line 2 is cooled in three heat exchangers E1, E1 'and E2 connected in series before the water required in the condenser or water separator W. is separated from the cooled exhaust gas stream.
  • a control valve 9 is now provided in the water vapor line 6. After this, the water vapor stream is mixed with the hydrogen stream which is brought in via lines 10 and 11 and which was heated in heat exchanger E1 'and the like Flow rate is also adjustable by means of a control valve 12. The combined water vapor / hydrogen stream is then fed to the internal combustion engine M via the line 7.
  • a partial flow of the water withdrawn from the (intermediate) water reservoir S is fed via line 5 'and corresponding injection valves 13 to the internal combustion engine M or its cylinder space or spaces supplied.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Mediums wobei vor und/oder zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung des Mediums Verbrennungsluft zugeführt und in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors verdichtet wird, beschrieben. Erfindungsgemäss wird in der Endphase der Verdichtung und/oder nach erfolgter Verdichtung der Verbrennungsluft Wasserdampf zugeführt. Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes im oberen Totpunkt isochor oder im Wesentlichen isochor.

Description

Beschreibung
Wirkungsgraderhöhung von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrehnbaren Mediums wobei vor und/oder zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung des Mediums Verbrennungsluft zugeführt und in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors verdichtet wird.
Bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren zum Zuführen eines Mediums weisen - sofern ein kryogenes Medium, wie bspw. Wasserstoff, zur Anwendung kommt - die ggf. modifizierten Verbrennungsmotoren üblicherweise ein Wasserstoff-
Saugrohreinspritzsystem auf, wobei dieses im Wesentlichen den bei herkömmlichen Otto-Motoren verwendeten Saugrohreinspritzsystemen entspricht. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades derartiger Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff- Saugrohreinspritzung werden Common-Rail-Hochdruck-Einspritzsysteme erprobt. Common-Rail-Hochdruck-Einspritzsysteme vermögen zwar den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors nicht wesentlich zu verbessern, jedoch kann mit ihnen die Hubraumleistung angehoben werden.
Von Nachteil bei den bisher zur Anwendung kommenden Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff-Saugrohreinspritzung ist, dass der gasförmige Wasserstoff im Saugrohr einen beachtlichen Teil der Ansaugluft verdrängt und damit weniger Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Dies hat zur Folge, dass die Hubraumleistung von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren mit Saugrohreinspritzung deutlich geringer ist als bei einem Benzin- oder Dieselbetrieb.
Bei einer Hochdruck-Einspritzung des gasförmigen Wasserstoffes in den abgeschlossenen Zylinder - also bei geschlossenem oder geschlossenen Saugventilen - entfällt dieser Nachteil. Um Verdichtungsarbeit einzusparen, erfolgt die Einspritzung des gasförmigen Wasserstoffes in den abgeschlossenen Zylinder vorteilhafterweise erst knapp vor dem oberen Totpunkt des Kolbens.
Die von dem gewählten Verdichtungsverhältnis abhängige Temperatur der Ansaugluft im oberen Totpunkt beträgt beispielsweise 275 °C. Wird nunmehr kalter Wasserstoff in den Brennraum des Zylinders eingespritzt, wird die Verdichtungstemperatur gesenkt und damit Verdichtungsarbeit vernichtet.
Aus der deutschen Patentanmeldung 102 54 156 - deren Offenbarungsgehalt mit diesem Zitat in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen sei - ist ein Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Mediums bekannt. Bei diesem wird das Medium vor seiner Zuführung in den Verbrennungsmotor wenigstens auf Umgebungstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 500 °C erwärmt und dem Verbrennungsmotor mit einem Druck zwischen 100 und 500 bar, vorzugsweise mit einem Druck zwischen 200 und 300 bar, zugeführt.
Die vorbeschriebene Verfahrensweise - nachfolgend als HTI-Verfahren bezeichnet - hat eine Wirkungsgraderhöhung von mehr als 0 % gegenüber herkömmlichen Verfahrensweisen, bei denen ein Saugrohreinspritzsystem zur Anwendung kommt, zur Folge. Zudem verringert sich der Verbrauch an Kraftstoff bzw. verbrennbarem Medium bei gleichzeitig höherer Leistung des Verbrennungsmotors. Insbesondere im Teillastbereich des Verbrennungsmotors wird mittels des HTI-Verfahrens eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erreicht. Von Nachteil bei dem HTI-Verfahren ist jedoch, dass die vergleichsweise hohen Arbeitstemperaturen in der Praxis nicht umgesetzt werden können. Der Grund hierfür liegt in den Wärmeverlusten bzw. der erforderlichen Wärmeabführung, da diese Arbeitstemperaturen für die bisher verwendeten Werkstoffe zu hoch sind.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 103 35 799 - deren Offenbarungsgehalt mit diesem Zitat ebenfalls in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen sei - ist ein Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Mediums bekannt, wobei das Medium unter überatmosphärischem Druck und mit erhöhter Temperatur dem Verbrennungsmotor zugeführt und wobei vor und/oder zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung des Mediums Verbrennungsluft zugeführt wird. Bei dieser Verfahrensweise wird nunmehr zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung der Verbrennungsluft Wasser dem Verbrennungsmotor bzw. dessen Brennräumen zugeführt. Die in der deutschen Patentanmeldung 103 35 799 beschriebene Verfahrensweise - nachfolgend als Advanced-HTI-Verfahren bezeichnet - hat den Vorteil, dass durch die Zuführung bzw. Einspritzung von Wasser während der Verdichtung der für die Verbrennung erforderlichen Verbrennungsluft die Gemischtemperatur - bei gleichbleibendem Enddruck, aber erhöhtem Verdichtungsverhältnis - nach erfolgter Verdichtung bedeutend niedriger gehalten werden kann als dies bei dem vorbeschriebenen HTI-Verfahren der Fall ist. Der dafür erforderliche Kühleffekt wird durch das Verdampfen des zugeführten bzw. eingespritzten Wassers und die dabei freiwerdende Verdampfungswärme erreicht.
Der Enddruck nach der Verdichtung der Verbrennungsluft wird bei dieser Verfahrensweise so ausgelegt, dass entlang der Sättigungslinie von Wasser - also der Grenze zwischen Nass- und Heißdampf - verdichtet wird, das zugeführte bzw. eingespritzte Wasser folglich zur Gänze verdampft wird, ohne dass es dabei jedoch überhitzt wird; somit wird die optimale Kühlwirkung erreicht. Erst daran anschließend wird dem Verbrennungsmotor das zu verbrennende Medium zugeführt. Alternativ dazu kann diese Zuführung auch zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung der Verbrennungsluft erfolgen. Im letztgenannten Falle wird das verbrennbare Medium jedoch in vorteilhafter Weise erst gegen Ende des Zeitraumes, in dem die Verbrennungsluftzuführung erfolgt, dem Verbrennungsmotor zugeführt werden.
Das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht es, die Verbrennungstemperatur - verglichen mit dem HTI-Verfahren - niedriger zu halten. Daraus resultiert zwar ein verringerter thermischer Wirkungsgrad, jedoch sind die thermischen Verluste vergleichsweise gering.
Weiterhin bestehen bei dieser Verfahrensweise jedoch die Nachteile, dass zum einen Wärmeenergie im Abgas verloren geht und zum anderen die hohen Arbeitstemperaturen zu verringerten Werkstofffestigkeiten führen. Des Weiteren werden nur vergleichsweise geringe Zünddrücke erreicht, wobei im Falle einer Erhöhung dieser Zünddrücke - wie sie bspw. durch eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses erreicht werden kann - in einer Wirkungsgradsteigerung resultieren. Aufgabe der vorliegenden. Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Zuführen eines Mediums in einem Verbrennungsmotor anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere die beschriebenen thermischen Verluste eines Verbrennungsmotors verringert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Endphase der Verdichtung und/oder nach erfolgter Verdichtung der Verbrennungsluft Wasserdampf zugeführt wird.
Hierbei erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes im oberen Totpunkt vorzugsweise isochor oder im Wesentlichen isochor.
Unter dem Begriff "im Wesentlichen isochor" sei eine Zuführung des Wasserdampfes zu verstehen, bei der sich die Stellung des Kolbens, bezogen auf seinen gesamten Hub, um nicht mehr als 10 % ändert.
Erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes bereits vor dem oberen Totpunkt, müsste zusätzliche Verdichtungsarbeit geleistet werden, während bei einer Zuführung des Wasserdampfes nach dem oberen Totpunkt wiederum Entspannungsarbeit verloren geht.
Erfindungsgemäß werden nunmehr durch die isochore oder im Wesentlichen isochore Zuführung des Wasserdampfes in der Endphase der Verdichtung und/oder nach erfolgter Verdichtung der Verbrennungsluft Masse, Temperatur und Druck des Mediums in den jeweiligen Verbrennungsräumen bzw. Zylindern des
Verbrennungsmotors erhöht. Bei der Verbrennung entstehen durch die erhöhten Massen niedrigere Arbeitstemperaturen, die in höheren Werkstofffestigkeiten resultieren. Dadurch können die entstehenden, höheren Drücke aufgenommen werden, was wiederum zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Mittels dieser Verfahrensweise kann daher mehr Entspannungsarbeit gewonnen werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Temperatur des zugeführten Wasserdampfes bis zu einer Temperatur von 1000 °C über der Sättigungslinie von Wasser beim jeweiligen Druck. Der Druck des zugeführten Wasserdampfes wird hierbei vorzugsweise zwischen 100 und 300 bar gewählt.
Es hat sich gezeigt, dass mit den vorgenannten Temperatur- und Druckbereichen die besten Ergebnisse erreicht werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, in anderen Temperatur und/oder Druckbereichen zu arbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildend wird vorgeschlagen, dass der dem Verbrennungsmotor zugeführte Wasserdampf mittels einer Abkühlung des oder einer der Abgasströme des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird.
Dazu wird bzw. werden der oder die Abgasströme des Verbrennungsmotors in einem Kondensator einer Abkühlung unterworfen, das dabei gewonnene Wasser verdichtet, anschließend, vorzugsweise in einem Abgaswärmetauscher, erhitzt und gleichzeitig verdampft, bevor es dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch in einem (separaten) Speicherbehälter Wasser, das der vorgenannten Prozedur unterworfen wird, bereitgestellt werden.
Insbesondere aufgrund der vorbeschriebenen Wärmerückgewinnung aus dem oder den Abgasströmen wird der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich erhöht.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit der oben beschriebenen Verfahrensweise - also der zumindest zeitweiligen gemeinsamen Zuführung von Verbrennungsluft und Wasser - kombiniert wird.
Bei der vorbeschriebenen Zuführung von Wasser wird dieses vorzugsweise unter Bedingungen zugeführt, die ein im Wesentlichen vollständiges Verdampfen des zugeführten Wassers ermöglichen.
Hinsichtlich des dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Mediums, also bspw. des Wasserstoffes, empfiehlt es sich, dass das Medium vor seiner Zuführung in den Verbrennungsmotor wenigstens auf Umgebungstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 500 °C erwärmt und dem Verbrennungsmotor mit einem Druck zwischen 100 und 500 bar, vorzugsweise mit einem Druck zwischen 200 und 300 bar, zugeführt wird.
Hierbei kann die Erwärmung des Mediums auf die vorgenannten Temperaturen zumindest teilweise im Wärmetausch mit dem oder einem der Abgasströme des Verbrennungsmotors erfolgen.
Der Druck, mit dem das Wasser dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, beträgt bzw. liegt vorzugsweise zwischen 5 und 250 bar, insbesondere zwischen 50 bis 150 bar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Realisierung niedrigerer Arbeitstemperaturen in den Brennräumen von Verbrennungsmotoren und damit verbunden eine entsprechende Schonung der für den Verbrennungsmotor bzw. dessen Brennräume verwendeten Materialien. Darüber hinaus können die Wärmeverluste eines Verbrennungsmotors verringert werden. Bei gleichem Verbrauch an verbrennbarem Medium kann zudem die Leistung erhöht werden; insbesondere wird das Teillastverhalten des Verbrennungsmotors verbessert.
Bei herkömmlichen Treibstoffen - gemeint sind hiermit Diesel und Benzin bzw.
Treibstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis - dürfte ohne einen unverhältnismäßig hohen technischen Aufwand keine ausreichende Wasser-Kondensation aus dem oder den Abgasströmen des Verbrennungsmotors möglich sein. Bei der Verwendung dieser Treibstoffe wird daher im Regelfall zusätzlich Wasser bereit gestellt bzw. auf andere Art gewonnen werden müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle bekannten, in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Medium, wie kryogene Medien - beispielsweise Wasserstoff -, Erdgas sowie Diesel- und Benzinkraftstoffe aller Art.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Mediums sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die drei Ausführungsbeispiele zeigen hierbei jeweils mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren M. Hierbei zeigen:
Figur 1: Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 2: Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zusätzlich das vorbeschriebene HTI-Verfahren realisiert wird
Figur 3: Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zusätzlich das vorbeschriebene Advanced-HTI-Verfahren realisiert wird
Die Figuren 1 , 2 und 3 zeigen einen lediglich schematisch dargestellten, mehrzylindrigen Verbrennungsmotor M, dem bzw. dessen Zylinderräumen über Leitung 1 die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft zugeführt wird. Zusätzlich wird bei der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens über Leitung 1 Wasserstoff in Form eines durch eine äußere Gemischbildung gebildeten Wasserstoff/Luftgemisches zugeführt. Der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Wasserdampf wird - wie bereits beschrieben - durch die Kondensation des in dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors M enthaltenen Wasserdampfes gewonnen.
Wie in der Figur 1 gezeigt, wird über die Abgasleitung 2 das Abgas des Verbrennungsmotors M abgezogen, in einem optional vorzusehenden Katalysator K gereinigt und in einem, dem Katalysator K nachgeschalteten ersten Wärmetauscher E1 gegen den noch zu erläuternden Wasserdampf-Strom 5 abgekühlt. Anschließend erfolgt in einem zweiten Wärmetauscher E2 - vorzugsweise gegen Umgebungsluft - eine weitere Abkühlung des Abgasstromes, bevor dieser einem Kondensator bzw. ■ Wasserabscheider W zugeführt wird. Der so behandelte Abgasstrom wird anschließend über Leitung 3 - im Regelfall über einen in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellten Auspuff - abgeführt. Das in dem Kondensator bzw. Wasserabscheider W gewonnene Wasser wird über Leitung 4 zunächst einem optional vorzusehenden Filter F und anschließend einem ebenfalls optional vorzusehenden (Zwischen)Wasserspeicher S zugeführt.
Der Filter F ist zumindest immer dann vorzusehen, wenn das Wasser gelöste Partikel, wie beispielsweise verbrannte Schmiermittelbestandteile, aufweist, die vor der Zuführung des Wassers zu dem Verbrennungsmotor M entfernt werden müssen. Der Wasserspeicher S dient hierbei als Puffer, um jederzeit eine ausreichende Zufuhr von Wasser bzw. Wasserdampf zu dem Verbrennungsmotor M gewährleisten zu können. Insbesondere in der Startphase des Verbrennungsmotors M oder bei Lastwechseln kann möglicherweise mittels des Kondensators bzw. Wasserabscheiders W nicht genügend Wasser bzw. Wasserdampf gewonnen werden.
Aus dem Wasserspeicher S wird das Wasser nunmehr erfindungsgemäß bei Bedarf über die Leitung 5, in der wenigstens eine Wasserpumpe P vorgesehen ist, abgezogen, dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in ihm gegen den abzukühlenden Abgasstrom in der Leitung 2 verdampft. Anschließend wird der Wasserdampf dem Verbrennungsmotor M bzw. dessen Zylinderraum oder -räumen zugeführt.
Die Menge des dem Verbrennungsmotor M bzw. dessen Zylinderraum oder -räumen zugeführten Wasserdampfes kann dabei mittels entsprechender Einspritzventile 8 variiert werden.
Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der über die Abgasleitung 2 aus dem Verbrennungsmotor M abgezogene Abgasstrom in drei in Reihe geschalteten Wärmetauschern E1, E1' und E2 abgekühlt, bevor in dem Kondensator bzw. Wasserabscheider W das benötigte Wasser aus dem abgekühlten Abgasstrom abgetrennt wird.
Im Gegensatz zu der in der Figur 1 beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nunmehr in der Wasserdampfleitung 6 ein Regelventil 9 vorgesehen. Nach diesem erfolgt ein Vermischen des Wasserdampfstromes mit dem über die Leitungen 10 und 11 herangeführten Wasserstoffstrom, der im Wärmetauscher E1' erwärmt wurde und dessen Durchflussmenge ebenfalls mittels eines Regelventiles 12 einstellbar ist. Über die Leitung 7 wird der vereinigte Wasserdampf/Wasserstoffstrom anschließend dem Verbrennungsmotor M zugeführt.
Bei der in der Figur 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr im Unterschied zu der.in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform ein Teilstrom des aus dem (Zwischen)Wasserspeicher S abgezogenen Wassers über die Leitung 5' und entsprechende Einspritzventile 13 dem Verbrennungsmotor M bzw. dessen Zylinderraum oder -räumen zugeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Zuführen eines in einem Verbrennungsmotor verbrennbaren Mediums wobei vor und/oder zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung des Mediums Verbrennungsluft zugeführt und in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Endphase der Verdichtung und/oder nach erfolgter Verdichtung der Verbrennungsluft Wasserdampf (5', 6, 7) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Wasserdampfes (5', 6, 7) im oberen Totpunkt isochor oder im Wesentlichen isochor erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des zugeführten Wasserdampfes (5', 6, 7) bis zu einer Temperatur von 1000 °C über der Sättigungslinie von Wasser beim jeweiligen Druck liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zugeführten Wasserdampfes (5', 6, 7) 100 bis 300 bar beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verbrennungsmotor (M) zugeführte Wasserdampf (5', 6, 7) mittels einer Abkühlung (E1 , E1', E2) des oder einer der Abgasströme (2) des Verbrennungsmotors (M) bereitgestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweilig gemeinsam mit der Zuführung der Verbrennungsluft (1) Wasser zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser unter Bedingungen zugeführt wird, die ein im Wesentlichen vollständiges Verdampfen des zugeführten Wassers ermöglichen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium vor seiner Zuführung in den Verbrennungsmotor (M) wenigstens auf Umgebungstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 500 °C erwärmt und dem Verbrennungsmotor (M) mit einem Druck zwischen 100 und 500 bar, vorzugsweise mit einem Druck zwischen 200 und 300 bar, zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Mediums zumindest teilweise im Wärmetausch (E1, E1') mit dem oder einem der Abgasströme (2) des Verbrennungsmotors (M) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser dem Verbrennungsmotor (M) mit einem Druck zwischen 5 und 250 bar, vorzugsweise zwischen 50 und 150 bar zugeführt wird.
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