EP3303805A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

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EP3303805A1
EP3303805A1 EP16736758.0A EP16736758A EP3303805A1 EP 3303805 A1 EP3303805 A1 EP 3303805A1 EP 16736758 A EP16736758 A EP 16736758A EP 3303805 A1 EP3303805 A1 EP 3303805A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
turbo
exhaust
exhaust gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16736758.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ettore Musu
Friedrich Gruber
Nikolaus Spyra
Georg Tinschmann
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a dual-fuel internal combustion engine, which is operated according to the Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) combustion method, having the features of the preamble of claim 1.
  • PCCI Premixed Charge Compression Ignition
  • the invention also relates to an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 6.
  • Dual-fuel internal combustion engines are internal combustion engines that typically operate in two modes of operation. A distinction is made between a mode of operation with primarily liquid fuel supply (“liquid operation” for short, “diesel operation” in the case of using diesel as liquid fuel) and a mode of operation with primarily gaseous fuel supply, in which the liquid fuel serves as pilot fuel for starting combustion (briefly referred to as "pilot operation").
  • liquid operation for short, “diesel operation” in the case of using diesel as liquid fuel
  • pilot operation a mode of operation with primarily gaseous fuel supply, in which the liquid fuel serves as pilot fuel for starting combustion
  • the PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) combustion process is a promising approach to achieving high-efficiency and low-emission combustion.
  • a lean mixture of air and an ignitable fuel eg, gas
  • ignitable fuel eg, diesel
  • An internal combustion engine operated according to the PCCI method is classified as a special variant of a dual-fuel internal combustion engine.
  • Such a dual-fuel internal combustion engine thus has a PCCI operating mode. If it is operated according to the PCCI combustion process, this is referred to as the PCCI operating mode.
  • Incineration in the PCCI combustion process runs at lower local temperatures than conventional combustion in diesel or gas engines and is further characterized by the avoidance of locally very rich or lean areas, so that the formation of nitrogen oxides (NOX), soot and THC emissions significantly is reduced.
  • NOX nitrogen oxides
  • a determining parameter for the control of combustion is the amount and temperature of the recirculated or retained exhaust gas within the cylinder. It is possible to differentiate between internal and external exhaust gas recirculation (EGR).
  • EGR exhaust gas recirculation
  • exhaust gas is removed from the exhaust system and fed via a line back to the intake.
  • the external exhaust gas recirculation allows a simple and effective cooling of the exhaust gas via heat exchangers.
  • LP EGR low-pressure exhaust gas recirculation
  • HP-EGR high-pressure exhaust gas recirculation
  • the combustion gases are either retained in the cylinder or briefly pushed into the inlet channel and sucked back. Also possible is the temporary opening of the exhaust valve (s) during the intake stroke, so that exhaust gas is sucked back into the cylinder.
  • the intake and exhaust valve opening times must be modified for the internal exhaust gas recirculation and for setting the desired residual gas content.
  • the retention of exhaust gas is an integral part of the PCCI combustion process.
  • the internal EGR and the external HD EGR have in common that the amount of residual gas or recirculated exhaust gas is influenced by the pressure level upstream of the turbine and also upstream of the cylinder. Raising the pressure level upstream of an exhaust gas turbine (ie the exhaust gas back pressure) as well as modified valve opening times, in particular in the four-stroke process, inherently losses in Ausschiebetakt and thus reduces the efficiency.
  • the object of the invention is to provide a control method or an internal combustion engine by which or by which the disadvantages of the prior art are avoided.
  • the exhaust gas recirculation rate can be controlled or controlled elegantly.
  • the invention is primarily aimed at influencing the internal EGR rate.
  • an internal exhaust gas recirculation takes place by retaining or re-aspirating exhaust gases from the intake or exhaust tract of an internal combustion engine. Controlling the exhaust backpressure directly affects the internal EGR rate, with increased exhaust back pressure resulting in an increased internal EGR rate. Conversely, reduced exhaust back pressure causes a reduced EGR rate. It is preferably provided that the variation of the exhaust gas back pressure exerted by the turbo-compound system takes place by controlling or regulating a braking torque of a generator of the turbo-compound system.
  • the controlling or regulating the braking torque of the generator can be done for example by influencing the excitation current. It should be understood that an increase in the braking torque exerted by the generator also equals an increase in the power available from the generator.
  • Increasing the braking torque of the turbo-compound system increases the exhaust back pressure exerted by the turbo-compound system, thereby increasing the amount of recirculated / retained exhaust gas.
  • a particular advantage of the solution is that the increase in the exhaust backpressure means only a small loss of energy, since the turbo compound system generates more electrical power with increased exhaust gas back pressure.
  • the exhaust counterpressure is additionally controlled or regulated by actuation of a valve arranged downstream of the turbocharger in the exhaust pipe.
  • the internal combustion engine is operated in the PCCI operating mode.
  • an internal combustion engine can be operated particularly favorably in both operating modes (PCCI operating mode and diesel operation).
  • PCCI operating mode PCCI operating mode
  • diesel operation variable valve timing for the intake and / or exhaust valves of the combustion chambers can also be used to control the internal EGR.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a stationary gas engine, particularly preferably as part of a gene set for decentralized power generation. Also conceivable are applications in the marine and locomotive sector.
  • Fig. 7 shows an arrangement of an internal combustion engine with two-stage
  • Fig. 1 shows the power stroke of a 4-stroke internal combustion engine without internal exhaust gas recirculation and with a turbocharger with high efficiency in the pV diagram.
  • the cylinder pressure ⁇ "in cylinder pressure" is plotted on the Y-axis, on the X-axis the volume.
  • An internal combustion engine with the characteristic shown here has a positive purging gradient, ie that the pressure level upstream of the cylinder pEiniass is greater than the pressure level downstream of the cylinder, PA US A S , ie the exhaust back pressure, which prevails after the exhaust valves and upstream of the exhaust gas turbine. Due to the positive flushing gradient, the loop generated by the push-out and the suction stroke (the so-called low-pressure cycle) also contributes to power generation, as is well known.
  • FIG. 2 shows the illustration of a power stroke of an internal combustion engine which is operated in PCCI mode in the pV diagram analogous to the representation of FIG. 1. It can be seen that here the pressure level upstream of the cylinder is lower than the exhaust back pressure p Au siass pitch, ie the internal combustion engine has a negative purging gradient. This requires work to be done for the intake and exhaust cycle. If one superimposes the representations of FIG. 1 and FIG. 2 on top of one another, one recognizes that, compared to the normal operating mode of FIG. 1, on the one hand the power gained therein is lost, and additionally the power shown in FIG. Intake stroke must be provided.
  • FIG. 3 shows the pV diagram of a working cycle of a 2-stroke internal combustion engine with internal EGR and increased pressure level upstream of the exhaust gas turbine (PCCI operating mode). It can be seen immediately the inherent advantages of the 2-stroke process with respect to the work to be applied in the intake and Ausschiebezyklus. A charge cycle as in the 4-stroke is missing, so the charge cycle is much smaller.
  • Fig. 4 shows an arrangement according to a first embodiment.
  • the arrangement shows an internal combustion engine 1, a turbocharger 2 and a turbo-compound system 5 in an arrangement parallel to the turbocharger 2.
  • the internal combustion engine 1 generally has a plurality of combustion chambers 14, of which only one is shown for the sake of clarity.
  • the combustion chambers 14 are connected to the supply line 11 via at least one inlet valve 15 and to the exhaust line 9 via at least one outlet valve 16.
  • Turbo-compound systems are basically known from the prior art. This exhaust gases of an internal combustion engine are relaxed in a power turbine and the enthalpy of the exhaust gas into mechanical or when coupling the power turbine with a generator converted into electrical energy.
  • the turbocharger 2 consists of the exhaust gas turbine 3 and the coupled via a shaft with the exhaust gas turbine 3 compressor 4. On the supply line 1 1 incoming air or incoming mixture is compressed by the compressor 4 and on the
  • Heat exchanger 13 of the internal combustion engine 1 is supplied.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine 1 are passed to the exhaust gas turbine 3, where they are relaxed and flow with reduced pressure.
  • the high-pressure exhaust gas recirculation 6 consists of a controllable valve and a heat exchanger, so that the recirculated exhaust gases can be supplied to the inlet of the internal combustion engine 1 cooled.
  • a second exhaust gas recirculation, the optional low-pressure exhaust gas recirculation 7 is arranged downstream of the exhaust gas turbine 3 and can remove the exhaust gas present there at a lower pressure level than upstream of the exhaust gas turbine 3 and feed it to the mixture or air supply line upstream of the compressor 4 , In order to influence the amount of exhaust gas recirculated via the low-pressure exhaust gas recirculation 7 into the supply line 11, two shut-off valves are provided.
  • Valve 17 connects the outlet of the exhaust gas turbine 3 with the exit of the exhaust gases from the exhaust pipe 9 (such as a chimney or a A further valve is provided in the connection to the supply line 1 1, whereby the amount of recirculated via the low-pressure exhaust gas recirculation 7 exhaust gas can be regulated in the interaction of the valve positions.
  • the latter valve also allows complete shut-off of the flow path to the supply line 1 1 and can be provided in all embodiments.
  • an electric turbo-compound system 5 is arranged. Upstream of the turbo-compound system 5 is the valve 1 0.
  • the control unit 8 can now control the electric turbo-compound system 5 (hereinafter referred to as "control") so that the turbo-compound system 5 is operated, for example, at a constant rotational speed via the generator G. It would also be conceivable to adjust the flow of the turbine 1 2.
  • the pressure level prevailing immediately before the turbine of the turbo-compound system 5 or the exhaust gas mass flow flowing through the turbine 1 2 of the turbo-compound system 5 can be controlled via the control / regulating device 8 by means of engagement with the valve 10.
  • the exhaust back pressure PA US A S exerted by the turbo-compound system 5 can be controlled or regulated.
  • the internal EGR rate is directly affected, with increased exhaust back pressure resulting in an increased internal EGR rate.
  • reduced exhaust back pressure causes a reduced EGR rate.
  • the EGR rate can be controlled elegantly by means of turbo-compound system 5. If, for example, the valve 10 is opened, not all of the exhaust gas coming from the internal combustion engine 1 flows to the exhaust gas turbine 3, but also a subset thereof to the turbo-compound system 5.
  • the pressure level in front of the exhaust gas turbine 3 can be influenced.
  • increasing the amount of exhaust gas flowing through the turbo-compound system 5 causes lowering of the pressure level in front of the exhaust turbine 3.
  • the turbo-compound 5 and the turbocharger 3 will be tuned so that there is a control reserve in both directions, i. in the direction of an increase of the exhaust gas mass flow flowing through the turbo-compound system 5 and in the direction of a reduction of the same.
  • the back pressure of the turbo-compound system 5 can be controlled or regulated.
  • the turbo-compound system 5 can be regulated to a constant speed.
  • the controllable valve 10 thus allows the operation of the electric turbo-compound system 5 at a constant speed and the regulation of the pressure in front of the exhaust gas turbine third
  • the valve 10 upstream of the turbo compound 5 is designed as a non-controllable valve.
  • the turbo-compound 5 has a variable speed during operation.
  • Fig. 5 shows another embodiment of the arrangement of an internal combustion engine with turbo-compound for implementing the method according to the invention.
  • the turbo-compound system 5 and the turbocharger 2 are combined:
  • the turbine 12 of the turbo-compound system 5 replaces the exhaust gas turbine 3 of the turbocharger 2.
  • the turbine 12 is coupled to the compressor 4 via a shaft and forms the turbocharger 2 together with the compressor 4.
  • the turbo-compound system 5 is coupled on the one hand via a shaft to the compressor 4 and on the other hand with the generator G. Also shown is the high-pressure exhaust gas recirculation 6 and an optional low-pressure exhaust system 7. To control this applies to Figure 4 said.
  • the exhaust gas back pressure (and thus the EGR rate) exerted by the turbo-compound system 5 is varied by varying the resistance acting on the turbo-compound system 5 from the generator G. If a high braking torque from the generator G acts on the turbo-compound system 5, a higher pressure level prevails in the exhaust gas line 9 than at a lower applied braking torque by the generator G.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment in which the turbo-compound system 5 is arranged in series with the exhaust gas turbine 3 downstream of the exhaust gas turbine 3. In this case, an actuation of the turbo-compound system 5 acts on the pressure level between the exhaust turbine 3 and turbo-compound system 5 but also to the pressure level upstream of the exhaust turbine 3 and thus changes the exhaust back pressure pAusiass and thus the level of internal EGR.
  • the turbo-compound system 5 has a controllable bypass. With a controllable valve, the bypass can be fully opened as needed, completely close or take intermediate positions. In the fully open position of the bypass, the exhaust gas will largely bypass the turbo-compound system 5.
  • the bypass creates a possibility to react quickly especially during transient operation (ie during rapid load fluctuations).
  • the bypass would be fully opened to provide all exhaust energy to generate boost pressure.
  • the embodiment can be designed with two-stage supercharging (two turbochargers in series).
  • Fig. 7 shows an arrangement with two-stage supercharging, wherein two turbochargers 2, 2 'are arranged in series.
  • the turbo-compound system 5 is arranged between the input side of the turbine 3 of the turbocharger 2 (acting here as a high-pressure charger) and the output side of the turbine 3 'of the turbocharger 2' (low-pressure charger).
  • the turbo-compound system 5 can also be arranged between the inlet and outlet sides of the turbine 3 (high-pressure loader).
  • the braking torque of the turbo-compound system 5 can also be varied via the control / regulating device 8 here.
  • the pressure level in the exhaust pipe 9 upstream of the Hoch Kunststoffabgasturbine 3 and consequently the recirculated / retained exhaust gas amount can be varied.
  • a flow path downstream of the turbo-compound system 5 is still dashed, which connects the outflow side of the turbo-compound system 5 with the inlet of the turbine 3 'of the turbocharger 2' (low-pressure loader).
  • the turbo-compound system 5 in this variant bridges only the high-pressure charger. This creates the opportunity to process exhaust gas from the turbo-compound system 5 still in the low-pressure loader.
  • the turbine 12 of the turbo-compound system 5 itself can be designed in two stages.
  • the dotted box around the internal combustion engine 1 is the functional unit again. Constructively, it is of course so that the supply line 1 1 leads to the intake valves 15 and the exhaust valves 16 are connected to the exhaust pipe 9.
  • the exhaust back pressure PAusiass is located between the exhaust valves 16 and the exhaust gas turbine 3 (FIGS. 4, 6 and 7) and the exhaust gas turbine 12 (FIG. 5).

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) wobei eine Menge eines in Brennräumen (14) der Brennkraftmaschine (1) verbleibenden Abgases variiert wird, wobei die Variation der Menge des verbleibenden Abgases durch Steuern oder Regeln eines von einem in einer Abgasleitung (9) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Turbo-Compound-Systems (5) ausgeübten, an Auslassventilen (16) der Brennräume (14) anliegenden Abgasgegendruckes (pAuslass) erfolgt.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, die nach dem Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) Brennverfahren betrieben wird, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 . Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6.
Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen sind Brennkraftmaschinen, die typischerweise in zwei Betriebsmodi betrieben werden können. Dabei unterscheidet man einen Betriebsmodus mit primär flüssiger Kraftstoffzufuhr (kurz„Flüssigbetrieb", im Falle der Verwendung von Diesel als flüssigem Kraftstoff kurz„Dieselbetrieb" genannt) und einen Betriebsmodus mit primär gasförmiger Kraftstoffzufuhr, bei welchem der flüssige Kraftstoff als Pilotkraftstoff zum Start der Verbrennung dient (kurz als„Pilotbetrieb" bezeichnet).
Bei der Auslegung von Verbrennungskraftmaschinen besteht ein Zielkonflikt zwischen der Reduktion von Stickoxiden und der Reduktion von Partikelemissionen, bei Gasmotoren darüberhinaus auch der Reduktion von THC (engl, total hydrocarbons - Summe an unverbrannten Kohlenwasserstoffen).
Das PCCI {Premixed Charge Compression Ignition) Brennverfahren ist ein vielversprechender Ansatz zur Verwirklichung einer hocheffizienten und schadstoffarmen Verbrennung. Beim PCCI-Brennverfahren wird ein mageres Gemisch aus Luft und einem zündunwilligen Kraftstoff (beispielsweise Gas) durch Einspritzung einer kleinen Menge zündfreudigen Kraftstoffs (beispielsweise Diesel) gezündet. Eine nach dem PCCI- Verfahren betriebene Brennkraftmaschine ist als spezielle Variante einer Dual-Fuel- Brennkraftmaschine einzuordnen.
Eine solche Dual-Fuel-Brennkraftmaschine weist also einen PCCI-Betriebsmodus auf. Wird sie nach dem PCCI-Brennverfahren betrieben, so spricht man von dem PCCI- Betriebsmodus. Die Verbrennung beim PCCI- Brennverfahren verläuft bei geringeren lokalen Temperaturen als die konventionelle Verbrennung in Diesel- oder Gasmotoren und zeichnet sich weiters durch die Vermeidung lokal sehr fetter oder magerer Bereiche aus, sodass die Bildung von Stickoxiden (NOX), Ruß und THC-Emissionen deutlich reduziert wird.
Ein bestimmender Parameter für die Regelung der Verbrennung ist die Menge sowie die Temperatur des rückgeführten oder zurückgehaltenen Abgases innerhalb des Zylinders. Man kann dabei zwischen interner und externer Abgasrückführung (AGR) unterscheiden.
Bei externer Abgasrückführung wird Abgas aus dem Abgastrakt entnommen und über eine Leitung wieder dem Ansaugtrakt zugeführt. Die externe Abgasrückführung erlaubt eine einfache und effektive Kühlung des Abgases über Wärmetauscher.
Bei der Niederdruck- Abgasrückführung (ND-AGR) erfolgt die Entnahme nach der Turbine des Turboladers, die Einleitung im Ansaugtrakt vor dem Verdichter des Turboladers.
Bei der Hochdruck- Abgasrückführung (HD-AGR) erfolgt die Entnahme vor der Turbine des Turboladers, die Einleitung im Ansaugtrakt nach dem Verdichter des Turboladers.
Bei der internen Abgasrückführung werden die Verbrennungsgase im Zylinder entweder zurückgehalten oder kurzzeitig in den Einlasskanal geschoben und wieder angesaugt. Auch möglich ist die zeitweise Öffnung des/ der Auslassventil(e) während des Ansaugtakts, sodass Abgas in den Zylinder zurückgesaugt wird.
In aller Regel müssen für die interne Abgasrückführung und zur Einstellung des gewünschten Restgasgehaltes die Ein- und Auslassventilöffnungszeiten modifiziert werden. Das Zurückhalten von Abgas (interne AGR) ist wesentlicher Bestandteil des PCCI- Brennverfahrens. Der internen AGR und der externen HD- AGR ist gemein, dass die Menge an Restgas bzw. rückgeführtem Abgas über das Druckniveau vor Turbine und auch vor Zylinder beeinflusst wird. Ein Anheben des Druckniveaus vor einer Abgasturbine (d. h. des Abgasgegendruckes) hat ebenso, wie modifizierte Ventilöffnungszeiten, insbesondere beim Viertaktverfahren, prinzipbedingt Verluste im Ausschiebetakt zufolge und verringert damit den Wirkungsgrad. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren bzw. eine Brennkraftmaschine anzugeben durch welches bzw. durch welche die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Gelöst werden die Aufgaben durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 6.
Dadurch, dass die Variation der Menge des verbleibenden Abgases durch Steuern oder Regeln eines von einem in einer Abgasleitung der Brenn kraftmasch ine angeordneten Turbo-Compound-Systems ausgeübten, an Auslassventilen der Brennräume anliegenden Abgasgegendruckes erfolgt, kann die Abgasrückführrate elegant gesteuert bzw. geregelt werden.
Wird in der vorliegenden Offenlegung von einer„Abgasrückführrate" gesprochen, ist damit freilich auch die Abgasrückhaltung bei interner AGR erfasst.
Die Erfindung zielt primär auf die Beeinflussung der internen AGR-Rate ab.
Wie eingangs erläutert, erfolgt eine interne Abgasrückführung durch Zurückhalten oder Wiederansaugen von Abgasen aus dem Einlass- oder Auslass-Trakt einer Brennkraftmaschine. Durch Steuern oder Regeln des Abgasgegendruckes wird direkt die interne AGR-Rate beeinflusst, wobei ein erhöhter Abgasgegendruck eine erhöhte interne AGR-Rate zur Folge hat. Umgekehrt bewirkt ein verringerter Abgasgegendruck eine verringerte AGR-Rate. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Variation des vom Turbo-Compound-System ausgeübten Abgasgegendruckes durch Steuern oder Regeln eines Bremsmomentes eines Generators des Turbo-Compound-Systems erfolgt.
Das Steuern oder Regeln des Bremsmomentes des Generators kann beispielsweise über Beeinflussung des Erregerstroms erfolgen. Es sei so verstanden, dass eine Erhöhung des vom Generator ausgeübten Bremsmomentes auch einer Erhöhung der vom Generator abrufbaren Leistung gleichkommt.
Bei einer Erhöhung des Bremsmomentes des Turbo-Compound-Systems erhöht sich der vom Turbo-Compound-System ausgeübte Abgasgegendruck, wodurch die Menge an rückgeführtem / rückgehaltenem Abgas steigt. Besonders vorteilhaft an der Lösung ist, dass die Erhöhung des Abgasgegendruckes nur einen kleinen Energieverlust bedeutet, da das Turbo-Compound-System bei erhöhtem Abgasgegendruck umso mehr elektrische Leistung erzeugt.
Es kann vorgesehen sein, dass bei paralleler Anordnung des Turbo-Compound- Systems zu einem Turbolader, vorzugsweise in einem PCCI-Modus, der Abgasgegendruck zusätzlich durch Betätigung eines in der Abgasleitung stromabwärts des Turboladers angeordneten Ventils gesteuert oder geregelt wird.
Bevorzugt wird die Brennkraftmaschine im PCCI-Betriebsmodus betrieben.
Es sei erwähnt, dass die interne Abgasrückführung im PCCI-Betriebsmodus besonders relevant ist. Ein Rückhalten von Abgas durch interne AGR („heiße AGR") unterstützt dieses Brennverfahren. Eine externe AGR ist besonders für den Betriebsmodus Dieselbetrieb relevant.
Durch die vorliegende Erfindung lässt sich eine Brennkraftmaschine besonders günstig in beiden Betriebsmodi (PCCI-Betriebsmodus und Dieselbetrieb) betreiben. Wie an sich bekannt, kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Maßnahmen auch auf variable Ventilsteuerzeiten für die Einlass- / oder Auslassventile der Brennräume zur Steuerung der internen AGR zurückgegriffen werden.
Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als stationärer Gasmotor, besonders bevorzugt als Teil eines Gensets zur dezentralen Energieerzeugung ausgebildet. Vorstellbar sind auch Anwendungen im Marine und Locomotive-Bereich.
Die Erfindung soll anhand der Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigt
Fig. 1 das pV-Diagramm eines Arbeitstaktes einer 4-Takt-
Brennkraftmaschine ohne interne Abgasrückführung und mit einem
Turbolader hohen Wirkungsgrads
Fig. 2 das pV-Diagramm eines Arbeitstaktes einer 4-Takt- Brennkraftmaschine mit interner AGR und erhöhtem Druckniveau vor der Abgasturbine (PCCI-Betriebsmodus),
Fig. 3 das pV-Diagramm eines Arbeitstaktes einer 2-Takt-
Brennkraftmaschine mit interner AGR und erhöhtem Druckniveau vor der Abgasturbine (PCCI-Betriebsmodus),
Fig. 4 eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Turbo-
Compound System in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Turbo-
Compound System
in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine Anordnung von Brennkraftmaschine und einem Turbo-
Compound System
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Fig. 7 eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger
Aufladung und einem Turbo-Compound-System nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt den Arbeitstakt einer 4-Takt-Brennkraftmaschine ohne interne Abgasrückführung und mit einem Turbolader mit hohem Wirkungsgrad im pV- Diagramm. Auf der Y-Achse ist der Zylinderdruck {„in cylinder pressure") aufgetragen, auf der X-Achse das Volumen. Eine Brennkraftmaschine mit der hier gezeigten Charakteristik weist ein positives Spülgefälle auf, d. h. dass das Druckniveau vor dem Zylinder pEiniass größer ist als das Druckniveau stromabwärts des Zylinders, PAUSAS, d. h. der Abgasgegendruck, welcher nach den Auslassventilen und vor der Abgasturbine herrscht. Durch das positive Spülgefälle trägt auch die vom Ausschiebe- und vom Ansaugtakt erzeugte Schleife (der sogenannte Niederdruck-Zyklus) zur Leistungserzeugung bei, wie es allgemein bekannt ist.
Fig. 2 zeigt die Darstellung eines Arbeitstaktes einer Brennkraftmaschine, die im PCCI- Modus betrieben wird im pV-Diagramm analog der Darstellung von Fig. 1 . Man erkennt, dass hier das Druckniveau stromaufwärts der Zylinder geringer ist als der Abgasgegendruck pAusiass Pech d. h. die Brennkraftmaschine weist ein negatives Spülgefälle auf. Dadurch muss für den Ansaug- und Ausschiebezyklus Arbeit erbracht werden. Legt man die Darstellungen von Fig. 1 und Fig. 2 übereinander, so erkennt man, dass gegenüber dem normalen Betriebsmodus von Fig. 1 einerseits die darin gewonnene Leistung verloren geht, und zusätzlich die in Fig. 2 dargestellte Leistung für den Ausschiebe- bzw. Ansaugtakt erbracht werden muss.
Figur 3 zeigt das pV-Diagramm eines Arbeitstaktes einer 2-Takt-Brennkraftmaschine mit interner AGR und erhöhtem Druckniveau vor der Abgasturbine (PCCI- Betriebsmodus). Man erkennt unmittelbar die inhärenten Vorteile des 2-Takt Verfahrens bezüglich der aufzubringenden Arbeit im Ansaug- und Ausschiebezyklus. Eine Ladungswechselschleife wie im 4-Takt fehlt, daher ist die Ladungswechselarbeit wesentlich kleiner.
Die Darstellungen in Figuren 1 bis 3 sind an sich Lehrbuchwissen und dienen zum besseren Verständnis der Motivation der vorliegenden Erfindung, nämlich die Verluste im Ansaug- bzw. Ausschiebetakt, auch Niederdruckzyklus genannt, zu verringern. Die Erfindung bezieht sich gleichermaßen auf 2-Takt- wie 4-Takt- Brennkraftmaschinen.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Anordnung zeigt eine Brennkraftmaschine 1 , einen Turbolader 2 und ein Turbo-Compound System 5 in einer zum Turbolader 2 parallelen Anordnung. Die Brennkraftmaschine 1 weist in der Regel mehrere Brennräume 14 auf, von welchen der Übersichtlichkeit halber bloß einer gezeigt ist.
Die Brennräume 14 sind über wenigstens ein Einlassventil 15 mit der Zufuhrleitung 1 1 und über wenigstens ein Auslassventil 16 mit der Abgasleitung 9 verbunden.
Turbo-Compound Systeme sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden Abgase einer Brennkraftmaschine in einer Nutzturbine entspannt und die Enthalpie des Abgases in mechanische bzw. bei Kopplung der Nutzturbine mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Der Turbolader 2 besteht aus der Abgasturbine 3 und dem über eine Welle mit der Abgasturbine 3 gekoppelten Verdichter 4. Über die Zufuhrleitung 1 1 eintretende Luft bzw. eintretendes Gemisch wird vom Verdichter 4 verdichtet und über den
Wärmetauscher 13 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Die Abgase der Brennkraftmaschine 1 werden auf die Abgasturbine 3 geleitet, wo sie entspannt werden und mit verringertem Druck abströmen. Gezeigt ist weiter eine Hochdruckabgasrückführung 6, die stromaufwärts der Abgasturbine 3 angeordnet ist. Von der Hochdruckabgasrückführung 6 kann Abgas von der Abgasleitung 9 abgezweigt werden, um der Brennkraftmaschine 1 einlassseitig zugeführt zu werden. Die Hochdruckabgasrückführung 6 besteht aus einem regelbaren Ventil und einem Wärmetauscher, damit die rückgeführten Abgase dem Einlass der Brennkraftmaschine 1 gekühlt zugeführt werden können.
Weiters zu erkennen ist eine zweite Abgasrückführung, die optionale Niederdruckabgasrückführung 7. Diese ist stromabwärts von der Abgasturbine 3 angeordnet und kann das dort bei einem geringeren Druckniveau als stromaufwärts der Abgasturbine 3 vorliegende Abgas entnehmen und der Gemisch- bzw. der Luftzuleitung stromaufwärts des Kompressors 4 zuführen. Zur Beeinflussung der Menge an über die Niederdruckabgasrückführung 7 in die Zufuhrleitung 1 1 rezirkuliertem Abgas sind zwei absperrbare Ventile vorgesehen. Ventil 17 verbindet den Austritt der Abgasturbine 3 mit dem Austritt der Abgase aus der Abgasleitung 9 (etwa zu einem Kamin oder einer Abgasnachbehandlung) und erlaubt eine Drosselung oder Absperrung der Abgasleitung 9. Ein weiteres Ventil ist in der Verbindung zur Zufuhrleitung 1 1 vorgesehen, wodurch sich im Zusammenspiel der Ventilstellungen die Menge des über die Niederdruckabgasrückführung 7 rezirkulierten Abgases regulieren lässt.
Letzteres Ventil erlaubt auch die vollständige Absperrung des Strömungspfades zur Zufuhrleitung 1 1 und kann in allen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
Für die Hochdruckabgasrückführung 6 gilt sinngemäß das gleiche. Die punktierten Kästen um Brenn kraftmasch ine 1 , Turbolader 2, Hochdruckabgasrückführung 6 und Niederdruckabgasrückführung 7 bringen zum Ausdruck, dass es sich dabei um funktionelle Einheiten handelt.
Parallel zur Abgasturbine 3 ist ein elektrisches Turbo-Compound-System 5 angeordnet. Stromaufwärts des Turbo-Compound-System 5 befindet sich das Ventil 1 0. Das Turbo- Compound-System 5, bestehend aus einer Turbine 1 2 und einem Generator G, wird von der Steuer-/Regeleinrichtung 8 kontrolliert. Die Steuer-/Regeleinrichtung 8 kann nun das elektrische Turbo-Compound-System 5 solchermaßen steuern bzw. regeln (im Weiteren als „kontrollieren" bezeichnet), dass das Turbo-Compound-System 5 beispielsweise bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben wird. Der Eingriff kann dabei über den Generator G erfolgen. Denkbar wäre auch eine Verstellung der Anströmung der Turbine 1 2.
Weiters kann über die Steuer-/Regeleinrichtung 8 mittels Eingriff auf das Ventil 1 0 das unmittelbar vor der Turbine des Turbo-Compound-Systems 5 herrschende Druckniveau bzw. der durch die Turbine 1 2 des Turbo-Compound-Systems 5 strömende Abgasmassenstrom kontrolliert werden.
Solchermaßen kann der vom Turbo-Compound-System 5 ausgeübte Abgasgegendruck PAUSAS gesteuert oder geregelt werden. Durch Steuern oder Regeln des Abgasgegendruckes pAusiass wird direkt die interne AGR-Rate beeinflusst, wobei ein erhöhter Abgasgegendruck eine erhöhte interne AGR-Rate zur Folge hat. Umgekehrt bewirkt ein verringerter Abgasgegendruck eine verringerte AGR-Rate. Solchermaßen lässt sich die AGR-Rate elegant mittels Turbo-Compound-System 5 kontrollieren. Ist beispielsweise das Ventil 10 geöffnet, strömt nicht alles aus der Brennkraftmaschine 1 kommende Abgas auf die Abgasturbine 3, sondern eine Teilmenge davon auch auf das Turbo-Compound-System 5. Durch Variation der durch das Turbo-Compound- System 5 strömenden Teilmenge von Abgas ist das Druckniveau vor der Abgasturbine 3 beeinflussbar. So bewirkt ein Erhöhen der durch das Turbo-Compound-System 5 fließenden Abgasmenge ein Senken des Druckniveaus vor der Abgasturbine 3.
In der Praxis werden das Turbo-Compound 5 und der Turbolader 3 so abgestimmt sein, dass eine Regelreserve in beide Richtungen besteht, d.h. in Richtung einer Vergrößerung des durch das Turbo-Compound-System 5 strömenden Abgasmassenstroms und in Richtung einer Verkleinerung desselben. Über das Bremsmoment des Generators G und Ventil 10 lässt sich der Gegendruck des Turbo- Compound-Systems 5 steuern oder regeln.
Durch das gemäß einer Variante regelbar ausgeführte Ventil 10 kann das Turbo- Compound-System 5 auf konstante Drehzahl geregelt werden. Das regelbare Ventil 10 erlaubt also das Betreiben des elektrischen Turbo-Compound-Systems 5 auf konstanter Geschwindigkeit und die Regelung des Druckes vor der Abgasturbine 3.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels ist das Ventil 10 stromaufwärts des Turbo- Compound 5 als nicht regelbares Ventil ausgeführt. In der Variante mit dem zum Beispiel als einfaches Klappenventil ausgeführten Ventil 10 weist der Turbo-Compound 5 im Betrieb eine variable Drehzahl auf.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung einer Brennkraftmaschine mit Turbo-Compound zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind das Turbo-Compound-System 5 und der Turbolader 2 kombiniert:
die Turbine 12 des Turbo-Compound-Systems 5 ersetzt die Abgasturbine 3 des Turboladers 2. Die Turbine 12 bildet zusammen mit dem gekoppelten Generator G das Turbo- Compound-System 5; gleichzeitig ist die Turbine 12 über eine Welle mit dem Verdichter 4 gekoppelt und bildet zusammen mit dem Verdichter 4 den Turbolader 2.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist also das Turbo-Compound-System 5 einerseits über eine Welle mit dem Verdichter 4 gekoppelt und andererseits mit dem Generator G. Gezeigt ist weiters die Hochdruck-Abgasrückführung 6 und eine optionale Niederdruck- Abgasführung 7. Zur Regelung dieser gilt das für Figur 4 gesagte.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der vom Turbo-Compound-System 5 ausgeübte Abgasgegendruck (und damit die AGR-Rate) variiert, indem der vom Generator G auf das Turbo-Compound-System 5 wirkende Widerstand variiert wird. Wirkt ein hohes Bremsmoment vom Generator G auf das Turbo-Compound-System 5, so herrscht in der Abgasleitung 9 ein höheres Druckniveau als bei einem geringeren aufgeprägten Bremsmoment durch den Generator G.
Somit lässt sich auch mit der Anordnung von Fig. 5 das Druckniveau in der Abgasleitung 9 und damit die Abgasrückführrate kontrollieren.
Besonders vorteilhaft lässt sich im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 das Druckniveau in der Abgasleitung 9 und damit die Abgasrückführrate variieren, wenn der Generator G als regelbarer Generator ausgeführt ist. Das bedeutet, dass beispielsweise durch Regelung des Erregerstroms das vom Generator G ausgeübte Bremsmoment variiert werden kann. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem das Turbo-Compound- System 5 in Serie zur Abgasturbine 3 stromabwärts der Abgasturbine 3 angeordnet ist. In diesem Fall wirkt eine Betätigung des Turbo-Compound-Systems 5 auf das Druckniveau zwischen Abgasturbine 3 und Turbo-Compound-System 5 aber auch auf das Druckniveau stromaufwärts der Abgasturbine 3 und somit ändert sich der Abgasgegendruck pAusiass und damit das Maß an interner AGR.
Das Turbo-Compound-System 5 weist eine regelbare Umgehung auf. Durch ein regelbares Ventil lässt sich die Umgehung nach Bedarf vollständig öffnen, vollständig schließen oder Zwischenpositionen einnehmen. In vollständig geöffneter Stellung der Umgehung wird das Abgas das Turbo-Compound-System 5 größtenteils umströmen. Durch die Umgehung ist eine Möglichkeit geschaffen besonders im Transienten-betrieb (also bei raschen Lastschwankungen) schnell zu reagieren.
Bei steigender Lastanforderung würde beispielsweise die Umgehung vollständig geöffnet werden, um alle Abgasenergie zur Erzeugung von Ladedruck zur Verfügung zu stellen.
In einer Variante kann das Ausführungsbeispiel mit zweistufiger Aufladung (zwei Turbolader in Serie) ausgeführt sein.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit zweistufiger Aufladung, wobei zwei Turbolader 2, 2' in Serie angeordnet sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Turbo-Compound- System 5 zwischen der Eingangsseite der Turbine 3 des Turboladers 2 (hier als Hochdrucklader wirkend) und der Ausgangsseite der Turbine 3' des Turboladers 2' (Niederdrucklader) angeordnet. Alternativ kann das Turbo-Compound-System 5 auch zwischen Eingangs- und Ausgangsseite der Turbine 3 (Hochdrucklader) angeordnet sein.
Wie anhand der vorangegangenen Ausführungsbeispiele erläutert, kann auch hier das Bremsmoment des Turbo-Compound-Systems 5 über die Steuer-/Regeleinrichtung 8 variiert werden. Damit kann das Druckniveau in der Abgasleitung 9 stromaufwärts der Hochdruckabgasturbine 3 und in Folge die rückgeführte / rückgehaltene Abgasmenge variiert werden.
Als mögliche Variante ist noch strichliert ein Strömungspfad stromabwärts des Turbo- Compound-Systems 5 eingetragen, der die Abströmseite des Turbo-Compound- Systems 5 mit dem Einlass der Turbine 3' des Turboladers 2' (Niederdrucklader) verbindet. In anderen Worten überbrückt das Turbo-Compound-System 5 in dieser Variante nur den Hochdrucklader. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, Abgas aus dem Turbo-Compound-System 5 noch im Niederdrucklader abzuarbeiten. Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass auch die Turbine 12 des Turbo- Compound-Systems 5 selbst zweistufig ausgeführt sein kann.
Der punktierte Kasten um die Brennkraftmaschine 1 gibt die funktionale Einheit wieder. Konstruktiv ist es natürlich so, dass die Zufuhrleitung 1 1 zu den Einlassventilen 15 führt und die Auslassventile 16 mit der Abgasleitung 9 verbunden sind. Der Abgasgegendruck PAusiass liegt zwischen den Auslassventilen 16 und der Abgasturbine 3 (Figuren 4, 6 und 7) bzw. der Abgasturbine 12 (Figur 5).
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Brennkraftmaschine
2 Turbolader
3 Abgasturbine
4 Verdichter
5 Turbo-Compound System
6 Hochdruck-Abgasrückführung
7 Niederdruck-Abgasführung
8 Steuer-/Regeleinrichtung
9 Abgasleitung
10 Ventil
1 1 Zufuhrleitung
12 Turbine
13 Wärmetauscher
14 Brennraum
15 Einlassventil
16 Auslassventil
17 Ventil
PAuslass Abgasgegendruck (Druck am Auslass stromaufwärts der Abgasturbine)
PEinlass Druckniveau vor dem Zylinder einlassseitig
EVc Auslassventil-Schließen
EVo Auslassventil-Öffnen
IVc Einlassventil-Schließen
IVo Einlaßventil- Öffnen

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1 ) wobei eine Menge eines in Brennräumen (14) der Brennkraftmaschine (1 ) verbleibenden Abgases variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Menge des verbleibenden Abgases durch Steuern oder Regeln eines von einem in einer Abgasleitung (9) der Brennkraftmaschine (1 ) angeordneten Turbo-Compound-Systems (5) ausgeübten, an Auslassventilen (16) der Brennräume (14) anliegenden Abgasgegendruckes (pAusiass) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des vom Turbo-Compound-System (5) ausgeübten Abgasgegendruckes (PAusiass) durch Steuern oder Regeln eines Bremsmomentes eines Generators (G) des Turbo-Compound-Systems (5) erfolgt.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge eines aus der Abgasleitung (9) in die Brennräume (14) rückgeführten Abgases durch Variation des vom Turbo- Compound-System (5) ausgeübten Abgasgegendruckes (PAusiass) gesteuert oder geregelt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei paralleler Anordnung des Turbo-Compound-Systems (5) zu einem Turbolader (3, 3'), vorzugsweise in einem PCCI-Modus, der Abgasgegendruck (pAusiass) zusätzlich durch Betätigung eines in der Abgasleitung (9) stromabwärts des Turboladers (3, 3') angeordneten Ventils (17) gesteuert oder geregelt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1 ) im PCCI-Betriebsmodus betrieben wird.
6. Brennkraftmaschine (1 ) mit
einer Zufuhrleitung (1 1 ) für Luft oder Gemisch,
einer Abgasleitung (9) zum Abführen von Abgas aus der Brennkraftmaschine, wobei Abgas von der Abgasleitung (9) in die Zufuhrleitung (1 1 ) führbar ist,
einem in der Abgasleitung (9) angeordneten Turbo-Compound-System (5),
Brennräume (14) zur Verbrennung des über die Zufuhrleitung (1 1 ) zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches,
einer Steuer-/Regeleinrichtung (8),
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (8) so konfiguriert ist, dass über Eingriff der Steuer-/Regeleinrichtung (8) auf das Turbo-Compound- System (5) die Menge des von der Abgasleitung (9) in die Brennräume (14) der Brennkraftmaschine (1 ) rückgeführten Abgases Steuer- oder regelbar ist.
7. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Turbolader (2, 2') vorgesehen ist, dem Abgase von der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar sind und von dem verdichtetes Gemisch oder Luft der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar ist, wobei das Turbo-Compound- System (5) parallel zu dem wenigstens einen Turbolader (2, 2') angeordnet ist.
8. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Serie geschaltete Turbolader (2, 2') vorgesehen sind, denen Abgase von der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar sind und von denen verdichtetes Gemisch oder Luft der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar ist, wobei das Turbo-Compound- System (5) den Eingang des ersten Turboladers (2) mit dem Ausgang des zweiten Turboladers (2') oder den Eingang des ersten Turboladers (2) mit dem Ausgang des ersten Turboladers (2) verbindet.
9. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Turbolader (2, 2') vorgesehen ist, dem Abgase von der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar sind und von dem verdichtetes Gemisch oder Luft der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar ist, wobei das Turbo-Compound- System (5) in Serie zu dem wenigstens einen Turbolader (2, 2') angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Turbolader (2, 2') vorgesehen ist, dem Abgase von der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar sind und von dem verdichtetes Gemisch oder Luft der Brennkraftmaschine (1 ) zuführbar ist, wobei die Turbine (12) des Turbo-
Compound-Systems (5) anstelle der Turbine (3) des wenigstens einen Turboladers (2, 2') angeordnet ist.
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