EP3997321A1 - Brennkraftmaschine mit einem methan-dme (erdgas-dimethylether)-kraftstoffversorgungssystem und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem methan-dme (erdgas-dimethylether)-kraftstoffversorgungssystem und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine

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EP3997321A1
EP3997321A1 EP20737413.3A EP20737413A EP3997321A1 EP 3997321 A1 EP3997321 A1 EP 3997321A1 EP 20737413 A EP20737413 A EP 20737413A EP 3997321 A1 EP3997321 A1 EP 3997321A1
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EP
European Patent Office
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fuel
internal combustion
combustion engine
methane
dme
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20737413.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bippes
Martin Schüttenhelm
Christian Pastötter
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
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Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of EP3997321A1 publication Critical patent/EP3997321A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a self-igniting combustion method for an internal combustion engine in which a fuel mixture composed of two fuels is burned.
  • the documents DE 31 09 358 A1 and EP 2 609 302 B1 describe fuels for operating an internal combustion engine.
  • the document DE 31 09 358 A1 discloses a liquid fuel or propellant for use in an automobile, which thereby
  • Publication are dual-fuel engines in which a first fuel, which contains methane, ethane, propane, butane or mixtures thereof, and a second fuel, such as gasoline or
  • Diesel fuel to be injected separately into the combustion chamber of a compression ignition engine.
  • the following invention is also based on the basic idea of using two fuels, which at first glance appear to be of a different nature, as fuels for an internal combustion engine.
  • the object of the invention is thus to create an alternative fuel supply system with previously unusual fuels with which an internal combustion engine can be supplied with fuel with a high degree of efficiency and low emissions on the exhaust gas side, and in particular with low soot formation, as will be explained below.
  • Natural gas mainly consists of extremely flammable methane.
  • Methane as such or natural gas hereinafter referred to as methane
  • LNG liquefied natural gas
  • CNG compressed natural gas
  • DME in turn, can be passed on as a liquid or gaseous fuel under pressure.
  • the idea of the invention is based, inter alia, on the aspect that both methane and DME have a low-soot burning behavior.
  • the invention is also based on the knowledge that methane is a very compression-resistant fuel, which according to the invention is therefore preferred for an externally ignited fuel
  • Combustion process is suitable.
  • DME is a less compression-resistant fuel and therefore more suitable for a
  • methane which the person skilled in the art - as explained - would in principle rather use for an externally ignited combustion process, is now used according to the invention in a self-ignited combustion process, this use of methane in a self-ignited combustion process below With the help of DME, as will be further explained below.
  • an internal combustion engine is supplied in a first embodiment with a mixture of methane and DME, said fuels in one Storage containers are premixed. Care is taken to ensure that the DME fuel does not separate due to pressure or temperature changes, or in the case of liquid LNG due to the well-known boil-off effect, which would result in unequal mixing ratios. It is also ensured that the amount of DME dissolved in the methane is sufficient to be able to carry out the self-ignited combustion process provided according to the invention.
  • the internal combustion engine thus comprises a fuel tank in which a premixed fuel mixture of a first fuel containing dimethyl ether and a second fuel containing methane is stored, the fuel mixture (DME / methane) at least one combustion chamber of the internal combustion engine being stored directly and / or indirectly via at least one intake manifold Internal combustion engine is supplied upstream of the at least one combustion chamber and is burned in a self-igniting manner with the addition of combustion air on the intake pipe side.
  • a fuel tank in which a premixed fuel mixture of a first fuel containing dimethyl ether and a second fuel containing methane is stored, the fuel mixture (DME / methane) at least one combustion chamber of the internal combustion engine being stored directly and / or indirectly via at least one intake manifold
  • Internal combustion engine is supplied upstream of the at least one combustion chamber and is burned in a self-igniting manner with the addition of combustion air on the intake pipe side.
  • a second embodiment which basically consists in that the fuel supply system of the vehicle in a first embodiment variant has at least two or in another second embodiment variant three fuel reservoirs, as will be explained below.
  • the internal combustion engine comprises a first fuel tank in which comprises a first fuel containing dimethyl ether and a second fuel tank in which a second fuel containing methane is stored, which are directly and / or separately from at least one combustion chamber of the internal combustion engine indirectly via at least one intake manifold of the internal combustion engine upstream of the at least one combustion chamber to form a fuel mixture which is burned in the combustion chamber with the addition of combustion air on the intake manifold side in a self-igniting manner.
  • the internal combustion engine comprises a first fuel tank in which a first fuel containing dimethyl ether and a second fuel tank in which a methane-containing gas (LNG) comprises a second fuel and a third fuel tank in which a likewise Methane containing gas (CNG) as a third fuel, different from the second fuel
  • the first fuel differs, is stored, with the first fuel separate from the second or third Fuel (LNG, CNG) at least one combustion chamber of the internal combustion engine directly and / or indirectly via an intake manifold of the internal combustion engine upstream of the at least one
  • LNG, CNG Fuel
  • Combustion chamber to form a fuel mixture (DME / methane), which is burned in the combustion chamber with the addition of combustion air (L) on the intake manifold.
  • DME / methane a fuel mixture
  • L combustion air
  • Fuel supply system (see Figure 1) has two fuel tanks T1 and T2 and corresponding supply lines to the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • DME is stored in the first fuel tank T1, while in the other second fuel tank T2 methane as such or natural gas, preferably cryogenic LNG, in the usual fuel tank T2-LNG (liquid, possibly with a usable gas cushion above the liquid phase) or CNG (gaseous ) is stored in a standard T2-CNG fuel tank (pressure tank).
  • T2-LNG liquid, possibly with a usable gas cushion above the liquid phase
  • CNG gaseous
  • a combustion chamber of the internal combustion engine is in different
  • Inlet scenarios (which will be explained below) are supplied with a mixture of DME and methane and a suitable, predefinable amount of air.
  • the internal combustion engine is operated analogously to a
  • the plan is therefore to generate a gaseous mixture of DME, methane (CNG or LNG) and combustion air that is fed to the combustion chamber, in other words, all components are gaseous (LNG is converted accordingly via the use of a heat exchanger evaporated or the gas cushion in the fuel tank T2-LNG is used) and ideally be homogeneously distributed so that the gaseous mixture of DME, methane and combustion air burns homogeneously when the internal combustion engine is operating. That is to say, the internal combustion engine can be designed and configured similarly to an internal combustion engine operated with diesel fuel. In still other words, it is now possible to use a fuel consisting mainly of a gasoline mixed with DME - methane as such or LNG or CNG - without the aid of in a diesel engine.
  • FIG. 1 there are basically the following injection scenarios for the fuels, which are illustrated in FIG. Basically, it is provided that through a skilful selection of the injection point and the injection time as well as the quantity variation of the proportions of the fuels that contribute to the formation of the fuel mixture, the burning with regard to the
  • Ignition times are optimized. This allows the formation of emissions such as HC (unburned hydrocarbons) and / or soot and / or CO (carbon monoxide) to be optimized.
  • HC unburned hydrocarbons
  • CO carbon monoxide
  • the design of the fuel supply system with two fuel tanks T1, T2 and the provision of two fuels DME and methane (as such or LNG, CNG) enable the internal combustion engine to react more specifically to environmental conditions such as temperature and the requirements of the different load points and their
  • the two fuels can be supplied at different times and locations (direct injection D1, D2 and intake manifold injection S1, S2).
  • the fuel supply system has the first fuel tank T1, in which DME is stored according to the invention, while methane as such or natural gas, preferably cryogenic LNG in the fuel tank T2-LNG (liquid, if necessary with a usable gas cushion above the liquid phase) or CNG (gaseous) is stored in a conventional fuel tank T2-CNG (pressure tank).
  • a compressor 10 preferably ensures the generation of the charge air L, which is fed to an intake pipe arranged between the compressor 10 and the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • direct injection D1, D2 into the combustion chamber is available for supplying the fuels. That is to say, DME is taken from the first fuel tank T1 and blown directly into the combustion chamber (s) of the internal combustion engine in accordance with the reference symbol D1.
  • methane as such or LNG or CNG is taken from the fuel tank T2 and into the combustion chamber (s) of the
  • intake manifold injection S1, S2 is available for supplying the fuels into the combustion chamber. That is, DME is taken from the first fuel tank T1 and blown in via the intake manifold according to the reference symbol S1 and fed to the combustion chamber (s) of the internal combustion engine. In addition, methane as such or LNG or CNG is withdrawn from the fuel tank T2 and blown in via the intake manifold and fed to the combustion chamber (s) of the internal combustion engine according to the reference symbol S2.
  • Methane as such or LNG or CNG is taken from the fuel tank T2 and blown directly into the combustion chamber (s) of the internal combustion engine according to the reference symbol D2, while DME is taken from the first fuel tank T1 and blown in according to the reference symbol S1 via the intake pipe and into the combustion chamber / is fed to the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • Methane as such or LNG or CNG is taken from the fuel tank T2 and blown in via the intake manifold according to the reference symbol S2 and fed to the combustion chamber (s) of the internal combustion engine, while DME is from the first Fuel tank T1 is removed and blown directly into the combustion chamber (s) of the internal combustion engine according to the reference symbol D1.
  • the first and fourth injection scenarios are regarded as preferred embodiments because DME, as explained above, is intended to cause the enthalpy made available by the compression and the flame generated thereby to ignite the methane.
  • the ignition of the methane should not already take place on the intake pipe side, which is why it is preferably provided that DME is removed from the first fuel tank T1 and blown directly into the combustion chamber (s) of the internal combustion engine according to the reference symbol D1.
  • Methane as such or LNG or CNG is taken from the fuel tank T2 and also fed directly to the combustion chamber (s) of the internal combustion engine according to the reference symbol D2 (first injection scenario) or blown in via the intake manifold according to the reference symbol S2 and to the combustion chamber (s) of the internal combustion engine ( fourth
  • Fuel supply system has, for example, three fuel tanks T1 and T2-LNG and T3-CNG and corresponding supply lines to the combustion chamber 100 of the internal combustion engine.
  • cryogenic LNG which is taken from the fuel tank T2-LNG in gaseous form from the gas phase, for example, is that it cools down even further when it is expanded, so that the supply organs (injectors, pressure reducers) freeze when it is supplied etc.) comes.
  • the second variant (not shown) provides that the vehicle has, in addition to the fuel tank T2-LNG, a further fuel tank T3-CNG, which provides gaseous CNG at the lowest possible pressure level, which can be used if necessary, whereby the need is seen in the fact that in the start phase or in a cold start phase, in particular in the so-called cryogenic cold run of the vehicle, gaseous CNG from the further fuel tank T3-CNG is used, which reduces the icing problems of the LNG, which after this proposed procedure, in particular no longer supplied in the cold start phase, can be avoided.
  • a further fuel tank T3-CNG which provides gaseous CNG at the lowest possible pressure level, which can be used if necessary, whereby the need is seen in the fact that in the start phase or in a cold start phase, in particular in the so-called cryogenic cold run of the vehicle, gaseous CNG from the further fuel tank T3-CNG is used, which reduces the icing problems of the LNG, which after this proposed procedure, in particular
  • Mixtures can be used.
  • methane is used as fuel in spark ignition processes in known concepts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine, bei dem ein Kraftstoffgemisch (DME, Methan) aus einem Dimethylether enthaltenden ersten Treibstoff und einem Methan enthaltenden zweiten Treibstoff verbrannt wird, wobei das vorgemischte Kraftstoffgemisch (DME/Methan) oder die Treibstoffe (DME, Methan) unabhängig voneinander mindestens einem Brennraum (100) der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zugeführt werden, wobei das jeweils im Brennraum (100) vorliegende Kraftstoffgemisch (DME/Methan) unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft (L) selbstgezündet verbrannt wird.

Description

Beschreibung
Brennkraftmaschine mit einem Methan-DME (Erdgas-Dimethylether)-Kraftstoffversorgungs- system und Verfahren zum Betrieb der Brennktraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein selbstzündendes Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine bei dem ein Kraftstoffgemisch aus zwei Treibstoffen verbrannt wird.
Die Druckschriften DE 31 09 358 A1 und EP 2 609 302 B1 beschreiben Treibstoffe zum Betrieb einer Brennkraftmaschine. Die Druckschrift DE 31 09 358 A1 offenbart einen flüssigen Kraftstoff beziehungsweise Treibstoff für die Verwendung in einem Automobil, der dadurch
gekennzeichnet ist, dass er aus 50 bis 75 % Dimethylketon und 25 bis 50 % Benzin besteht, wobei letzteres im Wesentlichen frei von Tetraäthylblei ist. Die Druckschrift EP 2 609 302 B1 beschreibt eine Verbrennungsflüssigkeit, die als Flüssigkeit im Wärmerückgewinnungskreislauf verwendet wird. Die Druckschrift lehrt weiter Verbrennungsmotore, die mit Kraftstoffen wie Dimethylether (DME) oder mit Ammoniak-Wasser-Lösungen betrieben werden, die beide mit Wärmerückgewinnungszyklen kompatibel sind. Ein weiteres Beispiel in der genannten
Druckschrift sind Dual-Fuel-Motoren, bei denen ein erster Kraftstoff, der Methan, Ethan, Propan, Butan oder Mischungen davon enthält, und ein zweiter Kraftstoff, wie Benzin oder
Dieselkraftstoff, separat in den Brennraum eines Selbstzündungsmotors eingespritzt werden.
Die nachfolgende Erfindung basiert ebenfalls auf der Grundidee zwei auf den ersten Blick artfremde Treibstoffe als Kraftstoffe für eine Brennkraftmaschine zu verwenden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine alternatives Kraftstoffversorgungssystem mit bisher nicht üblichen Treibstoffen zu schaffen, mit dem eine Brennkraftmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad und abgasseitig geringen Emissionen und insbesondere mit geringer Rußbildung mit Kraftstoff versorgt werden kann, wie nachfolgend erläutert wird.
Im Rahmen der Energiewende rücken derzeit synthetische Kraftstoffe mit günstigen
Verbrennungseigenschaften in den Mittelpunkt, die Alternativen zu konventionellen Kraftstoffen (Diesel/Benzin) darstellen. Insbesondere Methan als solches oder als Erdgas und Dimethylether (DME) können mittlerweile mit hohen Wirkungsgraden aus Wasserstoff, der bevorzugt aus erneuerbaren Energien erzeugt wird und CO2, welches aus nicht vermeidbaren Quellen oder der Atmosphäre stammt, hergestellt werden. Dimethylether ist ein (bei Normalbedingungen) farbloses, hochentzündliches, narkotisch wirkendes Gas. Erdgas ist ein brennbares, natürlich
entstandenes Gasgemisch, das in unterirdischen Lagerstätten vorkommt. Erdgas besteht hauptsächlich aus hochentzündlichem Methan.
Methan als solches oder Erdgas (nachfolgend unter der Bezeichnung Methan
zusammengefasst) kann an Fahrzeuge entweder flüssig als LNG [Flüssigerdgas, Abkürzung engl.: für liquefied natural gas] oder gasförmig als CNG [Verdichtetes Erdgas, Abkürzung engl.: für = compressed natural gas] abgegeben werden.
DME wiederum kann als unter Druck flüssiger oder gasförmiger Treibstoff weiter gegeben werden.
Dabei basiert die Idee der Erfindung unter anderem auf dem Aspekt, dass sowohl Methan als auch DME ein rußarmes Brennverhalten aufweisen.
Die Erfindung basiert ferner auf dem Wssen, dass Methan ein sehr kompressionsfester Treibstoff ist, der sich somit erfindungsgemäß bevorzugt für ein fremdgezündetes
Brennverfahren eignet.
DME wiederum ist ein weniger kompressionsfester Treibstoff und damit eher für ein
selbstgezündetes Brennverfahren geeignet, wobei dem Fachmann klar ist, dass
selbstgezündete Brennverfahren einen höheren Wrkungsgrad aufweisen als fremdgezündete Brennverfahren.
Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass Methan, dass der Fachmann - wie erläutert - vom Grundsatz her eher für ein fremdgezündetes Brennverfahren einsetzen würde, jetzt gemäß der Erfindung in einem selbstgezündeten Brennverfahren zum Einsatz kommt, wobei dieser Einsatz von Methan in einem selbstgezündeten Brennverfahren unter Zuhilfenahme von DME erfolgt, wie nachfolgend weiter erläutert wird.
Eine Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß in einer ersten Ausführungsform mit einem Gemisch aus Methan und DME versorgt, wobei die genannten Treibstoffe in einem Lagerbehälter vorgemischt werden. Dabei wird darauf geachtet, dass der Treibstoff DME sich nicht durch Druck- oder Temperaturwechsel, oder im Falle von flüssigem LNG durch den bekannten Boil-off-Effekt entmischt, wodurch ungleiche Mischungsverhältnisse entstehen würden. Dabei wird ferner dafür gesorgt, dass die im Methan gelöste DME-Menge ausreicht, um das erfindungsgemäß vorgesehene selbstgezündete Brennverfahren durchführen zu können.
Die Brennkraftmaschine umfasst somit einen Kraftstoffbehälter, in dem ein vorgemischtes Kraftstoffgemisch aus einem Dimethylether enthaltenden ersten Treibstoff und einem Methan enthaltenden zweiten Treibstoff bevorratet ist, wobei das Kraftstoffgemisch (DME/Methan) mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes zugeführt und unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft selbstgezündet verbrannt wird.
Bei einem solchen vorgemischten Kraftstoff (Gemisch aus Methan und DME) besteht jedoch ein Nachteil darin, dass beim Betrieb der Brennkraftmaschine schlechter auf die
Emissionsanforderungen, die in verschiedenen Lastpunkten vorliegen, reagiert werden kann, weshalb eine zweite Ausführungsform vorgeschlagen wird, die grundsätzlich darin besteht, dass das Kraftstoffversorgungssystem des Fahrzeuges in einer ersten Ausführungsvariante mindestens zwei oder in einer anderen zweiten Ausführungsvariante drei Treibstoffspeicher aufweist, wie nachfolgend erläutert wird.
Gemäß der ersten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen ersten Treibstoffbehälter umfasst, in dem ein Dimethylether enthaltender erster Treibstoff und einen zweiten Treibstoffbehälter umfasst, in dem ein Methan enthaltender zweiter Treibstoff bevorratet ist, die getrennt voneinander mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes zu einem Kraftstoffgemisch zusammengeführt werden, welches im Brennraum unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft selbstgezündet verbrannt wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen ersten Treibstoffbehälter umfasst, in dem ein Dimethylether enthaltender erster Treibstoff und einen zweiten Treibstoffbehälter umfasst, in dem ein Methan enthaltendes Gas (LNG) als zweiter Treibstoff und einen dritten Treibstoffbehälter umfasst, in dem ein ebenfalls Methan enthaltendes Gas (CNG) als dritter Treibstoff, der sich von dem zweiten Treibstoff
unterscheidet, bevorratet ist, wobei der erste Treibstoff getrennt von dem zweiten oder dritten Treibstoff (LNG, CNG) mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen
Brennraumes zu einem Kraftstoffgemisch (DME/Methan) zusammengeführt werden, welches im Brennraum unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft (L) verbrannt wird.
Weitere Aspekte zur ersten Ausführungsvariante:
Zunächst wird auf die erste Ausführungsvariante eingegangen, bei der das
Kraftstoffversorgungssystem (vergleiche Figur 1) zwei Treibstoffbehälter T1 und T2 und entsprechende Versorgungsleitungen zum Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist.
In dem ersten Treibstoffbehälter T1 ist erfindungsgemäß DME bevorratet, während in dem anderen zweiten Treibstoffbehälter T2 Methan als solches oder Erdgas, bevorzugt tiefkaltes LNG in dem dafür üblichen Treibstoffbehälter T2-LNG (flüssig, gegebenenfalls mit einem nutzbaren Gaspolster oberhalb der Flüssigphase) oder CNG (gasförmig) in einem dafür üblichen Treibstoffbehälter T2-CNG (Drucktank) bevorratet ist.
Erfindungsgemäß wird einem Brennraum der Brennkraftmaschine in verschiedenen
Einlassszenarien (die noch erläutert werden) eine Mischung aus DME und Methan sowie eine passende vorgebbare Luftmenge zugeführt.
Erfindungsgemäß erfolgt der Betrieb der Brennkraftmaschine analog einem
Selbstzündungsverfahren, wobei im Idealfall ein homogenes Gemisch aus DME, Methan und Verbrennungsluft gebildet wird, so dass zwei Effekte bewirkt werden, nämlich dass durch die stattfindende Verdichtung das DME zuerst zündet und eine Flamme bildet, wonach der Effekt erzeugt wird, dass durch die durch die Verdichtung des DME zur Verfügung gestellte Enthalpie und der erzeugten Flamme ein Zünden des Methans ermöglicht wird. Es versteht sich, dass auch Methan bei entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur selbst zündet, jedoch ist insbesondere der dafür benötigte Druck und die hierfür benötigte Temperatur wesentlich höher als bei DME, sodass in vorteilhafter Weise sozusagen das DME als„Zündtreibstoff“ des Methans eingesetzt wird, worin eine wesentliche Lösung der vorliegenden Erfindung gesehen wird. Aus dieser Beschreibung wird deutlich, dass erfindungsgemäß
Fremdzündungsvorrichtungen in vorteilhafter weise nicht benötigt werden. Vorgesehen ist somit die Erzeugung einer gasförmigen Mischung aus DME, Methan (CNG oder LNG) sowie jeweils Verbrennungsluft, die dem Brennraum zugeführt wird, wobei mit anderen Worten alle Komponenten gasförmig (LNG wird entsprechend über den Einsatz eines Wärmeübertragers verdampft oder das Gaspolster im Treibstoffbehälter T2-LNG wird genutzt) und im Idealfall homogen verteilt vorliegen, sodass im Betrieb der Brennkraftmaschine ein homogenes Brennen der gasförmigen Mischung aus DME, Methan sowie Verbrennungsluft erfolgt. Das heißt, die Brennkraftmaschine kann ähnlich einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine ausgeführt und ausgestaltet werden. Mit noch anderen Worten ist jetzt möglich, einen Kraftstoff, bestehend hauptsächlich aus einem mit DME vermischten Ottokraftstoff - dem Methan als solches oder LNG oder CNG -, ohne die Zuhilfenahme von in einem Dieselmotor zu verwenden.
Gemäß Figur 1 bestehen grundsätzlich folgende Einblasungsszenarien der Treibstoffe, die in Figur 1 verdeutlicht sind. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass durch eine geschickte Auswahl der Einspritzstelle und des Einblaszeitpunkts sowie der Mengenvariation der Anteile der Treibstoffe, die zur Bildung des Kraftstoffgemischs beitragen, kann das Brennen hinsichtlich der
Zündzeitpunkte optimiert werden. Hierdurch kann die Bildung von Emissionen wie z.B. HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) und/oder Ruß und/oder CO (Kohlenstoffmonoxid optimiert werden.
Durch die Ausgestaltung des Kraftstoffversorgungssystem mit zwei Treibstoffbehältern T1 , T2 und die Zurverfügungstellung von zwei Treibstoffen DME und Methan (als solches oder LNG, CNG) wird ein gezielteres Reagieren der Brennkraftmaschine auf Umweltbedingungen wie Temperatur und die Anforderungen der unterschiedlichen Lastpunkte sowie deren
unterschiedliches Emissionsverhalten ermöglicht. Es kann ein Zuführen der beiden Treibstoffe zur unterschiedlichen Zeiten und Orten (Direkteinblasung D1 , D2 und Saugrohreinblasung S1 , S2) erfolgen.
Wie erläutert, weist das Kraftstoffversorgungssystem gemäß der ersten Ausführungsvariante den ersten Treibstoffbehälter T1 auf, in dem erfindungsgemäß DME bevorratet, während in dem anderen zweiten Treibstoffbehälter T2 Methan als solches oder Erdgas, bevorzugt tiefkaltes LNG in dem dafür üblichen Treibstoffbehälter T2-LNG (flüssig, gegebenenfalls mit einem nutzbaren Gaspolster oberhalb der Flüssigphase) oder CNG (gasförmig) in einem dafür üblichen Treibstoffbehälter T2-CNG (Drucktank) bevorratet ist. Ein Kompressor 10 sorgt bevorzugt für die Erzeugung der Ladeluft L, die einem zwischen Kompressor 10 und Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Saugrohr zugeführt wird. Erstes Einblasszenario:
Zur Zuführung der Treibstoffe steht erfindungsgemäß die Direkteinblasung D1 , D2 in den Brennraum zur Verfügung. Das heißt, DME wird aus dem ersten Treibstoffbehälter T1 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen D1 in den/die Brennraum/Brennräume der Brennkraftmaschine direkt eingeblasen. Zudem wird Methan als solches oder LNG oder CNG aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und in den/die Brennraum/Brennräume der
Brennkraftmaschine gemäß dem Bezugszeichen D2 direkt eingeblasen.
Zweites Einblasszenario:
Zur Zuführung der Treibstoffe steht erfindungsgemäß die Saugrohreinblasung S1 , S2 in den Brennraum zur Verfügung. Das heißt, DME wird aus dem ersten Treibstoffbehälter T1 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen S1 über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt. Zudem wird Methan als solches oder LNG oder CNG aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine gemäß dem Bezugszeichen S2 zugeführt.
Drittes Einblasszenario:
Die Direkteinblasung D1 , D2 und die Saugrohreinblasung S1 , S2 werden kombiniert.
Methan als solches oder LNG oder CNG wird aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und in den/die Brennraum/Brennräume der Brennkraftmaschine gemäß dem Bezugszeichen D2 direkt eingeblasen, während DME aus dem ersten Treibstoffbehälter T1 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen S1 über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Viertes Einblasszenario:
Die Direkteinblasung D1 , D2 und die Saugrohreinblasung S1 , S2 werden kombiniert.
Methan als solches oder LNG oder CNG wird aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen S2 über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt, während DME aus dem ersten Treibstoffbehälter T1 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen D1 in den/die Brennraum/Brennräume der Brennkraftmaschine direkt eingeblasen wird.
Bevorzugte Einblasszenarien:
Das erste und vierte Einblasszenario werden als bevorzugte Ausgestaltungen angesehen, weil DME, wie oben erläutert, die durch die Verdichtung zur Verfügung gestellte Enthalpie und die dadurch erzeugte Flamme ein Zünden des Methans bewirken soll. Die Zündung des Methans soll jedoch nicht bereits saugrohseitig stattfinden, weshalb bevorzugt vorgesehen ist, dass DME aus dem ersten Treibstoffbehälter T1 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen D1 in den/die Brennraum/Brennräume der Brennkraftmaschine direkt eingeblasen wird. Methan als solches oder LNG oder CNG wird aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und gemäß dem Bezugszeichen D2 ebenfalls direkt dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt (erstes Einblasszenario) oder gemäß dem Bezugszeichen S2 über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen der Brennkraftmaschine (viertes
Einblasszenario) zugeführt.
Weitere Aspekte zur zweiten Ausführungsvariante:
Anschließend wird noch auf die zweite Ausführungsvariante eingegangen, bei der das
Kraftstoffversorgungssystem beispielsweise drei Treibstoffbehälter T1 und T2-LNG sowie T3- CNG und entsprechende Versorgungsleitungen zum Brennraum 100 der Brennkraftmaschine aufweist.
In bekannter Weise besteht bei dem tiefkalten LNG, das aus dem Treibstoffbehälter T2-LNG beispielsweise gasförmig aus der Gasphase entnommen wird, das Problem, dass es sich bei einer Entspannung noch weiter abkühlt, sodass es bei der Zuführung zu Vereisungen der Zuführorgane (Injektoren, Druckminderer etc.) kommt.
Erfindungsgemäß ist bei der zweiten Ausführungsvariante (nicht dargestellt) vorgesehen, dass das Fahrzeug neben dem Treibstoffbehälter T2-LNG einen weiteren Treibstoffbehälter T3-CNG aufweist, der bei einem möglichst niedrigen Druckniveau gasförmiges CNG zur Verfügung stellt, auf das bei Bedarf zurückgegriffen werden kann, wobei der Bedarf darin gesehen wird, dass in der Startphase beziehungsweise in einer Kaltstartphase, insbesondere in der sogenannten tiefkalten Kaltabfahrt des Fahrzeuges gasförmiges CNG aus dem weiteren Treibstoffbehälter T3-CNG benutzt wird, wodurch die Vereisungsprobleme des LNG, welches nach dieser vorgeschlagenen Vorgehensweise, insbesondere in der Kaltstartphase nicht mehr zugeführt, vermieden werden.
Vorgesehen ist zusammengefasst, somit die Erzeugung einer gasförmigen Mischung aus DME, Methan (CNG oder LNG) sowie Verbrennungsluft, die dem Brennraum 100 zugeführt wird, wobei mit anderen Worten alle Komponenten gasförmig und im Idealfall homogen verteilt vorliegen, sodass im Betrieb der Brennkraftmaschine ein homogenes Brennen der gasförmigen Mischung aus DME und CNG sowie Verbrennungsluft, insbesondere für die Kaltstartphase des Fahrzeuges und eine Mischung aus DME und LNG sowie Verbrennungsluft erfolgt, wobei in besonderer Weise in der zweiten Ausführungsvariante nach Bedarf eine der beiden
Mischungen verwendet werden kann.
Es versteht sich, dass bei der zweiten Ausführungsvariante noch weitere Einblasszenarien von Bedeutung sind, die davon abhängig sind, ob LNG oder CNG eingesetzt wird. Mit anderen Worten, kommt in einem der oben genannten Einblasszenarien LNG zum Einsatz, so schlägt die Erfindung vor, gegebenenfalls in der Startphase beziehungsweise in einer Kaltstartphase des Fahrzeuges gasförmiges CNG (Kaltabfahrt des Fahrzeuges) zu benutzen, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine anschließend weiter mit dem gasförmigen CNG als Treibstoff zur Gemischbildung verwendet oder nach der Kaltabfahrt zu einem vorgebbaren Zeitpunkt auf LNG als T reibstoff zur Gemischbildung umgeschaltet wird.
Zusammenfassend wird zur Abgrenzung gegenüber dem Stand der Technik ausgeführt, dass in bekannten Konzepten Methan als Kraftstoff in Fremdzündungsverfahren zum Einsatz kommt.
Erfindungsgemäß kann durch die Verwendung von DME unter Ausbildung eines Methan-DME- Kraftstoffgemisches gemäß der in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten
Vorgehensweise ein Selbstzündungsverfahren zum Einsatz kommen. Der Wirkungsgrad gegenüber einem Fremdzündungsverfahren steigt in vorteilhafter weise, die Emissionen, insbesondere die Rußbildung, werden in vorteilhafter weise durch ein insbesondere
lastabhängiges Mischungsverhältnis der Kraftstoffkomponenten Methan (als solches und/oder CNG und/oder LNG) und DME reduziert. Gelehrt wird ferner, die bevorzugte Verwendung der Brennkraftmaschine mit dem beschriebenen Kraftstoff System und dem zugehörigen
erfindungsgemäßen Brennverfahren in Kraftfahrzeugen, insbesondere in schweren
Nutzfahrzeugen oder Schiffsantrieben oder stationären Generatoren. Bezugszeichenliste
100 Brennraum einer Brennkraftmaschine
10 Kompressor
T 1 erster T reibstoffbehälter
T2 zweiter Treibstoffbehälter
T2-LNG zweiter Treibstoffbehälter mit LNG befüllt
T2-CNG zweiter T reibstoffbehälter mit CNG befüllt
T3 dritter Treibstoffbehälter
T3-CNG dritter T reibstoffbehälter mit CNG befüllt
D1 Direkteinblasung
D2 Direkteinblasung
51 Saugrohreinblasung
52 Saugrohreinblasung
L Verbrennungsluft

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine umfassend, einen Kraftstoffbehälter, in dem ein vorgemischtes Kraftstoffgemisch aus einem Dimethylether enthaltenden ersten Treibstoff und einem Methan enthaltenden zweiten Treibstoff bevorratet ist, wobei das Kraftstoffgemisch (DME/Methan) mindestens einem Brennraum (100) der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zugeführt und unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft (L) selbstgezündet verbrannt wird.
2. Brennkraftmaschine umfassend, einen ersten Treibstoffbehälter (T1), in dem ein
Dimethylether enthaltender erster Treibstoff und einen zweiten Treibstoffbehälter (T2), in dem ein Methan enthaltender zweiter Treibstoff bevorratet ist, die getrennt voneinander mindestens einem Brennraum (100) der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zu einem Kraftstoffgemisch (DME/Methan) zusammengeführt werden, welches im Brennraum (100) unter saugrohrseitiger Zugabe von
Verbrennungsluft (L) selbstgezündet verbrannt wird.
3. Brennkraftmaschine umfassend, einen ersten Treibstoffbehälter (T1), in dem ein
Dimethylether enthaltender erster Treibstoff und einen zweiten Treibstoffbehälter (T2- LNG), in dem ein Methan enthaltendes Gas (LNG) als zweiter Treibstoff und einen dritten Treibstoffbehälter (T3-CNG), in dem ein ebenfalls Methan enthaltendes Gas (CNG) als dritter Treibstoff, der sich von dem zweiten Treibstoff unterscheidet, bevorratet ist, wobei der erste Treibstoff getrennt von dem zweiten oder dritten Treibstoff (LNG, CNG) mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zu einem Kraftstoffgemisch (DME/Methan) zusammengeführt werden, welches im Brennraum (100) unter saugrohrseitiger Zugabe von
Verbrennungsluft (L) verbrannt wird.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Treibstoffbehälter (T2) ein LNG-Treibstoffbehälter (T2-LNG) oder ein CNG- Treibstoffbehälter (T2-CNG) ist, in dem entweder LNG oder CNG bevorratet ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Treibstoffbehälter (T2) ein LNG-Treibstoffbehälter (T2-LNG) und der dritte
Treibstoffbehälter ein CNG-Treibstoffbehälter (T3-CNG) ist, in denen LNG und CNG getrennt voneinander bevorratet sind.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem/den Treibstoffbehälter/n (T1 , T2, T3) und dem mindestens einen
Brennraum (100) und/oder dem mindestens einen Saugrohr Zuführungsleitungen zur wahlweisen Zuführung des vorgemischten Kraftstoffgemisch (DME/Methan) gemäß Anspruch 1 oder der einzelnen Treibstoffe (DME, LNG, CNG) gemäß den Ansprüchen 2 oder 3, in den mindestens einen Brennraum und/oder das mindestens eine Saugrohr angeordnet sind.
7. Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung einer
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Kraftstoffgemisch (DME, Methan) aus einem Dimethylether enthaltenden ersten Treibstoff und einem Methan enthaltenden zweiten Treibstoff verbrannt wird, wobei das vorgemischte
Kraftstoffgemisch (DME/Methan) nach Anspruch 1 oder die Treibstoffe (DME, Methan) unabhängig voneinander nach den Ansprüchen 2 oder 3 mindestens einem Brennraum (100) der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zugeführt werden, wobei das jeweils im Brennraum (100) vorliegende Kraftstoffgemisch
(DME/Methan) unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft (L) selbstgezündet verbrannt wird.
8. Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung einer
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, bei dem ein Kraftstoffgemisch (DME, Methan) aus einem Dimethylether enthaltenden ersten Treibstoff und einem Methan enthaltenden zweiten Treibstoff verbrannt wird, wobei die Treibstoffe (DME, Methan) unabhängig voneinander mindestens einem Brennraum (100) der Brennkraftmaschine direkt und/oder indirekt über mindestens ein Saugrohr der Brennkraftmaschine stromauf des mindestens einen Brennraumes (100) zugeführt werden, wobei das jeweils im
Brennraum (100) vorliegende Kraftstoffgemisch (DME/Methan) unter saugrohrseitiger Zugabe von Verbrennungsluft (L) selbstgezündet verbrannt wird, wobei in einer
Kaltstartphase ein Kraftstoffgemisch aus DME und CNG gebildet und verwendet und anschließend weiter verwendet oder nach einem vorgebbaren Zeitpunkt ein
Kraftstoffgemisch aus DME und LNG gebildet und verwendet wird.
9. Brennverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
• der erste Treibstoff (DME) aus dem ersten Treibstoffbehälter (T1) entnommen und in den/die Brennraum/Brennräume (100) der Brennkraftmaschine direkt eingeblasen wird, während der zweite Treibstoff (Methan als solches oder LNG oder CNG) aus dem Treibstoffbehälter (T2) entnommen und in den/die
Brennraum/Brennräume der Brennkraftmaschine ebenfalls direkt eingeblasen wird, oder
• der erste Treibstoff (DME) aus dem ersten Treibstoffbehälter (T1) entnommen und über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen (100) der Brennkraftmaschine zugeführt wird, während der zweite Treibstoff (Methan als solches oder LNG oder CNG) aus dem Treibstoffbehälter (T2) entnommen und ebenfalls über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen (100) der Brennkraftmaschine zugeführt wird, oder
• der erste Treibstoff (DME) aus dem ersten Treibstoffbehälter (T1) entnommen und über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen (100) der Brennkraftmaschine zugeführt wird, während der zweite Treibstoff (Methan als solches oder LNG oder CNG) aus dem Treibstoffbehälter T2 entnommen und in den/die Brennraum/Brennräume (100) der
Brennkraftmaschine direkt eingeblasen wird, oder
• der erste Treibstoff (DME) aus dem ersten Treibstoffbehälter (T1) entnommen und in den/die Brennraum/Brennräume (100) der Brennkraftmaschine direkt eingeblasen wird, während der zweite Treibstoff (Methan als solches oder LNG oder CNG) aus dem Treibstoffbehälter (T2) entnommen und über das Saugrohr eingeblasen und dem Brennraum/den Brennräumen (100) der
Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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