EP4500000A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine

Info

Publication number
EP4500000A1
EP4500000A1 EP23717053.5A EP23717053A EP4500000A1 EP 4500000 A1 EP4500000 A1 EP 4500000A1 EP 23717053 A EP23717053 A EP 23717053A EP 4500000 A1 EP4500000 A1 EP 4500000A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
gas
internal combustion
combustion engine
charge air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23717053.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg SILBERHORN
Stefan Löser
Trevor JASPER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
CmbTech Technology & Development Centre Ltd
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
CmbTech Technology & Development Centre Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE, CmbTech Technology & Development Centre Ltd filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of EP4500000A1 publication Critical patent/EP4500000A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • 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
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • 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
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0278—Port fuel injectors for single or multipoint injection into the air intake system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M21/04—Gas-air mixing apparatus
    • F02M21/042—Mixer comprising a plurality of bores or flow passages
    • 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
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10209—Fluid connections to the air intake system; their arrangement of pipes, valves or the like
    • F02M35/10216—Fuel injectors; Fuel pipes or rails; Fuel pumps or pressure regulators

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine, preferably a dual-fuel internal combustion engine, and a vehicle, in particular a watercraft, or a stationary application with at least one internal combustion engine.
  • Diesel engines are widely used in shipping due to their operational safety and the high energy content of diesel fuel.
  • Fossil fuels in the shipping sector can hardly be replaced with electric drives.
  • the amounts of energy required are usually too high and the energy storage densities are too low.
  • Pure hydrogen-based solutions e.g. B. fuel cells or combustion engines are seen as disruptive in the traditional shipping sector because there is a lack of long-term experience.
  • the lack of hydrogen infrastructure also creates high risks for the operation of pure hydrogen drives in ships.
  • Another problem is the greater space and weight requirement of the tank systems for hydrogen as an energy source compared to the common diesel fuel. This means that only smaller amounts of hydrogen can be stored on board. As a result, the duration of the operation is inevitably limited. For example, in the event of unplanned changes in the operational profile (e.g. extreme weather conditions, route changes, relief operations such as firefighting or rescue) this could have fatal consequences and lead to the consumption of fuel and thus the failure of all drives.
  • Dual-fuel internal combustion engines are known as an “intermediate solution”, in which part of the liquid fuel, usually diesel, is substituted by a gaseous fuel such as hydrogen.
  • a gaseous fuel such as hydrogen.
  • dual-fuel internal combustion engines can only be used with operated with liquid fuel.
  • the dual-fuel internal combustion engines therefore offer the possibility of sizing large, expensive and heavy hydrogen tanks to a size that is required in normal conditions.
  • Fuel reserves can be stored to the usual extent in the form of diesel. Both in the event of errors and when hydrogen is used up, the full drive power is still available in pure and familiar (and therefore tested) diesel operation.
  • Known dual-fuel internal combustion engines are usually based on normal internal combustion engines that are designed only to operate using a liquid fuel, in particular diesel engines, with major modifications being necessary to enable operation in dual-fuel mode.
  • an object of the invention to provide such a solution with which the disadvantages of previous solutions are at least partially avoided.
  • an improved internal combustion engine preferably a dual-fuel internal combustion engine, which achieves the highest possible substitution rate and / or which requires as few modifications as possible to a known internal combustion engine, e.g. B. a diesel engine can be produced.
  • an internal combustion engine preferably a dual-fuel internal combustion engine (e.g. a marine dual-fuel engine)
  • the internal combustion engine includes a charge air compressor and a combustion chamber.
  • the internal combustion engine further comprises a gas fuel supply device for supplying a gaseous fuel, preferably a hydrogen fuel.
  • the gas fuel supply device opens into a (fluidic) charge air supply connection between the charge air compressor and the combustion chamber.
  • the internal combustion engine is a dual-fuel internal combustion engine, it can expediently be operated with a liquid fuel, in particular a diesel fuel (corresponding to conventional internal combustion engines) or with a mixture of the liquid fuel and the gaseous fuel. During the mixture, part of the liquid fuel usually required is substituted by the gaseous fuel.
  • the present disclosure thus provides an internal combustion engine, in particular a dual-fuel internal combustion engine, which ensures the most even distribution of the gaseous fuel, e.g. B. hydrogen, reached on all cylinders of the internal combustion engine.
  • This distribution which is as uniform as possible, advantageously leads to the highest possible substitution rates.
  • the internal combustion engine may further comprise an intercooler.
  • the gas fuel supply device can open into a connecting section of the charge air supply connection between the charge air compressor and the charge air cooler.
  • the charge air compressor and the charge air cooler are expediently fluidly connected to supply charge air from the charge air compressor to the charge air cooler by means of the connecting section.
  • the introduction, in particular injection, of the gaseous fuel into an intake tract in front of the intercooler leads to improved cooling by the gaseous fuel acting as a heat conductor, whereby the mixture temperature can be reduced even further. Since low temperature is a key factor in preventing the gaseous fuel from self-ignition with knocking combustion, the cooling rate is another essential aspect through which the highest possible substitution rates can be achieved.
  • the gas fuel supply device can open into a (further) connecting section of the charge air supply connection between the charge air cooler and the combustion chamber.
  • the intercooler and the combustion chamber are expediently fluidly connected to supply charge air from the intercooler to the combustion chamber by means of the (further) connecting section.
  • the (further) connecting section can be designed as an intake manifold of the internal combustion engine and/or as a section of the intake manifold.
  • the internal combustion engine may include the intake manifold.
  • the charge air supply connection can preferably extend between the charge air compressor and the combustion chamber, in particular between the charge air compressor and the charge air cooler and / or between the charge air cooler and the combustion chamber.
  • the charge air supply connection can be z. B. a connection section between the charge air compressor and the charge air cooler and / or a (further) connection section between the charge air cooler and the combustion chamber, in particular z. B. an intake manifold.
  • the gas fuel supply device opens into a component which is arranged in the charge air supply connection between the charge air compressor and the combustion chamber, e.g. B. in the intercooler.
  • the gas fuel supply device may comprise a gas introduction device.
  • the gas introduction device can control the gas fuel supply Connect the device and the charge air supply connection fluidly.
  • the gas fuel supply device can open into the fluidic connection via the gas introduction device.
  • the charge air supply connection can be through one or more (charge air) channels, e.g. B. charge air pipes, and / or one or more (charge air) channels, e.g. B. charge air pipes.
  • the charge air supply connection can be several, e.g. B. have two (charge air) channels that run essentially parallel to one another.
  • the gas introduction device can be designed for essentially uniformly distributed gas introduction, preferably gas injection, into the charge air supply connection.
  • the evenly distributed introduction of gas into the charge air has the advantage that a particularly good mixing of the gaseous fuel with the charge air is achieved.
  • the gas introduction device can have at least one charge air passage which is arranged in the charge air supply connection and/or which forms a section of the charge air supply connection.
  • a cross section of the at least one charge air passage can correspond to a cross section of the charge air supply connection.
  • the cross section of the at least one charge air passage can be essentially circular.
  • the gas introduction device can also be referred to as an injection ring and/or “injection ring”.
  • the gas introduction device can be designed as an injection ring (and/or injection ring and/or “injection ring”) and/or have an annular space in order to divide the gaseous fuel, preferably in the direction of at least one charge air passage.
  • each of the gas passages can have a gas nozzle, preferably a mixing nozzle. This means that the gaseous fuel can not only be distributed evenly, but also, for example, as desired. B. can also be supplied to the charge air in a finely distributed manner.
  • the gas introduction device can have a gas inlet.
  • the gas inlet can be arranged essentially parallel to the at least one charge air passage.
  • the gas introduction device can be fastened, in particular screwed and/or flanged, in the area of the gas inlet with a connection via which the gaseous fuel can be supplied to the gas inlet.
  • the gas introduction device can have a plurality of charge air passages, preferably arranged in parallel.
  • the gas inlet can be arranged essentially centrally above the plurality of charge air passages.
  • An interior space and/or the annular space of the gas introduction device can be designed to distribute the gaseous fuel admitted via a gas inlet among the multiple charge air passages.
  • the interior and/or the annular space can split into the multiple charge air passages and preferably form a gas guide to one of the charge air passages.
  • the gaseous fuel can advantageously be distributed evenly among the plurality of charge air passages and thus a substantially equal amount of gaseous fuel can be introduced into each of the plurality of charge air passages.
  • the gas fuel supply device may comprise a gas fuel metering device for controllably metering the gaseous fuel.
  • the gas fuel metering device and the gas introduction device in particular the gas inlet of the gas introduction device, can expediently be fluidly connected to one another.
  • the gas fuel metering device and the gas introduction device can be connected via a connection, in particular through one or more channels, e.g. B. pipes are formed, be fluidly connected.
  • the connection can be double-walled.
  • the gas fuel metering device can be fluidly connected to a source for the gaseous fuel, preferably a gas fuel tank, e.g. B. via a gas supply connection.
  • the gas supply connection can be through one or more channels, e.g. B. pipes can be formed.
  • the gas fuel metering device may have a sealed and/or double-walled wall construction.
  • the wall construction can form a cover or housing.
  • the gaseous fuel can have a gas pressure of less than 10 bar, e.g. B. 7 bar, can be introduced into the gas fuel metering device.
  • a double-walled gas supply connection may be provided to supply the gaseous fuel to the gas fuel metering device.
  • the gaseous fuel can be introduced into the gas fuel metering device via the double-walled gas supply connection, preferably from the gas fuel tank.
  • the double-walled connection and the double-walled gas supply connection can be arranged coaxially with one another.
  • the double-walled design has the advantage that in the event of a leak in an inner wall through which the gaseous fuel escapes, the gaseous fuel is collected by an outer wall and safely released to the outside, e.g. B. can be dissipated overboard.
  • intermediate spaces which are each formed by an inner wall and an outer wall surrounding the inner wall of the double-walled connection, the double-walled wall construction and/or the double-walled gas supply connection, can be fluidly connected to one another in order to remove the gaseous fuel in the event of a leak.
  • the spaces can each be designed as an annular volume.
  • the double-walled connection can have a first gap formed by an inner wall and an outer wall surrounding the inner wall
  • the double-walled wall construction can have a second gap formed by an inner wall and an outer wall surrounding the inner wall
  • / or the double-walled gas supply connection may have a third gap formed by an inner wall and an outer wall surrounding the inner wall.
  • the first gap, the second gap and/or the third gap can be fluidly connected so that the gaseous fuel can be removed in the event of a leak (in an inner wall).
  • the gaseous fuel can advantageously be released via the gaps to the outside, e.g. B. overboard, discharged (or vented).
  • this protection can be used in the event of a leak throughout Gas fuel supply device or along the entire supply of the gaseous fuel within the gas fuel supply device can be ensured.
  • the double-walled connection, the double-walled wall construction and/or the double-walled gas supply connection can have a sensor system for detecting a leak.
  • the sensor system can be arranged in at least one of the spaces.
  • the sensor system can preferably be arranged on an end region of the double-walled gas supply connection facing away from the double-walled wall construction.
  • the sensor system can be connected to a control device of the internal combustion engine for signaling purposes, whereby the control device can be designed to switch off the supply of the internal combustion engine with the gaseous fuel in the event of a leak, and at the same time to switch over to (mono-fuel) operation with the liquid fuel, so that the internal combustion engine remains operable without interruption.
  • the sensor system can be used in an advantageous manner if, for example, B. the gaseous fuel flows around, a leak is detected and the safety of the internal combustion engine is thereby guaranteed.
  • the gas fuel metering device can comprise at least one controllable valve, preferably at least one metering valve, for controllable metering of the gaseous fuel.
  • the gas fuel metering device can include a plurality of controllable valves that are arranged next to one another.
  • the at least one controllable valve can be controllable, in particular openable and closable, by means of the control device of the internal combustion engine.
  • the control device can be designed to cause the at least one controllable valve to allow a predetermined amount of gaseous fuel (from a distributor volume) to pass through for an operating point of the internal combustion engine.
  • the predetermined quantity can be stored (e.g. in a memory of the control device) and/or can be calculated by the control device.
  • the gas fuel metering device may include a distribution volume and a collection volume.
  • the at least one controllable valve can be designed for controllable metering of the gaseous fuel from the distribution volume into the collection volume.
  • the collecting volume can comprise a, preferably single, chamber and/or be designed to bring together the gaseous fuel after the controllable metering through the at least one controllable valve.
  • the gas fuel metering device can be designed so that the gaseous fuel can only pass from the distribution volume into the collection volume via the at least one controllable valve.
  • the distribution volume and the collecting volume can, preferably exclusively, be fluidly connected to one another via the at least one controllable valve.
  • the distributor volume can be referred to as a rail.
  • the gas fuel supply device can be designed to be fixed to the internal combustion engine, attached to a main component of the internal combustion engine, preferably load-bearing, and/or an integral part of the internal combustion engine.
  • a main component of the internal combustion engine preferably load-bearing, and/or an integral part of the internal combustion engine.
  • no additional support structure is therefore necessary for the gas fuel supply device.
  • the internal combustion engine can further comprise at least one cylinder, which has at least one inlet channel with an inlet valve and/or at least one outlet channel with an outlet valve for fluidly connecting to the combustion chamber of the internal combustion engine, and/or a turbine.
  • the at least one inlet channel with the inlet valve and/or the at least one outlet channel with the exhaust valve can be formed in a cylinder head of the at least one cylinder.
  • the internal combustion engine may further include an exhaust gas aftertreatment system.
  • the exhaust gas aftertreatment system can have a particle filter and/or an SCR catalytic converter (e.g. for compliance with the EU Stage V emissions standard).
  • the internal combustion engine can include an intake tract which has the charge air compressor, the charge air cooler, the intake manifold and the at least one inlet channel with the inlet valve (connected in series).
  • the internal combustion engine can further comprise an exhaust tract which has the at least one outlet channel with the exhaust valve, the turbine and preferably the exhaust gas aftertreatment system (connected in series).
  • the charge air cooler can be fluidly connected to the inlet manifold, the at least one inlet channel with the inlet valve and the combustion chamber by means of the charge air supply connection, preferably for supplying a mixture of charge air guided in the charge air supply connection and the gaseous fuel supplied by the gas fuel supply device.
  • the fluidic connection of the intercooler with the inlet manifold, the at least one inlet channel with the inlet valve and the combustion chamber can be formed at least in sections by the charge air supply connection.
  • the charge air supply connection can expediently be part of the intake tract.
  • the at least one outlet channel with the outlet valve can be fluidly connected to the turbine and preferably to the exhaust gas aftertreatment system, in particular for discharging an exhaust gas from the combustion chamber and for driving the turbine through the exhaust gas.
  • the turbine and the charge air compressor can form a turbocharger.
  • the internal combustion engine can have several charge air compressors (and thus turbochargers) and several charge air coolers.
  • the several charge air compressors are expediently connected upstream of the gas introduction device. In other words, preferably no charge air compressors are arranged between the gas introduction device and the inlet manifold.
  • the internal combustion engine can further comprise a liquid fuel metering device, in particular a (common rail) injection system.
  • a liquid fuel in particular diesel, can be introduced into a combustion chamber via controllable injectors of the injection system.
  • the injectors can be controllable, in particular openable and closable, by means of the control device of the internal combustion engine.
  • the control device can be designed to cause the injectors to introduce a predetermined amount of liquid fuel into the combustion chamber for an operating point of the internal combustion engine.
  • a metering start time i.e. an injection time
  • a metering pressure of the liquid fuel i.e. a rail pressure
  • the predetermined metering amount of the liquid fuel can depend on the predetermined metering amount of the gaseous fuel that is passed through the at least one controllable valve of the gas fuel metering device (and vice versa).
  • a well-dosed, reduced dosage amount of e.g. B. diesel fuel enters the combustion chamber and ignites a cylinder filling, whereby the metering quantity, the metering start time and / or the metering pressure can be advantageously adapted and optimized for the combustion.
  • the internal combustion engine can be operable with a liquid fuel, preferably a diesel fuel, and/or the gaseous fuel, preferably a hydrogen fuel.
  • the internal combustion engine may be a dual-fuel internal combustion engine which, preferably optionally, operates in a mono-fuel mode with a liquid fuel, preferably a Diesel fuel, or in a dual fuel mode with the liquid fuel and the gaseous fuel, preferably a hydrogen fuel, is operable.
  • a liquid fuel preferably a Diesel fuel
  • the gaseous fuel preferably a hydrogen fuel
  • the internal combustion engine may include the control device.
  • the control device may be part of a vehicle or stationary application (i.e., the vehicle or stationary application may include the control device).
  • the control device can have a liquid fuel control device for regulating and/or controlling a dosage of the liquid fuel in mono-fuel mode and/or dual-fuel mode, and a gas fuel control device for regulating and/or controlling a dosage of the gaseous Fuel in dual fuel mode.
  • the gas fuel control device can also be designed to regulate and/or control a metering of the gaseous fuel in a mode in which the internal combustion engine is operated only with the gaseous fuel (and not with the liquid fuel).
  • the liquid fuel control device can be designed to repeatedly check whether at least one switching condition for switching between the mono-fuel mode and the dual-fuel mode is met, and preferably to initiate the switch if the at least one switching condition is fulfilled.
  • the at least one switching condition for switching from the mono-fuel mode to the dual-fuel mode can be a threshold value exceeding and/or a threshold value falling below the threshold value of at least one predetermined threshold value of at least one physical quantity of the dual-fuel internal combustion engine, preferably a pressure and/or a temperature, include error-free operation of the liquid fuel control device and/or error-free operation of the gas fuel control device.
  • a switch from mono-fuel mode to dual-fuel mode can be initiated by the following sequence if the at least one switching condition is met: a) sending a release message by the liquid fuel control unit to the gas fuel control unit that is in the dual -Fuel mode may be switched, b) sending a request message, preferably in response to the release message, by the gas fuel control device to the liquid fuel control device to request a switch from mono-fuel mode to dual-fuel mode, and c) sending a feedback message, preferably in response to the request message, by the liquid fuel control device to the gas fuel control device that a switch from mono-fuel mode to dual-fuel mode is initiated.
  • the liquid fuel control device can be designed to carry out a check of a data content of the request message using a checksum check for integrity and using a rolling counter for timeliness, and to send the feedback message if the check is successful.
  • the gas fuel control device can be designed to check at least one gas fuel-specific switching condition and/or a content of the release message and to send the request message if the at least one gas fuel-specific switching condition is met and/or the content of the release message meets at least one predetermined criterion Fulfills.
  • the liquid fuel control device and/or the gas fuel control device can be designed to initiate a switchover from the dual-fuel mode to the mono-fuel mode if and/or as soon as at least one of the following switching conditions exists: a faulty and/or interrupted communication connection between the liquid fuel control device and the gas fuel control device, incorrect operation of the liquid fuel control device, incorrect operation of the gas fuel control device, a limit violation of at least one predetermined limit value of at least one physical quantity of the dual-fuel internal combustion engine, preferably a pressure and /or a temperature, e.g. B.
  • a boost pressure of a charge air below a predetermined limit boost pressure and / or a pressure in a gas fuel metering device outside a predetermined pressure range an insufficient amount of gaseous fuel in a gas fuel tank, a leak through which the gaseous fuel escapes , and/or a faulty sensor system for detecting a leak through which the gaseous fuel escapes.
  • the switch from dual-fuel mode to mono-fuel mode can be initiated by a) a withdrawal of at least one of the release message, the request message and / or the feedback message, preferably directly and / or without a further message, b) a same sequence as the sequence for switching from mono-fuel mode to dual-fuel mode , and / or c) a withdrawal of the release message, the request message and the feedback message in a different sequence to the sequence for switching from mono-fuel mode to dual-fuel mode.
  • a speed and/or a torque of the internal combustion engine can be regulated and/or controllable by the liquid fuel control unit in mono-fuel mode and in dual-fuel mode.
  • the liquid fuel control device can be designed to determine a target torque for operating the internal combustion engine in mono-fuel mode and in dual-fuel mode for a predetermined target speed and/or a predetermined pedal value.
  • the liquid fuel control device can be connected via signaling to the liquid fuel metering device of the internal combustion engine, preferably a common rail injection system, for metering the liquid fuel.
  • the gas fuel control device can be connected via signaling to the gas fuel metering device of the internal combustion engine for metering the gaseous fuel.
  • the liquid fuel control device can be designed to regulate and/or control at least one parameter of the liquid fuel metering device, preferably wherein the at least one parameter has at least a metering start time, a metering duration, a metering pressure, a metering number and/or a metering quantity of the liquid to be metered Fuel includes.
  • the gas fuel control device can be designed to regulate and/or control at least one parameter of the gas fuel metering device, preferably wherein the at least one parameter has at least a metering start time, a metering duration, a metering pressure, a metering number and/or a metering quantity of the gaseous substance to be metered Fuel includes.
  • the at least one parameter of the liquid fuel metering device can be dependent on at least one stored map dependent on an operating point of the internal combustion engine and preferably an actual speed, an actual torque and/or an Actual dosage quantity can be determined, regulated and/or controlled by the liquid fuel control unit.
  • the at least one stored map can include at least one map for the mono-fuel mode and at least one map for the dual-fuel mode.
  • a switch can be made between the at least one map for the mono-fuel mode and the at least one map for the dual-fuel mode to determine the at least one parameter take place.
  • the at least one parameter can be switched successively, preferably along a transfer curve.
  • the liquid fuel control device can be designed to regulate and/or control the at least one parameter of the liquid fuel metering device in order to release heat from the metered, gaseous fuel during combustion of the metered, liquid fuel and the metered, gaseous fuel to achieve a predetermined To increase or limit a target speed and/or a target torque in dual-fuel mode so that a smaller amount of nitrogen oxide is produced during combustion than in mono-fuel mode and/or a knocking combustion is avoided.
  • the gas fuel control device can be designed to regulate and/or control the at least one parameter of the gas fuel metering device in dual-fuel mode depending on an operating point of the internal combustion engine.
  • the gas fuel control device can further be designed to receive a message that includes the operating point from the liquid fuel control device.
  • the control device can also be designed to detect a leak through which the gaseous fuel escapes.
  • the control device can be connected to the sensor system for detecting the leak in terms of signals.
  • a leak can be detected if a detected leak gas mass flow is above a threshold.
  • the threshold can e.g. B. between 40 g/min and 60 g/min, in particular 48 g/min.
  • a leak may be detectable when a pressure in a gas fuel metering device is below a predetermined pressure threshold. The detection of a leak can be carried out for the internal combustion engine during operation and when the internal combustion engine is switched off.
  • the internal combustion engine can be used not only as a drive machine, but also for a motor-generator arrangement (“marine genset”) to provide a combination of a drive, in particular a dual-fuel drive, and an electric drive .
  • a motor-generator arrangement (“marine genset”) to provide a combination of a drive, in particular a dual-fuel drive, and an electric drive .
  • a vehicle in particular a watercraft, or a stationary application is provided with at least one internal combustion engine as disclosed herein.
  • Figure 1 shows a schematic view of a section of an internal combustion engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • Figure 2 shows a schematic view of a gas introduction device for an internal combustion engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • Figure 1 shows schematically a section of an internal combustion engine, preferably a dual-fuel internal combustion engine.
  • the internal combustion engine includes a charge air compressor 22, a combustion chamber 50, and a gas fuel supply device 10 for supplying a gaseous fuel, preferably a hydrogen fuel.
  • the internal combustion engine can have the usual structure of an internal combustion engine, e.g. B. an intake tract 20, which has the charge air compressor 22, a charge air cooler 26 and an intake manifold 28 connected in series.
  • the charge air compressor 22 can be part of a turbocharger, with a turbine 42 of the turbocharger being arranged in an exhaust tract 40 of the internal combustion engine.
  • the gas fuel supply device 10 opens into a charge air supply connection between the charge air compressor 22 and the combustion chamber 50.
  • the gas fuel supply device 10 can in particular comprise a gas introduction device 18, via which the gas fuel supply device 10 opens into the charge air supply connection.
  • the gas fuel supply device 10 can preferably open into a connecting section 24 of the charge air supply connection between the charge air compressor 22 and the charge air cooler 26.
  • gas fuel supply device 10 can open into a charge air supply section of the charge air supply connection between the charge air cooler 26 and the combustion chamber 50, e.g. B. in the inlet manifold 28.
  • a quantity of the gaseous fuel, e.g. B. a hydrogen stream can thus be introduced into the charge air supply connection by means of the gas fuel supply device 10, where the gaseous fuel is mixed with the charge air.
  • This mixture of charge air and the gaseous fuel, e.g. B. a charge air-hydrogen mixture can then flow into the charge air cooler 26, the intake manifold 28 and finally into at least one inlet channel with an inlet valve 32 in at least one cylinder 30.
  • an exhaust gas generated in the process can flow out of the at least one cylinder 30 through at least one outlet channel with an exhaust valve 34 and drive the turbine 42 of the turbocharger 40, which in turn can drive the charge air compressor 22 of the turbocharger in order to maintain a boost pressure of the charge air .
  • the gas fuel supply device 10 may include a gas fuel metering device 14 for controllably metering the gaseous fuel.
  • the gas fuel metering device 14 can include at least one controllable valve 14-2, preferably at least one metering valve, for controllably metering the gaseous fuel.
  • the gas fuel metering device 14 may include a distribution volume 14-1 and a collection volume 14-3.
  • the distribution volume 14-1 and the collecting volume 14-3 can be fluidly connected exclusively via the at least one controllable valve 14-2. Accordingly, the at least one controllable valve 14-2 can be designed for controllable metering of the gaseous fuel from the distribution volume 14-1 into the collection volume 14-3.
  • the gas fuel supply device 10 includes the gas introduction device 18 and the gas fuel metering device 14, the gas introduction device 18 and the gas fuel metering device 14 are expediently fluidly connected, in particular via a double-walled connection 16. Furthermore, the gas fuel metering device 14 may have a double-walled wall construction. Furthermore, a double-walled gas supply connection 12 may be provided in order to supply the gaseous fuel to the gas fuel metering device 14.
  • the double-walled wall construction of the gas fuel metering device 14 and / or the double-walled gas supply connection 12 can be fluidly connected to one another in order to remove the gaseous fuel in the event of a leak be connected.
  • the double-walled connection 16, the double-walled wall construction of the gas fuel metering device 14 and/or the double-walled gas supply connection 12 can also have a sensor system 60.
  • the sensor system 60 can preferably be arranged on an end region of the double-walled gas supply connection 12 facing away from the double-walled wall construction.
  • Figure 2 shows the gas introduction device 18 according to an exemplary embodiment, wherein the gas introduction device 18 can be designed in particular for essentially uniformly distributed gas introduction, preferably gas injection, into the charge air supply connection, in particular the connecting section 24.
  • the gas introduction device 18 can be designed in particular for essentially uniformly distributed gas introduction, preferably gas injection, into the charge air supply connection, in particular the connecting section 24.
  • the gas introduction device 18 can have a gas inlet 18-1, which can in particular be arranged essentially parallel to the at least one charge air passage 18-4.
  • the gas introduction device 18 can have at least one charge air passage 18-4, which is arranged in the charge air supply connection and/or which forms a section of the charge air supply connection.
  • the gas introduction device 18 can be designed as an injection ring (and/or injection ring and/or “injection ring”) and/or have an interior space and/or annular space 18-2 for feeding the gaseous fuel, preferably in the direction of the at least one charge air passage 18-4 , to divide.
  • the gas introduction device 18 can also have several, preferably parallel, charge air passages 18-4, e.g. B. have two charge air passages 18-4.
  • the interior and/or annular space 18-2 of the gas introduction device 18 can be designed over the Gaseous fuel admitted to gas inlet 18-1 is divided into the multiple charge air passages 18-4.
  • a plurality of gas passages 18-3 can be arranged in a circumferential surface of the at least one charge air passage 18-4, preferably evenly distributed in the circumferential direction of the at least one charge air passage 18-4. Furthermore, each of the gas passages 18-3 can each have a gas nozzle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ladeluftverdichter (22), einen Brennraum (50), und eine Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) zur Zuführung eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise eines Wasserstoff-Kraftstoffs. Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) mündet in eine Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter (22) und dem Brennraum (50). Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Wasserfahrzeug, oder eine stationäre Anwendung mit mindestens einer Brennkraftmaschine.

Description

Brennkraftmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, und ein Fahrzeug, insbesondere Wasserfahrzeug, oder eine stationäre Anwendung mit mindestens einer Brennkraftmaschine.
Dieselmotoren sind in der Schifffahrt aufgrund ihrer Betriebssicherheit und des hohen Energiegehalts des Dieselkraftstoffs weit verbreitet.
Um CCh-Reduktionen zu erreichen, sind auch in der Schifffahrt neue Technologien erforderlich, die sich jedoch im konservativen Umfeld nur schwer einführen lassen.
Daher sind derzeit nur in wenigen Einzelfällen „alternative Antriebe“ auf Schiffen bekannt. Insbesondere wenn die erforderliche Fahrtdauer mehrere Stunden mit entsprechender Reichweite beträgt, gibt es noch keine wirtschaftlich relevante Alternative zum Dieselmotor. Die Nutzung Diesel-ähnlicher „grüner Kraftstoffe“ ist zwar technisch sehr leicht beherrschbar, doch sind die Kraftstoffe bislang nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen und Mengen verfügbar.
Mit elektrischen Antrieben lassen sich fossile Brennstoffe im Schifffahrtsbereich kaum ersetzen. Die benötigten Energiemengen sind meist zu hoch und die Energiespeicherdichten zu gering.
Reine wasserstoffbasierte Lösungen, z. B. Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren, werden im traditionellen Schifffahrtsbereich als disruptiv angesehen, da Langzeiterfahrungen fehlen. Auch die nicht vorhandene Infrastruktur für Wasserstoff erzeugt hohe Risiken für den Betrieb reiner Wasserstoffantriebe in Schiffen. Ein weiteres Problem ist der größere Platz- und Gewichtbedarf der Tankanlagen für den Energieträger Wasserstoff im Vergleich zum verbreiteten Diesel als Kraftstoff. Dadurch können nur geringere Wasserstoffmengen an Bord gebunkert werden. Das hat zur Folge, dass die Operationsdauer zwangsweise eingeschränkt wird. Dies könnte beispielsweise bei ungeplanten Veränderungen im Einsatzprofil (z. B. extreme Witterungseinflüsse, Routenänderungen, Hilfseinsätze wie Löschen oder Bergen) fatale Folgen haben und zum Aufzehren des Brennstoffs und damit Ausfall aller Antriebe führen.
Als „Zwischenlösung“ sind Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen ein Teil des flüssigen Kraftstoffs, üblicherweise Diesel, durch einen gasförmigen Kraftstoff wie Wasserstoff substituiert wird. Zusätzlich können solche Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen ausschließlich mit dem flüssigen Kraftstoff betrieben werden. Die Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen bieten daher die Möglichkeit, große, teure und schwere Wasserstofftanks auf eine Größe zu dimensionieren, wie sie im „Normalfair benötigt werden. Kraftstoffreserven lassen sich im gewohnten Umfang in Form von Diesel bevorraten. Sowohl bei Fehlern als auch aufgezehrtem Wasserstoff steht unverändert die volle Antriebsleistung im reinen und bekannten (und damit erprobten) Dieselbetrieb zur Verfügung.
Bekannte Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen basieren üblicherweise auf normalen Brennkraftmaschinen, die nur für den Betrieb mittels eines flüssigen Kraftstoffs ausgelegt sind, insbesondere Dieselmotoren, wobei größere Modifikationen notwendig sind, um einen Betrieb im Dual-Fuel-Modus zu ermöglichen.
Zudem werden die Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen immer weiterentwickelt, um eine möglichst hohe Substitutionsrate und damit eine möglichst hohe Verringerung des Verbrauchs an flüssigem Kraftstoff zu erzielen.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine derartige Lösung bereitzustellen, mit der die Nachteile der bisherigen Lösungen zumindest teilweise vermieden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, bereitzustellen, die eine möglichst hohe Substitutionsrate erzielt und/oder die mit möglichst geringen Modifikationen an einer bekannten Brennkraftmaschine, z. B. einem Dieselmotor, hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Gemäß einem ersten allgemeinen Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine vorzugsweise Dual-Fuel-Brennkraftmaschine (z. B. ein Marine-Dual-Fuel-Motor), bereitgestellt. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ladeluftverdichter und einen Brennraum.
Die Brennkraftmaschine umfasst ferner eine Gaskraftstoffzuführungseinrichtung zur Zuführung eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise eines Wasserstoff-Kraftstoffs.
Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung mündet in eine (fluidische) Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Brennraum. Ist die Brennkraftmaschine eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, so ist sie zweckmäßig mit einem flüssigen Kraftstoff, insbesondere einem Diesel-Kraftstoff, betreibbar (entsprechend konventionellen Brennkraftmaschinen) oder mit einer Mischung aus dem flüssigen Kraftstoff und dem gasförmigen Kraftstoff. Bei der Mischung wird ein Teil des üblicherweise notwendigen flüssigen Kraftstoffs durch den gasförmigen Kraftstoff substituiert.
Durch die vorliegende Offenbarung wird somit eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, bereitgestellt, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs, z. B. Wasserstoff, auf alle Zylinder der Brennkraftmaschine erreicht. Diese möglichst gleichmäßige Verteilung führt vorteilhafterweise zu möglichst hohen Substitutionsraten.
Eine gute Durchmischung des gasförmigen Kraftstoffs mit der Ladeluft ist essentiell, um eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs auf alle Zylinder der Brennkraftmaschine zu erreichen. Diese gleichmäßige Verteilung ist erforderlich, um fette Gemische, d. h. ein zu hoher Anteil des gasförmigen Kraftstoffs, oder arme Gemische, d. h. ein zu geringer Anteil des gasförmigen Kraftstoffs, in einzelnen Zylindern zu vermeiden. Zylinder mit einem fetten Gemisch sind anfälliger für eine klopfende Verbrennung (Selbstentzündung), wodurch die Menge des gasförmigen Kraftstoffs, die eine Menge eines flüssigen Kraftstoffs, z. B. Diesel, ersetzt, reduziert werden müsste. Daher ist eine gleichmäßige Durchmischung ein wesentlicher Aspekt, um möglichst hohe Substitutionsraten zu erreichen.
Darüber hinaus wird eine Technik bereitgestellt, mit der eine bekannte Brennkraftmaschine, die lediglich für den Betrieb mit einem flüssigen Kraftstoff ausgelegt ist, mit wenigen Modifikationen, d. h. lediglich mit kleinen Eingriffen in den bewährten Antriebsstrang, zu einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, umgebaut werden kann. Dazu ist gemäß der vorliegenden Offenbarung lediglich die Integration der Gaskraftstoffzuführungseinrichtung notwendig. Es sind keine weiteren Modifikationen an der Brennkraftmaschine, z. B. am Einspritzsystem und/oder den Ventilen, notwendig.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Brennkraftmaschine ferner einen Ladeluftkühler umfassen. Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung kann in einen Verbindungsabschnitt der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Ladeluftkühler münden. Der Ladeluftverdichter und der Ladeluftkühler sind zweckmäßig zur Zuführung von Ladeluft vom Ladeluftverdichter zum Ladeluftkühler mittels des Verbindungsabschnitts fluidisch verbunden. Durch diese Anordnung wird auf vorteilhafte Weise die turbulente Strömung im Ladeluftkühler genutzt, um eine möglichst homogene Durchmischung von Ladeluft und dem gasförmigen Kraftstoff zu erreichen, ohne weitere technische Maßnahmen oder zusätzliche Bauteile, die zu einem Druckverlust der Ladeluft führen können, einsetzen zu müssen.
Des Weiteren führt die Einleitung, insbesondere Eindüsung, des gasförmigen Kraftstoffs in einen Ansaugtrakt vor dem Ladeluftkühler zu einer verbesserten Abkühlung durch den als Wärmeleiter fungierenden gasförmigen Kraftstoff, wodurch die Gemisch-Temperatur noch weiter reduziert werden kann. Da eine niedrige Temperatur ein Schlüsselfaktor ist, um den gasförmigen Kraftstoff vor einer Selbstentzündung mit klopfender Verbrennung zu bewahren, ist die Abkühlrate ein weiterer wesentlicher Aspekt, durch den möglichst hohe Substitutionsraten erreicht werden können.
Es ist auch möglich, dass die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung in einen (weiteren) Verbindungsabschnitt der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Brennraum mündet. Der Ladeluftkühler und der Brennraum sind zweckmäßig zur Zuführung von Ladeluft vom Ladeluftkühler zum Brennraums mittels des (weiteren) Verbindungsabschnitts fluidisch verbunden. Der (weitere) Verbindungsabschnitt kann als Einlasskrümmer der Brennkraftmaschine und/oder als ein Abschnitt des Einlasskrümmers ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann den Einlasskrümmer umfassen.
Im Kontext der Erfindung kann sich die Ladeluftzuführverbindung vorzugsweise zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Brennraum erstrecken, insbesondere zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Ladeluftkühler und/oder zwischen dem Ladeluftkühler und dem Brennraum. Alternativ oder ergänzend kann im Kontext der Erfindung die Ladeluftzuführverbindung z. B. einen Verbindungsabschnitt zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Ladeluftkühler und/oder einen (weiteren) Verbindungsabschnitt zwischen dem Ladeluftkühler und dem Brennraum, insbesondere z. B. einen Einlasskrümmer, umfassen.
Ferner ist es auch denkbar, dass die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung in ein Bauteil mündet, das in der der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter und dem Brennraum angeordnet ist, z. B. in den Ladeluftkühler.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung eine Gaseinleitungsvorrichtung umfassen. Die Gaseinleitungsvorrichtung kann die Gaskraftstoffzuführungs- einrichtung und die Ladeluftzuführverbindung fluidisch verbinden. Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung kann über die Gaseinleitungsvorrichtung in der fluidischen Verbindung münden.
Die Ladeluftzuführverbindung kann durch einen oder mehrere (Ladeluft-)Kanäle, z. B. Ladeluftrohre, ausgebildet sein und/oder einen oder mehrere (Ladeluft-)Kanäle, z. B. Ladeluftrohre, aufweisen. Die Ladeluftzuführverbindung kann mehrere, z. B. zwei, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende (Ladeluft-)Kanäle aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Gaseinleitungsvorrichtung zur im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Gaseinleitung, vorzugsweise Gaseindüsung, in die Ladeluftzuführverbindung ausgebildet sein. Die gleichmäßig verteilte Gaseinleitung in die Ladeluft hat den Vorteil, dass dadurch eine besonders gute Durchmischung des gasförmigen Kraftstoffs mit der Ladeluft erzielt wird.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Gaseinleitungsvorrichtung zumindest einen Ladeluftdurchgang aufweisen, der in der Ladeluftzuführverbindung angeordnet ist und/oder der einen Abschnitt der Ladeluftzuführverbindung bildet. Ein Querschnitt des zumindest einen Ladeluftdurchgangs kann einem Querschnitt der Ladeluftzuführverbindung entsprechen. Der Querschnitt des zumindest einen Ladeluftdurchgangs kann im Wesentlichen kreisförmig sein. Die Gaseinleitungsvorrichtung kann auch als Injektionsring und/oder „injection ring“ bezeichnet sein.
Die Gaseinleitungsvorrichtung kann als Einspritzring (und/oder Injektionsring und/oder „injection ring“) ausgebildet sein und/oder einen Ringraum aufweisen, um den gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise in Richtung des zumindest eines Ladeluftdurchgangs, aufzuteilen.
Gemäß einer Ausführungsform können mehrere, vorzugsweise radiale, Gasdurchlässe, z. B. Bohrungen, in einer Umfangsfläche des zumindest einen Ladeluftdurchgangs, vorzugsweise gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung des zumindest einen Ladeluftdurchgangs, angeordnet sein. Somit kann der gasförmige Kraftstoff fein gleichmäßig verteilt der Ladeluft, die durch die Ladeluftzuführverbindung und damit auch durch den zumindest einen Ladeluftdurchgang zum Ladeluftkühler strömt, zugeführt werden. Die Anordnung der Gasdurchlässe kann auf vorteilhafte Weise zu einer gleichmäßig verteilten Gaseinleitung in die Ladeluft führen. Gemäß einer Ausführungsform kann jeder der Gasdurchlässe jeweils eine Gasdüse, vorzugsweise eine Mischdüse, aufweisen. Somit kann der gasförmige Kraftstoff nicht nur gleichmäßig verteilt, sondern je nach Wunsch z. B. auch fein verteilt der Ladeluft zugeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Gaseinleitungsvorrichtung einen Gaseinlass aufweisen. Der Gaseinlass kann im Wesentlichen parallel zum zumindest einen Ladeluftdurchgang angeordnet sein. Die Gaseinleitungsvorrichtung kann im Bereich des Gaseinlasses mit einer Verbindung, über die der gasförmige Kraftstoff dem Gaseinlass zuführbar ist, befestigbar, insbesondere verschraubbar und/oder anflanschbar, sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gaseinleitungsvorrichtung mehrere, vorzugsweise parallel angeordnete, Ladeluftdurchgänge aufweisen. Der Gaseinlass kann im Wesentlichen mittig oberhalb der mehreren Ladeluftdurchgänge angeordnet sein. Ein Innenraum und/oder der Ringraum der Gaseinleitungsvorrichtung kann ausgebildet sein, den über einen Gaseinlass eingelassenen gasförmigen Kraftstoff auf die mehreren Ladeluftdurchgänge aufzuteilen. Der Innenraum und/oder der Ringraum kann sich zu den mehreren Ladeluftdurchgängen hin aufspalten und vorzugsweise jeweils eine Gasführung zu jeweils einer der Ladeluftdurchgänge ausbilden. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise der gasförmige Kraftstoff gleichmäßig auf die mehreren Ladeluftdurchgänge aufgeteilt und damit eine im Wesentlichen gleiche Menge an gasförmigen Kraftstoff in jeden der mehreren Ladeluftdurchgänge eingeleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung eine Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfassen.
Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung und die Gaseinleitungsvorrichtung, insbesondere der Gaseinlass der Gaseinleitungsvorrichtung, können zweckmäßig miteinander fluidisch verbunden sein. Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung und die Gaseinleitungsvorrichtung können über eine Verbindung, die insbesondere durch einen oder mehrere Kanäle, z. B. Rohre, gebildet sind, fluidisch verbunden sein. Die Verbindung kann doppelwandig ausgeführt sein.
Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung kann mit einer Quelle für den gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise einen Gaskraftstofftank, fluidisch verbunden sein, z. B. über eine Gasversorgungsverbindung. Die Gasversorgungsverbindung kann durch einen oder mehrere Kanäle, z. B. Rohre, gebildet sein. Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung kann eine abgedichtete und/oder doppelwandige Wandkonstruktion aufweisen. Die Wandkonstruktion kann eine Abdeckung o- der Gehäuse ausbilden. Der gasförmige Kraftstoff kann mit einem Gasdruck kleiner als 10 bar, z. B. 7 bar, in die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung einleitbar sein.
Eine doppelwandige Gasversorgungsverbindung kann zur Verfügung gestellt sein, um der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung den gasförmigen Kraftstoff zuzuführen. Der gasförmige Kraftstoff kann über die doppelwandige Gasversorgungsverbindung, vorzugsweise aus dem Gaskraftstofftank, in die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung einleitbar sein. Die doppelwandige Verbindung und die doppelwandige Gasversorgungsverbindung können koaxial zueinander angeordnet sein.
Die doppelwandige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der gasförmige Kraftstoff bei einer Leckage einer inneren Wandung, durch die der gasförmige Kraftstoff austritt, durch eine äußere Wandung aufgefangen und auf sichere Weise nach außen, z. B. über Bord, abgeführt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform können Zwischenräume, die jeweils durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung der doppelwandigen Verbindung, der doppelwandigen Wandkonstruktion und/oder der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung gebildet sind, miteinander zum Abführen des gasförmigen Kraftstoffs bei einer Leckage fluidisch verbunden sein. Die Zwischenräume können jeweils als Ringvolumen ausgebildet sein.
Mit anderen Worten, die doppelwandige Verbindung kann einen durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung gebildeten ersten Zwischenraum aufweisen, die doppelwandige Wandkonstruktion kann einen durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung gebildeten zweiten Zwischenraum aufweisen, und/oder die doppelwandige Gasversorgungsverbindung kann einen durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung gebildeten dritten Zwischenraum aufweisen. Der erste Zwischenraum, der zweite Zwischenraum und/oder der dritte Zwischenraum können fluidisch verbunden sein, dass der gasförmige Kraftstoff bei einer Leckage (in einer inneren Wandung) abführbar ist.
Somit kann der gasförmige Kraftstoff bei einer Leckage in einer der inneren Wandungen auf vorteilhafte Weise über die Zwischenräume nach außen, z. B. über Bord, abgeführt (bzw. entlüftet) werden. Insbesondere kann diese Absicherung im Falle einer Leckage in der gesamten Gaskraftstoffzuführungseinrichtung bzw. entlang der gesamten Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs innerhalb der Gaskraftstoffzuführungseinrichtung sichergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die doppelwandige Verbindung, die doppelwandige Wandkonstruktion und/oder die doppelwandige Gasversorgungsverbindung eine Sensorik zum Feststellen einer Leckage aufweisen. Die Sensorik kann in zumindest einem der Zwischenräume angeordnet sein.
Die Sensorik kann vorzugsweise an einem der doppelwandigen Wandkonstruktion abgewandten Endbereich der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung angeordnet sein. Die Sensorik kann signaltechnisch mit einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine verbunden sein, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet sein kann, die Versorgung der Brennkraftmaschine mit dem gasförmigen Kraftstoff bei einer Leckage abzuschalten, und zeitgleich eine Umschaltung in den (Mono-Fuel)-Betrieb mit dem Flüssigkraftstoff vorzunehmen, so dass die Brennkraftmaschine unterbrechungsfrei betreibbar bleibt. Somit kann auf vorteilhafte Weise mittels der Sensorik, wenn diese z. B. von dem gasförmigen Kraftstoff umströmt wird, eine Leckage festgestellt und dadurch die Sicherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung zumindest ein steuerbares Ventil, vorzugsweise zumindest ein Zumessventil, zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfassen. Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung kann mehrere, steuerbare Ventile, die nebeneinander angeordnet sind, umfassen.
Das zumindest eine steuerbare Ventil kann mittels der Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine steuerbar, insbesondere öffenbar und schließbar, sein. Die Steuervorrichtung kann ausgebildet sein, das zumindest eine steuerbare Ventil zu veranlassen, eine für einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorbestimmte Menge des gasförmigen Kraftstoffs (aus einem Verteilervolumen) hindurchzulassen. Die vorbestimmte Menge kann hinterlegt (z. B. in einem Speicher der Steuervorrichtung) und/oder von der Steuervorrichtung berechenbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung ein Verteilervolumen und ein Sammelvolumen umfassen. Das zumindest eine steuerbare Ventil kann zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs vom Verteilervolumen in das Sammelvolumen ausgebildet sein. Das Sammelvolumen kann eine, vorzugsweise einzige, Kammer umfassen und/oder ausgebildet sein, den gasförmigen Kraftstoff nach dem steuerbaren Dosieren durch das zumindest eine steuerbare Ventil zusammenzuführen. Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung kann ausgebildet sein, dass der gasförmige Kraftstoff ausschließlich über das zumindest eine steuerbare Ventil vom Verteilervolumen in das Sammelvolumen gelangen kann. Mit anderen Worten, das Verteilervolumen und das Sammelvolumen können, vorzugsweise ausschließlich, über das zumindest eine steuerbare Ventil miteinander fluidisch verbunden sein. Das Verteilervolumen kann als Rail bezeichnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung brennkraftmaschinenfest ausgebildet sein, an einem Hauptbauteil der Brennkraftmaschine, vorzugsweise tragend, befestigt sein und/oder integraler Bestandteil der Brennkraftmaschine sein. Somit ist für die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung auf vorteilhafte Weise keine zusätzliche T ragestruk- tur notwendig.
Die Brennkraftmaschine kann ferner zumindest einen Zylinder, der zumindest einen Einlasskanal mit einem Einlassventil und/oder zumindest einen Auslasskanal mit einem Auslassventil zum fluidischen Verbinden mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist, und/oder eine Turbine umfassen. Der zumindest eine Einlasskanal mit dem Einlassventil und/oder der zumindest eine Auslasskanal mit dem Auslassventil können in einem Zylinderkopf des zumindest einen Zylinders ausgebildet sein.
Die Brennkraftmaschine kann ferner ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen. Das Abgasnachbehandlungssystem kann einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator (z. B. für eine Konformität der EU-Abgasnorm Stufe V), aufweisen.
Die Brennkraftmaschine kann einen Ansaugtrakt umfassen, der den Ladeluftverdichter, den Ladeluftkühler, den Einlasskrümmer und den zumindest einen Einlasskanal mit dem Einlassventil (hintereinandergeschaltet) aufweist.
Die Brennkraftmaschine kann ferner einen Abgastrakt umfassen, der den zumindest einen Auslasskanal mit dem Auslassventil, die Turbine und vorzugsweise das Abgasnachbehandlungssystem (hintereinandergeschaltet) aufweist.
Der Ladeluftkühler kann mit dem Einlasskrümmer, dem zumindest einen Einlasskanal mit dem Einlassventil und dem Brennraum mittels der Ladeluftzuführverbindung, vorzugsweise zur Zuführung eines Gemischs aus einer in der Ladeluftzuführverbindung geführten Ladeluft und des von der Gaskraftstoffzuführungseinrichtung zugeführten gasförmigen Kraftstoffs, fluidisch verbunden sein. Alternativ kann die fluidische Verbindung des Ladeluftkühlers mit dem Einlass- krümmer, dem zumindest einen Einlasskanal mit dem Einlassventil und dem Brennraum zumindest abschnittweise durch die Ladeluftzuführverbindung gebildet sein. Die Ladeluftzuführverbindung kann zweckmäßig Teil des Ansaugtrakts sein.
Der zumindest eine Auslasskanal mit dem Auslassventil kann mit der Turbine und vorzugsweise dem Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere zum Abführen eines Abgases aus dem Brennraum und zum Antreiben der Turbine durch das Abgas, fluidisch verbunden sein.
Die Turbine und der Ladeluftverdichter können einen Turbolader bilden.
Die Brennkraftmaschine kann mehrere Ladeluftverdichter (und damit Turbolader) und mehrere Ladeluftkühler aufweisen. Die mehreren Ladeluftverdichter sind der Gaseinleitungsvorrichtung zweckmäßig vorgeschaltet. Mit anderen Worten, zwischen der Gaseinleitungsvorrichtung und den Einlasskrümmer sind zweckmäßig vorzugsweise keine Ladeluftverdichter angeordnet.
Die Brennkraftmaschine kann ferner eine Flüssigkraftstoff-Dosiervorrichtung, insbesondere ein (Common-Rail-)Einspritzsystem, umfassen. Ein flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, kann über steuerbare Injektoren des Einspritzsystems in einen Brennraum einbringbar sein. Die Injektoren können mittels der Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine steuerbar, insbesondere öffenbar und schließbar, sein. Die Steuervorrichtung kann ausgebildet sein, die Injektoren zu veranlassen, eine für einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorbestimmte Menge des flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum einzubringen. Ferner kann ein Dosierstartzeitpunkt (d. h. ein Einspritzzeitpunkt) und/oder ein Dosierdruck des flüssigen Kraftstoffs (d. h. ein Raildruck) regelbar und/oder steuerbar sein. Die vorbestimmte Dosiermenge des flüssigen Kraftstoffs kann von der vorbestimmten Dosiermenge des gasförmigen Kraftstoffs, die durch das zumindest eine steuerbare Ventil der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung durchgelassen wird, abhängen (und umgekehrt). Somit kann eine wohl dosierte, reduzierte Dosiermenge von z. B. Diesel-Kraftstoff in den Brennraum gelangen und eine Zylinderfüllung entzünden, wobei die Dosiermenge, der Dosierstartzeitpunkt und/oder der Dosierdruck auf vorteilhafte Weise für die Verbrennung angepasst und optimiert sein kann.
Die Brennkraftmaschine kann mit einem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Diesel-Kraftstoff, und/oder dem gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Wasserstoff- Kraftstoff, betreibbar sein.
Die Brennkraftmaschine kann eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine sein, die, vorzugsweise wahlweise, in einem Mono-Fuel-Modus mit einem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Diesel-Kraftstoff, oder in einem Dual-Fuel-Modus mit dem flüssigen Kraftstoff und dem gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Wasserstoff-Kraftstoff, betreibbar ist.
Die Brennkraftmaschine kann die Steuervorrichtung umfassen. Alternativ kann die Steuervorrichtung Teil eines Fahrzeugs oder einer stationären Anwendung sein (d. h. das Fahrzeug oder die stationäre Anwendung kann die Steuervorrichtung umfassen).
Die Steuervorrichtung kann ein Flüssigkraftstoff-Steuergerät zur Regelung und/oder Steuerung einer Dosierung des flüssigen Kraftstoffs im Mono-Fuel-Modus und/oder Dual-Fuel-Mo- dus, und ein Gaskraftstoff-Steuergerät zur Regelung und/oder Steuerung einer Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs im Dual-Fuel-Modus aufweisen.
Das Gaskraftstoff-Steuergerät kann ferner zur Regelung und/oder Steuerung einer Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs in einem Modus, in dem die Brennkraftmaschine lediglich mit dem gasförmigen Kraftstoff (und nicht mit dem flüssigen Kraftstoff) betrieben wird, ausgebildet sein.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, wiederholt zu prüfen, ob zumindest eine Umschaltbedingung zur Umschaltung zwischen dem Mono-Fuel-Modus und dem Dual- Fuel-Modus erfüllt ist, und vorzugsweise die Umschaltung zu initiieren, wenn die zumindest eine Umschaltbedingung erfüllt ist.
Die zumindest eine Umschaltbedingung zur Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual- Fuel-Modus kann eine Schwellwertüberschreitung und/oder Schwellwertunterschreitung zumindest eines vorbestimmten Schwellwerts zumindest einer physikalischen Größe der Dual- Fuel-Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Drucks und/oder einer Temperatur, einen fehlerlosen Betrieb des Flüssigkraftstoff-Steuergeräts und/oder einen fehlerlosen Betrieb des Gaskraftstoff-Steuergeräts umfassen.
Eine Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus kann durch folgende Sequenz initiierbar sein, wenn die zumindest eine Umschaltbedingung erfüllt ist: a) Senden einer Freigabebotschaft durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät an das Gaskraftstoff-Steuergerät, dass in den Dual-Fuel-Modus umgeschaltet werden darf, b) Senden einer Anforderungsbotschaft, vorzugsweise in Antwort auf die Freigabebotschaft, durch das Gaskraftstoff-Steuergerät an das Flüssigkraftstoff-Steuergerät zur Anforderung einer Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus, und c) Senden einer Rückmeldebotschaft, vorzugsweise in Antwort auf die Anforderungsbotschaft, durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät an das Gaskraftstoff-Steuergerät, dass eine Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus initiiert wird.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, eine Prüfung eines Dateninhalts der Anforderungsbotschaft mittels einer Prüfsummenprüfung auf Integrität und mittels eines rollie- renden Zählers auf Aktualität durchzuführen, und die Rückmeldebotschaft zu senden, wenn die Prüfung erfolgreich ist.
Das Gaskraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, zumindest eine Gaskraftstoff-spezifische Umschaltbedingung und/oder einen Inhalt der Freigabebotschaft zu prüfen und die Anforderungsbotschaft zu senden, wenn die zumindest eine Gaskraftstoff-spezifische Umschaltbedingung erfüllt ist und/oder der Inhalt der Freigabebotschaft zumindest ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät und/oder das Gaskraftstoff-Steuergerät können ausgebildet sein, eine Umschaltung vom Dual-Fuel-Modus in den Mono-Fuel-Modus zu initiieren, wenn und/oder sobald zumindest einer der folgenden Umschaltbedingungen vorliegt: eine fehlerhafte und/oder unterbrochene Kommunikationsverbindung zwischen dem Flüssigkraftstoff-Steuergerät und dem Gaskraftstoff-Steuergerät, ein fehlerhafter Betrieb des Flüssigkraftstoff-Steuergeräts, ein fehlerhafter Betrieb des Gaskraftstoff-Steuergeräts, eine Grenzwertverletzung zumindest eines vorbestimmten Grenzwerts zumindest einer physikalischen Größe der Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Drucks und/oder einer Temperatur, z. B. ein Ladedruck einer Ladeluft unterhalb eines vorbestimmten Grenz-Ladedrucks und/oder ein Druck in einer Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung außerhalb eines vorbestimmten Druckbereichs, eine zu geringe Menge des gasförmigen Kraftstoffs in einem Gaskraftstofftank, eine Leckage, durch die der gasförmige Kraftstoff austritt, liegt vor, und/oder eine fehlerhafte Sensorik zur Erkennung einer Leckage, durch die der gasförmige Kraftstoff austritt.
Die Umschaltung vom Dual-Fuel-Modus in den Mono-Fuel-Modus kann initiierbar sein durch a) eine Rücknahme zumindest einer der Freigabebotschaft, der Anforderungsbotschaft und/oder der Rückmeldebotschaft, vorzugsweise direkt und/oder ohne eine weitere Botschaft, b) eine gleiche Sequenz wie die Sequenz zur Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus, und/oder c) eine Rücknahme der Freigabebotschaft, der Anforderungsbotschaft und der Rückmeldebotschaft in einer abweichenden Sequenz zur Sequenz zur Umschaltung vom Mono- Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus.
Eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment der Brennkraftmaschine kann im Mono-Fuel-Modus und im Dual-Fuel-Modus durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät regelbar und/oder steuerbar sein. Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, ein Soll-Drehmoment zum Betrieb der Brennkraftmaschine im Mono-Fuel-Modus und im Dual-Fuel-Modus für eine vorgegebene Soll-Drehzahl und/oder einen vorgegebenen Pedalwert zu bestimmen.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann mit der Flüssigkraftstoff-Dosiervorrichtung der Brennkraftmaschine, vorzugsweise einem Common-Rail-Einspritzsystem, zur Dosierung des flüssigen Kraftstoffs signaltechnisch verbunden sein.
Das Gaskraftstoff-Steuergerät kann mit der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung der Brennkraftmaschine zur Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs signaltechnisch verbunden sein.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, zumindest einen Parameter der Flüssigkraftstoff-Dosiervorrichtung zu regeln und/oder zu steuern, vorzugsweise wobei der zumindest eine Parameter zumindest einen Dosierstartzeitpunkt, eine Dosierdauer, einen Dosierdruck, eine Dosieranzahl und/oder eine Dosiermenge des zu dosierenden flüssigen Kraftstoffs umfasst.
Das Gaskraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, zumindest einen Parameter der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung zu regeln und/oder zu steuern, vorzugsweise wobei der zumindest eine Parameter zumindest einen Dosierstartzeitpunkt, eine Dosierdauer, einen Dosierdruck, eine Dosieranzahl und/oder eine Dosiermenge des zu dosierenden gasförmigen Kraftstoffs umfasst.
Der zumindest eine Parameter der Flüssigkraftstoff-Dosiervorrichtung kann in Abhängigkeit von zumindest einem hinterlegten, von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängigen Kennfeld und vorzugsweise einer Ist-Drehzahl, einem Ist-Drehmoment und/oder einer Ist-Dosiermenge durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät bestimmbar, regelbar und/oder steuerbar sein.
Das zumindest eine hinterlegte Kennfeld kann zumindest ein Kennfeld für den Mono-Fuel- Modus und zumindest ein Kennfeld für den Dual-Fuel-Modus umfassen.
Bei einer Umschaltung zwischen dem Mono-Fuel-Modus und dem Dual-Fuel-Modus kann eine Umschaltung zwischen dem zumindest einen Kennfeld für den Mono-Fuel-Modus und dem zumindest einen Kennfeld für den Dual-Fuel-Modus zur Bestimmung des zumindest einen Parameters erfolgen. Der zumindest eine Parameter kann sukzessive, vorzugsweise entlang einer Überführungskurve, umgeschaltet werden.
Das Flüssigkraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, den zumindest einen Parameter der Flüssigkraftstoff-Dosiervorrichtung zu regeln und/oder zu steuern, um eine Wärmeabgabe des dosierten, gasförmigen Kraftstoffs bei einer Verbrennung des dosierten, flüssigen Kraftstoffs und des dosierten, gasförmigen Kraftstoffs zur Erzielung einer vorgegebenen Soll-Drehzahl und/oder eines Soll-Drehmoments im Dual-Fuel-Modus zu erhöhen oder zu begrenzen, dass bei der Verbrennung eine geringere Menge an Stickoxyd als im Mono-Fuel-Modus entsteht und/oder eine klopfende Verbrennung vermieden wird.
Das Gaskraftstoff-Steuergerät kann ausgebildet sein, den zumindest einen Parameter der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung im Dual-Fuel-Modus in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu regeln und/oder zu steuern. Vorzugsweise kann das Gaskraftstoff- Steuergerät ferner ausgebildet sein, eine Botschaft, die den Betriebspunkt umfasst, vom Flüssigkraftstoff-Steuergerät zu empfangen.
Die Steuervorrichtung kann ferner zur Erkennung einer Leckage, durch die der gasförmige Kraftstoff austritt, ausgebildet sein.
Die Steuervorrichtung kann mit der Sensorik zur Erkennung der Leckage signaltechnisch verbunden sein. Vorzugsweise kann eine Leckage feststellbar sein, wenn ein erkannter Leckagegas-Massestrom oberhalb einer Schwelle liegt. Die Schwelle kann z. B. zwischen 40 g/min und 60 g/min, insbesondere bei 48 g/min, liegen.
Alternativ oder ergänzend kann eine Leckage feststellbar sein, wenn ein Druck in einer Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung unterhalb eines vorbestimmten Druck-Schwellenwerts liegt. Die Erkennung einer Leckage kann für die Brennkraftmaschine im Betrieb und bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durchführbar sein.
Es ist ferner vorstellbar, dass die Brennkraftmaschine nicht nur als Antriebsmaschine, sondern auch für eine Motor-Generator-Anordnung („Marine-Genset“) zur Bereitstellung einer Kombination aus einem Antrieb, insbesondere Dual-Fuel-Antrieb, und einem elektrischen Antrieb zu nutzen.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Wasserfahrzeug, oder eine stationäre Anwendung mit mindestens einer Brennkraftmaschine wie hierin offenbart bereitgestellt.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen, Varianten und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Brennkraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Gaseinleitungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ladeluftverdichter 22, einen Brennraum 50, und eine Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 zur Zuführung eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise eines Wasserstoff-Kraftstoffs.
Darüber hinaus kann die Brennkraftmaschine den üblichen Aufbau einer Brennkraftmaschine aufweisen, z. B. einen Ansaugtrakt 20, der den Ladeluftverdichter 22, einen Ladeluftkühler 26 und einen Einlasskrümmer 28 hintereinandergeschaltet aufweist. Der Ladeluftverdichter 22 kann Teil eines Turboladers sein, wobei eine Turbine 42 des Turboladers in einem Abgastrakt 40 der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 mündet in eine Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter 22 und dem Brennraum 50. Dazu kann die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 insbesondere eine Gaseinleitungsvorrichtung 18 umfassen, über die die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 in die Ladeluftzuführverbindung mündet. Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 kann vorzugsweise in einen Verbindungsabschnitt 24 der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter 22 und dem Ladeluftkühler 26 münden.
Ferner ist es auch möglich, dass die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 in einen Ladeluftzuführabschnitt der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftkühler 26 und dem Brennraum 50 mündet, z. B. in den Einlasskrümmer 28.
Eine Menge des gasförmigen Kraftstoffs, z. B. ein Wasserstoffstrom, kann somit mittels der Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 in die Ladeluftzuführverbindung eingeleitet werden, wo der gasförmige Kraftstoff mit der Ladeluft vermischet wird. Dieses Gemisch aus Ladeluft und dem gasförmigen Kraftstoff, z. B. ein Ladeluft-Wasserstoff-Gemisch, kann anschließend in den Ladeluftkühler 26, den Einlasskrümmer 28 und schließlich in zumindest einen Einlasskanal mit einem Einlassventil 32 in zumindest einem Zylinder 30 strömen. Nach einem Verbrennungsvorgang kann ein dabei erzeugtes Abgas durch zumindest einen Auslasskanal mit einem Auslassventil 34 aus dem zumindest einen Zylinder 30 hinausströmen und die Turbine 42 des Turboladers 40 antreiben, was wiederum den Ladeluftverdichter 22 des Turboladers antreiben kann, um einen Ladedruck der Ladeluft aufrecht zu halten.
Die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 kann eine Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfassen. Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 kann zumindest ein steuerbares Ventil 14-2, vorzugsweise zumindest ein Zumessventil, zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfassen.
Die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 kann ein Verteilervolumen 14-1 und ein Sammelvolumen 14-3 umfassen. Das Verteilervolumen 14-1 und das Sammelvolumen 14-3 können ausschließlich über das zumindest eine steuerbare Ventil 14-2 fluidisch verbunden sein. Entsprechend kann das zumindest eine steuerbare Ventil 14-2 zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs vom Verteilervolumen 14-1 in das Sammelvolumen 14-3 ausgebildet sein.
Umfasst die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung 10 die Gaseinleitungsvorrichtung 18 und die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14, so sind die Gaseinleitungsvorrichtung 18 und die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 zweckmäßig fluidisch verbunden, insbesondere über eine doppelwandige Verbindung 16. Des Weiteren kann die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 eine doppelwandige Wandkonstruktion aufweisen. Ferner kann eine doppelwandige Gasversorgungsverbindung 12 zur Verfügung gestellt sein, um der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 den gasförmigen Kraftstoff zuzuführen.
Zwischenräume, die jeweils durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung der doppelwandigen Verbindung 16, der doppelwandigen Wandkonstruktion der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 und/oder der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung 12 gebildet sind, können zum Abführen des gasförmigen Kraftstoffs bei einer Leckage miteinander fluidisch verbunden sein. Zum Feststellen einer Leckage können die doppelwandige Verbindung 16, die doppelwandige Wandkonstruktion der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung 14 und/oder die doppelwandige Gasversorgungsverbindung 12 ferner eine Sensorik 60 aufweisen. Die Sensorik 60 kann vorzugsweise an einem der doppelwandigen Wandkonstruktion abgewandten Endbereich der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung 12 angeordnet sein.
Figur 2 zeigt die Gaseinleitungsvorrichtung 18 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Gaseinleitungsvorrichtung 18 insbesondere zur im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Gaseinleitung, vorzugsweise Gaseindüsung, in die Ladeluftzuführverbindung , insbesondere den Verbindungsabschnitt 24, ausgebildet sein kann.
Die Gaseinleitungsvorrichtung 18 kann einen Gaseinlass 18-1 aufweisen, der insbesondere im Wesentlichen parallel zum zumindest einen Ladeluftdurchgang 18-4 angeordnet sein kann.
Die Gaseinleitungsvorrichtung 18 kann zumindest einen Ladeluftdurchgang 18-4 aufweisen, der in der Ladeluftzuführverbindung angeordnet ist und/oder der einen Abschnitt der Ladeluftzuführverbindung bildet.
Die Gaseinleitungsvorrichtung 18 kann als Einspritzring (und/oder Injektionsring und/oder „injection ring“) ausgebildet sein und/oder einen Innenraum und/oder Ringraum 18-2 aufweisen, um den gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise in Richtung des zumindest einen Ladeluftdurchgangs 18-4, aufzuteilen.
Die Gaseinleitungsvorrichtung 18 kann auch mehrere, vorzugsweise parallel angeordnete, Ladeluftdurchgänge 18-4, z. B. zwei Ladeluftdurchgänge 18-4, aufweisen. Der Innenraum und/oder Ringraum 18-2 des Gaseinleitungsvorrichtung 18 kann ausgebildet sein, den über den Gaseinlass 18-1 eingelassenen gasförmigen Kraftstoff auf die mehreren Ladeluftdurchgänge 18-4 aufzuteilen.
Mehrere Gasdurchlässe 18-3 können in einer Umfangsfläche des zumindest einen Ladeluftdurchgangs 18-4, vorzugsweise gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung des zumindest einen Ladeluftdurchgangs 18-4, angeordnet sein. Ferner kann jede der Gasdurchlässe 18-3 jeweils eine Gasdüse aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale der unabhängigen Ansprüche jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche offenbart.
Bezugszeichenliste
10 Gaskraftstoffzuführungseinrichtung
12 doppelwandige Gasversorgungsverbindung
14 Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung
14-1 Verteilervolumen
14-2 steuerbares Ventil
14-3 Sammelvolumen
16 doppelwandige Verbindung
18 Gaseinleitungsvorrichtung
18-1 Gaseinlass
18-2 Innenraum, Ringraum
18-3 Gasdurchlässe
18-4 Ladeluftdurchgang
20 Ansaugtrakt
22 Ladeluftverdichter
24 Verbindungsabschnitt der Ladeluftzuführverbindung
26 Ladeluftkühler
28 Einlasskrümmer
30 Zylinder
32 Einlasskanal mit einem Einlassventil
34 Auslasskanal mit einem Auslassventil
40 Abgastrakt
42 Turbine
50 Brennraum
60 Sensorik zum Feststellen einer Leckage

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine, vorzugsweise Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, umfassend: einen Ladeluftverdichter (22); einen Brennraum (50); und eine Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) zur Zuführung eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise eines Wasserstoff-Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) in eine Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter (22) und dem Brennraum (50) mündet.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei die Brennkraftmaschine ferner einen Ladeluftkühler (26) umfasst, und a) die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) in einen Verbindungsabschnitt (24) der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftverdichter (22) und dem Ladeluftkühler (26) mündet, und/oder b) die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) in einen Verbindungsabschnitt der Ladeluftzuführverbindung zwischen dem Ladeluftkühler (26) und dem Brennraum (50) mündet, vorzugsweise wobei der Verbindungsabschnitt als Einlasskrümmer (28) der Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) eine Gaseinleitungsvorrichtung (18) umfasst, die die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) und die Ladeluftzuführverbindung fluidisch verbindet.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei a) die Gaseinleitungsvorrichtung (18) zur im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Gaseinleitung, vorzugsweise Gaseindüsung, in die Ladeluftzuführverbindung ausgebildet ist, und/oder b) die Gaseinleitungsvorrichtung (18) als Einspritzring ausgebildet ist und/oder einen Ringraum (18-2) aufweist, um den gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise in Richtung zumindest eines Ladeluftdurchgangs (18-4), aufzuteilen.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Gaseinleitungsvorrichtung (18) zumindest einen Ladeluftdurchgang (18-4) aufweist, der in der Ladeluftzuführverbindung angeordnet ist und/oder der einen Abschnitt der Ladeluftzuführverbindung bildet.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei mehrere, vorzugsweise radiale, Gasdurchlässe (18-3) in einer Umfangsfläche des zumindest einen Ladeluftdurchgangs (18-4), vorzugsweise gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung des zumindest einen Ladeluftdurchgangs (18-4), angeordnet sind.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei jeder der Gasdurchlässe (18-3) jeweils eine Gasdüse, vorzugsweise eine Mischdüse, aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Gaseinleitungsvorrichtung (18) mehrere, vorzugsweise parallel angeordnete, Ladeluftdurchgänge (18-4) aufweist, vorzugsweise wobei ein Innenraum und/oder Ringraum (18-2) der Gaseinleitungsvorrichtung (18) ausgebildet ist, den über einen Gaseinlass (18-1) eingelassenen gasförmigen Kraftstoff auf die mehreren Ladeluftdurchgänge (18-4) aufzuteilen.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) eine Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfasst.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) und die Gaseinleitungsvorrichtung (18) über eine doppelwandige Verbindung (16) fluidisch verbunden sind, und/oder die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) eine doppelwandige Wandkonstruktion aufweist, und/oder eine doppelwandige Gasversorgungsverbindung (12) zur Verfügung gestellt ist, um der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) den gasförmigen Kraftstoff zuzuführen.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, wobei Zwischenräume, die jeweils durch eine innere Wandung und eine die innere Wandung umgebende äußere Wandung der doppelwandigen Verbindung (16), der doppelwandigen Wandkonstruktion der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) und/oder der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung (12) gebildet sind, miteinander zum Abführen des gasförmigen Kraftstoffs bei einer Leckage fluidisch verbunden sind.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die doppelwandige Verbindung (16), die doppelwandige Wandkonstruktion der Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) und/oder die doppelwandige Gasversorgungsverbindung (12) eine Sensorik zum Feststel- len einer Leckage aufweisen, vorzugsweise wobei die Sensorik an einem der doppelwandigen Wandkonstruktion abgewandten Endbereich der doppelwandigen Gasversorgungsverbindung (12) angeordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) zumindest ein steuerbares Ventil (14-2), vorzugsweise zumindest ein Zumessventil, zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs umfasst.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, wobei die Gaskraftstoff-Dosiervorrichtung (14) ein Verteilervolumen (14-1) und ein Sammelvolumen (14-3) umfasst, und das zumindest eine steuerbare Ventil (14-2) zum steuerbaren Dosieren des gasförmigen Kraftstoffs vom Verteilervolumen (14-1) in das Sammelvolumen (14-3) ausgebildet ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) brennkraftmaschinenfest angebaut ist, an einem Hauptbauteil der Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, vorzugsweise tragend, befestigt ist und/oder integraler Bestandteil der Brennkraftmaschine ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Einlasskrümmer (28); zumindest einen Zylinder, der zumindest einen Einlasskanal mit einem Einlassventil (32) und/oder zumindest einen Auslasskanal mit einem Auslassventil (34) zum fluidischen Verbinden mit dem Brennraum (50) aufweist; eine Turbine (42); und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem, vorzugsweise wobei a) der Ladeluftkühler (26) mit dem Einlasskrümmer (28), dem zumindest einen Einlasskanal (32) und dem Brennraum (50) mittels der Ladeluftzuführverbindung, vorzugsweise zur Zuführung eines Gemischs aus einer in der Ladeluftzuführverbindung geführten Ladeluft und des von der Gaskraftstoffzuführungseinrichtung (10) zugeführten gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum (50), fluidisch verbunden ist, und/oder b) der zumindest eine Auslasskanal (34) mit der Turbine (42) und vorzugsweise dem Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere zum Abführen eines Abgases aus dem Brennraum (50) und zum Antreiben der Turbine (42) durch das Abgas, fluidisch verbunden ist, und/oder c) die Turbine (42) und der Ladeluftverdichter (22) einen Turbolader bilden.
17. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) die Brennkraftmaschine mit einem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Diesel- Kraftstoff, und/oder dem gasförmigen Kraftstoff betreibbar ist, und/oder b) die Brennkraftmaschine eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine ist, die in einem Mono- Fuel-Modus mit einem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise einem Diesel-Kraftstoff, oder in einem Dual-Fuel-Modus mit dem flüssigen Kraftstoff und dem gasförmigen Kraftstoff betreibbar ist.
18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, wobei die Brennkraftmaschine ferner eine Steuervorrichtung umfasst, wobei die Steuervorrichtung aufweist: ein Flüssigkraftstoff-Steuergerät zur Steuerung einer Dosierung des flüssigen Kraftstoffs im Mono-Fuel-Modus und/oder Dual-Fuel-Modus, und ein Gaskraftstoff-Steuergerät zur Steuerung einer Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs im Dual-Fuel-Modus, wobei das Flüssigkraftstoff-Steuergerät ausgebildet ist, wiederholt zu prüfen, ob zumindest eine Umschaltbedingung zur Umschaltung zwischen dem Mono-Fuel-Modus und dem Dual-Fuel-Modus erfüllt ist, und vorzugsweise die Umschaltung zu initiieren, wenn die zumindest eine Umschaltbedingung erfüllt ist.
19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, wobei die zumindest eine Umschaltbedingung zur Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus eine Schwellwertüberschreitung und/oder Schwellwertunterschreitung zumindest eines vorbestimmten Schwellwerts zumindest einer physikalischen Größe der Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Drucks und/oder einer Temperatur, einen fehlerlosen Betrieb des Flüssigkraftstoff-Steuergeräts und/oder einen fehlerlosen Betrieb des Gaskraftstoff-Steuergeräts umfasst.
20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, wobei eine Umschaltung vom Mono-Fuel- Modus in den Dual-Fuel-Modus durch folgende Sequenz initiierbar ist, wenn die zumindest eine Umschaltbedingung erfüllt ist: a) Senden einer Freigabebotschaft durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät an das Gaskraftstoff-Steuergerät, dass in den Dual-Fuel-Modus umgeschaltet werden darf, b) Senden einer Anforderungsbotschaft, vorzugsweise in Antwort auf die Freigabebotschaft, durch das Gaskraftstoff-Steuergerät an das Flüssigkraftstoff-Steuergerät zur Anforderung einer Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus, und c) Senden einer Rückmeldebotschaft, vorzugsweise in Antwort auf die Anforderungsbotschaft, durch das Flüssigkraftstoff-Steuergerät an das Gaskraftstoff-Steuergerät, dass eine Umschaltung vom Mono-Fuel-Modus in den Dual-Fuel-Modus initiiert wird. Fahrzeug, insbesondere ein Wasserfahrzeug, oder stationäre Anwendung mit mindestens einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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