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