WO2021011977A1 - Method for operating an internal combustion engine - Google Patents

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WO2021011977A1
WO2021011977A1 PCT/AT2020/060272 AT2020060272W WO2021011977A1 WO 2021011977 A1 WO2021011977 A1 WO 2021011977A1 AT 2020060272 W AT2020060272 W AT 2020060272W WO 2021011977 A1 WO2021011977 A1 WO 2021011977A1
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internal combustion
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bar
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Michael Glensvig
Gernot Graf
Helmut Theissl
Daniele CORSINI
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Avl List Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with at least one gas exchange opening per cylinder, at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbine and a compressor, with exhaust gas heat of the exhaust system and / or the exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine having an organic rankine -Cycle waste heat recovery device is recovered.
  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbine and a compressor aufwei send exhaust gas turbocharger, the internal combustion engine preferably having an exhaust gas recirculation system with at least one exhaust gas recirculation line between an inlet system and an outlet system, and with one after a Organic Rankine cycle working waste heat recovery device to recover exhaust heat from the exhaust system and / or the exhaust gas recirculation system, which waste heat recovery device has a circuit for a working medium with at least one pump, at least one evaporator, at least one expander and at least one condenser.
  • the invention also relates to a method for designing this internal combustion engine.
  • Waste heat recovery devices are used, among other things, in commercial road vehicles in order to utilize the waste gas heat from the internal combustion engine using an organic Rankine cycle that has a compressor and an expander. Mechanical work is performed in the expander, for example a turbine or a piston machine.
  • waste heat recovery devices and internal combustion engines have been developed and optimized independently of one another.
  • the waste heat recovery device was subsequently added to the internal combustion engine.
  • the disadvantage is that - although the internal combustion engine and the waste heat recovery device have been optimized for themselves - the thermal efficiency of the overall system comprising the internal combustion engine and waste heat recovery device was not optimal.
  • the object of the invention is to improve the overall efficiency of the system internal combustion engine and waste heat recovery device.
  • it is the object of the invention to achieve an overall thermal efficiency factor of at least 50% in at least one operating point.
  • this object is achieved in that the internal combustion engine is operated in at least one defined operating point with the following combination of parameters:
  • Exhaust gas turbocharger efficiency at least 60%, preferably at least 65%;
  • the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation system, in particular a high-pressure exhaust gas recirculation system, with which exhaust gas is recirculated from an exhaust system to an intake system of the internal combustion engine in at least one operating point of the internal combustion engine, it is advantageous if the exhaust gas with at least one defined operating point an exhaust gas recirculation rate between 0% and 15% is recirculated.
  • the recirculated exhaust gas is preferably conducted in the exhaust gas recirculation line of the exhaust gas recirculation system via a reed valve which opens in the flow direction.
  • the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger is regulated by means of a waste gate or a variable turbine geometry.
  • the internal combustion engine at a speed of the crankshaft in a range between 1020 U / min and 1200 U / min, preferably between 1025 U / min and 1150 U / min, and at a torque in a range between 75% and 85% of the nominal torque for this speed is operated with maximum thermal efficiency
  • the relative boost pressure of the exhaust gas turbocharger is preferably between 2.8 bar and 3.1 bar.
  • the mass flow through the internal combustion engine is minimized in order to achieve the highest exhaust gas temperatures.
  • an overall thermal efficiency of at least 50% is achieved, with the internal combustion engine contributing approximately 48% and the waste heat recovery device approximately 2% to the overall thermal efficiency.
  • a method for designing an internal combustion engine which has the following steps: a. Adjusting the exhaust gas turbocharger until a minimum boost pressure of the compressor of the exhaust gas turbocharger is reached in which a required amount of exhaust gas can still be recirculated in order to meet the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet of the internal combustion engine; b. Increasing the compression ratio of the internal combustion engine until the maximum cylinder peak pressure is reached; c. Repeat steps a. and b. with a higher exhaust gas recirculation rate when the nitrogen oxide content at the tailpipe outlet of the exhaust line of the internal combustion engine exceeds the legally prescribed maximum NOx emission values.
  • This iterative design method for the internal combustion engine enables the highest overall thermal efficiency for the internal combustion engine including the heat recovery device for a single stationary operating point.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine according to the invention
  • Fig. 2 is a waste heat recovery device of this internal combustion engine
  • Fig. 5 is a performance diagram of the expander
  • Fig. 7 is a map of the internal combustion engine with waste heat recovery device.
  • Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 according to the invention for implementing the claimed method.
  • An exhaust gas recirculation device 6, for example a high-pressure exhaust gas recirculation device, is provided between the outlet line 3 and the inlet line 2, with which exhaust gases are returned from the outlet line 3 to the inlet line 2.
  • the internal combustion engine 1 has an exhaust gas turbocharger 7 with a compressor 71 in the inlet line 2 and an exhaust gas turbine 72 in the outlet line 3.
  • Gas exchange openings controlled via lift valves that is to say one or more inlet openings and one or more outlet openings, are provided per cylinder, which enable gas exchange in the cylinder.
  • the internal combustion engine 1 can be self-igniting or externally ignited and can have one or more cylinders for reciprocating pistons.
  • the exhaust gas aftertreatment device 4 can have at least one particle filter and / or at least one catalytic converter.
  • the exhaust gas recirculation device 6 has an exhaust gas recirculation valve 60 and an exhaust gas recirculation line 61, in wel chem the EGR heat exchanger 52 and a reed valve 62 (flutter valve) is net angeord.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • a circuit 50 for an organic working medium which is shown in FIG.
  • an expander 53 - for example one Piston engine or a turbine, a condenser 54, a reservoir 55, a pump 56 and a distributor valve 57 are arranged.
  • the heat sources - exhaust gas from exhaust line 3 and recirculated exhaust gas from exhaust gas recirculation line 61 - are used in waste heat recovery device 5 to vaporize the working medium in first evaporator 51 and / or second evaporator 52.
  • the first evaporator 51 and the second evaporator 52 are connected in parallel in the circuit 50 of the waste heat recovery device 5 and are connected via the distributor valve 57 to enable operation with or without exhaust gas recirculation. In the latter case, the working medium is directed past the second evaporator 520.
  • the first evaporator 510 is positioned in the exhaust line 3 after the exhaust gas aftertreatment device 4 of the internal combustion engine 1, as shown in FIG. 3. Because of this, adverse effects on the exhaust gas aftertreatment can be avoided.
  • the waste heat recovery device 5 converts heat from the exhaust gas (enthalpy) into mechanical energy.
  • Fig. 4 shows a waste heat recovery device 5 with simplified ORC with only one heat source, namely a first evaporator 510 of an exhaust gas heat exchanger 51.
  • the enthalpy Q of the exhaust gas can flow from the exhaust gas mass flow m, the specific heat capacity c p , which seeks to be approximately constant and the temperature difference DT on the exhaust gas side between inlet 511 and outlet 512 of the first evaporator 510 can be calculated:
  • the power P of the expander 53 is plotted as a function of various ex gas mass flows m and exhaust gas-side inlet temperatures TE of the exhaust gas heat exchanger 51 with a constant efficiency. It can be seen from this that the exhaust-gas-side inlet temperatures T E of the exhaust gas heat exchanger 51 have a greater influence on the power P of the expander 53 than the exhaust gas flow m.
  • FIG. 6 shows the position of the operating point with the highest thermal efficiency BTEopt for an internal combustion engine according to the invention in the characteristic diagrams shown in FIG. 6 and FIG. 7, the torque MD in each case above the Speed N of the internal combustion engine 1 are plotted.
  • the thermal efficiencies BTEi of the internal combustion engine 1 are entered in the map.
  • Fig. 7 shows the thermal efficiency BTEi + s for the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5.
  • the marked best point BTE opt the thermal efficiency BTEi is in Fig.
  • the low cylinder mass enables a high compression ratio CR with an engine design for a fixed ignition peak pressure (e.g. 250 bar).
  • a high compression ratio CR increases the combustion efficiency of the high pressure cycle and enables a higher thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1.
  • the lower air flow and the resulting lower boost pressure lead to a lower pressure in front of the exhaust gas turbine 72 of the exhaust gas turbo charger 7, which in turn leads to a lower expansion in the exhaust gas turbine 72 and a higher exhaust gas temperature TE after the exhaust gas turbine 7 enables.
  • the exhaust gas temperature TE is "high” and the exhaust gas mass flow m is “low”, which is favorable for the thermal efficiency BTEs of the waste heat recovery device 5.
  • the high cylinder mass enables a low compression ratio with an engine design for a fixed ignition peak pressure (e.g. 250 bar).
  • the negative pumping work enables the transport of large amounts of recirculated exhaust gas from the high-pressure exhaust gas recirculation system, which leads to lower NOx emissions from internal combustion engine 1 and a simpler and more cost-effective De-NOx system (e.g. SCR catalytic converter) for the exhaust gas aftertreatment device 4 allows.
  • De-NOx system e.g. SCR catalytic converter
  • a higher cylinder mass reduces the heat transfer to the cylinder walls, whereby the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1 is increased.
  • a negative pumping work reduces the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1.
  • a low compression ratio CR due to the PFP design limit (PFP peak firing pressure) leads to a lower combustion efficiency, which in turn leads to a lower thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas temperature TE is low and the exhaust gas mass flow m is “high”, which is unfavorable for the thermal efficiency BTEs of the waste heat recovery device 5.
  • valve control of the gas exchange valves enables a degree of delivery li of> 90% at the best point when no Miller control is available;
  • Nozzle flow rate of the fuel injectors 700 - 1200 ml / 60s per 100 kW nominal power PWR at a fuel injection pressure of 100 bar;
  • step 1) If the nitrogen oxide content NOx_TailPipe on the tailpipe exceeds the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet 31, then step 1) is repeated with a higher exhaust gas recirculation rate RT_EGR (iteration).
  • This iterative design method for the internal combustion engine 1 enables the highest overall thermal efficiency BTEi + s for the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 for a single stationary operating point.

Abstract

The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with at least one gas exchange opening per cylinder, with at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbocharger (7) having an exhaust turbine (72) and a compressor (71), wherein exhaust gas heat of an outlet system (3) and/or of an exhaust gas recirculation system (6) of the internal combustion engine (1) is recovered with a waste heat recovery device (5) which operates according to an organic Rankine cycle (OCR). In order to improve the overall thermal efficiency (BTE1+5) there is provision that the internal combustion engine (1) is operated with the following combination of parameters at at least one defined operating point: - compression ratio (CR) between 21 and 23; - peak combustion pressure (P_MX) of at least 250 bar, preferably between 250 bar and 270 bar, in the entire engine characteristic diagram; - volumetric efficiency (λι) of at least 90%; - swirl rate (Rs) in the cylinder between 0 and 1.6; - flow coefficient (Kv) of at least one gas exchange opening: at least 0.068; - maximum injection pressure of fuel injectors: at least 2500 bar; - specific nozzle throughput rate of fuel injectors of 700 - 1200ml/60s per 100 kW rated power, measured at a fuel injection pressure of 100 bar; - maximum exhaust gas turbocharger efficiency: at least 60%, preferably at least 65%; - start of main injection of fuel at the best operating point of thermal efficiency (BTE) of the internal combustion engine (1) so that the centre of combustion (MFB50%) at approximately 6° to 12°, preferably 8° to 10°, crank angle (CA) after the dead centre (ATDC) of the ignition.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Method for operating an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, zumindest einem Kraftstoffin jektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei Abgaswärme des Auslasssystems und/oder des Abgas rückführsystems der Brennkraftmaschine mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung rückgewonnen wird. The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with at least one gas exchange opening per cylinder, at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbine and a compressor, with exhaust gas heat of the exhaust system and / or the exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine having an organic rankine -Cycle waste heat recovery device is recovered.
Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kraft stoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufwei senden Abgasturbolader, wobei vorzugsweise die Brennkraftmaschine ein Abgas- rückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung zwischen einem Einlass system und einem Auslasssystem aufweist, sowie mit einer nach einem organi schen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung zur Rück gewinnung von Abgaswärme aus dem Abgassystem und/oder dem Abgasrückführ system, welche Abwärmerückgewinnungseinrichtung einen Kreislauf für ein Ar beitsmedium mit zumindest einer Pumpe, zumindest einem Verdampfer, zumin dest einem Expander und zumindest einem Kondensator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen dieser Brennkraftmaschine. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with at least one fuel injector, with at least one exhaust gas turbine and a compressor aufwei send exhaust gas turbocharger, the internal combustion engine preferably having an exhaust gas recirculation system with at least one exhaust gas recirculation line between an inlet system and an outlet system, and with one after a Organic Rankine cycle working waste heat recovery device to recover exhaust heat from the exhaust system and / or the exhaust gas recirculation system, which waste heat recovery device has a circuit for a working medium with at least one pump, at least one evaporator, at least one expander and at least one condenser. The invention also relates to a method for designing this internal combustion engine.
Abwärmerückgewinnungseinrichtungen werden unter anderem bei Straßen-Nutz- fahrzeugen eingesetzt, um die Abgas-Abwärme der Brennkraftmaschine unter Ver wendung eines einen Verdichter und einen Expander aufweisende organischen Rankine Zyklus zu nutzen. Dabei wird im Expander, beispielsweise einer Turbine oder einer Kolbenmaschine mechanische Arbeit verrichtet. Waste heat recovery devices are used, among other things, in commercial road vehicles in order to utilize the waste gas heat from the internal combustion engine using an organic Rankine cycle that has a compressor and an expander. Mechanical work is performed in the expander, for example a turbine or a piston machine.
Bisher wurden Abwärmerückgewinnungseinrichtungen und Brennkraftmaschinen unabhängig voneinander entwickelt und optimiert. Die Abwärmerückgewinnungs einrichtung wurde nachträglich der Brennkraftmaschine zugefügt. Nachteilig ist, dass - obwohl die Brennkraftmaschine für sich und die Abwärmerückgewinnungs einrichtung für sich optimiert wurden - der thermische Wirkungsgrad des Gesamt systems aus Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung nicht optimal war. So far, waste heat recovery devices and internal combustion engines have been developed and optimized independently of one another. The waste heat recovery device was subsequently added to the internal combustion engine. The disadvantage is that - although the internal combustion engine and the waste heat recovery device have been optimized for themselves - the thermal efficiency of the overall system comprising the internal combustion engine and waste heat recovery device was not optimal.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Gesamtwirkungsgrad des Systems Brennkraft maschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung in zumindest einem Betriebspunkt einen thermischen Gesamtwirkungsrad vom mindestens 50% zu erreichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit folgender Kombination von Pa rametern betrieben wird: The object of the invention is to improve the overall efficiency of the system internal combustion engine and waste heat recovery device. In particular, it is the object of the invention to achieve an overall thermal efficiency factor of at least 50% in at least one operating point. According to the invention, this object is achieved in that the internal combustion engine is operated in at least one defined operating point with the following combination of parameters:
Kompressionsverhältnis zwischen 21 und 23; Compression ratio between 21 and 23;
Spitzenverbrennungsdruck von mindestens 250 bar, vorzugsweise zwi schen 250 bar und 270 bar, im gesamten Motorkennfeld; Peak combustion pressure of at least 250 bar, preferably between 250 bar and 270 bar, in the entire engine map;
Liefergrad von mindestens 90%; Degree of delivery of at least 90%;
Drallzahl im Brennraum zwischen 0 und 1,6; Swirl number in the combustion chamber between 0 and 1.6;
Durchflusskoeffizient zumindest einer Gaswechselöffnung: Mindestens 0,068; Flow coefficient of at least one gas exchange opening: at least 0.068;
Einspritzdruck der Kraftstoff! n je ktoren von mindestens 2500 bar; spezifische Düsendurchflussrate der Kraftstoff! njektoren von 700 - 1200 ml/60s pro 100 kW Nennleistung, gemessen bei einem Kraft stoffei nspritzdruck von 100 bar; Injection pressure of fuel! n per ctors of at least 2500 bar; specific nozzle flow rate of fuel! injectors from 700 - 1200 ml / 60s per 100 kW nominal power, measured at a fuel injection pressure of 100 bar;
Abgasturbolader-Wirkungsgrad mindestens 60%, vorzugsweise mindes tens 65%; Exhaust gas turbocharger efficiency at least 60%, preferably at least 65%;
Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei etwa 6° bis 12°, vorzugsweise 8° bis 10°, Kurbelwinkel KW nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt. Start of main fuel injection at the best operating point of thermal efficiency so that the combustion center of gravity (MFB50%) is around 6 ° to 12 °, preferably 8 ° to 10 °, crank angle KW after ignition dead center (ATDC).
Weist die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem, insbesondere ein Hoch- druck-Abgasrückführsystem, auf, mit welchem in zumindest einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine Abgas von einem Auslasssystem zu einem Einlasssystem der Brennkraftmaschine rückgeführt wird, so ist es vorteilhaft, wenn das Abgas in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit einer Abgasrückführrate zwischen 0% und 15% rückgeführt wird. Vorzugsweise wird dabei das rückgeführte Abgas in der Abgasrückführleitung des Abgasrückführsystems über ein in Strömungsrich tung öffnendes Reed-Ventil geleitet wird. If the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation system, in particular a high-pressure exhaust gas recirculation system, with which exhaust gas is recirculated from an exhaust system to an intake system of the internal combustion engine in at least one operating point of the internal combustion engine, it is advantageous if the exhaust gas with at least one defined operating point an exhaust gas recirculation rate between 0% and 15% is recirculated. The recirculated exhaust gas is preferably conducted in the exhaust gas recirculation line of the exhaust gas recirculation system via a reed valve which opens in the flow direction.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasturbine des Abgasturboladers mittels eines Waste-Gates oder einer variablen Turbinen geometrie geregelt wird. In one embodiment variant of the invention it is provided that the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger is regulated by means of a waste gate or a variable turbine geometry.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehene, dass die Brennkraft maschine bei einer Drehzahl der Kurbelwelle in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1200 U/min, vorzugsweise zwischen 1025 U/min und 1150 U/min, und bei einem Drehmoment in einem Bereich zwischen 75% und 85% des Nenndrehmomentes für diese Drehzahl mit maximalem thermischen Wir kungsgrad betrieben wird, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgas turboladers zwischen 2,8 bar und 3,1 bar liegt. In one embodiment of the invention it is provided that the internal combustion engine at a speed of the crankshaft in a range between 1020 U / min and 1200 U / min, preferably between 1025 U / min and 1150 U / min, and at a torque in a range between 75% and 85% of the nominal torque for this speed is operated with maximum thermal efficiency We, the relative boost pressure of the exhaust gas turbocharger is preferably between 2.8 bar and 3.1 bar.
Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn als Arbeitsmedium der Abwär merückgewinnungseinrichtung Cyclopentan verwendet wird. The best results can be achieved if cyclopentane is used as the working medium of the waste heat recovery device.
Durch die genannten Maßnahmen wird der Massenfluss durch die Brennkraftma schine minimiert, um höchste Abgastemperaturen zu erreichen. Auf diese Weise erreicht man einen Thermischen Gesamtwirkungsgrad von mindesten 50%, wobei zum thermischen Gesamtwirkungsgrad die Brennkraftmaschine mit etwa 48% und die Abwärmerückgewinnungseinrichtung mit etwa 2% beiträgt. By the measures mentioned, the mass flow through the internal combustion engine is minimized in order to achieve the highest exhaust gas temperatures. In this way, an overall thermal efficiency of at least 50% is achieved, with the internal combustion engine contributing approximately 48% and the waste heat recovery device approximately 2% to the overall thermal efficiency.
Dadurch ist es möglich die C02-Emissionen im Vergleich zu leistungsgleichen her kömmlichen Kombinationen aus Brennkraftmaschinen und Abwärmerückgewin nungseinrichtungen zu reduzieren. This makes it possible to reduce the C02 emissions compared to conventional combinations of internal combustion engines and waste heat recovery devices of the same power.
Um einen hohen thermischen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, wird erfindungs gemäß ein Verfahren zur Auslegung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wel ches folgende Schritte aufweist: a. Anpassen des Abgasturboladers solange, bis ein minimaler Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers erreicht wird, bei dem eine erforderli che Abgasmenge noch rückgeführt werden kann, um gesetzlich vorgege bene maximale NOx-Emissionswerte am Endrohraustritt der Brennkraft maschine zu erfüllen; b. Erhöhen des Kompressionsverhältnisses der Brennkraftmaschine, bis der maximale Zylinder-Spitzendruck erreicht wird; c. Wiederholen der Schritte a. und b. mit höherer Abgasrückführrate, wenn der Stickoxidgehalt am Endrohraustritt des Auslassstranges der Brenn kraftmaschine die gesetzlich vorgegebenen maximalen NOx-Emissions- werte überschreitet. In order to achieve a high overall thermal efficiency, a method for designing an internal combustion engine is proposed according to the invention, which has the following steps: a. Adjusting the exhaust gas turbocharger until a minimum boost pressure of the compressor of the exhaust gas turbocharger is reached in which a required amount of exhaust gas can still be recirculated in order to meet the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet of the internal combustion engine; b. Increasing the compression ratio of the internal combustion engine until the maximum cylinder peak pressure is reached; c. Repeat steps a. and b. with a higher exhaust gas recirculation rate when the nitrogen oxide content at the tailpipe outlet of the exhaust line of the internal combustion engine exceeds the legally prescribed maximum NOx emission values.
Diese iterative Auslegungsmethode für die Brennkraftmaschine ermöglicht den höchsten thermischen Gesamtwirkungsgrad für die Brennkraftmaschine samt Ab wärmerückgewinnungseinrichtung für einen einzelnen stationären Betriebspunkt. This iterative design method for the internal combustion engine enables the highest overall thermal efficiency for the internal combustion engine including the heat recovery device for a single stationary operating point.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen schematisch: The invention is explained in more detail below using the exemplary embodiment shown in the non-restrictive figures. They show schematically:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine; Fig. 2 eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung dieser Brennkraftma schine; 1 shows an internal combustion engine according to the invention; Fig. 2 is a waste heat recovery device of this internal combustion engine;
Fig. 3 ein Detail der Brennkraftmaschine; 3 shows a detail of the internal combustion engine;
Fig. 4 eine vereinfachte Abwärmerückgewinnungseinrichtung; 4 shows a simplified waste heat recovery device;
Fig. 5 ein Leistungsdiagramm des Expanders; Fig. 5 is a performance diagram of the expander;
Fig. 6 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine ohne Abwärmerückgewin nungseinrichtung; und 6 shows a map of the internal combustion engine without waste heat recovery device; and
Fig. 7 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungs einrichtung. Fig. 7 is a map of the internal combustion engine with waste heat recovery device.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zur Durch führung des beanspruchten Verfahrens. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Ein lassstrang 2, einen Auslassstrang 3, eine im Auslassstrang 3 angeordnete Abgas nachbehandlungseinrichtung 4 und eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 auf, von welcher in Fig. 1 der Abgaswärmetauscher 51 und der EGR-Wärmetau- scher 52 (EGR=exhaust gas recirculation) dargestellt ist. Zwischen dem Aus lassstrang 3 und dem Einlassstrang 2 ist eine Abgasrückführeinrichtung 6, bei spielsweise eine Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung vorgesehen, mit welcher Abgase aus dem Auslassstrang 3 in den Einlassstrang 2 rückgeführt werden. Wei ters weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader 7 mit einem Verdichter 71 im Einlassstrang 2 und einer Abgasturbine 72 im Auslassstrang 3 auf. Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 according to the invention for implementing the claimed method. The internal combustion engine 1 has an inlet line 2, an outlet line 3, an exhaust gas aftertreatment device 4 arranged in the outlet line 3 and a waste heat recovery device 5, of which, in FIG. 1, the exhaust gas heat exchanger 51 and the EGR heat exchanger 52 (EGR = exhaust gas recirculation ) is shown. An exhaust gas recirculation device 6, for example a high-pressure exhaust gas recirculation device, is provided between the outlet line 3 and the inlet line 2, with which exhaust gases are returned from the outlet line 3 to the inlet line 2. Furthermore, the internal combustion engine 1 has an exhaust gas turbocharger 7 with a compressor 71 in the inlet line 2 and an exhaust gas turbine 72 in the outlet line 3.
Pro Zylinder sind über Hubventile gesteuerte Gaswechselöffnungen, also eine oder mehrere Einlassöffnungen und eine oder mehrere Auslassöffnungen vorgesehen, welche den Gasaustausch im Zylinder ermöglichen. Die Brennkraftmaschine 1 kann selbstzündend oder fremdgezündet sein, einen oder mehrere Zylinder für hin- und hergehende Kolben aufweisen. Gas exchange openings controlled via lift valves, that is to say one or more inlet openings and one or more outlet openings, are provided per cylinder, which enable gas exchange in the cylinder. The internal combustion engine 1 can be self-igniting or externally ignited and can have one or more cylinders for reciprocating pistons.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 kann zumindest einen Partikelfilter und/oder zumindest einen Katalysator aufweisen. Die Abgasrückführeinrichtung 6 weist ein Abgasrückführventil 60 und eine Abgasrückführleitung 61 auf, in wel chem der EGR-Wärmetauscher 52 und ein Reed-Ventil 62 (Flatterventil) angeord net ist. The exhaust gas aftertreatment device 4 can have at least one particle filter and / or at least one catalytic converter. The exhaust gas recirculation device 6 has an exhaust gas recirculation valve 60 and an exhaust gas recirculation line 61, in wel chem the EGR heat exchanger 52 and a reed valve 62 (flutter valve) is net angeord.
Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 arbeitet nach dem ORC-Verfahren (ORC=Organic Rankine Cycle) und weist einen Kreislauf 50 für ein organisches Arbeitsmedium auf, welcher in Fig. 2 dargestellt ist. In dem Kreislauf 50 sind neben dem ersten Verdampfer 510 des Abgaswärmetauschers 51 und dem zweiten Ver dampfer 520 des EGR-Wärmetauschers 52 ein Expander 53 - beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine, ein Kondensator 54, ein Reservoir 55, eine Pumpe 56 und ein Verteilerventil 57 angeordnet. The waste heat recovery device 5 works according to the ORC method (ORC = Organic Rankine Cycle) and has a circuit 50 for an organic working medium, which is shown in FIG. In the circuit 50, in addition to the first evaporator 510 of the exhaust gas heat exchanger 51 and the second Ver evaporator 520 of the EGR heat exchanger 52, an expander 53 - for example one Piston engine or a turbine, a condenser 54, a reservoir 55, a pump 56 and a distributor valve 57 are arranged.
Die Wärmequellen - Abgas des Abgasstranges 3 und rückgeführtes Abgas des Ab gasrückführleitung 61 - werden in der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 ge nutzt, um das Arbeitsmedium im ersten Verdampfer 51 und/oder zweiten Ver dampfer 52 zu verdampfen. Der erste Verdampfer 51 und der zweite Verdampfer 52 sind im Kreislauf 50 der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 parallel ge schaltet und werden über das Verteilerventil 57 geschaltet, um einen Betrieb mit oder ohne Abgasrückführung zu ermöglichen. In letzterem Falle wird das Arbeits medium am zweiten Verdampfer 520 vorbeigeleitet. The heat sources - exhaust gas from exhaust line 3 and recirculated exhaust gas from exhaust gas recirculation line 61 - are used in waste heat recovery device 5 to vaporize the working medium in first evaporator 51 and / or second evaporator 52. The first evaporator 51 and the second evaporator 52 are connected in parallel in the circuit 50 of the waste heat recovery device 5 and are connected via the distributor valve 57 to enable operation with or without exhaust gas recirculation. In the latter case, the working medium is directed past the second evaporator 520.
Der erste Verdampfer 510 ist im Abgasstrang 3 nach der Abgasnachbehandlungs einrichtung 4 der Brennkraftmaschine 1 positioniert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Da durch können nachteilige Auswirkungen auf die Abgasnachbehandlung vermieden werden. The first evaporator 510 is positioned in the exhaust line 3 after the exhaust gas aftertreatment device 4 of the internal combustion engine 1, as shown in FIG. 3. Because of this, adverse effects on the exhaust gas aftertreatment can be avoided.
Mittels des ORC-Verfahrens wird in der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 Ab wärme aus dem Abgas (Enthalpie) in mechanische Energie umgewandelt. By means of the ORC process, the waste heat recovery device 5 converts heat from the exhaust gas (enthalpy) into mechanical energy.
Fig. 4 zeigt eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 mit vereinfachtem ORC mit nur einer Wärmequelle, und zwar einem ersten Verdampfer 510 eines Abgas wärmetauschers 51. Die Enthalpie Q des Abgases kann aus dem Abgasmassen strom m, der spezifischen Wärmekapazität cp, welche als annähernd konstant be trachtet wird, und der abgasseitigen Temperaturdifferenz DT zwischen Eintritt 511 und Austritt 512 des ersten Verdampfers 510 berechnet werden : Fig. 4 shows a waste heat recovery device 5 with simplified ORC with only one heat source, namely a first evaporator 510 of an exhaust gas heat exchanger 51. The enthalpy Q of the exhaust gas can flow from the exhaust gas mass flow m, the specific heat capacity c p , which seeks to be approximately constant and the temperature difference DT on the exhaust gas side between inlet 511 and outlet 512 of the first evaporator 510 can be calculated:
Q = m - cP - AT Q = m - c P - AT
Ein Ansteigen der Enthalpie Q hat ein Ansteigen der mechanischen Leistung P des Expanders zu Folge. An increase in enthalpy Q results in an increase in mechanical power P of the expander.
In Fig. 5 ist die Leistung P des Expanders 53 als Funktion über verschiedenen Ab gasmassenströme m und abgasseitige Eintrittstemperaturen TE des Abgaswärme tauschers 51 mit einem konstanten Wirkungsgrad aufgetragen. Daraus ist ersicht lich, dass die abgasseitigen Eintrittstemperaturen TE des Abgaswärmetauschers 51 größeren Einfluss auf die Leistung P des Expanders 53 haben, als der Abgasmas senstrom m. In Fig. 5, the power P of the expander 53 is plotted as a function of various ex gas mass flows m and exhaust gas-side inlet temperatures TE of the exhaust gas heat exchanger 51 with a constant efficiency. It can be seen from this that the exhaust-gas-side inlet temperatures T E of the exhaust gas heat exchanger 51 have a greater influence on the power P of the expander 53 than the exhaust gas flow m.
Die Position des Betriebspunktes mit dem höchsten thermischen Wirkungsgrad BTEopt für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in den in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Kennfeldern dargestellt, wobei jeweils das Drehmoment MD über der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen sind. Im Kennfeld sind die ther mischen Wirkungsgrade BTEi der Brennkraftmaschine 1 eingetragen. Fig. 6 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTEi für die Brennkraftmaschine 1 alleine, also ohne Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 (WHR=Waste Heat Recovery), und Fig. 7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTEi+s für die Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5. Der markierte Bestpunkt BTEopt des thermischen Wirkungsgrades BTEi liegt in Fig. 6 bei der Brennkraftmaschine 1 al leine bei 48% - bei einer Drehzahl N von 1261 U/min und einem Drehmoment MD von 1892 Nm, das sind 84% des Nenndrehmomentes M N für diese Drehzahl N - und in Fig. 7 bei der Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrich tung 5 bei etwa 50% - bei einer Drehzahl N von 1230 U/min und einem Drehmo ment MD von 1789 Nm, das sind 80% des Nenndrehmomentes M N für diese Dreh zahl N. The position of the operating point with the highest thermal efficiency BTEopt for an internal combustion engine according to the invention is shown in the characteristic diagrams shown in FIG. 6 and FIG. 7, the torque MD in each case above the Speed N of the internal combustion engine 1 are plotted. The thermal efficiencies BTEi of the internal combustion engine 1 are entered in the map. Fig. 6 shows the thermal efficiency BTEi for the internal combustion engine 1 alone, i.e. without waste heat recovery device 5 (WHR = Waste Heat Recovery), and Fig. 7 shows the thermal efficiency BTEi + s for the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5. The marked best point BTE opt the thermal efficiency BTEi is in Fig. 6 with the internal combustion engine 1 alone at 48% - at a speed N of 1261 rpm and a torque MD of 1892 Nm, that is 84% of the nominal torque MN for this speed N - and in Fig. 7 in the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 at about 50% - at a speed N of 1230 rpm and a torque MD of 1789 Nm, which is 80% of the nominal torque MN for this speed N.
Auf der Basis der Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass - bei gegebener Abwärmemenge einer Brennkraftmaschine 1 - für die Effi zienz des ORC-Verfahrens hohe Abgastemperaturen TE und geringe Abgasmassen ströme m besser sind als niedrige Abgastemperaturen TE und hohe Abgasmassen ströme m. On the basis of FIGS. 5, 6 and 7, the conclusion can be drawn that - with a given amount of waste heat from an internal combustion engine 1 - high exhaust gas temperatures TE and low exhaust gas flows m are better than low ones for the efficiency of the ORC process Exhaust gas temperatures TE and high exhaust gas mass flows m.
Hohe Abgastemperaturen TE bei möglichst geringen Abgasmassenströmen m kön nen in einer Brennkraftmaschine 1 durch größtmögliche Reduzierung der Luft menge erzielt werden. High exhaust gas temperatures TE with the lowest possible exhaust gas mass flows m can be achieved in an internal combustion engine 1 by reducing the amount of air as much as possible.
Ursache-Wirkung-Beziehung für einen Dieselmotor Cause and effect relationship for a diesel engine
Im Folgenden werden zwei unterschiedliche technologische Konzepte zum Errei chen eines hohen thermischen Wirkungsgrades BTEi für die Brennkraftmaschinen 1 allein aufgezeigt, wobei weiterhin die NOx-Emissionsanforderungen erfüllt wer den In the following, two different technological concepts for achieving a high thermal efficiency BTEi for the internal combustion engines 1 alone are shown, with the NOx emission requirements still being met
Konzept 1 ( niedrige Zylindermasse) : Concept 1 (low cylinder mass):
• "Niedrige" Zylindermasse ermöglicht die Auslegung des Abgasturboladers 7 mit "niedrigem" Ladedruck und positiver Pumparbeit. • “Low” cylinder mass enables the exhaust gas turbocharger 7 to be designed with “low” boost pressure and positive pumping work.
• Die geringe Zylindermasse ermöglicht ein hohes Verdichtungsverhältnis CR bei einer Motorauslegung für einen festen Zündspitzendruck (z.B. 250 bar). • The low cylinder mass enables a high compression ratio CR with an engine design for a fixed ignition peak pressure (e.g. 250 bar).
• Die positive Pumparbeit verhindert allerdings den Transport großer Mengen rückgeführten Abgases der Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung, was zu einer hohen NOx-Emission aus der Brennkraftmaschine 1 führt. Deshalb ist ein effizientes, aber teures De-NOx-System (z.B. SCR-Katalysator) der Ab gasnachbehandlungseinrichtung 4 erforderlich. Konzept 1 wirkt sich wie folgt auf den thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brenn kraftmaschine 1 und die Bedingungen für den ersten Abgasverdampfer 510 der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 aus: However, the positive pumping work prevents the transport of large quantities of recirculated exhaust gas from the high-pressure exhaust gas recirculation device, which leads to high NOx emissions from internal combustion engine 1. Therefore, an efficient but expensive De-NOx system (for example SCR catalytic converter) of the exhaust gas aftertreatment device 4 is required. Concept 1 has the following effects on the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1 and the conditions for the first exhaust gas evaporator 510 of the waste heat recovery device 5:
• Positive Pumparbeit (höherer Ansaugdruck als Abgasdruck) erhöht den ther mischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1. • Positive pumping work (higher intake pressure than exhaust pressure) increases the thermal efficiency of the internal combustion engine 1.
• Ein hohes Verdichtungsverhältnis CR erhöht die Verbrennungseffizienz des Hochdruckzyklus und ermöglicht einen höheren thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftmaschine 1. A high compression ratio CR increases the combustion efficiency of the high pressure cycle and enables a higher thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1.
• Eine geringere Zylindermasse erhöht allerdings den Wärmeübergang auf die Zylinderwände, was wiederum den thermischen Wirkungsgrad BTEi verrin gert. • A lower cylinder mass, however, increases the heat transfer to the cylinder walls, which in turn reduces the BTEi thermal efficiency.
• Der geringere Luftstrom und der daraus resultierende geringere Ladedruck führen zu einem geringeren Druck vor der Abgasturbine 72 des Abgastur boladers 7, was wiederum zu einer geringeren Expansion in der Abgastur bine 72 führt und eine höhere Abgastemperatur TE nach der Abgasturbine 7 ermöglicht. The lower air flow and the resulting lower boost pressure lead to a lower pressure in front of the exhaust gas turbine 72 of the exhaust gas turbo charger 7, which in turn leads to a lower expansion in the exhaust gas turbine 72 and a higher exhaust gas temperature TE after the exhaust gas turbine 7 enables.
• Bei gleicher Abgasenthalpie ist die Abgastemperatur TE "hoch" und der Ab gasmassenstrom m "niedrig", was für den thermischen Wirkungsgrad BTEs der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 günstig ist. With the same exhaust gas enthalpy, the exhaust gas temperature TE is "high" and the exhaust gas mass flow m is "low", which is favorable for the thermal efficiency BTEs of the waste heat recovery device 5.
Konzept 2 (hohe Zylindermasse) : Concept 2 (high cylinder mass):
• Hohe Zylindermasse führt zu einer Turbolader Auslegung mit hohem Lade druck und typischerweise negativer Pumparbeit • High cylinder mass leads to a turbocharger design with high boost pressure and typically negative pumping work
• Die hohe Zylindermasse ermöglicht ein niedriges Verdichtungsverhältnis bei einer Motorauslegung für einen festen Zündspitzendruck (z.B. 250 bar). • The high cylinder mass enables a low compression ratio with an engine design for a fixed ignition peak pressure (e.g. 250 bar).
• Die negative Pumparbeit ermöglicht den Transport großer Mengen von rück geführtem Abgas des Hochdruck-Abgasrückführsystems, was zu einer ge ringeren NOx-Emission aus der Brennkraftmaschine 1 führt und ein einfa cheres und kostengünstigeres De-NOx-System (z.B. SCR-Katalysator) der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 ermöglicht. • The negative pumping work enables the transport of large amounts of recirculated exhaust gas from the high-pressure exhaust gas recirculation system, which leads to lower NOx emissions from internal combustion engine 1 and a simpler and more cost-effective De-NOx system (e.g. SCR catalytic converter) for the exhaust gas aftertreatment device 4 allows.
Konzept 2 wirkt sich wie folgt auf den thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brenn kraftmaschine 1 und die Bedingungen für den ersten Abgasverdampfer 510 der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 aus: Concept 2 has the following effects on the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1 and the conditions for the first exhaust gas evaporator 510 of the waste heat recovery device 5:
• Eine höhere Zylindermasse verringert den Wärmeübergang an die Zylinder wände, wodurch der thermische Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftma schine 1 erhöht wird. • A higher cylinder mass reduces the heat transfer to the cylinder walls, whereby the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1 is increased.
• Eine negative Pumparbeit (höherer Abgasdruck als Einlassdruck) verringert den thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftmaschine 1. • Ein niedriges Verdichtungsverhältnis CR aufgrund der PFP-Konstruktions- grenze (PFP=peak firing pressure) führt zu einer geringeren Verbrennungs effizienz, was wiederum zu einem niedrigeren thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftmaschine 1 führt. A negative pumping work (higher exhaust gas pressure than inlet pressure) reduces the thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1. A low compression ratio CR due to the PFP design limit (PFP = peak firing pressure) leads to a lower combustion efficiency, which in turn leads to a lower thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1.
• Der höhere Luftstrom und der daraus resultierende höhere Ladedruck füh ren zu einem höheren Druck vor der Abgasturbine 72, was wiederum zu einer höheren Expansion in der Abgasturbine 72 führt und eine niedrigere Abgastemperatur TE nach der Abgasturbine 72 ermöglicht. The higher air flow and the resulting higher boost pressure lead to a higher pressure in front of the exhaust gas turbine 72, which in turn leads to a higher expansion in the exhaust gas turbine 72 and enables a lower exhaust gas temperature TE after the exhaust gas turbine 72.
• Bei gleicher Abgasenthalpie ist die Abgastemperatur TE niedrig und der Ab gasmassenstrom m "hoch", was für den thermischen Wirkungsgrad BTEs der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 ungünstig ist. With the same exhaust gas enthalpy, the exhaust gas temperature TE is low and the exhaust gas mass flow m is “high”, which is unfavorable for the thermal efficiency BTEs of the waste heat recovery device 5.
Sowohl für Konzept 1 als auch für Konzept 2 werden die folgenden Funktionen verwendet, um den höchsten thermischen Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftma schine 1 zu erzielen : Both for concept 1 and for concept 2, the following functions are used to achieve the highest thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1:
• die Ventilsteuerung der Gaswechselventile ermöglicht einen Liefergrad li von > 90% am besten Punkt, wenn keine Miller-Steuerung vorhanden ist;• The valve control of the gas exchange valves enables a degree of delivery li of> 90% at the best point when no Miller control is available;
• geringe Drallzahlen Rs im Brennraum im Bereich von 0 bis 1,6; • low swirl numbers Rs in the combustion chamber in the range from 0 to 1.6;
• maximale Durchflusskoeffizienten Kv der Gaswechselöffnungen : gleich oder höher 0,068; • maximum flow coefficient K v of the gas exchange openings: equal to or higher than 0.068;
• Maximaler Kraftstoffeinspritzdruck der Kraftstoff! njektoren gleich oder über 2500 bar; • Maximum fuel injection pressure of the fuel! injectors equal to or above 2500 bar;
• Düsendurchflussrate der Kraftstoff Injektoren : 700 - 1200 ml/60s pro 100 kW Nennleistung PWR bei einem Kraftstoffeinspritzdruck von 100 bar; • Nozzle flow rate of the fuel injectors: 700 - 1200 ml / 60s per 100 kW nominal power PWR at a fuel injection pressure of 100 bar;
• Reed-Ventile 62 in der Abgasrückführleitung 61 für Brennkraftmaschinen 1 mit Abgasrückführsystem 6; • Reed valves 62 in the exhaust gas recirculation line 61 for internal combustion engines 1 with exhaust gas recirculation system 6;
• Maximaler Turboladerwirkungsgrad über 60%; • Maximum turbocharger efficiency over 60%;
• Start der Haupteinspritzung im besten Betriebspunkt des thermischen Wir kungsgrad BTEi, wodurch ein Verbrennungsschwerpunkt MFB50% bei 6 - 12 ° Kurbelwinkel KW nach dem Totpunkt ATDC der Zündung erreicht wird. • Start of the main injection in the best operating point of the thermal efficiency BTEi, whereby a combustion center of gravity MFB50% is reached at 6 - 12 ° crank angle KW after the dead center ATDC of the ignition.
Simulationen, die den thermischen Wirkungsgrad BTEi+s der Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 von Konzept 1 und Konzept 2 ver gleichen, sind in folgender Tabelle 1 gezeigt. Beide Konzepte weisen einen thermi schen Wirkungsgrad BTEi der Brennkraftmaschine 1 alleine von 48% auf. Als Ar beitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 wurde Cyclopentan ver wendet.
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000012_0001
Simulations that compare the thermal efficiency BTEi + s of the internal combustion engine 1 together with the waste heat recovery device 5 of Concept 1 and Concept 2 are shown in Table 1 below. Both concepts have a thermal efficiency BTEi of the internal combustion engine 1 alone of 48%. Cyclopentane was used as the working medium of the waste heat recovery device 5.
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000012_0001
Konzept 1 : Concept 1:
Maßnahmen zur Reduktion des spezifischen Kraftstoffverbrauches BSFC: Measures to reduce the specific fuel consumption BSFC:
• Hohes Kompressionsverhältnis CR • High compression ratio CR
• Geringerer Ladedruck führt zu positiver Pumparbeit (P_im > P_31) Resultat: • Lower boost pressure leads to positive pumping work (P_im> P_31) Result:
• Weniger AGR-Transport und höheres NOx • Less EGR transport and higher NOx
• Niedrigere Zylindermasse • Lower cylinder mass
• Geringere Expansion der Abgasturbine • Less expansion of the exhaust gas turbine
• Höhere Abgastemperatur • Higher exhaust gas temperature
Konzept 2 : Concept 2:
Maßnahme zur Reduktion des spezifischen Kraftstoffverbrauches BSFC: Measure to reduce the specific fuel consumption BSFC:
• Hohe Zylindermasse bewirkt reduzierte Wärmeübertragung Resultat: • High cylinder mass results in reduced heat transfer Result:
• Hoher Ladedruck führt zu negativer Pumparbeit (PJm <P_31), wodurch der AGR-Transport ermöglicht und NOx gesenkt wird • High boost pressure leads to negative pumping work (PJm <P_31), which enables EGR transport and reduces NOx
• Niedrigeres Verdichtungsverhältnis bei gleichem Spitzendruck PFP • Lower compression ratio with the same peak pressure PFP
• Hohe Expansion in der Abgasturbine • High expansion in the exhaust gas turbine
• Niedrigere Abgastemperatur • Lower exhaust temperature
Die Ergebnisse zeigen, dass der gesamte thermische Wirkungsgrad BTEi+s für Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 für Konzept 1 viel höher ist, als bei Konzept 2. Der Hauptgrund dafür ist die höhere Abgastem peratur TE vor dem Eintritt in den Verdampfer 51, die für das ORC-Verfahren gün stig ist. The results show that the total thermal efficiency BTEi + s for internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 for concept 1 is much higher than for concept 2. The main reason for this is the higher exhaust gas temperature TE before entering the evaporator 51, which is required for the ORC process is favorable.
Somit erzielt Konzept 1 erzielt in Kombination mit der Abwärmerückgewinnungs einrichtung 5 unter Verwendung des ORC-Verfahrens den höchsten thermischen Gesamtwirkungsgrad BTEi+s. Concept 1 thus achieves, in combination with the waste heat recovery device 5 using the ORC process, the highest overall thermal efficiency BTEi + s.
Basierend auf diesen Erkenntnissen lässt sich ein Auslegungsverfahren zur Erzie lung des höchsten thermischen Wirkungsgrades BTEi+s für eine Brennkraftma schine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 in einem einzelnen stationä ren Kennfeldpunkt finden : Based on these findings, a design process for achieving the highest thermal efficiency BTEi + s for an internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 can be found in a single stationary map point:
Es handelt sich dabei um eine Auslegungsmethode für den höchsten thermischen Wirkungsgrad BTEi+s in einem einzelnen Kennfeldpunkt für eine Brennkraftma schine 1 mit Hochdruck-Abgasrückführung samt einer Abwärmerückgewinnungs einrichtung 5 für zumindest eine Abwärmequelle, wobei die Brennkraftmaschine 1 einen festen Zündspitzendruck (PFP), eine nichtvariable Ventilsteuerung und einen festen volumetrischen Wirkungsgrad, einen festen maximalen Kraftstoffeinspritz druck (Rail), einen festen Düsendurchfluss, zumindest ein Reed-Ventil 62, einen festen Turboladerwirkungsgrad (z.B. 62%) und einen Beginn der Haupteinspritz ung aufweist, welche einen Verbrennungsschwerpunkt MFB50% bei etwa 6° bis 12° Kurbelwinkel KW nach dem Totpunkt ATDC der Zündung in einem einzigen Betriebspunkt aufweist, der die gesetzlich vorgegebenen maximale NOx-Emis- sionswerte am Endrohraustritt erfüllt: This is a design method for the highest thermal efficiency BTEi + s in a single map point for an internal combustion engine 1 with high pressure exhaust gas recirculation including a waste heat recovery device 5 for at least one waste heat source, the internal combustion engine 1 having a fixed ignition peak pressure (PFP), a non-variable valve control and a fixed volumetric efficiency, a fixed maximum fuel injection pressure (rail), a fixed nozzle flow rate, at least one reed valve 62, a fixed turbocharger efficiency (e.g. 62%) and a start of the main injection, which has a combustion focus MFB50% at has about 6 ° to 12 ° crank angle KW after the dead center ATDC of the ignition in a single operating point, which meets the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet:
Dabei wird folgende Iteration durchgeführt: The following iteration is carried out:
1) Anpassung des Abgasturboladers 7, welche eine Reduzierung des Lade druckes bis zu dem Punkt ermöglicht, an dem das erforderliche rückge führte Abgas noch transportiert werden kann, um die gesetzlich vorgege benen NOx-Emissionsvorschriften zu erfüllen. Dabei wird ein Kompromiss zwischen positiver Pumparbeit und Zylindermasse eingegangen. Das er forderliche Ladedruck bzw. die erforderliche Abgasrückführungsrate RT_EGR ist abhängig von der Leistungsfähigkeit der Abgasnachbehand lungseinrichtung 4. 1) Adaptation of the exhaust gas turbocharger 7, which enables a reduction in the boost pressure to the point at which the required recirculated exhaust gas can still be transported in order to meet the statutory NOx emission regulations. There will be a compromise entered between positive pumping work and cylinder mass. The required boost pressure or the required exhaust gas recirculation rate RT_EGR is dependent on the performance of the exhaust gas treatment device 4.
2) Das Kompressionsverhältnis CR wird erhöht, bis der maximale Zylinder- Spitzendruck erreicht ist. 2) The compression ratio CR is increased until the maximum cylinder peak pressure is reached.
3) Die resultierende Abgastemperatur, der Abgasmassenstrom und das durch die Brennkraftmaschine 1 emittierte Stickoxid NOx_Engine_Out er möglichen einen Stickoxidgehalt NOx_TailPipe am Endrohr 31 für die ge gebene Abgasnachbehandlungseinrichtung 4. 3) The resulting exhaust gas temperature, the exhaust gas mass flow and the nitrogen oxide NOx_Engine_Out emitted by the internal combustion engine 1 enable a nitrogen oxide content NOx_TailPipe on the end pipe 31 for the given exhaust gas aftertreatment device 4.
4) Wenn der Stickoxidgehalt NOx_TailPipe am Endrohr die gesetzlich vorge gebenen maximalen NOx-Emissionswerte am Endrohraustrittaustritt 31 überschreitet, dann wird Schritt 1) mit höherer Abgasrückführrate RT_EGR (Iteration) wiederholt. 4) If the nitrogen oxide content NOx_TailPipe on the tailpipe exceeds the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet 31, then step 1) is repeated with a higher exhaust gas recirculation rate RT_EGR (iteration).
Diese iterative Auslegungsmethode für die Brennkraftmaschine 1 ermöglicht den höchsten thermischen Gesamtwirkungsgrad BTEi+s für die Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 für einen einzelnen stationären Be triebspunkt. This iterative design method for the internal combustion engine 1 enables the highest overall thermal efficiency BTEi + s for the internal combustion engine 1 including waste heat recovery device 5 for a single stationary operating point.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Gas wechselöffnung pro Zylinder, mit zumindest einem Kraftstoff! njektor, mit zu mindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisen den Abgasturbolader (7), wobei Abgaswärme eines Auslasssystems (3) und/ oder eines Abgasrückführsystems (6) der Brennkraftmaschine (1) mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus (ORC) arbeitenden Abwärmerück gewinnungseinrichtung (5) rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in zumindest einem definierten Betriebs punkt mit folgender Kombination von Parametern betrieben wird : 1. A method for operating an internal combustion engine with at least one gas exchange opening per cylinder, with at least one fuel! The injector, with at least one exhaust gas turbine (72) and a compressor (71), has the exhaust gas turbocharger (7), with exhaust gas heat of an exhaust system (3) and / or an exhaust gas recirculation system (6) of the internal combustion engine (1) having an organic rankine -Cycle (ORC) working waste heat recovery device (5) is recovered, characterized in that the internal combustion engine (1) is operated in at least one defined operating point with the following combination of parameters:
Kompressionsverhältnis (CR) zwischen 21 und 23; Compression Ratio (CR) between 21 and 23;
Spitzenverbrennungsdruck (P_MX) von mindestens 250 bar, vorzugs weise zwischen 250 bar und 270 bar, im gesamten Motorkennfeld; Peak combustion pressure (P_MX) of at least 250 bar, preferably between 250 bar and 270 bar, in the entire engine map;
Liefergrad (li) von mindestens 90%; Degree of delivery (li) of at least 90%;
Drallzahl (Rs) im Zylinder zwischen 0 und 1,6; Swirl number (Rs) in the cylinder between 0 and 1.6;
Durchflusskoeffizient (Kv) zumindest einer Gaswechselöffnung : Min destens 0,068; Flow coefficient (K v ) of at least one gas exchange opening: Min least 0.068;
maximaler Einspritzdruck der Kraftstoff! njektoren : mindestens 2500 bar maximum injection pressure of fuel! injectors: at least 2500 bar
spezifische Düsendurchflussrate der Kraftstoff! n je ktoren von 700 - 1200ml/60s pro 100 kW Nennleistung, gemessen bei einem Kraftstoffeinspritzdruck von 100 bar; specific nozzle flow rate of fuel! n per ctoren from 700 - 1200ml / 60s per 100 kW nominal power, measured at a fuel injection pressure of 100 bar;
maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad : mindestens 60%, vorzugs weise mindestens 65%; Maximum exhaust gas turbocharger efficiency: at least 60%, preferably at least 65%;
Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads (BTE) der Brennkraftmaschine (1) so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei etwa 6° bis 12°, vorzugsweise 8° bis 10°, Kurbelwinkel (KW) nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt. Start of the main injection of the fuel at the best operating point of the thermal efficiency (BTE) of the internal combustion engine (1) so that the combustion center of gravity (MFB50%) is around 6 ° to 12 °, preferably 8 ° to 10 °, crank angle (KW) after dead center (ATDC) of the ignition.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels eines Abgasrückführsystem (6) zu mindest dem definierten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) Abgas von einem Auslasssystem (3) zu einem Einlasssystem (2) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas zumindest in dem definierten Betriebspunkt mit einer Abgasrückführrate (RT_EGR) zwischen 0% und 15% rückgeführt wird. 2. The method according to claim 1, wherein by means of an exhaust gas recirculation system (6) to at least the defined operating point of the internal combustion engine (1) exhaust gas from an exhaust system (3) to an intake system (2) is recirculated, characterized in that the exhaust gas is at least in the defined Operating point with an exhaust gas recirculation rate (RT_EGR) between 0% and 15% is returned.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rückge führte Abgas in einer Abgasrückführleitung (61) des Abgasrückführsystems (6) über ein in Strömungsrichtung öffnendes Reed-Ventil (62) geleitet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the recirculated exhaust gas is passed in an exhaust gas recirculation line (61) of the exhaust gas recirculation system (6) via a reed valve (62) which opens in the flow direction.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (72) des Abgasturboladers (7) mittels eines Waste- Gates oder einer variablen Turbinengeometrie geregelt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the exhaust gas turbine (72) of the exhaust gas turbocharger (7) is controlled by means of a waste gate or a variable turbine geometry.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) bei einer Drehzahl (N) in einem Bereich zwi schen 1020 U/min und 1200 U/min, vorzugsweise zwischen 1025 U/min und 1150 U/min, und bei einem Drehmoment (M) in einem Bereich zwischen 75% und 85% des Nenndrehmomentes ( M N) für diese Drehzahl (N) mit maxima lem thermischen Wirkungsgrad (BTEi) betrieben wird, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgasturboladers (7) zwischen 2,8 bar und 3,1 bar liegt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the internal combustion engine (1) at a speed (N) in a range between 1020 U / min and 1200 U / min, preferably between 1025 U / min and 1150 U / min, and at a torque (M) in a range between 75% and 85% of the nominal torque (MN) for this speed (N) with maximum thermal efficiency (BTEi), whereby preferably the relative boost pressure of the exhaust gas turbocharger (7 ) is between 2.8 bar and 3.1 bar.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) Cyclo- pentan verwendet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that cyclopentane is used as the working medium of the waste heat recovery device (5).
7. Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Gaswechselventil, mit zumin dest einem Kraftstoff! njektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisenden Abgasturbolader (7), wobei vorzugs weise die Brennkraftmaschine (1) ein Abgasrückführsystem (6) mit zumin dest einer Abgasrückführleitung (61) zwischen einem Einlasssystem (2) und einem Auslasssystem (3) aufweist, sowie mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus (ORC) arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) zur Rückgewinnung von Abgaswärme aus dem Abgassystem (3) und/oder dem Abgasrückführsystem (6), welche Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) einen Kreislauf für ein Arbeitsmedium mit zumindest einer Pumpe (56) , zumindest einem Verdampfer (510, 520), zumindest einen Expander (53) und zumindest einem Kondensator (54) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) ausgebildet ist, um in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit folgender Kombination von Parametern betrie ben zu werden : 7. Internal combustion engine (1) with at least one gas exchange valve, with at least one fuel! injector, with at least one exhaust gas turbine (72) and a compressor (71) having exhaust gas turbocharger (7), preferably as the internal combustion engine (1) an exhaust gas recirculation system (6) with at least one exhaust gas recirculation line (61) between an inlet system (2) and an exhaust system (3), and with a waste heat recovery device (5) operating according to an organic Rankine cycle (ORC) for recovering exhaust gas heat from the exhaust system (3) and / or the exhaust gas recirculation system (6), which waste heat recovery device (5) has a circuit for a working medium with at least one pump (56), at least one evaporator (510, 520), at least one expander (53) and at least one condenser (54), characterized in that the internal combustion engine (1) is designed to operate in at least to be operated at a defined operating point with the following combination of parameters:
Kompressionsverhältnis (CR) zwischen 21 und 23; Compression Ratio (CR) between 21 and 23;
Spitzenverbrennungsdruck (P_MX) von mindestens 250 bar, vorzugs weise zwischen 250 bar und 270 bar, im gesamten Motorkennfeld; Peak combustion pressure (P_MX) of at least 250 bar, preferably between 250 bar and 270 bar, in the entire engine map;
Liefergrad (li) von mindestens 90%; Degree of delivery (li) of at least 90%;
Drallzahl (Rs) im Zylinder zwischen 0 und 1,6; Durchflusskoeffizient (Kv) zumindest einer Gaswechselöffnung : min destens 0,068; Swirl number (Rs) in the cylinder between 0 and 1.6; Flow coefficient (K v ) of at least one gas exchange opening: at least 0.068;
maximaler Einspritzdruck des zumindest einen Kraftstoff! n je ktors: mindestens 2500 bar; maximum injection pressure of at least one fuel! n per ktors: at least 2500 bar;
spezifische Düsendurchflussrate des zumindest einen Kraftstoff! njek- tors von 700 - 1200ml/60s pro 100 kW Nennleistung (PWR), gemessen bei einem Kraftstoffeinspritzdruck von 100 bar; specific nozzle flow rate of the at least one fuel! injectors from 700 - 1200ml / 60s per 100 kW nominal power (PWR), measured at a fuel injection pressure of 100 bar;
Abgasrückführrate (RT_EGR) zwischen 0% und 15%; Exhaust gas recirculation rate (RT_EGR) between 0% and 15%;
maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad : mindestens 60%, vorzugs weise mindestens 65%; Maximum exhaust gas turbocharger efficiency: at least 60%, preferably at least 65%;
Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads so, dass der Verbrennungsschwer punkt (MFB50%) bei etwa 6° bis 12°, vorzugsweise 8° bis 10°, Kur belwinkel (KW) nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt. Start of the main injection of the fuel at the best operating point of thermal efficiency so that the focus of combustion (MFB50%) is around 6 ° to 12 °, preferably 8 ° to 10 °, crank angle (KW) after ignition dead center (ATDC) .
8. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, mit einem Abgasrückführsystem (6), vorzugsweise einem Hochdruck- Abgasrückführsystem, mit zumindest einer Abgasrückführleitung (61) zwischen einem Einlasssystem (2) und einem Auslasssystem (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in dem definierten Betriebspunkt mit einer Abgasrückführrate (RT EGR) zwi schen 0% und 15% rückführbar ist. 8. Internal combustion engine (1) according to claim 7, with an exhaust gas recirculation system (6), preferably a high-pressure exhaust gas recirculation system, with at least one exhaust gas recirculation line (61) between an inlet system (2) and an outlet system (3), characterized in that the exhaust gas in the defined operating point with an exhaust gas recirculation rate (RT EGR) between 0% and 15%.
9. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Abgasrückführleitung (61) des Abgasrückführsystems (6) ein in Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases öffnendes Reed-Ventil (62) angeordnet ist. 9. Internal combustion engine (1) according to claim 8, characterized in that a reed valve (62) which opens in the flow direction of the recirculated exhaust gas is arranged in at least one exhaust gas recirculation line (61) of the exhaust gas recirculation system (6).
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (72) des Abgasturboladers (7) ein Waste-Gate oder eine variable Turbinengeometrie aufweist. 10. Internal combustion engine (1) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the exhaust gas turbine (72) of the exhaust gas turbocharger (7) has a waste gate or a variable turbine geometry.
11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale thermische Wirkungsgrad (BTEi) der Brennkraftmaschine (1) bei einer Drehzahl (N) in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1200 U/min, vorzugsweise zwischen 1025 U/min und 1150 U/min, und bei einem Drehmoment (M) in einem Bereich zwischen 75% und 85% des Nenndrehmomentes (MN) für diese Drehzahl (N) liegt, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgasturboladers (7) zwischen 2,8 bar und 3,1 bar liegt. 11. Internal combustion engine (1) according to one of claims 7 to 10, characterized in that the maximum thermal efficiency (BTEi) of the internal combustion engine (1) at a speed (N) in a range between 1020 rpm and 1200 rpm, preferably between 1025 rpm and 1150 rpm, and with a torque (M) in a range between 75% and 85% of the nominal torque (MN) for this speed (N), whereby preferably the relative boost pressure of the exhaust gas turbocharger (7 ) is between 2.8 bar and 3.1 bar.
12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungsein richtung (5) Cyclopentan ist. 12. Internal combustion engine (1) according to one of claims 7 to 11, characterized in that the working medium of the waste heat recovery device (5) is cyclopentane.
13. Verfahren zum Auslegen einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der An sprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durch geführt werden : 13. A method for designing an internal combustion engine (1) according to one of claims 7 to 12, characterized in that the following steps are carried out:
a. Anpassen des Abgasturboladers (7) solange, bis ein minimaler Lade druck des Verdichters (71) des Abgasturboladers (7) erreicht wird, bei dem eine erforderliche Abgasmenge noch rückgeführt werden kann, um gesetzlich vorgegebene maximale NOx-Emissionswerte am Endrohraustritt (31) der Brennkraftmaschine (1) zu erfüllen; b. Erhöhen des Kompressionsverhältnisses (CR) der Brennkraftmaschine (1), bis der maximale Zylinder-Spitzendruck erreicht wird, c. Wiederholen der Schritte a. und b. mit höherer Abgasrückführrate (RT EGR), wenn der Stickoxidgehalt (NOx_TailPipe) am Endrohr austritt (31) der Brennkraftmaschine (1) die gesetzlich vorgegebenen maximalen NOx-Emissionswerte überschreitet. a. Adjusting the exhaust gas turbocharger (7) until a minimum charge pressure of the compressor (71) of the exhaust gas turbocharger (7) is reached, in which a required amount of exhaust gas can still be recirculated to the legally prescribed maximum NOx emission values at the tailpipe outlet (31) of the internal combustion engine (1) to meet; b. Increasing the compression ratio (CR) of the internal combustion engine (1) until the maximum cylinder peak pressure is reached, c. Repeat steps a. and b. with a higher exhaust gas recirculation rate (RT EGR) when the nitrogen oxide content (NOx_TailPipe) exits the tailpipe (31) of the internal combustion engine (1) exceeds the statutory maximum NOx emission values.
2020 07 22 2020 07 22
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