AT525804B1 - Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine Download PDFInfo
- Publication number
- AT525804B1 AT525804B1 ATA50450/2022A AT504502022A AT525804B1 AT 525804 B1 AT525804 B1 AT 525804B1 AT 504502022 A AT504502022 A AT 504502022A AT 525804 B1 AT525804 B1 AT 525804B1
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- exhaust gas
- internal combustion
- combustion engine
- bar
- fuel
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 95
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 127
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 20
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 20
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- RGSFGYAAUTVSQA-UHFFFAOYSA-N Cyclopentane Chemical compound C1CCCC1 RGSFGYAAUTVSQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 claims description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 4
- DMEGYFMYUHOHGS-UHFFFAOYSA-N heptamethylene Natural products C1CCCCCC1 DMEGYFMYUHOHGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 claims 1
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 claims 1
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
- F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
- F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
- F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
-
- 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
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, bei welcher Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisenden Abgasturbolader (7), wobei Abgaswärme eines Auslasssystems (3) und/oder eines Abgasrückführsystems (6) der Brennkraftmaschine (1) mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus (ORC) arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit einer bestimmten Kombination von Parametern betrieben wird.
Description
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER GASBETRIEBENEN BRENNKRAFTMASCHINE
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine und eine gasbetriebene Brennkraftmaschine bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, zumindest einem Kraftsstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei Abgaswärme des Auslasssystems und/oder des Abgasrückführsystems der Brennkraftmaschine mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung rückgewonnen wird.
[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, wobei vorzugsweise die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung zwischen einem Einlasssystem und einem Auslasssystem aufweist, sowie mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung zur Rückgewinnung von Abgaswärme aus dem Abgassystem und/oder dem Abgasrückführsystem, welche Abwärmerückgewinnungseinrichtung einen Kreislauf für ein Arbeitsmedium mit zumindest einer Pumpe, zumindest einem Verdampfer, zumindest einem Expander und zumindest einem Kondensator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen dieser Brennkraftmaschine.
[0003] Abwärmerückgewinnungseinrichtungen werden unter anderem bei Straßen-Nutzfahrzeugen eingesetzt, um die Abgas-Abwärme der Brennkraftmaschine unter Verwendung eines einen Verdichter und einen Expander aufweisenden Abgasturboladers im organischen Rankine Zyklus zu nutzen. Dabei wird im Expander, beispielsweise einer Turbine oder einer Kolbenmaschine. mechanische Arbeit verrichtet.
[0004] Bisher wurden Abwärmerückgewinnungseinrichtungen und gasbetriebene Brennkraftmaschinen unabhängig voneinander entwickelt und optimiert. Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung wurde nachträglich der gasbetriebenen Brennkraftmaschine zugefügt. Nachteilig ist, dass obwohl die gasbetriebene Brennkraftmaschine für sich und die Abwärmerückgewinnungseinrichtung für sich optimiert wurden - der thermische Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus gasbetriebener Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung nicht optimal war.
[0005] Dokument DE102009039551 A1 offenbart eine mit Alkoholkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine, bei der das Abgas nach dem Abgas-Katalysator über einen Wärmetauscher geleitet wird, welcher auf der Gegenseite mit dem Alkoholkraftstoff, beispielsweise E85, als Arbeitsmedium durchströmt wird. Diese alkoholbetriebene Brennkraftmaschine operiert jedoch mit anderen Betriebsparametern als eine gasbetriebene Brennkraftmaschine.
[0006] Lediglich aus der österreichischen Patentschrift AT522176 B1 wurde ein System aus einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung und einer Brennkraftmaschine optimiert. Bei dieser Brennkraftmaschine handelt es sich jedoch um eine mit Kraftstoffen wie Diesel operierende Brennkraftmaschine, dessen Ergebnisse nicht auf gasbetriebene Brennkraftmaschinen übertragbar sind.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, den Gesamtwirkungsgrad des Systems aus gasbetriebener Brennkraftmaschine und Abwärmerückgewinnungseinrichtung zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung in zumindest einem Betriebspunkt einen thermischen Gesamtwirkungsrad vom mindestens 50% zu erreichen.
[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die gasbetriebene Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit folgender Kombination von Parametern betrieben wird:
- Kompressionsverhältnis zwischen 16,5 und 19;
- Spitzenverbrennungsdruck von mindestens 200 bar, vorzugsweise zwischen 200 bar und 220 bar, an der Nennleistung;
- Liefergrad von mindestens 90%;
- Drallzahl im Brennraum zwischen 0 und 1,6;
- Durchflusskoeffizient zumindest einer Gaswechselöffnung: Mindestens 0,068;
- Einblasedruck der Kraftstoffinjektoren von mindestens 200 bar und höchstens 350 bar;
- spezifische Düsendurchflussrate der Kraftstoffinjektoren so, dass diese bei einer Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel und der Nennleistung, bei 280 bar bis 320 bar Einblasedruck, vorzugsweise bei 290 bis 310 bar Einblasedruck resultiert;
- maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad mindestens 65%, vorzugsweise mindestens 70%;
- Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei 6° bis 14°, vorzugsweise 8° bis 12°, Kurbelwinkel KW nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt;
- Aufladung so, dass ein Luftverhältnis von 1,25 - 1,45 im Bereich des maximalen Drehmoments und von 1,40 - 1,60 im Bereich der Nennleistung beträgt.
[0009] Kraftstoff ist insbesondere LNG (LNG=Liquified Natural Gas, verflüssigtes Methangas) und/oder CNG (CNG=Compressed Natural Gas, komprimiertes Methangas). Die zumindest eine Gaswechselöffnung pro Zylinder ist zum Ein- oder Auslassen eines Gases in die oder aus der Brennkammer des Zylinders vorgesehen. Als Abgasturbolader wird eine Einrichtung zur Verdichtung der einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft bezeichnet. Der Abgasturbolaser weist zumindest eine Abgasturbine und einen Verdichter auf. Mit der Abgasturbine wird Leistung gewonnen. Die von der Abgasturbine gewonnene Leistung kann über den Verdichter die Ladeluft komprimieren. Der Spitzenverbrennungsdruck ist der maximal vorliegende Druck und entsteht üblicherweise kurz nach der Zündung. Er liegt grundsätzlich um ein Mehrfaches höher als der effektive und der innere Mitteldruck und steht immer nur für kurze Zeit an. Der Liefergrad beschreibt bei der Brennkraftmaschine das Verhältnis der nach Abschluss eines Ladungswechsels tatsächlich im Zylinder enthaltenen Frischladung zur theoretisch maximal möglichen Füllung. Der Durchflusskoeffizient ist ein Maß für den erzielbaren Durchsatz einer Flüssigkeit oder eines Gases durch die zumindest eine Gaswechselöffnung. Der Wert des Durchflusskoeffizienten wird in der Einheit m°/h angegeben und ist als effektiver Querschnitt interpretierbar. Der Einblasedruck des zumindest einen Kraftstoffinjektors beträgt maximal 290 - 350 bar an der Nennleistungsbegrenzung. Unterhalb der Nennleistung erfolgt eine Reduktion des Einblasedrucks, jedoch auf nicht weniger als 200 bar. Als Verbrennungsschwerpunkt wird der Zeitpunkt bezeichnet, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Die Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel bedeutet, dass die Dauer, die der Kraftstoffinjektor Kraftstoff einbläst, der Dauer entspricht, in der die Kurbel einen Kurbelwinkel einer Größe zwischen 20° und 30° überstreicht. Mit einer gegebenen Drehzahl folgt aus dieser drehzahlunabhängigen Definition die Einblasedauer in Sekunden. Das Luftverhältnis ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Verbrennungslehre, die das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff relativ zum jeweils stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess angibt. Das Luftverhältnis setzt die tatsächlich zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse, die für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird.
[0010] Als Nennleistung wird, die maximale Leistung der Brennkraftmaschine bei einer gegebenen Drehzahl verstanden.
[0011] Weist die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem, insbesondere ein HochdruckAbgasrückführsystem 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 25% rückgeführt wird. Vorzugsweise wird dabei das rückgeführte Abgas in der Abgasrückführleitung des Abgasrückführsystems über ein in Strömungsrichtung öffnendes Reed- Ventil geleitet.
[0012] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasturbine des
Abgasturboladers mittels eines Waste-Gates oder einer variablen Turbinengeometrie geregelt wird.
[0013] Das Waste-Gate ist ein Bypassventil, welches im Abgasstrom des Turboladers angeordnet ist. Dieses Bypassventil kann über einen Aktuator geöffnet werden und so einen Teil des Abgasstroms an der Turbine vorbeileiten, um den Ladedruck auf den gewünschten Wert einzuregeln.
[0014] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine bei einer Drehzahl der Kurbelwelle in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1250 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 Wirkungsgrad betrieben wird, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgasturboladers zwischen 2,8 und 3,1 bar liegt.
[0015] Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn als Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung Cyclopentan verwendet wird.
[0016] Durch die genannten Maßnahmen wird der Massenfluss durch die Brennkraftmaschine 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.
[0017] Dadurch ist es möglich die CO2-Emissionen im Vergleich zu leistungsgleichen herkömmlichen Kombinationen aus Brennkraftmaschinen und Abwärmerückgewinnungseinrichtungen zu reduzieren.
[0018] Um einen hohen thermischen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Auslegung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist:
a. Anpassen des Abgasturboladers so lange, bis ein minimaler Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers erreicht wird, bei dem eine erforderliche Abgasmenge noch rückgeführt werden kann, um gesetzlich vorgegebene maximale NOx-Emissionswerte am Endrohraustritt der Brennkraftmaschine 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 Brennkraftmaschine die gesetzlich vorgegebenen maximalen NOx-Emissionswerte überschreitet.
[0019] Diese iterative Auslegungsmethode für die Brennkraftmaschine ermöglicht den höchsten thermischen Gesamtwirkungsgrad für die Brennkraftmaschine samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung für einen einzelnen stationären Betriebspunkt.
[0020] Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
[0021] Darin zeigen schematisch:
[0022] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
[0023] Fig. 2 eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung dieser Brennkraftmaschine, [0024] Fig. 3 ein Detail der Brennkraftmaschine,
[0025] Fig. 4 eine vereinfachte Abwärmerückgewinnungseinrichtung,
[0026] Fig. 5 ein Leistungsdiagramm des Expanders,
[0027] Fig. 6 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine ohne Abwärmerückgewinnungseinrichtung und
[0028] Fig. 7 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine mit Abwärmerückgewinnungseinrichtung.
[0029] Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Einlassstrang 2, einen Auslassstrang 3, eine im Auslassstrang 3 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 und eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 auf, von welcher in Fig. 1 der Abgaswärmetauscher 51 und der EGR-Wärmetauscher 52 (EGR=exhaust gas recirculation) dargestellt ist. Zwischen dem Auslassstrang 3 und dem Einlassstrang 2 ist eine Abgasrückführeinrichtung 6, beispielsweise eine Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung vorgesehen, mit welcher Abgase aus dem Auslassstrang 3 in den Einlassstrang 2 rückgeführt werden. Weiters weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader 7 mit einem Verdichter 71 im Einlassstrang 2 und einer Abgasturbine 72 im Auslassstrang 3 auf.
[0030] 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 ist zur Verbrennung von gasförmigem Brennstoff eingerichtet und kann einen oder mehrere Zylinder für hin- und hergehende Kolben aufweisen. Der gasförmige Brennstoff ist insbesondere LNG (LNG=Liquified Natural Gas, verflüssigtes Methangas) oder CNG (CNG=Compressed Natural Gas, komprimiertes Methangas), die Brennkraftmaschine somit eine gasbetriebene Brennkraftmaschine.
[0031] 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 welchem der EGR-Wärmetauscher 52 und ein Reed-Ventil 62 (Flatterventil) angeordnet ist.
[0032] 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 Verdampfer 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.
[0033] Die Wärmequellen - Abgas des Abgasstranges 3 und rückgeführtes Abgas des Abgasrückführleitung 61 - werden in der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 genutzt, um das Arbeitsmedium im ersten Verdampfer 51 und/oder zweiten Verdampfer 52 zu verdampfen. Der erste Verdampfer 51 und der zweite Verdampfer 52 sind im Kreislauf 50 der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 parallelgeschaltet und werden über das Verteilerventil 57 geschaltet, um einen Betrieb mit oder ohne Abgasrückführung zu ermöglichen. In letzterem Falle wird das Arbeitsmedium am zweiten Verdampfer 520 vorbeigeleitet.
[0034] Der erste Verdampfer 510 ist im Abgasstrang 3 nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 der Brennkraftmaschine 1 positioniert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch können nachteilige Auswirkungen auf die Abgasnachbehandlung vermieden werden.
[0035] Mittels des ORC-Verfahrens wird in der Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 Abwärme aus dem Abgas (Enthalpie) in mechanische Energie umgewandelt.
[0036] Fig. 4 zeigt eine Abwärmerückgewinnnungseinrichtung 5 mit vereinfachtem ORC mit nur einer Wärmequelle, und zwar einem ersten Verdampfer 510 eines Abgaswärmetauschers 51. Die Enthalpie Q des Abgases kann aus dem Abgasmassenstrom m, der spezifischen Wärmekapazität cp, welche als annähernd konstant betrachtet wird, und der abgasseitigen Temperaturdifferenz AT zwischen Eintritt 511 und Austritt 512 des ersten Verdampfers 510 berechnet werden:
Q=m ‘cp ‘AT
[0037] Ein Ansteigen der Enthalpie Q hat ein Ansteigen der mechanischen Leistung P des Expanders zu Folge.
[0038] In Fig.5 ist die Leistung P des Expanders 53 als Funktion über verschiedenen Abgasmassenströme m und abgasseitige Eintrittstemperaturen T£ des Abgaswärmetauschers 51 mit einem
konstanten Wirkungsgrad aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, dass die abgasseitigen Eintrittstemperaturen T£ des Abgaswärmetauschers 51 größeren Einfluss auf die Leistung P des Expanders 53 haben als der Abgasmassenstrom m.
[0039] Zur Verdeutlichung des Wirkprinzips des ORC Verfahrens ist die Position des Betriebspunktes mit dem höchsten thermischen Wirkungsgrad BTEog für eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschine in den in Fig. 6 und 7 gezeigten Kennfeldern dargestellt, wobei jeweils das Drehmoment MD über der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen sind. Im Kennfeld sind die thermischen Wirkungsgrade BTE+ der Brennkraftmaschine 1 eingetragen. Fig. 6 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTE+ für die Brennkraftmaschine 1 alleine, also ohne Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 (WHR=Waste Heat Recovery), und Fig. 7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad BTE +45 für die Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5. Der markierte Bestpunkt BTEop: des thermischen Wirkungsgrades BTE; liegt in Fig. 6 bei der Brennkraftmaschine 1 alleine bei 47,5 % - bei einer Drehzahl N von 1250 U/min und einem Drehmoment MD von 1800 Nm, das sind 82% des Nenndrehmomentes MN für diese Drehzahl N - und in Fig. 7 bei der Brennkraftmaschine 1 samt Abwärmerückgewinnungseinrichtung 5 bei etwa 50 % - bei einer Drehzahl N von 1250 U/min und einem Drehmoment M von 1700 Nm, das sind 77% des Nenndrehmomentes My für diese Drehzahl N.
[0040] Auf der Basis der Figuren 5, 6 und 7 lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass - bei gegebener Abwärmemenge einer Brennkraftmaschine 1 - für die Effizienz des ORC-Verfahrens hohe Abgastemperaturen T£ und geringe Abgasmassenströme m besser sind als niedrige Abgastemperaturen T£ und hohe Abgasmassenströme m.
[0041] Hohe Abgastemperaturen T£ bei möglichst geringen Abgasmassenströmen m können in einer Brennkraftmaschine 1 durch größtmögliche Reduzierung der Luftmenge erzielt werden. Dieses Prinzip ist für mit gasförmigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschinen 1 ebenso gültig wie für mit flüssigem Brennstoff betriebene Brennkraftmaschinen.
Claims (1)
- Patentansprüche1. Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, bei welcher Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer eingebracht wird, mit zumindest einer Gaswechselöffnung pro Zylinder, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisenden Abgasturbolader (7), wobei Abgaswärme eines Auslasssystems (3) und/oder eines Abgasrückführsystems (6) der Brennkraftmaschine (1) mit einer nach einem organischen Rankine-Zyklus (ORC) arbeitenden Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in zumindest einem definierten Betriebspunkt mit folgender Kombination von Parametern betrieben wird:- Kompressionsverhältnis (CR) zwischen 16,5 und 19;- Spitzenverbrennungsdruck (P_MX) von mindestens 200 bar, vorzugsweise zwischen 200 bar und 220 bar, an der Nennleistung;- Liefergrad (Ai) von mindestens 90%; - Drallzahl (Rs) im Zylinder zwischen 0 und 1,6; - Durchflusskoeffizient (Kv) zumindest einer Gaswechselöffnung: Mindestens 0,068;- Einblasedruck des zumindest einen Kraftstoffinjektors: wenigstens 200 bar und höchstens 350 bar;- spezifische Düsendurchflussrate des zumindest einen Kraftstoffinjektors so, dass diese bei einer Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel und der Nennleistung, bei 280 bar bis 320 bar Einblasedruck, vorzugsweise bei 290 bis 310 bar Einblasedruck resultiert;- maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad: mindestens 65%, vorzugsweise mindestens 70%;- Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads (BTE) der Brennkraftmaschine (1) so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei 6° bis 14°, vorzugsweise 8° bis 12°, Kurbelwinkel (KW) nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt;- Aufladung so, dass ein Luftverhältnis von 1,25 - 1,45 im Bereich des maximalen Drehmoments und von 1,40 - 1,60 im Bereich der Nennleistung beträgt.2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels eines Abgasrückführsystem (6) zumindest 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 12% rückgeführt wird.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Abgas in einer Abgasrückführleitung (61) des Abgasrückführsystems (6) über ein in Strömungsrichtung Öffnendes Reed-Ventil (62) geleitet wird.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.5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff komprimiertes Erdgas und/oder verflüssigtes Erdgas umfasst.6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) bei einer Drehzahl (N) in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1250 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 (Mx) für diese Drehzahl (N) mit maximalem thermischen Wirkungsgrad (BTE:+) betrieben wird, wobei vorzugsweise der relative Ladedruck des Abgasturboladers (7) zwischen 2,8 und 3,1 bar liegt.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) Cyclopentan verwendet wird.10.11. 12.13.Ästerreichisches AT 525 804 B1 2023-08-15Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bevor der Kraftstoff in die Brennkammer eingebracht wird, ein selbstzündender Pilotkraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, in einer Piloteinspritzung in die Brennkammer eingespritzt wird.Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1), welche dazu eingerichtet ist, Kraftstoff am Ende des Kompressionstakts in gasförmig komprimierter Form in die Brennkammer einzubringen, mit zumindest einem Gaswechselventil, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor, mit zumindest einem eine Abgasturbine (72) und einen Verdichter (71) aufweisenden Abgasturbolader (7), wobei vorzugsweise die Brennkraftmaschine (1) ein Abgasrückführsystem (6) mit zumindest 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 betrieben zu werden:- Kompressionsverhältnis (CR) zwischen 16,5 und 19;- Spitzenverbrennungsdruck (P_MX) von mindestens 200 bar, vorzugsweise zwischen 200 bar und 220 bar, an der Nennleistung;- Liefergrad (Ai) von mindestens 90%; - Drallzahl (Rs) im Zylinder zwischen 0 und 1,6; - Durchflusskoeffizient (K,) zumindest einer Gaswechselöffnung: mindestens 0,068;- Einblasedruck des zumindest einen Kraftstoffinjektors: wenigstens 200 bar und höchstens 350 bar;- spezifische Düsendurchflussrate des zumindest einen Kraftstoffinjektors so, dass diese bei einer Einblasedauer von 20-30° Kurbelwinkel und der Nennleistung, bei 280 bar bis 320 bar Einblasedruck, vorzugsweise bei 290 bis 310 bar Einblasedruck resultiert;- maximaler Abgasturbolader-Wirkungsgrad: mindestens 65%, vorzugsweise mindestens 70%;- Beginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes im besten Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrads so, dass der Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) bei 6° bis 14°, vorzugsweise 8° bis 12°, Kurbelwinkel (KW) nach dem Totpunkt (ATDC) der Zündung liegt- Aufladung so, dass ein Luftverhältnis von 1,25 - 1,45 im Bereich des maximalen Drehmoments und von 1,40 - 1,60 im Bereich der Nennleistung beträgt.Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, 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) zwischen 0 und 25% rückführbar ist.Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Abgasrückführleitung (61) des Abgasrückführsystems (6) ein in Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases öffnendes Reed-Ventil (62) angeordnet ist.Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (72) des Abgasturboladers (7) ein Waste-Gate oder eine variable Turbinengeometrie aufweist.Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale thermische Wirkungsgrad (BTE+4) der Brennkraftmaschine (1) bei einer Drehzahl (N) in einem Bereich zwischen 1020 U/min und 1250 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 und 3,1 bar liegt.14. Gasbetriebene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (5) Cyclopentan ist.Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50450/2022A AT525804B1 (de) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50450/2022A AT525804B1 (de) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT525804A4 AT525804A4 (de) | 2023-08-15 |
| AT525804B1 true AT525804B1 (de) | 2023-08-15 |
Family
ID=87556550
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA50450/2022A AT525804B1 (de) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT525804B1 (de) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009039551A1 (de) * | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Andreas Gotter | Brennkraftmaschine mit abgasgetriebenem Alkohol-Reformer und Bottoming-Cycle-Kombiprozess |
| AT522176B1 (de) * | 2019-07-23 | 2020-09-15 | Avl List Gmbh | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine |
-
2022
- 2022-06-23 AT ATA50450/2022A patent/AT525804B1/de active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009039551A1 (de) * | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Andreas Gotter | Brennkraftmaschine mit abgasgetriebenem Alkohol-Reformer und Bottoming-Cycle-Kombiprozess |
| AT522176B1 (de) * | 2019-07-23 | 2020-09-15 | Avl List Gmbh | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT525804A4 (de) | 2023-08-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AT522176B1 (de) | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine | |
| AT7207U1 (de) | Verfahren zum betreiben einer direkteinspritzenden diesel-brennkraftmaschine | |
| WO2019020647A1 (de) | Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein kraftfahrzeug, sowie verfahren zum betreiben einer solchen verbrennungskraftmaschine | |
| DE102013220479A1 (de) | Mit flüssigem und gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine | |
| DE102009044913A1 (de) | Brennkraftmaschine | |
| DE102013013755A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine | |
| DE102017120512A1 (de) | Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug | |
| DE102019113738A1 (de) | Brennkraftmaschine mit variabler Einlass- und Auslassventilbetätigung | |
| AT525804B1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine | |
| AT526345B1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine | |
| AT525896B1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine | |
| AT526346B1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine | |
| DE102019113741A1 (de) | Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und mit elektromotorischer oder mechanischer Aufladung | |
| DE102015211168A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine | |
| DE102019208651A1 (de) | Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Kreisprozessvorrichtung | |
| EP4045784B1 (de) | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine | |
| DE102019116035B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine | |
| DE102010038533A1 (de) | Hubkolben-Brennkraftmaschine | |
| DE102019113750A1 (de) | Brennkraftmaschine mit variabler Einlass- und Auslassventilbetätigung zur Realisierung eines Teilbetriebs | |
| DE102019113740A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und brennraumindividueller Kraftstoffeinbringung | |
| EP1651848A1 (de) | Wirkungsgraderhöhung von mit wasserstoff betriebenen verbrennungsmotoren | |
| DE102021119337A1 (de) | Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie Verbrennungsmotor | |
| DE102018206294A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine mit VTG-Lader | |
| DE102019113733A1 (de) | Brennkraftmaschine mit variabler Auslassventilbetätigung und mehreren Abgasfluten | |
| WO2020120473A2 (de) | Verfahren zum betreiben eines turbo-compound-systems |