DE102009039551A1 - Alcohol-fueled combustion engine of an otto engine comprises a charging device, in which exhaust gas is led towards exhaust-gas catalyst over a heat exchanger, which is flowed through with the alcohol fuel as process medium - Google Patents

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Abstract

The alcohol-fueled combustion engine of an otto engine comprises a charging device, in which exhaust gas is led towards exhaust-gas catalyst over a heat exchanger (2, 3), which is flowed through at the opposite side with the alcohol fuel as process medium. The heat exchanger is segmented into two parts, where the first part is implemented as evaporator and the second part allows a dissociation of the fuel. The heat exchangers are placed in a joint housing. The combustion engine enacts with two types of fuel injectors for fluid and gaseous fuel (10). The alcohol-fueled combustion engine of an otto engine comprises a charging device, in which exhaust gas is led towards exhaust-gas catalyst over a heat exchanger (2, 3), which is flowed through at the opposite side with the alcohol fuel as process medium. The heat exchanger is segmented into two parts, where the first part is implemented as evaporator and the second part allows a dissociation of the fuel. The heat exchangers are placed in a joint housing. The combustion engine enacts with two types of fuel injectors for fluid and gaseous fuel (10). The heat exchanger, which decomposes the fuel into synthesis gas is connected over intermediate component with an injector of the combustion engine. Rankine process consisting of high pressure pumps (5) and expander (6) is carried out through both heat exchangers with heat. The fuel of the combustion engine is the process medium of the Rankine process. The excess power of the Rankine process is changed into electrical energy. The chemically changed process medium comprises a synthesis fuel, which consists of hydrogen and carbon monoxide. The synthesis gas is stored in the pressure storage. A common fuel conveying pump conveys the fuel for the combustion engine, where the fuel is a process medium for the Rankine process with reformer. Fluid alcohol fuel separated through condenser of the Rankine process is supplied to the Rankine process to obtain synthesis gas. The charging device is integrated into a vehicle. The synthesis gas has high heat- and calorific value than the alcohol fuel. The combustion engine is a gas turbine. The expander is a piston expander or vane cell expander, which is regulatable in number of revolutions. The pressure and temperature are regulatable during introducing into the expander through regulation of number of revolutions by expander and high pressure pump. The measuring flow of the Rankine process is regulatable through the regulation of the number of revolution of the component. An independent claim is included for a method for operating a charging device of alcohol-fueled combustion engine.

Description

KurzbeschreibungSummary

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Bottoming-Cycle-Prozess, welcher als Arbeitsmedium Alkohol verwendet, der im Nachschaltprozess zumindest teilweise zu Synthesegas reformiert wird, wobei sowohl der Alkohol als auch das Synthesegas von der Brennkraftmaschine als Kraftstoff verwendet werden und gleichzeitig Arbeitsmedium im Nachschaltprozess sind.The present invention relates to an internal combustion engine with downstream bottoming cycle process, which uses alcohol as the working medium, which is at least partially reformed in the downstream process to synthesis gas, wherein both the alcohol and the synthesis gas are used by the internal combustion engine as fuel and at the same time working medium in the subsequent process are.

Stand der TechnikState of the art

Nach Stand der Technik werden heute Verbrennungsmotoren neben fossilen Kraftstoffen auch mit Alkoholkraftstoffen angetrieben. Dabei sind Methanol und Ethanol die am häufigsten verwendeten Alkohole. Betrieben werden die Verbrennungsmotoren mit bis zu 85% Alkoholgehalt im Kraftstoff. Dies ist hauptsächlich durch die schlechte Verdampfungsqualität der Kraftstoffe bei niedrigen Temperaturen begründet, was eine schlechte Startbarkeit des Motors bewirkt. Bei Verwendung von Alkoholkraftstoffen kommen zahlreiche Detailverbesserungen zur Anwendung, welche das Problem des Kraftstoffeintrages in das Schmiermittel Motoröl, die Ausnützung der höheren Klopffestigkeit der Alkohole sowie die Ausnützung der höheren Verdampfungsenthalpie gegenüber handelsüblichen Ottokraftstoffen, insbesondere zur Füllungs- und Leistungssteigerung, zum Ziel haben.According to the state of the art, internal combustion engines today are driven not only by fossil fuels but also by alcohol fuels. Methanol and ethanol are the most commonly used alcohols. The internal combustion engines are operated with up to 85% alcohol content in the fuel. This is mainly due to the poor vaporization quality of the fuels at low temperatures, which causes poor engine startability. When using alcohol fuels numerous detail improvements are used, which have the problem of the fuel input into the lubricant engine oil, the use of higher anti-knocking alcohols and the use of higher enthalpy of vaporization over commercial gasoline fuels, especially for filling and performance increase, the goal.

Katalysatoren sind in der gesamten Technik, im Anlagenbau und auch im Motorenbau weit verbreitet. In der Motorenentwicklung wurden neben verschiedenen Katalysatoren zur Abgasreinigung bereits Katalysatoren zur Reformierung alkoholhaltiger Kraftstoffe untersucht, siehe xxxx.Catalysts are widely used in the entire technology, in plant construction and also in engine construction. In engine development, catalysts for the reforming of alcohol-containing fuels have already been investigated in addition to various catalysts for exhaust gas purification, see xxxx.

Verschiedene Erfindungen ( DE 19839396A1 , DE 10259488A1 , DE 19735909A1 , DE 10221157A1 , DE 3333069A1 , DE 102007038073A1 ) nutzen die Abgasenergie, um die Aufheizung des Dampfes in einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Dampfprozess zu vollziehen. Diesen Erfindungen ist gemeinsam, dass sie über einen Wärmetauscher aus dem Speisewasser zunächst Dampf erzeugen und diesen dann überhitzen. Dieser Wärmetauscher wird auf der Wärmequellenseite bei den genannten Verfahren entweder vom Abgas oder vom Kühlmittel einer Brennkraftmaschine durchströmt. Alle genannten Verfahren verwenden vorzugsweise Wasser als Arbeitsmedium, der Kraftstoff wird nirgends als Arbeitsmedium beschrieben. Keines der Verfahren hat die gleichzeitige Dissoziation des Arbeitsmediums oder Kraftstoffes zum Ziel.Various inventions ( DE 19839396A1 . DE 10259488A1 . DE 19735909A1 . DE 10221157A1 . DE 3333069A1 . DE 102007038073A1 ) use the exhaust energy to accomplish the heating of the steam in a downstream Rankine cycle steam process. These inventions have in common that they first generate steam via a heat exchanger from the feed water and then overheat it. This heat exchanger is flowed through on the heat source side in the said method, either from the exhaust gas or the coolant of an internal combustion engine. All these methods preferably use water as a working medium, the fuel is nowhere described as a working medium. None of the methods aims at the simultaneous dissociation of the working medium or fuel.

Aufgabenstellung der ErfindungTask of the invention

Gegenstand der Erfindung ist die Steigerung des Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors mit Hilfe eines Nachschaltprozesses. Dabei liegt im Vordergrund, die chemischen und thermodynamischen Eigenschaften von Alkoholkraftstoffen auszunützen. Ebenso ist ein Automobiltaugliches mit guter Startfähigkeit und kundenwirksamen Verbrauchsvorteil Ziel der Erfindung.The invention is the increase in the efficiency of an internal combustion engine with the aid of a Nachschaltprozesses. The focus here is on exploiting the chemical and thermodynamic properties of alcohol fuels. Likewise, an automotive suitable with good startability and customer-effective consumption advantage of the invention.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, wahlweise mit Aufladevorrichtung, bei der das Abgas nach dem Abgas-Katalysator über einen Wärmetauscher geleitet wird, welcher auf der Gegenseite mit dem Alkoholkraftstoff als Arbeitsmedium durchströmt wird. Dieser Wärmetauscher ist in zwei Teile segmentiert, wobei der erste Teil als Verdampfer ausgeführt ist und der zweite, näher am Motor liegende, Teil katalytisch beschichtet ist, um eine Dissoziation des Kraftstoffes zu ermöglichen.The present invention relates to an internal combustion engine, optionally with charging device, in which the exhaust gas is passed to the exhaust catalyst via a heat exchanger, which is traversed on the opposite side with the alcohol fuel as the working medium. This heat exchanger is segmented into two parts, the first part being designed as an evaporator and the second, lying closer to the engine, part is catalytically coated to allow dissociation of the fuel.

Der Kraftstoff wird zunächst von der Vorförderpumpe (4) auf einen moderaten Druck von typischerweise 4 bar verdichtet, wobei der Druckbereich zwischen 2 und 15 bar variieren kann. Je nach Betriebsbedingungen wird zwischen 0 bis 100% der Gesamtkraftstoffmasse an die Flüssig-Injektoren (10) des Verbrennungsmotors geleitet, wobei bei optimalem betriebswarmen Motor, dieser Anteil möglichst klein oder 0 sein soll. Der restliche Teil des Kraftstoffs wird über die Hochdruckpumpe (5) auf ein hohes Druckniveau verdichtet. Dieses Druckniveau wird abhängig vom Betriebspunkt, aktueller Abgastemperatur und Kraftstoffzusammensetzung auf einen Wert zwischen 15 und 250 bar eingestellt. Dieser komprimierte Kraftstoff wird zunächst dem Abgas-Wärmetauscher (3) zugeführt, wo er angetrieben durch die Abgaswärme verdampft wird und anschließend dem Wärmetauscher (2) zugeführt, in dem er überhitzt und zum Teil dissoziiert wird. Durch die Dissoziation wird der Volumenstrom des Kraftsoff-Gasgemisches vergrößert.The fuel is first removed from the prefeed pump ( 4 ) is compressed to a moderate pressure of typically 4 bar, wherein the pressure range can vary between 2 and 15 bar. Depending on the operating conditions, between 0 to 100% of the total fuel mass is delivered to the liquid injectors ( 10 ) of the internal combustion engine, with optimum operating temperature engine, this proportion should be as small as possible or 0. The remaining part of the fuel is pumped through the high-pressure pump ( 5 ) is compressed to a high pressure level. This pressure level is set to a value between 15 and 250 bar depending on the operating point, current exhaust gas temperature and fuel composition. This compressed fuel is first the exhaust gas heat exchanger ( 3 ), where it is driven by the exhaust heat is evaporated and then the heat exchanger ( 2 ), in which it overheats and is partially dissociated. Dissociation increases the volume flow of the fuel-gas mixture.

Nach dem Austritt aus diesem Wärmetauscher liegt ein Gemisch aus dissoziertem Kraftstoff, bestehend aus H2 und CO, verdampften, nicht dissoziertem Kraftstoff sowie nicht-flüchtigen flüssigen Kraftstoffbestandteilen vor. Dieses Gemisch wird über eine Entspannungsvorrichtung (6) entspannt, welche vorzugsweise als Flügelzellenexpander ausgeführt ist, wobei auch eine Ausführung als Schraubenexpander, Kolbenexpander oder als axiale oder radiale Strömungsmaschine möglich ist. Vorteil dieser Anordnung ist, dass stets ein Leistungsüberschuss an der Entspannungsvorrichtung (6) entsteht, welcher den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu steigern vermag.After exiting this heat exchanger, there is a mixture of dissociated fuel consisting of H2 and CO, vaporized, undissociated fuel, and non-volatile liquid fuel components. This mixture is passed through an expansion device ( 6 ), which is preferably designed as a vane cell expander, wherein a design as a screw expander, piston expander or as an axial or radial flow machine is possible. Advantage of this arrangement is that always a surplus of power at the relaxation device ( 6 ) is created, which is able to increase the efficiency of the entire system.

Das Gasgemisch wird anschließend über einen Kondensator (7) geleitet, bei dem das Gas auf eine umgebungsnahe Temperatur abgekühlt wird und die nicht-dissozierten Kraftstoffkomponenten kondensiert werden. Ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, ein geschlossener ORC- oder Dampfprozess, ist hier die Tatsache, dass aufgrund des teilweise dissozierten Arbeitsmediums Kraftstoff, auch eine erheblich geringere Kondensationswärme zur Verflüssigung der Nicht-Dissoziierten Komponenten erforderlich ist. Dadurch kann der Kondensator (7) kleiner, leichter und kostengünstiger realisiert werden. The gas mixture is then passed through a condenser ( 7 ), in which the gas is cooled to an ambient temperature and the non-dissociated fuel components are condensed. An advantage over the prior art, a closed ORC or steam process, here is the fact that due to the partially dissociated working medium fuel, also a significantly lower heat of condensation for liquefying the non-dissociated components is required. This allows the capacitor ( 7 ) be realized smaller, lighter and cheaper.

Das nach der Dissoziation im Reformer (2) und durch den Kondensator (7) geleitete, verbleibende Gas ist angereichertes Synthegas, eine Gasmischung, welche vorwiegend aus den Komponenten Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) besteht. Dieses Synthesegas wird in einem Druckspeicher (8) im gasförmigen Aggregatzustand gepuffert. Die Größe des Druckspeichers ist dabei so dimensioniert, dass die thermische Trägheit des Reformers in einem typischen Fahrzyklus größtenteils kompensiert werden kann. Anders formuliert ist die Kapazität des Druckspeichers bezogen auf die chemische Energie des gespeicherten Synthesegases mindestens in etwa so groß wie thermische Energie in Wärmetauscher (2) und Reformer (3). Weiterhin ist der Druckspeicher so bemessen, dass ein Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) mit dem gespeicherten Gas möglich ist und dieser so lange zumindest teilweise mit Synthesegas betrieben werden kann, bis der Verbrennungsmotor warm genug ist, um zuverlässig ausschließlich mit dem Alkoholkraftstoff betrieben werden zu können.This after dissociation in the reformer ( 2 ) and through the capacitor ( 7 ), remaining gas is enriched Synthegas, a gas mixture, which consists mainly of the components hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO). This synthesis gas is stored in an accumulator ( 8th ) buffered in the gaseous state of matter. The size of the accumulator is dimensioned so that the thermal inertia of the reformer can be largely compensated in a typical driving cycle. In other words, the capacity of the accumulator based on the chemical energy of the stored synthesis gas is at least approximately as large as thermal energy in heat exchangers ( 2 ) and reformers ( 3 ). Furthermore, the pressure accumulator is dimensioned so that a cold start of the internal combustion engine ( 1 ) is possible with the stored gas and this can be operated at least partially with syngas until the internal combustion engine is warm enough to be reliably operated exclusively with the alcohol fuel can.

Die Zuführung des Synthesegases zur Verbrennungskraftmaschine (1) geschieht durch Gasinjektoren (9). Weiterhin wird betriebspunktabhängig über auch ein Teil des vorgeförderten Kraftstoffes mittels Flüssigkeitsinjektoren (10) direkt dem Motor (1), vorzugsweise Hubkolbenmaschine zugeführt. Die Injektoren (10) können dabei entweder direkt in den Brennraum oder in das Saugrohr des Verbrennungsmotors (1) einspritzen und entweder elektromagnetisch oder nach dem Piezo-Prinzip arbeiten. Die Hochdruckpumpe (5) wird vorzugsweise von einer elektrischen Maschine (11) angetrieben, kann alternativ aber auch direkt mechanisch mit dem Verbrennungsmotor (1) gekoppelt werden. Die Überschussleistung des Expanders (6) wird vorzugsweise auf einen elektrischen Generator (11') gespeist, welcher idealerweise auf einer Welle mit Hochdruckpumpe liegt. In diesem Fall können die Bauteile 11 und 11' zu einer 2-Quadraten-E-Maschine zusammengefasst werden.The supply of the synthesis gas to the internal combustion engine ( 1 ) is done by gas injectors ( 9 ). Furthermore, depending on the operating point, a part of the prefilled fuel is also conveyed by means of liquid injectors ( 10 ) directly to the engine ( 1 ), preferably reciprocating engine supplied. The injectors ( 10 ) can either directly into the combustion chamber or into the intake manifold of the internal combustion engine ( 1 ) and operate either electromagnetically or according to the piezo principle. The high pressure pump ( 5 ) is preferably from an electrical machine ( 11 ), but can alternatively also directly mechanically with the internal combustion engine ( 1 ). The surplus power of the expander ( 6 ) is preferably applied to an electric generator ( 11 ' ), which ideally lies on a shaft with a high-pressure pump. In this case, the components can 11 and 11 ' be summarized to a 2-squares e-machine.

Betrieb der KombinationsmaschineOperation of the combination machine

Das Verfahren zum Betrieb der Kombinationsmaschine aus Verbrennungskraftmaschine, Rankine-Prozess und Alkohol-Reformator mit der hier beschriebenen Vorrichtung, weist zusätzlich die Besonderheiten auf, dass abhängig von der Motortemperatur und dem aktuellen Betriebspunkt die Massenaufteilung der beiden Kraftstoffarten Alkoholkraftstoff und Synthesegas von einer elektronischen Motorsteuerung berechnet und permanent optimiert wird.The method for operating the combination engine of internal combustion engine, Rankine process and alcohol reformer with the device described here, additionally has the special features that calculated depending on the engine temperature and the current operating point, the mass distribution of the two fuel types alcohol fuel and synthesis gas from an electronic engine control and permanently optimized.

Durch geschickte Ansteuerung der beiden Injektorarten (9) und (10) kann voraussichtlich ein Motorstart bei Temperaturen von –30°C und kälter erreicht werden, wenn der Druckspeicher (8) zuvor ausreichend gefüllt ist. Mit handelsüblichen Alkoholkraftstoffen, z. B. E85, ist nach Stand der Technik ein sicherer Motorstart nur bis etwa –5°C gewährleistet, was durch den sehr geringen Dampfdruck des Alkohols bei niedrigen Temperaturen begründet ist. Das Synthesegas liegt hingegen bis zu sehr tiefen Temperaturen bereits gasförmig vor. Eine Begrenzung der Startfähigkeit nach Stand der Technik ist dabei nur durch die Injektoren und das Motoröl gegen, nicht jedoch verfahrensbedingt. Weiterhin positiv sind die damit verbundenen äußert geringen Emissionen während des Motorstarts und Warmlaufs. Ein weiterer Nachteil nach Stand der Technik bei Verwendung von Alkoholkraftstoffen besteht darin, dass im und kurze Zeit nach Motorstart eine hohe Menge von Kraftstoff in das Motoröl eingetragen wird. Dies wird durch den erfindungsgemäßen Start des Motors mit Synthesegas vermieden. Weiterhin ist durch den geringen Anreicherungsbedarf der Kraftstoffverbrauch in Start und Warmlaufphase erheblich geringer als nach Stand der Technik.Through clever control of the two injector types ( 9 ) and ( 10 ) an engine start at temperatures of -30 ° C and colder can be expected if the accumulator ( 8th ) previously filled sufficiently. With commercial alcohol fuels, eg. B. E85, a safe engine start is guaranteed only to about -5 ° C according to the prior art, which is due to the very low vapor pressure of the alcohol at low temperatures. By contrast, the synthesis gas is already present in gaseous form up to very low temperatures. A limitation of the startability according to the prior art is only countered by the injectors and the engine oil, but not due to the process. Another positive factor is the associated extremely low emissions during engine startup and warm-up. Another disadvantage of the prior art when using alcohol fuels is that a high amount of fuel is introduced into the engine oil during and shortly after engine start. This is avoided by the inventive start of the engine with synthesis gas. Furthermore, the fuel consumption during start-up and warm-up phase is considerably lower than in the prior art due to the low enrichment requirement.

Weiterer Teil des Verfahrens ist daher die Startabstimmung des Verbrennungsmotors. Da ein Großteil der Emission im Start und kurze Zeit danach durch unverdampften Kraftstoff herrührt und zu diesem Zeitpunkt der Katalysator noch nicht betriebswarm ist, wird bei dem hier beschriebenen Verfahren ein Flüssiganteil im Start vermieden. Der Motorstart wird folglich, sofern genügend Synthesegas vorhanden ist, mit Synthesegas durchgeführt. In der anschließenden Warmlaufphase wird mit einem speziellen Algorithmus auf Flüssigkraftstoff umgeschaltet. Dies geschieht so lange, bis der Nachschaltprozess, bestehend aus Reformer (2), Verdampfer (3), Hochdruckpumpe (5) und Expander (6) ausreichende erwärmt ist, um genügend Synthesegas zu erzeugen, um den Druckspeicher (8) wieder zu befüllen. Ist dies Geschehen, so wird der Verbrennungsmotor (1) mit einem variierenden Anteil Synthesegas betrieben. Beim warmen Betrieb der Anlage wird dabei der Füllstand der Druckspeichers (8) auf einen Wert von ca. 50 bis 95% der Kapazität eingeregelt, so dass in jedem Falle nach Abstellen des Verbrennungsmotors (1) noch genügend Synthesegas für einen Gasstart vorhanden ist. Die obere Grenze ermöglicht ein nachträgliches Auffüllen des Druckspeichers nach Abstellen des Verbrennungsmotors (1), wenn Reformer (2) und Verdampfer (3) noch warm genug sind, um den Nachschaltprozess (2–6) noch einige Zeit betreiben zu können.Another part of the process is therefore the start tuning of the internal combustion engine. Since a large part of the emission in the start and a short time thereafter comes from unvaporised fuel and at this time the catalyst is not yet warmed up, a liquid fraction in the start is avoided in the method described here. The engine start will therefore, if enough syngas is present, carried out with syngas. In the subsequent warm-up phase, a special algorithm switches over to liquid fuel. This happens until the next process, consisting of reformer ( 2 ), Evaporator ( 3 ), High pressure pump ( 5 ) and expander ( 6 ) is sufficiently heated to generate enough synthesis gas to the pressure accumulator ( 8th ) to refill. If this happens, the internal combustion engine ( 1 ) operated with a varying proportion of synthesis gas. During warm operation of the system, the level of the pressure accumulator ( 8th ) adjusted to a value of about 50 to 95% of the capacity, so that in each case after switching off the internal combustion engine ( 1 ) is still enough syngas for a gas type is available. The upper limit allows a subsequent filling of the pressure accumulator after switching off the internal combustion engine ( 1 ), if reformers ( 2 ) and evaporators ( 3 ) are still warm enough to 2 - 6 ) to be able to operate for some time.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass sowohl der Bottoming-Rankine-Prozess zur thermodynamischen Ausnutzung der im Abgas enthaltenen Exergie genutzt werden kann als auch der höhere Brennwert des Synthesegases. Der Heizwert des durch Reformation erzeugten Synthesegases liegt ca. 20–22% höher als der Heizwert des originalen Kraftstoffes. Gelingt es in einem Betriebspunkt genügend Synthesegas zu produzieren, um den Verbrennungsmotor zu 100% mit Synthesegas zu betreiben, so ist alleine dadurch eine Wirkungsgradsteigerung von 20–22% verbunden. Weiterhin wird noch die Überschussleistung an der Expansionsturbine (6) des Rankine-Nachschaltprozesses (2–6), so dass in Summe eine Wirkungsgradsteigerung der Verbrennungskraftmaschine um bis zu ca. 30% möglich ist.An advantage of this method is that both the bottoming-Rankine process for thermodynamic utilization of the exergy contained in the exhaust gas can be used as well as the higher calorific value of the synthesis gas. The calorific value of the synthesis gas produced by reformation is about 20-22% higher than the calorific value of the original fuel. If it is possible to produce enough synthesis gas at an operating point to run the combustion engine 100% with syngas, this alone results in an increase in efficiency of 20-22%. Furthermore, the excess power at the expansion turbine ( 6 ) of the Rankine-Nachschaltprozesses ( 2 - 6 ), so that in total an increase in efficiency of the internal combustion engine by up to about 30% is possible.

Die Verbrennungskraftmaschine (1) kann alternativ auch als Strömungsmaschine ausgeführt sein. Eine solche Gasturbine arbeitet nach dem Joule-Prozess, das oben beschriebene Verfahren kann ohne Änderungen auch hierfür angewandt werden. Interessant ist diese Konfiguration für die (dezentrale) Energieerzeugung aus biogen gewonnen Alkoholkraftstoffen. Der Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine mit Druckspeicher ist insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen konzeptioniert.The internal combustion engine ( 1 ) may alternatively be designed as a turbomachine. Such a gas turbine works according to the Joule process, the method described above can also be used for this without any changes. This configuration is interesting for the (decentralized) generation of energy from biogenic alcohol fuels. The use of an internal combustion engine with pressure accumulator is especially designed for use in vehicles.

Ausführungsbeispielembodiment

Beispielhaft sei die Integration der erfundenen Vorrichtung in ein PKW-Fahrzeug dargestellt.By way of example, the integration of the invented device in a car vehicle is shown.

Im Ausführungsbeispiel wird ein Verbrennungsmotor (1), ausgeführt als 4-Zylinder-4-Takt-Ottomotor angenommen. Dieser ist so ausgelegt, dass er mit Alkoholkraftstoff E85 betrieben wird. Unmittelbar hinter dem motornahen Katalysator, vorzugsweise an der Fahrzeugunterseite sind Reformer (2) und Verdampfer (3) untergebracht. Die Hochdruckpumpe (5), Expander (6), sowie die E-Maschinen (11 und 11') sind im Motorraum untergebracht, während der Kondensator (7) an der Fahrzeugfront derart angebracht ist, dass er gut von Luft angeströmt wird. Der Druckspeicher (8) ist entweder im Motorraum oder unter dem Fahrzeug angebracht. Im Druckspeicher ist weiterhin ein Druck- und ein Temperatursensor zur Füllstandsberechnung angebracht, ebenso wie im Reformer je Druck- und Temperatursensor verbaut sind, um den Rankineprozess steuern zu könnenIn the exemplary embodiment, an internal combustion engine ( 1 ), adopted as 4-cylinder 4-stroke gasoline engine adopted. It is designed to run on E85 Alcohol. Immediately behind the close-coupled catalyst, preferably on the underside of the vehicle, are reformers ( 2 ) and evaporators ( 3 ) housed. The high pressure pump ( 5 ), Expander ( 6 ), as well as the E-machines ( 11 and 11 ' ) are housed in the engine compartment while the condenser ( 7 ) is mounted on the vehicle front so that it is well supplied with air. The accumulator ( 8th ) is installed either in the engine compartment or under the vehicle. In the pressure accumulator a pressure and a temperature sensor for level calculation is still appropriate, as well as the reformer per pressure and temperature sensor are installed in order to control the Rankine process can

In der Motorsteuerung sind neben der Motorsteuerungssoftware nach Stand der Technik entsprechende zusätzliche Funktionen zur Steuerung des Rankineprozesses und des Reformers integriert und appliziert. Weitere Funktionen zur Motorregelung betreffen den Start, der Vorzugsweise mit Synthesegas betrieben wird, aber bei geringem Vorrat im Druckspeicher auch mit Flüssigkraftstoff erfolgen kann. Eine weitere Funktion regelt den Warmlauf bis zum Erreichen der Katalysatorbetriebstemperatur mit Synthesegas als Hauptbetriebsstoff. Ein ebenfalls in der Motorsteuerung applizierter Betriebsartenmanager schaltet danach wieder auch Alkoholkraftstoff um. Eine letzte Funktion berechnet den idealen Sollfüllstand des Druckspeichers und regelt diesen durch Variation der Kraftstoffaufteilung.In addition to the engine control software according to the prior art, additional engine control functions for controlling the Rankine process and the reformer are integrated and applied in the engine control. Other functions for engine control relate to the start, which is preferably operated with synthesis gas, but can also be done with liquid fuel at low supply in the accumulator. Another function regulates the warm-up until reaching the catalyst operating temperature with synthesis gas as the main operating material. A mode manager also applied in the engine control then switches alcohol fuel again. A final function calculates the ideal desired level of the pressure accumulator and regulates this by varying the fuel distribution.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Abb. 1 Überblick Abgassystem und Kolbenmaschine

1
Kolbenmaschine mit Turbolader und Katalysator
2
Wärmetauscher mit optionaler katalytischer Beschichtung
2
Wärmetauscher mit Verdampferfunktion
3
Kraftstoffvorförderpumpe
4
Kraftstoffhochdruckpumpe
5
Expansionsvorrichtung, z. B. Flügelzellenexpander
6
Kondensator, Umgebungswärmetauscher
7
Gasdruckspeicher
8
Gas-Injektor
9
Flüssig-Injektor
10
Elektromotor
11'
Generator
Fig. 1 Overview exhaust system and piston engine
1
Piston engine with turbocharger and catalytic converter
2
Heat exchanger with optional catalytic coating
2
Heat exchanger with evaporator function
3
fuel feed pump
4
High-pressure fuel pump
5
Expansion device, z. B. vane cell expander
6
Condenser, ambient heat exchanger
7
Gas pressure accumulator
8th
Gas Injector
9
Liquid injector
10
electric motor
11 '
generator

Relevante PatentklassenRelevant patent classes

  • F02G5/04 ... kombiniert mit der Ausnützung anderer Abwärme von BrennkraftmaschinenF02G5 / 04 ... combined with the utilization of other waste heat from internal combustion engines
  • F01K23/10 Anlagen mit mindestens zwei durch unterschiedliche Arbeitsfluide angetriebenen Maschinen zur Energieabgabe ... durch das Abgas des anderen KreislaufesF01K23 / 10 Plants with at least two machines driven by different working fluids for the release of energy ... through the exhaust of the other circuit
  • F02G5/02 . Ausnutzung der Abwärme von AbgasenF02G5 / 02. Utilization of waste heat from exhaust gases

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 3333069 A1 [0004] DE 3333069 A1 [0004]
  • DE 102007038073 A1 [0004] DE 102007038073 A1 [0004]

Claims (28)

Alkoholbetriebene Brennkraftmaschine, wahlweise mit Aufladevorrichtung, bei der das Abgas nach dem Abgas-Katalysator über einen Wärmetauscher geleitet wird, welcher auf der Gegenseite mit dem Alkoholkraftstoff als Arbeitsmedium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wärmetauscher ist in zwei Teile segmentiert, wobei der erste Teil als Verdampfer ausgeführt ist und der zweite Teil eine Dissoziation des Kraftstoffes ermöglichtAlcohol-powered internal combustion engine, optionally with charging device, in which the exhaust gas is passed to the exhaust catalyst via a heat exchanger, which is flowed through on the opposite side with the alcohol fuel as the working medium, characterized in that this heat exchanger is segmented into two parts, wherein the first part is designed as an evaporator and the second part allows dissociation of the fuel Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse platziert sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that both heat exchangers are placed in a common housing. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) mit zwei Arten Kraftstoffinjektoren, jeweils für flüssigen (9) und gasförmigen Kraftstoff (10) verfügt.Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) with two types of fuel injectors, each for liquid ( 9 ) and gaseous fuel ( 10 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2), welcher den Kraftstoff in Synthesegas zerlegt, über Zwischenliegende Bauteile mit einem Injektor der Verbrennungskraftmaschine (1) verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat exchanger ( 2 ), which decomposes the fuel into synthesis gas, via intermediate components with an injector of the internal combustion engine ( 1 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rankine-Prozess bestehend aus Hochdruckpumpe (5) und Expander (6) durch die beiden Wärmetauscher mit Wärme versorgt wird.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a Rankine process consisting of high-pressure pump ( 5 ) and expander ( 6 ) is supplied by the two heat exchangers with heat. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkoholkraftstoff der Brennkraftmaschine das Arbeitsmedium des Rankine-Prozesses ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the alcohol fuel of the internal combustion engine is the working medium of the Rankine process. Rankine-Prozess, bestehend aus Hochdruckpumpe (5) Expander (6), Erhitzer in Form von Wärmetauscher (2) und (3) sowie einem Kondensator (7), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rankine-Prozess ein Reformer integriert ist, so dass das Arbeitsmedium sich während des Prozessdurchlaufs chemisch verändert und der Kondensator das chemisch veränderte Arbeitsmedium vom unveränderten Arbeitsmedium mittels Kondensation trennt. Rankine process consisting of high-pressure pump ( 5 ) Expander ( 6 ), Heaters in the form of heat exchangers ( 2 ) and ( 3 ) and a capacitor ( 7 ), characterized in that in the Rankine process, a reformer is integrated, so that the working fluid is chemically changed during the process flow and the capacitor separates the chemically modified working fluid from the unchanged working fluid by means of condensation. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschussleistung des Rankine-Prozesses in elektrische Energie gewandelt wird und dann weiterverwendet wirdDevice according to one of claims 1 to 7, characterized in that the excess power of the Rankine process is converted into electrical energy and then used further Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch veränderte Arbeitsmedium ein Synthesekraftstoff ist, welche hauptsächlich aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) besteht.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the chemically modified working medium is a synthesis fuel, which consists mainly of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckspeicher (8) das Synthesegas speichert.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a pressure accumulator ( 8th ) stores the synthesis gas. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Kraftstoffvorförderpumpe (4) sowohl den Kraftstoff für die Brennkraftmaschine als auch den Kraftstoff fördert, welcher Arbeitsmedium für den Rankine-Prozess mit Reformer ist.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a common Kraftstoffvorförderpumpe ( 4 ) promotes both the fuel for the internal combustion engine and the fuel, which is working medium for the Rankine process with reformer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Kondensator des Rankine-Prozesses abgeschiedener flüssiger Alkoholkraftstoff dem Rankine-Prozess wieder zugeführt wird und das Synthesegas dem Rankine-Prozess entnommen wird.Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that after the condenser of the Rankine process deposited liquid alcohol fuel is returned to the Rankine process and the synthesis gas is removed from the Rankine process. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem Fahrzeug integriert ist.Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the device is integrated in a vehicle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas einen höheren Heiz- und Brennwert hat als der Alkoholkraftstoff.Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the synthesis gas has a higher heating and calorific value than the alcohol fuel. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Ottomotor handeltDevice according to one of claims 1 to 14, characterized in that it is a gasoline engine in the internal combustion engine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraft Brennkraftmaschine um eine Gasturbine handelt.Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the internal combustion engine is internal to a gas turbine. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (6) eine Kolbenexpander oder Flügelzellenexpander ist, welcher in der Drehzahl regelbar istDevice according to one of claims 1 to 16, characterized in that the expander ( 6 ) is a piston expander or vane cell expander, which is adjustable in speed Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Druck und Temperatur bei Eintritt in den Expander durch Drehzahlregelung von Expander (6) und Hochdruckpumpe (5) regelbar sindDevice according to one of claims 1 to 17, characterized in that pressure and temperature when entering the expander by speed control of expander ( 6 ) and high pressure pump ( 5 ) are controllable Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Rankine-Prozesses durch Drehzahlregelung der Bauteile (5) und (6) regelbar sindDevice according to one of claims 1 to 18, characterized in that the mass flow of the Rankine process by speed control of the components ( 5 ) and ( 6 ) are controllable Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19.Method for operating a device according to one of Claims 1 to 19. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das die Algorithmen zur Steuerung der Vorrichtung in einer elektronischen Steuerung gespeichert sind. Method for operating a device according to one of Claims 1 to 19, characterized in that the algorithms for controlling the device are stored in an electronic control system. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Start bei kaltem Motor vorzugsweise mit Synthesegas erfolgtA method of operating a device according to any one of claims 1 to 19, characterized in that the start is preferably carried out with synthetic gas with a cold engine Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des Druckspeichers beim Abstellen des Motors einen Mindestwert nicht unterschreitet, um einen sicheren Motorstart zu ermöglichenMethod for operating a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the level of the accumulator when stopping the engine does not fall below a minimum value to allow a safe engine start Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des Druckspeichers einen Höchstwert nicht Überschreitet, so dass die thermische Energie nach Abstellen oder Lastreduktion des Motors noch in Synthesegas konvertiert und gespeichert werden kannA method of operating a device according to any one of claims 1 to 19, characterized in that the level of the pressure accumulator does not exceed a maximum value, so that the thermal energy after stopping or load reduction of the engine can still be converted into synthesis gas and stored Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Motor zugeführte Kraftstoff während des Motorbetriebs beliebige Mischungsverhältnisse von Gas- und Flüssigkraftstoff annehmen kann.Method for operating a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the fuel supplied to the engine during engine operation can assume any mixing ratios of gas and liquid fuel. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Warmlauf bis zum Erreichen der Katalysatorbetriebstemperatur vorzugsweise mit Synthesegas aus dem Druckspeicher gearbeitet wirdA method of operating a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that is preferably used for the warm-up until reaching the catalyst operating temperature with synthesis gas from the pressure accumulator Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebspunkt- und Temperaturabhängig ein Sollwert für den Druckspeicherfüllstand berechnet wirdMethod for operating a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that operating point and temperature dependent a setpoint for the pressure accumulator level is calculated Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis Alkohol zu Synthesegas zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine als Stellgröße verwendet wird, um den Druckspeicherfüllstand einzuregeln.Method for operating a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the mixing ratio of alcohol to synthesis gas for operating the internal combustion engine is used as a control variable to regulate the pressure accumulator level.
DE102009039551A 2009-09-01 2009-09-01 Alcohol-fueled combustion engine of an otto engine comprises a charging device, in which exhaust gas is led towards exhaust-gas catalyst over a heat exchanger, which is flowed through with the alcohol fuel as process medium Withdrawn DE102009039551A1 (en)

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