WO2014191074A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a Brerinkraftmaschine, in particular a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 1, and a method for operating an internal combustion engine according to claim 9.
- US Pat. No. 7,263,967 B2 discloses an internal combustion engine with at least one combustion chamber and with a fuel reservoir.
- a first fluid connection between the fuel reservoir and the combustion chamber is provided, wherein along the first fluid connection, an evaporator and downstream of the evaporator, a reformer is arranged.
- the combustion chamber can be supplied with a reformate produced by the reformer.
- the internal combustion engine is operated essentially with untreated fuel. In certain operating states, however, it is possible to additionally supply reformate to the combustion chamber in order to positively influence its operating behavior.
- the fundamental problem that a chosen for the Brerinkraft engine concept depends on the fuel used, or conversely that an internal combustion engine having a specific engine concept, essentially only one or a few selected
- Fuel types can be operated. For example, it is generally not possible to run spark-ignition internal combustion engines with gasoline while, conversely, in the US Pat
- the internal combustion engine should be independent of a currently available
- Branch between the evaporator and the reformer opens.
- the branch is in fluid communication with the combustion chamber.
- the internal combustion engine has a
- Valve means the at least one in the first fluid connection downstream of the
- Reformers and / or at least one arranged in the branch actuator comprises, so that one of the combustion chamber through the first fluid connection and / or the branch supplied fuel composition can be influenced by the valve device, preferably controllable.
- the combustion chamber is thus not only supplied to the reformate produced by the reformer, but also via the diversion of the vaporized in the evaporator and at the same time preferably at least partially cracked fuel, thus on the one hand on the first
- Fuel compositions By means of the valve device, it is possible to influence the fuel composition ultimately supplied to the combustion chamber, in particular to determine which portion thereof is supplied on the one hand from the first fluid connection and on the other hand via the branch.
- the chemistry of the fuel composition which is supplied to the combustion chamber can thus be influenced, preferably controlled.
- the internal combustion engine is independent of the offered, in the
- the methane slip is the methane slip
- the internal combustion engine is also independent of fluctuating fuel quality, because the fuel is treated via the evaporator on the one hand and the reformer on the other hand, so that the combustion chamber in particular can be supplied from the originally used fuel quality substantially independent fuel composition.
- the emissions are independent of the fuel used on the one hand and the engine concept used on the other hand, because the
- Fuel composition can always be adapted to the specific conditions present, whereby it is possible to keep the emissions substantially constant.
- the internal combustion engine comprises only one in the first fluid connection downstream of the reformer arranged actuator. This is It is preferably possible to vary the proportion of reformate in the fuel composition from at least 0% to a maximum value, which also depends on the specific design of the branch.
- the actuator is preferably close to the
- Combustion chamber arranged.
- valve means comprises only one actuator arranged in the branch.
- the valve means comprises only one actuator arranged in the branch.
- Fluid connection thus the mouth side, or combustion chamber side, thus in the vicinity of the combustion chamber, is arranged.
- the actuator is designed as an injector.
- An embodiment is also preferred in which the valve device comprises an actuator both in the first fluid connection and in the branch.
- the actuator which is arranged in the branch, is arranged on the outlet side or combustion chamber side.
- At least one actuator can be designed as an injector, wherein a separate injector is preferably provided for each type of fuel, ie the fuel type conveyed along the branch, and the fuel type conveyed along the first fluid connection.
- a separate injector is preferably provided for each type of fuel, ie the fuel type conveyed along the branch, and the fuel type conveyed along the first fluid connection.
- the branch and the first injector are preferably provided for each type of fuel, ie the fuel type conveyed along the branch, and the fuel type conveyed along the first fluid connection.
- Fuel composition is arranged. This may be a mixing element, by which the various types of fuel are miscible with each other. It is possible that the embodiment only a mixing member in the field of
- a preferred embodiment of the internal combustion engine comprises a control unit, which is operatively connected to the valve device for controlling the fuel composition, which is supplied to the combustion chamber.
- the fuel composition can be influenced by means of the control unit mediated via the valve device.
- the control unit has an input for detecting at least one operating parameter of
- Internal combustion engine It is preferably designed and set up such that it can vary the fuel composition by means of the valve device as a function of the at least one operating parameter.
- An internal combustion engine is also preferred which is characterized by a second fluid connection, wherein the second fluid connection extends between the fuel reservoir and the combustion chamber, and wherein a pyrolysis device is arranged along the second fluid connection.
- the fuel delivered from the fuel reservoir is pyrolyzed, wherein the combustion chamber along the second fluid connection, a pyrolysate of the fuel is supplied.
- pyrolysis preferably refers to a thermochemical cleavage of the fuel, wherein a bond breakage within large molecules is forced through a temperature of preferably at least 500 ° C.
- the operation of the pyrolysis device differs significantly from the operation of the reformer, in which the vaporized and preferably at least partially cracked fuel under the action of oxygen in particular to synthesis gas, ie a mixture of Hydrogen and carbon monoxide, is reacted.
- a third type of fuel namely pyrolyzed fuel
- pyrolysis device of the combustion chamber additionally or alternatively to the vaporized and at least partially cracked and to the reformed fuel.
- the total combustion chamber supplied fuel composition is even more flexibly selectable, and in particular even more flexible to concrete conditions present, such as at least one operating parameter of the Bremstoffmaschine, the
- the valve device has at least one actuator arranged in the second fluid connection, so that a fuel composition supplied to the combustion chamber by the first fluid connection, the branch and / or the second fluid connection can be influenced, preferably controlled, by means of the valve device. It is also one
- an actuator is provided. Furthermore, an embodiment is possible in which an actuator is provided only in the second fluid connection. An embodiment is also possible in which in each case one actuator is provided in two fuel lines, for example in the first fluid connection and in the branch, while in the third fuel line, here for example in the second fluid connection, no actuator is provided. Any permutations are possible. Finally, an embodiment is possible in which an actuator is provided in each of the fuel line. It is possible that at least one of the actuators is designed as an injector. In particular, it is possible that a separate injector is provided for each type of fuel.
- an injector for at least two types of fuel is provided in common, wherein at least two fuel lines open into a supply line to the injector, and wherein preferably a mixing member is provided in order to mix the two types of fuel.
- fuel type is used herein and hereinafter for the various mixtures of substances that can be supplied to the combustion chamber individually or in combination with one another, ie, the reformate conveyed along the first fluid connection is referred to as a fuel type, likewise the fuel vaporized and at least partially cracked by the evaporator
- the untreated fuel is referred to as a fuel type
- fuel line is generally used for the fluid paths along which fuel is supplied to the combustion chamber ,
- the first fluid connection is referred to as a fuel line.
- the branch is also referred to as fuel line.
- the second fluid connection is also referred to as fuel line.
- the pyrolysis device comprises in a preferred embodiment, an electric heater. Alternatively or additionally, it is possible that the pyrolysis is heated by exhaust gas of the internal combustion engine, wherein an exhaust branch is provided to the pyrolysis device, and wherein the pyrolysis device preferably a
- Heat energy comprised by the exhaust gas stream can be taken from the exhaust gas flow by means of the heat exchanger and fed to the pyrolysis device. It is possible that the pyrolysis device depends on an operating state of
- Internal combustion engine is heated by means of the electric heater and / or via the exhaust branch.
- An internal combustion engine is also preferred which, alternatively or in addition to the second fluid connection, establishes a third fluid connection between the fuel reservoir and the second fluid connection
- Combustion chamber has.
- the combustion chamber via the third fluid connection
- untreated fuel can be supplied from the fuel reservoir.
- Fluid communication is therefore preferably not provided the fuel treating device, optionally with the exception of a filter device to filter the fuel.
- the third fluid connection increases the flexibility of the internal combustion engine, in particular with regard to the supply of fuel and the quality of the fuel.
- the valve device preferably has at least one actuator in the third
- Fuel composition can be influenced by means of the valve device, preferably controllable.
- only one of the fuel lines has an actuator.
- exactly two fuel lines on an actuator, with any permutations are conceivable.
- Embodiment have exactly three fuel lines to an actuator, with any permutations are conceivable.
- all the fuel lines have actuators, in particular in one exemplary embodiment the first fluid connection, the branch, the second fluid connection and the third fluid connection, with maximum flexibility with respect to the variable fuel composition.
- at least one actuator is designed as an injector. It is possible that each type of fuel is assigned its own injector. Alternatively or additionally, it is possible that a common injector is assigned to all or selected fuel types, with correspondingly different fuel lines leading into a feed line of the injector in at least one opening region. In this case, preferably at least one mixing element is provided in the at least one opening region in order to be able to control the fuel composition flowing into the supply line.
- Injectors are provided, wherein in addition to the injectors at least one actuator, preferably a plurality of actuators are provided.
- an internal combustion engine which is characterized in that it has at least one injector.
- the injector is designed as a single-point injector for fuel injection in a common intake manifold. This is called a so-called single-point injection (Single Point Injection), in which case preferably a plurality of combustion chambers, a common intake manifold (manifold) is assigned, and wherein the injection takes place upstream of a branching into the individual combustion chambers in the common intake manifold.
- Single Point Injection Single Point Injection
- the injector as a multipoint injector for
- Multi Point Injection is formed in one of the combustion chamber associated intake. This is called a multi-point injection (Multi Point Injection), the
- Fuel or the fuel composition is injected downstream of the common intake manifold into one of the respective combustion chamber individually associated, leading to the combustion chamber intake manifold upstream of the combustion chamber.
- the injector can be used as a direct injector
- Direct injection of fuel or a fuel composition is formed in the combustion chamber. This is responsive to a so-called Direct Injection in which the fuel or fuel composition is injected directly into the combustion chamber through the injector.
- the injector it is also possible for the injector to be injected as a pre-chamber injector for injecting the fuel or the fuel composition into an antechamber which is provided for ignition assistance for combustion in a main combustion chamber.
- An internal combustion engine which has at least two different injectors of the type discussed here is also preferred. Particularly preferred is an embodiment in which a single-point injector, a multi-point injector and a direct injector are provided.
- a single-point injector, a multi-point injector and a direct injector are provided.
- the at least one injector is preferably operatively connected to the control unit of the internal combustion engine and is so far in particular dependent on at least one operating parameter of the internal combustion engine controllable. In this way, it is particularly preferably possible to control the fuel composition and at the same time the type and location of their injection depending on at least one operating parameter of the internal combustion engine.
- a separate injector is provided for each type of fuel, wherein it is additionally or alternatively possible that for at least one type of fuel different injectors are provided for injecting the fuel at different locations. It is also possible that an injector different types of fuel or a mixture of different types of fuel is / can be fed. It is particularly possible that at least one injector is designed as a two-fuel injector (Dual Fuel Injector), wherein by means of such an injector two different types of fuel, for example in the context of
- An internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the at least one injector has a feed line into which the first fluid connection, the branch, the second fluid connection and / or the third fluid connection opens / open. So it is possible that only one of the fuel lines opens into the supply line, so that the injector is permanently assigned. Alternatively, it is possible that at least two of the
- the valve device has at least one valve member arranged in the supply line, so that the injector has different types of fuel or
- Fuel compositions can be fed.
- at least one fuel line is preferably releasable or lockable, wherein preferably discrete or continuous intermediate stages between a complete release or a complete blocking are possible.
- the valve device it is possible for the valve device to comprise at least one mixing element arranged in the feed line, as a result of which different types of fuel or fuel compositions can be supplied to the injector.
- a mixing member it is preferably possible to different types of fuel from different
- a mixing ratio can be predetermined by means of the mixing member.
- the evaporator comprises a catalyst for the partial partial oxidation of the fuel.
- the function of the evaporator goes beyond a pure evaporation of the fuel.
- a preferred embodiment of the evaporator has in particular a preferably provided on an outer wall thereof fleece, which is impregnated with fuel. The outer wall and / or the fleece is / are heated, so that in particular volatile volatile fuel components evaporate.
- the catalyst in the evaporator is preferably provided by means of which the vaporized, readily volatile fuel components are catalytically reacted, in particular partially oxidized. In turn, this heat of reaction is released, by which the heavier-volatile fuel components are evaporated from the nonwoven.
- the fuel is preferably at least partially cracked by the released heat of reaction. In this case, the cracked portion of the fuel used initially can be from at least 0% to at most 100%.
- the fuel composition leaving the evaporator therefore, has particular
- reaction products are in particular oxidized and unoxidized hydrocarbons, for example formaldehyde, acetaldehyde or alcohols, and also carbon monoxide and hydrogen.
- untreated fuel fractions include especially heavy volatiles
- the fuel composition leaving the evaporator also includes untreated, unvaporized fuel components.
- the fuel composition leaving the evaporator may be supplied via the branch of the combustion chamber.
- the combustion chamber is a first type of fuel with a through the evaporator, its operating mode and the fuel used
- An internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the reformer is designed for catalytic partial oxidation.
- the fuel composition supplied by the evaporator is preferably essentially converted to synthesis gas, that is to say to a gas mixture of hydrogen and carbon monoxide.
- Suitable catalyst materials for the catalytic partial oxidation are, in particular, suitable catalyst coatings, preferably noble metal-containing or noble metal-free materials, preferably titanium and / or tin.
- the reformer is designed for thermal partial oxidation. Further, it is alternatively or additionally possible that the reformer is designed as an autothermal reformer. Also in the types of reformers referred to herein, the fuel composition supplied to the reformer is preferably substantially reacted to synthesis gas. The reformate, and thus the fuel composition formed by the reformer, leaves it along the first fluid connection in the direction of the combustion chamber.
- Combustion chamber along the first fluid connection fed to the second fuel type provided by the reformer, which essentially comprises synthesis gas, thus a gas mixture of hydrogen and carbon monoxide.
- hydrogen is particularly fuel-happy and has a high flame velocity, which increases the efficiency of the reaction in the combustion chamber.
- the combustion chamber is advantageously supplied to a hydrogen-rich fuel composition, in particular when the internal combustion engine is still cold.
- the high flame speed in the hydrogen-containing mixture has a favorable effect on the reaction rate of the combustion even with a cold internal combustion engine. It is possible that the proportion of hydrogen, which is supplied to the combustion chamber, is reduced at operating-warming internal combustion engine.
- an internal combustion engine is preferred, which is characterized in that it is designed as a self-igniting internal combustion engine.
- the internal combustion engine operates in this case, in particular preferably after the diesel combustion process, ie by
- the ignition time is controlled in particular by injecting a fuel composition into the combustion chamber, wherein the combustion chamber comprises precompressed charge air.
- an internal combustion engine which is designed as spark ignition internal combustion engine.
- the internal combustion engine operates in this case, in particular by the Otto combustion process, wherein a combustible mixture in the combustion chamber by a
- Ignition device in particular a spark plug, which generates a spark is ignited.
- the ignition is determined by the spark ignition, in particular by the triggering of the spark.
- the internal combustion engine can operate on the principle of an internal combustion engine igniting by ignition.
- a combustible mixture is placed in the combustion chamber and compressed.
- the ignition is determined by injection of a igniting in the compression heat fuel composition, thus a so-called ignition.
- an internal combustion engine which is designed as an HCCI internal combustion engine and / or as a PCCI internal combustion engine is preferred.
- An HCCI internal combustion engine operates according to the principle of compression ignition of a homogeneous charge (Homogeneous Charge
- HCCI engines preferably operate only in certain
- Load ranges actually in the HCCI combustion process while they work in other load ranges - partly depending on the fuel used - according to other combustion processes, for example according to the diesel process or the Otto principle.
- Internal combustion engine can alternatively or additionally be operated as a PCCI internal combustion engine, in which case a partially premixed charge
- Compression ignition and injection of an ignitable fuel composition is ignited (Premixed Charge Compression Ignition).
- This method allows a better control of the combustion, in particular the ignition timing, than the HCCI method, but in particular also has very good emission values.
- the internal combustion engine is operated with a variable ignition method.
- a load point of the internal combustion engine that is, for example, at partial load or at full load, different combustion methods and / or ignition mechanisms can be used. Mixed firing processes are also possible.
- the internal combustion engine is designed as operating after the Miller cycle internal combustion engine.
- the combustion chamber is the
- Charge is supplied under high pressure, wherein the intake valve is kept open over a predetermined range of the compression stroke.
- the internal combustion engine preferably has a turbocharger or a compressor.
- a turbocharger comprises a compressor which is driven by a turbine acted upon by the exhaust gas flow.
- a compressor has a compressor which passes through the
- the internal combustion engine is preferably operable independently of the available fuel, and thus preferably with each possible fuel. So you can prefer - ever to fuel supply - with diesel, gasoline, biodiesel, ethanol, methanol, a higher alcohol, ether, especially dimethyl ether, natural gas, biogas, special gas, lean gas or any other fuel can be operated. They are fuels with different
- Sulfur content can be used, especially fuels with high sulfur content, such as marine fuels such as heavy oil or marine residual fuel oil (Marine Residual Fuel Oil, MFO). This is possible because of the combustion chamber ultimately fed
- marine fuels such as heavy oil or marine residual fuel oil (Marine Residual Fuel Oil, MFO).
- MFO Marine Residual Fuel Oil
- Fuel reservoir existing fuel is controllable.
- the internal combustion engine preferably has only one fuel reservoir. However, it is possible that the engine has different fuel reservoirs for
- Fuels includes, which have different states under normal conditions. However, there is no need for an additional tank for another fuel, as is the case for example in known internal combustion engines, in which a reformer a separately stored fuel is supplied, which is different from a fuel used mainly.
- the internal combustion engine is free of an antechamber.
- the at least one combustion chamber of the internal combustion engine therefore preferably has no prechamber. It is readily possible to operate the internal combustion engine proposed here without prechamber.
- the internal combustion engine Due to the flexible choice of the fuel composition, it is possible in particular for the internal combustion engine to drive an HCCI and / or PCCI combustion process not only in part-load operation, but rather in the entire map range. Alternatively or additionally, high compression rates are possible.
- the internal combustion engine can, for example, for driving land, water or
- Aircraft are used.
- the internal combustion engine for driving mining vehicles such as dump trucks, heavy
- Agricultural machinery by trains, for example in a railcar or a locomotive, or used in ships.
- a drive of vehicles provided for defense, for example of tanks, by means of the internal combustion engine is possible.
- the internal combustion engine with a generator for generating be coupled electrical energy.
- a stationary use of the internal combustion engine for example for power supply, especially in continuous load operation, in peak load operation or in emergency power operation, is possible.
- the use of the internal combustion engine for operating ancillaries in stationary areas for example for driving
- the object is also achieved by providing a method with the steps of claim 9.
- a method for operating an internal combustion engine is a
- Fuel is vaporized in an evaporator and preferably at least partially cracked. It is possible that the cracked portion of the originally used fuel from at least 0% to at most 100%.
- the vaporized and preferably at least partially cracked fuel is at least partially reformed in a reformer. This means, on the one hand, that it is possible to vary the proportion of the fuel treated by the evaporator to the reformer, it being possible to supply to the reformer at least 0% to at most 100% of the fuel treated by the evaporator. On the other hand, this means that, if necessary, the supplied to the reformer, treated by the evaporator fuel is not completely reformed, but that it is possible that an unreformed part leaves the reformer quasi untreated.
- Internal combustion engine is supplied to a fuel composition, wherein the content of the fuel composition is varied to vaporized and preferably at least partially cracked fuel on the one hand, and on reformed fuel on the other hand, depending on at least one operating parameter of the internal combustion engine.
- the combustion chamber can be supplied with a fuel composition whose components can be taken from the evaporator on the one hand and the reformer on the other hand variably.
- the chemistry of the fuel composition supplied to the combustor is flexibly adjustable depending on the at least one operating parameter.
- a method is also preferred which is characterized in that the fuel is additionally pyrolyzed.
- a pyrolysis device for pyrolysis of the fuel is provided in addition to the evaporator and the reformer.
- the salary of Fuel composition supplied to the combustor on vaporized and preferably at least partially cracked fuel, reformed fuel, and / or pyrolyzed fuel is varied depending on the at least one operating parameter.
- a method is also preferred which is characterized in that, additionally or alternatively, a content of the fuel composition supplied to the combustion chamber to untreated fuel is varied depending on the at least one operating parameter.
- a content of the fuel composition supplied to the combustion chamber to untreated fuel is varied depending on the at least one operating parameter.
- another fuel type is provided, whereby the chemistry of
- Fuel composition is flexibly variable.
- Fuel composition of the combustion chamber supplied charge air is supplied. This is possible, for example, via one or more single-point injectors. In this case, in one embodiment of the method, the combustion chamber to be supplied
- Premixed fuel composition and injected via a single-point injector in a common intake manifold.
- a plurality of single-point injectors it is possible for a plurality of single-point injectors to be provided wherein different mixtures of fuel types or different types of fuel are injected through different single-point injectors into the common intake manifold.
- the fuel composition is injected through a multipoint injector or through a plurality of multipoint injectors into an intake manifold associated with the combustion chamber. Also here is one
- Fuel composition injected directly into the combustion chamber. It is possible that the fuel composition is injected directly into the combustion chamber through a direct injector or through a plurality of direct injectors, wherein the Fuel composition may be at least partially premixed, or wherein different types of fuel are eingspritzt by different direct injectors.
- a method is preferred in which the fuel composition is injected as a pilot injection into the combustion chamber.
- untreated fuel is preferably injected into the combustion chamber.
- Fuel composition is injected into the combustion chamber, wherein in a main injection, a second, different from the first fuel composition fuel composition is injected into the combustion chamber. Also several
- each injection event can be assigned a separate fuel composition that may be different from at least one of the other fuel compositions.
- synthesis gas from the reformer to the combustion chamber as direct injection during a pilot injection, the synthesis gas essentially comprising hydrogen and carbon monoxide.
- synthesis gas essentially comprising hydrogen and carbon monoxide.
- untreated fuel in particular diesel or gasoline supplied by direct injection.
- Fuel composition it is possible in particular, the ignitability of the
- Fuel composition in the combustion chamber in a suitable manner, in particular depending on the at least one operating parameter of the internal combustion engine to influence. This is particularly interesting for the use of the method for operating a HCCI internal combustion engine. Furthermore, in the context of the method is a so-called
- Fuel composition is suitably varied.
- the internal combustion engine can be operated both with exhaust gas recirculation and without exhaust gas recirculation.
- an exhaust gas recirculation activate or deactivate, wherein particularly preferably the activated Abgasröck Installation is controlled or regulated.
- Fuel supply is with which the internal combustion engine is operated.
- the internal combustion engine can be operated with better efficiency.
- the internal combustion engine is operated with a gas, in particular with natural gas, a special gas or lean gas, this is achieved by a suitable choice of the fuel composition
- Methane slip of the internal combustion engine significantly reduced. Furthermore, it is possible to optimize a cold start behavior of the internal combustion engine by the chemistry of
- Brommstoffzusarnmen effort which is supplied to the combustion chamber, is adjusted so that results in a cold start in particular a higher flame speed and improved implementation of the fuel composition in the combustion chamber. This can
- Combustion chamber is introduced.
- the fuel is selected from a group consisting of diesel, biodiesel, gasoline, ethanol, methanol, a higher alcohol, ethers, in particular dimethyl ether, natural gas, biogas, special gas, lean gas, and a High sulfur fuel, preferably a marine fuel, more preferably heavy oil or marine residual oil. It is possible to operate the internal combustion engine independently of the fuel used, or to select the fuel arbitrarily, in particular from the group mentioned here. This will be the
- a load point of the internal combustion engine is used.
- both a load or torque requirement and a rotational speed of the internal combustion engine preferably enter into the method. This makes it possible for the
- Fuel composition depending on a current load point of the internal combustion engine and preferably also depending on load point changes, in particular load jumps, suitable to vary.
- the fuel composition becomes dependent on a
- Burning speed varies, or vice versa
- Fuel composition regulated This corresponds to a reaction control by suitable adaptation of the fuel composition for controlling the combustion reaction taking place in the combustion chamber, in particular the combustion speed.
- the fuel composition becomes dependent on a
- Combustion chamber pressure varies, or conversely, the combustion chamber pressure in the combustion chamber is regulated by suitable adaptation of the fuel composition. In this way, it is possible, in particular, to influence an effective mean pressure and, at the same time, an efficiency of the internal combustion engine by varying the fuel composition.
- the fuel composition is varied as a function of a lambda value, or, conversely, the lambda value is regulated by suitable adaptation of the fuel composition.
- the lambda value is that
- Combustion air ratio which sets the actual air mass available for combustion in relation to the minimum necessary stoichiometric air mass for complete combustion. In this way, it is possible in particular always to set a suitable lambda value by varying the fuel composition, preferably as a function of the load point.
- the fuel composition is varied depending on a value characterizing a nitrogen oxide raw emission value, or conversely, the
- Nitrogen raw emission characteristic value by appropriate adaptation of the Fuel composition regulated. In this way, it is possible in particular to comply with legal limits by varying the fuel composition.
- the process temperature can be used as a control parameter with regard to the use of different fuels to ensure a fuel composition of constant duration.
- the method is preferably carried out by a control unit of the internal combustion engine.
- control unit which is adapted to
- Embodiments of the controller is performed when the computer program is executed on the controller.
- a fueling machine which comprises a control device which is set up to carry out an embodiment of the method.
- the figure shows an embodiment of an internal combustion engine 1, as
- Reciprocating engine is formed. It comprises a combustion chamber 3, which is enclosed by a cylinder 5, in which a piston 7 is received repetitively.
- the piston 7 is operatively connected via a connecting rod 9 with a crankshaft, not shown in the figure.
- the internal combustion engine 1 is designed as a four-stroke engine.
- the internal combustion engine 1 preferably has a plurality of combustion chambers 3
- the supply of the combustion chambers 3 with fuel is preferably identical for all combustion chambers 3 of the internal combustion engine 1, so it also for internal combustion engines 1, which have a plurality of combustion chambers 3, it suffices to describe them here below with reference to a selected combustion chamber 3.
- the internal combustion engine 1 comprises a fuel reservoir 11 for a fuel 12, which is preferably designed as a fuel tank.
- the internal combustion engine preferably comprises exactly one fuel reservoir 11 and in particular no additional tank for a supplementary fuel to be post-treated. Rather, a fuel composition to be supplied to the combustion chamber 3 is made entirely from the fuel 12, which is in the
- Fuel reservoir 11 is stored.
- the internal combustion engine 1 comprises different fuel reservoirs for fuels which differ with regard to their state of aggregation under normal conditions.
- the internal combustion engine 1 may have a first fuel reservoir 11 for liquid fuels and a second fuel reservoir, not shown, for fuels which are gaseous under normal conditions.
- the engine 1 may also include an additional fuel reservoir for cryogenic fuels. It is ultimately not important how many Brenristexterrium 11 includes the internal combustion engine 1. Rather, it is important that the internal combustion engine 1 at a given time preferably takes only one fuel 12 from a fuel reservoir 11 and treats a fuel 12 via various treatment steps in order ultimately to supply a flexibly variable fuel composition 22 to the combustion chamber 3.
- the internal combustion engine 1 includes different fuel reservoirs 11 for different fuels that should not be mixed, such as gasoline and diesel. In this case, however, only one of the fuels from the internal combustion engine 1 is actually used at a given point in time and converted into a flexibly variable fuel composition 22 via various treatment steps. As a result, the internal combustion engine 1 differs from known ones
- Internal combustion engine having an additional tank for a fuel to be treated, which is supplied for example to an evaporator and / or a reformer, and a main tank for a fuel to be supplied untreated to the combustion chamber.
- a first fluid connection 13 extends from the fuel reservoir 11 to the
- Combustion chamber 3 wherein along the first fluid connection 13, an evaporator 15 and downstream of the evaporator 15, a reformer 17 are arranged.
- a branch 19 opens into an opening region 21.
- the branch 19 is likewise in fluid communication with the combustion chamber 3.
- Branch 19 is between the evaporator 15 and the reformer 17, a fuel type removable, the fuel treated by the evaporator 15, in particular vaporized and at least partially cracked fuel comprises.
- the reformer 17 supplied by the evaporator 15 evaporated and at least partially cracked fuel is reformed in this, thus converted into a reformate, which preferably comprises substantially hydrogen and carbon monoxide.
- the internal combustion engine 1 also has a valve device 23, which in the
- a arranged in the mouth region 21, designed as a valve 25 actuator 20 comprises, by which on the one hand the reformer 17 supplied proportion and on the other hand, the derived in the branch 19 portion of the treated fuel from the evaporator 15 is adjustable.
- the proportions are preferably continuously variable from at least 0% to at most 100% in each case by means of the valve 25.
- a second fluid connection 33 is provided, which extends between the fuel reservoir 11 and the combustion chamber 3.
- a pyrolysis device 35 Arranged along the second fluid connection 33 is a pyrolysis device 35, by means of which the fuel 12 removed from the fuel reservoir 11 can be pyrolyzed.
- the pyrolysis device 35 can be heated.
- Embodiment of the internal combustion engine 1 comprises an electric heater 37, through which the pyrolysis device 35 can be heated.
- Exhaust after-treatment device 41 leading exhaust pipe 43 and the pyrolysis device 35 is arranged.
- the exhaust-fluid connection 39 thus opens into the exhaust pipe 43 and leads to the pyrolysis device 35, so that it is - in particular dependent on an operating point of the internal combustion engine 1 - also heated by the exhaust gas thereof.
- a heat exchanger is preferably provided in the pyrolysis device 35, wherein particularly preferably the exhaust gas, after flowing through the pyrolysis device 35, is supplied to the exhaust gas aftertreatment device 41 by an exhaust gas line not shown in the figure.
- the internal combustion engine 1 comprises only one in the figure only schematically
- third fluid connection 44 between the fuel reservoir 11 and the
- Combustion chamber 3 wherein the combustion chamber 3 via the third fluid connection 44 untreated fuel 12 from the fuel reservoir 11 can be fed.
- the combustion chamber 3 is supplied with charge air 46 via a charge air line 45.
- a compressor 47 is preferably arranged, so that the combustion chamber 3 compressed charge air 46 can be fed. It is possible that the compressor 47 is driven by a turbine which is arranged in the exhaust gas flow of the internal combustion engine 1. In this case, the compressor 47 is part of a turbocharger. It is also possible that the
- Compressor 47 is driven by the crankshaft of the internal combustion engine 1.
- the compressor 47 is part of a compressor.
- a first air branch 49 branches off to the evaporator 15.
- Charge air 46 can be fed to the evaporator 15 via the first air branch 49, wherein the oxygen encompassed by the charge air 46 is used in the evaporator 15 for the partial partial oxidation of the vaporized fuel by means of a catalyst 50 comprised by the evaporator 15.
- Reformer 17 leads. Charge air can be supplied to the reformer 17 along the second air branch 51, the oxygen included in the charge air being used in the reformer 17 to reform the fuel treated by the evaporator 15.
- the reformer 17 preferably works on the principle of catalytic partial oxidation.
- the reformer 17 is designed as an autothermal reformer. Further alternatively, it is possible that the reformer 17 operates on the principle of thermal catalytic reforming.
- the fuel treated by the evaporator 15 is converted by means of the oxygen included in the charge air 46 into a preferably hydrogen-rich reformate, which preferably consists essentially of hydrogen and carbon monoxide.
- the illustrated embodiment of the internal combustion engine has a first injector 53, which is designed as a single-point injector, wherein by means of the first injector 53 a
- Fuel composition 22 can be injected into a combustion chamber 3 of the internal combustion engine 1 commonly associated intake manifold 54. In the illustrated
- the first injector 53 is associated with a first supply line 55, in which the first fluid connection 13, the junction 19 and the second fluid connection 33 open.
- the mixing member 27 is provided here in the mouth region of the branch 19 and the first fluid connection 13 in the supply line 55.
- Another mixing element 57 is provided in the region of the mouth of the second fluid connection 33 in the feed line 55.
- the illustrated embodiment of the internal combustion engine also includes a second injector 59, which serves as a multipoint injector for injecting fuel into one of
- Combustion chamber 3 associated intake manifold 61 is formed.
- the second injector 59 has a second supply line 63, into which - as with the first supply line 55 - the first
- Mouth region of the first fluid connection 13 and the branch 19 and a further mixing member 65 in the region of the mouth of the second fluid connection 33 in the supply line 63 is provided.
- the fuel composition that can be supplied to the second injector 59 can be influenced, preferably controlled, by means of the mixing elements 29, 65.
- a third fluid connection 44 it preferably also flows into the first supply line 55 and / or the second supply line 63 in an analogous manner.
- a mixing element is also preferably provided in the supply lines 55, 63.
- the illustrated embodiment of the internal combustion engine 1 also has a third injector 67 which serves as a direct injector for the direct injection of fuel into the
- Combustion chamber 3 is formed and arranged.
- This third injector 67 has a third supply line 69. In the third supply line 69 open the first fluid connection 13, the
- a third fluid connection 44 is provided, this preferably also flows into the third supply line 69.
- the mixing element 31 is arranged in the mouth region of the first fluid connection 13 and the branch 19.
- a further mixing element 71 is arranged in the mouth region of the second fluid connection 33.
- a mixing member is preferably also arranged in the mouth region in the third supply line 69.
- a third injector 67 supplied
- the internal combustion engine 1 has a control unit 73, which with the valve device 23 - as indicated by a jagged arrow P - operatively connected, so that by the control device 73, the valve means 23 and thus in particular the actuators 20, namely the valve 25 and the mixing elements 27, 57th , 29, 65, 31, 71 are controllable.
- the control unit 73 preferably also the injectors 53, 59, 67 are operatively connected to the control unit 73.
- the control device 73 preferably has an input for an operating parameter, of which the fuel composition 22 is controlled or varied depending on.
- a load point, a combustion speed, a combustion chamber pressure, a lambda value, a value characterizing a nitrogen oxide raw emission and / or a process temperature can be detected by the control device 73 as operating parameters. It is also possible that by the control unit 73 additionally or alternatively a speed of the
- Internal combustion engine 1 can be detected. Particularly preferred is also a temperature of
- Internal combustion engine 1 detectable, so that the control unit 73, especially in a cold start of the internal combustion engine 1 recognize this and the fuel composition 22 can adjust accordingly, wherein the combustion chamber 3 in particular increasingly combustible materials are supplied.
- the combustion chamber 3 in particular increasingly combustible materials are supplied.
- the control unit 73 especially in a cold start of the internal combustion engine 1 recognize this and the fuel composition 22 can adjust accordingly, wherein the combustion chamber 3 in particular increasingly combustible materials are supplied.
- the combustion chamber 3 in particular increasingly combustible materials are supplied.
- the control unit 73 especially in a cold start of the internal combustion engine 1 recognize this and the fuel composition 22 can adjust accordingly, wherein the combustion chamber 3 in particular increasingly combustible materials are supplied.
- the internal combustion engine 1 also includes an exhaust gas recirculation path 75, wherein the charge air 46 exhaust gas from the combustion chamber 3 can be fed.
- the exhaust gas recirculation path 75 is designed in such a way that an exhaust gas recirculation branch 77 branches off from the exhaust gas fluid connection 39, through which exhaust gas can be supplied to either the common intake pipe 54 or the intake manifold 61. Any other suitable implementation of an exhaust gas recirculation path 75 is possible.
- first fluid connection 13 is preferably a
- Reformat horrinus 79 branches off, which opens into the exhaust pipe 43. It includes the
- Valve device 23 preferably designed as a second valve 81 actuator 20, through which the exhaust gas in the exhaust pipe 43 via the reformate line 79 supplied reformate can be metered.
- the exhaust pipe 43 is preferably supplied via the reformate line 79 reformate to - in particular dependent on a
- the fuel reservoir 11 can be filled with any fuel 12, in particular with diesel, biodiesel, gasoline, ethanol, methanol, a higher alcohol, ether, in particular
- the internal combustion engine 1 is independent of
- Cold start behavior for the internal combustion engine 1. it is possible to influence the ignitability and perform a so-called reaction control.
- the cold start behavior of the internal combustion engine 1 can be improved.
- An HCCI / PCCI combustion process can be supported throughout the map range and not just at partial load. High compression rates are possible. If the internal combustion engine 1 is operated with a methane-containing fuel 12, in particular a gas, the methane slip is compared to a conventional one
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit mindestens einer Brennkammer (3), einem Brennstoffreservoir (11) für einen Brennstoff (12), und mit einer ersten Fluidverbindung (13) zwischen dem Brennstoffreservoir (11) und der Brennkammer (3), wobei entlang der ersten Fluidverbindung (13) ein Verdampfer (15) und stromabwärts des Verdampfers (15) ein Reformer (17) angeordnet ist, sodass der Brennkammer (3) ein von dem Reformer (17) erzeugtes Reformat zufiihrbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass in die erste Fluidverbindung (13) eine Abzweigung (19) zwischen dem Verdampfer (15) und dem Reformer (17) mündet, wobei die Abzweigung (19) mit der Brennkammer (3) in Fluidverbindung ist, und dass die Brennkraftmaschine (1) eine Ventileinrichtung (23) aufweist, die mindestens ein in der ersten Fluidverbindung (13) stromabwärts des Reformers (17) und/oder in der Abzweigung (19) angeordnetes Stellglied (20) umfasst, sodass eine der Brennkammer (3) durch die erste Fluidverbindung (13) und/oder die Abzweigung (19) zugeführte Brennstoffzusammensetzung (22) mittels der Ventileinrichtung (23) beeinflussbar ist.
Description
BESCHREIBUNG Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brerinkraftmaschine, insbesondere eine Hubkolben- Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
Aus der US-amerikanischen Patentschrift US 7,263,967 B2 geht eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Brennkammer und mit einem Brennstoffreservoir hervor. Dabei ist eine erste Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffreservoir und der Brennkammer vorgesehen, wobei entlang der ersten Fluidverbindung ein Verdampfer und stromabwärts des Verdampfers ein Reformer angeordnet ist. Der Brennkammer ist ein von dem Reformer erzeugtes Reformat zuführbar. Die Brennkraftmaschine wird dabei im Wesentlichen mit unbehandeltem Brennstoff betrieben. In bestimmten Betriebszuständen ist es allerdings möglich, der Brennkammer zusätzlich Reformat zuzuführen, um ihr Betriebsverhalten positiv zu beeinflussen. Dabei besteht jedoch - wie auch bei anderen bekannten Brennkraftmaschinen - das grundsätzliche Problem, dass ein für die Brerinkraftmaschine gewähltes Motorkonzept abhängig von dem verwendeten Brennstoff ist, beziehungsweise dass umgekehrt eine Brennkraftmaschine, die ein bestimmtes Motorkonzept aufweist, im Wesentlichen nur mit einer oder mit wenigen ausgewählten
Brennstoffarten betrieben werden kann. So ist es beispielsweise im Allgemeinen nicht möglich, selbstzündende Brennkraftmaschinen mit Benzin zu betreiben, während es umgekehrt im
Allgemeinen nicht möglich ist, fremdzündende Brennkraftmaschine mit Diesel zu betreiben. Ein weiteres, grundsätzliches Problem ist, dass die Qualität des angebotenen Brennstoffs weltweit stark schwankt. Dabei benötigen moderne Brennkraftmaschinen häufig eine gewisse
Mindestqualität an Brennstoff, die bei einem weltweiten Einsatz nicht überall gewährleistet werden kann. Eine entsprechend verkürzte Lebensdauer oder Schäden an der
Brennkraftmaschine sind die Folge. Als weiteres Problem tritt hinzu, dass Emissionen der
Brennkraftmaschine sowohl von dem verwendeten Brennstoff als auch von dem eingesetzten Motorkonzept abhängig sind. Speziell bei Gasmotoren besteht das Problem eines sogenannten Methanschlupfes, wobei unverbranntes Methan mit dem Abgas in die Atmosphäre gelangt. Dabei handelt es sich bei Methan um ein im Vergleich zu Kohlendioxid sehr viel
klimarelevanteres Gas. Bei der aus der US 7,263,967 B2 bekannten Brennkraftmaschine besteht noch der Nachteil, dass die Zusammensetzung des Reformats kaum oder zumindest nicht ohne Weiteres variierbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten.
Insbesondere soll die Brennkraftmaschine unabhängig von einem gerade vorliegenden
Brennstoffangebot mit quasi beliebigen Brennstoffen betreibbar sein. Weiterhin soll die
Brennkraftmaschine insbesondere unabhängig von der Qualität des eingesetzten Brennstoffs arbeiten, ohne deswegen Schäden zu erleiden oder eine verkürzte Lebensdauer aufzuweisen. Auch die Emissionen der Brennkraftmaschine sollen bevorzugt unabhängig von dem
verwendeten Brennstoff sein. Schließlich soll insbesondere auch ein Methanschlupf der
Brennkraftmaschine, wenn diese mit Gas betrieben wird, vermindert oder sogar weitestgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass in die erste Fluidverbindung eine
Abzweigung zwischen dem Verdampfer und dem Reformer mündet. Die Abzweigung ist mit der Brennkammer in Fluidverbindung. Außerdem weist die Brennkraftmaschine eine
Ventileinrichtung auf, die mindestens ein in der ersten Fluidverbindung stromabwärts des
Reformers und/oder mindestens ein in der Abzweigung angeordnetes Stellglied umfasst, sodass eine der Brennkammer durch die erste Fluidverbindung und/oder die Abzweigung zugeführte Brennstoffzusammensetzung mittels der Ventileinrichtung beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar ist. Der Brennkammer ist somit nicht nur das von dem Reformer erzeugte Reformat, sondern über die Abzweigung auch der im Verdampfer verdampfte und zugleich vorzugsweise auch zumindest zum Teil gecrackte Brennstoff zuführbar, mithin also einerseits über die erste
Fluidverbindung und andererseits über die Abzweigung verschiedene
Brennstoffzusammensetzungen. Mittels der Ventileinrichtung ist es möglich, die letztlich der Brennkammer zugeführte Brennstoffzusammensetzung zu beeinflussen, insbesondere zu bestimmen, welcher Anteil derselben einerseits aus der ersten Fluidverbindung und andererseits über die Abzweigung zugeführt wird. Die Chemie der Brennstoffzusammensetzung, welche der Brennkammer zugeführt wird, kann somit beeinflusst, vorzugsweise gesteuert werden.
Hierdurch ist die Brennkraftmaschine unabhängig von dem angebotenen, in dem
Bremstoffreservoir bevorrateten Brennstoff, weil über den Verdampfer einerseits und den Reformer andererseits quasi aus beliebigen Brennstoffen eine für die Verbrennung in der Brennkammer günstige Brennstoffzusammensetzung bereitet werden kann.
Wird als Brennstoff ein methanhaltiges Gas verwendet, ist der Methanschlupf der
Brennkraftmaschine reduziert oder sogar nicht vorhanden, weil nur eine geringe Menge an Methan oder sogar gar kein Methan mehr in die Brennkammer gelangt. Der Brennstoff wird nämlich zumindest teilweise, gegebenenfalls vollständig, über den Verdampfer einerseits und den Reformer andererseits aufbereitet, wodurch zum einen der Methananteil im Brennstoff reduziert wird. Zum anderen entstehen bei der Aufbereitung Stoffe, die brennfreudiger sind als Methan, beispielsweise bei der Reformation Wasserstoff und Kohlenmonoxid, sodass eine Reaktionsgeschwindigkeit und insbesondere eine Flammgeschwindigkeit in der Brennkammer erhöht wird. Von dem noch in der Brennkammer verbleibenden Methananteil wird dann ein größerer Anteil umgesetzt, als dies bei einer reinen Verbrennung von Methan der Fall wäre. Die beiden Effekte wirken somit zusammen, um den Methanschlupf zu reduzieren.
Die Brennkraftmaschine ist auch unabhängig von schwankender Brennstoffqualität, weil der Brennstoff über den Verdampfer einerseits und den Reformer andererseits aufbereitet wird, sodass der Brennkammer insbesondere eine von der ursprünglich eingesetzten Brennstoffqualität im Wesentlichen unabhängige Brennstoffzusammensetzung zugeführt werden kann.
Somit sind schließlich auch die Emissionen unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff einerseits und von dem eingesetzten Motorkonzept andererseits, weil die
Brennstoffzusammensetzung stets auf die konkret vorliegenden Bedingungen abgestimmt werden kann, wobei es möglich ist, die Emissionen im Wesentlichen konstant zu halten.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf Brennkraftmaschinen beschränkt ist, welche die hier beschriebenen Nachteile beseitigen oder Probleme lösen. Diese dienen vielmehr der
Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen sowie der Illustration von Vorteilen von
Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine lediglich ein in der ersten Fluidverbindung stromabwärts des Reformers angeordnetes Stellglied umfasst. Damit ist
es vorzugsweise möglich, den Anteil von Reformat an der Brennstoffzusammensetzung von mindestens 0 % bis zu einem höchsten Wert, der auch von der konkreten Ausgestaltung der Abzweigung abhängt, zu variieren. Das Stellglied ist vorzugsweise in der Nähe der
Brennkammer angeordnet.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Ventileinrichtung lediglich ein in der Abzweigung angeordnetes Stellglied umfasst. Damit ist es möglich, den Anteil des verdampften und zumindest teilweise gecrackten Brennstoffs, der noch nicht reformiert ist, von mindestens 0 % bis zu einem höchsten Anteil zu variieren, wobei der höchste Anteil
insbesondere auch von der konkreten Ausgestaltung der ersten Fluidverbindung abhängt. Es ist möglich, dass das Stellglied im Bereich der Mündung der Abzweigung in die erste
Fluidverbindung, mithin mündungsseitig, oder brennkammerseitig, mithin in der Nähe der Brennkammer, angeordnet ist. Es ist möglich, dass das Stellglied als Injektor ausgebildet ist. Es wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die Ventileinrichtung sowohl in der ersten Fluidverbindung als auch in der Abzweigung jeweils ein Stellglied umfasst. Somit ist es möglich, sowohl den Anteil an Reformat, den die Brennstoffzusammensetzung aufweist, von mindestens 0 % bis höchstens 100 % zu variieren, als auch den Anteil an verdampftem und zumindest teilweise gecracktem Brennstoff, welcher den Reformer nicht passiert hat, von mindestens 0 % bis höchstens 100 % zu variieren. Die entsprechende Ausgestaltung ist demnach besonders flexibel. Auch hierbei ist es möglich, dass das Stellglied, welches in der Abzweigung angeordnet ist, mündungsseitig oder brennkammerseitig angeordnet ist.
Es ist möglich, dass mindestens ein Stellglied als Injektor ausgebildet ist, wobei bevorzugt für jede Brennstoffart, also die entlang der Abzweigung geförderte Brennstoffart einerseits, und die entlang der ersten Fluidverbindung geförderte Brennstoffart andererseits, ein separater Injektor vorgesehen ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Abzweigung und die erste
Fluidverbindung stromaufwärts der Brennkammer zusammengeführt werden, wobei
vorzugsweise im Bereich der Zusammenführung ein Stellglied zur Variation der
Brennstoffzusammensetzung angeordnet ist. Hierbei kann es sich um ein Mischglied handeln, durch welches die verschiedenen Brennstoffarten miteinander mischbar sind. Dabei ist es möglich, dass das Ausführungsbeispiel lediglich ein Mischglied im Bereich der
Zusammenführung aufweist, wobei das Mischglied somit quasi zugleich in der ersten
Fluidverbindung als auch in der Abzweigung angeordnet ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine umfasst ein Steuergerät, welches mit der Ventileinrichtung zur Steuerung der Brennstoffzusammensetzung, die der Brennkammer zugeführt wird, wirkverbunden ist. Somit kann die Brennstoffzusammensetzung mithilfe des Steuergeräts vermittelt über die Ventileinrichtung beeinflusst werden. Vorzugsweise weist das Steuergerät einen Eingang zur Erfassung mindestens eines Betriebsparameters der
Brennkraftmaschine auf. Es ist bevorzugt derart ausgebildet und eingerichtet, dass es die Brennstoffzusammensetzung mittels der Ventileinrichtung abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter variieren kann.
Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich durch eine zweite Fluidverbindung auszeichnet, wobei sich die zweite Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffreservoir und der Brennkammer erstreckt, und wobei entlang der zweiten Fluidverbindung eine Pyrolyse- Einrichtung angeordnet ist. In der Pyrolyse-Einrichtung wird der aus dem Brennstoffreservoir geförderte Brennstoff pyrolysiert, wobei der Brennkammer entlang der zweiten Fluidverbindung ein Pyrolysat des Brennstoffs zuführbar ist. Dabei spricht der Begriff„Pyrolyse" bevorzugt eine thermochemische Spaltung des Brennstoffs an, wobei durch eine Temperatur von vorzugsweise mindestens 500 °C bis höchstens 900 °C ein Bindungsbruch innerhalb großer Moleküle erzwungen wird, wodurch kleinere Moleküle gebildet werden. Die Pyrolyse wird bevorzugt ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme und ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff durchgeführt. Hierdurch unterscheidet sich die Funktionsweise der Pyrolyse-Einrichtung wesentlich von der Funktionsweise des Reformers, bei dem der verdampfte und vorzugsweise zumindest zum Teil gecrackte Brennstoff unter Einwirkung von Sauerstoff insbesondere zu Synthesegas, also einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, umgesetzt wird.
Entlang der zweiten Fluidverbindung ist mittels der Pyrolyse-Einrichtung der Brennkammer demnach eine dritte Brennstoffart, nämlich pyrolysierter Brennstoff, zusätzlich oder alternativ zu dem verdampften und zumindest teilweise gecracktem sowie dem reformierten Brennstoff zuführbar. Damit ist die der Brennkammer insgesamt zugeführte Brennstoffzusammensetzung noch flexibler wählbar, und insbesondere noch flexibler auf konkret vorliegende Bedingungen, wie beispielsweise mindestens einen Betriebsparameter der Brermstoffmaschine, den
angebotenen Brennstoff, die Brennstoffqualität und/oder andere Bedingungen anpassbar.
Vorzugsweise weist die Ventileinrichtung mindestens ein in der zweiten Fluidverbindung angeordnetes Stellglied auf, sodass eine der Brennkammer durch die erste Fluidverbindung, die Abzweigung und/oder die zweite Fluidverbindung zugeführte Brennstoffzusammensetzung mittels der Ventileinrichtung beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar ist. Es ist auch ein
Ausführungsbeispiel möglich, bei dem lediglich in der ersten Fluidverbindung ein Stellglied vorgesehen ist. Ebenso ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem lediglich in der
Abzweigung ein Stellglied vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem lediglich in der zweiten Fluidverbindung ein Stellglied vorgesehen ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem in zwei Brennstoffleitungen, beispielsweise in der ersten Fluidverbindung und in der Abzweigung, jeweils ein Stellglied vorgesehen ist, während in der dritten Brennstoffleitung, hier beispielsweise in der zweiten Fluidverbindung, kein Stellglied vorgesehen ist. Beliebige Permutationen sind möglich. Schließlich ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welcher in jeder der Brennstoffleitung ein Stellglied vorgesehen ist. Es ist möglich, dass mindestens eines der Stellglieder als Injektor ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass für jede Brennstoffart ein eigener Injektor vorgesehen ist. Alternativ ist es möglich, dass ein Injektor für mindestens zwei Brennstoffarten gemeinsam vorgesehen ist, wobei mindestens zwei Brennstoffleitungen in eine Zuleitung zu dem Injektor münden, und wobei vorzugsweise ein Mischglied vorgesehen ist, um die beiden Brennstoffarten mischen zu können. Der Begriff„Brennstoffart" wird hier und im Folgenden für die verschiedenen, einzeln oder in Kombination miteinander der Brennkammer zuführbaren Stoffgemische verwendet. Somit wird das entlang der ersten Fluidverbindung geförderte Reformat als Brennstoffart bezeichnet. Ebenso wird der durch den Verdampfer verdampfte und zumindest teilweise gecrackte Brennstoff als Brennstoffart bezeichnet. Weiterhin wird der mittels der Pyrolyse-Einrichtung pyrolysierte Brennstoff als Brennstoffart bezeichnet. Schließlich wird der unbehandelte Brennstoff als Brennstoffart bezeichnet. Weiterhin wird der Begriff„Brennstoffleitung" allgemein für die Fluidpfade verwendet, entlang derer der Brennkammer Brennstoff beziehungsweise eine Brennstoffart zugeführt wird. So wird die erste Fluidverbindung als Brennstoffleitung bezeichnet. Auch die Abzweigung wird als Brennstoffleitung bezeichnet. Auch die zweite Fluidverbindung wird als Brennstoffleitung bezeichnet. Schließlich wird auch die dritte
Fluidverbindung als Brennstoffleitung bezeichnet. Demnach werden die verschiedenen, der Brennkammer zufuhrbaren Stoffgemische durch den Begriff„Brennstoffart" verallgemeinert bezeichnet, während die verschiedenen Fluidpfade durch den Begriff„Brennstoffleitung" verallgemeinert bezeichnet werden.
Die Pyrolyse-Einrichtung umfasst bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine elektrische Heizeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Pyrolyseeinrichtung durch Abgas der Brennkraftmaschine geheizt wird, wobei eine Abgas- Abzweigung zu der Pyrolyse- Einrichtung vorgesehen ist, und wobei die Pyrolyse-Einrichtung vorzugsweise einen
Wärmetauscher aufweist, der mit der Abgas- Abzweigung in Fluidverbindung steht und so von dem heißen Abgas durchströmbar ist. Von dem Abgasstrom umfasste Wärmeenergie ist mittels des Wärmetauschers dem Abgasstrom entnehmbar und der Pyrolyse-Einrichtung zuführbar. Es ist möglich, dass die Pyrolyse-Einrichtung abhängig von einem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine mithilfe der elektrischen Heizeinrichtung und/oder über die Abgas- Abzweigung geheizt wird.
Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die alternativ oder zusätzlich zu der zweiten Fluidverbindung eine dritte Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffreservoir und der
Brennkammer aufweist. Dabei ist der Brennkammer über die dritte Fluidverbindung
unbehandelter Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir zuführbar. Entlang der dritten
Fluidverbindung ist also vorzugsweise keine den Brennstoff behandelnde Einrichtung vorgesehen, gegebenenfalls mit Ausnahme einer Filtereinrichtung, um den Brennstoff zu filtern. Die dritte Fluidverbindung erhöht die Flexibilität der Brennkraftmaschine insbesondere in Hinblick auf das Brennstoffangebot und die Brennstoffqualität.
Die Ventileinrichtung weist vorzugsweise mindestens ein Stellglied in der dritten
Fluidverbindung auf. Eine der Brennkammer durch die erste Fluidverbindung, die Abzweigung, die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung zugeführte
Brennstoffzusammensetzung ist mittels der Ventileinrichtung beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist lediglich eine der Brennstoffleitungen ein Stellglied auf. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weisen genau zwei Brennstoffleitungen ein Stellglied auf, wobei beliebige Permutationen denkbar sind. Bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel weisen genau drei Brennstoffleitungen ein Stellglied auf, wobei beliebige Permutationen denkbar sind. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen schließlich alle Brennstoffleitungen Stellglieder auf, insbesondere bei einem Ausfuhrungsbeispiel die erste Fluidverbindung, die Abzweigung, die zweite Fluidverbindung und die dritte Fluidverbindung,
wobei eine maximale Flexibilität in Hinblick auf die variierbare Brennstoffzusammensetzung gegeben ist. Es ist möglich, dass mindestens ein Stellglied als Injektor ausgebildet ist. Dabei ist es möglich, dass jeder Brennstoffart ein eigener Injektor zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass allen oder aber ausgewählten Brennstoffarten ein gemeinsamer Injektor zugeordnet ist, wobei entsprechend verschiedene Brennstoffleitungen in eine Zuleitung des Injektors in mindestens einem Mündungsbereich münden. Dabei ist vorzugsweise mindestens ein Mischglied in dem mindestens einen Mündungsbereich vorgesehen, um die Brennstoffzusammensetzung, die in die Zuleitung einströmt, steuern zu können. Selbstverständlich ist es möglich, dass mindestens ein Injektor oder auch verschiedene
Injektoren vorgesehen sind, wobei zusätzlich zu den Injektoren mindestens ein Stellglied, vorzugsweise eine Mehrzahl von Stellgliedern vorgesehen sind.
Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie mindestens einen Injektor aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der Injektor als Einpunkt-Injektor zur Brennstoff-Einspritzung in ein gemeinsames Saugrohr ausgebildet ist. Dies spricht eine sogenannte Einpunkt-Einspritzung (Single Point Injection) an, wobei hier vorzugsweise mehreren Brennkammern ein gemeinsames Saugrohr (manifold) zugeordnet ist, und wobei die Einspritzung stromaufwärts einer Verzweigung in die einzelnen Brennkammern in das gemeinsame Saugrohr erfolgt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Injektor als Mehrpunkt- Injektor zur
Einspritzung in einen der Brennkammer zugeordneten Ansaugstutzen ausgebildet ist. Dies spricht eine sogenannte Mehrpunkt-Einspritzung (Multi Point Injection) an, wobei der
Brennstoff oder die Brennstoffzusammensetzung stromabwärts des gemeinsamen Saugrohrs in einen der jeweiligen Brennkammer einzeln zugeordneten, zu der Brennkammer führenden Ansaugstutzen stromaufwärts der Brennkammer eingespritzt wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Injektor als Direkt-Injektor zur
Direkteinspritzung von Brennstoff beziehungsweise einer Brennstoffzusammensetzung in die Brennkammer ausgebildet ist. Dies spricht eine sogenannte Direkteinspritzung (Direct Injecton) an, bei welcher der Brennstoff oder die Brennstoffzusammensetzung unmittelbar durch den Injektor in die Brennkammer eingespritzt wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Injektor als Vorkammer-Injektor zum Einspritzen des Brennstoffs oder der Brennstoffzusammensetzung in eine Vorkammer, die zur Zündunterstützung für die Verbrennung in einer Hauptbrennkammer vorgesehen ist, eingespritzt wird. Allerdings ist es bei der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschine ohne Weiteres möglich, auf eine Vorkammer zu verzichten.
Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die mindestens zwei verschiedene Injektoren der hier angesprochenen Art aufweist. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Einpunkt-Injektor, ein Mehrpunkt-Injektor und ein Direkt-Injektor vorgesehen sind. Somit ist es nicht nur möglich, die der Brennkammer zugeführte Brennstoffzusammensetzung zu variieren, sondern es ist auch möglich, den Ort der Einspritzung zu variieren, beziehungsweise bevorzugt verschiedene Brennstoffzusammensetzungen an verschiedenen Orten einzuspritzen. Dies bedeutet eine maximale Flexibilität in Hinblick auf den Betrieb der Brennkraftmaschine.
Der mindestens eine Injektor ist vorzugsweise mit dem Steuergerät der Brennkraftmaschine wirkverbunden und ist insoweit insbesondere abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ansteuerbar. Auf diese Weise ist es besonders bevorzugt möglich, die Brennstoffzusammensetzung sowie zugleich die Art und den Ort ihrer Einspritzung abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zu steuern.
Es ist möglich, dass für jede Brennstoffart ein eigener Injektor vorgesehen ist, wobei es zusätzlich oder alternativ möglich ist, dass für mindestens eine Brennstoffart verschiedene Injektoren zur Einspritzung der Brennstoffart an verschiedenen Orten vorgesehen sind. Auch ist es möglich, dass einem Injektor verschiedene Brennstoffarten oder ein Gemisch verschiedener Brennstoffarten zuführbar ist/sind. Dabei ist es insbesondere möglich, dass mindestens ein Injektor als Zwei-Brennstoff-Injektor (Dual Fuel Injector) ausgebildet ist, wobei mittels eines solchen Injektors zwei verschiedene Brennstoffarten beispielsweise im Rahmen einer
Voreinspritzung einerseits und einer Haupteinspritzung andererseits oder auch alternierend beispielsweise im Rahmen einer Voreinspritzung oder im Rahmen einer Haupteinspritzung einspritzbar sind.
Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der mindestens eine Injektor eine Zuleitung aufweist, in welche die erste Fluidverbindung, die Abzweigung, die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung mündet/münden. Es ist also
möglich, dass nur eine der Brennstoffleitungen in die Zuleitung mündet, sodass der Injektor dieser fest zugeordnet ist. Alternativ ist es möglich, dass mindestens zwei der
Brennstoffleitungen in die Zuleitung münden. Auch ist es möglich, dass drei Fluidverbindungen in die Zuleitung münden, wobei beliebige Permutationen möglich sind. Schließlich ist es möglich, dass alle vier Brennstoffleitungen in die Zuleitung münden.
Vorzugsweise weist die Ventileinrichtung mindestens ein in der Zuleitung angeordnetes Ventilglied auf, sodass dem Injektor verschiedene Brennstoffarten oder
Brennstoffzusammensetzungen zuführbar sind. Mittels des Ventilglieds ist vorzugsweise mindestens eine Brennstoffleitung freigebbar oder sperrbar, wobei vorzugsweise diskrete oder kontinuierliche Zwischenstufen zwischen einer vollständigen Freigabe oder einer vollständigen Sperrung möglich sind. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Ventileinrichtung mindestens ein in der Zuleitung angeordnetes Mischglied umfasst, wodurch dem Injektor verschiedene Brennstoffarten oder Brennstoffzusammensetzungen zuführbar sind. Mithilfe eines Mischglieds ist es vorzugsweise möglich, verschiedene Brennstoffarten aus verschiedenen
Brennstoffleitungen miteinander zu mischen. Dabei ist vorzugsweise ein Mischungsverhältnis mittels des Mischglieds vorgebbar.
Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Verdampfer einen Katalysator zur teilweisen partiellen Oxidation des Brennstoffs aufweist. Die Funktion des Verdampfers geht dabei über eine reine Verdampfung des Brennstoffs hinaus. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdampfers weist insbesondere ein bevorzugt an einer äußeren Wandung desselben vorgesehenes Vlies auf, welches mit Brennstoff getränkt wird. Die äußere Wandung und/oder das Vlies wird/werden erwärmt, sodass insbesondere leicht-flüchtige Brennstoffanteile verdampfen. Zentral in dem Verdampfer ist vorzugsweise der Katalysator vorgesehen, durch welchen die verdampften, leicht-flüchtigen Brennstoffanteile katalytisch umgesetzt, insbesondere partiell oxidiert werden. Hierdurch wird wiederum Reaktionswärme frei, durch welche auch die schwerer-flüchtigen Brennstoffanteile aus dem Vlies verdampft werden. Außerdem wird der Brennstoff durch die freiwerdende Reaktionswärme vorzugsweise zumindest zum Teil gecrackt. Dabei kann der gecrackte Anteil des zunächst eingesetzten Brennstoffs von mindestens 0 % bis höchstens 100 % betragen.
Die Brennstoffzusammensetzung, die den Verdampfer verlässt, weist also insbesondere
Komponenten auf, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus: verdampften,
unbehandelten Brennstoffanteilen, partiell oxidiertem Brennstoff sowie gecracktem Brennstoff. Bei der partiellen Oxidation entstehen als Reaktionsprodukte insbesondere oxidierte und nicht oxidierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Formaldehyd, Acetaldehyd oder Alkohole, sowie Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Beim Cracken werden insbesondere längerkettige
Kohlenwasserstoffe in solche mit kürzerer Kettenlänge umgesetzt. Die verdampften,
unbehandelten Brennstoffanteile umfassen insbesondere schwer-flüchtige
Brennstoffbestandteile. Je nach Ausbildung und Betriebsweise des Verdampfers ist es zusätzlich auch möglich, dass die den Verdampfer verlassende Brennstoffzusammensetzung auch unbehandelte, unverdampfte Brennstoffanteile umfasst.
Die den Verdampfer verlassende Brennstoffzusammensetzung kann über die Abzweigung der Brennkammer zugeführt werden. Somit ist hier der Brennkammer eine erste Brennstoffart mit einer durch den Verdampfer, dessen Betriebsmodus und den eingesetzten Brennstoff
vorgegebenen Chemie, zuführbar.
Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Reformer zur katalytischen partiellen Oxidation ausgebildet ist. Dabei wird die von dem Verdampfer zugeführte Brennstoffzusammensetzung vorzugsweise im Wesentlichen zu Synthesegas, also zu einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, umgesetzt. Als Katalysatormaterialien für die katalytische partielle Oxidation sind insbesondere geeignete Katalysatorbeschichtungen, vorzugsweise edelmetallhaltige oder edelmetallfreie Materialien, bevorzugt Titan und/oder Zinn möglich.
Alternativ ist es möglich, dass der Reformer zur thermischen partiellen Oxidation ausgebildet ist. Weiter ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Reformer als autothermer Reformer ausgebildet ist. Auch bei den hier genannten Arten von Reformern wird die dem Reformer zugeführte Brennstoffzusammensetzung vorzugsweise im Wesentlichen zu Synthesegas umgesetzt. Das Reformat, mithin die von dem Reformer gebildete Brennstoffzusammensetzung verlässt diesen entlang der ersten Fluidverbindung in Richtung der Brennkammer. Somit ist der
Brennkammer entlang der ersten Fluidverbindung eine durch den Reformer bereitgestellte, zweite Brennstoffart zuführbar, die im Wesentlichen Synthesegas, mithin eine Gasmischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, umfasst. Dabei ist gerade Wasserstoff besonders brennfreudig
und weist eine hohe Flammgeschwindigkeit auf, was die Effizienz der Umsetzung in der Brennkammer erhöht. Dabei wird der Brennkammer vorteilhaft insbesondere dann eine wasserstoffreiche Brennstoffzusammensetzung zugeführt, wenn die Brennkraftmaschine noch kalt ist. Die hohe Flammgeschwindigkeit in dem wasserstoffhaltigen Gemisch wirkt sich günstig auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung auch gerade bei kalter Brennkraftmaschine aus. Es ist möglich, dass der Anteil an Wasserstoff, welcher der Brennkammer zugeführt wird, bei betriebswarmer Brennkraftmaschine reduziert wird.
Schließlich wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine arbeitet in diesem Fall insbesondere bevorzugt nach dem Diesel-Brennverfahren, also durch
Kompressionszündung. Der Zündzeitpunkt wird dabei insbesondere durch Einspritzen einer Brennstoffzusammensetzung in die Brennkammer gesteuert, wobei die Brennkammer vorkomprimierte Ladeluft umfasst.
Alternativ wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die als fremdzündende Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine arbeitet in diesem Fall insbesondere nach dem Otto- Brennverfahren, wobei ein brennbares Gemisch in der Brennkammer durch eine
Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze, die einen Zündfunken erzeugt, gezündet wird. Der Zündzeitpunkt wird dabei durch die Fremdzündung, insbesondere durch die Auslösung des Zündfunkens, bestimmt.
Alternativ ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine nach dem Prinzip einer durch Zündstrahl zündenden Brennkraftmaschine arbeitet. In diesem Fall wird ein brennbares Gemisch in der Brennkammer vorgelegt und komprimiert. Der Zündzeitpunkt wird durch Eindüsung einer in der Kompressionswärme zündenden Brennstoffzusammensetzung, mithin einem sogenannten Zündstrahl, bestimmt.
Alternativ wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die als HCCI-Brennkraftmaschine und/oder als PCCI-Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Eine HCCI-Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Prinzip der Kompressionszündung einer homogenen Ladung (Homogeneous Charge
Compression Ignition). Dabei werden in gewisser Weise die Prinzipien des Otto-Motors und des Dieselmotors miteinander kombiniert. Der Brennkammer wird ein homogenes Gemisch zugeführt, welches durch Kompression in der Brennkammer gezündet wird. Hieraus resultieren
besondere Vorteile in Hinblick auf die Effizienz und die Emissionen der Brennkraftmaschine. Allerdings ist der Zündzeitpunkt im Rahmen des HCCI-Brennverfahrens nur schwer zu kontrollieren. Daher arbeiten HCCI-Brennkraftmaschinen bevorzugt nur in bestimmten
Lastbereichen tatsächlich im HCCI-Brennverfahren, während sie in anderen Lastbereichen - teilweise abhängig von dem eingesetzten Brennstoff - gemäß anderer Brennverfahren, beispielsweise gemäß dem Dieselverfahren oder dem Otto-Prinzip, arbeiten. Die
Brennkraftmaschine kann dabei alternativ oder zusätzlich auch als PCCI-Brennkraftmaschine betrieben werden, wobei hierbei eine teilweise vorgemischte Ladung durch
Kompressionszündung und Einspritzung einer zündfähigen Brennstoffzusammensetzung gezündet wird (Premixed Charge Compression Ignition). Dieses Verfahren erlaubt eine bessere Kontrolle der Verbrennung, insbesondere des Zündzeitpunkts, als das HCCI- Verfahren, weist jedoch ebenfalls insbesondere sehr gute Emissionswerte auf.
Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine mit variablem Zündverfahren betrieben wird. Insbesondere abhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine, also beispielsweise in Teillast oder in Volllast, können verschiedene Brennverfahren und/oder Zündmechanismen verwendet werden. Auch Mischbrennverfahren sind möglich.
Schließlich ist es auch möglich, dass die Brennkraftmaschine als nach dem Miller-Zyklus arbeitende Brennkraftmaschine ausgebildet ist. In diesem Fall wird der Brennkammer die
Ladung unter hohem Druck zugeführt, wobei das Einlassventil über einen vorherbestimmten Bereich des Kompressionshubs geöffnet gehalten wird.
Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise einen Turbolader oder einen Kompressor auf. Dabei umfasst ein Turbolader einen Verdichter, der durch eine mit dem Abgasstrom beaufschlagte Turbine angetrieben wird. Ein Kompressor weist einen Verdichter auf, der durch die
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine umfasst eine Abgasrückführ- Strecke sowie vorzugsweise eine Regeleinrichtung zur Regelung einer über die
Abgasrückführstrecke der Ladeluft zugeführten Abgasmenge.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise unabhängig von dem verfügbaren Brennstoff betreibbar, mithin vorzugsweise mit jedem möglichen Brennstoff. Sie kann also bevorzugt - je
nach Brennstoffangebot - mit Diesel, Benzin, Biodiesel, Ethanol, Methanol, einem höheren Alkohol, Ether, insbesondere Dimethylether, Erdgas, Biogas, Sondergas, Magergas oder einem beliebigen anderen Brennstoff betrieben werden. Es sind Brennstoffe mit verschiedenem
Schwefelgehalt einsetzbar, insbesondere auch Brennstoffe mit hohem Schwefelgehalt, beispielsweise Marine-Brennstoffe wie Schweröl oder Marines Rückstands-Öl (Marine Residual Fuel Oil, MFO). Dies ist möglich, weil die der Brennkammer letztlich zugeführte
Brennstoffzusammensetzung hochflexibel und unabhängig von dem ursprünglich in dem
Brennstoffreservoir vorhandenen Brennstoff steuerbar ist. Dabei weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise nur ein Brennstoffreservoir auf. Es ist allerdings möglich, dass die Brennkraftmaschine verschiedene Brennstoffreservoire für
Brennstoffe umfasst, die unter Normalbedingungen verschiedene Aggregatzustände aufweisen. Es ist jedoch kein Zusatz-Tank für einen weiteren Brennstoff nötig, wie dies beispielsweise bei bekannten Brennkraftmaschinen zum Teil der Fall ist, bei denen einem Reformer ein separat bevorrateter Brennstoff zugeführt wird, der von einem hauptsächlich eingesetzten Brennstoff verschieden ist.
Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine frei von einer Vorkammer. Die mindestens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine weist also bevorzugt keine Vorkammer auf. Es ist dabei ohne Weiteres möglich, die hier vorgeschlagene Brennkraftmaschine ohne Vorkammer zu betreiben.
Durch die flexible Wahl der Brennstoffzusammensetzung ist es bei der Brennkraftmaschine insbesondere möglich, ein HCCI- und/oder PCCI-Brennverfahren nicht nur im Teillast-Betrieb, sondern vielmehr im gesamten Kennfeld-Bereich zu fahren. Alternativ oder zusätzlich sind hohe Kompressionsraten möglich.
Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise zum Antrieb von Land-, Wasser- oder
Luftfahrzeugen verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb von Minenfahrzeugen, beispielsweise Muldenkippern, von schweren
Landmaschinen, von Zügen, beispielsweise in einem Triebwagen oder einer Lokomotive, oder in Schiffen eingesetzt wird. Auch ein Antrieb von zur Verteidigung vorgesehenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise von Panzern, mittels der Brennkraftmaschine ist möglich. Abhängig von der konkreten Anwendung kann die Brennkraftmaschine mit einem Generator zur Erzeugung
elektrischer Energie gekoppelt werden. Auch ein stationärer Einsatz der Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Stromversorgung, insbesondere im Dauerlastbetrieb, im Spitzenlastbetrieb oder im Notstrombetrieb, ist möglich. Insbesondere ist es möglich, die Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk einzusetzen. Weiterhin ist der Einsatz der Brennkraftmaschine zum Betrieb von Nebenaggregaten in stationären Bereichen, beispielsweise zum Antrieb von
Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, möglich. Eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten für die Brennkraftmaschine ist denkbar.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 9 geschaffen wird. Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird ein
Brennstoff in einem Verdampfer verdampft und vorzugsweise zumindest zum Teil gecrackt. Dabei ist es möglich, dass der gecrackte Anteil des ursprünglich eingesetzten Brennstoffs von mindestens 0 % bis höchstens 100 % beträgt. Der verdampfte und bevorzugt zumindest zum Teil gecrackte Brennstoff wird zumindest teilweise in einem Reformer reformiert. Dies bedeutet zum einen, dass es möglich ist, den dem Reformer zugeführten Anteil des durch den Verdampfer behandelten Brennstoffs zu variieren, wobei es möglich ist, dem Reformer mindestens 0 % bis höchstens 100 % des von dem Verdampfer behandelten Brennstoffs zuzuführen. Zum anderen bedeutet dies, dass gegebenenfalls der dem Reformer zugeführte, durch den Verdampfer behandelte Brennstoff, nicht vollständig reformiert wird, sondern dass es möglich ist, dass ein unreformierter Teil den Reformer quasi unbehandelt verlässt. Einer Brennkammer der
Brennkraftmaschine wird eine Brennstoffzusammensetzung zugeführt, wobei der Gehalt der Brennstoffzusammensetzung an verdampftem und vorzugsweise zumindest zum Teil gecracktem Brennstoff einerseits, sowie an reformiertem Brennstoff andererseits, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine variiert wird. Der Brennkammer ist also eine Brennstoffzusammensetzung zuführbar, deren Anteile variabel einerseits dem Verdampfer und andererseits dem Reformer entnommen werden können. Auf diese Weise ist die Chemie der Brennstoffzusammensetzung, welche der Brennkammer zugeführt wird, flexibel abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter einstellbar. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennstoff zusätzlich pyrolysiert wird. Zusätzlich zu dem Verdampfer und dem Reformer ist demnach auch eine Pyrolyse-Einrichtung zur Pyrolyse des Brennstoffs vorgesehen. Der Gehalt der
Brennstoffzusammensetzung, welche der Brennkammer zugeführt wird, an verdampftem und vorzugsweise zumindest teilweise gecracktem Brennstoff, an reformiertem Brennstoff, und/oder an pyrolysiertem Brennstoff, wird abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter variiert. Somit ist es möglich, die Chemie der Brennstoffzusammensetzung noch flexibler einzustellen, weil Anteile von drei verschiedenen Brennstoffarten an der
Gesamtzusammensetzung, die der Brennkammer zugeführt wird, variiert werden könnten.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass zusätzlich oder alternativ ein Gehalt der der Brennkammer zugeführten Brennstoffzusammensetzung an unbehandeltem Brennstoff abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter variiert wird. Damit ist eine weitere Brennstoffart vorgesehen, wodurch die Chemie der
Brennstoffzusammensetzung flexibel variierbar ist.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die
Brennstoffzusammensetzung einer der Brennkammer zugeführten Ladeluft zugeführt wird. Dies ist beispielsweise über einen oder mehrere Einpunkt-Injektoren möglich. Dabei wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens die der Brennkammer zuzuführende
Brennstoffzusammensetzung vorgemischt und über einen Einpunkt- Injektor in ein gemeinsames Saugrohr eingespritzt. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Einpunkt-Injektoren vorgesehen ist, wobei verschiedene Mischungen von Brennstoffarten oder verschiedenen Brennstoffarten durch verschiedene Einpunkt-Injektoren in das gemeinsame Saugrohr eingespritzt werden.
Entsprechend ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Brennstoffzusammensetzung durch einen Mehrpunkt-Injektor oder durch eine Mehrzahl von Mehrpunkt- Injektoren in einen der Brennkammer zugeordneten Ansaugstutzen eingespritzt wird. Auch hierbei ist eine
Vormischung oder eine separate Einspritzung verschiedener Brennstoffarten - wie oben beschrieben - möglich. Alternativ oder zusätzlich wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens die
Brennstoffzusammensetzung direkt in die Brennkammer eingespritzt. Dabei ist es möglich, dass die Brennstoffzusammensetzung durch einen Direkt-Injektor oder durch eine Mehrzahl von Direkt-Injektoren unmittelbar in die Brennkammer einspritzt wird, wobei die
Brennstoffzusammensetzung zumindest teilweise vorgemischt sein kann, oder wobei verschiedene Brennstoffarten durch verschiedene Direkt-Injektoren eingspritzt werden.
Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Brennstoffzusammensetzung als Piloteinspritzung in die Brennkammer eingespritzt wird. Im Rahmen einer Haupteinspritzung wird bevorzugt unbehandelter Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt.
Alternativ ist es möglich, dass im Rahmen einer Piloteinspritzung eine erste
Brennstoffzusammensetzung in die Brennkammer eingespritzt wird, wobei im Rahmen einer Haupteinspritzung eine zweite, von der ersten Brennstoffzusammensetzung verschiedene Brennstoffzusammensetzung in die Brennkammer eingespritzt wird. Auch mehrere
Einspritzungen, beispielsweise zusätzlich oder alternativ eine Nacheinspritzung, sind möglich, wobei jedem Einspritzereignis eine je eigene Brennstoffzusammensetzung zugewiesen werden kann, die von mindestens einer der anderen Brennstoffzusammensetzungen verschieden sein kann.
Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, der Brennkammer als Direkteinspritzung im Rahmen einer Piloteinspritzung Synthesegas aus dem Reformer zuzuführen, wobei das Synthesegas im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. Im Rahmen einer Haupteinspritzung wird der Brennkammer dann bevorzugt unbehandelter Brennstoff, insbesondere Diesel oder Benzin, durch Direkteinspritzung zugeführt.
Durch die im Rahmen des Verfahrens bestehenden Freiheitsgrade in der
Brennstoffzusammensetzung ist es insbesondere möglich, die Zündfähigkeit der
Brennstoffzusammensetzung in der Brennkammer in geeigneter Weise, insbesondere abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, zu beeinflussen. Dies ist besonders interessant für den Einsatz des Verfahrens zum Betreiben einer HCCI- Brennkraftmaschine. Weiterhin ist im Rahmen des Verfahrens eine sogenannte
Reaktionskontrolle der Verbrennungsreaktion in der Brennkammer möglich, indem die
Brennstoffzusammensetzung geeignet variiert wird.
Die Brennkraftmaschine ist sowohl mit Abgasrückführung als auch ohne Abgasrückführung betreibbar. Vorzugsweise ist es im Rahmen des Verfahrens möglich, eine Abgasrückführung zu
aktivieren oder zu deaktivieren, wobei besonders bevorzugt die aktivierte Abgasröckführung gesteuert oder geregelt wird.
Durch geeignete Wahl der Brennstoffzusammensetzung ist eine deutliche Schadstoffreduktion in dem Abgas der Brennkraftmaschine möglich, wobei dies unabhängig von dem konkreten
Brennstoffangebot ist, mit welchem die Brennkraftmaschine betrieben wird. Außerdem kann die Brennkraftmaschine mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden.
Wird die Brennkraftmaschine mit einem Gas, insbesondere mit Erdgas, einem Sondergas oder Magergas betrieben, wird durch geeignete Wahl der Brennstoffzusammensetzung ein
Methanschlupf der Brennkraftmaschine signifikant reduziert. Weiterhin ist es möglich, ein Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine zu optimieren, indem die Chemie der
Brermstoffzusarnmensetzung, welche der Brennkammer zugeführt wird, so angepasst wird, dass sich bei einem Kaltstart insbesondere eine höhere Flammgeschwindigkeit und eine verbesserte Umsetzung der Brennstoffzusammensetzung in der Brennkammer ergibt. Dazu kann
insbesondere vorgesehen sein, dass bei einem Kaltstart vermehrt Wasserstoff in die
Brennkammer eingebracht wird.
Durch geeignete Wahl der Brennstoffzusammensetzung ist es auch möglich, ein
Transientenverhalten der Brennkraftmaschine sowie insbesondere deren Verhalten bei
Lastsprüngen zu verbessern, indem beispielsweise die Brennstoffzusammensetzung bei einem Lastsprung zu höherer Last mit brennfreudigerem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, angereichert wird. Es wird ein Verfahren bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass der Brennstoff ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus Diesel, Biodiesel, Benzin, Ethanol, Methanol, einem höheren Alkohol, Ether, insbesondere Dimethylether, Erdgas, Biogas, Sondergas, Magergas, und einem Brennstoff mit hohem Schwefelgehalt, vorzugsweise einem Marine-Brennstoff, besonders bevorzugt Schweröl oder Marinem Rückstands-Öl. Dabei ist es möglich, die Brennkraftmaschine unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff zu betreiben, beziehungsweise den Brennstoff beliebig, insbesondere aus der hier genannten Gruppe auszuwählen. Damit wird die
Brennkraftmaschine unabhängig von dem aktuell vorliegenden Brennstoffangebot.
Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, das als
Betriebsparameter ein Lastpunkt der Brennkraftmaschine verwendet wird. Vorzugsweise gehen als Betriebsparameter sowohl eine Last- oder Drehmomentanforderung als auch eine Drehzahl der Brennkraftmaschine in das Verfahren ein. Damit ist es möglich, die
Brennstoffzusammensetzung abhängig von einem aktuellen Lastpunkt der Brennkraftmaschine sowie bevorzugt auch abhängig von Lastpunktveränderungen, insbesondere Lastsprüngen, geeignet zu variieren.
Alternativ oder zusätzlich wird die Brennstoffzusammensetzung abhängig von einer
Verbrennungsgeschwindigkeit variiert, oder es wird umgekehrt die
Verbrennungsgeschwindigkeit in der Brennkammer durch geeignete Anpassung der
Brennstoffzusammensetzung geregelt. Dies entspricht einer Reaktionskontrolle durch geeignete Anpassung der Brennstoffzusammensetzung zur Regelung der in der Brennkammer ablaufenden Verbrennungsreaktion, insbesondere der Verbrennungsgeschwindigkeit.
Alternativ oder zusätzlich wird die Brennstoffzusammensetzung abhängig von einem
Brennraumdruck variiert, oder es wird umgekehrt der Brennraumdruck in der Brennkammer durch geeignete Anpassung der Brennstoffzusammensetzung geregelt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, einen effektive Mitteldruck und damit zugleich einen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch Variation der Brennstoffzusammensetzung zu beeinflussen.
Alternativ oder zusätzlich wird die Brennstoffzusammensetzung abhängig von einem Lambda- Wert variiert, oder es wird umgekehrt der Lambda-Wert durch geeignete Anpassung der Brennstoffzusammensetzung geregelt. Dabei ist der Lambda-Wert das
Verbrennungsluftverhältnis, das die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung setzt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, durch Variation der Brennstoffzusammensetzung stets - vorzugsweise lastpunktabhängig - einen geeigneten Lambda-Wert einzustellen.
Alternativ oder zusätzlich wird die Brennstoffzusammensetzung abhängig von einem eine Stickoxid-Rohemission kennzeichnenden Wert variiert, oder es wird umgekehrt der die
Stickoxid-Rohemission kennzeichnende Wert durch geeignete Anpassung der
Brennstoffzusammensetzung geregelt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, gesetzliche Grenzwerte durch Variation der Brennstoffzusammensetzung einzuhalten.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Brennstoffzusammensetzung abhängig von einer Prozesstemperatur in der Brennkammer, oder abhängig von einer Temperatur der Brennkammer zu variieren beziehungsweise zu regeln. Dabei kann insbesondere die Prozesstemperatur als Regelparameter hinsichtlich der Verwendung verschiedener Brennstoffe zur Gewährleistung einer zeitlich konstanten Brennstoffzusammensetzung verwendet werden. Umgekehrt ist es auch möglich, die Prozesstemperatur durch geeignete Variation der Brennstoffzusammensetzung zu regeln.
Das Verfahren wird vorzugsweise durch ein Steuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt.
In diesem Zusammenhang wird auch ein Steuergerät bevorzugt, das eingerichtet ist zur
Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele. Dabei ist es möglich, dass das Verfahren fest in die Struktur des Steuergeräts implementiert ist, was insbesondere eine Implementierung des Verfahrens in die Hardware des Steuergeräts anspricht. Alternativ ist es möglich, dass in das Steuergerät ein Computerprogramm geladen ist, welches Anweisungen enthält, aufgrund derer ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen
Ausführungsformen von dem Steuergerät durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät ausgeführt wird.
In diesem Zusammenhang wird auch eine Brennl aftmaschine bevorzugt, welche ein Steuergerät umfasst, das zur Ausführung einer Ausführungsform des Verfahrens eingerichtet ist.
Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Alle Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens. Umgekehrt sind alle Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1, die als
Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Sie umfasst eine Brennkammer 3, die von einem Zylinder 5 umschlossen ist, in dem ein Kolben 7 repetierbar aufgenommen ist. Der Kolben 7 ist über ein Pleuel 9 mit einer in der Figur nicht dargestellten Kurbelwelle wirkverbunden.
Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 1 als Viertaktmotor ausgebildet.
Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrzahl von Brennkammern 3
beziehungsweise Zylindern 5 auf, insbesondere vier, sechs, acht, zwölf, sechzehn, zwanzig oder auch mehr als zwanzig Brennkammern 3 beziehungsweise Zylinder 5. Die Versorgung der Brennkammern 3 mit Brennstoff ist vorzugsweise für alle Brennkammern 3 der Brennkraftmaschine 1 identisch ausgebildet, sodass es auch für Brennkraftmaschinen 1 , die eine Mehrzahl von Brennkammern 3 aufweisen, genügt, diese hier im Folgenden anhand einer ausgewählten Brennkammer 3 zu beschreiben. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ein Brennstoffreservoir 11 für einen Brennstoff 12, das vorzugsweise als Brennstofftank ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die Brennkraftmaschine bevorzugt genau ein Brennstoffreservoir 11 und insbesondere keinen Zusatztank für einen nachzubehandelnden Zusatzbrennstoff. Vielmehr wird eine der Brennkammer 3 zuzuführende Brennstoffzusammensetzung vollständig aus dem Brennstoff 12 hergestellt, der in dem
Brennstoffreservoir 11 bevorratet wird.
Es ist allerdings bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 möglich, dass diese verschiedene Brennstoffreservoire für Brennstoffe umfasst, die sich in Hinblick auf ihren Aggregatzustand unter Normalbedingungen unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 ein erstes Brennstoffreservoir 11 für flüssige Brennstoffe und ein zweites, nicht dargestelltes Brennstoffreservoir für unter Normalbedingungen gasformige Brennstoffe aufweist. Gegebenenfalls kann die Brennkraftmaschine 1 auch ein zusätzliches Brennstoffreservoir für tiefkalte Brennstoffe aufweisen.
Wesentlich ist letztlich nicht, wie viele Brenristoffreservoire 11 die Brennkraftmaschine 1 umfasst. Vielmehr ist von Bedeutung, dass die Brennkraftmaschine 1 zu einem gegebenen Zeitpunkt bevorzugt lediglich aus einem Brennstoffreservoir 11 nur den einen Brennstoff 12 entnimmt und diesen einen Brennstoff 12 über verschiedene Behandlungsschritte behandelt, um letztlich eine flexibel variierbare Brennstoffzusammensetzung 22 der Brennkammer 3 zuzuführen. Es ist also durchaus auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 verschiedene Brennstoffreservoire 11 für verschiedene Brennstoffe umfasst, die nicht gemischt werden sollen, beispielsweise Benzin und Diesel. Dabei wird jedoch zu einem gegebenen Zeitpunkt bevorzugt nur einer der Brennstoffe von der Brennkraftmaschine 1 tatsächlich verwendet und über verschiedene Behandlungsschritte in eine flexibel variierbare Brennstoffzusammensetzung 22 umgewandelt. Hierdurch unterscheidet sich die Brennkraftmaschine 1 von bekannten
Brennkraftmaschinen, die einen Zusatztank für einen zu behandelnden Brennstoff, der beispielsweise einem Verdampfer und/oder einem Reformer zugeführt wird, sowie einen Haupttank für einen der Brennkammer unbehandelt zuzuführenden Brennstoff aufweisen.
Eine erste Fluidverbindung 13 erstreckt sich von dem Brennstoffreservoir 11 zu der
Brennkammer 3, wobei entlang der ersten Fluidverbindung 13 ein Verdampfer 15 und stromabwärts des Verdampfers 15 ein Reformer 17 angeordnet sind. In die erste Fluidverbindung 13 mündet eine Abzweigung 19 in einen Mündungsbereich 21. Die Abzweigung 19 steht ebenfalls mit der Brennkammer 3 in Fluidverbindung. Über die
Abzweigung 19 ist zwischen dem Verdampfer 15 und dem Reformer 17 eine Brennstoffart entnehmbar, die durch den Verdampfer 15 behandelten Brennstoff, insbesondere verdampften und zumindest teilweise gecracktem Brennstoff, umfasst. Der dem Reformer 17 zugeführte, durch den Verdampfer 15 verdampfte und zumindest teilweise gecrackte Brennstoff wird in diesem reformiert, mithin in ein Reformat umgesetzt, welches vorzugsweise im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst.
Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Ventileinrichtung 23 auf, die bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ein in dem Mündungsbereich 21 angeordnetes, als Ventil 25 ausgebildetes Stellglied 20 umfasst, durch welches einerseits der dem Reformer 17 zugeführte Anteil und andererseits der in die Abzweigung 19 abgeleitete Anteil des von dem Verdampfer 15 behandelten Brennstoffs einstellbar ist. Dabei sind die Anteile vorzugsweise kontinuierlich von mindestens 0 % bis höchstens 100 % jeweils mittels des Ventils 25 variierbar.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 werden die erste
Fluidverbindung 13 und die Abzweigung 19 im Bereich von als Mischgliedern 27, 29, 31 ausgebildeten Stellgliedern 20 zusammengeführt, wobei die durch die erste Fluidverbindung 13 einerseits und durch die Abzweigung 19 andererseits geförderten Brennstoffarten durch die Mischglieder 27, 29, 31 miteinander mischbar sind.
Es ist eine zweite Fluidverbindung 33 vorgesehen, die sich zwischen dem Brennstoffreservoir 11 und der Brennkammer 3 erstreckt. Entlang der zweiten Fluidverbindung 33 ist eine Pyrolyse- Einrichtung 35 angeordnet, mittels derer der dem Brennstoffreservoir 11 entnommene Brennstoff 12 pyrolysierbar ist. Hierzu ist die Pyrolyse-Einrichtung 35 beheizbar. Das dargestellte
Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 umfasst eine elektrische Heizeinrichtung 37, durch welche die Pyrolyse-Einrichtung 35 beheizbar ist. Zusätzlich ist eine Abgas- Fluidverbindung 39 zwischen einer von der Brennkammer 3 zu einer
Abgasnachbehandlungseinrichtung 41 führenden Abgasleitung 43 und der Pyrolyse-Einrichtung 35 angeordnet. Die Abgas-Fluidverbindung 39 mündet also in die Abgasleitung 43 und führt zu der Pyrolyse-Einrichtung 35, sodass diese - insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 - auch durch das Abgas derselben beheizbar ist. Hierzu ist vorzugsweise ein Wärmetauscher in der Pyrolyse-Einrichtung 35 vorgesehen, wobei besonders bevorzugt das Abgas nach Durchströmen der Pyrolyse-Einrichtung 35 durch eine in der Figur nicht dargestellte Abgasleitung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 41 zugeführt wird.
Bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine 1 noch eine in der Figur nur schematisch
angedeutete, dritte Fluidverbindung 44 zwischen dem Brennstoffreservoir 11 und der
Brennkammer 3, wobei der Brennkammer 3 über die dritte Fluidverbindung 44 unbehandelter Brennstoff 12 aus dem Brennstoffreservoir 11 zuführbar ist.
Die Brennkammer 3 wird über eine Ladeluftleitung 45 mit Ladeluft 46 versorgt. Entlang der Ladeluftleitung 45 ist vorzugsweise ein Verdichter 47 angeordnet, sodass der Brennkammer 3 verdichtete Ladeluft 46 zuführbar ist. Dabei ist es möglich, dass der Verdichter 47 von einer Turbine angetrieben wird, die im Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Verdichter 47 Teil eines Turboladers. Es ist auch möglich, dass der
Verdichter 47 durch die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird. In diesem Fall ist der Verdichter 47 Teil eines Kompressors. Selbstverständlich ist auch ein
Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 möglich, bei welchem entlang der Ladeluftleitung 45 zwei oder mehr Verdichter angeordnet sind, sodass eine zwei- oder mehrstufige Aufladung verwirklicht wird. Von der Ladeluftleitung 45 zweigt eine erste Luftabzweigung 49 zu dem Verdampfer 15 ab. Über die erste Luftabzweigung 49 ist dem Verdampfer 15 Ladeluft 46 zuftihrbar, wobei der von der Ladeluft 46 umfasste Sauerstoff in dem Verdampfer 15 zur teilweisen partiellen Oxidation des verdampften Brennstoffs mittels eines von dem Verdampfer 15 umfassten Katalysators 50 eingesetzt wird.
Weiter zweigt von der Ladeluftleitung 45 eine zweite Luftabzweigung 51 ab, die zu dem
Reformer 17 führt. Entlang der zweiten Luftabzweigung 51 ist dem Reformer 17 Ladeluft zuführbar, wobei der von der Ladeluft umfasste Sauerstoff in dem Reformer 17 dazu verwendet wird, den von dem Verdampfer 15 behandelten Brennstoff zu reformieren. Hierzu arbeitet der Reformer 17 vorzugsweise nach dem Prinzip der katalytischen partiellen Oxidation. Alternativ ist der Reformer 17 als autothermer Reformer ausgebildet. Weiter alternativ ist es möglich, dass der Reformer 17 nach dem Prinzip der thermischen katalytischen Reformierung arbeitet.
Jedenfalls wird in dem Reformer 17 der von dem Verdampfer 15 behandelte Brennstoff mithilfe des von der Ladeluft 46 umfassten Sauerstoffs in einbevorzugt wasserstoffreiches Reformat umgesetzt, das vorzugsweise im Wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine weist einen ersten Injektor 53 auf, der als Einpunkt-Injektor ausgebildet ist, wobei mithilfe des ersten Injektors 53 eine
Brennstoffzusammensetzung 22 in ein den Brennkammern 3 der Brennkraftmaschine 1 gemeinsam zugeordnetes Saugrohr 54 einspritzbar ist. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist dem ersten Injektor 53 eine erste Zuleitung 55 zugeordnet, in welche die erste Fluidverbindung 13, die Abzweigung 19 und die zweite Fluidverbindung 33 münden.
Dabei ist das Mischglied 27 hier im Mündungsbereich der Abzweigung 19 sowie der ersten Fluidverbindung 13 in die Zuleitung 55 vorgesehen. Ein weiteres Mischglied 57 ist im Bereich der Mündung der zweiten Fluidverbindung 33 in die Zuleitung 55 vorgesehen. Mithilfe der
Mischglieder 27, 57 ist die Brennstoffzusammensetzung 22, die über die erste Zuleitung 55 dem ersten Injektor 53 zugeführt und anschließend von diesem in das gemeinsame Saugrohr 54 eingespritzt wird, beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine umfasst außerdem einen zweiten Injektor 59, der als Mehrpunkt- Injektor zur Einspritzung von Brennstoff in einen der
Brennkammer 3 zugeordneten Ansaugstutzen 61 ausgebildet ist. Der zweite Injektor 59 weist eine zweite Zuleitung 63 auf, in welche - genau wie bei ersten Zuleitung 55 - die erste
Fluidverbindung 13, die Abzweigung 19 und die zweite Fluidverbindung 33 münden. Genau wie in der ersten Zuleitung 55 sind auch in der zweiten Zuleitung 63 das Mischglied 29 im
Mündungsbereich der ersten Fluidverbindung 13 und der Abzweigung 19 sowie ein weiteres Mischglied 65 im Bereich der Mündung der zweiten Fluidverbindung 33 in die Zuleitung 63 vorgesehen. Entsprechend ist wie bereits in Zusammenhang mit der ersten Zuleitung 55 beschrieben auch die dem zweiten Injektor 59 zuführbare Brennstoffzusammensetzung mithilfe der Mischglieder 29, 65 beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar.
Ist eine dritte Fluidverbindung 44 vorgesehen, mündet diese vorzugsweise in analoger Weise auch in die erste Zuleitung 55 und/oder in die zweite Zuleitung 63. Für diese ist vorzugsweise ebenfalls ein Mischglied in den Zuleitungen 55, 63 vorgesehen.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen dritten Injektor 67 auf, der als Direkt-Injektor zur Direkteinspritzung von Brennstoff in die
Brennkammer 3 ausgebildet und angeordnet ist. Dieser dritte Injektor 67 weist eine dritte Zuleitung 69 auf. In die dritte Zuleitung 69 münden die erste Fluidverbindung 13, die
Abzweigung 19 und die zweite Fluidverbindung 33. Ist eine dritte Fluidverbindung 44 vorgesehen, mündet diese vorzugsweise ebenfalls in die dritte Zuleitung 69. In der dritten Zuleitung 69 ist das Mischglied 31 im Mündungsbereich der ersten Fluidverbindung 13 und der Abzweigung 19 angeordnet. Im Mündungsbereich der zweiten Fluidverbindung 33 ist ein weiteres Mischglied 71 angeordnet. Ist eine dritte Fluidverbindung 44 vorgesehen, ist in deren Mündungsbereich in die dritte Zuleitung 69 vorzugsweise ebenfalls ein Mischglied angeordnet. Über die Mischglieder 31, 71 ist eine dem dritten Injektor 67 zugeführte
Brennstoffzusammensetzung 22, die von diesem wiederum in die Brennkammer 3 eingespritzt wird, beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar.
Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Steuergerät 73 auf, welches mit der Ventileinrichtung 23 - wie durch einen gezackten Pfeil P angedeutet - wirkverbunden, sodass durch das Steuergerät 73 die Ventileinrichtung 23 und somit insbesondere die Stellglieder 20, nämlich das Ventil 25 sowie die Mischglieder 27, 57, 29, 65, 31, 71 ansteuerbar sind. Auf diese Weise ist durch das
Steuergerät 73 die der Brennkammer 3 zugeführte Brennstoffzusammensetzung 22 und zusätzlich auch der Ort, an dem die Brennstoffzusammensetzung 22 zugeführt wird, steuerbar. Hierzu sind vorzugsweise auch die Injektoren 53, 59, 67 mit dem Steuergerät 73 wirkverbunden. Weiterhin weist das Steuergerät 73 vorzugsweise einen Eingang für einen Betriebsparameter auf, von dem abhängig die Brennstoffzusammensetzung 22 gesteuert beziehungsweise variiert wird. Damit ist/sind als Betriebsparameter durch das Steuergerät 73 vorzugsweise ein Lastpunkt, eine Verbrennungsgeschwindigkeit, ein Brennraumdruck, ein Lambda-Wert, ein eine Stickoxid- Rohemission kennzeichnender Wert und/oder eine Prozesstemperatur erfassbar. Es ist auch möglich, dass durch das Steuergerät 73 zusätzlich oder alternativ eine Drehzahl der
Brennkraftmaschine 1 erfassbar ist. Besonders bevorzugt ist auch eine Temperatur der
Brennkraftmaschine 1 erfassbar, sodass das Steuergerät 73 insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 diesen erkennen und die Brennstoffzusammensetzung 22 entsprechend anpassen kann, wobei der Brennkammer 3 insbesondere vermehrt brennfreudige Stoffe zugeführt werden. Beispielsweise ist es bei einem Kaltstart möglich, der Brennkammer 3 einen hohen Anteil an Reformat zuzuführen, weil insbesondere der von dem Reformat umfasste Wasserstoff hervorragende Kaltstarteigenschaften, nämlich insbesondere eine hohe Flammgeschwindigkeit, aufweist. Ist die Brennkraftmaschine 1 dagegen betriebswarm und/oder weist sie keine hohe Lastanforderung auf, kann der Anteil an Reformat reduziert werden, welcher der Brennkammer 3 zugeführt wird.
Es zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine 1 auch eine Abgasrückführstrecke 75 umfasst, wobei der Ladeluft 46 Abgas aus der Brennkammer 3 zuführbar ist. Die Abgasrückführstrecke 75 ist bei der Darstellung gemäß der Figur derart ausgeführt, dass von der Abgas-Fluidverbindung 39 eine Abgasrückführabzweigung 77 abzweigt, durch die entweder dem gemeinsamen Saugrohr 54 oder dem Ansaugstutzen 61 Abgas zuführbar ist. Jede andere geeignete Verwirklichung einer Abgasrückführstrecke 75 ist möglich.
Es zeigt sich auch noch, dass von der ersten Fluidverbindung 13 vorzugsweise eine
Reformatleitung 79 abzweigt, die in die Abgasleitung 43 mündet. Dabei umfasst die
Ventileinrichtung 23 vorzugsweise ein als zweites Ventil 81 ausgebildetes Stellglied 20, durch das dem Abgas in der Abgasleitung 43 über die Reformatleitung 79 zugeführtes Reformat dosierbar ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird der Abgasleitung 43 vorzugsweise über die Reformatleitung 79 Reformat zugeführt, um - insbesondere abhängig von einem
Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 - die Abgasnachbehandlung in der
Abgasnachbehandlungseinrichtung 41 zu verbessern. Beispielsweise ist es möglich, dass das Reformat entlang des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine 1 umgesetzt wird, um ein Element der Abgasnachbehandlungseinrichtung 41 aufzuheizen, beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters.
Das Brennstoffreservoir 11 kann mit beliebigem Brennstoff 12, insbesondere mit Diesel, Biodiesel, Benzin, Ethanol, Methanol, einem höheren Alkohol, Ether, insbesondere
Dimethylether, Erdgas, Biogas, Sondergas, Magergas und/oder einem Brennstoff 12 mit hohem Schwefelgehalt, vorzugsweise einem Marine-Brennstoff, besonders bevorzugt mit Schweröl oder Marinem Rückstands-Öl beschickt werden. Die Brennkraftmaschine 1 ist unabhängig vom
Brennstoffangebot und von der Brennstoffqualität betreibbar. Dabei ergibt sich durch die flexible Zufuhr der variablen Brennstoffzusammensetzung 22 zu der Brennkammer 3 ein deutlich verringerter Schadstoffausstoß, ein besserer Wirkungsgrad sowie ein optimiertes
Kaltstartverhalten für die Brennkraftmaschine 1. Zudem ist es möglich, die Zündwilligkeit zu beeinflussen und eine sogenannte Reaktionskontrolle durchzuführen. Das Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine 1 ist verbesserbar. Ein HCCI/PCCI-Brennverfahren kann im gesamten Kennfeldbereich und nicht nur in Teillast unterstützt werden. Hohe Kompressionsraten sind möglich. Wird die Brennkraftmaschine 1 mit einem methanhaltigen Brennstoff 12, insbesondere einem Gas, betrieben, ist der Methanschlupf im Vergleich zu einer herkömmlichen
Brennkraftmaschine deutlich reduziert, weil der Brennstoff 12 durch den Verdampfer 15, den Reformer 17 und die Pyrolyse- Einrichtung 35 nachbehandelt wird, wobei der Methananteil reduziert und eine brennfreudigere Brennstoffzusammensetzung 22 erzeugt wird, sodass noch in die Brennkammer 3 gelangendes Methan zumindest nahezu vollständig umgesetzt wird.
Claims
1. Brennkraftmaschine (1 ), insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit
- mindestens einer Brennkammer (3),
einem Brennstoffreservoir (11) für einen Brennstoff (12), und mit
einer ersten Fluidverbindung (13) zwischen dem Brennstoffreservoir (11) und der Brennkammer (3), wobei
- entlang der ersten Fluidverbindung (13) ein Verdampfer (15) und stromabwärts des
Verdampfers (15) ein Reformer (17) angeordnet ist, sodass der Brennkammer (3) ein von dem Reformer (17) erzeugtes Reformat zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die erste Fluidverbindung (13) eine Abzweigung (19) zwischen dem Verdampfer (15) und dem Reformer (17) mündet, wobei
- die Abzweigung (19) mit der Brennkammer (3) in Fluidverbindung ist, und dass
die Brennkraftmaschine (1) eine Ventileinrichtung (23) aufweist, die mindestens ein in der ersten Fluidverbindung (13) stromabwärts des Reformers (17) und/oder in der Abzweigung (19) angeordnetes Stellglied (20) umfasst, sodass eine der Brennkammer (3) durch die erste Fluidverbindung (13) und/oder die Abzweigung (19) zugeführte
Brennstoffzusammensetzung (22) mittels der Ventileinrichtung (23) beeinflussbar ist.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite
Fluidverbindung (33) zwischen dem Brennstoffreservoir (11) und der Brennkammer (3), wobei entlang der zweiten Fluidverbindung (3) eine Pyrolyse-Einrichtung (35) angeordnet ist, wobei die Ventileinrichtung (23) vorzugsweise mindestens ein in der zweiten Fluidverbindung (33) angeordnetes Stellglied (20) umfasst, wobei eine der Brennkammer (3) durch die erste
Fluidverbindung (13), die Abzweigung (19) und/oder die zweite Fluidverbindung (33) zugeführte Brennstoffzusammensetzung (22) mittels der Ventileinrichtung (23) beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Fluidverbindung (44) zwischen dem Brennstoffreservoir (11) und der Brennkammer (3), wobei der Brennkammer (3) über die dritte Fluidverbindung (44) unbehandelter Brennstoff
(12) aus dem Brennstoffreservoir (11) zuführbar ist, und wobei die Ventileinrichtung (23) vorzugsweise mindestens ein Stellglied (20) in der dritten Fluidverbindung (44) umfasst, wobei eine der Brennkammer (3) durch die erste Fluidverbindung (13), die Abzweigung (19), die zweite Fluidverbindung (33) und/oder die dritte Fluidverbindung (44) zugeführte
Brennstoffzusammensetzung (22) mittels der Ventileinrichtung (23) beeinflussbar, vorzugsweise steuerbar ist.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) mindestens einen Injektor (53,59,67) aufweist, der als Einpunkt-Injektor (53) zur Brennstoff-Einspritzung in ein gemeinsames Saugrohr (54), als Mehrpunkt-Injektor (59) zur Einspritzung in einen der Brennkammer (3) zugeordneten Ansaugstutzen (61) und/oder als Direkt-Injektor (67) zur Direkteinspritzung in die Brennkammer (3) ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (53,59,67) eine Zuleitung (55,63,69) aufweist, in welche die erste Fluidverbindung (13), die Abzweigung (19), die zweite
Fluidverbindung (33) und/oder die dritte Fluidverbindung (44) mündet/münden, wobei die Ventileinrichtung (23) vorzugsweise mindestens ein in der Zuleitung (55,63,69) angeordnetes Ventilglied oder Mischglied (27,29,31 ;57,65,71) umfasst, sodass dem Injektor (53,59,67) verschiedene Brennstoffzusammensetzungen (22) zuführbar sind.
6. Brermkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verdampfer (15) einen Katalysator (50) zur teilweisen partiellen Oxidation des Brennstoffs aufweist.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Reformer (17) zur katalytischen partiellen Oxidation, zur thermischen partiellen Oxidation, oder als autothermer Reformer ausgebildet ist.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als selbstzündende Brennkraftmaschine (1), als fremdzündende Brennkraftmaschine (1), als durch Zündstrahl zündende Brennkraftmaschine (1), als HCCI- und/oder PCCI-Brennkraftmaschine (1), als Brennkraftmaschine (1) mit
variablem Zündverfahren, oder als nach dem Miller-Zyklus arbeitende Brennkraftmaschine (1) ausgebildet ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei
ein Brennstoff (12) in einem Verdampfer (15) verdampft und vorzugsweise zumindest zum Teil gecrackt wird, wobei
der verdampfte und bevorzugt zumindest zum Teil gecrackte Brennstoff zumindest teilweise in einem Reformer (17) reformiert wird, und wobei
einer Brennkammer (3) der Brennkraftmaschine (1) eine Brennstoffzusammensetzung (22) zugeführt wird, wobei
der Gehalt der Brennstoffzusammensetzung (22) an verdampftem und vorzugsweise zumindest zum Teil gecracktem Brennstoff einerseits, sowie an reformiertem Brennstoff andererseits, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1) variiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (12) zusätzlich pyrolysiert wird, wobei der Gehalt der der Brennkammer (3) zugeführten
Brennstoffzusammensetzung (22) an verdampftem und vorzugsweise zumindest teilweise gecracktem Brennstoff, an reformiertem Brennstoff, und/oder an pyrolysiertem Brennstoff (12) abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter variiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt der der Brennkammer (3) zugeführten Brennstoffzusammensetzung (22) an unbehandeltem Brennstoff (12) abhängig von dem mindestens einen Betriebsparameter variiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoffzusammensetzung (22) einer der Brennkammer (3) zugeführten Ladeluft (46) zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoffzusammensetzung (22) direkt in die Brennkammer (3) eingespritzt wird, wobei die Brennstoffzusammensetzung (22) vorzugsweise als Piloteinspritzung in die Brennkammer (3) eingespritzt wird, wobei im Rahmen einer Haupteinspritzung unbehandelter Brennstoff (12) in die Brennkammer (3) eingespritzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennstoff (12) ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus: Diesel, Biodiesel, Benzin, Ethanol, Methanol, einem höheren Alkohol, Ether, insbesondere Dimethylether, Erdgas, Biogas, Sondergas, Magergas, und einem Brennstoff (12) mit hohem Schwefelgehalt, vorzugsweise einem Marine-Brennstoff, besonders bevorzugt Schweröl oder Marinem Rückstands-Öl.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als
Betriebsparameter ein Lastpunkt, eine Verbrennungsgeschwindigkeit, ein Brennraumdruck, ein Lambda-Wert, ein eine Stickoxid-Rohemission kennzeichnender Wert, und/oder eine
Prozesstemperatur verwendet wird.
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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