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WO2020078919A1 - Verfahren zum betrieb einer mit einem wassereinspritzsystem ausgestatteten verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer mit einem wassereinspritzsystem ausgestatteten verbrennungskraftmaschine Download PDF

Info

Publication number
WO2020078919A1
WO2020078919A1 PCT/EP2019/077809 EP2019077809W WO2020078919A1 WO 2020078919 A1 WO2020078919 A1 WO 2020078919A1 EP 2019077809 W EP2019077809 W EP 2019077809W WO 2020078919 A1 WO2020078919 A1 WO 2020078919A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mixture
water
combustion chamber
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/077809
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian SIEGMUND
Stefan Fischer
Uwe Israel
Original Assignee
Exomission Umwelttechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Exomission Umwelttechnik GmbH filed Critical Exomission Umwelttechnik GmbH
Publication of WO2020078919A1 publication Critical patent/WO2020078919A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/12—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with non-fuel substances or with anti-knock agents, e.g. with anti-knock fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0227—Control aspects; Arrangement of sensors; Diagnostics; Actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0228—Adding fuel and water emulsion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/028—Adding water into the charge intakes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine can in particular be operated in a mobile or in a stationary application.
  • An emulsifying device is known from EP 0 956 896 A1.
  • water and a fuel can be mixed with one another with the emulsifying device.
  • the emulsified (or the emulsion) formed in this way can be fed to an internal combustion engine.
  • This type of water supply can counteract in particular the formation of soot and nitrogen oxides and in some areas also lead to a slight reduction in fuel consumption.
  • the power that can be output by the internal combustion engine is generally reduced.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems of the respective individual technologies mentioned with reference to the prior art.
  • a method and an arrangement are to be proposed by means of which improved operation of an internal combustion engine can take place in each case.
  • emissions are to be reduced and at least one output that can be generated by the internal combustion engine is not to be reduced.
  • the respective limited range of effects can be supplemented or expanded.
  • the internal combustion engine has at least one (possibly several) combustion chamber (s) in which a chemical energy of a fuel-air mixture is converted into mechanical energy (eg displacement of a piston) as a result of combustion.
  • the internal combustion engine also has at least one feed line that can be connected to the combustion chamber for supplying a first mixture, and an exhaust line that can be connected to the combustion chamber for the discharge of exhaust gas, and an injection line that can be connected to the combustion chamber for supplying a second mixture.
  • the process comprises at least the following steps:
  • the feed line is, in particular, an intake line of an internal combustion engine, via which air is supplied to the internal combustion engine or the combustion chamber. It is now proposed to supply water to the feed line so that upstream of the combustion chamber (only) water and air are can be mixed (first mixture). Possibly. an exhaust gas can also be supplied to the feed line, e.g. B. via an exhaust gas recirculation line. A fuel can also be supplied to the feed line. In particular, no fuel is supplied to the combustion chamber via the feed line.
  • the supply of water in particular does not include the supply of water contained in the ambient air, such as, for example, air humidity. It is proposed here to additionally supply water to the air supplied from a surrounding area, eg. B. from a container assigned to the internal combustion engine.
  • the feed line can in particular be connected to the combustion chamber via a first valve.
  • the feed line can be connected to a plurality of combustion chambers, each combustion chamber being connectable to the feed line via at least one first valve (possibly also a plurality of first valves).
  • a first valve is also referred to in particular as an inlet valve.
  • An exhaust gas formed in the combustion chamber (for example as a result of the combustion of at least fuel and air) can be discharged via the exhaust gas line.
  • the exhaust pipe can be connected in particular to the combustion chamber via a second valve.
  • a second valve is also referred to in particular as an outlet valve.
  • the injection line is in particular an injection line for injecting fuel.
  • the injection line can be connectable to the combustion chamber via a third valve, so that the second mixture can be fed to the combustion chamber separately from the first mixture.
  • a valve is also referred to as an injector.
  • the third valve can also be designed as a nozzle which opens due to an overpressure formed in the injection line and closes again automatically (eg via a spring force).
  • fuel eg hydrocarbons
  • water are mixed with one another.
  • at least 99% by volume of the fuel and water is formed from the second mixture.
  • a pressure of the second mixture is increased after mixing and before being fed into the combustion chamber.
  • the fuel and water are mixed upstream of an injection pump, by means of which the second mixture is brought to a pressure provided for the supply into the combustion chamber.
  • water is fed into the feed line immediately upstream of the first valve, so that the first mixture is formed immediately upstream of the combustion chamber.
  • the supply of water in the feed line can also be spaced from the first valve, e.g. B. upstream of a compressor or a heat exchanger.
  • the method comprises a further step c), in which the first mixture and / or the second mixture are fed to the combustion chamber to form a third mixture, the third mixture being implemented in the course of a combustion.
  • the exhaust gas is formed, which can be removed from the combustion chamber via the exhaust pipe.
  • water is supplied to the combustion chamber via the first mixture, via the second mixture or simultaneously via both mixtures.
  • the first mixture and the second mixture are fed separately to the combustion chamber.
  • the third mixture is only formed in the combustion chamber.
  • the first mixture and the second mixture are fed to the combustion chamber at least partially in parallel or at different times from one another.
  • “Simultaneously” means here that the first mixture and the second mixture are fed together for one combustion process.
  • “Separated in time” here means that the first mixture is supplied for a first combustion process (together with only fuel) and the second mixture for a second combustion process separated from it (together with only intake air) during another time the operation of the internal combustion engine is supplied.
  • the combustion chamber is in particular from a wall and z. B. limited by the first valve, the second valve and the third valve.
  • a piston which is driven by the combustion of the third mixture, can be arranged in the combustion chamber. The piston can be used to draw in the first mixture and / or to expel the exhaust gas.
  • the second mixture at least partially (possibly exclusively) comprises an emulsion of water and fuel.
  • the second mixture is fed to the combustion chamber in the form of an emulsion of fuel and water.
  • the emulsion is preferably formed by an emulsifying device, e.g. B. according to EP 0 956 896 A1.
  • the feed of the second mixture into the combustion chamber is also referred to below as KWE (fuel-water injection).
  • the feed of the first mixture into the combustion chamber is also referred to below as WE (water injection).
  • Emulsifiers Preferably no emulsifiers that would stabilize the emulsion are used to form the second mixture or the emulsion.
  • Emulsifiers - often based on surfactants - can undesirably form particles or serve as germs in the formation of particles.
  • Emulsifiers are still z. B. due to the amount to be supplied, often in the percentage range of the fuel used, very cost-intensive.
  • a combustion peak temperature in particular in the flame front within the combustion chamber, can be reduced by the evaporation enthalpy of the water. This can significantly reduce the nitrogen oxide formation, which is exponentially dependent on the local combustion chamber temperature.
  • the thermal efficiency can be slightly improved, ie fuel consumption can often be at least slightly reduced.
  • the percentage reductions at average water contents in the second mixture or the emulsion of, for example, 10 to 25% by volume in the second mixture or the emulsion are in particular often approximately proportional to the water content. That is, 1 vol .-% water content means in particular also about 1% NOx reduction. At higher water contents, the effect can also be disproportionate, so that, for example, 40% by volume of water in the emulsion can lead to a 60 to 70% reduction in NOx. Soot reductions of 50 to 90% and more, on the other hand, can often be achieved with a water content of 5 to 15% by volume in the second mixture.
  • soot and nitrogen oxide formation generally increases with increasing water content in the emulsion or in the second mixture.
  • minima of soot formation regularly occur at significantly lower water contents in the emulsion or in the second mixture than the minima of nitrogen oxide formation.
  • the associated longer ignition delay can additionally be significantly extended by emulsion operation or by the addition of a second mixture at relatively low temperatures.
  • the delayed combustion can lead to a very quick and hot heat release due to the longer premixing of the fuel-air mixture, whereby the positive, NOx-lowering effect of the evaporation enthalpy can be partially or completely compensated.
  • overcompensation can also be observed, ie the proportion of NOx in the exhaust gas can even increase compared to operation without water.
  • the soot-lowering effect is mostly retained and often increases with increasing water content.
  • WE water injection into the intake area
  • WE can be used to increase performance or reduce emissions - especially nitrogen oxides or fuel consumption.
  • a mixture of water and alcohol has similar effects.
  • Most of the water mist evaporates when entering the hot combustion chamber and lowers the combustion chamber temperature through the evaporation enthalpy.
  • the partial displacement of the intake air by the inert water vapor component has a lowering effect on the combustion air ratio.
  • both mechanisms reduce NOx formation with increasing water volume.
  • the WE When using the WE to increase performance, the main focus is on increasing knock resistance (Otto engines) by lowering the temperature in the combustion chamber. An ignition in the combustion chamber can thus be brought forward, the boost pressure and the amount of fuel increased, so that the internal combustion engine can achieve more power without thermally overloading the internal combustion engine.
  • the supply of water in the supply line (WE, water injection) and formation of the first mixture, so z. B. the injection of water into the intake tract of an internal combustion engine, can be carried out upstream of a compressor or downstream of a compressor, upstream of a heat exchanger (for example an intercooler) or downstream of a heat exchanger.
  • the water can e.g. For better atomization, be mixed with air (possibly compressed air) before being fed into the supply line.
  • air possibly compressed air
  • the type of supply is often of minor importance with regard to the effects on emissions, especially on nitrogen oxide reduction.
  • the type of supply is of importance, however, particularly in relation to the goal of representing the finest possible water or water. Liquid mist.
  • the supply or injection into the feed line can take place continuously upstream of the combustion chamber, centrally with one or more nozzle (s) or with one or more nozzle (s) per combustion chamber into the respective combustion chamber feed line per combustion chamber.
  • the supply can also take place in a time-controlled or quantity-controlled manner via intermittently operating valves.
  • a single central valve or several central valves or individual or several valves per combustion chamber is possible.
  • WE reduces the performance of the internal combustion engine only slightly with moderate water contents, since the water can be supplied in addition to the fuel and independently of it.
  • the WE can be represented dynamically enough.
  • a predominantly negative influence of the WE (ie the supply of water into the feed line to form the first mixture) on the soot formation within the engine can be explained in particular as follows:
  • a fuel-air ratio becomes lower.
  • the likelihood that reactive soot components will encounter oxygen in the combustion air decreases.
  • the separate supply of water and fuel means that there are no micro-explosions as with the KWE, which greatly favor the mixing of air with fuel or the homogenization.
  • the combustion chamber temperatures also decrease further with WE, so that the temperature-dependent, very important post-oxidation of soot in the combustion chamber is reduced.
  • the WE ie the mixing of intake / charge air and water in the supply line to form the first mixture
  • the WE ie the mixing of intake / charge air and water in the supply line to form the first mixture
  • the lower water consumption at KWE is essentially due to the fact that, at KWE, the water is introduced as part of the second mixture via the injection jet entering the combustion chamber from the injection line.
  • the cooling water is thus located directly in / on the flame front or diffusion flame front, where the highest temperatures prevail and where nitrogen oxides are primarily formed.
  • the complete combustion chamber is filled with the water vapor entering the combustion chamber from the supply line. This means that only part of the water is in the hot flame front, where it is required for NOx reduction.
  • the two methods of water supply described each have different advantages, but also disadvantages and limits.
  • the proposed combination of the two technologies WE and KWE for introducing water into the combustion process enables in particular frequent equalization of the respective disadvantages of the two individual technologies and addition or supplementation of the advantages over a wide range as well as an expansion of the respective individual operating limits to almost the entire operating spectrum of the internal combustion engine.
  • the water content in the lower load range can be set lower via the KWE (ie the supply of water to the combustion chamber via the second mixture).
  • KWE the supply of water to the combustion chamber via the second mixture.
  • the ignition delay is not extended beyond an acceptable level.
  • the required additional NOx reduction can be achieved by increasing the water content of the boiler (i.e. the supply of water to the combustion chamber via the first mixture) without significantly hindering the high soot reduction by boiler, because the intensification / homogenization of the mixture formation by the Effects such as the emulsion still take place and the ignition delay extension by WE is less than with KWE.
  • the water content can also be reduced via the second mixture and the water content increased via WE in order to set the desired soot reduction by KWE on the one hand, and the desired additional NOx reduction by WE on the other hand, without reducing the performance of the internal combustion engine acceptable level is reduced.
  • the combination of the cooling water supply in the KWE and WE makes it possible to dispense with the usual internal cooling of the internal combustion engine by enriching the fuel-air mixture at high loads / speeds, especially with direct-injection spark ignition engines.
  • the increased formation of soot to be expected with an exclusive supply of cooling water via the WE can be prevented or even greatly reduced by the parallel use of the KWE.
  • the fuel used only for cooling purposes can be saved and the associated C02 emissions reduced in parallel.
  • the combined cooling effect can also be used in particular to partially increase the performance of the internal combustion engine without thermally overloading the engine and greatly increasing fuel consumption or causing emissions to rise sharply.
  • the internal combustion engine can - depending on the emission (and / or consumption) reduction requirement, engine behavior and Operating conditions - especially with variable relative water proportions from KWE to WE and with variable proportions of water to fuel.
  • an operating point-optimized parallel reduction of the two main pollutants, soot and nitrogen oxides can thus be achieved.
  • the KWE use can preferably be used with higher water contents.
  • the injection of water via WE can also help with higher proportions without significantly or negatively influencing the soot reduction by KWE.
  • the adaptation to the respective target water content always requires a certain lead time, while the actual water content is either higher or lower than the desired water content for a short time.
  • the water content of the WE can be set much more dynamically.
  • the first mixture can be quickly switched on or off via the WE in transient operation, or the water content of the WE can be increased or decreased quickly, in particular to avoid peak NOx emissions. This setting can be maintained until the second mixture has reached the intended target water content again.
  • the second mixture is injected directly or indirectly (eg in the case of indirectly injecting internal combustion engines, eg with a prechamber or swirl chamber) into the combustion chamber, in particular via the third valve.
  • the second mixture is preferably brought to a pressure provided for delivery into the combustion chamber by an injection pump and only then is it transferred into the combustion chamber.
  • the water supplied according to step a) is at least Upstream of a compressor
  • the compressor is e.g. B. driven by an exhaust gas turbocharger, which in turn is driven by the exhaust gas flow.
  • a charge air mass for the combustion chamber in the supply line is increased via the compressor.
  • the heat exchanger is used, in particular, for temperature control (preferably cooling, in certain operating points possibly for heating) of the charge air conducted through the supply line.
  • the second mixture comprises up to at most 35% by volume of water in the emulsion (the remainder essentially fuel, in particular at least 99% by volume of fuel in the rest), preferably up to at most 25% by volume of water in the emulsion, one of which additionally required amount of water is supplied via the first mixture (the combustion chamber or the third mixture).
  • An operating point parameter of the internal combustion engine is any parameter that is related to an operating point of the internal combustion engine. These include in particular:
  • the water for forming the first mixture and the second mixture is preferably taken from a common container or a common line.
  • the water for the first mixture and for the second mixture is in each case completely demineralized water, which is preferably obtained from a corresponding water treatment system.
  • the water content of the first mixture is preferably adapted or corrected to the absolute / relative humidity of the intake air.
  • heating of the common container or containers is preferably to be provided in order to allow the water to thaw quickly after a longer vehicle standstill Ensure frost period.
  • a suitable antifreeze for example an alcohol, preferably bioethanol, can be metered into the water.
  • an evacuation function of the supply lines is to be provided for WE and a flushing function is to be provided for KWE, which ensures that the injection system or the supply lines of the internal combustion engine no longer contain water immediately before or immediately after it is switched off.
  • the optional heating of the liquid in the container, preferably in the common container, to higher temperatures can, on the one hand, the mixing / evaporation of the liquid of the first mixture (WE) in the intake pipe (for example at low outside temperatures, not yet warm engine, high he humidity, etc.) significantly support.
  • the heating of the water-containing liquid can significantly reduce the oxygen content that favors corrosion in the injection system due to the decreasing oxygen solubility with increasing temperature.
  • the viscosity of the second mixture can be adjusted via the liquid temperature in order to achieve the optimum viscosity for operation.
  • An arrangement is also proposed, at least comprising an internal combustion engine with at least one combustion chamber, a feed line that can be connected to the combustion chamber for supplying a first mixture, and an exhaust gas line that can be connected to the combustion chamber for discharge of an exhaust gas, and one with the combustion chamber for supplying an exhaust gas second mixture connectable injection line.
  • the arrangement further comprises at least one container for storing water. The water can be fed from the at least one container to the feed line to form the first mixture and the injection line to form the second mixture. The water can be treated between the respective container and the feed into the feed line or injection line, or can already be prepared in the container.
  • the arrangement can be operated using the method described.
  • the internal combustion engine can in particular be an engine with spark ignition (Otto engine) or an engine with compression ignition (diesel engine) or an engine with homogeneous compression ignition.
  • Otto engine an engine with spark ignition
  • diesel engine an engine with compression ignition
  • homogeneous compression ignition an engine with homogeneous compression ignition.
  • the arrangement can be used in particular in a mobile application such as a motor vehicle (for example a car, truck, bus) or a mobile machine (ship, construction machine, crane, tractor, mobile power generator, etc.).
  • a motor vehicle for example a car, truck, bus
  • a mobile machine ship, construction machine, crane, tractor, mobile power generator, etc.
  • the arrangement can alternatively be operated in a stationary application (power generator, combined heat and power plant, pump operated with an internal combustion engine, etc.).
  • the arrangement can have a control unit for operating the internal combustion engine.
  • the control unit is designed and / or set up or executes the method in a manner suitable for carrying out the method.
  • control unit can also be completely or partially autonomous from the control unit of the internal combustion engine.
  • the method can also be carried out by a computer or with a processor of a control unit.
  • a system for data processing (in particular a control device or part thereof) is also proposed which comprises a processor which is adapted / configured in such a way that it executes the method or part of the steps of the proposed method.
  • a computer-readable storage medium can be provided which comprises instructions which, when executed by a computer / processor, cause the computer / processor to carry out the method or at least part of the steps of the proposed method.
  • first serves primarily (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, in particular, no dependency and / or order of objects, sizes or processes to each other. If a dependency and / or sequence is required, this is explicitly stated here or it is evident for the person skilled in the art to study the specifically described configuration.
  • the arrangement 15 comprises an internal combustion engine 1 with a combustion chamber 2, a feed line 4 which can be connected to the combustion chamber 2 for supplying a first mixture 3, and an exhaust gas line 6 which can be connected to the combustion chamber 2 for the discharge of an exhaust gas 5, and also with the combustion chamber 2 for supplying a second mixture 7 connectable injection line 8. Die
  • the arrangement 15 further comprises a container 14 for storing water 9. The water 9 can be supplied from the container 14 to the feed line 4 to form the first mixture 3 and the injection line 8 to form the second mixture 7.
  • a fuel 10 can be removed from a tank 16 and is mixed in a mixing device 17 with the water 9 to form an emulsion or the second mixture 7.
  • the second mixture 7 is transferred directly into the combustion chamber 2 via the injection line 8.
  • KWE fuel-water injection
  • Air is sucked in via the feed line 4, compressed by the compressor 12 of the exhaust gas turbocharger, mixed with the water 9 from the container 14 to form the first mixture 3, cooled via the heat exchanger 13 and fed to the combustion chamber 2.
  • WE water injection
  • the third mixture 11 is formed from the first mixture 3 and / or the second mixture 7 in the combustion chamber 2.
  • the third mixture 11 is ignited and burned.
  • the resulting exhaust gas 5 is discharged from the combustion chamber 2 to the environment via the exhaust gas line 6.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (1), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest eine Brennkammer (2) aufweist, in der eine chemische Energie eines Kraftstoff-Luft-Gemisches infolge einer Verbrennung in eine mechanische Energie umgewandelt wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest eine mit der Brennkammer (2) zur Zuführung eines ersten Gemisches (3) verbindbare Zuleitung (4) und eine mit der Brennkammer (2) zur Abführung eines Abgases (5) verbindbare Abgasleitung (6) sowie eine mit der Brennkammer (2) zur Zuführung eines zweiten Gemisches (7) verbindbare Einspritzleitung (8) aufweist; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: • a) Zuführen von Wasser (9) in die Zuleitung (4) und Bildung des ersten Gemisches (3) umfassend zumindest Luft und Wasser (9); und • b) Mischen von zumindest Wasser (9) und Kraftstoff (10) in der Einspritzleitung (8) und Bildung des zweiten Gemisches (7).

Description

VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER MIT EINEM WASSEREINSPRITZSYSTEM AUSGESTATTETEN VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschi- ne. Die Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere in einer mobilen oder in einer stationären Anwendung betrieben werden.
Aus der EP 0 956 896 A1 ist eine Emulgiervorrichtung bekannt. Mit der Emulgier- vorrichtung können insbesondere Wasser und ein Kraftstoff miteinander ver- mischt werden. Das so gebildete Emulgat (bzw. die Emulsion) kann einer Ver- brennungskraftmaschine zugeführt werden. Diese Art der Zuführung von Wasser kann insbesondere der Bildung von Ruß und Stickoxiden entgegenwirken und in Teilbereichen auch zu einer geringen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs führen. Allerdings erfolgt in der Regel eine Reduzierung der von der Verbrennungskraft- maschine abgebbaren Leistung.
Weiter ist bekannt, Wasser bzw. Mischungen mit anderen Flüssigkeiten wie z.B. Alkoholen einer Ansaugleitung einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführen. Dabei wird die Flüssigkeit mit der, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen- den, Luft vermischt. Diese Art der Zuführung von Flüssigkeit kann insbesondere zum Zweck der Leistungssteigerung oder der Verbrauchssenkung oder zur Ver- ringerung der Stickoxidbildung genutzt werden. Allerdings kann es insbesondere bei Selbstzündungsmotoren zu einer verstärkten Rußbildung und einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme der jeweiligen Einzeltechnologien zumindest teil- weise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung vorge- schlagen werden, durch die jeweils ein verbesserter Betrieb einer Verbrennungs- kraftmaschine erfolgen kann. Insbesondere sollen Emissionen verringert und eine durch die Verbrennungskraftmaschine erzeugbare Leistung zumindest nicht verringert werden. Weiter soll durch eine Kombination der Einzeltechnologien insbesondere das jeweilig begrenzte Wirkungsspektrum ergänzt bzw. erweitert werden.
Zur Lösung dieser Aufgaben tragen ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentan- spruch 9 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Pa- tentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus der Figur ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorge- schlagen. Die Verbrennungskraftmaschine weist zumindest eine (ggf. mehrere) Brennkammer(-n) auf, in der eine chemische Energie eines Kraftstoff-Luft- Gemisches infolge einer Verbrennung in eine mechanische Energie (z. B. Weg eines Kolbens) umgewandelt wird. Die Verbrennungskraftmaschine weist weiter zumindest eine mit der Brennkammer zur Zuführung eines ersten Gemisches verbindbare Zuleitung und eine mit der Brennkammer zur Abführung eines Abga- ses verbindbare Abgasleitung sowie eine mit der Brennkammer zur Zuführung eines zweiten Gemisches verbindbare Einspritzleitung auf. Das Verfahren um- fasst zumindest die folgenden Schritte:
a) Zuführen von Wasser in die Zuleitung und Bildung des ersten Gemisches umfassend zumindest Luft und Wasser; und (gleichzeitig oder zeitlich ver- setzt zueinander)
b) Mischen zumindest von Wasser und Kraftstoff in der Einspritzleitung und Bildung des zweiten Gemisches.
Die Zuleitung ist insbesondere eine Ansaugleitung einer Verbrennungskraftma- schine, über die der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Brennkammer Luft zugeführt wird. Hier wird nun vorgeschlagen, Wasser der Zuleitung zuzuführen, so dass stromaufwärts der Brennkammer (ausschließlich) Wasser und Luft ge- mischt werden können (erstes Gemisch). Ggf. kann der Zuleitung auch ein Abgas zugeführt werden, z. B. über eine Abgasrückführleitung. Der Zuleitung kann auch ein Kraftstoff zugeführt werden. Insbesondere wird der Brennkammer über die Zuleitung aber kein Kraftstoff zu geführt. Das Zuführen von Wasser umfasst ins- besondere nicht das Zuführen von in der Umgebungsluft enthaltendem Wasser, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit. Hier wird vorgeschlagen, der aus einer Um- gebung zugeführten Luft zusätzlich Wasser zuzuführen, z. B. aus einem der Ver- brennungskraftmaschine zugeordneten Behälter.
Die Zuleitung ist insbesondere mit der Brennkammer über ein erstes Ventil ver- bindbar.
Insbesondere kann die Zuleitung mit einer Mehrzahl von Brennkammern verbun- den sein, wobei jede Brennkammer mit der Zuleitung über jeweils mindestens ein erstes Ventil (ggf. auch mehrere erste Ventile) verbindbar ist. Ein erstes Ventil wird insbesondere auch als Einlassventil bezeichnet.
Über die Abgasleitung kann ein in der Brennkammer gebildetes Abgas (z. B. in- folge der Verbrennung zumindest von Kraftstoff und Luft) abgeführt werden. Die Abgasleitung ist insbesondere mit der Brennkammer über ein zweites Ventil ver- bindbar. Ein zweites Ventil wird insbesondere auch als Auslassventil bezeichnet.
Die Einspritzleitung ist insbesondere eine Einspritzleitung zur Einspritzung von Kraftstoff. Die Einspritzleitung kann mit der Brennkammer über ein drittes Ventil verbindbar sein, so dass das zweite Gemisch getrennt von dem ersten Gemisch der Brennkammer zuführbar ist. Ein solches Ventil wird auch als Injektor be- zeichnet. Das dritte Ventil kann auch als Düse ausgeführt sein, die aufgrund ei- nes in der Einspritzleitung gebildeten Überdrucks öffnet und selbsttätig wieder schließt (z. B. über eine Federkraft).
In der Einspritzleitung werden insbesondere (ausschließlich) Kraftstoff (z. B. Koh- lenwasserstoffe) und Wasser miteinander vermischt. Insbesondere wird hier kei- ne Luft (geregelt) zugeführt. Insbesondere wird das zweite Gemisch zumindest zu 99 Vol.-% von Kraftstoff und Wasser gebildet.
Insbesondere wird ein Druck des zweiten Gemisches nach dem Mischen und vor dem Zuführen in die Brennkammer erhöht. Insbesondere erfolgt die Vermischung von Kraftstoff und Wasser stromaufwärts einer Einspritzpumpe, durch die das zweite Gemisch auf einen für die Zuführung in die Brennkammer vorgesehenen Druck gebracht wird.
Insbesondere erfolgt die Zufuhr von Wasser in die Zuleitung unmittelbar strom- aufwärts des ersten Ventils, so dass das erste Gemisch unmittelbar stromauf- wärts der Brennkammer gebildet wird. Alternativ kann die Zufuhr von Wasser in die Zuleitung auch beabstandet von dem ersten Ventil, z. B. stromaufwärts eines Verdichters oder eines Wärmetauschers, erfolgen.
Insbesondere umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt c), in dem das erste Gemisch und/oder das zweite Gemisch der Brennkammer zur Bildung eines drit- ten Gemisches zugeführt werden, wobei das dritte Gemisch im Rahmen einer Verbrennung umgesetzt wird.
Für das dritte Gemisch sind also folgende Zusammensetzungen möglich:
erstes Gemisch und zweites Gemisch,
erstes Gemisch und über die Einspritzleitung zugeführter Kraftstoff (ohne Wasser), und
- zweites Gemisch und über die Zuführleitung zugeführte Luft (ohne zuge- führtes Wasser).
Infolge der Verbrennung wird insbesondere das Abgas gebildet, das aus der Brennkammer über die Abgasleitung abführbar ist. Insbesondere wird der Brenn- kammer also Wasser über das erste Gemisch, über das zweite Gemisch oder zeitgleich über beide Gemische zugeführt. Insbesondere werden das erste Gemisch und das zweite Gemisch voneinander getrennt der Brennkammer zugeführt. Insbesondere wird das dritte Gemisch erst in der Brennkammer gebildet.
Insbesondere werden das erste Gemisch und das zweite Gemisch zeitlich zu- mindest teilweise parallel oder zeitlich voneinander getrennt der Brennkammer zugeführt.
„Zeitlich parallel“ meint hier, dass das erste Gemisch und das zweite Gemisch gemeinsam für einen Verbrennungsvorgang zugeführt werden.
„Zeitlich getrennt“ meint hier, dass das erste Gemisch für einen ersten Verbren- nungsvorgang (zusammen mit nur Kraftstoff) zugeführt wird und das zweite Ge- misch für einen zeitlich davon getrennten zweiten Verbrennungsvorgang (zu- sammen mit nur Ansaugluft) während eines anderen Zeitpunktes des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
Die Brennkammer wird insbesondere von einer Wandung und z. B. von dem ers- ten Ventil, dem zweiten Ventil und dem dritten Ventil begrenzt. In der Brennkam- mer kann ein Kolben angeordnet sein, der durch die Verbrennung des dritten Gemisches angetrieben wird. Der Kolben kann zum Ansaugen des ersten Gemi- sches und/oder zum Ausstößen des Abgases eingesetzt werden.
Insbesondere umfasst das zweite Gemisch zumindest teilweise (ggf. ausschließ- lich) eine Emulsion von Wasser und Kraftstoff. Insbesondere wird das zweite Gemisch in Form einer Emulsion von Kraftstoff und Wasser der Brennkammer zugeführt. Bevorzugt wird die Emulsion durch eine Emulgiervorrichtung gebildet, z. B. gemäß der EP 0 956 896 A1.
Die Zuführung des zweiten Gemisches in die Brennkammer wird im Folgenden auch als KWE (Kraftstoff-Wasser-Einspritzung) bezeichnet. Die Zuführung des ersten Gemisches in die Brennkammer wird im Folgenden auch als WE (Wasser-Einspritzung) bezeichnet.
Bevorzugt werden zur Bildung des zweiten Gemisches bzw. der Emulsion keine Emulgatoren eingesetzt, die die Emulsion stabilisieren würden. Emulgatoren - oftmals auf Basis von Tensiden - können unerwünscht Partikel bilden oder als Keime bei der Partikelbildung dienen. Emulgatoren sind weiterhin z. B. auf Grund der zuzuführenden Menge, oftmals im Prozentbereich des eingesetzten Kraftstof- fes, sehr kostenintensiv.
Die Zuführung eines zweiten Gemisches von Wasser und Kraftstoff, insbesonde- re von einer Emulsion aus Kraftstoff und Wasser (KWE; Kraftstoff-Wasser- Einspritzung), hat insbesondere erhebliche Auswirkungen auf den Verbren- nungsprozess in der Brennkammer an sich. Im Ergebnis wird insbesondere bei Selbstzündungsmotoren eine innermotorische Rußbildung stark reduziert - je nach Betriebspunkt, Verbrennungskraftmaschine und Einspritzsystem häufig bis weit über 90 %. Insbesondere können dabei auch sogenannte Mikroexplosionen in der Brennkammer auftreten, die durch die schlagartige Verdampfung von Wasser hervorgerufen werden und dabei die umgebenden Kraftstofftröpfchen erheblich intensiver zerstäuben, wodurch sich die thermische Umsetzung mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft verbessern kann. Weiter kann eine längere Vormischphase durch längeren Zündverzug erfolgen, so dass eine verbesserte Durchmischung von Kraftstoff mit Luft in der Brennkammer erfolgen kann. Im Brennraum kann weiterhin eine Dissoziation von Wasser in Sauerstoffradikale (OH) und Wasserstoff erfolgen. Diese Sauerstoffradikale können Ruß oxidieren, Wasserstoff kann als Brennstoff an der Verbrennung teilnehmen.
Insbesondere kann durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers eine Ver- brennungsspitzentemperatur, insbesondere in der Flammenfront innerhalb der Brennkammer, abgesenkt werden. Damit kann die von der lokalen Brennraum- temperatur exponentiell abhängige Stickoxidbildung deutlich reduziert werden. Zudem kann insbesondere bei Selbstzündungsmotoren insbesondere in den un- teren bis mittleren Lastpunkten der thermische Wirkungsgrad leicht verbessert werden, d.h. ein Verbrauch von Kraftstoff kann häufig zumindest geringfügig ge- senkt werden.
Hinsichtlich der Stickoxidminderung sind die prozentualen Minderungen bei mitt- leren Wassergehalten in dem zweiten Gemisch bzw. der Emulsion von bspw. 10 bis 25 Vol.-% in dem zweiten Gemisch bzw. der Emulsion insbesondere oftmals annähernd proportional dem Wassergehalt. D. h. 1 Vol.-% Wassergehalt bedeu- tet insbesondere auch ca. 1 % NOx-Minderung. Bei höheren Wassergehalten kann die Wirkung auch überproportional sein, so dass bspw. 40 Vol.-% Wasser- anteil in der Emulsion zu 60 bis 70 % NOx-Reduktion führen können. Rußreduk- tionen von 50 bis 90 % und mehr sind hingegen oftmals bereits bei 5 bis 15 Vol.- % Wassergehalt im zweiten Gemisch darstellbar.
Die reduzierende Wirkung auf die Ruß- als auch Stickoxidbildung nimmt in der Regel mit zunehmendem Wasseranteil in der Emulsion bzw. in dem zweiten Ge- misch zu. Die Minima der Rußbildung stellen sich jedoch regelmäßig schon bei deutlich niedrigeren Wassergehalten in der Emulsion bzw. in dem zweiten Ge- misch ein als die Minima der Stickoxidbildung.
Insbesondere bei Selbstzündungsmotoren liegen in den oberen und unteren Lastpunkten jedoch prinzipbedingte Grenzen des Verfahrens vor.
In den unteren Lastpunkten kann bei relativ niedrigen Temperaturen in der Brennkammer der zugehörige längere Zündverzug durch Emulsionsbetrieb bzw. durch die Zuführung eines zweiten Gemisches zusätzlich deutlich verlängert werden. Die verspätet einsetzende Verbrennung kann durch die längere Vormi- schung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einer sehr schnellen und heißen Wärme- freisetzung führen, wodurch der positive, NOx-senkende Effekt der Verdamp- fungsenthalpie teilweise oder vollständig kompensiert werden kann. In seltenen Fällen ist auch eine Überkompensation zu beobachten, d.h. der Anteil von NOx im Abgas kann gegenüber dem Betrieb ohne Wasser sogar ansteigen. Die Ruß- senkende Wirkung bleibt hingegen jedoch meist erhalten und nimmt mit zuneh- menden Wassergehalten oftmals weiter zu.
Im Falle einer nachträglichen Anwendung des Verfahrens (Retrofit) ohne Ände- rung eines vorhandenen Einspritzsystems: Im oberen Last-/Drehzahlbereich, insbesondere ab dem oberen Teillastbereich kann das hydraulisch begrenzte Vermögen von herkömmlichen Einspritzpumpen nur ein bestimmtes maximales Kraftstoffvolumen pro Einspritzung in die Brennkammer fördern. Demzufolge wird die zusätzlich zum Kraftstoff zuzuführende maximale Wassermenge und damit einhergehend auch insbesondere die NOx-absenkende Wirkung in diesem Be- triebspunkt begrenzt. Entsprechend besteht ein Zielkonflikt zwischen einer maxi- mal erreichbaren Leistung und einer maximal erreichbaren Stickoxidreduktion durch den maximal einbringbaren Wassergehalt im zweiten Gemisch.
So sind bspw. bei mittleren bis höheren Lasten bei Wassergehalten von 40 bis 45 Vol.-% in der Emulsion oftmals NOx-Reduktionen von 60 bis 70 % und mehr dar- stellbar. Dann ist jedoch die noch zur Verfügung stehende Leistung der Verbren- nungskraftmaschine entsprechend dem Wassergehalt verringert.
Es ist bekannt, die Wassereinspritzung in den Ansaugbereich (WE) als ein Ver- fahren zur Senkung der Ansaugluft- und Brennraumtemperaturen an Verbren- nungskraftmaschinen einzusetzen. WE kann zur Leistungssteigerung oder zur Senkung von Emissionen - insbesondere von Stickoxiden oder des Kraftstoffver- brauchs eingesetzt werden. Ein Gemisch aus Wasser und Alkohol weist ähnliche Effekte auf. Der größte Teil des Wassernebels verdampft bei Eintritt in die heiße Brennkammer und senkt durch die Verdampfungsenthalpie die Brennkammer- temperatur. Zudem wirkt die partielle Verdrängung der Ansaugluft durch den iner- ten Wasserdampfanteil senkend auf das Verbrennungsluftverhältnis. Beide Me- chanismen wirken im Ergebnis mit zunehmender Wassermenge reduzierend auf die NOx-Bildung. Bei dem Einsatz der WE zur Leistungssteigerung wird im Wesentlichen auf die Erhöhung der Klopffestigkeit (Otto-Motoren) durch die Temperaturabsenkung im Brennraum gesetzt. Damit kann eine Zündung in der Brennkammer zeitlich vor- verlegt, der Ladedruck und die Kraftstoffmenge erhöht werden, so dass die Ver- brennungskraftmaschine mehr Leistung erzielen kann, ohne die Verbrennungs- kraftmaschine thermisch zu überlasten.
Das Zuführen von Wasser in die Zuleitung (WE, Wassereinspritzung) und Bil dung des ersten Gemisches, also z. B. die Einspritzung von Wasser in den An- saugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, kann stromaufwärts eines Verdich- ters oder stromabwärts eines Verdichters, stromaufwärts eines Wärmetauschers (z. B. eines Ladeluftkühlers) oder stromabwärts eines Wärmetauschers durchge- führt werden.
Insbesondere kann das Wasser z.B. zur besseren Zerstäubung vor der Zufüh- rung in die Zuleitung mit Luft (ggf. Druckluft) vermischt werden.
In der Wirkung auf die Emissionen, insbesondere auch auf die Stickoxidredukti- on, ist die Art der Zuführung jedoch oftmals von untergeordneter Bedeutung. Von Bedeutung ist die Art der Zuführung jedoch insbesondere in Bezug auf das Ziel der Darstellung eines möglichst feinen Wasser-bzw. Flüssigkeitsnebels.
Das Zuführen bzw. Einspritzen in die Zuleitung kann jeweils stromaufwärts der Brennkammer kontinuierlich zentral mit einer einzigen oder mehreren Düse(n) oder mit einer oder mehreren Düse(n) pro Brennkammer in die jeweilige Brenn- kammer-Zuleitung pro Brennkammer erfolgen. Alternativ kann die Zuführung auch über intermittierend arbeitende Ventile zeit- oder mengengeregelt erfolgen. Dabei ist ein einzelnes zentrales Ventil oder mehrere zentrale Ventile oder ein- zelne oder mehrere Ventile pro Brennkammer möglich. Im Vergleich zur KWE verringert sich durch WE die Leistung der Verbrennungs- kraftmaschine bei moderaten Wassergehalten nur geringfügig, da das Wasser zusätzlich zum Kraftstoff und unabhängig davon zugeführt werden kann.
Während die Bildung des zweiten Gemisches bzw. einer Emulsion eine gewisse Zeit benötigt und damit die Anforderung eines geänderten Wasseranteils erst zeitverzögert zur Verfügung steht, ist die WE ausreichend dynamisch darstellbar.
Ein überwiegend negativer Einfluss der WE (also des Zuführens von Wasser in die Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches) auf die innermotorische Rußbil- dung kann insbesondere wie folgt erläutert werden: Infolge des verdampften Wasseranteils in der Brennkammer wird ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis geringer. Damit sinkt mit zunehmendem Wassergehalt die Wahrscheinlichkeit, dass reakti- onswillige Rußbestandteile auf Sauerstoff der Verbrennungsluft treffen. Zudem erfolgen durch getrennte Zuführung von Wasser und Kraftstoff keine Mikroexplo- sionen wie bei der KWE, die die Vermischung von Luft mit Kraftstoff bzw. die Homogenisierung stark begünstigen. Die Brennkammertemperaturen sinken mit WE zudem global weiter ab, so dass die temperaturabhängige, sehr wichtige Nachoxidation von Ruß in der Brennkammer reduziert wird. Weiterhin findet die Dissoziation von Wasser bei WE in einem weitaus geringfügigeren Maße statt, so dass deutlich weniger OH-Radikale für die Rußoxidation zur Verfügung stehen. Bei hohen Lasten fehlt bei sinkendem Lambda dann zunehmend auch der Reak- tionssauerstoff, da dieser durch Wasserdampf verdrängt wird. In der Literatur sind z.B. Angaben von bis zu 500 % Ruß-Anstieg durch WE bekannt. Dabei ist die Rußbildung oftmals umso höher, je höher Last bzw. Drehzahl der Verbren- nungskraftmaschine und der Wasseranteil sind. Da die Verdampfungsenthalpie Energie aus dem Prozess benötigt, steigt auch der Kraftstoffverbrauch mit dem Wasseranteil an.
Im Vergleich zur KWE (also der Vermischung von Kraftstoff mit Wasser in einer Einspritzleitung zur Bildung des zweiten Gemisches) wird bei WE (also der Ver- mischung von Ansaug-/ Ladeluft und Wasser in der Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches) oftmals deutlich mehr Wasser benötigt, um eine vergleichbare NOx-Minderung zu erzielen. Um ähnliche Resultate bei NOx zu erzielen, wird bei der WE nach Literaturangaben rund 80 % mehr Wasser benötigt als bei der KWE.
Der geringere Wasserverbrauch bei KWE ist insbesondere bei Selbstzündungs- motoren im Wesentlichen darin begründet, dass bei KWE das Wasser als Teil des zweiten Gemisches über den aus der Einspritzleitung in die Brennkammer eintretenden Einspritzstrahl eingebracht wird. Damit befindet sich das kühlende Wasser direkt in/an der Flammenfront bzw. Diffusionsflammenfront, wo die höchsten Temperaturen herrschen und an der Stickoxide primär gebildet werden. Bei der WE hingegen wird die komplette Brennkammer mit dem aus der Zulei- tung in die Brennkammer eintretendem Wasserdampf gefüllt. Damit ist nur ein Teil des Wassers in der heißen Flammenfront, wo es zur NOx-Reduktion benötigt wird.
Die beiden beschriebenen Methoden der Wasserzufuhr weisen verfahrensbe- dingt jeweils für sich verschiedene Vorteile, jedoch auch Nachteile und Grenzen auf. Die hier vorgeschlagene Kombination der beiden Technologien WE und KWE zur Einbringung von Wasser in den Verbrennungsprozesses ermöglicht hingegen insbesondere eine häufige Egalisierung der jeweiligen Nachteile der beiden Einzel-Technologien und eine Addition bzw. Ergänzung der Vorteile in weiten Bereichen sowie eine Ausdehnung der jeweiligen Einzel-Betriebsgrenzen auf das nahezu gesamte Betriebsspektrum der Verbrennungskraftmaschine.
Nachfolgend eine nicht erschöpfende Aufzählung einiger wesentlicher Vorteile des vorgeschlagenen kombinierten Verfahrens:
Bei der Kombination kann im unteren Lastbereich der Wasseranteil über die KWE (also der Zuführung von Wasser in die Brennkammer über das zweite Ge- misch) niedriger eingestellt werden. Damit wird einerseits die bereits mit den niedrigen Wasseranteilen der KWE mögliche hohe Rußreduktion gewährleistet, andererseits jedoch der Zündverzug nicht über ein vertretbares Maß hinaus ver- längert. Die erforderliche zusätzliche NOx-Reduktion kann dabei durch Erhöhung des Wasseranteils der WE (also der Zuführung von Wasser in die Brennkammer über das erste Gemisch) erreicht werden, ohne die hohe Rußreduktion durch KWE wesentlich zu behindern, denn die Intensivierung/ Homogenisierung der Gemischbildung durch die Effekte zum Beispiel der Emulsion finden trotzdem noch statt und die Zündverzugsverlängerung durch WE ist geringer als mit KWE.
In den oberen Lastbereichen kann der Wasseranteil über das zweite Gemisch ebenfalls reduziert und parallel der Wasseranteil über WE erhöht werden, um ebenfalls einerseits die gewünschte Rußreduktion durch KWE, andererseits die gewünschte zusätzliche NOx-Reduktion durch WE einzustellen, ohne dass die Leistung der Verbrennungskraftmaschine über ein vertretbares Maß hinaus redu- ziert wird.
Durch die Kombination der kühlenden Wasserzuführung bei KWE und WE kann - insbesondere auch bei direkteinspritzenden Fremdzündungsmotoren - bei hohen Lasten/ Drehzahlen auf die sonst übliche Innenkühlung der Verbrennungskraft- maschine durch die Anfettung des Kraftstoff-Luftgemischs verzichtet werden. Die bei einer ausschließlichen Zuführung von kühlendem Wasser über die WE zu erwartende erhöhte Bildung von Ruß kann über den parallelen Einsatz der KWE verhindert bzw. sogar stark verringert werden. Zusätzlich kann dabei der lediglich für Kühlungszwecke eingesetzte Kraftstoff eingespart und parallel die zugehörige C02-Emission gesenkt werden.
Alternativ kann der kombinierte Kühlungseffekt insbesondere auch zur partiellen Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden, ohne den Motor thermisch zu überlasten und den Kraftstoffverbrauch stark zu erhöhen bzw. die Emissionen stark ansteigen zu lassen.
In den mittleren Lastbereichen kann die Verbrennungskraftmaschine - je nach Emissions- (und/oder Verbrauchs-) Reduktionserfordernis, Motorverhalten und Betriebsbedingungen - insbesondere mit variablen relativen Wasser-Anteilen von KWE zu WE und mit jeweils variablen Anteilen von Wasser zu Kraftstoff betrie- ben werden. Damit kann insbesondere eine betriebspunktoptimierte parallele Reduktion der beiden Hauptschadstoffe Ruß und Stickoxide erreicht werden.
Wenn davon auszugehen ist, dass die gleiche NOx-Minderung über WE erheb- lich mehr Wasser erfordert als mit KWE, kann bei mobilen Anwendungen mit begrenztem Wasservorrat der KWE-Einsatz bevorzugt mit höheren Wassergehal- ten eingesetzt werden. Bei höheren Anforderungen an die NOx-Minderung kann die Einspritzung von Wasser über WE zusätzlich mit höheren Anteilen helfen, ohne die Rußminderung durch KWE wesentlich bzw. negativ zu beeinflussen.
Bei instationärem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und betriebspunktab- hängigen Wassergehalten der KWE erfordert die Anpassung an den jeweiligen Soll-Wassergehalt immer eine gewisse Vorlaufzeit, während der Ist- Wassergehalt kurzzeitig entweder höher oder niedriger als der gewünschte Was sergehalt ist. Der Wassergehalt der WE ist prinzipbedingt sehr viel dynamischer einstellbar. In der Kombination von KWE und WE kann das erste Gemisch über die WE im transienten Betrieb schnell zu- oder abgeschaltet bzw. der Wasser- gehalt der WE schnell erhöht bzw. gesenkt werden, um insbesondere NOx- Emissionsspitzen zu vermeiden. Diese Einstellung kann so lange aufrechterhal- ten werden, bis das zweite Gemisch wieder den vorgesehenen Soll- Wassergehalt erreicht hat.
Insbesondere wird das zweite Gemisch direkt oder indirekt (z. B. bei indirekt ein- spritzenden Verbrennungskraftmaschinen, z. B. mit Vorkammer bzw. Wirbel- kammer) in die Brennkammer eingespritzt, insbesondere über das dritte Ventil. Bevorzugt wird das zweite Gemisch durch eine Einspritzpumpe auf einen für die Zuführung in die Brennkammer vorgesehenen Druck gebracht und erst dann in die Brennkammer überführt.
Insbesondere wird das gemäß Schritt a) zugeführte Wasser zumindest • stromaufwärts eines Verdichters,
• stromabwärts eines Verdichters,
• stromaufwärts eines mit der Zuleitung wirkverbundenen Wärmetau- schers,
• stromabwärts eines mit der Zuleitung wirkverbundenen Wärmetau- schers
zugeführt.
Der Verdichter wird z. B. über einen Abgasturbolader angetrieben, der seinerseits von der Abgasströmung angetrieben wird. Über den Verdichter wird eine Lade- luftmasse für die Brennkammer in der Zuleitung erhöht.
Der Wärmetauscher dient insbesondere der Temperierung (bevorzugt der Abküh- lung, in bestimmten Betriebspunkten ggf. der Erwärmung) der durch die Zuleitung geführten Ladeluft.
Insbesondere umfasst das zweite Gemisch bis höchstens 35 Vol.-% Wasser in der Emulsion (Rest im Wesentlichen Kraftstoff, insbesondere mindestens zu 99 Vol.-% Kraftstoff im Rest), bevorzugt bis höchstens 25 Vol.-% Wasser in der Emulsion, wobei eine zusätzlich benötigte Menge an Wasser über das erste Ge- misch (der Brennkammer bzw. dem dritten Gemisch) zugeführt wird.
Bevorzugt ist, wenn zumindest einer der folgenden Anteile von Wasser in Ab- hängigkeit von mindestens einem Betriebspunktparameter der Verbrennungs- kraftmaschine angepasst wird:
• ein erster Anteil von Wasser in dem ersten Gemisch und/oder
• ein zweiter Anteil von Wasser in dem zweiten Gemisch.
Ein Betriebspunktparameter der Verbrennungskraftmaschine ist jeder beliebige Parameter, der im Zusammenhang mit einem Betriebspunkt der Verbrennungs- kraftmaschine steht. Hierzu zählen insbesondere:
Drehzahl, Last,
Ladedruck,
Umgebungstemperatur,
Luftfeuchtigkeit,
Kraftstoffverbrauch,
Kraftstofftemperatur,
Taupunkt,
Status eines Abgasnachbehandlungssystems,
Ladelufttemperatur,
Ansaugluftmenge,
Ansauglufttemperatur,
Kühlmitteltemperatur,
Wassertemperatur,
Abgastemperatur,
NOx-Konzentration im Abgas,
Ruß-Konzentration im Abgas,
etc.
Bevorzugt wird das Wasser zur Bildung des ersten Gemisches und des zweiten Gemisches aus einem gemeinsamen Behälter oder einer gemeinsamen Leitung entnommen.
Insbesondere ist das Wasser für das erste Gemisch und für das zweite Gemisch jeweils ein vollständig entsalztes Wasser, welches bevorzugt aus einer entspre- chenden Wasseraufbereitungsanlage gewonnen wird.
Bevorzugt wird insbesondere der Wassergehalt des ersten Gemisches an die absolute/relative Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft angepasst bzw. korrigiert.
Insbesondere bei einem mobilen Einsatz bspw. in Kraftfahrzeugen ist bevorzugt eine Beheizung des gemeinsamen Behälters bzw. der Behälter vorzusehen, um ein schnelles Auftauen des Wassers nach längeren Fahrzeugstillstand in einer Frostperiode zu gewährleisten. Alternativ kann ein geeignetes Frostschutzmittel, bspw. ein Alkohol, bevorzugt Bioethanol, in das Wasser dosiert werden.
Insbesondere bei frostgefährdeten Anwendungen ist bei WE eine Evakuierungs- funktion der Zuführleitungen vorzusehen und bei KWE eine Spülfunktion, die ge- währleistet, dass im Einspritzsystem bzw. der Zuführleitungen der Verbren- nungskraftmaschine unmittelbar vor bzw. unmittelbar nach dem Abstellen kein Wasser mehr enthalten ist.
Die optionale Aufheizung der Flüssigkeit im Behälter, vorzugsweise im gemein- samen Behälter, auf höhere Temperaturen kann einerseits die Vermi- schung/Verdampfung der Flüssigkeit des ersten Gemischs (WE) im Ansaugrohr (bspw. bei niedrigen Außentemperaturen, noch nicht betriebswarmen Motor, ho- he Luftfeuchtigkeit, etc.) erheblich unterstützen. Parallel kann die Aufheizung der wasserhaltigen Flüssigkeit den die Korrosion im Einspritzsystem begünstigenden Sauerstoffgehalt durch die mit zunehmender Temperatur abnehmende Sauer- stofflöslichkeit erheblich reduzieren. Weiterhin lässt sich über die Flüssigkeits temperatur die Viskosität des zweiten Gemischs einstellen, um die für den Be- trieb optimale Viskosität zu erzielen.
Es wird weiter eine Anordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Ver- brennungskraftmaschine mit mindestens einer Brennkammer, einer mit der Brennkammer zur Zuführung eines ersten Gemisches verbindbaren Zuleitung und einer mit der Brennkammer zur Abführung eines Abgases verbindbaren Ab- gasleitung sowie einer mit der Brennkammer zur Zuführung eines zweiten Gemi- sches verbindbaren Einspritzleitung. Die Anordnung umfasst weiter mindestens einen Behälter zur Bevorratung von Wasser. Das Wasser ist aus dem mindes- tens einen Behälter der Zuleitung zur Bildung des ersten Gemisches und der Einspritzleitung zur Bildung des zweiten Gemisches zuleitbar. Das Wasser kann zwischen dem jeweiligen Behälter und der Zuführung in die Zuleitung bzw. Einspritzleitung aufbereitet werden oder im Behälter bereits aufbe- reitet vorliegen.
Insbesondere ist die Anordnung mit dem beschriebenen Verfahren betreibbar.
Die Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere ein Motor mit Fremdzündung (Otto-Motor) oder ein Motor mit Selbstzündung (Diesel-Motor) oder ein Motor mit homogener Kompressionszündung sein.
Die Anordnung kann insbesondere in einer mobilen Anwendung wie einem Kraft- fahrzeug (z. B. einem PKW, LKW, Bus) oder einer mobilen Maschine (Schiff, Baumaschine, Kran, Traktor, mobiler Stromerzeuger, etc.) eingesetzt werden.
Die Anordnung kann alternativ in einer stationären Anwendung (Stromerzeuger, Blockheizkraftwerk, mit einer Verbrennungskraftmaschine betriebenen Pumpe, etc.) betrieben werden.
Die Anordnung kann eine Steuereinheit zum Betreiben der Verbrennungskraft- maschine aufweisen. Die Steuereinheit ist zur Durchführung des Verfahrens ge- eignet ausgeführt und/oder eingerichtet bzw. führt das Verfahren aus.
Weiter kann die Steuereinheit auch vollständig oder teilweise autark von der Steuereinheit der Verbrennungskraftmaschine ausgeführt sein.
Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.
Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung (insbesondere ein Steuergerät bzw. Teil davon) vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens ausführt. Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veran- lassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschla- genen Verfahrens auszuführen.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Anordnung, das System, das Speichermedium oder das computerimplementierte Verfahren über- tragbar und umgekehrt.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“,„zwei- te“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegen- ständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das angeführte Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbe- sondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Be- standteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinie- ren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Fig. 1 zeigt eine Anord- nung 15.
Die Anordnung 15 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Brenn- kammer 2, einer mit der Brennkammer 2 zur Zuführung eines ersten Gemisches 3 verbindbaren Zuleitung 4 und einer mit der Brennkammer 2 zur Abführung ei- nes Abgases 5 verbindbaren Abgasleitung 6 sowie einer mit der Brennkammer 2 zur Zuführung eines zweiten Gemisches 7 verbindbaren Einspritzleitung 8. Die Anordnung 15 umfasst weiter einen Behälter 14 zur Bevorratung von Wasser 9. Das Wasser 9 ist aus dem Behälter 14 der Zuleitung 4 zur Bildung des ersten Gemisches 3 und der Einspritzleitung 8 zur Bildung des zweiten Gemisches 7 zuleitbar.
Aus einem Tank 16 ist ein Kraftstoff 10 entnehmbar, der in einer Mischvorrich- tung 17 mit dem Wasser 9 zur Bildung einer Emulsion bzw. des zweiten Gemi- sches 7 vermischt wird. Das zweite Gemisch 7 wird über die Einspritzleitung 8 direkt in die Brennkammer 2 überführt.
Die Bildung der Emulsion aus Kraftstoff 10 und Wasser 9 und das Zuführen die ser Emulsion in die Brennkammer 2 wird als KWE (Kraftstoff-Wasser- Einspritzung) bezeichnet.
Über die Zuleitung 4 wird Luft angesaugt, durch den Verdichter 12 des Abgastur- boladers verdichtet, mit dem Wasser 9 aus dem Behälter 14 zur Bildung des ers- ten Gemisches 3 vermischt, über den Wärmetauscher 13 abgekühlt und der Brennkammer 2 zugeführt.
Die Mischung von Luft und Wasser 9 zum ersten Gemisch 3 und die Zuführung des ersten Gemisches 3 in die Brennkammer 2 wird als WE (Wasser- Einspritzung) bezeichnet.
In der Brennkammer 2 wird aus dem ersten Gemisch 3 und/oder dem zweiten Gemisch 7 das dritte Gemisch 11 gebildet. Das dritte Gemisch 11 wird gezündet und verbrannt. Das dabei entstehende Abgas 5 wird über die Abgasleitung 6 aus der Brennkammer 2 an die Umgebung abgeführt.
Es ist auch möglich, der Brennkammer 2 das Wasser 9 nur über das erste Ge- misch 3 oder nur über das zweite Gemisch 7 zuzuführen. Bezugszeichenliste
Verbrennungskraftmaschine
Brennkammer
erstes Gemisch
Zuleitung
Abgas
Abgasleitung
zweites Gemisch
Einspritzleitung
Wasser
Kraftstoff
drittes Gemisch
Verdichter
Wärmetauscher
Behälter
Anordnung
Tank
Mischvorrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (1 ), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1 ) zumindest eine Brennkammer (2) aufweist, in der eine chemische Energie eines Kraftstoff-Luft-Gemisches infolge einer Verbrennung in eine mechanische Energie umgewandelt wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1 ) zumindest eine mit der Brennkammer
(2) zur Zuführung eines ersten Gemisches
(3) verbindbare Zuleitung (4) und eine mit der Brennkammer (2) zur Abführung eines Abgases (5) verbindba- re Abgasleitung (6) sowie eine mit der Brennkammer (2) zur Zuführung ei- nes zweiten Gemisches (7) verbindbare Einspritzleitung (8) aufweist; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
a) Zuführen von Wasser (9) in die Zuleitung
(4) und Bildung des ersten Gemisches (3) zumindest umfassend Luft und Wasser (9); und b) Mischen zumindest von Wasser (9) und Kraftstoff (10) in der Ein- spritzleitung (8) und Bildung des zweiten Gemisches (7).
Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei das Verfahren einen weiteren Schritt c) umfasst, in dem das erste Gemisch (3) und/oder das zweite Ge- misch (7) der Brennkammer (2) zur Bildung eines dritten Gemisches (11 ) zugeführt werden, wobei das dritte Gemisch (1 1 ) im Rahmen einer Ver- brennung umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das zweite Gemisch (7) zumindest teilweise eine Emulsion von Wasser (9) und Kraftstoff (10) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Druck des zweiten Gemisches (7) nach dem Mischen und vor einer Zufüh- rung in die Brennkammer (2) erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das gemäß Schritt a) zugeführte Wasser (9) zumindest
• stromaufwärts eines Verdichters (12),
• stromabwärts eines Verdichters (12),
• stromaufwärts eines mit der Zuleitung (4) wirkverbundenen Wärme- tauschers (13),
• stromabwärts eines mit der Zuleitung (4) wirkverbundenen Wärme- tauschers (13)
zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das zweite Gemisch (7) bis höchstens 35 Vol.-% Wasser (9) umfasst, wobei ei- ne zusätzliche Menge an Wasser (9) über das erste Gemisch (3) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zu- mindest einer der folgenden Anteile von Wasser in Abhängigkeit von min- destens einem Betriebspunktparameter der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angepasst wird:
• ein erster Anteil von Wasser (9) in dem ersten Gemisch (3),
• ein zweiter Anteil von Wasser (9) in dem zweiten Gemisch (7).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Wasser (9) zur Bildung des ersten Gemisches (3) und des zweiten Gemi- sches (7) aus einem gemeinsamen Behälter (14) entnommen wird.
9. Anordnung (15), zumindest umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1 ) mit mindestens einer Brennkammer (2), einer mit der Brennkammer (2) zur Zuführung eines ersten Gemisches (3) verbindbaren Zuleitung (4) und einer mit der Brennkammer (2) zur Abführung eines Abgases (5) verbind- baren Abgasleitung (6) sowie einer mit der Brennkammer (2) zur Zuführung eines zweiten Gemisches (7) verbindbaren Einspritzleitung (8); wobei die Anordnung (15) weiter mindestens einen Behälter (14) zur Bevorratung von Wasser (9) umfasst, wobei das Wasser (9) aus dem mindestens einen Be- hälter (14) der Zuleitung (4) zur Bildung des ersten Gemisches (3) und der Einspritzleitung (8) zur Bildung des zweiten Gemisches (7) zuleitbar ist.
10. Anordnung (15) nach Patentanspruch 9, wobei die Verbrennungskraftma- schine (1 ) mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentan- sprüche betreibbar ist.
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