DE3523855A1

DE3523855A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3523855A1
Application number: DE19853523855
Authority: DE
Inventors: Rolf Leonhard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1987-01-08
Also published as: JPS6210464A; DE3665623D1; EP0208136A2; EP0208136A3; EP0208136B1; US4722303A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Abwärmerückgewinnung durch endotherme Kraftstoffvergasung, beispielsweise Methanol-Vergasung ist beispielsweise aus "Methanol Decomposition Bottoming Cycle for IC Engines" (SAE Technical Paper Series 790427) be kannt. Die dort vorgeschlagene Methanol-Vergasung sieht vor, das Spaltgas der Ansaug- bzw. der Ladeluft zuzumischen. Da mit kann zwar gegenüber einem Betrieb mit flüssigem Kraft stoff der Gesamtwirkungsgrad um max. 20 % gesteigert werden, die maximale Leistung bzw. Motorlast ist jedoch deutlich ge ringer als die mögliche Vollast des konventionellen Diesel- oder Ottomotors, da sich der Luftliefergrad entsprechend der zugeführten Gasmenge vermindert und unter Umständen Klopfen auftritt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Anwendung bei hochverdichteten Brennkraftmaschinen mög lich ist und daß durch die Kombination von Abwärmeausnutzung zur endothermen Methanol-Vergasung und Hochdruckeinblasung des aus Wasserstoff und Kohlenoxid bestehenden Spaltgases der Gesamtwirkungsgrad gegenüber Dieselbetrieb bis zu 30 % ge steigert werden kann. Diese Gesamtwirkungsgradsteigerung re sultiert aus der 20%-igen Heizwertsteigerung infolge der en dothermen Methanol-Vergasung in Verbindung mit einer Erhö hung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Motors infolge der Hochdruckeinblasung des Spaltgases gegen Ende der Ver dichtungsphase.

Aufgrund des um 20 % höheren auf die stöchiometrische Luft menge bezogenen Heizwertes und der Motorwirkungsgradsteige rung aufgrund der besseren Luftausnutzung ist auch eine Lei stungssteigerung um ca. 30 % gegenüber Dieselbetrieb möglich. Ferner ist durch den Gasbetrieb eine Abgasentgiftung hinsicht lich Ruß, Kohlenwasserstoffen und NOx zu erwarten.

Anders als bei Betrieb mit Flüssigmethanol müssen bei der Vor vergasung keine hohen Reinheitsanforderungen an den Kraftstoff gestellt werden. Technisch nur mit hohem Aufwand zu vermei dende Beimischungen von Wasser oder anderen Alkoholen beein flussen zwar Wirkungsgrad und Leistungsausbeute geringfügig, sind jedoch für den einwandfreien Betrieb des Motors nicht störend.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Durch die Hochdruckvergasung des Methanols entsteht der Vorteil, daß der Spaltgasreaktor sehr kompakt ausgebildet sein kann, da bei der zur Vergasung notwendigen Verweilzeit das Reaktorvolumen proportional dem Druck abnimmt. Ferner kann der Spaltgasreaktor gleichzeitig die Funktion ei nes Gasspeichers haben, was im Hinblick auf instationäre Betriebszustände vorteilhaft ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu tert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 drei vereinfachte Schaltschema ta einer Brennkraftmaschine und eines Spaltgasreaktors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Einer Brennkraftmaschine 1, die einen Verbraucher 2 antreibt, wird die für die Verbrennung erforderliche Luft durch Ansau gen oder durch Aufladen bei 3 zugeführt. Ihrem Brennraum wird Spaltgas, das vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht und das aus Methanol erzeugt wird, durch ein Einblase ventil 4 zugeleitet. Die der Last und den übrigen Betriebsbe dingungen der Brennkraftmaschine 1 angepaßte Gasmenge wird von einem Magnetventil 5 dosiert, das mit einem den Zeitpunkt und die Dauer der Einblasung steuernden Zentraleinheit 6 verbunden ist. Das Spaltgas wird unter hohem Druck, beispielsweise in einem Bereich von 80 bis 100 bar, während des Verdichtungs hubes eingeblasen, wobei eine möglichst späte Einspritzung angestrebt wird.

Das Spaltgas, das bei vollständiger Durchgasung aus Wasser stoff und Kohlenmonoxid im Volumenverhältnis 2 : 1 besteht, wird bei dem zur Einblasung erforderlichen Druck in einem Vergasungsreaktor 8 erzeugt, dem ein Verdampfer 9 vorge schaltet ist. Eine Hochdruckpumpe 10 fördert das flüssige Methanol aus einem Vorratsbehälter 11 in den Verdampfer 9 und hält zusammen mit einem Druckregelventil 12 den hohen Gasdruck im Vergasungsreaktor 8 aufrecht.

Die zur Vergasung des Methanols in Spaltgas notwendige Enthal pie wird aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 gedeckt, das diese bei 14 verläßt. Der Vergasungsreaktor 8 ist vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmetauscher, beispielsweise als Multi-Röhren reaktor ausgebildet. Zur möglichst vollständigen Nutzung der Wärmeenergie des Abgases erfolgt die Vergasung katalytisch bei Reaktionstemperaturen von ca. 250 bis 300° C. Eine Stei gerung der Abwärmerückgewinnung läßt sich zusätzlich erzie len, wenn das flüssige Methanol vor Eintritt in den Verdamp fer 9 in einem Wärmetauscher 15 durch das Kühlwasser bzw. die Kühlluft der Brennkraftmaschine 1 vorgewärmt wird.

Die Brennkraftmaschine 1 kann sowohl mit Funkenzündung im Otto-Verfahren oder mit Selbstzündung im Diesel-Verfahren be trieben werden. Gegenüber bekannten Otto-Brennkraftmaschinen kann wegen der Gaseinblasung gegen Ende der Verdichtung das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, z. B. auf ε = 13 bis 15, ohne daß Klopfgefahr auftritt. Aus gleichem Grund kann das bei direkteinspritzenden Dieselmotoren übliche Verdich tungsniveau von ε = 15 bis 20 beibehalten werden.

Da beim Start und beim Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 Abwärme zum Erzeugen des Spaltgases fehlt, wird beim Aus führungsbeispiel nach Fig. 1 während des Verdichtungshu bes flüssiges Methanol durch eine Einspritzdüse 17 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Die Ein spritzmenge, der Zeitpunkt und die Dauer der Einspritzung werden von einem Magnetventil 18 gesteuert, das ebenfalls mit der Steuereinheit 6 verbunden ist und in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 ge steuert wird. Während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine 1 wird das Verhältnis zwischen direkt eingespritztem, flüs sigem Methanol und vom Vergasungsreaktor 8 erzeugtem Spalt gas dem Abwärmerückgewinn angepaßt und kontinuierlich ver ändert.

Alternativ zur Einspritzung von flüssigem Methanol in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1 wird beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 2 das Methanol durch die Einspritzdüse 17 in das Luft-Saugrohr 20 eingespritzt. Um das Kraftstoff-Luft verhältnis weitgehend der Gemischbildung anzupassen, ist im Saugrohr 20 eine Drosselklappe 21 angeordnet, deren Stellung mittels eines Stellmotors 22 in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen dem in das Saugrohr 20 eingespritzen Methanol und dem Spaltgas aus dem Vergasungsreaktor 8 sowie den Betriebs bedingungen kontinuierlich verändert wird. Der Stellmotor 22 ist dazu ebenfalls mit der Steuereinheit 6 verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 handelt es sich um ei ne selbstzündende Brennkraftmaschine 1 mit einem Verdich tungsverhältnis von ε = 15 bis 20. Die Zündung des Gemisches aus Spaltgas und Luft erfolgt hier durch Hochdruckeinspritzung von zündwilligem Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff. Der Anteil des zur Zündung verwendeten zusätzlichen Kraftstof fes beträgt im Normalbetrieb energetisch ca. 5 bis 10% der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie. Der zusätzliche Zünd kraftstoff wird aus einem Vorratsbehälter 23 entnommen, von einer Einspritzpumpe 24 dosiert und durch eine Einspritzdüse 25 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt. Zum Dosieren der Kraftstoffeinspritzmengen ist die Einspritz pumpe 24 mit der Steuereinheit 6 verbunden. Wenn zur voll ständigen Spaltung des Methanols die Abgaswärme der Brenn kraftmaschine 1 nicht ausreicht, wie z. B. beim Start oder Warmlauf, wird der Anteil des eingespritzten Zündkraftstoffs erhöht.

Claims

1.Verfahren zum Betrieb einer freisaugenden oder aufgelade nen Brennkraftmaschine mit einem aus Methanol erzeugten Spaltgas und Luft, bei dem das Methanol in einem Vergasungs reaktor unter Ausnutzung der Wärme des von der Brennkraftma schine abgegebenen Abgases vergast wird, dadurch gekennzeich net, daß das Spaltgas unter Hochdruck direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine (1) eingeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Methanol unter Hochdruck in einem Vergasungsreaktor (8) ver gast wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsdruck dem Einblasdruck angepaßt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einblasdruck im Bereich von 80 bis 100 bar liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Spaltgas während des Verdichtungshu bes der Brennkraftmaschine (1) in deren Brennraum einge blasen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt und die Zeitdauer der Einblasung von einem Betriebsdaten der Brennkraftmaschine (1) verarbeitenden Steuergerät (6) gesteuert wird, das ein eine Spaltgasmenge zumessendes Magnetventil (5) ansteuert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Methanol vor der Vergasung in einem dem Vergasungsreaktor (8) vorgeschalteten Verdampfer (9) ebenfalls unter Hochdruck verdampft wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Methanol vor dem Verdampfen in einem vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine (1) getriebenen Wärmetauscher (15) vorgewärmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltgas/Luft-Gemisch im Brenn raum der Brennkraftmaschine 1 durch Hochdruckeinspritzung von zündwilligem Kraftstoff mit einem energetischen Ener gieanteil von 5 bis 10% gezündet wird.