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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
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Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Brenngas betrieben werden, besteht das Problem, dass am Ende eines Verbrennungsereignisses unverbranntes Brenngas beispielsweise in Feuerstegbereichen, Spalten oder dergleichen in Brennräumen der Brennkraftmaschine verbleibt. Dies liegt insbesondere an Flammlöscheffekten, die an Brennraumwandungen auftreten können. Während der Expansion bei abnehmendem Druck im Laufe der Verbrennung tritt dieses unverbrannte Brenngas aus den Spalten aus und gelangt beim Ausschieben in einen Abgaspfad der Brennkraftmaschine. Dies erhöht in unerwünschter Weise die Kohlenwasserstoffemissionen derselben. Besonders problematisch ist dies bei der Verwendung methanhaltiger Brenngase, weil Methan eine hohe Klimarelevanz hat. Weiterhin sind in diesem Fall auch Formaldehydemissionen problematisch.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2015 223 351 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine hervor, wobei eine Brenngasströmung und eine Verbrennungsluftströmung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine erzeugt werden, wobei die Brenngasströmung in einem in radialer Richtung gesehen inneren Bereich des Brennraums konzentriert wird, wobei die Brenngasströmung von der Verbrennungsluftströmung umgriffen wird. Dadurch wird insbesondere ein Quenching einer Verbrennung in kälteren Bereichen des Brennraums vermieden und das Brenngas möglichst vollständig entflammt und verbrannt, sodass Kohlenwasserstoffemissionen, insbesondere ein Methanschlupf, deutlich reduziert werden können.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 33 17 128 A1 geht eine Brennkraftmaschine hervor, die in einem Sechstakt-Betrieb arbeitet. Dabei schließt sich an einen Expansionshub eines normalen Viertakters ein Kompressionshub zum Verdichten der Verbrennungsprodukte an, dem ein Krafthub durch Expansion der verdichteten Verbrennungsprodukte folgt.
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Auch aus der US-amerikanischen Patentanmeldung
US 2014/0 158 087 A1 geht eine Brennkraftmaschine hervor, die in einem Sechstakt-Betrieb arbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei dem in einer Mehrstoffbetriebsart der Brennkraftmaschine in einem ersten Verbrennungstakt ein erstes Gemisch aus Verbrennungsluft und einem ersten, gasförmigen Brennstoff in einem Brennraum der Brennkraftmaschine zu einem Verbrennungsgas umgesetzt wird, wobei das Verbrennungsgas zumindest teilweise oder vollständig in dem Brennraum gehalten wird, und wobei in einem zweiten Verbrennungstakt ein zweites Gemisch aus dem Verbrennungsgas und einem zweiten, von dem ersten Brennstoff verschiedenen Brennstoff - in demselben Brennraum - zu Abgas umgesetzt wird. Somit ist es möglich, Anteile des ersten, gasförmigen Brennstoffs, die in dem ersten Verbrennungstakt nicht verbrannt wurden, in dem zweiten Verbrennungstakt zusammen mit dem zweiten Brennstoff zu verbrennen. Auf diese Weise kann eine Emission von Anteilen des ersten Brennstoffs vermindert, vorzugsweise vermieden werden, wodurch die Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine gesenkt werden können. Erfindungsgemäß wird in dem ersten Verbrennungstakt eine homogene oder teilhomogene Verbrennung durchgeführt, und in dem zweiten Verbrennungstakt wird eine inhomogene oder geschichtete Verbrennung durchgeführt.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Der erste Verbrennungstakt und der zweite Verbrennungstakt sind vorzugsweise einem selben, gemeinsamen Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine zugeordnet und nur durch einen Kompressionstakt - der vorzugsweise bei geschlossenen Ventilen des Brennraums durchgeführt wird - voneinander getrennt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das noch Bestandteile des unverbrannten, ersten Brennstoffs aufweisende Verbrennungsgas aus dem Brennraum heraus und in der Folge in die Umwelt gelangt.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen auf, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume. Auch andere oder größere oder kleinere Anzahlen von Brennräumen sind möglich.
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Mit dem Begriff „Verbrennungsgas“ wird hier ein Produktgas des ersten Verbrennungstakts bezeichnet, das insbesondere ein Gasgemisch ist, welches sich aus den Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungsluft und dem ersten, gasförmigen Brennstoff, sowie unverbranntem ersten, gasförmigen Brennstoff und nicht umgesetzter Verbrennungsluft zusammensetzt. Mit dem Begriff „Abgas“ wird ein Produktgas des zweiten Verbrennungstakts bezeichnet, welches insbesondere ein Gasgemisch aus den Verbrennungsprodukten der Verbrennung des Verbrennungsgases und des zweiten Brennstoffs ist. Das Verbrennungsgas kann Anteile von während der Verbrennung nicht umgesetzter Verbrennungsluft, insbesondere Sauerstoff und/oder Stickstoff, umfassen. Ebenfalls können Anteile unverbrauchter Verbrennungsluft in dem Abgas enthalten sein.
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Als erster, gasförmiger Brennstoff wird insbesondere ein Brenngas, besonders bevorzugt ein methanhaltiges Brenngas verwendet. Bei dem ersten Brennstoff kann es sich bevorzugt um Erdgas, verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG), komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG), oder ein anderes Brenngas, oder Gemische davon, handeln. Die Vorteile des hier vorgeschlagenen Verfahrens verwirklichen sich in besonderer Weise bei der Verwendung eines methanhaltigen Brenngases als erstem Brennstoff.
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Der zweite, von dem ersten Brennstoff verschiedene Brennstoff ist vorzugsweise ein unter Normalbedingungen, das heißt insbesondere bei 1013 mbar und 25 °C, flüssiger Brennstoff. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass ein solcher Brennstoff bei Expansion keine auch nur annähernd der Volumenzunahme eines Brenngases vergleichbare Volumenzunahme erfährt, sodass allein deswegen das Problem erhöhter Kohlenwasserstoff-Emissionen mit Blick auf den zweiten Brennstoff in deutlich geringerem Maß - wenn überhaupt - besteht, wie mit Blick auf den ersten, gasförmigen Brennstoff. Die Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine werden daher im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens effektiv gesenkt, selbst wenn gegebenenfalls Anteile an unverbranntem zweiten Brennstoff nach dem zweiten Verbrennungstakt verbleiben.
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Das Abgas wird insbesondere aus dem Brennraum ausgebracht. Insbesondere wird das Abgas bevorzugt über einen hierfür vorgesehenen Abgaspfad in eine Umgebung der Brennkraftmaschine geleitet, wobei in dem Abgaspfad in für sich genommen bekannter Weise Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung und insbesondere Abgasreinigung vorgesehen sein können, beispielsweise Partikelfilter, Katalysatoren und/oder dergleichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als zweiter Brennstoff ein Zündöl verwendet wird. Der zweite Brennstoff kann dann zugleich verwendet werden, um die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt zu zünden. Besonders bevorzugt wird als zweiter Brennstoff Diesel, Dimethylether oder Polyoxymethylendimethylether (OME) verwendet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Gemisch in dem ersten Verbrennungstakt durch eine Zugabe einer Zündmenge des zweiten Brennstoffs in den Brennraum gezündet wird. Unter einer Zündmenge wird dabei eine Menge des zweiten Brennstoffs verstanden, die so bemessen ist, dass sie eine Zündung des ersten Gemischs in dem Brennraum bewirkt, wobei sie jedoch höchstens in vernachlässigbarem Umfang zum gesamten energetischen Umsatz in dem Brennraum beiträgt. Der Anteil der in den Brennraum über die Zündmenge des zweiten Brennstoffs eingebrachten Energie ist also in dem ersten Verbrennungstakt im Vergleich zu dem Anteil an in Form des ersten, gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum eingebrachter Energie vernachlässigbar. Eine solche Zündung mithilfe einer Zündmenge des zweiten Brennstoffs wird auch als Zündstrahlzündung bezeichnet. Wird das erste Gemisch durch Zugabe der Zündmenge des zweiten Brennstoffs gezündet, bedarf es in dem Brennraum keiner zusätzlichen Zündeinrichtung. Insbesondere auf eine Zündkerze oder dergleichen kann somit in vorteilhafter Weise verzichtet werden, sodass die Brennkraftmaschine weniger Bauteile aufweist, wobei sie kostengünstiger und wartungsärmer ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine mit einem Arbeitszyklus betrieben wird, der sechs Takte umfasst, wobei ein erster Takt eine Kompression des ersten Gemischs umfasst, wobei ein zweiter Takt, der sich an den ersten Takt anschließt, der erste Verbrennungstakt ist, wobei ein dritter Takt, der sich an den zweiten Takt anschließt, eine Kompression des aus dem ersten Verbrennungstakt resultierenden Verbrennungsgases umfasst, wobei ein vierter Takt, der sich an den dritten Takt anschließt, der zweite Verbrennungstakt ist, wobei ein fünfter Takt, der sich an den vierten Takt anschließt, das Ausbringen des in dem vierten Takt gebildeten Abgases aus dem Brennraum umfasst, und wobei ein sechster Takt, der sich an den fünften Takt anschließt, das Einbringen des ersten Gemischs in den Brennraum umfasst. An den sechsten Takt schließt sich dann wiederum der erste Takt an, sodass die Brennkraftmaschine zyklisch mit einer Abfolge aufeinanderfolgender Arbeitszyklen, die jeweils die hier beschriebenen sechs Takte umfassen, betrieben wird. Zusätzlich zu der Umsetzung der unverbrannten Anteile des ersten Brennstoffs in dem zweiten Verbrennungstakt, was wiederum zusätzlich zu der Senkung der Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine auch deren Wirkungsgrad erhöht, da der erste Brennstoff vollständig oder zumindest nahezu vollständig genutzt wird, ergibt sich bei dem hier beschriebenen Arbeitszyklus von sechs Takten der Vorteil, dass dieser zwei Arbeitstakte auf insgesamt sechs Takte aufweist, was einem Anteil der Arbeitstakte am Arbeitszyklus von 1:3 entspricht. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zu einem herkömmlichen Arbeitszyklus mit vier Takten, bei dem der Anteil des einzigen Arbeitstakts am gesamten Arbeitszyklus nur 1:4 beträgt. Der hier beschriebene Arbeitszyklus mit sechs Takten liegt somit zwischen dem herkömmlichen Viertaktbetrieb einer Brennkraftmaschine und einem Betrieb mit einem nur zwei Takte umfassenden Arbeitszyklus, bei dem der Anteil des Arbeitstakts am gesamten Arbeitszyklus 1:2 beträgt. Gegenüber einem Arbeitszyklus mit zwei Takten weist der hier vorgeschlagene Arbeitszyklus mit sechs Takten jedoch einen deutlich effizienteren Betrieb im Sinne einer verbesserten Nutzung des eingesetzten Brennstoffs und deutlich verringerten Kohlenwasserstoff-Emissionen auf.
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Der Vollständigkeit wegen wird darauf hingewiesen, dass die Zählung oder Zuordnung der einzelnen Takte auch in anderer als der beschriebenen Weise vorgenommen werden kann. Es muss also nicht zwingend der Takt, in welchem das erste Gemisch komprimiert wird, als erster Takt gezählt werden. Vielmehr kann die Zählung bei jedem beliebigen Takt des Arbeitszyklus begonnen werden. Eine besonders intuitive Zählweise kann beispielsweise vorgenommen werden, indem der Takt, in dem das erste Gemisch in den Brennraum eingebracht wird, als erster Takt bezeichnet wird.
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Das erste Gemisch wird in dem sechsten Takt vorzugsweise angesaugt. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine wenigstens einen Verdichter aufweist, mit welchem Verbrennungsluft oder ein vorgemischtes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch aus der Verbrennungsluft und dem ersten Brennstoff, mithin das erste Gemisch, verdichtet wird. Insbesondere ist es also möglich, dass das erste Gemisch vorgemischt in den Brennraum eingebracht wird. Der erste Brennstoff kann insbesondere mittels einer Mehrpunkteinspritzung oder einer Einpunkteinspritzung in einen Ladepfad der Brennkraftmaschine eingebracht werden. Es ist auch eine Zumischung des ersten Brennstoffs stromaufwärts des Verdichters möglich, sodass die Brennkraftmaschine als gemischaufgeladene Brennkraftmaschine betrieben wird. Es ist aber auch eine Direkteindüsung des ersten Brennstoffs in den Brennraum möglich, wobei das erste Gemisch dann in dem Brennraum erzeugt wird, sodass über wenigstens ein dem Brennraum zugeordnetes Einlassventil nur Verbrennungsluft in den Brennraum eingebracht wird.
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Der zweite Brennstoff wird vorzugsweise mittels Direkteinspritzung in den Brennraum eingebracht. Somit kann insbesondere durch den für den zweiten Brennstoff gewählten Einspritzzeitpunkt zugleich ein Zündzeitpunkt festgelegt werden. Dies gilt insbesondere für den zweiten Verbrennungstakt, aber - bei Zündstrahlzündung - auch für den ersten Verbrennungstakt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem ersten Verbrennungstakt eine homogene oder teilhomogene Verbrennung des ersten Gemischs durchgeführt wird. Dieses kann insbesondere - wie bereits beschrieben - vorgemischt in den Brennraum eingebracht werden oder in diesem homogen oder zumindest teilhomogen erzeugt werden. Insbesondere ist die Verbrennung in dem ersten Verbrennungstakt als ottomotorische Verbrennung mit vorgemischter Flammenfront ausgestaltet.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass in dem zweiten Verbrennungstakt eine inhomogene oder geschichtete Verbrennung durchgeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Verbrennung mit Diffusionsflamme durchgeführt. Die zweite Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt wird insbesondere als dieselmotorische Verbrennung mit Diffusionsflamme durchgeführt.
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Während in dem ersten Verbrennungstakt unverbrannter, erster Brennstoff insbesondere in Spalten des Brennraums verbleibt, verteilt sich dieser während der Expansion durch den fallenden Druck in dem Brennraum. In dem zweiten Verbrennungstakt erfolgt dann vorteilhaft eine Einbringung des zweiten Brennstoffs in die vorhandene Brennraumfüllung, die aus Verbrennungsluft, Verbrennungsprodukten aus der ersten Verbrennung, die auch als Restgas bezeichnet werden, und unverbranntem ersten Brennstoff besteht. Der unverbrannte erste Brennstoff wird dann während des zweiten Verbrennungstakts verbrannt, sodass er zum Energieumsatz beiträgt, wobei sein Energiegehalt als Arbeit genutzt werden kann. Zugleich wird die Restmenge des unverbrannten ersten Brennstoffs verbrannt, wobei der Brennraum quasi als Thermoreaktor für die Restmenge des ersten Brennstoffs wirkt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Brennraum zugeordnete Ventile zwischen dem zweiten Takt und dem dritten Takt sowie während des dritten Takts geschlossen gehalten werden. Zwischen dem ersten Verbrennungstakt und dem zweiten Verbrennungstakt findet also kein Gasaustausch zwischen dem Brennraum und dessen Umgebung statt, vielmehr wird das Verbrennungsgas vollständig in dem Brennraum gehalten und für den zweiten Verbrennungstakt, mithin den vierten Takt, genutzt. Insbesondere wird wenigstens ein dem Brennraum zugeordnetes Auslassventil geschlossen gehalten. Vorzugsweise werden alle dem Brennraum zugeordneten Auslassventile geschlossen gehalten. Zusätzlich wird bevorzugt wenigstens ein dem Brennraum zugeordnetes Einlassventil geschlossen gehalten. Vorzugsweise werden alle dem Brennraum zugeordneten Einlassventile geschlossen gehalten. Besonders bevorzugt werden überhaupt alle dem Brennraum zugeordneten Ventile zwischen dem zweiten Takt und dem dritten Takt sowie während des dritten Takts geschlossen gehalten. Insbesondere in diesem Fall wird das Verbrennungsgas vollständig in dem Brennraum gehalten.
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Es ist aber auch möglich, dass zumindest ein dem Brennraum zugeordnetes Ventil, vorzugsweise wenigstens ein Auslassventil, in dem dritten Takt zeitweise, insbesondere zu Beginn des dritten Takts, geöffnet wird. Auf diese Weise können Druckspitzen im Brennraum abgebaut werden, wobei kaum eine relevante Kohlenwasserstoffemission aus dem Brennraum auftritt, da zum Zeitpunkt der Öffnung des Ventils in dessen Bereich zumindest nahezu kohlenwasserstoff- und insbesondere methanfreies Abgas angeordnet ist. Die Expansion der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erfolgt nämlich hauptsächlich aus einem Ringspalt um einen Kolben herum, der zu Beginn des dritten Taktes in der Nähe seines unteren Totpunkts und damit von dem Ventil entfernt angeordnet ist. Das Ventil wird vorzugsweise zwischen einem dem unteren Totpunkt zu Beginn des dritten Taktes zugeordneten Kurbelwellenwinkel, der im Folgenden als Totpunkt-Kurbelwinkel bezeichnet wird, und 120 Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) nach dem Totpunkt-Kurbelwinkel, bevorzugt zwischen dem Totpunkt-Kurbelwinkel und 90 °KW nach dem Totpunkt-Kurbelwinkel, bevorzugt zwischen dem Totpunkt-Kurbelwinkel und 60 °KW nach dem Totpunkt-Kurbelwinkel, bevorzugt zwischen dem Totpunkt-Kurbelwinkel und 30 °KW nach dem Totpunkt-Kurbelwinkel, bevorzugt zwischen dem Totpunkt-Kurbelwinkel und 15 °KW nach dem Totpunkt-Kurbelwinkel, geöffnet, vorzugsweise jeweils für den gesamten hier angegebenen Kurbelwellenwinkelbereich, oder nur zeitweise innerhalb dieses Bereichs. In diesen Fällen wird das Verbrennungsgas zumindest teilweise in dem Brennraum gehalten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erstes Gemisch in dem ersten Verbrennungstakt ein mageres Gemisch umgesetzt wird. Die Brennkraftmaschine arbeitet dann insbesondere als Magergasmotor, wodurch ihr Wirkungsgrad besonders hoch sein kann. Besonders bevorzugt wird das erste Gemisch mit einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambdawert bezeichnet wird, von mindestens zwei, vorzugsweise von zwei, erzeugt. Dadurch, dass in dem ersten Verbrennungstakt ein mageres Gemisch verbrannt wird, ist zugleich gewährleistet, dass auch für die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt noch ausreichend Verbrennungsluft in dem Brennraum vorliegt, obwohl bevorzugt kein Gasaustausch zwischen dem Brennraum und der Umwelt zwischen dem ersten Verbrennungstakt und dem zweiten Verbrennungstakt stattfindet.
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Die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt findet bevorzugt oberhalb einer Rußgrenze statt. Hierdurch wird die Brennraumleistung - insbesondere auch abhängig von dem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis des ersten Gemischs - unter Umständen reduziert. Diese spezifische Leistungsreduktion ist allerdings nicht stark ausgeprägt, insbesondere da eine Mitteldruckabsenkung selbst auf 50 % in dem zweiten Verbrennungstakt durch den Magergasbetrieb in dem ersten Verbrennungstakt noch ausgeglichen wird.
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Dass die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt oberhalb der Rußgrenze stattfindet, bedeutet insbesondere, dass die Menge des in dem zweiten Verbrennungstakt in den Brennraum eingebrachten, zweiten Brennstoffs so bemessen wird, dass eine Rußbildung bei der zweiten Verbrennung vernachlässigbar ist, vorzugsweise verhindert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine in einer Einstoffbetriebsart mit einem vier Takte umfassenden Arbeitszyklus betrieben wird, wobei in dem einzigen Verbrennungstakt der vier Takte ein drittes Gemisch aus Verbrennungsluft und nur dem zweiten Brennstoff, oder aus Verbrennungsluft und nur dem ersten Brennstoff, umgesetzt wird. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine insbesondere auch dann, wenn die Versorgung mit einem der beiden Brennstoffe ausfällt, mit dem anderen der beiden Brennstoffe weiterbetrieben werden. Insbesondere wenn die Brenngasversorgung, mithin die Versorgung mit dem ersten Brennstoff, ausfällt, kann die Brennkraftmaschine mit dem vier Takte umfassenden Arbeitszyklus allein auf Basis des zweiten Brennstoffs, insbesondere im Dieselbetrieb, betrieben werden. Auch eine Versorgung allein mit dem ersten Brennstoff ist aber möglich, wobei es dann gegebenenfalls einer zusätzlichen Zündeinrichtung in dem Brennraum bedarf, um das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, welches nur den ersten Brennstoff umfasst, zu zünden. Allerdings ist insbesondere bei großen Brennkraftmaschinen mit hohen Mitteldrücken auch eine Kompressionszündung des ersten, gasförmigen Brennstoffs durchaus möglich.
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Die vier Takte des vier Takte umfassenden Arbeitszyklus sind in für sich genommen bekannter, herkömmlicher Weise ein Kompressionstakt, ein sich daran anschließender Verbrennungstakt oder Arbeitstakt, ein sich daran anschließender Ausschiebe- oder Ausbringtakt zum Ausstoßen von Abgas, und ein sich an diesen wiederum anschließender Ansaugtakt oder Einbringtakt zum Erzeugen des brennbaren Gemischs in dem Brennraum.
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Dass das dritte Gemisch nur den zweiten Brennstoff oder nur den ersten Brennstoff aufweist, bedeutet insbesondere, dass das dritte Gemisch frei ist von dem ersten Brennstoff, wenn es nur den zweiten Brennstoff aufweist, wobei es frei ist von dem zweiten Brennstoff, wenn es nur den ersten Brennstoff aufweist.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Brennkraftmaschine in einer Einstoffbetriebsart mit einem sechs Takte umfassenden Arbeitszyklus betrieben wird, wobei jedoch in dem ersten Verbrennungstakt und in dem zweiten Verbrennungstakt der sechs Takte nur der zweite Brennstoff - und nicht der erste Brennstoff - oder nur der erste Brennstoff - und nicht der zweite Brennstoff - verbrannt wird. Insbesondere wenn in dem ersten Verbrennungstakt eine magere Verbrennung stattfindet, kann die verbleibende Verbrennungsluft für eine zweite Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt genutzt werden, auch wenn nur ein Brennstoff eingesetzt wird.
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Mithilfe der hier beschriebenen Einstoffbetriebsarten der Brennkraftmaschine kann insbesondere ein Weiterbetrieb gewährleistet werden, auch wenn die Versorgung mit einem der Brennstoffe ausfällt. Somit kann insbesondere eine „limp home“-Funktion bereitgestellt werden. So kann beispielsweise ein mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine betriebenes Schiff auch dann noch sicher in einen Hafen gebracht werden, wenn eine Versorgung mit einem der verwendeten Brennstoffe ausfällt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass zwischen der Mehrstoffbetriebsart und der Einstoffbetriebsart durch Ansteuerung eines dem Brennraum zugeordneten, variablen Ventiltriebs umgeschaltet wird. Dies betrifft insbesondere die Ansteuerung der Gaswechselventile des Brennraums, insbesondere der Auslassventile und Einlassventile. Mithilfe eines solchen variablen Ventiltriebs kann insbesondere zwischen einem sechs Takte umfassenden Arbeitszyklus und einem vier Takte umfassenden Arbeitszyklus umgeschaltet werden.
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Zum Umstellen zwischen der Mehrstoffbetriebsart und der Einstoffbetriebsart wird vorzugsweise außerdem eine Brennstoffzufuhr für den Brennraum der Brennkraftmaschine umgeschaltet, sodass einerseits dem Brennraum in der Mehrstoffbetriebsart der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff zugeführt werden, wobei andererseits in der Einstoffbetriebsart dem Brennraum nur einer der beiden Brennstoffe zugeführt wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich dabei insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
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Der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine erste Brennstoffzufuhr für den ersten Brennstoff sowie eine zweite Brennstoffzufuhr für den zweiten Brennstoff zugeordnet. Weiter weist die Brennkraftmaschine bevorzugt einen variablen Ventiltrieb auf.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um die Brennkraftmaschine in der Mehrstoffbetriebsart und vorzugsweise auch in der Einstoffbetriebsart zu betreiben, insbesondere anzusteuern.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren und der Brennkraftmaschine ist insbesondere vorteilhaft, dass in dem zweiten Verbrennungstakt hohe Temperaturen zur direkten Oxidation insbesondere von Methan bereitgestellt werden können, ohne dass es der Verwendung von Methanoxidationskatalysatoren oder zusätzlichen Thermoreaktoren bedarf. Weiterhin werden die in dem ersten Verbrennungstakt nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe im zweiten Arbeitstakt genutzt, wobei deren chemische Energie in Arbeit umgewandelt wird, wobei der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe insbesondere bei Magergasmotoren 1 % bis 2 % der eingebrachten Brennstoffenergie betragen kann. Im Rahmen des Verfahrens entstehen geringe Stickoxidanteile im Abgas durch die sehr magere Verbrennung in dem ersten Verbrennungstakt sowie die geringe Stickoxidbildung im zweiten Verbrennungstakt aufgrund der inhärent sehr hohen Abgasrückführraten - das in dem Brennraum für den zweiten Verbrennungstakt verbleibende Verbrennungsgas der ersten Verbrennung enthält einen hohen Abgasanteil - wobei zugleich ein hoher Wasseranteil im Brennraum während der zweiten Verbrennung aus der ersten Verbrennung vorliegt. Die intrinsisch realisierten, hohen Abgasrückführraten für die zweite Verbrennung haben weiterhin zur Folge, dass es keiner externen Abgasrückführung bedarf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine sowie einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die als Hubkolbenmotor ausgebildet ist, wobei die Brennkraftmaschine 1 einen Brennraum 3 aufweist, der einerseits von einer Zylinderwandung 5 und andererseits von einem Kolben 7 begrenzt ist, wobei das Volumen des Brennraums 3 in herkömmlicher Weise durch periodische Bewegung des Kolbens 7 in einem die Zylinderwandung 5 aufweisenden Zylinder 9 variierbar ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 wird in einer Mehrstoffbetriebsart so betrieben, dass in einem ersten Verbrennungstakt ein erstes Gemisch aus Verbrennungsluft und einem ersten, gasförmigen Brennstoff, insbesondere einem bevorzugt methanhaltigen Brenngas, in dem Brennraum 3 zu Verbrennungsgas umgesetzt wird, wobei das Verbrennungsgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in dem Brennraum 3 gehalten wird, wobei in einem zweiten Verbrennungstakt ein zweites Gemisch aus dem Verbrennungsgas und einem zweiten, von dem ersten Brennstoff verschiedenen, vorzugsweise flüssigen Brennstoff, zu Abgas umgesetzt wird. Das Abgas wird anschließend aus dem Brennraum 3 ausgebracht. Auf diese Weise können unverbrannte Anteile des ersten Brennstoffs aus dem ersten Verbrennungstakt in dem zweiten Verbrennungstakt umgesetzt werden, wobei deren Energieanteil in Arbeit gewandelt werden kann, und wobei die Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine 1 in vorteilhafter Weise und zugleich auf einfache und kostengünstige Art reduziert werden.
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Als zweiter Brennstoff wird vorzugsweise ein Zündöl, insbesondere Diesel, Dimethylether oder Polyoxymethylendimethylether (OME), verwendet.
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Das erste Gemisch wird in dem ersten Verbrennungstakt bevorzugt durch eine Zugabe einer Zündmenge des zweiten Brennstoffs in den Brennraum 3 gezündet.
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Bevorzugt wird in dem ersten Verbrennungstakt als erstes Gemisch ein mageres Gemisch, vorzugsweise mit einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis von mehr als 2 oder gleich 2, verbrannt.
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In der Figur ist dargestellt, dass die Brennkraftmaschine 1 in der Mehrstoffbetriebsart in einem Arbeitszyklus betrieben wird, der sechs Takte umfasst, die hier von a) bis f) dargestellt sind.
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Dabei wird in einem ersten Takt - dargestellt bei a) - das vorzugsweise magere, erste Gemisch komprimiert. In einem bei b) dargestellten zweiten Takt wird das erste Gemisch - vorzugsweise durch Zugabe einer Zündmenge des zweiten Brennstoffs in den Brennraum 3 - gezündet und zu dem Verbrennungsgas umgesetzt. Aufgrund des fallenden Drucks im Brennraum 3 expandiert dabei der unverbrannte erste Brennstoff und verteilt sich in dem Brennraum 3.
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In einem bei c) dargestellten dritten Takt erfolgt eine Kompression des in dem zweiten Takt gebildeten Verbrennungsgases, wobei der unverbrannte, erste Brennstoff nicht mehr in Spalten des Brennraums 3 gesammelt vorliegt, sondern vielmehr in dem Brennraum 3 verteilt.
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In einem bei d) dargestellten, vierten Takt erfolgt schließlich die Umsetzung des zweiten Gemischs aus dem Verbrennungsgas und dem zweiten Brennstoff zu Abgas, wobei bevorzugt eine Dieselverbrennung durchgeführt wird. Der zweite Brennstoff wird dabei insbesondere durch Direkteinspritzung in den Brennraum 3 eingebracht. In dem zweiten Verbrennungstakt wird zugleich der Energieinhalt des unverbrannten, ersten Brennstoffs genutzt und in Arbeit umgewandelt. Die Dieselverbrennung in dem vierten Takt findet vorzugsweise oberhalb einer Rußgrenze statt, sodass die Brennkraftmaschine 1 rußarm betrieben werden kann.
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In einem bei e) dargestellten fünften Takt wird das in dem vierten Takt gebildete Abgas aus dem Brennraum 3 ausgeschoben.
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In einem bei f) dargestellten sechsten Takt wird schließlich das erste Gemisch in den Brennraum 3 eingebracht, insbesondere vorgemischt angesaugt oder direkt in dem Brennraum 3 erzeugt.
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In dem ersten Verbrennungstakt erfolgt insbesondere eine homogene oder teilhomogene Verbrennung, besonders bevorzugt eine ottomotorische Verbrennung mit vorgemischter Flammenfront. In dem zweiten Verbrennungstakt erfolgt bevorzugt eine inhomogene oder geschichtete Verbrennung, insbesondere eine dieselmotorische Verbrennung mit Diffusionsflamme.
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Dem Brennraum 3 zugeordnete Ventile, insbesondere Gaswechselventile, insbesondere Auslassventile und Einlassventile, werden zwischen dem zweiten Takt und dem dritten Takt sowie während des dritten Takts geschlossen gehalten. Somit findet insbesondere kein Gasaustausch zwischen dem Brennraum 3 und dessen Umgebung zwischen dem zweiten Takt, mithin der ersten Verbrennung, und dem vierten Takt, mithin der zweiten Verbrennung, statt. Allein der zweite Brennstoff wird für die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungstakt, mithin dem vierten Takt, vorzugsweise mittels Direkteinspritzung, in den Brennraum eingebracht.
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Es ist aber auch möglich, dass zumindest ein dem Brennraum 3 zugeordnetes Ventil, vorzugsweise wenigstens ein Auslassventil, in dem dritten Takt zeitweise, insbesondere zu Beginn des dritten Takts, geöffnet wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 kann in einer Einstoffbetriebsart bevorzugt mit einem vier Takte umfassenden Arbeitszyklus betrieben werden, wobei in dem einzigen Verbrennungstakt der vier Takte ein drittes Gemisch aus Verbrennungsluft und nur dem zweiten Brennstoff, oder aus Verbrennungsluft und nur dem ersten Brennstoff umgesetzt wird. Alternativ ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine in der Einstoffbetriebsart mit einem sechs Takte umfassenden Arbeitszyklus betrieben wird, wobei sowohl in dem ersten Verbrennungstakt als auch in dem zweiten Verbrennungstakt nur der zweite Brennstoff, oder nur der erste Brennstoff verbrannt wird. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine 1 auch weiter betrieben werden, wenn eine Versorgung mit einem der beiden Brennstoffe ausfällt. Insbesondere kann so eine „limp home“-Funktion für die Brennkraftmaschine 1 bereitgestellt werden.
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Zwischen der Mehrstoffbetriebsart und der Einstoffbetriebsart wird bevorzugt durch Ansteuerung eines dem Brennraum 3 zugeordneten variablen Ventiltriebs umgeschaltet.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren sowie der Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, auf wenig aufwändige, kostengünstige Weise nicht nur die Kohlenwasserstoffemissionen insbesondere der als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 zu senken, sondern auch den Energiegehalt eines gasförmigen Brennstoffs besser als in bekannten Gasmotoren auszunutzen und in Arbeit umzusetzen.