AT6290U1 - Verfahren zum betreiben einer mit gasförmigem kraftstoff betriebenen brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum (5) eingebrachten Brenngas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer (6) eingeleitet wird. Um auf möglichst einfache Weise die Emissionen zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist vorgesehen, dass in der Vorkammer (6) ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird und das in der Vorkammer (6) enthaltene homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende des Kompressionstaktes spontan und homogen durch einen Selbstzündungsvorgang verbrennt.

Description


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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraft- stoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebs- bereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum eingebrachten Brenn- gas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches in einer Vorkammer eingeleitet wird. 



   Brennverfahren mir Vorkammer kommen unter Anderem in mager (das heisst mit hohem Luft/Kraftstoffverhältnis) betriebenen Gasmotoren ab einem gewissen Zylinderhubvolumen zur Anwendung. Der Vorteil einer Verbrennungseinleitung in der Vorkammer statt direkt im Hauptbrennraum ist, dass auch bei hohen Luft/Kraftstoffverhältnissen geringe Zündenergien ausreichen, um eine effiziente und dennoch schadstoffarme Verbrennung der gesamten Zylinderladung sicherzustellen. 



  Das Brenngas/Luftgemisch strömt dabei während des Verdichtungstaktes aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, so dass in dieser ein brennbares Gemisch zur Verfügung steht. Zur Entflammung des Brenngas/Luftgemisches werden herkömmlicherweise elektrische Zündsysteme oder   Zündstrahlverfahren   angewandt. Im Falle einer elektrischen Funkenzündung wird vielfach noch zusätzlich reines Brenngas oder Brenngas/Luftgemisch in die Vorkammer eingebracht, um am Ort der   Verbrennungseinleitung   ein im Vergleich zum Hauptbrennraum deutlich fetteres und somit zündwilligeres Gemisch zur Verfügung zu haben. 



  Während bei den elektrischen Zündsystemen die Verbrennungseinleitung durch einen Überschlag eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze erfolgt, wird bei dem   Zündstrahlverfahren   eine kleine Menge flüssigen Brennstoffes unter hohem Druck in die Vorkammer eingespritzt. Dieser entzündet sich bei ausreichend hohen Verdichtungstemperaturen selbst und initialisiert in weiterer Folge die Verbrennung des Brenngas/Luftgemisches. 



  Das im Hauptbrennraum befindliche Brenngas/Luftgemisch wird durch aus der Vorkammer strömende Flammenfackeln entflammt. 



  Aus der DE 44 19 429 Al ist ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverzichtenden, aufgeladenen Gasmotors bekannt, bei dem zum Betrieb in die Vorkammer hochverdichteter, gasförmiger Brennstoff eingeblasen und dort zur Entzündung gebracht wird. Die Einblasung erfolgt dabei unter einem Druck von etwa 250 bis 300 bar. Dies erfordert relativ aufwendige Einblasesysteme. Die hohe Verdichtung des Brennstoffes bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsaufwand und damit auch einen zusätzlichen Wirkungsgradverlust. 

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Der Nachteil von   eiekthsch-und zündstrahigezündeten   Verfahren ist, dass in der
Vorkammer verstärkt Stickoxide und unter Umständen auch beträchtliche Parti- kelmengen entstehen, die zu entsprechend hohen motorischen Emissionen dieser
Schadstoffe führen.

   Hinsichtlich dieser Emissionen optimierte Konzepte weisen wiederum den Nachteil auf, dass die Energie der aus der Vorkammer ausströ- menden   Flammenfackeln   gering ist und somit die Verbrennung im Hauptbrenn- raum langsam und mit einem schlechten Wirkungsgrad abläuft. Im Besonderen haben die elektrisch gezündeten Konzepte den weiteren erheblichen Nachteil ei- ner begrenzten Lebensdauer der Zündkerze. Aber auch bei den   Zündstrahlver-   fahren ist mit betrieblichen Problemen der Einspritz- bzw. Einblasevorrichtung zu rechnen. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer mit gasförmigem Brennstoff betriebenen Brennkraftmaschine den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Emissionen zu verringern und die betrieblichen Probleme zu vermeiden. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in der Vorkammer ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch erzeugt wird und das in der Vorkammer enthaltene homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende des Kompressionstaktes spontan und homogen durch einen Selbstzündungsvorgang verbrennt. 



  Die spontane Verbrennung läuft als eine homogene Verbrennung ab, die praktisch zeitgleich die ganze Vorkammer erfasst ("homogenous charge combustion"). Als Zündhilfe kann gegebenenfalls beim Kaltstartvorgang auch eine Zündoder Glühkerze verwendet werden, welche in der Vorkammer oder im Hauptbrennraum angebracht ist. Wesentlich ist, dass bei betriebswarmen Motorbetrieb die Verbrennungseinleitung in der Vorkammer weder durch einen elektrischen Zündfunken noch durch einen flüssigen oder gasförmigen Zündstrahl, sondern durch eine homogene Selbstzündung erfolgt, die praktisch alle Bereich der Vorkammer gleichzeitig erfasst. 



  Dabei ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des in den Hauptbrennraum eingebrachten Brenngas/Luftgemisches während des Verdichtungstaktes in die Vorkammer geschoben wird. Um die Selbstzündung des in der Vorkammer befindlichen   Kraftstoff/Luftgemisches   zu fördern, ist die Vorkammer konstruktiv und durch geeignete Materialwahl   (z. B. :   Keramik) derart ausgeführt, dass das in ihr befindliche Gemisch vor der eigentlichen Verbrennung eine möglichst starke Erwärmung erfährt und somit gegen Ende der Verdichtung (kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) das gesamte Gemisch in der Vorkammer spontan verbrennt.

   Um diesen Selbstzündungsvorgang   verlässlich   einleiten zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Selbstzündungsvorgang in der Vorkammer 

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 durch Beheizen der Vorkammerwände und/oder durch Zufuhr von Restgas initi- iert wird. 



   In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgese- hen, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsel und/oder spätestens während des Ansaugtaktes in die Vorkammer eine zusätzliche Menge von gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff bzw. eines Kraftstoff/Luftgemisches eingebracht wird. Der zusätzliche Kraftstoff wird unter einem Druck bis maximal 50 bar, vorzugsweise bis maximal 10 bar in die Vorkammer einbracht. Wesentlich ist, dass dieser Druck unterhalb des maximalen Verdichtungsdruckes und oberhalb des Ladedruckes liegt. 



  Wenn der   zusätzliche   Kraftstoff zusammen mit Restgas in die Vorkammer eingeblasen wird, so wird die Erwärmung der Vorkammerfüllung vor der Verbrennung gefördert. 



  Die besonders rasche Verbrennung in der Vorkammer führt zu einem starken Druckanstieg und zu sehr energiereichen Flammenfackeln in den Hauptbrennraum mit einem äusserst hohen Impuls, die in weiterer Folge das Brenngas/Luftgemisch im Hauptbrennraum entzünden. Die Verbrennung im Hauptbrennraum ist im Gegensatz zur Vorkammer durch den Lauf einer Flammenfront gekennzeichnet. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich sowohl durch kleinste Emissionen (vor allem hinsichtlich NOx und Partikel) und durch sehr hohe Wirkungsgrade aus. Die geringen Emissionen ergeben sich dadurch, dass in der Vorkammer verfahrensbedingt bei einer homogenen Verbrennung NOx und Partikei nur in geringsten Mengen gebildet werden und im Hauptbrennraum diese Schadstoffe durch ein ausreichend grosses Luftverhältnis ebenfalls klein gehalten werden können. Trotz des hohen Luftverhältnisses im Hauptbrennraum ist durch diese energiereichen, von der Vorkammer in den Hauptbrennraum überströmenden Flammenfackeln eine rasche Verbrennung mit einem guten Wirkungsgrad sichergestellt. 



  Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. 



  Die Figur zeigt schematisch einen Zylinder 1 mit einem hin-und hergehenden Kolben 2 einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine. Das Brenngas/Luftgemisch strömt über den Einlasskanal 3 bei geöffnetem   Einlass-   ventil 4 in den Hauptbrennraum 5 und wird in weiterer Folge während des Verdichtungsvorganges in die Vorkammer 6 geschoben. Gegebenenfalls wird in der Vorkammer 6 noch über eine Einblasvorrichtung 7 reines Brenngas, ein Brenngas/Luftgemisch, ein Flüssiggas oder auch ein flüssiger Kraftstoff zugeführt, um in der Vorkammer 6 ein ausreichend zündwilliges Gemisch zu 

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 in der Vorkammer 6 ein ausreichend zündwilliges Gemisch zu erreichen.

   Die Zu- sammensetzung und damit die Zündwilligkeit des Gemisches in der Vorkammer 6 wird sowohl durch das Brenngas/Luftgemisch, welches aus dem Hauptbrenn- raum 5 in die Vorkammer 6 geschoben wird, als auch durch den gegebenenfalls zusätzlich in die Vorkammer 6 eingebrachten Kraftstoff bestimmt. Die Vorkam- mer 6 ist mit dem Hauptbrennraum 5 über eine oder mehrere Bohrungen 8 strömungsverbunden. 



   Konstruktiv und durch geeignete Materialwahl ist die Vorkammer 6 so ausgeführt, dass das in ihr befindliche Gemisch vor der eigentlichen Verbrennung eine möglichst starke Erwärmung erfährt und somit gegen Ende der Verdichtung, also kurz bevor der Kolben 2 den oberen Totpunkt der Zündung erreicht, das gesamte Gemisch in der Vorkammer 6 spontan verbrennt. Um diesen Selbstzündungsvorgang   verlässlich   einleiten zu können, ist eine Beheizung der Wände der Vorkammer 6 durch eine Heizeinrichtung 9 vorteilhaft. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der zusätzliche Kraftstoff über die Kraftstoffeinbringeinrichtung 7 mit Restgas eingeblasen werden. 



  Die spontane Verbrennung in der Vorkammer 6 läuft als eine homogene Verbrennung ab, die praktisch zeitgleich die ganze Vorkammer 6 erfasst ("homogenous charge combustion"). Als Zündhilfe kann beim Startvorgang gegebenenfalls eine   Zünd- und Glühkerze   10 verwendet werden, welche in der Vorkammer 6 oder im Hauptbrennraum 5 angebracht ist. 



  Die besonders rasche Verbrennung in der Vorkammer 6 führt zu einem starken Druckanstieg und zu sehr energiereichen Flammenfackeln mit einem äusserst hohen Impuls, die in weiterer Folge das Luft/Brenngasgemisch im Hauptbrennraum 5 entzünden. Die Verbrennung im Hauptbrennraum 5 ist im Gegensatz zur Vorkammer 6 durch den Lauf einer Flammenfront charakterisiert. 



  Das beschriebene Verfahren zeichnet sich sowohl durch kleinste Emissionen (vor allem hinsichtlich NOx und Partikel) als auch durch sehr hohe Wirkungsgrade aus. Die geringen Emissionen ergeben sich dadurch, dass in der Vorkammer 6 verfahrensbedingt bei einer homogenen Verbrennung   NOx   und Partikel nur in geringsten Mengen gebildet werden und im Hauptbrennraum 5 diese Schadstoffe durch ein ausreichend grosses Luftverhältnis ebenfalls klein gehalten werden können. Trotz des hohen Luftverhältnisses im Hauptbrennraum 5 ist durch diese energiereichen, von der Vorkammer 6 in den Hauptbrennraum 5 überströmenden Flammenfackeln eine rasche Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt. 

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  Somit können höchste Wirkungsgrade bei gleichzeitig minimalen NO, und Partikelemissionen ermöglicht werden. Zudem entfallen die betrieblichen Probleme von Zündkerzen (Verschleiss) oder Einspritz-, bzw. Einblasesystemen. 



  Im Vergleich mit einer spontanen, homogenen Verbrennung in einem ungeteilten Brennraum ohne Vorkammer lassen sich durch den in Hauptbrennraum 5 und Vorkammer 6 geteilten Brennraum höhere Mitteldrücke und höhere Leistungen erreichen, was speziell bei gasbetriebenen Grossmotoren von besonderer Bedeutung ist. Beim geteilten Brennraum findet die spontane, homogene Verbrennung nur in der Vorkammer 6 statt.

Claims (9)

  1. ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben einer mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei zumindest in einem Motorbetriebsbereich die Verbrennung des in einen Hauptbrennraum (5) eingebrachten Brenn- gas/Luftgemisches durch Entzündung eines zündfähigen Kraft- stoff/Luftgemisches in einer Vorkammer (6) eingeleitet wird, dadurch ge- kennzeichnet, dass in der Vorkammer (6) ein homogenes Kraft- stoff/Luftgemisch erzeugt wird und das in der Vorkammer (6) enthaltene homogene Kraftstoff/Luftgemisch gegen Ende des Kompressionstaktes spontan und homogen durch einen Selbstzündungsvorgang verbrennt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbst- zündungsvorgang in der Vorkammer (6) durch Beheizen der Vorkammer- wände und/oder durch Zufuhr von Restgas eingeleitet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu- mindest ein Teil des in den Hauptbrennraum (5) eingebrachten Brenn- gas/Luftgemisches während des Verdichtungstaktes in die Vorkammer (6) geschoben wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsel und/oder spä- testens während des Ansaugtaktes in die Vorkammer (6) eine zusätzliche Menge von gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff bzw. eines Kraft- stoff/Luftgemisches eingebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzli- che Menge an Kraftstoff oder Kraftstoff/Luftgemisch bei einem Druck unter- halb des maximalen Verdichtungsdruckes eingebracht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Ansaugluft aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge in die Vorkammer (6) unter einem Druck oberhalb des Ladedruckes eingebracht wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge unter einem Druck bis maximal 50 bar, vorzugsweise bis maximal etwa 10 bar, in die Vorkammer (6) eingebracht wird. <Desc/Clms Page number 7>
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge zusammen mit Restgas in die Vor- kammer (6) eingeblasen wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer (6) ein etwa stöchiometrisches Luft/Kraftstoffgemisch erzeugt wird.
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