DE102004016260B4

DE102004016260B4 - Vorrichtung für fremdgezündete Gasmotoren

Info

Publication number: DE102004016260B4
Application number: DE102004016260A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Mooser; Anko Ernst
Original assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: DE102004016260A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Gas/Luft-Gemisches in einer Vorkammer (2) eines Gasmotors, welches folgende Schritte aufweist:
Bestimmen des Druckverlaufes in einem Brennraum (4) des Gasmotors;
Betätigen eines zwischen einer externen Gasversorgung und der Vorkammer (2) angeordneten Ventils (5) zum Befüllen der Vorkammer (2),
Steuern des Ventils (5) abhängig vom bestimmten Brennraumdruckverlauf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für fremdgezündete Gasmotoren zur Absenkung von Schadstoffemissionen durch Abmagerung der Frischladung, wobei eine separate Gasversorgung über eine gespülte Vorkammer durch Gaszuführkanäle zum Brennraum unter Zwischenschaltung von Ventilen erfolgt.
Bei derartigen Gasmotoren besteht der Konflikt zwischen dem Erreichen eines hohen Wirkungsgrades und geringer Schadstoffemission. Hierbei wird in der Praxis durch Abmagerung der Frischladung eine deutliche Absenkung der Schadstoffemission erreicht und der dadurch hervorgerufene Leistungsverlust durch Aufladung kompensiert. Durch die Abmagerung der Frischladung sinkt gleichzeitig die Entflammbarkeit, so daß eine Erhöhung der Zündenergie unbedingt erforderlich ist.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wird bei Großgasmotoren der Brennraum unterteilt. Hierbei wird ein mit einer Zündkerze sicher zu entflammendes Gemisch in eine Vorkammer gebracht und die um die Energie der Gemischmenge verstärkte Zündenergie wird über getrennte Kanäle zugeführt, die die Reaktion im Hauptbrennraum sicher auslösen.
Bei dieser Form der Zündenergieverstärkung wird zwischen gespülter – separate Versorgung mit Brenngas – und ungespülter – Haupt- und Vorkammer werden mit gleichem Gas-/Luft-Gemisch versorgt – Vorkammer unterschieden.
Für die separate Brenngasversorgung von gespülten Vorkammern gibt es unterschiedliche bekannte Lösungen.
Einmal wird die Gasversorgung über ein Rückschlagventil im Gaszuführkanal während des Ansaugtaktes gewährleistet.
Bei Unter- bzw. Überschreitung eines Drucks im Hauptbrennraum und der Vorkammer eines Wertes, für den das jeweilige Ventil durch Berücksichtigung der wirksamen Drücke und den maßgeblichen Flächen ausgelegt ist, öffnet bzw. schließt das Rückschlagventil. Dieses Druckniveau liegt auf jeden Fall unter dem Gasdruck der separaten Gasversorgungsleitung. Für den Fall, daß das Niveau unterschritten wird, strömt eine verhältnismäßig kleine Menge an Gas in die Vorkammer.
Ein Druck in der Versorgungsleitung wird durch einen Druckregler um ein definiertes Maß höher als der Ladedruck in der Ansaugleitung eingestellt. Somit ist es möglich, die Vorkammerfüllmenge zu beeinflussen.
Diese Ventile sind in ihrem Öffnungs- und Schließverhalten an ihre einmal vorgenommene Auslegung gebunden. Eine Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände des Motors ist nur über die Druckregelung der separaten Gasversorgung möglich. Verfahrensbedingt kann dies zu relativ großen Diskrepanzen in der Versorgung einzelner Vorkammern führen. Sehr häufig stellt die getroffene Auslegung der Ventile einen Kompromiß aus konstruktionsbedingten Erfordernissen und der zu gewährleistenden Funktionsfähigkeit und der angestrebten Lebensdauer dar.
Hieraus resultierend kann es zu Zündaussetzern und den damit verbundenen Last- und Drehzahlschwankungen im Motorbetrieb kommen. Eine wirkungsgrad- und emissionsoptimierte Abstimmung mit Hilfe des Rückschlagventils ist nur eingeschränkt möglich. Des weiteren kommt es aufgrund des bei dieser Funktionsweise unvermeidlichen Gaseinlaß bei geöffneten Auslaßventilen zum Verlust von Gasmenge. Diese steht nicht für die Verstärkung der Zündenergie zur Verfügung, vielmehr wirkt sie sich nachteilig auf die THC-Emission und den Wirkungsgrad des Motors aus. Eine zylinderselektive Steuerung ist mit der mechanischen Zwangssteuerung nicht realisierbar. Verfahrensbedingt kann dies zu relativ großen Diskrepanzen in der Versorgung einzelner Vorkammern führen.
Zur Gasversorgung von gespülten Vorkammern ist es auch bekannt, eine mechanische Zwangssteuerung von Ventilen vorzunehmen. Bei dem Konzept der mechanischen Zwangssteuerung wird die Gasversorgung über ein traditionelles Ventil mit entsprechendem Ventiltrieb während des Ansaugtaktes gewährleistet.
Trotz der Tatsache, daß das mechanische gesteuerte Ventil unabhängig von Strömungs- und Druckverhältnissen arbeitet, ist für die Gewährleistung der allgemeinen Funktionsweise und Betriebssicherheit die Wahrung einer definierten Druckdifferenz zum Ladeluftdruck zwingend erforderlich. Hierbei muß der Druck in der Vorkammergasleitung auf jeden Fall über dem Ladeluftdruck liegen. Die Steuerzeiten des Ventils sind so gestaltet, daß bei einem Druckniveau oberhalb der definierten Druckdifferenz die Ventile geschlossen sind und bei einem Druckniveau unterhalb der definierten Druckdifferenz die Ventile geöffnet sind. Für den Fall, daß das Niveau unterschritten wird, strömt eine verhältnismäßig kleine Menge an Gas in die Vorkammer.
Der Druck in der Versorgungsleitung wird durch einen Druckregler, um ein definiertes Maß, höher als der Ladedruck in der Ansaugleitung eingestellt, um eine Einflußnahme auf die Gasmenge in der Vorkammer zu ermöglichen.
Zwangsgesteuerte Ventile sind in ihrem Öffnungs- und Schließverhalten an ihre einmal vorgenommene Auslegung gebunden. Eine Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände des Motors sind nur über die Druckregelung der separaten Gasversorgung möglich.
Aus DE 692 28 131 T2 ist ein Gasmotor bekannt, der Zuführungsmittel oder -leitungen zum Zuführen einer geregelten Menge von gasförmigem Brennstoff zu einem Bereich neben einer Zündquelle im Motor aufweist. Der Motor weist eine Vorkammer bzw. Vorzone und einen Brennraum auf, die miteinander in Verbindung stehen. Die Zuführungsmittel weisen erste und zweite Zuführungsleitungen zum Zuführen von gasförmigem Kraftstoff jeweils zu der Vorzone und zum Brennraum auf, und weisen weiter Gasregelungsmittel bzw. Gasventile zum Regeln der relativen Anteile von gasförmigem Kraftstoff auf, der von den ersten und zweiten Zuführungsmitteln zugeführt wird. Weiterhin sind getrennte Luftzuführungsmittel zur Einleitung von Luft in den Brennraum vorgesehen. Ein Abgasemissionsanalysegerät analysiert die Abgasemissionen und erzeugt ein Signal, welches über Signalzuführungsmittel zur einem Motormanagementsystem übertragen wird.
Im Betrieb wird Luft in den Brennraum über die getrennten Luftzuführungsmittel in den Brennraum geleitet, während gasförmiger Brennstoff einerseits durch Zuführmittel zur Vorkammer geleitet wird und andererseits durch andere Zuführmittel zum Brennraum geleitet wird. Der Anteil des Brennstoffes, der in die Vorkammer eingeleitet wird, wird dabei in einem festen Verhältnis der insgesamt in die Vorkammer und in die Brennkammer eingeleiteten Gasmenge gesteuert. Dabei wird Gas in einer Größenordnung von 1 bis 10% in die Vorkammer und von 90 bis 99% in die Brennkammer geleitet. Dieses Verhältnis wird durch die Auslegung der Gasventile bei der Konstruktion des Motors einmalig festgelegt. Das Motormanagementsystem ist vorgesehen, um abhängig von den Abgasemissionen die Einleitung von Luft und gasförmigem Brennstoff zu steuern. Weiterhin ist das Motormanagementsystem zur Regelung von anderen Betriebsparametern des Motors geeignet, wie beispielsweise zur Regelung der Motordrehzahl, der Drosselposition, der Motorphase, der dynamischen Motorlast und der Batteriespannung.
Der Artikel "TBG632 – Ein neuer Großgasmotor mit hohem Wirkungsgrad" aus MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2002), Nr. 2., Seiten 136 bis 144, behandelt Einzelheiten zur Konstruktion eines Gasmotors. Die Ausführungen beziehen sich auf die Konstruktionsweise des Gasmotors, der besonders wirtschaftlich ist und einen hohen Wirkungsgrad hat. Weiterhin ist der Motor leicht zugänglich für Wartungsarbeiten. In dem Artikel ist ein Zylinderdruckverlauf für verschiedene Steuerzeiten und Verdichtungsverhältnisse abgebildet.
Diese Beziehungen sind zur Verdeutlichung der Zusammenhänge verschiedener Motorparameter mit dem Methanzahlbedarf anwendbar. Der Methanzahlbedarf ist für den dort teilweise verwendeten Miller-Steuerzyklus wichtig. Jedoch wird der beschriebene Gasmotor wird nicht abhängig vom Zylinderdruckverlauf gesteuert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine zusätzliche Gaszufuhr, das Luft-/Gasgemisch in der Vorkammer unabhängig vom Luft-/Gasgemisch im Hauptbrennraum sicher zu entzünden und die Gaszufuhr zwangsweise zu ermöglichen sowie bei Erhöhung des Wirkungsgrades die Gesamtemission herabzusetzen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß das Ventil zur direkten Gaszuführung in den Brennraum über ein Steuergerät in Abhängigkeit eines einstellbaren Zylinderdruckverlaufs erfolgt und über das Steuergerät bezüglich Einlaßzeitpunkt und Einlaßdauer unter Berücksichtigung vorgegebener niedrigerer Vorkammergasmengen und niedrigerer Emission das Ventil verstellbar ist.
Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß zur Gasdosierung in gespülte Vorkammern die Möglichkeit einer genaueren und vor allem in einem weiten Bereich beeinflußbaren Gaszufuhr in Vorkammern besteht. Es wird des weiteren möglich, dieses zylinderselektiv zu tun. Hierdurch können auch die Einflüsse einer schwingenden Gassäule in der Vorkammergasleitung kompensiert werden. Über die Steuerung der Öffnungsdauer wird es möglich, ein auf den Betriebspunkt des Motors abgestimmtes und gewünschtes Mischverhältnis (Lambda) von hoher Qualität und Reproduzierbarkeit zu erzeugen.
Aufgrund dieser Vorteile der Ausbildung besteht die Möglichkeit, die für Ottomotoren typischen Zyklenschwankungen zu verringern und Zündaussetzer zu vermeiden. Bei konsequenter Umsetzung des Funktionsschemas ist gegenüber anderen Lösungen für die separate Gasversorgung von nachweisbaren Änderungen des Gesamtwirkungsgrades und der Gesamtemission auszugehen.
Ferner wird vorgeschlagen, daß das Steuergerät zusätzlich in Abhängigkeit einer Gasdruckvariabilität in der Vorkammergasleitung das Ventil im Gaszuführkanal steuert.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung wird dadurch geschaffen, daß das Ventil als Magnetventil ausgebildet ist.
Zum Schutz vor eventuell schadhaften Auswirkungen – hoher Zünddruck, klopfender Verbrennung und hoher Gastemperatur – ist vorgesehen, daß dem Ventil ein Rückschlagventil vorgeschaltet ist.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 einen oberen Teil eines Hauptbrennraumes eines Gasmotors;
2 eine Prinzipdarstellung einer Zuordnung des Steuergerätes zum Ventil und
3 eine Öffnungsdiagramm der Ventile mit Angabe des idealen Arbeitsbereiches der durch das Steuergerät beeinflußten Gaszuführung.
Bei dem dargestellten Zylinderkopf 1 eines Gasmotors ist eine gespülte Vorkammer 2 und ein getrennter Gaszuführkanal 3 zur Versorgung eines Brennraums 4 mit Gas für die Zündenergie angeordnet, wobei der übliche Zündprozeß über eine Zündkerze 8 erfolgt. In dem Gaszuführkanal 3 ist ein Magnetventil 5 in einen Aufnahmebereich 6 angeordnet und der Auslaß mündet direkt in den Brennraum 4.
Das Magnetventil 5 wird in diesem Fall von einem Steuergerät 7 geschaltet, daß über eine nicht näher dargestellte Recheneinheit einen Einlaßzeitpunkt und eine Einlaßdauer unter Berücksichtigung vorgegebener niedrigere Vorkammergasmenge und niedriger Emission einstellbar bzw. steuerbar ist.
Zusätzlich ist vorgesehen, daß das Steuergerät 7 in Abhängigkeit einer Gasdruckvariabilität in der Vorkammergasleitung das Magnetventil 5 steuert, so daß die Öffnungsdauer des Magnetventils 5 erweiterbar bzw. frei wählbar ist.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Gas/Luft-Gemisches in einer Vorkammer (2) eines Gasmotors, welches folgende Schritte aufweist: Bestimmen des Druckverlaufes in einem Brennraum (4) des Gasmotors; Betätigen eines zwischen einer externen Gasversorgung und der Vorkammer (2) angeordneten Ventils (5) zum Befüllen der Vorkammer (2), Steuern des Ventils (5) abhängig vom bestimmten Brennraumdruckverlauf.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner das Bestimmen eines Gasdruckes in einer Gasleitung zur Vorkammer (2) vorgesehen ist, wobei der bestimmte Gasleitungsdruck in die Steuerung des Ventils (5) eingeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventile (5) für jeden Brennraum (4) jeweils einzeln gesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eine Optimierung der Menge des Gas/Luft-Gemisches hinsichtlich niedrigerer Emissionen erreicht.
Vorrichtung zum Befüllen einer Vorkammer (2) eines Gasmotors mit gespülter Vorkammer und separatem Brennraum, die Folgendes aufweist: eine externe Gasversorgung, die über Gaszuführkanäle mit der Vorkammer (2) und dem Brennraum (4) in Verbindung steht; wenigstens ein steuerbares Ventil (5), das in dem Gaszuführkanal zwischen der Gasversorgung und der Vorkammer (2) angeordnet ist; Mittel zur Bestimmung eines Druckverlaufes im Brennraum (4); und eine Steuervorrichtung zum Steuern des wenigstens einen steuerbaren Ventils (5) zumindest teilweise anhand des Brennraumdruckverlaufes.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ventil (5) ein Magnetventil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei zwischen dem Ventil (5) und der Vorkammer (2) ein Rückschlagventil angeordnet ist.