DE102009016461A1

DE102009016461A1 - Zündanordnung für einen Gasmotor, mit dieser ausgerüsteter Gasmotor und Verfahren zum Betreiben des Gasmotors

Info

Publication number: DE102009016461A1
Application number: DE102009016461A
Authority: DE
Inventors: Armin Grabmaier; Ingo Wilke
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-04-04
Filing date: 2009-04-04
Publication date: 2010-10-07
Also published as: FI20105072A0; FI20105072A; KR101174543B1; CN101858244A; JP2010242739A; KR20100110714A

Abstract

Zündanordnung für einen Gasmotor, mit dieser ausgerüsteter Gasmotor und Verfahren zum Betreiben des Gasmotors, wobei die Zündanordnung eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines auf einem Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls in eine Vorkammer eines Zylinders des Gasmotors und eine Zündungs-Auslösevorrichtung mit einer wärmebasierten Zündeinrichtung aufweist, die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zündungs-Auslösevorrichtung zusätzlich eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung aufweist, die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanordnung für einen Gasmotor, einen mit einer solchen Zündanordnung ausgerüsteten Gasmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasmotors.
Gasmotoren sind Verbrennungskraftmaschinen, die als Kraftstoff anstelle von flüssigen Kraftstoffen z. B. Erd-, Flüssig-, Holz-, Bio-, Deponie-, Grubengase oder Wasserstoff verwenden können. Der Einsatz der Gasmotoren erfolgt z. B. in stationär betriebenen Anlagen zur Kraftwärmekopplung oder z. B. als Schiffsantrieb.
Für Gasmotoren steht seit kurzem ein Zündverfahren zur Verfügung, mit dem die Gasmotoren mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung bei gleichzeitig niedrigen Emissionen betrieben werden können. Dieses Zündverfahren ist auch als PGI(Performance Gas Injection)-Zündverfahren bekannt und beruht darauf, dass ein Brenngasgemisch bzw. Zündgas unter hohem Druck in eine Vorkammer eines Zylinders des Gasmotors eingespritzt wird, wobei sich das Zündgas an einer heißen Oberfläche, wie z. B. einer Glühkerze, in der Vorkammer unter Flammenbildung entzündet. Bei der Verbrennung des Zündgases dehnt sich dieses aus und entflammt über Verbindungsöffnungen zu einem Hauptbrennraum des Zylinders ein dort eingebrachtes Brenngasgemisch.
Aus DE 102 17 996 A1 ist eine solche Zündanordnung für einen Gasmotor bekannt, wobei die Zündanordnung eine Zündungs-Auslösevorrichtung mit einer wärmebasierten Zündeinrichtung hat, die in einer Vorkammer des Gasmotors angeordnet ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden eines in die Vorkammer eingespritzten Zündgasstrahls.
Eine weitere solche Zündanordnung ist z. B. in DE 10 2007 019 882 A1 beschrieben.
Der PGI-Gasmotor basiert gemäß dem Stand der Technik ausschließlich auf der Zündung an einer heißen Oberfläche, wie z. B. einem Glühstift. Der Glühstift wird dabei in den unteren Lastbereichen aktiv beheizt, um die erforderliche Temperatur zur Zündung zu erreichen. Erst ab höheren Motorlastbereichen kann die aktive Beheizung abgeschaltet werden, da der Energieeintrag über die Verbrennung dann ausreichend ist, um das für die Zündung erforderliche Temperaturniveau zu halten.
Die Regelung der Glühstifttemperatur hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, da auf der einen Seite eine Überheizung des Glühstifts vermieden werden muss (um die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer dessen nicht zu stark zu beeinträchtigen), auf der anderen Seite aber immer eine gewisse Mindesttemperatur (zur Erzielung von Zündstabilität) gehalten werden muss. Gerade im Teillastbereich ist eine Abstimmung sehr schwierig und wird zusätzlich erschwert durch notwendige Schutzmaßnahmen am Glühstift (Hotspot). Kleinste Fertigungstoleranzen am Hotspot können das Heizverhalten des Glühstifts soweit verändern, dass eine Standard-Temperaturregelung nicht mehr richtig funktionieren kann.
Ferner führt ein Ausfall des Glühstifts zum Ausfall des ganzen Gasmotors. Ein weiterer Nachteil der aktiv beheizten Glühstiftzündung besteht darin, dass insbesondere für den Start des Gasmotors extrem hohe Temperaturen benötigt werden, die die Standfestigkeit des Glühstifts erheblich beeinträchtigen. Das zur Zündung erforderliche Temperaturniveau sinkt mit steigenden Ladedrücken des Gasmotors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündanordnung für einen Gasmotor bereitzustellen, mit der eine erhöhte Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors erzielbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen mit einer solchen Zündanordnung ausgerüsteten Gasmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasmotors bereitzustellen.
Die o. g. Aufgaben werden mit einer Zündanordnung gemäß Anspruch 1, einem Gasmotor gemäß Anspruch 9 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Zündanordnung für einen Gasmotor, insbesondere einen PGI-Gasmotor, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines auf einem Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls in eine Vorkammer eines Zylinders des Gasmotors und eine Zündungs-Auslösevorrichtung mit einer wärmebasierten Zündeinrichtung auf, die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls. Die erfindungsgemäße Zündanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zündungs-Auslösevorrichtung zusätzlich eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung aufweist, die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.
Gemäß der Erfindung wird eine wärmebasierte Zündeinrichtung mit einer Zündfunken-Erzeugungseinrichtung kombiniert. Dies hat u. a. den Vorteil, dass beim Starten des Gasmotors und im unteren Lastbereich, wo nur geringe Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls, ein stabiles Zünden des Zündgasstrahls durch die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung gewährleistet werden kann. Damit wird auf einfache und sichere Weise die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors, insbesondere auch beim Start und in unteren bis mittleren Motorlastbereichen, erhöht.
Durch die Unterstützung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung ist es möglich, auf die beim Stand der Technik erforderlichen hohen Heiztemperaturen für die wärmebasierte Zündeinrichtung zu verzichten, was die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer der wärmebasierten Zündeinrichtung erhöht und damit zusätzlich die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors verbessert.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird auch der beim Stand der Technik auftretende Konflikt zwischen Vermeidung von Überhitzung der wärmebasierten Zündeinrichtung und Erhaltung einer Mindesttemperatur dieser gelöst, so dass die Steuerung, insbesondere Regelung, der Zündanordnung erleichtert wird. Ferner ist das System nun hinsichtlich Fertigungstoleranzen nicht mehr so störungsanfällig, wodurch die Fertigung vereinfacht wird und damit Kosten eingespart werden können.
Ferner kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung durch ihre Redundanzwirkung als Back-Up-Zündsystem bzw. Reservezündsystem eingesetzt werden, wenn die wärmebasierte Zündeinrichtung durch z. B. eine Funktionsstörung nicht betrieben werden kann. Dies erhöht zusätzlich die Ausfallsicherheit des Gasmotors.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung weist die wärmebasierte Zündeinrichtung einen Glühkörper auf.
Durch die Realisierung mit einem Glühkörper, d. h. als separates Element, ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die wärmebasierte Zündeinrichtung nach Ablauf ihrer Lebensdauer bzw. bei Beschädigung auszutauschen. Dies reduziert einerseits die Instandhaltungskosten und erhöht andererseits zusätzlich die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Zündanordnung gemeinsam mit der Vorkammer in einem in den Zylinderkopf eines Gasmotors montierbaren, wie z. B. einschraubbaren, Einsatz realisiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung ist der Glühkörper eingerichtet zum ausschließlichen Beheizen dessen per Brenngasgemisch-Verbrennung.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist eine passiv (nur durch die Verbrennung in der Vorkammer) beheizte wärmebasierte Zündeinrichtung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung kombiniert. Der Vorteil hierbei ist, dass die nur passiv beheizte wärmebasierte Zündeinrichtung für den oberen Motorlastbereich sehr zuverlässig, günstig, einfach und standfest ausgelegt werden kann. Zum Starten bis zum mittleren Motorlastbereich kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verwendet werden.
Der Glühkörper kann jedoch auch mit einer aktiven Heizung kombiniert sein, um die Temperatur aktiv regeln zu können, womit man eine bessere Kontrolle der Glühzündung bewirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die wärmebasierte Zündeinrichtung mit einer Flammenfalle (Flame Trap) kombiniert sein, welche eine Reaktionskammer mit wenigstens einer Öffnung bereitgestellt, wobei ein Mager-Streckungs-Grenzwert (Lean-Stretch-Limit) von Luft/Gas/Abgas-Gemisch und die starke Temperaturabhängigkeit der chemischen Radikalbildung (notwendig für die Entflammung) ausgenutzt werden, um eine punktgenaue Zündung zu realisieren.
Dabei wird über die wenigstens eine Öffnung im Innenraum der Reaktionskammer durch geeignete Strömungsbewegungen (in der Vorkammer) während des Verdichtungstaktes ein hoher Anteil an heißem Abgas aus einem vorangegangenen Verbrennungstakt gesammelt. Dadurch wird während des gesamten Verdichtungstaktes eine hohe Temperatur im Innenraum der Reaktionskammer realisiert. Durch den heißen Abgas-Anteil kann sich während des gesamten Verdichtungstaktes auch ohne eigentliche Verbrennung eine hohe Konzentration an chemischen Radikalen im Innenraum der Reaktionskammer bilden. Über die wenigstens eine Öffnung in die Reaktionskammer einströmende Gasanteile können somit auch ohne eigentliche Flammenfront oxidiert werden, was die Temperatur und die Radikalkonzentration im Innenraum zusätzlich erhöht.
Wenn das in den Innenraum der Reaktionskammer einströmende Gemisch durch den Zündgasstrahl in ein geeignetes Zündfester gebracht wird, kann die Flammenfront aus der Reaktionskammer austreten. Entscheidende Parameter der Flammenfalle sind dabei die interne Gastemperatur (mindestens ca. 1150 K), das Volumen und die Geometrie der wenigstens einen Öffnung.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung eingerichtet, Zündfunken auf Basis von Elektroenergie zu erzeugen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung stellt eine einerseits kostengünstige und andererseits sehr gut steuerbare, insbesondere regelbare, Realisierung für die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung bereit. Ferner weist diese Ausgestaltung der Erfindung durch die verschleißarme Zündfunkenerzeugung mit Elektroenergie eine hohe Lebensdauer und durch die im Wesentlichen nur zwei Funkenelektroden benötigende Lösung eine hohe Wartungsfreundlichkeit auf.
Gemäß noch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung weist diese ferner eine Zündspannungs-Steuereinrichtung auf, die elektrisch mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verbunden ist zum Bereitstellen einer elektrischen Zündspannung an der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Zündfunken, wobei die Zündspannungs-Steuereinrichtung eingerichtet ist, einen Betrag der Zündspannung in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors zu steuern.
Durch die Steuerung, insbesondere Regelung, des Betrages bzw. der Höhe der Zündspannung kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung je nach Betriebszustand des Gasmotors mit der dafür erforderlichen Zündspannung betrieben werden, was durch reduzierten Verschleiß an den Funkenelektroden eine erhöhte Lebensdauer und durch die Optimierung des Zündverhaltens eine erhöhte Betriebsstabilität bewirkt.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung ist die Zündspannungs-Steuereinrichtung eingerichtet, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum Starten des Gasmotors und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls mit Zündspannung zu versorgen und, wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors die Versorgung der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit Zündspannung zu unterbrechen.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung nur dann eingesetzt, wenn nicht ausreichend Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls. Damit wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verschleißarm bzw. schonend betrieben, so dass ihre Lebensdauer und damit die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors erhöht und die Wartungskosten reduziert werden.
Zum Bestimmen der Temperatur der wärmebasierten Zündeinrichtung, insbesondere der Temperatur des Glühkörpers, kann der die wärmebasierte Zündeinrichtung mit einem Temperatursensor versehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung ist die Zündspannungs-Steuereinrichtung eingerichtet, der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung in einem unteren Motorlastbereich einen geringeren Betrag an elektrischer Zündenergie als in einem mittleren Motorlastbereich bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es im unteren Motorlastbereich ausreichend ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit geringer Leistung zu betreiben, um eine stabile Zündung zu gewährleisten. Durch den besonders verschleißarmen Betrieb der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung im unteren Motorlastbereich erhöht sich die Lebensdauer der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beträchtlich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündanordnung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung von einer elektrischen Zündkerze gebildet.
Dies hat u. a. die Vorteile, dass Zündkerzen als Massenartikel preiswert und zeitnah bereitstellbar sind und in einfacher Weise austauschbar sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gasmotor mit einer Zündanordnung gemäß einer oder allen zuvor genannten Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt Der erfindungsgemäße Gasmotor weist, da er mit einer erfindungsgemäßen Zündanordnung gemäß einer oder allen der beschriebenen Ausführungen der Erfindung ausgestattet ist, auch die jeweils genannten Vorteile auf.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer Zündanordnung gemäß einer oder allen zuvor genannten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ausgerüsteten Gasmotors bereitgestellt, wobei die Einspritzvorrichtung korrespondierend zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders des Gasmotors einen Zündgasstrahl in die Vorkammer des Zylinders einspritzt, zum Starten des Gasmotors und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung in der Vorkammer auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verwendet wird zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls, und wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung in der Vorkammer auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt ist, im Normalbetrieb des Gasmotors (d. h. einem Betrieb ohne Betriebsstörungen) ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung verwendet wird zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die wärmebasierte Zündeinrichtung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung kombiniert. Dies hat u. a. den Vorteil, dass, auch wenn nicht ausreichend Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls, ein stabiles Zünden des Zündgasstrahls durch die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung gewährleistet werden kann. Damit wird auf einfache und sichere Weise die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors erhöht.
Durch die Unterstützung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung ist es möglich, auf die beim Stand der Technik erforderlichen hohen Heiztemperaturen (durch aktive Beheizung) für die wärmebasierte Zündeinrichtung zu verzichten, was die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer der wärmebasierten Zündeinrichtung erhöht und damit zusätzlich die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors verbessert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch der beim Stand der Technik auftretende Konflikt zwischen Vermeidung von Überhitzung der wärmebasierten Zündeinrichtung und Erhaltung einer Mindesttemperatur dieser gelöst, so dass die Steuerung, insbesondere Regelung, der Zündanordnung erleichtert wird.
Ferner kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung durch ihre Redundanzwirkung als Back-Up-Zündsystem bzw. Reservezündsystem eingesetzt werden, wenn die wärmebasierte Zündeinrichtung durch z. B. eine Funktionsstörung ausgefallen ist und somit kein Normalbetrieb des Gasmotors möglich ist. Dies erhöht zusätzlich die Ausfallsicherheit des Gasmotors.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beim Starten des Gasmotors und von einem unteren bis einschließlich zu einem mittleren Motorlastbereich des Gasmotors verwendet zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.
Auf diese Weise kann gerade beim Starten des Gasmotors und in unteren bis mittleren Motorlastbereichen, wo nur geringe Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls, ein stabiles Zünden des Zündgasstrahls durch die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung gewährleistet werden kann.
Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem oberen Motorlastbereich des Gasmotors ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung verwendet zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls. D. h., in höheren Motorlastbereichen, in denen ausreichend Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls, kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung ausgeschaltet werden und verschleißarm und kostengünstig (stromsparend) lediglich mit der wärmebasierten Zündeinrichtung gefahren werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Zündfunken eine elektrische Zündspannung bereitgestellt, wobei ein Betrag der elektrischen Zündenergie in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors gesteuert wird.
Durch die Steuerung, insbesondere Regelung, des Betrages bzw. der Höhe der Zündspannung kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung je nach Betriebszustand des Gasmotors mit der dafür erforderlichen Zündspannung, d. h. elektrischen Zündenergie betrieben werden, was durch reduzierten Verschleiß an den Zündelektroden eine erhöhte Lebensdauer und durch die Optimierung des Zündverhaltens eine erhöhte Betriebsstabilität bewirkt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung in einem unteren Motorlastbereich ein geringerer Betrag an Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie als in einem mittleren Motorlastbereich bereitgestellt.
Wie oben erwähnt, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass es im unteren Motorlastbereich ausreichend ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit geringer Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie zu versorgen, um eine stabile Zündung zu gewährleisten. Durch den damit besonders verschleißarmen Betrieb der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung im unteren Motorlastbereich erhöht sich die Lebensdauer der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beträchtlich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben.
1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Gasmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Teilansicht eines mit dem PGI-Verfahren arbeitenden Gasmotors 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Gasmotor 1 weist eine Mehrzahl von Verbrennungs-Zylindern 10 auf, von denen in der 1 nur einer gezeigt ist.
Jeder Verbrennungs-Zylinder (im Folgenden einfach Zylinder) 10 weist eine Vorkammer 20 mit Überströmöffnungen 21 und 22 zu einem Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 auf.
Die Vorkammer 20 eines jeden Zylinders 10 ist mit einer Zündanordnung 30 versehen, mit der ein in den Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 eingespritztes Brenngasgemisch zum Auslösen eines Arbeitshubes bzw. Expansionshubes eines Kolbens (nicht gezeigt) des Zylinders 10 entzündbar ist.
Die Zündanordnung 30 weist jeweils eine Einspritzvorrichtung 40 zum unter hohem Druck Einspritzen eines auf Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls 41 in die Vorkammer 20 des Zylinders 10 und eine Zündungs-Auslösevorrichtung 50 auf.
Die Zündungs-Auslösevorrichtung 50 weist eine wärmebasierte Zündeinrichtung 60, die in der Vorkammer 20 angeordnet ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41 sowie eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 auf, die in der Vorkammer 20 angeordnet ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
Die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 weist eine wie Eingangs beschriebene, als Hohlkörper ausgebildete Flammenfalle (Flame Trap) bzw. Reaktionskammer 61 sowie einen als Glühstift ausgebildeten Glühkörper 62 auf.
Die Flammenfalle 61 ist aus einem hitzebeständigen Material, wie z. B. Stahl oder Keramik, hergestellt und weist einen Innenraum 61a auf, der über wenigstens eine Öffnung 61b bestimmter Größe (insbesondere bestimmten Durchmessers) zugänglich ist.
Der Glühkörper 62 ist eingerichtet zum passiven bzw. ausschließlichen Beheizen dessen per Brenngasgemisch-Verbrennung in der Vorkammer 20 bzw. dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Glühkörper 62 auch als aktiv beheizbares Element (d.h. mit einer Eigenheizung versehen) ausgebildet sein.
Die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 ist eingerichtet, Zündfunken auf Basis von Elektroenergie zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist eine Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 vorgesehen, die über elektrische Leitungen 81 elektrisch mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 verbunden ist zum Bereitstellen einer elektrischen Zündspannung an der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 zum Erzeugen von Zündfunken.
Die Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 ist eingerichtet, einen Betrag der Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors 1 zu steuern, insbesondere zu regeln, so dass der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 in einem unteren Motorlastbereich einen geringeren Betrag an Zündspannung als in einem mittleren Motorlastbereich bereitgestellt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der untere Motorlastbereich mit etwa 1 Prozent bis etwa 40 Prozent der Motornennleistung definiert, ist der mittlere Motorlastbereich mit etwa 41 Prozent bis etwa 70 Prozent der Motornennleistung definiert und ist der obere Motorlastbereich mit etwa 71 Prozent bis etwa 100 Prozent der Motornennleistung definiert. Andere Bereichsaufteilungen bezüglich der Motorlast sind ebenfalls als in den Umfang der Erfindung mit eingeschlossen zu betrachten.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 von einer elektrischen Zündkerze gebildet, die in die Vorkammer 20 eingeschraubt ist, so dass zwei Funkenelektroden 71, 72 der Zündkerze in die Vorkammer 20 hineinragen.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des mit der Zündanordnung 50 ausgerüsteten Gasmotors 1 beschrieben.
In jedem Fall spritzt zur Auslösung eines Arbeitshubes bzw. Expansionshubes des Kolbens des Zylinders 10 des Gasmotors 1 die Einspritzvorrichtung 40 korrespondierend zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders 10 einen Zündgasstrahl 41 in die Vorkammer 20 des Zylinders 10 ein.
Zum Starten des Gasmotors 1 und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem der Glühkörper 62 der wärmebasierten Zündeinrichtung 60 per Brenngasgemisch-Verbrennung in der Vorkammer 20 bzw. im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete Temperatur aufgeheizt ist, wird die Zündfunken- Erzeugungseinrichtung 70 verwendet zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
D. h., die Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 ist so eingerichtet, dass die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 zum Starten des Gasmotors 1 und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 (bzw. deren Glühkörper 62) per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete Mindesttemperatur von etwa 1150 K bzw. 877°C aufgeheizt ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41) mit Zündspannung versorgt wird und, wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 per Brenngasgemisch-Verbrennung auf die zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete Mindesttemperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors 1 die Versorgung der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 mit Zündspannung eingestellt wird bzw. die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 außer Betrieb genommen wird.
Zum Bestimmen der Temperatur der wärmebasierten Zündeinrichtung 60, insbesondere der Temperatur des Glühkörpers 62, ist die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 mit einem nicht gezeigten Temperatursensor versehen, der elektrisch mit der Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 verbunden ist.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 beim Starten des Gasmotors 1 und vom unteren bis einschließlich zum mittleren Motorlastbereich des Gasmotors 1 verwendet zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
Der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 wird von der Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 zum Erzeugen von Zündfunken eine elektrische Zündspannung bereitgestellt, wobei ein Betrag bzw. eine Höhe der Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorlastbereich des Gasmotors 1 so gesteuert wird, dass die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 im unteren Motorlastbereich mit einem geringerer Betrag an Zündspannung als im mittleren Motorlastbereich betrieben wird.
Beim Betrieb des Gasmotors 1 mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 wird ein von der Einspritzvorrichtung 40 in die Vorkammer 20 eingespritzter Zündgasstrahl 41 durch elektrische Zündfunken an den Funkenelektroden 71, 72 unter Flammenbildung gezündet. Die Verbrennung des in der Vorkammer 20 befindlichen Gasgemisches wird durch Ausdehnung über die Überströmöffnungen 20, 21 aus der Vorkammer 20 in den mit der Vorkammer 20 verbundenen Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 des Gasmotors 1 hinein getragen, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch (ein Luft-Brenngas-Gemisch) gezündet wird, welches sich im Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 befindet und welches bei seiner Verbrennung einen Expansionshub bzw. Arbeitshub des sich in dem Zylinder 10 befindenden Kolbens bewirkt.
Ferner wird beim Betrieb des Gasmotors 1 mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 der Glühkörper 62 der wärmebasierten Zündeinrichtung 60 langsam auf die vorbestimmte Mindesttemperatur von etwa 1150 K bzw. 877°C aufgeheizt.
Ferner wird während Verdichtungstakten des Gasmotors 1 heißes aus jeweils vorangegangenen Verbrennungstakten resultierendes, nicht durchbrennfähiges Gasgemisch in die Vorkammer 20 des Zylinders 10 geleitet und über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 in deren Innenraum 61a gesammelt.
Durch das heiße von Abgas gebildete Gasgemisch kann sich im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 auch ohne eigentliche Verbrennung eine hohe Konzentration an chemischen Radikalen (und Kohlendioxid) bilden. In den Innenraum 61a der Flammenfalle 61 einströmende Gasanteile können somit auch ohne eigentliche Flammenfront oxidiert werden, was die Temperatur und die Radikalkonzentration in dem Innenraum 61a zusätzlich erhöht.
Wenn der Glühkörper 62 der wärmebasierten Zündeinrichtung 60 per Brenngasgemisch-Verbrennung in der Vorkammer 20 bzw. im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 auf die zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete Mindesttemperatur aufgeheizt ist, wird im Normalbetrieb des Gasmotors 1 die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 ausgeschaltet und dann ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 verwendet zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
D. h., gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird im oberen Motorlastbereich des Gasmotors 1 ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 verwendet zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
Beim Betrieb des Gasmotors 1 mit lediglich der wärmebasierten Zündeinrichtung 60 wird während eines Verdichtungstaktes des Gasmotors 1 heißes aus einem vorangegangenen Verbrennungstakt dessen resultierendes, nicht durchbrennfähiges Gasgemisch in die Vorkammer 20 des Zylinders 10 geleitet und über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 in deren Innenraum 61a gesammelt.
Das im Innenraum 61a gesammelte, nicht durchbrennfähige Gasgemisch wird dann mit Hilfe des Glühkörpers 61 auf einer Mindesttemperatur von 1150 K bzw. 877°C gehalten.
Durch das heiße von Abgas gebildete Gasgemisch kann sich während des gesamten Kompressionszyklus auch ohne eigentliche Verbrennung eine hohe Konzentration an chemischen Radikalen (und Kohlendioxid) im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 bilden. In den Innenraum 61a der Flammenfalle 61 einströmende Gasanteile können somit auch ohne eigentliche Flammenfront oxidiert werden, was die Temperatur und die Radikalkonzentration in dem Innenraum 61a zusätzlich erhöht.
Das nicht durchbrennfähige Gasgemisch weist solche Werte hinsichtlich Abgaskonzentration (Kohlendioxid), Lambda, Turbulenz und Eintrittsgeschwindigkeit auf, dass außerhalb des Innenraums 61a bzw. in der Öffnung 61b Verlöschungen infolge des Mager-Streckungs-Grenzwerts (Lean-Stretch-Limit) auftreten und damit keine chemische Reaktion in Form einer Flammenfront aus dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61 austreten kann. Die Reaktion (”Flamme”) bleibt somit vorerst im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 gefangen, womit im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 quasi eine ”stationäre Flammenfront” gebildet ist.
Zu einem zum vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders 10 des Gasmotors 1 korrespondierenden Zeitpunkt spritzt die Einspritzvorrichtung 40 unter hohem Druck einen Zündgasstrahl 41 in die Vorkammer 20 ein, so dass über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 eintretendes Brenngasgemisch des Zündgasstrahls 41 das bis dahin nicht durchbrennfähige Gasgemisch im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 so anfettet bzw. dessen Kraftstoffanteil so erhöht, dass das nun entstandene Gasgemisch sich an dem nun ausreichend heißen Glühkörper 62 entzündet und unter Flammenbildung verbrennt.
Bei dieser flammenbildenden Verbrennung des Gasgemisches tritt über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 eine Flammenfront aus dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61 aus. Diese aus dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61 austretende Flammenfront entzündet unter Flammenbildung das in der Vorkammer 20 befindliche Gasgemisch. Die Verbrennung des in der Vorkammer 20 befindlichen Gasgemisches wird durch Ausdehnung über die Überströmöffnungen 20, 21 aus der Vorkammer 20 in den mit der Vorkammer 20 verbundenen Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 des Gasmotors 1 hinein getragen, wodurch das sich im Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 befindende Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird, welches bei seiner Verbrennung einen Expansionshub bzw. Arbeitshub des sich im Zylinder 10 befindenden Kolbens bewirkt.
Abschließend ist zu bemerken, dass bei dem erfindungsgemäßen Gasmotor 1 gemäß dem PGI-Verfahren der in die Vorkammer 20 eingespritzte Zündgasstrahl 41 und das in den Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 eingespritzte Luft-Kraftstoff-Gemisch (Luft-Brenngas-Gemisch) auf dem gleichen gasförmigen Kraftstoff bzw. Brenngas basieren.

1: Gasmotor
10: (Verbrennungs-)Zylinder
11: Hauptbrennraum
20: Vorkammer
21: Überströmöffnung
22: Überströmöffnung
30: Zündanordnung
40: Einspritzvorrichtung
41: Zündgasstrahl
50: Zündungs-Auslösevorrichtung
60: wärmebasierte Zündeinrichtung
61: Flammenfalle
61a: Innenraum
61b: Öffnung
62: Glühkörper
70: Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
71: Funkenelektrode
72: Funkenelektrode
80: Zündspannungs-Steuereinrichtung
81: elektrische Leitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10217996 A1 [0004]
- DE 102007019882 A1 [0005]

Claims

Zündanordnung (30) für einen Gasmotor (1), aufweisend: eine Einspritzvorrichtung (40) zum Einspritzen eines auf einem Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls (41) in eine Vorkammer (20) eines Zylinders (10) des Gasmotors (1), und eine Zündungs-Auslösevorrichtung (50) mit einer wärmebasierten Zündeinrichtung (60), die in der Vorkammer (20) anzuordnen ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41), dadurch gekennzeichnet, dass die Zündungs-Auslösevorrichtung (50) zusätzlich eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) aufweist, die in der Vorkammer (20) anzuordnen ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41).
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 1, wobei die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) einen Glühkörper (62) aufweist.
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 2, wobei der Glühkörper (62) eingerichtet ist zum ausschließlichen Beheizen dessen per Brenngasgemisch-Verbrennung.
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 2, wobei der Glühkörper (62) mit einer aktiven Beheizung kombinierbar ist, um die Temperatur aktiv regeln zu können.
Zündanordnung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) eingerichtet ist, Zündfunken auf Basis von Elektroenergie zu erzeugen.
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 5, mit einer Zündspannungs-Steuereinrichtung (80), die elektrisch mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) verbunden ist zum Bereitstellen einer elektrischen Zündspannung an der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) zum Erzeugen von Zündfunken, wobei die Zündspannungs-Steuereinrichtung (80) eingerichtet ist, einen Betrag der Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors (1) zu steuern.
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 6, wobei die Zündspannungs-Steuereinrichtung (80) eingerichtet ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) zum Starten des Gasmotors (1) und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung (40) eingespritzten Zündgasstrahls (41) geeignete Temperatur aufgeheizt ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41) mit Zündspannung zu versorgen und, wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung (40) eingespritzten Zündgasstrahls (41) geeignete Temperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors (1) die Versorgung der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) mit Zündspannung zu unterbrechen.
Zündanordnung (30) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Zündspannungs-Steuereinrichtung (80) eingerichtet ist, der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) in einem unteren Motorlastbereich einen geringeren Betrag an Zündspannung bzw. elektrischer Energie als in einem mittleren Motorlastbereich bereitzustellen.
Zündanordnung (30) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) von einer elektrischen Zündkerze gebildet ist.
Gasmotor (1) mit einer Zündanordnung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Betreiben eines mit einer Zündanordnung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgerüsteten Gasmotors (1), wobei: die Einspritzvorrichtung (40) korrespondierend zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders (10) des Gasmotors (1) einen Zündgasstrahl (41) in die Vorkammer (20) des Zylinders (10) einspritzt, zum Starten des Gasmotors (1) und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung (40) eingespritzten Zündgasstrahls (41) geeignete Temperatur aufgeheizt ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) verwendet wird zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41), und wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung (40) eingespritzten Zündgasstrahls (41) geeignete Temperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) verwendet wird zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41).
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) beim Starten des Gasmotors (1) und von einem unteren bis einschließlich zu einem mittleren Motorlastbereich des Gasmotors (1) verwendet wird zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41).
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei in einem oberen Motorlastbereich des Gasmotors (1) ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung (60) verwendet wird zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls (41).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) zum Erzeugen von Zündfunken eine elektrische Zündspannung bzw. Zündenergie bereitgestellt wird, und wobei ein Betrag der Zündspannung in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors (1) gesteuert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung (70) in einem unteren Motorlastbereich ein geringerer Betrag an Zündspannung bzw. Zündenergie als in einem mittleren Motorlastbereich bereitgestellt wird.