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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gemischbildungsvorrichtung zum Mischen von Luft und Synthesegas sowie einen Gasmotor, der die Gemischbildungsvorrichtung enthält, zur Verbrennung des Synthesegases.
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Gasmotoren zählen zu den in Form eines Hubkolben- oder Wankelmotors ausgebildeten Verbrennungsmotoren, wobei an Stelle eines flüssigen Kraftstoffs wie etwa Benzin oder Diesel ein Gas verbrannt wird. Entsprechend wird in ihnen mit Hilfe einer geeigneten Gemischbildungsvorrichtung ein Gas-Luft-Gemisch (im Folgenden als „Gasgemisch” bezeichnet) erzeugt, das in die Kolben des Gasmotors eingedüst und dort entzündet und verbrannt wird. Obwohl bekanntermaßen die Zylinder in koordinierter Weise ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausüben, ist doch jeder von ihnen „verbrennungstechnisch” Teil einer separaten Einheit, die außer dem Zylinder eine Gemischbildungsvorrichtung und ein Einblaseventil umfasst. Gasmotoren zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade aus, die natürlich im Einzelfall vom Aufbau des Gasmotors und dem verwendeten Gas abhängen.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf die
JP 10 047 166 A verwiesen, in der eine Gaseindüsungsvorrichtung offenbart ist, mit deren Hilfe ein Gas in den Luftansaugschacht eines Gasmotors eingedüst wird.
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In der vorliegenden Erfindung wird als Gas ein Synthesegas verwendet, das vorzugsweise aber nicht zwingend durch Fermentierung von Biomasse erzeugt worden ist. Hauptbestandteile dieses Synthesegases sind – je nach Biomasse und Herstellungsprozess in unterschiedlichen Anteilen – Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methan und Wasserstoff.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Gemischbildungsvorrichtung bereitzustellen, die so konzipiert ist, dass durch sie eine optimale Geschmischbildung erreicht wird, und die dennoch kostengünstiger als herkömmliche Gemischbildungsvorrichtungen herzustellen und zu warten ist. Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gasmotor zur effizienten Verbrennung von Synthesegas mit Hilfe der Gemischbildungsvorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 9 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst eine Gemischbildungsvorrichtung zum Mischen von Luft und Synthesegas zu einem Gasgemisch zur Verbrennung in einem Gasmotor (Anspruch 9) ein Y-Rohr und eine Synthesegaszumischdüse, wobei (a) das Y-Rohr einen Ansauglufteintrittsabschnitt und einen ersten und zweiten Gasgemischaustrittsabschnitt umfasst, die durch einen Verzweigungsabschnitt des Y-Rohrs miteinander verbunden sind, (b) der Ansauglufteintrittsabschnitt mit einem Ansaugrohr zum Ansaugen der Luft in einen ersten und zweiten Zylinder des Gasmotors verbindbar ist, (c) der erste und zweite Gasgemischaustrittsabschnitt mit dem ersten bzw. zweiten Zylinder verbindbar sind, und (d) die Synthesegaszumischdüse in einem Raum angeordnet ist, der durch den Ansauglufteintrittsabschnitt und den Verzweigungsabschnitt definiert ist.
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Durch das Y-Rohr und dessen erfindungsgemäße Anordnung in dem Gasmotor (Merkmale (a) bis (c)) kann bei einem Gasmotor mit n Zylindern (wobei n eine gerade Zahl ist), der der Gemischbildungsvorrichtung nachgeschaltet bzw. mit dieser verbunden ist, die Zahl der erforderlichen Einblasventile und Ansaugrohre auf n/2 reduziert werden. Auf diese Weise können die Kosten der Gemischbildungsvorrichtung gegenüber einer herkömmlichen Gemischbildungsvorrichtung, bei der den Zylindern jeweils ein Ansaugrohr mit einem Einblasventil zugeordnet ist, reduziert werden. Die konstruktive und funktionale Verbindung eines Ansaugrohrs mit mehr als zwei Zylindern hingegen erweist sich in der Praxis jedoch als nachteilig, so dass das erfindungsgemäße Y-Rohr der ideale Kompromiss zwischen einer diesbezüglichen Optimierung, d. h. einer Verbindung eines Ansaugrohrs mit allen Zylindern des Gasmotors, und einem damit verbundenen Risiko ist. Dieses Risiko besteht darin, dass die Gefahr, dass sich das Gasgemisch an einer heißen Stelle (hot spot) des verlängerten Gasgemischaustrittsabschnitts außerhalb des Zylinders entzündet, umso höher ist, je länger dieser Gasgemischaustrittsabschnitt ist. Bei einem Gasmotor mit vier Zylindern beispielsweise läge die optimale Position des Ansauglufteintrittsabschnitts vor einem der zwei mittleren Zylinder, so dass der längste Gasgemischaustrittsabschnitt in diesem Fall zwei Zylinderabstände zu überbrücken hätte. Bei einer Anordnung des Ansaugrohrs vor einem der äußeren Zylinder wären drei Zylinderabstände zu überbrücken. Ein weiterer Vorteil der Reduzierung der Zahl Ansauglufteintrittsabschnitte – und damit der Zahl der Saugrohre – besteht in der damit verbundenen Gewichtsreduzierung. Die Verwendung eines Y-Rohrs bietet daher sowohl eine Kosten- als auch eine Gewichtsreduzierung, ohne die Gefahr einer ungewollten Entzündung des Gemisches außerhalb der Zylinder zu erhöhen. Gemäß dem Merkmal (d) kann die Synthesegaszumischdüse in dem Y-Rohr entweder vor dem Verzweigungsabschnitt oder innerhalb des Verzweigungsabschnitts angeordnet sein. Die optimale Anordnung hängt einerseits von der Größe und Form sowohl der Synthesegaszumischdüse als auch des Y-Rohrs selbst und andererseits von den Betriebsbedingungen des Gasmotors und dem zu bildenden Gemisch ab. Erfindungsgemäß wird somit das Synthesegas in dem unter (d) definierten Raum dem vorzugsweise verdichteten Luftstrom zugemischt, und die Zylinder werden jeweils mit dem so erzeugten Gasgemisch in ihrem jeweiligen Ansaugtakt befüllt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2) umfasst die Synthesegaszumischdüse mehrere Synthesegasaustrittsöffnungen, die auf der Seite des Ansauglufteintrittsabschnitts angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass das Synthesegas und die Luft, die das Gasgemisch bilden sollen, im Gegenstrom gemischt werden, wodurch ein sehr homogenes Gasgemisch erzeugt wird. Wie es oben schon erwähnt ist, hängen Größe und Form der Synthesegaszumischdüse von verschiedenen Faktoren ab. Zum Beispiel kann die Synthesegaszumischdüse in Form eines (halben) Knochens, d. h. mit einer Verdickung auf der Seite der Synthesegasaustrittsöffnungen (der dem Luftstrom entgegengerichteten Seite), ausgebildet sein, so dass die Synthesegaszumischdüse im Querschnitt ähnlich wie eine Tragfläche eines Flugzeugs von Luft umströmt wird, die das aus den Synthesegasaustrittsöffnungen austretende Synthesegas mitreißt. Neben der Größe und der äußeren Form der Synthesegaszumischdüse sind weitere Parameter, die im Zuge einer Optimierung der erreichbaren Gasmischung veränderbar sind, zum Beispiel die Zahl der Synthesegasaustrittsöffnungen sowie deren Anordnung und Abmessung. Letztere haben Einfluss auf die Strömungscharakteristik des austretenden Synthesegases. Selbstverständlich kann die Synthesegaszumischdüse nicht getrennt von dem Y-Rohr, sondern nur in Kombination mit diesem optimiert werden. Doch dies stellt keinen einschränkenden Nachteil der erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung dar, sondern einen Vorteil, da sich hieraus mögliche konstruktive Anpassungen an den nachgeschalteten Gasmotor vervielfachen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) umfasst die Gemischbildungsvorrichtung eine Temperturregelungsvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Synthesegaseinblasventils, das die Synthesegaszumischdüse mit Synthesegas beaufschlagt. Die Temperaturregelung dient der Heizung des Synthesegaseinblasventils, woraus sich der Vorteil ergibt, dass eine Taupunktunterschreitung des Synthesegases vermieden werden kann (vgl. Anspruch 5). Die Temperaturregelungsvorrichtung ist vorzugsweise separat ausgeführt, zum Beispiel derart, dass sie die Synthesegaszumischdüse wenigstens teilweise umgibt bzw. die Synthesegaszumischdüse die Temperaturregelungsvorrichtung durchdringt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 4) ist die Temperaturregelungsvorrichtung Teil eines Kühlwasserkreislaufs, der vorteilhafterweise das Motorkühlwasser führt (Anspruch 6). Das heißt, die Temperaturregelungsvorrichtung sorgt für eine Erwärmung des Synthesegaseinblasventils, die vorteilhafterweise durch das durch den Motor erwärmte Kühlwasser erreicht wird. Dadurch kann ein Motorkühler geringerer Leistung verwendet werden, wodurch wiederum Kosten und Gewicht eingespart werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) ist die Temperaturregelungsvorrichtung eine von Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufs durchströmbare Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Synthesegaseinblasventils an dem Y-Rohr. Konkrekt kann die Befestigungsvorrichtung ein Anbauflanschsein, der somit vorteilhafterweise eine Doppelfunktion innehat: Befestigung und Kühlung des Synthesegaseinblasventils. Dies vereinfacht die Konstruktion und somit die Montage (geringere Anzahl von Komponenten).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) sind die Durchmesser der Synthesegasaustrittsöffnungen gleich oder verschieden. Dies hat zum Beispiel den Vorteil, dass die Strömungsrate des Gasgemisches im letztgenannten Fall an die jeweilige Entfernung zwischen Synthesegaseinblasventil und Zylinder angepasst werden kann, falls diese Entfernungen aus konstruktiven Gründen unterschiedlich sein müssen. Eine Anpassung des Durchmessers der Synthesegasaustrittsöffnungen kann auch erforderlich sein, wenn die Anordnung des Synthesegaseinblasventils in dem Y-Rohr nicht symmetrisch ist. Eine asymmetrische Anordnung, zum Beispiel eine Verlagerung aus einer symmetrischen, mittleren Position zu einer Seite des Y-Rohrs, kann zum Beispiel durch die Art der oben genannten Temperaturregelungsvorrichtung erforderlich sein oder sich zumindest als günstig erweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) umfasst ein Gasmotor zur Verbrennung von Synthesegas mit einer Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eine gerade Zahl n von Zylindern. Bei einem solchen Gasmotor werden vorzugsweise jeweils zwei, in der Regel benachbarte Zylinder über das oben beschriebene Y-Rohr mit einem Saugrohr des Gasmotors verbunden; in einem Vierzylinder-Reihenmotor beispielsweise die Zylinder 1 + 2 und 3 + 4. Bei V-Motoren können auf diese Weise auch jeweils zwei gegenüberliegende Zylinder der zwei Zylinderbänke durch Y-Rohre miteinander verbunden sein. Alternativ kann die Zahl der Zylinder auch ungerade (n/2) sein, wie es von einigen Motorrädern und PKWs bekannt ist. Die Zahl der Y-Rohre beträgt dann maximal ((n/2) – 1)/2, d. h. wenigstens ein Saugrohr ist vorhanden, das nur einen Zylinder versorgt.
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Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
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1 eine schematische Darstellung einer Gemischbildungsvorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung einer Synthesegaszumischdüse gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine Gemischbildungsvorrichtung 10 gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gemischbildungsvorrichtung 100 umfasst ein Y-Rohr 200, in dem eine Synthesegaszumischvorrichtung 300 angeordnet ist.
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Das Y-Rohr 200 umfasst einen Ansauglufteintrittsabschnitt 202, der zum Beispiel mit einem (nicht dargestellten) Turbolader, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, verbindbar ist und sich an einem durch einen Kreis in 1 schematisch dargestellten Verzweigungsabschnitt 204 in einen ersten und einen zweiten Gasgemischaustrittsabschnitt 206, 208 verzweigt. Die Gasgemischaustrittsabschnitte 206, 208 sind mit zwei benachbarten Zylindern (nicht dargestellt) eines Gasmotors (nicht dargestellt) verbindbar.
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Die Synthesegaszumischvorrichtung 300 umfasst eine Synthesegaszumischdüse 302, die einer Eintrittsöffnung 210 des Ansauglufteintrittsabschnitts 202 (unten in 1), durch die im Betrieb der Gemischbildungsvorrichtung 100 zum Beispiel von dem (nicht dargestellten) Turbolader kommende, verdichtete Luft einströmt, gegenüberliegt. Durch die Synthesegaszumischvorrichtung 300 kann zu verbrennendes Synthesegas in den Verzweigungsabschnitt 204 eingeleitet werden. Um zu verhindern, dass das Synthesegas kondensiert, ist die Synthesegaszumischvorrichtung 300 von einem ringförmigen Heizflansch 212 umschlossen, der außer zur Erwärmung der Synthesegaszumischvorrichtung 300 der Befestigung der Gemischbildungsvorrichtung 100 bzw. des Y-Rohrs an einem Motorblock dient und somit eine Doppelfunktion ausübt.
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Wie es aus 1 ersichtlich ist, werden im Betrieb der Gemischbildungsvorrichtung 100 die durch den Turbolader (nicht dargestellt) verdichtete Luft (Pfeil L) und das mit Druck beaufschlagte Synthesegas (Pfeil S) im Gegenstrom in die Gemischbildungsvorrichtung 100 eingedüst, um so eine optimale Durchmischung beider Gasströme in dem Verzweigungsabschnitt 204 zu erreichen. Wie es schematisch in 1 gezeigt ist, weist jedoch die Synthesegaszumischdüse 302 eine Form auf (in 1 dreieckig), die dafür sorgt, dass das Synthesegas der Luft nicht direkt entgegenströmt, sondern in zwei Anteile (Vorzugsrichtungen) aufgeteilt wird, die etwas zu den zwei Gasgemischaustrittsabschnitten 206 bzw. 206 gerichtet ist, also einen Winkel gegenüber der Einströmrichtung der Luft aufweisen. Die Gemischbildung ist hierbei nicht auf den Verzweigungsabschnitt 204 begrenzt, sondern setzt sich mit zunehmender Homogenisierung in die Gasgemischaustrittsabschnitte 206, 208 fort.
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Die Regelung der Gemischbildung durch die erfindungsgemäße Gemischbildungsvorrichtung 100 erfolgt mit einer geeigneten Steuerungseinheit (nicht dargestellt), die im Wesentlichen drei Ventile pro Gemischbildungsvorrichtung 100 ansteuert: Ein Einblasventil (nicht dargestellt) für das in die Gemischbildungsvorrichtung 100 strömende Synthesegas S und zwei Einlassventile (nicht gezeigt) für das in zwei benachbarte Zylinder strömende Gasgemisch, wobei das Einblaseventil gegenüber den Einlassventilen zeitverzögert geöffnet wird, so dass nur derjenige Zylinder mit Synthesegas beaufschlagt wird, der sich im Ansaugtakt befindet.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Synthesegaszumischdüse 302 gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 2 gezeigte Schnittebene liegt in der durch Längsachsen derjenigen Rohrabschnitte der Gasgemischaustrittsabschnitte 206, 208 gebildeten Ebene, die in den Verzweigungsabschnitt 204 münden. Die Synthesegaszumischdüse 302 weist einen Synthesegaseintrittskanal 304, eine Gruppe von ersten Synthesegasaustrittskanälen 306, die in Richtung von einem der beiden Gasgemischaustrittsabschnitte 206, 208 gerichtet sind, und eine Gruppe von zweiten Synthesegasaustrittskanälen 308, die in Richtung des weiteren der beiden Gasgemischaustrittsabschnitte 206, 208 gerichtet sind. Die Synthesegaszumischdüse 302 wird wie es in 2 gezeigt ist von Luft angeströmt und umströmt und weist eine zu diesem Zweck strömungstechnisch günstige äußere Form („Knochenform”, Kugelschalenform oder rotationselypsoide Form im Anströmungsbereich etc.) auf.
