DE102013003457A1 - Gasmotor und Betriebsverfahren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstzündenden Gasmotor (1), mit einer Kraftstoffanlage (4) zur Direkteinbringung eines gasförmigen Kraftstoff in Brennräume (3) des Gasmotors (1), mit einer Frischluftanlage (7) zur Versorgung der Brennräume (3) mit Frischluft, die stromauf der Brennräume (3) wenigstens eine Heizeinrichtung (11, 12, 24) aufweist, und mit einer Steuereinrichtung (32) zur Durchführung eines Betriebsverfahrens zum Betreiben des Gasmotors (1). Ein zuverlässiger Betrieb wird erreicht, wenn die Steuereinrichtung (32) mittels einer Sensorik (34) eine Eintrittstemperatur der Frischluft beim Eintritt in die Brennräume (3) ermittelt und abhängig davon die Heizeinrichtung (11, 12, 24) zum Beheizen der Frischluft ansteuert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstzündenden Gasmotor sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
  • Brennkraftmaschinen, wie Motoren bzw. Kolbenmotoren, können mit flüssigen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel betrieben werden. Sofern eine Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, betrieben wird, handelt es sich um einen Gasmotor. Bei den mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Motoren gibt es fremdgezündete Motoren, die in der Regel mit Benzin betrieben werden, und selbstzündende Motoren, die in der Regel mit Diesel betrieben werden. Zwischenzeitlich sind auch selbstzündende Motoren bekannt, die mit Benzin betrieben werden.
  • Da ein üblicher, gasförmiger aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen gebildeter Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, also ein Kohlenwasserstoffgemisch, eine im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen hohe Zündtemperatur besitzt, sind Gasmotoren üblicherweise fremdgezündet. Beispielsweise zündet Dieselkraftstoff bei etwa 250°C, während Methangas bei ca. 600°C zündet. Es besteht jedoch der Wunsch, auch Gasmotoren mit Selbstzündung betreiben zu können.
  • Aus der DE 698 12 926 T2 ist ein hydraulisch betätigtes Einspritzventil für zwei unterschiedliche Kraftstoffe bekannt. Mit Hilfe eines derartigen Einspritzventils wird eine Voreinspritzung mit flüssigem Dieselkraftstoff realisiert, der mittels Selbstzündung die Temperatur im jeweiligen Brennraum anhebt. Anschließend kann über das Einspritzventil gasförmiger Kraftstoff eingespritzt bzw. eingedüst werden, der dann im Bereich des oberen Totpunkts des jeweiligen Kolbens im Zündtakt durch Selbstzündung gezündet wird. Nachteilig bei einem derartigen hybriden Kraftstoffsystem ist der Umstand, dass zwei separate Kraftstofftanks und zwei separate Kraftstoffversorgungssysteme mitgeführt werden müssen. Außerdem ist ein derartiges, zwei verschiedene Kraftstoffe einspritzende Einspritzventil vergleichsweise teuer.
  • In Moriyoshi Tamura, Satoshi Hagi: „An Investigation of a Natural-Gas-Fueled Homogeneous Charge Compression Ignition Engine for High-Performance Co-Generation Systems", JSAE 2005 6502, (2005) wird das Zündverhalten bei einem selbstzündenden Gasmotor in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter untersucht.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen selbstzündenden Gasmotor bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vergleichsweise einfache Realisierbarkeit auszeichnet. Insbesondere soll das Mitführen eines separaten Kraftstoffsystems für flüssigen Kraftstoff vermieden werden.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Temperatur der in die Brennräume des Gasmotors eintretenden Frischluft zu überwachen und diese gegebenenfalls mittels geeigneter Maßnahmen zu erhöhen, so dass stets die Zündtemperatur des gasförmigen Kraftstoffs im oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens während des Zündtakts, also im sogenannten ”Zünd-OT”, erreicht wird. Mit anderen Worten, die den Brennräumen zugeführte Frischluft wird dann vorgewärmt, wenn die Ist-Temperatur der in die Brennräume eintretenden Frischluft unterhalb einer Soll-Temperatur liegt. Die Soll-Temperatur entspricht dabei einer Mindest-Temperatur, welche die Frischluft beim Eintritt in die Brennräume aufweisen muss, um sicher im Zünd-OT die Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffs erreichen zu können. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die erforderliche Selbstzündtemperatur durch Erwärmen, insbesondere durch bedarfsgerechtes Zuheizen, der Frischluft gewährleistet wird, kann auf eine separate Voreinspritzung mit flüssigem Kraftstoff verzichtet werden. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau des Gasmotors bzw. der Kraftstoffversorgung.
  • Die Erfindung beruht ferner auf der Überlegung, dass sich eine Verdichtungstemperatur T2, die sich im jeweiligen Brennraum aufgrund der Verdichtung einstellt und die letztlich die Selbstzündungstemperatur erreichen muss, anhand folgender Gleichung berechnen lässt: T2 = T1·ε(n-1) wobei T1 die Temperatur des in den Brennraum eintretenden Gases ist, ε ein Verdichtungsverhältnis ist und n ein von der Gaszusammensetzung und Verlusten abhängiger Polytropenexponent ist.
  • Der Polytropenexponent n ist zum Beispiel durch eine Veränderung der Frischluftzusammensetzung und/oder eine Veränderung der Abgasrückführung beinflussbar. Ebenso kann der Polytropenexponent n durch eine Veränderung der Motorreibung sowie der Wärmeverluste im Brennraum beeinflusst werden. Wärmeverluste lassen sich durch geeignete Materialen oder Beschichtungen minimieren. Hierzu zählen beispielsweise keramische Materialien. Im Hinblick auf die Abgasrückführung hat sich gezeigt, dass eine Reduzierung der Abgasrückführung die Selbstzündbedingungen verbessert.
  • Das Verdichtungsverhältnis ε ist zweckmäßig so zu wählen, dass einerseits im Betrieb des Gasmotors ein durch die Festigkeit des Gasmotors bzw. durch das Brennverfahren vorbestimmter Spitzendruck nicht überschritten wird und andererseits im Hauptbetrieb des Gasmotors bzw. im Hauptfahrbetrieb einer Fahrzeuganwendung bei warmem Gasmotor keine zusätzlichen temperaturerhöhenden Maßnahmen erforderlich sind. Ein sinnvolles Verdichtungsverhältnis ε für den hier vorgestellten selbstzündenden Gasmotor liegt bei etwa 25.
  • Ein erfindungsgemäßer selbstzündender Gasmotor umfasst eine Kraftstoffanlage zur Direkteinbringung, insbesondere Direkteindüsung, eines gasförmigen Kraftstoffs in Brennräume des Gasmotors sowie eine Frischluftanlage zur Versorgung der Brennräume mit Frischluft. Um den Gasmotor gemäß eines Betriebsverfahrens betreiben zu können, ist dieser mit einer entsprechenden Steuereinrichtung ausgestattet, die mittels einer geeigneten Sensorik eine Eintrittstemperatur der Frischluft beim Eintritt in die Brennräume ermittelt und abhängig davon wenigstens eine Einrichtung zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ansteuert, falls die ermittelte Eintrittstemperatur unterhalb einer Mindest-Eintrittstemperatur liegt.
  • Die geeignete Sensorik kann beispielsweise einen Temperatursensor umfassen. Dieser Temperatursensor muss dabei nicht unmittelbar am Einlass des jeweiligen Brennraums angeordnet sein, vielmehr reicht es aus, den jeweiligen Temperatursensor stromab der letzten Wärmequelle der Frischluftanlage anzuordnen, so dass grundsätzlich ein einziger Temperatursensor ausreichen kann, um die Eintrittstemperatur für alle Brennräume zu bestimmen.
  • Die hier verwendete Formulierung „Einrichtung zum Erhöhen der Eintrittstemperatur” soll dabei jede Einrichtung betreffen, die der Frischluft Wärme zuführen kann und deren Wärmeabgabe an die Frischluft mit Hilfe der Steuereinrichtung verändert werden kann. Mit anderen Worten, die jeweilige Heizeinrichtung ist eine steuerbare Wärmequelle. Der Begriff „Steuern” umfasst dabei sowohl ein Einschalten und Ausschalten als auch ein gezieltes Einstellen einer bestimmten Wärmemenge sowie ein Umgehen der Wärmequelle und/oder Kältesenke, beispielsweise eines Ladeluftkühlers, mittels eines Bypasses.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Frischluftanlage stromauf der Brennräume wenigstens eine Heizeinrichtung aufweisen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung abhängig von der Eintrittstemperatur die Heizeinrichtung zum Beheizen der Frischluft ansteuert.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Gasmotor eine Abgasanlage zum Abführen von Abgas aus den Brennräumen und eine Abgasrückführanlage zum externen Rückführen von Abgas von der Abgasanlage zur Frischluftanlage. Dabei weist die Abgasrückführanlage ein Abgasrückführventil zum Einstellen einer Abgasrückführrate und/oder einen Abgasrückführkühler zum Kühlen des rückgeführten Abgases auf. Die Steuereinrichtung kann nun zum Erhöhen der Eintrittstemperatur der Frischluft den Abgasrückführkühler deaktivieren oder zum Reduzieren seiner Kühlleistung oder zum Beheizen des rückgeführten Abgases ansteuern. Die Rückführung heißer Abgase bewirkt eine Aufheizung der Frischluft, so dass die Abgasrückführanlage grundsätzlich eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Frischluft repräsentieren kann. Die Heizleistung dieser Heizeinrichtung lässt sich dadurch regulieren, dass die Kühlung des rückgeführten Abgases variiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung zum Verbessern der Selbstzündungsbedingungen das Abgasrückführventil zum Reduzieren der Abgasrückführrate ansteuern. Um die Selbstzündung zu verbessern, kann somit die Abgasrückführrate reduziert werden. Ebenso kann zum Erhöhen der Eintrittstemperatur die Kühlung des rückgeführten Abgases reduziert bzw. ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann ein Bypass geöffnet werden, der den Abgasrückführkühler abgasseitig umgeht. Ebenso kann ein Kühlkreis, der thermisch mit dem Abgasrückführkühler gekoppelt ist, zum Reduzieren der Kühlleistung angesteuert werden. Ebenso lässt sich bei entsprechenden Temperaturniveaus der Kühlkreis auch als Heizkreis betreiben, so dass über den Abgasrückführkühler grundsätzlich auch eine Aufheizung des rückgeführten Abgases möglich ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann die Frischluftanlage eine Ladeeinrichtung zum Aufladen bzw. zum Komprimieren der Frischluft und einem Ladeluftkühler zum Kühlen der aufgeladenen Frischluft aufweisen. Die Steuereinrichtung kann nun zum Erhöhen der Eintrittstemperatur die Ladeeinrichtung zum Erhöhen des Ladedrucks ansteuern und/oder den Ladeluftkühler deaktivieren oder zum Reduzieren seiner Kühlleistung oder zum Beheizen der aufgeladenen Frischluft ansteuern. Eine Erhöhung des Ladedrucks führt zu einer Temperaturzunahme der Ladeluft. Durch Reduzieren der Kühlleistung des Ladeluftkühlers lässt sich ebenfalls die Temperatur der Ladeluft stromab des Ladeluftkühlers erhöhen. Ebenso kann der Ladeluftkühler beispielsweise mittels eines Bypasses, der den Ladeluftkühler frischluftseitig umgeht, deaktiviert werden. Ein Kühlkreis, der mit dem Ladeluftkühler thermisch gekoppelt ist, kann ebenfalls hinsichtlich seiner Kühlleistung verändert werden. Ebenso ist es auch hier insbesondere möglich, den Kühlkreis zum Beheizen des Ladeluftkühlers zu nutzen. Bei dieser Ausführungsform bilden die Ladeeinrichtung und der Ladeluftkühler jeweils eine Wärmequelle, die als Heizeinrichtung verwendbar ist.
  • Um den jeweiligen Kühler, insbesondere den vorgenannten Abgasrückführkühler und den vorgenannten Ladeluftkühler, zum Beheizen der Frischluft nutzen zu können, lässt sich der damit thermisch gekoppelte Kühlkreis zweckmäßig als Heizkreis nutzen. Dabei kann in den jeweiligen Heizkreis bzw. Kühlkreis auch eine Zuheizeinrichtung bzw. eine Standheizeinrichtung eingebunden sein, um das Temperaturniveau im Heizmittel, respektive im Kühlmittel, zu erhöhen. Zusätzlich oder alternativ kann in den Frischluftpfad auch direkt eine Zuheizeinrichtung zur Erwärmung der Frischluft eingesetzt werden, beispielsweise durch einen elektrischen Zuheizer oder einen durch das Gas gespeisten Brenner.
  • Bei einer Ladeeinrichtung, die durch einen Verdichter eines Abgasturboladers gebildet ist, kann der Ladedruck beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung einer variablen Turbinengeometrie verändert werden.
  • Die weiter oben genannten Maßnahmen zum Erhöhen der Eintrittstemperatur der den Brennräumen zugeführten Frischluft umfassen somit das Einschalten einer Heizeinrichtung zum Beheizen der Frischluft, das Reduzieren einer Kühlleistung eines Abgasrückführkühlers einer Abgasrückführanlage, das Öffnen eines den Abgasrückführkühler umgehenden Abgasrückführkühler-Bypasses, das Erhöhen eines Ladedrucks einer Ladeeinrichtung zum Aufladen der Frischluft, das Reduzieren einer Kühlleistung eines Ladeluftkühlers, das Öffnen eines den Ladeluftkühler umgehenden Ladeluftkühler-Bypasses und das Betreiben eines Abgasrückführkühlers zum Beheizen von rückgeführtem Abgas und/oder das Betreiben eines Ladeluftkühlers zum Beheizen von aufgeladener Ladeluft. Die vorstehend genannten Maßnahmen lassen sich dabei jeweils alternativ oder kumulativ realisieren. Ebenso lässt sich jede beliebige Kombination der vorstehend genannten Maßnahmen realisieren, um die gewünschte Aufheizung der Frischluft auf die Mindest-Eintrittstemperatur zu erzielen. Insbesondere kann dabei die Steuereinrichtung abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Gasmotors das Potential der einzelnen Maßnahmen für die Temperaturerhöhung kennen und bedarfsabhängig jeweils die geeignete oder die geeignetsten Maßnahmen durchführen. Optional lässt sich dabei durch Reduzieren der Abgasrückführrate das Selbstzündverhalten verbessern.
  • Sofern der Ladeluftkühler oder der Abgasrückführkühler thermisch in einen Motorkühlkreis eingebunden ist, kann dieser Motorkühlkreis auch als Wärmequelle genutzt werden, um darüber dem Abgas bzw. der Ladeluft Wärme zuzuführen. Hierzu kann der Motorkühlkreis einen Zuheizer und/oder einen Wärmespeicher, insbesondere einen Latentwärmespeicher, enthalten.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines selbstzündenden Gasmotors.
  • Entsprechend 1 umfasst ein Gasmotor 1 in üblicher Weise einen Motorblock 2, in dem mehrere Brennräume 3 angeordnet sind. Dabei sind die Brennräume 3 bei einem Kolbenmotor durch Zylinderräume gebildet, in denen Kolben hubverstellbar angeordnet sind. Der Gasmotor 1 besitzt eine Kraftstoffanlage 4, die eine Direkteinbringung des Kraftstoffs in die Brennräume 3 ermöglicht. Hierbei handelt es sich um einen gasförmigen Kraftstoff, der in die Brennräume 3 vorzugsweise eingedüst wird. Im Beispiel umfasst die Kraftstoffanlage 4 einen Kraftstofftank 5 zur Bevorratung des jeweiligen Kraftstoffgases. Dabei kann das Kraftstoffgas im Tank 5 aufgrund entsprechend hoher Kompression, z. B. bei CNG, und/oder niedriger Temperatur, z. B. bei LNG, in flüssigem Aggregatzustand vorliegen, wobei CNG für ”Compressed Natural Gas” und LNG für ”Liquefied Natural Gas” steht. Eine Fördereinrichtung 6 und/oder ein Drosselventil 6 sorgt/sorgen dafür, dass der gasförmige Kraftstoff unter dem vorgesehenen Druck an den Brennräumen 3 zur Verfügung steht. Die Kraftstoffanlage 4 kann außerdem Kraftstoffinjektoren aufweisen, welche die Eindüsung einer vorbestimmten Kraftstoffmenge in den jeweiligen Brennraum 3 zum jeweiligen Zeitpunkt bewirken. Diese Injektoren sind jedoch zur Wahrung der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.
  • Der Gasmotor 1 umfasst ferner eine Frischluftanlage 7 zur Versorgung der Brennräume 3 mit Frischluft. Die Frischluftanlage 7 enthält ein Luftfilter 8, eine Ladeeinrichtung 9, die hier als Verdichter eines Abgasturboladers 10 ausgestaltet ist, einen Ladeluftkühler 11 und einen Wärmetauscher 12. Zur Umgehung des Ladeluftkühlers 11 ist ein Ladeluftkühler-Bypass 13 vorgesehen, der über entsprechende Ventile 14 aktivierbar und deaktivierbar ist. Der Ladeluftkühler 11 ist mit einem Kühlkreis 15 thermisch verbunden, der mit einem Motorkühlkreis 16 thermisch gekoppelt sein kann. Der Motorkühlkreis 16 führt durch den Motorblock 2 und kann einen Zuheizer 17 und/oder einen Wärmespeicher 18 enthalten. Ferner kann der Motorkühlkreis 16 in üblicher Weise einen hier nicht gezeigten Motorkühler aufweisen.
  • Der Wärmetauscher 12 kann ebenfalls an einen Kühlkreis 19 angeschlossen sein, der ebenfalls mit dem Motorkühlkreis 16 thermisch gekoppelt sein kann. Zusätzlich oder alternativ zu einem derartigen Wärmetauscher 12 kann auch ein separater Zuheizer zum Beheizen der Frischluft, beispielsweise in Form eines elektrischen Heizers oder eines Gasbrenners, vorgesehen sein. Diese Formen des Zuheizers können insbesondere auch beim Kaltstart und anschließendem Warmlauf des Motors eingesetzt werden.
  • Der Gasmotor 1 umfasst ferner eine Abgasanlage 20, mit deren Hilfe Abgas aus den Brennräumen 3 abgeführt werden kann. Die Abgasanlage 20 enthält hier eine Turbine 21 des Abgasturboladers 10, die über eine Welle 22 den Verdichter 9 antreibt. Die Turbine 21 kann mit einer variablen Turbinengeometrie 23 und/oder mit einem hier nicht gezeigten Abblaseventil oder Waste-Gate-Ventil ausgestattet sein, um so die Verdichtungsleistung des Verdichters 9 variieren zu können.
  • Der Gasmotor 1 ist nun außerdem mit einer Abgasrückführanlage 24 ausgestattet, mit deren Hilfe Abgas von der Abgasanlage 20 zur Frischluftanlage 7 rückgeführt werden kann. Dabei liegt eine Entnahmestelle 25 der Abgasrückführanlage 24 stromauf der Turbine 21, während eine Einleitstelle 26 der Abgasrückführanlage stromab des Verdichters 9 angeordnet ist. Dementsprechend befinden sich die Entnahmestelle 25 und die Einleitstelle 26 im Hochdruckbereich des Gasmotors 1, so dass hier eine Hochdruckabgasrückführung realisiert wird. Außerdem wird hier eine externe Abgasrückführung durchgeführt, da sowohl die Entnahmestelle 25 als auch die Einleitstelle 26 außerhalb des Motorblocks 2 liegen. Die Abgasrückführanlage 24 enthält ein Abgasrückführventil 27 zum Einstellen einer Abgasrückführrate. Ferner ist ein Abgasrückführkühler 28 vorgesehen, mit dessen Hilfe das rückgeführte Abgas gekühlt werden kann. Hierzu ist der Abgasrückführkühler 28 in einen Kühlkreis 29 eingebunden, der mit dem Motorkühlkreis 16 thermisch gekoppelt sein kann. Des Weiteren ist hier ein Abgasrückführkühler-Bypass 30 vorgesehen, mit dessen Hilfe der Abgasrückführkühler 28 umgangen werden kann. Zum Aktivieren und Deaktivieren des Abgasrückführkühler-Bypasses 30 sind entsprechende Ventile 31 vorgesehen.
  • Schließlich ist der Gasmotor 1 mit einer Steuereinrichtung 32 ausgestattet, die über Signalleitungen 33 mit mehreren Sensoren 34 gekoppelt ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 32 über mehrere Steuerleitungen 35 mit mehreren ansteuerbaren Komponenten des Gasmotors 1 gekoppelt. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 32 mit den Ventilen 14 zum Aktivieren und Deaktivieren des Ladeluftkühlers 11 bzw. des Ladeluftkühler-Bypasses 13 gekoppelt sein. Auch kann eine Kopplung mit den Ventilen 31 zum Aktivieren und Deaktivieren des Abgasrückführkühlers 28 bzw. des Abgasrückführkühler-Bypasses 30 vorgesehen sein. Außerdem kann die Steuereinrichtung 32 das Abgasrückführventil 27 ansteuern. Ferner kann eine Ansteuerung des Zuheizers 17 und des Wärmespeichers 18 vorgesehen sein. Sofern anstelle des Wärmeübertragers 12 ein weiterer Zuheizer verwendet wird, kann auch dieser mit der Steuereinrichtung 32 gekoppelt sein. Schließlich ist hier noch eine Ansteuerung der variablen Turbinengeometrie 23 und/oder des Waste-Gate-Ventils angedeutet.
  • Die Sensorik 32 überwacht eine Eintrittstemperatur, welche die Frischluft vor, also stromauf den Brennräumen 3 besitzt. Bei bekannter Kompression, die beispielsweise bei einem Faktor von 25 liegen kann, muss im jeweiligen Brennraum 3 die Temperatur der Frischluft die Selbstzündungstemperatur des gasförmigen Kraftstoffs erreichen, damit dieser bei der Direkteinspritzung selbsttätig zündet. Hierzu muss die den Brennräumen 3 zugeführte Frischluft eine vorbestimmte Mindesttemperatur oder Soll-Eintrittstemperatur aufweisen. Während eines Warmbetriebs des Gasmotors 1 reicht die übliche Temperaturzunahme der Frischluft auf dem Weg bis zu den Brennräumen 3 aus, um die gewünschte Mindesttemperatur ohne zusätzliche Maßnahmen zu erreichen. Bei ungünstigen Betriebszuständen des Gasmotors 1 oder während eines Kaltstartbetriebs oder bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen kann der Fall eintreten, dass die Ist-Eintrittstemperatur kleiner ist als die Mindesttemperatur. Die Steuereinrichtung 32 kann dies erkennen und dann geeignete Gegenmaßnahmen einleiten, die für die erforderliche Erhöhung der Eintrittstemperatur sorgen. Hierzu ermittelt die Steuereinrichtung 32 die Eintrittstemperatur der Frischluft, welche den Brennräumen 3 zugeführt wird. Zweckmäßig kann dabei die Eintrittstemperatur unmittelbar vor dem Motorblock 2 gemessen werden. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Temperaturmessung weiter stromauf denkbar, wobei dann gegebenenfalls über Berechnungsmodelle die jeweilige Eintrittstemperatur berechnet werden kann. Die Steuereinrichtung 32 kann nun die Ist-Eintrittstemperatur mit der Soll-Eintrittstemperatur bzw. mit der zuvor genannten Mindest-Eintrittstemperatur vergleichen. Erreicht die Ist-Eintrittstemperatur die Mindesttemperatur, ist keine Heizmaßnahme erforderlich. Liegt jedoch die Ist-Eintrittstemperatur unterhalb der Mindest-Eintrittstemperatur, löst die Steuereinrichtung 32 wenigstens eine Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur aus. Die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen dienen jeweils zum Erhöhen der Eintrittstemperatur der Frischluft. Diese Maßnahmen können dabei einzeln, jeweils für sich oder kumulativ sowie in beliebiger Kombination durchgeführt werden. Die Auswahl der jeweiligen Maßnahme kann dabei vom aktuellen Betriebszustand des Gasmotors 1 abhängen und von der Steuereinrichtung 32 automatisch erfolgen.
  • Eine Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ist beispielsweise das Einschalten einer Heizeinrichtung, die zum Beheizen der Frischluft in der Frischluftanlage 7 vorgesehen ist. Eine derartige Heizeinrichtung ist im Beispiel der 1 durch den Wärmeübertrager 12 gebildet. Über das Kühlmittel des Motorkühlkreises 16 kann mit Hilfe des Wärmeübertragers 12 der Frischluft Wärme zugeführt werden. Um über den Wärmetauscher 12 Wärme an die Frischluft abgeben zu können, kann die Steuereinrichtung 32 geeignete, hier nicht gezeigte Ventile ansteuern, um den Kühlkreis 19 mit dem Motorkühlkreis 16 zu koppeln. Anstelle des Wärmeübertragers 12 kann beispielsweise auch als elektrischer Zuheizer, Gasbrenner oder eine sonstige, insbesondere steuerbare, Wärmequelle vorgesehen sein, die über die Steuereinrichtung 32 angesteuert werden können und die Frischluft direkt erwärmen können.
  • Eine weitere Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ist das Reduzieren einer Kühlleistung des Abgasrückführkühlers 28. Hierzu kann die Steuereinrichtung 32 entsprechende, hier nicht gezeigte Ventile im Kühlkreis 29 ansteuern. Alternativ kann die Steuereinrichtung 32 auch über die Ventile 31 den Abgasrückführkühler 28 deaktivieren und stattdessen den zugehörigen Bypass 30 aktivieren.
  • Eine weitere Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ist das Erhöhen eines Ladedrucks der Ladeeinrichtung 9. Die Steuereinrichtung 32 kann hierzu die variable Turbinengeometrie 23 entsprechend ansteuern, so dass die Turbine 21 mehr Leistung aufnimmt und dementsprechend mehr Leistung an den Verdichter 9 abgeben kann.
  • Eine weitere Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ist das Reduzieren der Kühlleistung des Ladeluftkühlers 11. Hierzu kann die Steuereinrichtung 32 wieder entsprechende, hier nicht gezeigte Ventile ansteuern, die den Kühlkreis 15 beispielsweise mit dem Motorkühlkreis 16 koppeln. Alternativ kann die Steuereinrichtung 32 die Ventile 14 ansteuern, um den Ladeluftkühler 11 zu deaktivieren bzw. um den Ladeluftkühler-Bypass 13 zu aktivieren.
  • Je nach Temperaturniveau in der Frischluft und/oder im rückgeführten Abgas sowie dem Temperaturniveau im Kühlmittel des Motorkühlkreises 16 kann eine Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur auch darin bestehen, den Abgasrückführkühler 28 bzw. den Ladeluftkühler 11 als Heizung zu betreiben, mit deren Hilfe das rückgeführte Abgas bzw. die Ladeluft aufgeheizt werden kann. In diesem Fall wird der Motorkühlkreis 16 bzw. der Motorblock 2 zur Wärmequelle. Darüber hinaus kann zu diesem Zweck auch der Zuheizer 17 aktiviert werden bzw. der Wärmespeicher 18 zum Abgeben der darin gespeicherten Wärme angesteuert werden.
  • Zusätzlich zu den vorstehend genannten Maßnahmen kann ein Reduzieren einer Abgasrückführrate der Abgasrückführanlage 24 durchgeführt werden. Hierzu kann die Steuereinrichtung 32 das Abgasrückführventil 27 entsprechend ansteuern. Das Reduzieren der Abgasrückführrate führt bei gleichem Verdichtungsverhältnis ε zur Erhöhung der Verdichtungsendtemperatur und damit zu verbesserten Selbstentzündungsbedingungen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 69812926 T2 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Moriyoshi Tamura, Satoshi Hagi: „An Investigation of a Natural-Gas-Fueled Homogeneous Charge Compression Ignition Engine for High-Performance Co-Generation Systems”, JSAE 2005 6502, (2005) [0005]

Claims (11)

  1. Selbstzündender Gasmotor, – mit einer Kraftstoffanlage (4) zur Direkteinbringung eines gasförmigen Kraftstoff in Brennräume (3) des Gasmotors (1), – mit einer Frischluftanlage (7) zur Versorgung der Brennräume (3) mit Frischluft, – mit einer Steuereinrichtung (32) zur Durchführung eines Betriebsverfahrens zum Betreiben des Gasmotors (1), wobei die Steuereinrichtung (32) mittels einer Sensorik (34) eine Eintrittstemperatur der Frischluft beim Eintritt in die Brennräume (3) ermittelt und wenigstens eine Einrichtung (11, 12, 24) zum Erhöhen der Eintrittstemperatur ansteuert, falls die ermittelte Eintrittstemperatur unterhalb einer Mindest-Eintrittstemperatur liegt.
  2. Gasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftanlage stromauf der Brennräume (3) wenigstens eine Heizeinrichtung (11, 12, 24) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (32) abhängig von der Eintrittstemperatur die Heizeinrichtung (11, 12, 24) zum Beheizen der Frischluft ansteuert.
  3. Gasmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Abgasanlage (20) zum Abführen von Abgas aus den Brennräumen (3) und eine Abgasrückführanlage (24) zum externen Rückführen von Abgas von der Abgasanlage (20) zur Frischluftanlage (7), die ein Abgasrückführventil (27) zum Einstellen einer Abgasrückführrate und/oder einen Abgasrückführkühler (28) zum Kühlen des rückgeführten Abgases aufweist, wobei die Steuereinrichtung (32) zum Erhöhen der Eintrittstemperatur der Frischluft den Abgasrückführkühler (28) deaktiviert oder zum Reduzieren seiner Kühlleistung oder zum Beheizen des rückgeführten Abgases ansteuert und/oder zum Verbessern der Selbstzündung des Kraftstoffs das Abgasrückführventil (27) zum Reduzieren der Abgasrückführrate ansteuert.
  4. Gasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftanlage (7) eine Ladeeinrichtung (9) zum Aufladen der Frischluft und einen Ladeluftkühler (11) zum Kühlen der aufgeladenen Frischluft aufweist, wobei die Steuereinrichtung (32) zum Erhöhen der Eintrittstemperatur die Ladeeinrichtung (9) zum Erhöhen des Ladedrucks ansteuert und/oder den Ladeluftkühler (11) deaktiviert oder zum Reduzieren seiner Kühlleistung oder zum Beheizen der aufgeladenen Frischluft ansteuert.
  5. Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Gasmotors (1) mit Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs in Brennräume (3) des Gasmotors (1), – bei dem eine Eintrittstemperatur von den Brennräumen (3) zugeführter Frischluft ermittelt wird, welche die Frischluft beim Eintreten in die Brennräume (3) aufweist, – bei dem die Eintrittstemperatur mit einer Mindest-Eintrittstemperatur verglichen wird, – bei dem wenigstens eine Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur gestartet wird, falls die ermittelte Eintrittstemperatur unterhalb der Mindest-Eintrittstemperatur liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur das Einschalten einer Heizeinrichtung (12) zum Beheizen der Frischluft umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur das Reduzieren einer Kühlleistung eines Abgasrückführkühlers (28) einer Abgasrückführanlage (24) oder das Öffnen eines den Abgasrückführkühler (28) umgehenden Abgasrückführkühler-Bypasses (30) umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur das Erhöhen eines Ladedrucks einer Ladeeinrichtung (9) zum Aufladen der Frischluft umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur das Reduzieren einer Kühlleistung des Ladeluftkühlers (11) oder das Öffnen eines den Ladeluftkühler (11) umgehenden Ladeluftkühler-Bypasses (13) umfasst.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur das Betreiben eines Abgasrückführkühlers (28) zum Beheizen von rückgeführtem Abgas und/oder das Betreiben eines Ladeluftkühlers (11) zum Beheizen von aufgeladener Frischluft umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich oder alternativ zu einer solchen Maßnahme zum Erhöhen der Eintrittstemperatur durch Reduzieren einer Abgasrückführrate einer Abgasrückführanlage (24) ein Selbstzündverhalten des Kraftstoffs in den Brennräumen (3) verbessert wird.
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