DE102013012565A1

DE102013012565A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors

Info

Publication number: DE102013012565A1
Application number: DE201310012565
Authority: DE
Inventors: Björn Dirumdam; Matthias Auer
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2015-01-29
Also published as: CN104343557A; FI20145685L; JP6356506B2; JP2015025446A; KR20150014378A; KR102140845B1; CN104343557B

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, nämlich zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in mindestens einen Zylinder (11) des Gasmotors unter Nutzung mindestens eines Gaseinblasventils (20), wobei zum Öffnen des jeweiligen Gaseinblasventils (20) ein Ventilkörper desselben entgegen einer Federkraft eines als Rückstellelement dienenden Federelements desselben durch elektrisches Bestromen eines Elektromagneten desselben von einem Ventilsitz desselben abgehoben wird, wobei zum Schließen des jeweiligen Gaseinblasventils (20) das Federelement den Ventilkörper gegen den Ventilsitz drückt, und wobei während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils (20) der Elektromagnet elektrisch bestromt wird, nämlich derart, dass während des Schließens des Gaseinblasventils (20) die Geschwindigkeit des Ventilkörpers reduziert wird. (1)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, nämlich zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in mindestens einen Zylinder des Gasmotors unter Nutzung mindestens eines Gaseinblasventils, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Motorsteuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Gaseinblasventil eines Gasmotors.
In den Zylindern eines Gasmotors wird ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt, so zum Beispiel Erdgas. Hierzu wird den Zylindern des Gasmotors neben dem zu verbrennenden Gas auch Luft zugeführt, wobei die Bildung des Gas/Luft-Gemischs entweder stromaufwärts des jeweiligen Zylinders in einem sogenannten Saugrohr oder unmittelbar im Zylinder erfolgen kann.
Die Menge des dem jeweiligen Zylinder zugeführten Gases wird mit Hilfe eines sogenannten Gaseinblasventils geregelt bzw. gesteuert, wobei zum Öffnen eines solchen Gaseinblasventils ein Ventilkörper des Gaseinblasventils entgegen einer Federkraft eines als Rückstellelement dienenden Federelements des Gaseinblasventils durch elektrisches Bestromen eines Elektromagneten des Gaseinblasventils von einem Ventilsitz desselben abgehoben wird. Dann, wenn der Ventilkörper des Gaseinblasventils vom Ventilsitz desselben abgehoben ist, ist das Gaseinblasventil geöffnet und gibt die Strömung von zu verbrennendem Gas in Richtung auf den jeweiligen Zylinder des Gasmotors frei. Zum Schließen des Gasventils wird die elektrische Bestromung des Elektromagneten aufgehoben und das Federelement des Gaseinblasventils drückt den Ventilkörper gegen den Ventilsitz desselben infolge der Federkraft des Federelements.
Beim Schließen eines solchen Gaseinblasventils schlägt der Ventilkörper auf den Ventilsitz auf, wodurch der Ventilsitz des jeweiligen Gaseinblasventils einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt ist. Da bei Gasmotoren die Gaseinblasventile bei jedem Arbeitsspiel mindestens einmal öffnen und schließen, unterliegen durch diese mechanische Belastung des Ventilsitzes die Gaseinblasventile einem erheblichen Verschleiß, wodurch die Lebensdauer derselben reduziert und die Wartungskosten eines Gasmotors erhöht werden.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, an einer Motorsteuerungseinrichtung und einem Gaseinblasventil zur Durchführung des Verfahren, mit Hilfe dessen bzw. derer die mechanischen Belastungen an den Gaseinblasventilen beim Schließen derselben reduziert werden können, um so die Verschleißanfälligkeit derselben zu reduzieren. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, eine Motorsteuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein entsprechendes Gaseinblasventil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird ebenfalls während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils der Elektromagnet elektrisch bestromt, nämlich derart, dass insbesondere durch Umkehr der Beschleunigung des Ventilkörpers während des Schließens des Gaseinblasventils die Geschwindigkeit des Ventilkörpers während des Schließens des Gaseinblasventils reduziert wird. Mit der Erfindung wird beim Schließen eines Gaseinblasventils der Ventilkörper desselben durch elektrisches Bestromen des Elektromagneten gebremst, sodass der Ventilkörper mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeit und damit einem deutlich geringeren mechanischen Impuls auf den Ventilsitz auftrifft. Hierdurch kann die mechanische Belastung eines Gaseinblasventils beim Schließen desselben und damit der Verschleiß desselben drastisch reduziert werden. Die Lebensdauer eines Gaseinblasventils wird erhöht und Wartungskosten an Gasmotoren werden reduziert.
Vorzugsweise wird zum Schließen des Gaseinblasventils die elektrische Bestromung des Elektromagneten zunächst beendet und anschließend während des Schließens des Gaseinblasventils wird der Elektromagnet erneut elektrisch bestromt. Hiermit kann ein schnelles und verschleißarmes Schließen eines Gaseinblasventils realisiert werden.
Während des Schließens des Gaseinblasventils wird der Elektromagnet mit einem Stromimpuls elektrisch bestromt, dessen Impulshöhe und Impulsdauer von der Ausführung des Gaseinblasventils abhängig ist. Ferner ist auch die Zeitspanne zwischen der zum Schließen des Gaseinblasventils erfolgten Beendigung der elektrischen Bestromung des Elektromagneten und der anschließenden, erneuten elektrischen Bestromung desselben ebenfalls von der Ausführung des Gaseinblasventils abhängig.
Die erfindungsgemäße Motorsteuerungseinrichtung ist in Anspruch 8 definiert. Das erfindungsgemäße Gaseinblasventil ist in Anspruch 9 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung eines Zylinders eines Gasmotors;
2 mehrere Zeitdiagramme zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Gasmotors.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, eine Motorsteuerungseinrichtung und ein Gaseinblasventil zur Durchführung des Verfahrens.
1 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt aus einem Gasmotor 10 im Bereich eines Zylinders 11 des Gasmotors 10, wobei vom Zylinder 11 ein Kolben 12, ein Einlassventil 13, ein Auslassventil 14 und eine Zündeinrichtung 15 gezeigt sind.
Dem Zylinder 11 des Gasmotors 10 wird über das Einlassventil 13 im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Gas/Luft-Gemisch 16 zugeführt, wobei das Gas/Luft-Gemisch 16 durch Mischung eines Gasstroms 17 mit einem Luftstrom 18 stromaufwärts des Zylinders 11 bereitgestellt wird.
Dieses Gas/Luft-Gemisch 16 wird im Zylinder 11 mit Hilfe der Zündeinrichtung 15 gezündet und verbrannt, wobei hier entstehendes Abgas 19 über das Auslassventil 14 vom Zylinder 11 abgeführt wird.
Die Bereitstellung des Gas/Luft-Gemischs 16 und damit die Zuführung von zu verbrennendem Gas zum Zylinder 11 erfolgt unter Verwendung eines sogenannten Gaseinblasventils 20, wobei der grundsätzliche Aufbau eines solchen Gaseinblasventils 20 dem hier angesprochenen Fachmann geläufig ist. So verfügt ein solches Gaseinblasventil 20 über einen Ventilkörper, der zum Öffnen des Gaseinblasventils 20 von einem Ventilsitz desselben entgegen einer Federkraft eines als Rückstellelement dienenden Federelements des Gaseinblasventils 20 abgehoben wird, nämlich durch elektrisches Bestromen eines Elektromagneten des Gaseinblasventils 20. Zum Schließen des Gaseinblasventils 20 wird die elektrische Bestromung des Elektromagneten aufgehoben bzw. beendet und die Federkraft des Federelements drückt den Ventilkörper des Gaseinblasventils gegen den Ventilsitz desselben.
Die elektrische Bestromung des Elektromagneten des jeweiligen Gaseinblasventils 20 wird mit Hilfe einer Motorsteuerungseinrichtung 21 gesteuert bzw. geregelt.
Erfindungsgemäß wird während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils 20 des jeweiligen Zylinders 11 der Elektromagnet des Gaseinblasventils 20 ebenfalls elektrisch bestromt, nämlich derart, dass vorzugsweise durch Umkehr der Beschleunigung des Ventilkörpers des jeweiligen Gaseinblasventils 20 während des Schließens desselben die Geschwindigkeit des Ventilkörpers während des Schließens des Gaseinblasventils 20 reduziert wird. Dadurch trifft dann der Ventilkörper des Gaseinblasventils 20 mit einer geringeren Geschwindigkeit und einem geringerem Impuls auf dem Ventilsitz desselben auf, sodass das Gaseinblasventil 20 einem geringeren Verschleiß unterliegt.
Weitere Details der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wobei in 2 insgesamt vier zeitliche Signalverläufe gezeigt sind, nämlich einerseits der zeitliche Verlauf eines zum Bestromen des Elektromagneten verwendeten elektrischen Stroms I, ein sich ausbildender Ventilhub X des Ventilkörpers, eine sich ausbildende Geschwindigkeit v des Ventilkörpers sowie die sich ausbildende Beschleunigung dv/dt desselben.
In 2 wird zunächst beginnend mit dem Zeitpunkt t0 ein Gaseinblasventil 20 geöffnet, nämlich derart, dass zum Öffnen des Gaseinblasventils 20 der Elektromagnet desselben zunächst während einer ersten Zeitspanne Δt1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 mit einem relativ hohen elektrischen Strom I1 und anschließend während einer zweiten Zeitspanne Δt2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 mit einem relativ geringen elektrischen Strom I2 elektrisch bestromt wird, wobei die elektrische Bestromung während der ersten Zeitspanne Δt1 dem schnellen und zuverlässigen, vollständigen Öffnen des Gaseinblasventils 20 durch Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz dient, und wobei die elektrische Bestromung während der zweiten Zeitspanne Δt2 dem Halten des vom Ventilsitz abgehobenen Ventilkörpers in der geöffneten Stellung entgegen der Federkraft des Federelements des jeweiligen Gaseinblasventils 20 dient.
So folgt aus dem zeitlichen Verlauf des Ventilhubs X, dass während der Zeitspanne Δt1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 der Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben wird und während der Zeitspanne Δt2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 der Ventilkörper in seiner abgehobenen Position gehalten wird. Demnach wird beim Öffnen eines Gaseinblasventils 20 der Ventilkörper desselben auch ausschließlich während der Zeitspanne Δt1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 beschleunigt, und zwar derart, dass dessen Geschwindigkeit v des Ventilkörpers in Folge einer konstanten Beschleunigung dv/dt desselben zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 rampenartig auf einen Maximalwert steigt und dann während der Zeitphase Δt2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 Null beträgt.
In 2 wird mit der Beendigung der Zeitspanne Δt2 das Gaseinblasventil 20 geschlossen, nämlich dadurch, dass zunächst für eine Zeitspanne Δt3 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 die Bestromung des Elektromagneten des Gaseinblasventils 20 deutlich reduziert oder beendet und anschließend für eine Zeitspanne Δt4 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 der Elektromagnet wiederum erneut elektrisch bestromt wird, nämlich mit dem elektrischen Strom I4, sodass demnach zunächst der Ventilkörper bedingt durch die Federkraft des Federelements fast ungehindert mit hoher negativer Beschleunigung in Richtung auf den Ventilsitz verlagert wird, um dann vor dem Aufschlagen auf dem Ventilsitz über die elektrische Bestromung während der Zeitspanne Δt4 abgebremst zu werden, nämlich derart, dass sich die Beschleunigung des Ventilkörpers umkehrt.
So kann dem Verlauf Beschleunigung dv/dt in 2 entnommen werden, dass durch die Bestromung des Elektromagneten während der Zeitspanne Δt4 im Anschluss an das Reduzieren oder Aufheben der elektrischen Bestromung während der Zeitspanne Δt3 die zunächst negative Beschleunigung in eine positive Beschleunigung gedreht wird, wodurch beginnend mit dem Zeitpunkt t3 einem weiterem Geschwindigkeitszuwachs des Ventilkörpers entgegengewirkt wird, sodass dieser dann zum Zeitpunkt t5 mit geringer Geschwindigkeit und demnach geringem Impuls auf den Ventilsitz des Gaseinblasventils 20 zur Anlage kommt.
Zum Öffnen des Gaseinblasventils 20 wird demnach zunächst der Elektromagnet desselben während der Zeitspanne Δt1 mit dem großen elektrischen Strom I1 bestromt, um den Ventilkörper schnell vom Ventilsitz maximal abzuheben, wobei anschließend während der Zeitspanne Δt2 durch den relativ kleinen elektrischen Strom I2 der Ventilkörper in seiner geöffneten Stellung gehalten wird. Anschließend wird nach einer Bestromungsreduzierung oder Bestromungspause, also nach Reduzierung oder Beendigung der elektrischen Bestromung des Elektromagneten des Gaseinblasventils 20, der Elektromagnet während der Zeitspanne Δt4 erneut elektrisch bestromt, um so den Ventilkörper beim Schließen vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitz elektrisch zu bremsen und so die mechanische Belastung für den Ventilsitz des Gaseinblasventils 20 zu reduzieren.
Die Dauer der Zeitspanne Δt3, in welcher der Elektromagnet des Gaseinblasventils 20 nur schwach oder nicht bestromt wird, sowie die Dauer der Zeitdauer Δt4, in welcher der Elektromagnet des Gaseinblasventils 20 während des Schließens desselben mit einem Stromimpuls erneut bestromt wird, sowie die Höhe des elektrischen Stromimpuls I4 während des Zeitspanne Δt4 ist von der konkreten Ausführung des Gaseinblasventils abhängig, wobei diese Parameter in der Motorsteuerungseinrichtung 21 implementiert sind.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 für ein Gaseinblasventil 20 beschrieben wurde, das stromaufwärts des Zylinders 11 der Bereitstellung des Gas/Luft-Gemischs 16 dient, kann die Erfindung auch dann genutzt werden, wenn mit einem solchen Gaseinblasventil Gas unmittelbar in den Zylinder 11 eingebracht wird, wenn also die Bildung des Gas/Luft-Gemischs unmittelbar im Zylinder 11 erfolgt.
In 2 sind in gestrichelter Linienführung Verläufe des Ventilhubs X des Ventilkörpers, der Geschwindigkeit v des Ventilkörpers sowie der Beschleunigung dv/dt desselben gezeigt, die sich dann ausbilden würden, wenn der Elektromagnet während der Zeitspanne Δt4 nur leicht oder nicht elektrisch bestromt würde.
Dann, wenn der Elektromagnet des Gaseinblasventils 20 während der Zeitspanne Δt4 nicht elektrisch bestromt würde, würde nach dem Zeitpunkt t3 die Geschwindigkeit v des Ventilkörpers des Gaseinblasventils 20 weiter ansteigen und derselbe würde mit hoher Geschwindigkeit und hohem Impuls auf den Ventilsitz auftreffen. Dies wird erfindungsgemäß verhindert.
Die Motorsteuerungseinrichtung 21 steuert das oder jedes Gaseinblasventil 20 des Gasmotors zum Öffnen und Schließen desselben nach dem obigen Verfahren an. In derselben sind die neben den Dauern der Zeitspannen Δt1 und Δt2 sowie neben der Beträgen der elektrischen Ströme I1 und I2 auch die Dauer der Zeitspanne Δt3, die Dauer der Zeitdauer Δt4 sowie der Betrag des elektrischen Stromimpulses I4 während des Zeitspanne Δt4 hinterlegt.
Bezugszeichenliste

10: Gasmotor
11: Zylinder
12: Kolben
13: Einlassventil
14: Auslassventil
15: Zündeinrichtung
16: Gas/Luft-Gemisch
17: Gas
18: Luft
19: Abgas
20: Gaseinblasventil
21: Motorsteuerungseinrichtung

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors, nämlich zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in mindestens einen Zylinder des Gasmotors unter Nutzung mindestens eines Gaseinblasventils, wobei zum Öffnen des jeweiligen Gaseinblasventils ein Ventilkörper desselben entgegen einer Federkraft eines als Rückstellelement dienenden Federelements desselben durch elektrisches Bestromen eines Elektromagneten desselben von einem Ventilsitz desselben abgehoben wird, und wobei zum Schließen des jeweiligen Gaseinblasventils das Federelement den Ventilkörper gegen den Ventilsitz drückt, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils der Elektromagnet elektrisch bestromt wird, nämlich derart, dass während des Schließens des Gaseinblasventils die Geschwindigkeit des Ventilkörpers reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils der Elektromagnet derart elektrisch bestromt wird, dass durch eine Umkehr der Beschleunigung des Ventilkörpers die Geschwindigkeit des Ventilkörpers reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Gaseinblasventils der Elektromagnet desselben zunächst während einer ersten Zeitspanne mit einem relativ hohen elektrischen Strom und anschließend während einer zweiten Zeitspanne mit einem relativ geringen elektrischen Strom elektrisch bestromt wird, wobei das elektrische Bestromen während der ersten Zeitspanne dem schnellen Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz und das elektrische Bestromen während der zweiten Zeitspanne dem Halten des vom Ventilsitz abgehobenen Ventilkörpers entgegen der Federkraft des Federelements dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schließen des Gaseinblasventils das elektrische Bestromen des Elektromagneten zunächst reduziert bzw. beendet und anschließend während des Schließens des Gaseinblasventils der Elektromagnet erneut elektrisch bestromt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens des Gaseinblasventils der Elektromagnet desselben mit einem Stromimpuls elektrisch bestromt wird, dessen Impulshöhe und Impulsdauer von der Ausführung des Gaseinblasventils abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne zwischen der zum Schließen des Gaseinblasventils erfolgten Beendigung des elektrischen Bestromens des Elektromagneten bzw. der Reduzierung der Bestromung und dem anschließenden, erneuten elektrischen Bestromen desselben ebenfalls von der Ausführung des Gaseinblasventils abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in die Zylinder des Gasmotors zylinderindividuell ein Gasstrom mit einem Luftstrom vermischt und ein Gas/Luft-Gemisch in die Zylinder des Gasmotors eingebracht wird, wobei der Gasstrom durch Öffnen und Schließen des mit dem jeweiligen Zylinder zusammenwirkenden Gaseinblasventils in den Luftstrom unter Ausbildung des Gas/Luft-Gemischs eingebracht wird.
Motorsteuerungseinrichtung eines Gasmotors, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe das oder jedes Gaseinblasventil des Gasmotors zum Öffnen und Schließen desselben nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ansteuert.
Gaseinblasventil für einen Gasmotor, wobei zum Öffnen des jeweiligen Gaseinblasventils ein Ventilkörper desselben entgegen einer Federkraft eines als Rückstellelement dienenden Federelements desselben durch elektrisches Bestromen eines Elektromagneten desselben von einem Ventilsitz desselben abgehoben wird, und wobei zum Schließen des jeweiligen Gaseinblasventils das Federelement den Ventilkörper gegen den Ventilsitz drückt, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens des jeweiligen Gaseinblasventils der Elektromagnet ebenfalls elektrisch bestromt wird, nämlich derart, dass während des Schließens des Gaseinblasventils die Geschwindigkeit des Ventilkörpers reduziert wird.
Gaseinblasventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe zum Öffnen und Schließen nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7 angesteuert wird.