DE102013108465A1 - Gasmotor und Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors - Google Patents

Gasmotor und Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gas-Otto-Motor (1) und einen Biogas-Motor (1) mit einer Brennkammer (3), einem Abgasstrang (4) und einem Ansaugtrakt (2) zum Zuführen eines Brenngasgemisches (9) zur Brennkammer (3), wobei der Ansaugtrakt (2) in Strömungsrichtung einen Luftfilter (6), einen Mischer (7) zum Mischen der Luft (5) mit einem gasförmigen Kraftstoff (8), einen Turbolader (10), einen Ladeluftkühler (11) und eine erste Drosselklappe (12) aufweist. Der Abgasmassestrom treibt eine Turbine des Turboladers (10) an. Zur Verminderung von Drosselverlusten weist der Gasmotor (1) einen Brenngasrückführtrakt (14) mit einer zweiten Drosselklappe (15) auf, der den Ansaugtrakt (2) zwischen der ersten Drosselklappe (12) und der Brennkammer (3) mit dem Ansaugtrakt (2) zwischen dem Mischer (7) und dem Turbolader (10) verbindet. Im Überdruckbereich erfolgt die Leistungsregelung über die zweite Drosselklappe (15) und im Saugbereich über die erste Drosselklappe (12).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gasmotor mit einer Brennkammer, mit einem Ansaugtrakt zum Zuführen eines Brenngasgemisches zur Brennkammer, wobei der Ansaugtrakt in Strömungsrichtung einen Luftfilter, einen Mischer zum Mischen der Luft mit einem gasförmigen Kraftstoff, einen Turbolader, einen Ladeluftkühler und eine erste Drosselklappe aufweist, und mit einem Abgasstrang, wobei der Turbolader über den Abgasmassestrom des Abgasstrangs antreibbar ist.
  • Die Leistungsregelung bei Gasmotoren erfolgt im Stand der Technik durch kombinierte Regelung der Stellglieder Gasmischer und Drosselklappe anhand von Regelgrößen wie Motordrehzahl, Ladedruck oder Brenngastemperatur. Mittels der Drosselklappe wird der Volumenstrom des Brenngas-Luftgemisches, im Folgenden als Brenngasgemisch bezeichnet, gesteuert oder geregelt, indem durch Verdrehen der Drosselklappe der Rohrquerschnitt des Ansaugtrakts verringert wird. An der Drosselklappe entsteht ein Druckverlust (Drosselverlust), der den Wirkungsgrad des Gasmotors senkt. Da die Drosselklappe unter Volllast weit geöffnet ist, sind die Drosselverluste insbesondere im Teillastbetrieb relevant.
  • EP 2 488 732 A2 zeigt in 1 einen Gasmotor, der mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist. In einem Mischer wird ein Gas-Luft-Gemisch bereitgestellt, das über die Verdichtereinheit des Abgasturboladers, über einen Ladeluftkühler und über eine als zweites Ventil bezeichnete Drosselklappe zu einem Motor (150) befördert wird. Im Abgastrakt ist die Turbine durch eine Bypassleitung mit einem Wastegate vor Überlast geschützt, wobei dem Wastegate eine Kühleinrichtung zum Schutze des Ventils vorgeschaltet ist. Im stationären Hochlastbetrieb ist eine Regelung des Abgasmassestroms möglich, so dass der Motor ungedrosselt betrieben werden kann und der Wirkungsgrad steigt. Die Verluste im Teillastbetrieb können so aber nicht vermindert werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern und insbesondere einen Gasmotor zu schaffen, der im Teillastbereich einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gasmotors anzugeben.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gasmotor mit einer Brennkammer, einem Ansaugtrakt zum Zuführen eines Brenngasgemisches zur Brennkammer, wobei der Ansaugtrakt in Strömungsrichtung einen Luftfilter, einen Mischer zum Mischen der Luft mit einem gasförmigen Kraftstoff, einen Turbolader, einen Ladeluftkühler und eine erste Drosselklappe aufweist, und einem Abgasstrang, wobei der Turbolader über den Abgasmassestrom des Abgasstrangs antreibbar ist, wobei ein Brenngasrückführtrakt den Ansaugtrakt zwischen der ersten Drosselklappe und der Brennkammer mit dem Ansaugtrakt zwischen dem Mischer und dem Turbolader verbindet und der Brenngasrückführtrakt ganz oder teilweise durch ein Ventil verschließbar ist.
  • Die Gasstrecke ist damit um den Brenngasrückführtrakt mit einer zweiten Drosselklappe erweitert. Diese Gasstreckenerweiterung kann integraler Bestandteil eines Gasmotors sein. Alternativ kann sie als Nachrüstsatz für bereits ältere Gasmotoren vorgesehen sein, um deren Drosselverluste nachträglich zu reduzieren.
  • Die erste Drosselklappe dient der Regulierung des Gasvolumenstrangs im Saugbereich, beispielsweise während des Anfahrens des Gasmotors. In diesem Bereich, in dem der durch den Abgasturbolader aufgebaute Druck einen motorspezifischen Schwellwert noch nicht überschritten hat, wird die Leistungsregelung des Gasmotors allein durch die erste Drosselklappe vorgenommen. Die Stellung der zweiten Drosselklappe bleibt im Wesentlichen unverändert, wobei diese geschlossen sein kann oder einen festen Öffnungswinkel aufweisen kann, der beispielsweise 30% des maximalen Öffnungsquerschnitts entspricht.
  • Wird der Schwellwert überschritten und befindet sich der Gasmotor sicher im Überdruckbereich, übernimmt die zweite Drosselklappe die Leistungsregelung des Gasmotors. Die erste Drosselklappe wird zur Vermeidung von Drosselverlusten vollständig geöffnet, und über die zweite Drosselklappe wird der Schlupfvolumenstrom so reguliert, dass der Brennkammer der Brenngasvolumenstrom zugeführt wird, der ausreicht, um den Gasmotor mit der angewählten Leistung zu betreiben. Der überschüssige Schlupfvolumenstrom wird dem vorverdichteten Teil des Ansaugtraktes vor dem Turbolader wieder zugeführt. Die ersparten Drosselverluste sind proportional zum Schlupfvolumenstrom und damit zur Wirkungsgradverbesserung. Die Wirkungsgradverbesserung fällt daher desto deutlicher aus, je stärker der Gasmotor im Teillastbereich gefahren wird, wobei auch im Volllastbereich Verbesserungen erfolgen können.
  • Ein Übergangsbereich kann vorgesehen sein, in dem beide Drosselklappen verstellt werden. Dieser Übergangsbereich sollte zur Drosselverlustoptimierung möglichst schmal ausfallen.
  • Der Abgasstrang weist eine Bypassleitung mit einer dritten Drosselklappe als Wastegate auf, die den Turbolader vor Überlastung schützt. Der Abgasvolumenstrom, der die Turbine des Turboladers antreibt, kann dadurch soweit reduziert werden, dass der Turbolader stets in seinem Nenndrehzahlbereich betrieben wird.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gasmotors, wobei im Saugbereich die zweite Drosselklappe geschlossen ist oder einen festen Öffnungswinkel aufweist und die Leistungsregelung des Gasmotors über die erste Drosselklappe vorgenommen wird, und im Überdruckbereich oberhalb eines Schwellwerts die erste Drosselklappe maximal geöffnet wird und die Leistungsregelung des Gasmotors über die zweite Drosselklappe erfolgt.
  • Das Verfahren kann für nachgerüstete Altanlagen ebenso eingesetzt werden wie für Neuanlagen. Vorzugsweise ist bei Neuanlagen eine Steuerung oder Regelung der Drosselklappen vorgesehen, die motorspezifisch alle Betriebsbedingungen optimal abdeckt und den Wechselwirkungen durch Hinterlegung unterschiedlicher Reglersätze für die einzelnen Drosselklappen Rechnung trägt.
  • Im Falle von Altanlagen kann eine Umrüstung dahingehend erfolgen, dass die zweite und ggf. dritte Drosselklappe durch einen PID-Regler betrieben werden und der Regler für die erste Drosselklappe so modifiziert wird, dass er bei Überschreiten des Schwellwerts auf 100% Öffnung fährt. Damit ist es möglich, das vorhandene Steuerungs- oder Regelungssystem nur leicht zu modifizieren, so dass die Integration in eine bestehende Anlage keine weiteren aufwändigen Anpassungen erforderlich sind. Alternativ wird bei Bestandsanlagen das gesamte Steuerungs- bzw. Regelungssystem ersetzt.
  • Im Saugbereich erfolgt die Leistungsregelung weiterhin über die Stellung der ersten Drosselklappe. Dazu kann diese über einen PID-Regler betrieben werden, der frei konfigurierbar ist. In einer Ausführungsform weist dieser drei unterschiedliche Reglersätze auf: einen für den Leerlauf, einen für die Synchronisation und einen für die Leistungsregelung.
  • Bei Überschreiten eines bestimmten, motorimmanenten Schwellwerts, der beispielsweise einer Leistungsanforderung von 50% der Nennleistung entspricht, erfolgt kein weiteres sukzessives, der abgerufenen Leistung entsprechendes Öffnen der ersten Drosselklappe, sondern diese wird zu 100% geöffnet. Stattdessen übernimmt die zweite Drosselklappe, die im Saugbereich geschlossen ist oder einen festen Öffnungswinkel aufweist, bei Überschreiten des vorgenannten Schwellwerts mit einem eigenen PID-Reglersatz die Leistungsregelung des Gasmotors. Wird nachfolgend der Schwellwert wieder unterschritten, wird die zweite Drosselklappe wieder auf ihren festen Ausgangswert eingestellt und die Leistungsregelung durch die erste Drosselklappe vorgenommen.
  • Der Schwellwert kann leistungsbezogen definiert sein als ein bestimmter Prozentsatz der Nennleistung. Alternativ kann er durch einen Mindestgemischdruck gebildet sein, der sicherstellt, dass der Gasmotor den Saugbereich verlassen hat und im Überdruckbereich betrieben wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung der Gasstrecke eines erfindungsgemäßen Gasmotors und
  • 2 eine schematische Darstellung der Gasstrecke eines Gasmotors nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine Gasstrecke eines Gasmotors 1 mit äußerer Gemischbildung nach dem Stand der Technik. Die Gasstrecke weist einen Ansaugtrakt 2 auf, über den einer Brennkammer 3 ein Brenngasgemisch 9 zugeführt wird, sowie einen Abgasstrang 4, über den das umgesetzte Abgas 13 abgeführt wird.
  • In den Ansaugtrakt 2 wird Luft 5 befördert, die über einen Luftfilter 6 in einem Mischer 7 mit einem gasförmigen Kraftstoff 8 wie Biogas oder Erdgas zu einem Brenngasgemisch 9 vermischt wird. Um den Wirkungsgrad des Gasmotors 1 zu erhöhen, verdichtet ein Turbolader 10 das Brenngasgemisch 9. Das durch die Verdichtung erhitzte Brenngasgemisch 9 wird über einen Ladeluftkühler 11 gekühlt und der Brennkammer 3 zugeführt. Zwischen der Brennkammer 3 und dem Ladeluftkühler 11 ist eine erste Drosselklappe 12 angeordnet, die den Massestrom des verdichteten Brenngasgemischs 9 reguliert. Das in der Brennkammer 3 zu Abgas 13 verbrannte Brenngasgemisch 9 wird über den Abgasstrang 4 zur Turbine des Turboladers 10 geleitet, um diese anzutreiben.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gasmotor 1, dessen Gasstrecke gegenüber der aus der 2 erweitert ist. Zusätzlich weist der Gasmotor 1 nach 2 einen Brenngasrückführtrakt 14 auf, der den Abschnitt zwischen der ersten Drosselklappe 12 und der Brennkammer 3 mit dem Abschnitt zwischen dem Mischer 7 und dem Turbolader 10 verbindet. In dem Brenngasrückführtrakt 14 ist eine zweite Drosselklappe 15 als ein Ventil 16 angeordnet.
  • Weiterhin weist der Abgasstrang 4 eine Bypassleitung 17 auf, über die Teile des Abgases 13 an der Turbine des Turboladers 10 vorbei ins Freie gelangen können. Die Bypassleitung 17 weist ein Wastegate als Bypassventil auf, das vorliegend als eine dritte Drosselklappe 18 ausgebildet ist.
  • Im Saugbereich, beispielsweise während der Anfahrphase, nimmt die erste Drosselklappe 12 die Regulierung des Gasvolumenstrangs vor. Überschreitet dann der durch den Turbolader aufgebaute Druck des Brenngasgemischs 9 vor der Brennkammer 3 einen bestimmten Schwellwert, fährt der Gasmotor 1 in den Überdruckbereich. Im Überdruckbereich wird die Leistungsregelung durch die zweite Drosselklappe 15 vorgenommen und die erste Drosselklappe 12 vollständig geöffnet. Dabei wird über die zweite Drosselklappe 15 der Schlupfvolumenstrom vs so reguliert, dass der Brennkammer 3 der Volumenstrom vBg zugeführt wird, der ausreicht, um den Gasmotor 1 mit der angewählten Leistung zu betreiben. Der überschüssige Schlupfvolumenstrom vs wird dem vorverdichteten Teil des Ansaugtraktes 2 vor dem Turbolader 10 wieder zugeführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasmotor
    2
    Ansaugtrakt
    3
    Brennkammer
    4
    Abgasstrang
    5
    Luft
    6
    Luftfilter
    7
    Mischer
    8
    gasförmiger Kraftstoff
    9
    Brenngasgemisch
    10
    Turbolader
    11
    Ladeluftkühler
    12
    erste Drosselklappe
    13
    Abgas
    14
    Brenngasrückführtrakt
    15
    zweite Drosselklappe
    16
    Ventil
    17
    Bypassleitung
    18
    dritte Drosselklappe
    vs
    Schlupfvolumenstrom
    vBg
    Schlupfvolumenstrom
  • 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
    • EP 2488732 A2 [0003]

Claims (10)

  1. Gasmotor (1) mit – einer Brennkammer (3), – einem Ansaugtrakt (2) zum Zuführen eines Brenngasgemisches (9) zur Brennkammer (3), wobei der Ansaugtrakt (2) in Strömungsrichtung einen Luftfilter (6), einen Mischer (7) zum Mischen der Luft (5) mit einem gasförmigen Kraftstoff (8), einen Turbolader (10), einen Ladeluftkühler (11) und eine erste Drosselklappe (12) aufweist, und – einem Abgasstrang (4), wobei der Turbolader (10) über den Abgasmassestrom des Abgasstrangs (4) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor (1) – einen Brenngasrückführtrakt (14) aufweist, der den Ansaugtrakt (2) zwischen der ersten Drosselklappe (12) und der Brennkammer (3) mit dem Ansaugtrakt (2) zwischen dem Mischer (7) und dem Turbolader (10) verbindet, und – ein Ventil (16) aufweist, über das der Brenngasrückführtrakt (14) ganz oder teilweise verschließbar ist.
  2. Gasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (16) als zweite Drosselklappe (15) ausgebildet ist.
  3. Gasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Überdruckbereich die erste Drosselklappe (12) vollständig geöffnet ist und die Leistungsregelung über die zweite Drosselklappe (15) erfolgt.
  4. Gasmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Saugbereich die quantitative Gemischregulierung über die erste Drosselklappe (12) erfolgt.
  5. Gasmotor nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (4) eine Bypassleitung (17) für den Turbolader (10) aufweist, wobei die Bypassleitung (17) mit einem Bypassventil verschließbar ist, das als dritte Drosselklappe (18) ausgebildet ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors (1) nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass – im Saugbereich zweite Drosselklappe (15) geschlossen ist oder einen festen Öffnungswinkel aufweist und die Leistungsregelung des Gasmotors (1) über die erste Drosselklappe (12) vorgenommen wird, – im Überdruckbereich oberhalb eines Schwellwerts die erste Drosselklappe (12) maximal geöffnet wird und die Leistungsregelung des Gasmotors (1) über die zweite Drosselklappe (15) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert größer oder gleich der Hälfte der Nennleistung des Gasmotors (1) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert als ein Mindestgemischdruck gewählt ist, der sicherstellt, dass der Gasmotor (1) den Saugbereich verlassen hat.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Drosselklappen (12, 15) mittels PID-Regler betrieben werden, wobei die PID-Regler Reglersätze für den Leerlauf, die Synchronisation der Drosselklappen (12, 15, 18) und die Leistungsregelung aufweisen.
  10. Nachrüstsatz für einen Gasmotor (1) mit einem Brenngasrückführtrakt (14) zum Verbinden des Ansaugtraktes (2) zwischen der ersten Drosselklappe (12) und der Brennkammer (3) mit dem Ansaugtrakt (2) zwischen dem Mischer (7) und dem Turbolader (10), wobei der Brenngasrückführtrakt (14) eine zweite Drosselklappe (15) aufweist.
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