DE102013207838B3 - Mixture-compressing gas engine and method for equalizing at least two cylinders of a mixture-compressing gas engine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein gemischverdichtender Gasmotor (7) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Zylinder (11), und mit einer ein verdichtetes Luft-Brenngas-Gemisch erzeugenden Verdichtereinrichtung (13), die über eine gemeinsame Zuleitung (15) mit den Zylindern (11) in Fluidverbindung ist, wobei jedem Zylinder (11) mindestens ein von der gemeinsamen Zuleitung (15) abzweigender Zuführkanal (17, 19) zur Zuführung des verdichteten Luft-Brenngas-Gemischs in den Zylinder (11) zugeordnet ist, vorgeschlagen. Der gemischverdichtende Gasmotor (7) zeichnet sich dadurch aus, dass der dem ersten Zylinder (11) zugeordnete Zuführkanal (17) eine Querschnittsverengung (31) aufweist, wobei die Querschnittsverengung (31) auf den Querschnitt des mindestens einen dem zweiten Zylinder zugeordneten Zuführkanals derart abgestimmt ist, dass im Betrieb des Gasmotors (7) eine im Wesentlichen gleiche Füllung für alle Zylinder (11) erreicht wird.A mixture-compressing gas engine (7) with at least a first and a second cylinder (11), and with a compressor device (13) which generates a compressed air-fuel gas mixture and which is connected to the cylinders (11) via a common feed line (15) is in fluid communication, with each cylinder (11) being assigned at least one feed channel (17, 19) branching off from the common feed line (15) for feeding the compressed air-fuel gas mixture into the cylinder (11). The mixture-compressing gas engine (7) is characterized in that the feed channel (17) assigned to the first cylinder (11) has a cross-sectional constriction (31), the cross-sectional constriction (31) being matched to the cross-section of the at least one feed channel assigned to the second cylinder is that when the gas engine (7) is in operation, a substantially equal charge is achieved for all cylinders (11).
Description
Die Erfindung betrifft einen gemischverdichtenden Gasmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Gleichstellung von mindestens zwei Zylindern eines gemischverdichtenden Gasmotors gemäß Anspruch 8.The invention relates to a mixture-compressing gas engine according to the preamble of
Gemischverdichtende Gasmotoren der hier angesprochenen Art weisen mindestens einen ersten und einen zweiten Zylinder, typischerweise eine Mehrzahl von Zylindern auf. Eine Verdichtereinrichtung erzeugt ein verdichtetes Luft-Brenngas-Gemisch, welches den Zylindern über eine gemeinsame Zuleitung zugeführt wird. Dabei ist jedem Zylinder mindestens ein von der gemeinsamen Zuleitung abzweigender Zuführkanal zugeordnet, um das verdichtete Luft-Brenngas-Gemisch in die einzelnen Zylinder zu führen. Insbesondere durch die Geometrie der gemeinsamen Zuleitung und/oder der einzelnen, zu den Zylindern führenden Zuführkanäle, und gegebenenfalls auch aufgrund der Geometrie einer Abgasführung beziehungsweise der Druckverhältnisse in dieser, ergibt sich eine gewisse Ungleichverteilung hinsichtlich einer Füllung der Zylinder mit dem Luft-Brenngas-Gemisch. Diese Ungleichverteilung führt dazu, dass Kennwerte, welche die individuelle Leistung der verschiedenen Zylinder repräsentieren, zylinderspezifisch voneinander abweichen, wobei die Zylinder beispielsweise verschiedene indizierte Mitteldrücke, verschiedene Abgastemperaturen oder verschiedene Abstände zur Klopfgrenze aufweisen. Dabei nehmen einzelne Zylinder eine Vorrangsstellung ein und limitieren hierdurch den gesamten Motor. Dabei besteht eine Limitierung vor allem bezüglich der Klopfgrenze, wobei der gesamte Gasmotor durch diejenigen Zylinder limitiert ist, die den geringsten Abstand zu dieser aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine Begrenzung der gesamten Motorleistung nach oben. Durch die Ungleichverteilung wird der Gesamtwirkungsgrad des Gasmotors verschlechtert. Es ist daher wünschenswert, die Füllungen der einzelnen Zylinder nach Möglichkeit aneinander anzugleichen.Mixture-compressing gas engines of the type discussed here have at least a first and a second cylinder, typically a plurality of cylinders. A compressor device generates a compressed air-fuel gas mixture, which is supplied to the cylinders via a common feed line. In this case, each cylinder is assigned at least one branching off from the common feed line feed channel to guide the compressed air-fuel gas mixture into the individual cylinders. In particular, by the geometry of the common feed line and / or the individual, leading to the cylinders feed channels, and possibly also due to the geometry of an exhaust system or the pressure conditions in this, there is a certain unequal distribution with respect to a filling of the cylinder with the air-fuel gas mixture , This unequal distribution results in characteristic values which represent the individual performance of the different cylinders differing from one another in a cylinder-specific manner, the cylinders having, for example, different indicated mean pressures, different exhaust-gas temperatures or different distances from the knocking limit. Here individual cylinders occupy a priority position and thereby limit the entire engine. In this case, there is a limitation, especially with regard to the knock limit, wherein the entire gas engine is limited by those cylinders which have the smallest distance to this. This results in a limit of the total engine power upwards. Due to the unequal distribution of the overall efficiency of the gas engine is deteriorated. It is therefore desirable to match the fillings of the individual cylinders as far as possible.
Hierzu ist aus der europäischen Patenschrift
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Aus der Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gemischverdichtenden Gasmotor und ein Verfahren zur Gleichstellung von mindestens zwei Zylindern eines gemischverdichtenden Gasmotors zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll es bei dem gemischverdichtenden Gasmotor beziehungsweise mit Hilfe des Verfahrens möglich sein, auf einfache und kostengünstige Weise die Füllung der einzelnen Zylinder anzugleichen.The invention has for its object to provide a mixture-compressing gas engine and a method for equalization of at least two cylinders of a mixture-compressing gas engine, which do not have the disadvantages mentioned. In particular, it should be possible in the mixture-compressing gas engine or by means of the method to adjust the filling of the individual cylinders in a simple and cost-effective manner.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein gemischverdichtender Gasmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der dem ersten Zylinder zugeordnete Zuführkanal eine Querschnittsverengung aufweist, die auf den Querschnitt des mindestens einen dem zweiten Zylinder zugeordneten Zuführkanals derart abgestimmt ist, dass im Betrieb des Gasmotors eine im Wesentlichen gleiche Füllung für alle Zylinder erreicht wird. Der gemischverdichtende Gasmotor weist also einen ersten Zylinder auf, dem ein erster von der gemeinsamen Zuleitung abzweigender Zuführkanal zugeordnet ist. Er weist außerdem einen zweiten Zylinder auf, dem zweiter, von der gemeinsamen Zuleitung abzweigender Zuführkanal zugeordnet ist. Der erste Zuführkanal weist eine Querschnittsverengung auf, die derart auf den Querschnitt des zweiten Zuführkanals abgestimmt ist, dass in Hinblick auf die gemeinsame Zuleitung und die Zuführkanäle bestehende Strömungsverhältnisse derart beeinflusst werden, dass eine Gleichstellung der Zylinderfüllung für den ersten Zylinder und den zweiten Zylinder im Betrieb des Gasmotors bewirkt wird. Durch die Querschnittsverengung werden also ansonsten bestehende Unterschiede in der Zylinderfüllung durch entsprechende Gestaltung der Strömungsgeometrie des ersten Zuführkanals ausgeglichen. Damit werden die Zylinder in Hinblick auf ihre individuelle Leistung gleichgestellt, ohne dass es eines komplizierten Regelungsverfahrens bedarf. Vielmehr wird eine einfache und kostengünstige, rein konstruktive Lösung für das zugrundeliegende Problem geschaffen, indem mit Hilfe der Querschnittsverengung die Durchströmung der Zuleitung beziehungsweise der verschiedenen Zuführkanäle beeinflusst wird. Durch die Gleichstellung der Zylinderfüllung ergibt sich ein im Wesentlichen gleicher Abstand aller Zylinder zur Klopfgrenze sowie ein im Wesentlichen ebenfalls gleicher Abstand zur Zündgrenze. Somit sind nicht mehr einzelne Zylinder für die Gesamtleistung des Gasmotors limitierend, und es ist möglich, ein größeres Leistungsintervall mit dem Gasmotor auszuschöpfen. Zugleich ist der Gesamtwirkungsgrad des Gasmotors höher, weil dieser keine in Hinblick auf ihre Füllung benachteiligten Zylinder mehr aufweist.The object is achieved by providing a mixture-compressing gas engine having the features of
Bei dem gemischverdichtenden Gasmotor ist die Querschnittsverengung als Rohrstück ausgebildet, das an einer Dichtung für einen Zylinderkopf des Gasmotors angeordnet ist. Das an der Dichtung angeordnete Rohrstück stellt somit ein Ausführungsbeispiel einer Blende dar. Es ist bevorzugt so mit der Dichtung verbunden, dass das Gasgemisch nicht zwischen der Dichtung und dem Rohrstück vorbeiströmen kann, sondern vielmehr durch das Rohrstück hindurchströmen muss. Das in dem Zuführkanal angeordnete Rohrstück limitiert so dessen Durchtrittsquerschnitt.In the mixture-compressing gas engine, the cross-sectional constriction is formed as a pipe piece disposed on a gasket for a cylinder head of the gas engine. The tube piece arranged on the seal thus represents an exemplary embodiment of a diaphragm. It is preferably connected to the seal such that the gas mixture can not flow past between the seal and the tube piece, but instead has to flow through the tube piece. The pipe section arranged in the feed channel thus limits its passage cross section.
Vorzugsweise umfasst der Gasmotor mehr als zwei Zylinder, beispielsweise sechs, acht, zehn, zwölf, sechzehn oder zwanzig Zylinder. Auch mehr als zwanzig Zylinder sind möglich. Jedem Zylinder ist mindestens ein von der gemeinsamen Zuleitung abzweigender Zuführkanal zugeordnet. Dabei weist eine Anzahl von Zuführkanälen, die vorzugsweise größer als eins und bevorzugt kleiner oder gleich der Gesamtzahl der Zylinder reduziert um eins ist, jeweils eine Querschnittsverengung auf, wobei die einzelnen Querschnittsverengungen so gewählt beziehungsweise auf die jeweils den übrigen Zylindern zugeordneten Zuführkanäle abgestimmt sind, dass sich im Betrieb des Gasmotors eine im Wesentlichen gleiche Füllung für alle Zylinder ergibt. Dabei werden typischerweise Zylinder, die ohne die Querschnittsverengung eine große Füllung erhalten würden, mit Hilfe der Querschnittsverengung gedrosselt, wobei Zylinder, die ansonsten eine vergleichsweise kleine Füllung erhalten würden, nicht oder kaum mittels einer Querschnittsverengung gedrosselt werden. Wesentlich ist, dass alle Querschnittsverengungen und auch verbleibende offene Querschnitte ohne Querschnittsverengung in den verschiedenen Zuführkanälen derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich letztlich im Betrieb des Gasmotors für alle Zylinder eine im Wesentlichen gleiche Füllung ergibt.Preferably, the gas engine comprises more than two cylinders, for example six, eight, ten, twelve, sixteen or twenty cylinders. Also more than twenty cylinders are possible. Each cylinder is associated with at least one branching from the common feed channel. In this case, a number of feed channels, which is preferably greater than one and preferably less than or equal to the total number of cylinders reduced by one, in each case a cross-sectional constriction, wherein the individual cross-sectional constrictions are chosen or tuned to each of the other cylinders associated feed channels that During operation of the gas engine results in a substantially equal filling for all cylinders. In this case, typically cylinders that would receive a large filling without the cross-sectional constriction, throttled by means of the cross-sectional constriction, wherein cylinders that would otherwise receive a comparatively small filling, are not or hardly throttled by a cross-sectional constriction. It is essential that all cross-sectional constrictions and remaining open cross sections without cross-sectional constriction in the various feed channels are coordinated so that ultimately results in the operation of the gas engine for all cylinders, an essentially equal filling.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des gemischverdichtenden Gasmotors bevorzugt, bei dem jedem Zylinder zwei Zuführkanäle zugeordnet sind. Vorzugsweise ist bei den Zylindern, denen ein Zuführkanal mit einer Querschnittsverengung zugeordnet ist, nur in einem der beiden Zuführkanäle eine Querschnittsverengung angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, in beiden Zuführkanälen eines entsprechenden Zylinders jeweils eine Querschnittsverengung vorzusehen.An embodiment of the mixture-compressing gas engine is preferred in which each cylinder is assigned two feed channels. Preferably, in the cylinders to which a feed channel is associated with a cross-sectional constriction, a cross-sectional constriction is arranged only in one of the two feed channels. Alternatively, it is also possible to provide in each case a cross-sectional constriction in both feed channels of a corresponding cylinder.
Selbstverständlich ist auch ein Ausführungsbeispiel des Gasmotors möglich, bei dem allen Zylindern ein Zuführkanal zugeordnet ist, der eine Querschnittsverengung aufweist.Of course, an embodiment of the gas engine is possible in which all cylinders a feed channel is assigned, which has a cross-sectional constriction.
Es wird ein gemischverdichtender Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass die Querschnittsverengung als Blende ausgebildet ist. Mit dem Begriff „Blende” ist dabei allgemein ein von dem Zuführkanal getrennt ausgebildetes, jedoch in diesem angeordnetes Element angesprochen, welches den Durchtrittsquerschnitt des Zuführkanals verengt und somit den Zuführkanal drosselt. Die Blende weist demnach einen Durchtrittsquerschnitt auf, der kleiner ist als ein minimaler Durchtrittsquerschnitt entlang des Zuführkanals, wenn in diesem keine Blende angeordnet ist.A mixture-compressing gas engine is preferred, which is characterized in that the cross-sectional constriction is formed as a diaphragm. The term "aperture" is generally a separate from the feed trained, but arranged in this element addressed, which narrows the passage cross section of the feed channel and thus throttles the feed. The aperture thus has a passage cross-section which is smaller than a minimum passage cross-section along the feed channel, if no aperture is arranged in this.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Querschnittsverengung einstückig mit dem Zuführkanal, insbesondere mit einer Wandung desselben ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsverengung vorzugsweise als Vorsprung, insbesondere als ringförmig umlaufender Vorsprung der Wandung ausgebildet. Während bei diesem Ausführungsbeispiel eine Teilezahl reduziert und zusätzliche Elemente vermieden werden können, bedarf es allerdings einer genauen Analyse der Strömungsverhältnisse in der Zuleitung und den Zuführkanälen noch vor der eigentlichen Fertigung des Gasmotors, um die Wandungen der Zuführkanäle letztlich so gestalten zu können, dass eine Gleichstellung der verschiedenen Zylinder erreicht wird. Demgegenüber hat die Anordnung separater Elemente in den Zuführkanälen, insbesondere von Blenden, den Vorteil, dass diese nachträglich auf die Gegebenheiten des konkreten Gasmotors abgestimmt und entsprechend bedarfsgerecht angeordnet werden können.In another embodiment, it is possible that the cross-sectional constriction is formed integrally with the feed channel, in particular with a wall thereof. In this embodiment, the cross-sectional constriction is preferably formed as a projection, in particular as an annular circumferential projection of the wall. While in this embodiment reduces a number of parts and additional elements can be avoided, however, requires a precise analysis of the flow conditions in the supply line and the feed channels before the actual production of the gas engine in order to ultimately make the walls of the feed channels so that equality the different cylinders is reached. In contrast, the arrangement of separate elements in the feed channels, in particular of panels, the advantage that they can be subsequently adapted to the conditions of the specific gas engine and arranged according to needs.
Bevorzugt ist das Rohrstück, als welches die Querschnittsverengung ausgebildet ist, einstückig mit der Dichtung ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass das Rohrstück mit der Dichtung gefügt, insbesondere mit dieser verschweißt, verlötet, verklebt oder in anderer geeigneter Weise an dieser befestigt ist. Es ergibt sich so eine besonders einfache Handhabung der Blende, die gemeinsam mit der Dichtung im Bereich des Zylinderkopfs und somit in dem Zuführkanal angeordnet werden kann.Preferably, the pipe section, as which the cross-sectional constriction is formed integrally formed with the seal. Alternatively, it is also possible that the pipe piece is joined to the seal, in particular welded to it, soldered, glued or fastened in another suitable manner to this. This results in a particularly simple handling of the diaphragm, which can be arranged together with the seal in the region of the cylinder head and thus in the feed channel.
Es wird insbesondere ein gemischverdichtender Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass das Rohrstück mit der Dichtung verschweißt ist. Besonders bevorzugt ist das Rohrstück mit der Dichtung laserverschweißt. Die Schweißverbindung zwischen dem Rohrstück und der Dichtung ist einfach und kostengünstig herstellbar und zugleich gasdicht. Eine Laserverschweißung ist in besonders wenig aufwändiger, kostengünstiger Weise herstellbar.In particular, a mixture-compressing gas engine is preferred, which is characterized in that the pipe section is welded to the gasket. Particularly preferably, the tube piece is laser-welded to the seal. The welded joint between the pipe section and the seal is simple and inexpensive to produce and at the same time gas-tight. A laser weld is in particular little expensive, inexpensive way to produce.
Es wird auch ein gemischverdichtender Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass er zwei Abgasleitungen aufweist, die mit verschiedenen Zylindern in Fluidverbindung sind. Der Gasmotor weist also vorzugsweise eine erste Abgasleitung und eine zweite Abgasleitung auf, wobei die erste Abgasleitung mit einer ersten Gruppe von Zylindern in Fluidverbindung ist, wobei die zweite Abgasleitung mit einer zweiten Gruppe von Zylindern in Fluidverbindung ist. Die erste Gruppe von Zylindern umfasst andere Zylinder als die zweite Gruppe von Zylindern, wobei kein Zylinder des Gasmotors sowohl in der ersten Gruppe als auch in der zweiten Gruppe von Zylindern vorhanden ist. Das Abgas der verschiedenen Gruppen von Zylindern wird somit zumindest bereichsweise durch zwei separate Abgasleitungen geführt. Es zeigt sich dabei, dass je nach Ausbildung der Abgasleitungen verschiedene Abgasgegendrücke für die verschiedenen Gruppen von Zylindern und auch für verschiedene Zylinder innerhalb der Gruppen existieren können. Diese ungleichmäßige Druckverteilung wirkt bei einem Ladungswechsels einer gleichmäßigen Füllung der Zylinder entgegen. Um den Abgasgegendruck zwischen den verschiedenen Gruppen von Zylindern, jedoch vorzugsweise auch zwischen den einzelnen Zylindern einer Gruppe zu vergleichmäßigen, ist eine Querverbindung vorgesehen, durch welche die Abgasleitungen miteinander fluidverbunden sind. Durch die Querverbindung wird ein Fluidpfad für einen Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen geschaffen, sodass ein Abgasgegendruck nicht nur zwischen den Zylindergruppen sondern auch zwischen den einzelnen Zylindern innerhalb einer Gruppe homogenisiert wird. Dies trägt dazu bei, das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Füllung der verschiedenen Zylinder zu erreichen.A mixture-compressing gas engine is also preferred which is characterized by having two exhaust conduits in fluid communication with different cylinders. Thus, the gas engine preferably includes a first exhaust conduit and a second exhaust conduit, wherein the first exhaust conduit is in fluid communication with a first group of cylinders, the second exhaust conduit being in fluid communication with a second group of cylinders. The first group of cylinders includes cylinders other than the second group of cylinders, with no cylinder of the gas engine in both the first group and the second group of cylinders. The exhaust gas of the various groups of cylinders is thus guided at least partially through two separate exhaust pipes. It can be seen here that, depending on the design of the exhaust pipes, different exhaust back pressures can exist for the different groups of cylinders and also for different cylinders within the groups. This uneven pressure distribution counteracts a uniform charge filling of the cylinder at a charge change. In order to even out the exhaust back pressure between the various groups of cylinders, but preferably also between the individual cylinders of a group, a cross connection is provided, through which the exhaust pipes are fluidly connected to each other. The cross-connection creates a fluid path for pressure equalization between the exhaust pipes, so that exhaust back pressure is homogenized not only between the cylinder groups but also between the individual cylinders within a group. This helps to achieve the goal of uniformly filling the various cylinders.
Mithilfe der Querverbindung ist es insbesondere möglich, zu starke Querschnittsverengungen in den Zuführkanälen zu vermeiden. Die Gleichstellung beziehungsweise Homogenisierung des Abgasgegendrucks bewirkt also, dass insbesondere die limitierenden Zylinder anströmseitig nicht zu stark abgedrosselt werden müssen. Zu starke Querschnittsverengungen in den Zuführkanälen sind nachteilig, weil sie die Füllmenge der Zylinder unerwünscht einschränken und sich somit wiederum negativ auf die Leistung beziehungsweise den Wirkungsgrad des Gasmotors auswirken.With the aid of the transverse connection, it is possible, in particular, to avoid excessive cross-sectional constrictions in the feed channels. The equalization or homogenization of the exhaust backpressure thus causes, in particular, that the limiting cylinders on the upstream side do not have to be throttled too much. Excessive cross-sectional constrictions in the feed channels are disadvantageous because they undesirably limit the capacity of the cylinder and thus in turn have a negative effect on the performance or the efficiency of the gas engine.
Die Querverbindung ist vorzugsweise auf einer Seite der Abgasleitungen angeordnet, die – in einer Hauptströmungsrichtung des Abgases gesehen – einer gemeinsamen Sammelleitung gegenüberliegt. Dabei ist mit einer Hauptströmungsrichtung die Richtung gemeint, in der das Abgas entlang der Abgasleitungen von den Zylindern zu einer Ausstoßeinrichtung, beispielsweise einem Auspuff strömt. Es ist möglich, dass sich im Rahmen eines Druckausgleichs zwischen den Abgasleitungen auch eine zumindest bereichsweise gegenläufige Strömung insbesondere im Bereich der Querverbindung ergibt. Dies steht nicht im Widerspruch dazu, dass die Hauptströmungsrichtung des Abgases vorgegeben ist durch dessen Pfad von den Zylindern zu der Ausstoßeinrichtung. Die beiden Abgasleitungen münden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Sammelleitung, die weiter – gegebenenfalls über mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise einen Oxidationskatalysator – zu der Aussstoßeinrichtung führt. Es ist offensichtlich, dass dabei in dem Mündungsbereich der Abgasleitungen in die gemeinsame Sammelleitung bereits eine Fluidverbindung zwischen den beiden Abgasleitungen und somit auch quasi eine Querverbindung existiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist demnach insoweit eine zusätzliche Querverbindung auf der Seite der Abgasleitungen vorgesehen, welche der gemeinsamen Sammelleitung beziehungsweise dem Mündungsbereich gegenüberliegt. Diese führt zu einer zusätzlichen Vergleichmäßigung des Abgasgegendrucks.The cross connection is preferably arranged on a side of the exhaust pipes, which - viewed in a main flow direction of the exhaust gas - facing a common manifold. Here, by a main flow direction is meant the direction in which the exhaust gas flows along the exhaust pipes from the cylinders to an exhaust device such as an exhaust. It is possible that, as part of a pressure equalization between the exhaust pipes and an at least partially opposite flow results, in particular in the region of the cross connection. This is not contrary to the fact that the main flow direction of the exhaust gas is predetermined by its path from the cylinders to the ejector. The two exhaust pipes open in a preferred embodiment in a common manifold, which further - possibly via at least one exhaust aftertreatment device, such as an oxidation catalyst - leads to the ejection device. It is obvious that in the mouth region of the exhaust pipes in the common manifold already exists a fluid connection between the two exhaust pipes and thus also virtually a cross-connection. In this embodiment, therefore, an additional cross-connection on the side of the exhaust pipes is provided so far, which is opposite to the common manifold or the mouth region. This leads to an additional equalization of the exhaust back pressure.
Es wird auch ein gemischverdichtender Gasmotor bevorzugt, der als V-Motor ausgebildet ist. Dabei stehen sich zwei Zylinderbänke, mithin zwei Reihen von jeweils nebeneinander angeordneten Zylindern, in Form eines V gegenüber. Dabei ist jeder Zylinderbank eine Abgasleitung zugeordnet. Es ist eine Querverbindung vorgesehen, durch welche die Abgasleitungen miteinander fluidverbunden sind. Diese dient auch bei diesem Ausführungsbeispiel dazu, den Abgasgegendruck zwischen den Zylinderbänken einerseits und zwischen den einzelnen Zylindern einer Zylinderbank andererseits zu vergleichmäßigen und so eine homogene Füllung der Zylinder zu unterstützen. Die Querverbindung ist vorzugsweise – entlang einer Längserstreckung der Abgasleitungen gesehen – gegenüber einem Mündungsbereich der Abgasleitungen in eine gemeinsame Sammelleitung für das Abgas vorgesehen. Somit ist bei einem solchen Ausführungsbeispiel nicht nur in dem Mündungsbereich eine Querverbindung zwischen den Abgasleitungen geschaffen, sondern darüber hinaus auch an dem – in Längsrichtung gesehen – dem Mündungsbereich gegenüberliegenden Ende der Abgasleitungen. Dies führt zu einem Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen, sodass sich der Abgasgegendruck vergleichmäßigt.It is also preferred a mixture-compressing gas engine, which is designed as a V-engine. Here are two cylinder banks, thus two rows of juxtaposed cylinders, in the form of a V opposite. Each cylinder bank is assigned an exhaust pipe. There is provided a cross connection through which the exhaust pipes are fluidly connected to each other. This is also used in this embodiment to equalize the exhaust back pressure between the cylinder banks on the one hand and between the individual cylinders of a cylinder bank on the other hand, and thus to support a homogeneous filling of the cylinder. The transverse connection is preferably provided-along a longitudinal extent of the exhaust gas lines-opposite a mouth region of the exhaust gas lines into a common manifold for the exhaust gas. Thus, in such an embodiment, not only in the mouth region, a cross-connection between the exhaust pipes is provided, but also on the - viewed in the longitudinal direction - the mouth region opposite end of the exhaust pipes. This leads to a pressure equalization between the exhaust pipes, so that the exhaust back pressure equalized.
Es wird auch ein gemischverdichtender Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass die mindestens eine Querschnittsverengung in dem Zuführkanal stromaufwärts eines Einlassventils des Zylinders angeordnet ist. In dem Zuführkanal ist demnach ein Einlassventil angeordnet, welches geöffnet wird, um das Luft-Brenngas-Gemisch von dem Zuführkanal in eine Brennkammer des Zylinders einströmen zu lassen, und welches geschlossen wird, um die Brennkammer gegenüber dem Zuführkanal abzudichten. Die Querschnittsverengung in dem Zuführkanal, welche dessen Durchströmung beeinflusst, ist dabei bevorzugt stromaufwärts des Einlassventils, also auf dessen der Brennkammer abgewandten Seite, angeordnet.A mixture-compressing gas engine is also preferred, which is characterized in that the at least one cross-sectional constriction is arranged in the supply passage upstream of an intake valve of the cylinder. In the feed channel, therefore, an inlet valve is arranged, which is opened to the air-fuel gas mixture of the Feed channel to flow into a combustion chamber of the cylinder, and which is closed to seal the combustion chamber with respect to the feed channel. The cross-sectional constriction in the feed channel, which influences the flow therethrough, is preferably arranged upstream of the inlet valve, that is to say on its side facing away from the combustion chamber.
Der gemischverdichtende Gasmotor ist vorzugsweise mit einem methanhaltigen Gas als Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, Biogas, Magergas oder einem Sondergas betreibbar. Er wird besonders bevorzugt eingesetzt zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung, beispielsweise in einem Gaskraftwerk oder in einem Blockheizkraftwerk, wobei er zur Dauerlastversorgung, zur Grundlastversorgung, zur Spitzenlastversorgung oder zur Notstromversorgung verwendbar ist. Es ist auch möglich, dass der gemischverdichtende Gasmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Lokomotive – gegebenenfalls in Kombination mit einem elektrischen Antrieb – eines Baufahrzeugs, eines selbstfahrenden Erntefahrzeugs oder eines Schiffs vorgesehen ist. Weiterhin ist es möglich, dass der gemischverdichtende Gasmotor zum Antrieb externer Aggregate, beispielsweise Feuerlöschpumpen, insbesondere auf Bohrinseln, vorgesehen ist. Ebenso kann der gemischverdichtende Gasmotor zur Energieversorgung in schwer zugänglichen Bereichen, beispielsweise auf Bohrinseln, vorgesehen sein.The mixture-compressing gas engine is preferably operable with a methane-containing gas as fuel, preferably natural gas, biogas, lean gas or a special gas. It is particularly preferably used to drive a generator for power generation, for example in a gas power plant or in a combined heat and power plant, where it is used for continuous load, for base load, peak load or emergency power. It is also possible that the mixture-compressing gas engine for driving a motor vehicle, such as a locomotive - optionally in combination with an electric drive - a construction vehicle, a self-propelled harvesting vehicle or a ship is provided. Furthermore, it is possible that the mixture-compressing gas engine for driving external units, such as fire pumps, especially on rigs, is provided. Likewise, the mixture-compressing gas engine for energy supply in hard to reach areas, for example on drilling rigs, be provided.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 8 geschaffen wird. Dabei wird im Betrieb des Gasmotors für jeden Zylinder desselben ein Kennwert gemessen, der eine individuelle Leistung des Zylinders repräsentiert. Die für die einzelnen Zylinder gemessenen Kennwerte werden miteinander verglichen. Auf diese Weise ist es möglich festzustellen, welche Zylinder die Gesamtleistung des Gasmotors entweder nach oben oder nach unten durch ihren Abstand zur Klopfgrenze oder zur Zündgrenze limitieren. Allgemein ist es möglich, mithilfe der Kennwerte eine Ungleichverteilung der individuellen Leistungen der Zylinder zu ermitteln. Auf der Grundlage des Vergleichs der Kennwerte wird mindestens ein Querschnitt festgelegt für mindestens einen einem Zylinder zugeordneten Zuführkanal zur Zuführung eines verdichteten Luft-Brenngas-Gemischs in den Zylinder. Somit ist es möglich, für den mindestens einen Zuführkanal eine Drosselung zu definieren, um beispielsweise einen Zylinder mit hohem Leistungskennwert zu drosseln beziehungsweise bezüglich seines Leistungskennwertes zu reduzieren. Der mindestens eine Querschnitt wird demnach so festgelegt beziehungsweise bestimmt, dass die Kennwerte der verschiedenen Zylinder einander angeglichen werden. Es wird mindestens eine Querschnittsverengung, die als an einer Dichtung für einen Zylinderkopf des Gasmotors angeordnetes Rohrstück ausgebildet ist, in dem Zuführkanal angeordnet, um den für den Zuführkanal festgelegten Querschnitt zu verwirklichen. Auf diese Weise können die limitierenden Zylinder ohne den Einsatz zusätzlicher Aktuatoren auf der Gemischseite strömungsoptimiert abgedrosselt werden, um die Zylinderfüllung zu vergleichmäßigen. Insgesamt verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem gemischverdichtenden Gasmotor erläutert wurden.The object is also achieved by providing a method with the steps of claim 8. In this case, a characteristic value is measured during operation of the gas engine for each cylinder, which represents an individual power of the cylinder. The characteristic values measured for the individual cylinders are compared with each other. In this way it is possible to determine which cylinders limit the overall performance of the gas engine either up or down by their distance to the knock limit or to the ignition limit. In general, it is possible to use the characteristic values to determine an unequal distribution of the individual outputs of the cylinders. On the basis of the comparison of the characteristic values, at least one cross-section is defined for at least one feed channel assigned to a cylinder for feeding a compressed air-fuel gas mixture into the cylinder. Thus, it is possible to define a throttling for the at least one supply channel in order to throttle, for example, a cylinder with a high performance characteristic or to reduce it with respect to its performance characteristic value. The at least one cross section is therefore determined or determined in such a way that the characteristic values of the different cylinders are matched to one another. At least one cross-sectional constriction, which is formed as a tube piece arranged on a gasket for a cylinder head of the gas engine, is arranged in the feed channel in order to realize the cross section defined for the feed channel. In this way, the limiting cylinders can be throttled flow-optimized without the use of additional actuators on the mixture side to even out the cylinder filling. Overall, the advantages that have already been explained in connection with the mixture-compressing gas engine are realized.
Vorzugsweise werden für mehr als einen Zuführkanal entsprechende Querschnitte festgelegt, und es werden Querschnittsverengungen in mehr als einem Zuführkanal angeordnet, um die festgelegten Querschnitte zu verwirklichen. Die verschiedenen Querschnittsverengungen werden dabei anhand der Kennwerte derart aufeinander abgestimmt, dass die Kennwerte vereinheitlicht und somit die Füllungen der einzelnen Zylinder einander angeglichen werden. Es ist möglich, dass in allen Zuführkanälen des Gasmotors Querschnittsverengungen angeordnet werden, oder dass jeder Zylinder einen Zuführkanal aufweist, in dem eine Querschnittsverengung angeordnet wird. Alternativ ist es möglich, dass ein Zylinder, der den kleinsten Kennwert aufweist, keine Querschnittsverengung in einem zugeordneten Zuführkanal erhält, während die Zylinder mit höheren Kennwerten mithilfe von Querschnittsverengungen gedrosselt werden. Es ist auch möglich, dass bei einer beliebigen Zahl von Zylindern, die größer ist als eins aber kleiner als die Gesamtzahl der Zylinder minus eins, eine Querschnittsverengung in einem zugeordneten Zuführkanal angeordnet wird.Preferably, corresponding cross-sections are defined for more than one feed channel, and cross-sectional constrictions are arranged in more than one feed channel in order to realize the specified cross-sections. The different cross-sectional constrictions are matched to one another on the basis of the characteristic values in such a way that the characteristic values are standardized and thus the fillings of the individual cylinders are matched to one another. It is possible that in all feed channels of the gas engine cross-sectional constrictions are arranged, or that each cylinder has a feed channel in which a cross-sectional constriction is arranged. Alternatively, it is possible that a cylinder having the smallest characteristic value does not receive a cross-sectional constriction in an associated feed channel, while the cylinders with higher characteristic values are throttled by means of cross-sectional constrictions. It is also possible that, with any number of cylinders greater than one but less than the total number of cylinders minus one, a cross-sectional constriction is placed in an associated feed channel.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Querschnittsverhältnis für mindestens zwei Zuführkanäle, die verschiedenen Zylindern zugeordnet sind, berechnet wird. Auf der Grundlage des Querschnittsverhältnisses ist es dann möglich, jedenfalls für einen der beiden Zuführkanäle einen reduzierten Querschnitt und somit eine in dem Zuführkanal anzuordnende Querschnittsverengung zu berechnen. Das Querschnittsverhältnis wird vorzugsweise auf der Grundlage eines Quotienten der den Zylindern zugeordneten Kennwerte berechnet. Im einfachsten Fall ist es möglich, dass das Querschnittsverhältnis proportional ist zu einem Kehrwert des Quotienten der Kennwerte. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Querschnitt eines Zuführkanals zu einem leistungsstarken, gut gefüllten Zylinder stärker gedrosselt wird als der Querschnitt eines Zuführkanals, der einem leistungsschwachen, schlecht gefüllten Zylinder zugeordnet ist. Selbstverständlich ist es möglich, einen von eins verschiedenen, geeigneten Proportionalitätsfaktor zu verwenden. Im einfachsten Fall wird allerdings bevorzugt, dass das Querschnittsverhältnis direkt umgekehrt proportional zu dem Quotienten der Kennwerte mit einem Proportionalitätsfaktor von eins ist.A method is also preferred, which is characterized in that at least one aspect ratio is calculated for at least two feed channels, which are assigned to different cylinders. On the basis of the cross-sectional ratio, it is then possible to calculate a reduced cross-section and thus a cross-sectional constriction to be arranged in the feed channel, in any case for one of the two feed channels. The aspect ratio is preferably calculated based on a quotient of the characteristics associated with the cylinders. In the simplest case, it is possible that the aspect ratio is proportional to a reciprocal of the quotient of the characteristic values. In this way, it is ensured that the cross-section of a feed channel to a powerful, well-filled cylinder is throttled more than the cross-section of a feed channel, which is associated with a low-performance, poorly filled cylinder. Of course, it is possible to use a suitable proportionality factor other than one. In the simplest case, however, it is preferred that the aspect ratio is directly inversely proportional to the quotient is the characteristic value with a proportionality factor of one.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass als Kennwert, der eine zylinderindividuelle Leistung repräsentiert, ein Mitteldruck der Zylinder gemessen wird. Besonders bevorzugt wird der indizierte Mitteldruck als Kennwert herangezogen. Alternativ ist es auch möglich, den effektiven Mitteldruck oder den Reibmitteldruck heranzuziehen. Auch andere geeignete Größen können als Kennwert gemessen werden. Für eine Druckmessung wird vorzugsweise ein in dem Zylinder vorgesehener oder in den Zylinder integrierter Drucksensor verwendet.A method is also preferred which is distinguished by the fact that a mean pressure of the cylinders is measured as a characteristic value representing a cylinder-specific power. Particularly preferably, the indicated mean pressure is used as characteristic value. Alternatively, it is also possible to use the effective medium pressure or the Reibmitteldruck. Other suitable quantities can also be measured as a characteristic value. For a pressure measurement, a pressure sensor provided in the cylinder or integrated in the cylinder is preferably used.
Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass als Querschnittsverengung eine Blende in dem Zuführkanal angeordnet wird. Vorzugsweise wird als Blende ein an einer Dichtung für einen Zylinderkopf des Gasmotors angeordnetes Rohrstück in dem Zuführkanal angeordnet. Die hier beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass für einen konkreten Gasmotor individuell die Verteilung der Kennwerte über die Zylinder gemessen werden kann, wobei anschließend in einfacher und kostengünstiger Weise geeignete Blenden in den Zuführkanälen angeordnet werden können. Dies kann einmalig nach einer Fertigung des Motors beispielsweise im Rahmen von Prüfstandsversuchen erfolgen. Unterscheiden sich die Motoren einer Serie nur wenig voneinander, ist es auch möglich, die Querschnittsverengungen einmalig für die gesamte Serie festzulegen. Es bedarf dann keiner Messungen mehr für die individuellen Motoren der entsprechenden Serie. Die Anordnung von Blenden in Zuführkanälen hat auch den Vorteil, dass hiermit bereits im Betrieb befindliche Motoren nachgerüstet werden können, um deren Zylinderfüllung gleichzustellen. Dies kann auf einfache und kostengünstige Weise erfolgen. Es bedarf keiner aufwändigen und komplexen Regelung während eines Betriebs der Motoren, weil die Gleichstellung auf rein mechanischen Mitteln, nämlich auf einer einmalig durchgeführten, geometrischen Drosselung der limitierenden Zylinder basiert.Finally, a method is preferred which is characterized in that a diaphragm is arranged in the feed channel as a cross-sectional constriction. Preferably, as a diaphragm arranged on a seal for a cylinder head of the gas engine pipe section is arranged in the feed channel. The procedure described here has the advantage that the distribution of the characteristic values over the cylinders can be measured individually for a specific gas engine, with suitable diaphragms then being able to be arranged in the supply ducts in a simple and cost-effective manner. This can be done once after a production of the engine, for example in the context of test bench tests. If the motors in a series differ only slightly from each other, it is also possible to set the cross-sectional constrictions once for the entire series. It then requires no more measurements for the individual motors of the corresponding series. The arrangement of orifices in feed channels also has the advantage that it can be retrofitted with engines already in operation, to equalize their cylinder filling. This can be done in a simple and inexpensive way. It does not require complex and complex control during operation of the engines, because equality is based on purely mechanical means, namely on a once performed, geometric throttling of the limiting cylinder.
Die Beschreibung des Gasmotors einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Verfahrensschritte, die in Zusammenhang mit dem Gasmotor explizit oder implizit erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander auch Schritte einer Ausführungsform des Verfahrens. Umgekehrt sind bevorzugt Merkmale, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines Ausführungsbeispiels des Gasmotors.The description of the gas engine on the one hand and the method on the other hand are to be understood as complementary to each other. In particular, method steps which have been explicitly or implicitly explained in connection with the gas engine are preferably also individually or in combination with one another and also steps of an embodiment of the method. Conversely, features explained explicitly or implicitly in connection with the method are preferably features of an embodiment of the gas engine, individually or in combination with each other.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:
Anhand von
Der Zylinderkopf
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Gasmotors
In dem zweiten, dem Zylinder
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsverengung
Besonders bevorzugt ist das Rohrstück
Im Bereich des zweiten Zuführkanals
Es zeigt sich noch, dass die Querschnittsverengung
Zwischen der ersten Abgasleitung
Die Querverbindung
Insgesamt führen damit die mindestens eine Querschnittsverengung
Die Querverbindung
In einem Schritt S4 werden Querschnitte für Zuführkanäle des Gasmotors
Besonders bevorzugt werden die Querschnitte für die Zuführkanäle der einzelnen Zylinder proportional zu dem Kehrwert eines Quotienten aus dem Kennwert des betrachteten Zylinders dividiert durch den niedrigsten Kennwert berechnet. Auf diese Weise ist es mit vergleichsweise wenig Aufwand möglich, die verschiedenen Querschnitte so festzulegen, dass die Kennwerte des Gasmotors
Besonders bevorzugt wird als Kennwert der zeitlich gemittelte, indizierte Mitteldruck eines Zylinders verwendet.The time-averaged, indicated mean pressure of a cylinder is particularly preferably used as characteristic value.
Schließlich wird in einem Schritt S5 in den Zuführkanälen, für die dies vorgesehen ist, eine Querschnittsverengung angeordnet, um den jeweils festgelegten Querschnitt zu verwirklichen und die entsprechenden Zuführkanäle derart abgestuft zu drosseln, dass die Füllung der einzelnen Zylinder untereinander gleichgestellt wird. Hierzu wird bevorzugt als Querschnittsverengung eine Blende, vorzugsweise ein an einer Dichtung für einen Zylinderkopf des Gasmotors angeordnetes Rohrstück, in den Zuführkanälen angeordnet.Finally, in a step S5 in the supply channels, for which this is provided, a cross-sectional constriction is arranged in order to realize the respective fixed cross-section and the respective feed channels in such a stepped throttled, that the filling of the individual cylinders is equal to each other. For this purpose, a diaphragm, preferably a tube piece arranged on a seal for a cylinder head of the gas engine, is preferably arranged in the feed channels as a cross-sectional constriction.
In einem Schritt S6 endet das Verfahren.In a step S6, the method ends.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des gemischverdichtenden Gasmotors und des Verfahrens eine Gleichstellung der Zylinderfüllungen und damit auch der zylinderindividuellen Leistung möglich ist, sodass bisher in Hinblick auf die Füllung benachteiligte Zylinder angeglichen werden können, wodurch insgesamt insbesondere die globale Klopfgrenze zugunsten eines besseren Gesamtwirkungsgrades verschoben werden kann. Zugleich wird für den Gasmotor ein breiteres Leistungsspektrum eröffnet, ohne dass es hierfür komplizierter Regelungsverfahren im Betrieb des Gasmotors bedarf.Overall, it has been found that with the mixture-compressing gas engine and the method it is possible to equalize the cylinder fillings and thus also the cylinder-specific performance, so that previously disadvantaged cylinders can be equalized with respect to the filling, whereby overall the overall global knocking limit is shifted in favor of a better overall efficiency can. At the same time, a broader range of performance is opened up for the gas engine without the need for complicated control procedures in the operation of the gas engine.
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