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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennverfahren zur Ausführung mit einem Gasmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der Druckschrift
CH 338 054 A ist ein Verfahren zum Betreiben einer gemischverdichtenden Verbrennungskraftmaschine für flüssigen und/oder gasförmigen Kraftstoff bekannt geworden, bei welchem der Kraftstoff in den Verbrennungsraum und die Vorkammer eingespritzt wird.
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Die Druckschrift US 2006 / 0 278 195 A1 offenbart daneben eine Brennkraftmaschine, bei welcher reformiertes Brenngas in eine Vorkammer eingedüst wird.
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Aus der Druckschrift
DE 40 33 843 C2 ist weiterhin eine Zweistoff-Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher Brenngas in einem Hauptbrennraum via Selbstzündung von flüssigem Zündbrennstoff in einer Brennerzelle entzündet wird.
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Bei herkömmlichen Gasmotoren mit gespülter Vorkammer via Gaseinblasung werden Gasverdichter bzw. Kompressoren eingesetzt, um den notwendigen Versorgungsdruck - gerade bei Betrieb des Gasmotors an einem Erdgasnetz - für die Gaseindüsung in die Vorkammer bereitstellen zu können. Die Verdichtung von Gas (Gasphase) auf einen Druck, welcher zum Eindüszeitpunkt in die Vorkammer höher sein muss als der Gasdruck im Brennraum, ist jedoch hinsichtlich der aufzuwendenden Energie nachteilig, weiterhin im Hinblick auf die Kosten, welche für die Bereitstellung entsprechend tauglicher Gasverdichtungssysteme aufzuwenden sind.
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Herkömmliche Gasmotoren unterliegen daneben einer Reihe weiterer Einschränkungen, welche bei Gasmotoren mit Vorkammer-Gaseinblasung über ein elektromagnetisches Ventil zum Beispiel darin zu sehen sind, dass eine Eindüsung im Ladungswechsel erforderlich ist, da der Gasdruck - wie oben ausgeführt - gering ist. Die zeitlich frühe Eindüsung hat wiederum eine hohe Überspülung in den Hauptbrennraum zur Folge, einhergehend mit nachteilig hohen NOx-Emissionen. Bei Gasmotoren mit gespülter Vorkammer und Gaseinlassung über ein mechanisches Ventil kommt ebenfalls nachteilig noch hinzu, dass die Abstimmung zwischen Kammerdruck und Gasdruck aufwändig ist, da hier keine Steuerungsmöglichkeit besteht. Nachteilig bei den Gasmotoren mit gasgespülten Vorkammern ist weiterhin der erhebliche Bauraumbedarf der Gas-Eindüsventile.
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Bekannt sind auch Systeme, bei welchen Dieselkraftstoff in eine Vorkammer eingebracht und darin gezündet wird. Diese erfordern - um eine thermische Überlastung des Injektors zu vermeiden - jedoch eine in nachteiliger Weise aufwändige Kühlung des Dieselkraftstoffinjektors, zum Beispiel durch einen eigens bereitzustellenden, an die Injektordüse geführten Kühlkreislauf, Kühlmanschetten, etc.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Brennverfahren für einen Gasmotor vorzuschlagen, welches insbesondere mit vorteilhaft geringen Emissionen, vorteilhaft unaufwändiger Kühlung von Injektor und/oder Zündeinrichtung und vorteilhaft geringem Kostenaufwand einhergeht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennverfahren für einen Gasmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Brennverfahren zur Ausführung mit einem Gasmotor vorgeschlagen, wobei der Gasmotor mit einem (Haupt-)Brennraum und einer kraftstoffgespülten Vorkammer gebildet ist, welche (Vorkammer) über wenigstens eine Überströmöffnung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist, wobei der Gasmotor für die Verbrennung eines gasförmigen Brenngas-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum eingerichtet ist.
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Der Gasmotor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Verbrennungskraftmaschine, welche anstelle von flüssigem Kraftstoff gasförmigen Kraftstoff bzw. Brenngas zum Beispiel in Form von Wasserstoff, Erdgas, Holzgas, Biogas, Deponiegas, Gichtgas oder Flüssiggas verwendet - zur Verbrennung im Rahmen des Brenngas-Luft-Gemisches - nutzt und insbesondere nach dem Ottomotorenprinzip mit Fremdzündung arbeitet, weiterhin insbesondere als (Hub-) Kolbenmotor. Das gasförmige (Gasphase) Brenngas-Luft-Gemisch kann auf übliche Weise zylinderindividuell oder zylinderübergreifend für einen jeweiligen Zylinder bzw. Hauptbrennraum bereitgestellt werden, z.B. im Rahmen einer internen oder externen Gemischbildung. Bevorzugt ist der Gasmotor ein Großmotor mit insbesondere einer Mehrzahl von Zylindern, z.B. mit 8 bis 20 Zylindern. Anwendung findet der Gasmotor zum Beispiel in Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (zum Beispiel Blockheizkraftwerken) oder Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, mit Nutzkraftfahrzeugen oder Personenkraftfahrzeugen, in Industrieanwendungen, bevorzugt stationär betrieben, insbesondere an einem (Erd-) Gasversorgungsnetz.
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Gekennzeichnet ist das Brennverfahren erfindungsgemäß dadurch, dass zur Zündung des gasförmigen Brenngas-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum ein flüssiger Ottokraftstoff in die Vorkammer eingespritzt und darin mittels einer Zündeinrichtung gezündet wird. Als Zündeinrichtung kann bevorzugt eine Zündkerze vorgesehen werden.
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Von der Begrifflichkeit « Ottokraftstoff » sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jene Flüssigkraftstoffe umfasst, welche gemeinhin mit Brennkraftmaschinen, welche nach dem Ottoprinzip (Fremdzündung mit insbesondere homogener Flammenfrontausbreitung) arbeiten, verwendet werden, insbesondere Benzine sowie alternative Ottokraftstoffe, insbesondere flüssige Gase wie etwa Flüssiggas. Bevorzugt werden mit der Erfindung leicht siedende Ottokraftstoffe verwendet, i.e. Benzine, Flüssiggas (LPG; Liquefied Petroleum Gas), Propan, Butan o.ä. Mitumfasst sind hiervon z.B. Ottokraftstoffe mit einem Siedebereich von (in etwa) 30 Grad Celsius bis (ungefähr) 215 Grad Celsius oder Ottokraftstoffe, welche bei Umgebungsdruck einen Siedepunkt zwischen (in etwa) minus 42 Grad Celsius und (ungefähr) 0 Grad Celsius aufweisen.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennverfahren eröffnet wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Gasmotor-Brennverfahren. Zum einen ist der energetische Aufwand bei Spülung der Vorkammer mit eingespritztem flüssigen Ottokraftstoff gegenüber einer Gaseinblasung wie im Stand der Technik deutlich verringert, insoweit als für eine Gasverdichtung deutlich mehr Energie bereitzustellen ist als für die entsprechende Druckerhöhung eines flüssigen Kraftstoffs.
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Daneben fällt aber auch der systemtechnische Aufwand für die Druckbeaufschlagung des flüssigen Ottokraftstoffs deutlich geringer aus, für welche mit der Erfindung lediglich und vorteilhaft eine herkömmliche (Kraftstoff-)Hochdruckpumpe erforderlich ist, insbesondere aus dem Automotivbereich. Die derart unaufwändige Druckbeaufschlagung ermöglicht wiederum, den flüssigen Kraftstoff auch bei hohem Brennraumdruck (und insoweit auch hohem Vorkammerdruck) in die Vorkammer einbringen zu können, d. h. insbesondere sehr kurz vor dem Zündzeitpunkt oder zum Zündzeitpunkt. Hierdurch wird wiederum vorteilhaft ein Überströmen bzw. eine Überspülung von der Vorkammer in den Brennraum minimiert, einhergehend mit der beachtlichen Verbesserung, auch flüssigen Ottokraftstoff mit sehr geringer Methanzahl und klopffreudigen Ottokraftstoff für ein Einspritzen in die Vorkammer verwenden zu können, da infolge der dabei kurzen Verweilzeit des Vorkammerkraftstoffs in der Vorkammer Klopfreaktionen wirkungsvoll vermieden werden. Hieraus kann - neben dem erkennbar weiteren Vorteil des breiten Anwendungsbereichs im Hinblick auf verwendbaren Ottokraftstoff - insbesondere bei Verwendung von Kraftstoffen geringer Methanzahl wiederum der Vorteil einer erhöhten Standzeit der Zündeinrichtung resultieren, da solche Kraftstoffe regelmäßig reaktiver sind, mithin eine schnellere Umsetzung in der Vorkammer mit einer geringeren Zündenergie ermöglicht ist.
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Vorgeschlagen wird insoweit, dass die Einspritzung des flüssigen Ottokraftstoffes in die Vorkammer im Bereich von 10% bis 100% eines Brennraum-Maximaldruckes erfolgt und/oder die Einspritzung des Ottokraftstoffes in die Vorkammer im Bereich von 40% bis 100% eines Brennraum-Maximaldruckes erfolgt, bevorzugt im Bereich zwischen 80 % bis 100 % eines Brennraum-Maximaldruckes, welcher zum Beispiel 200 bar entsprechen kann.
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Ein insbesondere im Hinblick auf die angestrebte einfache Kühlung an der Vorkammer-Einspritzvorichtung bzw. der Zündeinrichtung (mit weiterhin vorteilhaft verringerter Glühzündungsneigung) wesentlicher Vorteil ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Brennverfahren daneben dahingehend, dass bei Verwendung (insbesondere leicht siedender) flüssiger Ottokraftstoffe die Temperatur in kritischen Bereichen aufgrund der erfindungsgemäß zur Kühlung nutzbaren Verdampfungsenthalpie des Ottokraftstoffs - im Sinne einer Siedekühlung - deutlich abgesenkt werden kann.
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Insbesondere bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Ausrichtung eines Einspritzkegels bzw. der Einspritzrichtung in Richtung hin zur Zündeinrichtung kann an derselben - vorkammerseitig - eine signifikante Temperaturabsenkung erzielt, mithin deren Standzeit vorteilhaft verlängert werden. Im Rahmen der Erfindung kann die beabsichtigte Kühlung durch eine geeignete Strömungsführung bei einer Einspritzung, z.B. mit tangentialer Richtungskomponente in Bezug auf eine Anbauseite der Zündeinrichtung oder auch des Injektors an der Vorkammer (z.B. am Zylinderkopf bzw. Zylinderdeckel) und/oder eine Strahlführung in Richtung hin zu der Zündeinrichtung für den in die Vorkammer eingespritzten Ottokraftstoff erfolgen und/oder derart, dass Zündelemente der Zündeinrichtung, zum Beispiel die Elektroden der Zündkerze, im Rahmen einer Zündung des Ottokraftstoffs in der Vorkammer von dem Ottokraftstoff-Einspritzkegel erfasst werden.
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Allgemein kann auf weiterhin vorteilhafte Weise mit der Erfindung ein Gasmotor bzw. ein Kraftstoff(versorgungs)system des Gasmotors bereitgestellt werden, welcher bzw. welches für das Brennverfahren bzw. das Einspritzen des flüssigen Ottokraftstoffs in eine jeweilige Vorkammer kostengünstige (Ottokraftstoff- oder Flüssiggas-)Kraftstoffinjektoren aufweist, insbesondere zum Beispiel aus dem Automotivebereich (Direkteinspritzventile). In Zusammenschau mit der erzielbaren finanziellen Besserstellung im Hinblick auf die mit der Erfindung verwendbare Hochdruckpumpe kann der Gasmotor bzw. dessen Kraftstoffsystem somit äußerst günstig bereitgestellt werden.
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Bevorzugt wird das Brennverfahren mit einem mageren (im Hauptbrennraum via die Vorkammer zu zündenden) Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ > 1) und einem (in der Vorkammer zu zündenden) angefetteten Gemisch durchgeführt, das heißt bevorzugt mit einem Gasmotor, welcher als Magermotor ausgestaltet ist.
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Ein weiterer vorteilhafter Aspekt des Brennverfahrens ergibt sich dahingehend, dass mit dem Brennverfahren flüssiger Ottokraftstoff verwendet werden kann, welcher im Zuge einer Gasaufbereitung für die Bereitstellung von Brenngas an den Hauptbrennraum gewonnen wird, das heißt insbesondere in einem Schritt, welcher der Zündung in der Vorkammer vorausgeht. Ein solcher Kraftstoff kann zum Beispiel durch Abscheidung oder Kondensation von insbesondere langkettigen Kohlenwasserstoffen aus unaufbereitetem Gas (Brenngas), insbesondere netzseitig versorgtem Erdgas, gewonnen werden. Diese abgeschiedenen Rückstände können z.B. in einem Zwischentank gesammelt und daraus - nachfolgend druckbeaufschlagt - an ein jeweiliges Einspritzventil für die Einspritzung und Zündung des flüssigen Ottokraftstoffes zugeführt werden. Obwohl es sich hierbei in der Regel um klopffreudige Kraftstoffbestandteile handelt, ist deren Verwendung - wie vorstehend beschrieben - mit dem vorgeschlagenen Brennverfahren, insbesondere bei in Bezug auf den Zündzeitpunkt zeitlich angenäherter Einspritzung, vorteilhaft unproblematisch.
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Mit der Erfindung wird weiterhin ein Gasmotor vorgeschlagen, welcher zur Durchführung des vorstehend erläuterten Brennverfahrens eingerichtet ist. Ein solcher Gasmotor weist insbesondere eine Kraftstoffhochdruckpumpe zur Druckbeaufschlagung des flüssigen, in die Vorkammer einzuspritzenden Ottokraftstoffs (zum Beispiel bis 200 bar oder sogar bis 400bar) auf, weiterhin bevorzugt ein wie vorstehend beschriebenes Flüssigkraftstoff-Einspritzventil für das Einspritzen des flüssigen Ottokraftstoffs.
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Mit dem Gasmotor ist erfindungsgemäß eine Gasmotor- Anordnung bildbar, wobei der Gasmotor an einer Gasversorgungsquelle der Gasmotor-Anordnung betrieben wird, zum Beispiel einem Erdgas- oder Biogasversorgungsnetz, wobei der Gasversorgungsquelle eine Gasaufbereitungsanlage der Gasmotor-Anordnung nachgeordnet ist, welche für den Betrieb des Gasmotors aufbereitetes Brenngas bereitstellt und wobei der Gasmotor eingerichtet ist, im Rahmen der Gasaufbereitung anfallende Rückstände als flüssigen Ottokraftstoff in die Vorkammer einzuspritzen.
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Bei der Gasmotoranordnung kann eine herkömmliche Gasaufbereitungsanlage verwendet werden, welche im Rahmen der Aufbereitung eine Abscheidung unerwünschter Gasbestandteile zum Beispiel mittels Kühlung und Kondensation vorsieht. Die Rückstände können in einem Tank gesammelt nachfolgend als Ottokraftstoff bereitgestellt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 exemplarisch und schematisch stark vereinfacht eine Ansicht eines Gasmotors zur Ausführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens.
- 2 exemplarisch und schematisch stark vereinfacht eine auf Hauptbrennraum und Vorkammer fokussierte Ansicht eines Gasmotors gemäß 1.
- 3 exemplarisch und schematisch ein Diagramm veranschaulichend Eindüsfenster gemäß dem Stand der Technik sowie gemäß dem Brennverfahren nach der Erfindung.
- 4 exemplarisch und schematisch eine Gasmotor-Anordnung mit einem Gasmotor gemäß 1 und 2 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch stark vereinfacht einen Gasmotor 1 mit einer Mehrzahl von (Haupt-)Brennräumen 3, welche je mittels eines Zylinders 5 des Gasmotors 1 definiert sind, wobei der Gasmotor 1 insoweit als Hubkolbenmotor bereitgestellt ist. Einem jeweiligen Hauptbrennraum 3 kann über einen Einlass- bwz. Ansaugtrakt 7 gasförmiges Brenngas (Kraftstoff)-Luft-Gemisch 9 zur Verbrennung im Hauptbrennraum 3 zugeführt werden, d.h. selektiv über ein jeweiliges, am Hauptbrennraum 3 angeordnetes Einlassventil 11.
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Zur Bereitstellung des gasförmigen Brenngas-Luft-Gemisches 9 wird Brenngas 13, insbesondere Erdgas (bevorzugt bereitgestellt via ein Erdgas-Versorgungsnetz 15, ggf. aufbereitet, alternativ versorgt aus einem Tank), in einem Mischer 17 des Gasmotors 1 mit Ansaugluft 19 vermischt, insbesondere mittels eines Abgasturboladers 21 oder Kompressors auch verdichtet. Das hierbei extern gebildete gasförmige Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 kann nachfolgend an einen jeweiligen Einlasstrakt 7 bereitgestellt werden (zylinderübergreifend) und bei geöffnetem Einlassventil 11 über je wenigstens einen Einlasskanal 23 in den jeweiligen Hauptbrennraum 3 gelangen. Alternative Ausgestaltungen des Gasmotors 1 können daneben eine interne Gemischbildung vorsehen (zylinderindividuell), zum Beispiel eine brennrauminterne Gemischbildung mittels separater Gaseinlassventile.
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Zur Zündung des gasförmigen Brenngas-Luft-Gemisches 9 in einem jeweiligen Hauptbrennraum 3 des nach dem Ottomotorprinzip mit Fremdzündung und homogener Flammenfrontausbreitung betriebenen Gasmotors 1 ist jedem Hauptbrennraum 3 eine kraftstoffgespülte Vorkammer 25 zugeordnet, welche über wenigstens eine Überströmöffnung 27 mit dem Hauptbrennraum 3 verbunden ist bzw. kommuniziert. Die Vorkammer 25 ist bevorzugt am Zylinderkopf 29 bzw. Zylinderdeckel bereitgestellt und mittels einer Vorkammerwandung 31 definiert, s.a. 2.
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Wie 1 weiter veranschaulicht, ist einer jeweiligen Vorkammer 25 eine Einspritzvorrichtung 33 in Form eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Magnetventils, zugeordnet. Über das Einspritzventil 33 bzw. eine in die Vorkammer 25 hineinreichende Düsenanordnung 35 desselben kann flüssiger Kraftstoff in die Vorkammer 25 eingespritzt werden, wozu ein jeweiliges Einspritzventil 33 seitens einer Kraftstoffversorgungsvorrichtung 37 des Gasmotors 1 anströmbar bzw. versorgbar ist. Die Kraftstoffversorgungsvorrichtung 37 umfasst z.B. einen Tank 39 sowie einen Druckerzeuger 41, zum Beispiel auch eine Sammelschiene (Rail) 43, in welche hinein der druckbeaufschlagte Kraftstoff förderbar ist, und aus welcher der flüssige Kraftstoff nachfolgend an einen jeweiligen Injektor 33 versorgt werden kann, d.h. via Stichleitungen 45.
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Ersichtlich ist an einer jeweiligen Vorkammer 25 ferner eine Zündeinrichtung 47 für eine Kraftstoff-Fremdzündung angeordnet, insbesondere eine Zündkerze 47 (alternativ zum Beispiel eine Glühkerze oder eine Laserzündeinrichtung). Über Zündelemente 49 der Zündeinrichtung 47 (insbesondere in Form von Zündelektroden 49 der Zündkerze 47), welche in die Vorkammer 25 ragen bzw. eintauchen, kann der in die Vorkammer 25 eingespritzte Kraftstoff in der Vorkammer 25 nachfolgend entzündet werden (worauf später noch näher eingegangen wird). Infolge der Zündung des eingespritzten Kraftstoffs zündet im Rahmen der Erfindung auch das im Hauptbrennraum 3 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch, insoweit als über die wenigstens eine Überströmöffnung 27 wenigstens ein hoch erhitzter Gas- bzw. Fackelstrahl explosionsartig in den Hauptbrennraum 3 gelangt.
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Wie in 1 auch veranschaulicht ist, ist einem jeweiligen Hauptbrennraum 3 auch ein Auslasstrakt 51 mit wenigstens einem Auslassventil 53 und wenigstens einem Auslasskanal 55 zugeordnet, welche Auslasskanäle 55 an einen Abgasstrang 57 zusammengeführt sind.
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2 veranschaulicht stark vereinfacht und schematisch die Brennraum- und Vorkammerkonfiguration eines als Großmotor bereitgestellten Gasmotors 1 gemäß 1 exemplarisch noch näher.
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An den Hauptbrennraum 3, welcher unter anderem mittels einem Kolben 59 (mit Kolbenringen 61), der Zylinderwandung 63 und dem Zylinderkopf 29 definiert ist, ist einerseits ein Einlasskanal 23 des Einlasstrakts 7 geführt, über welchen das zu zündende gasförmige Brenngas-Luft-Gemisch 9 in den Hauptbrennraum 3 einbringbar ist, andererseits mündet aus dem Hauptbrennraum 3 wenigstens ein Auslasskanal 55 des Auslasstrakts 51 aus. Die mit dem Hauptbrennraum 3 über die wenigstens eine Überströmöffnung 27 kommunizierende, kraftstoffgespülte Vorkammer 25 ist ersichtlich dem brennraumseitigen Kolbenende 59a gegenüberliegend am Zylinderkopf 29 angeordnet, i.e. in den Hauptbrennraum 3 ragend (wobei neben der gezeigten Ausrichtung der Vorkammer 25 auch Schrägstellungen derselben in Bezug auf eine in Hubrichtung des Kolbens 59 verlaufende Achse möglich sind). Weiterhin ersichtlich ragen in die Vorkammer 25 sowohl die Düsenanordnung 35 des Magneteinspritzventils 33 als auch die Zündelemente 49 der Zündkerze 47.
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Mit dem derart ausgestalteten Gasmotor 1 wird das erfindungsgemäße Brennverfahren ausgeführt, auf welches nachfolgend näher eingegangen wird.
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Im Rahmen des Brennverfahrens wird - in einem ersten Schritt - zunächst das zu zündende bzw. zu verbrennende gasförmige Brenngas-Luft-Gemisch 9, welches insbesondere ein mageres Gemisch (λ > 1) darstellt, im Hauptbrennraum 3 bereitgestellt, das heißt einhergehend mit einem Kompressionshub des Kolbens 59. Im Zuge des Kompressionshubes gelangt das gasförmige Kraftstoff-Luft Gemisch 9 via die wenigstens eine Überströmöffnung 27 weiterhin auch in die Vorkammer 25 bzw. wird dort hinein geschoben.
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In einem zweiten, nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Brennverfahrens wird nunmehr zur Zündung des gasförmigen Brenngas-Luft-Gemisches 9 im Hauptbrennraum 3 ein flüssiger Ottokraftstoff 65 in die Vorkammer 25 eingespritzt und darin mittels der Zündeinrichtung 47 gezündet (im Rahmen des hierbei gebildeten Gemischs in der Vorkammer 25, insbesondere ein angefettetes Gemisch). Nach Zündung des Ottokraftstoffs 65 breitet sich die hierbei erzeugte Flammenfront hin zu der wenigstens einen Überströmöffnung 27 aus, durchdringt diese explosionsartig als Fackelstrahl, s. Pfeile A in 2, und zündet nachfolgend in beabsichtigter Weise das gasförmige Brenngas-Luft-Gemisch 9 im Hauptbrennraum 3. Beabsichtigt ist hierbei, mittels des flüssigen Ottokraftstoffs 65 in der Vorkammer 25 zwischen 0,2% bis 3% der Kraftstoffenergie bereitzustellen, während mit dem Brenngas-Luft-Gemisch 9 zwischen 97% bis 99,8% der Kraftstoffenergie für die Verbrennung bereitgestellt werden.
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Der flüssige Ottokraftstoff 65 ist bevorzugt ein Benzin, insbesondere mit einem Siedebereich von 30 Grad Celsius bis 215 Grad Celsius oder ein alternativer Ottokraftstoff 65 bevorzugt in Form eines Flüssiggases, welches bei Umgebungsdruck insbesondere einen Siedepunkt zwischen minus 42 Grad Celsius und 0 Grad Celsius aufweist. Gerade die Verwendung derart leichtsiedender, i.e. verdampfungsfreudiger, Kraftstoffe mit dem erfindungsgemäßen Brennverfahren ermöglicht eine effektive (Siede- bzw. Verdampfungs-)Kühlung der thermisch belasteten Zündeinrichtung 47 und/oder des Kraftstoffinjektors 33, das heißt im Rahmen eines Wärmeentzugs bei Verdampfen des Ottokraftstoffs 65 in der Vorkammer 25 (Verdampfungsenthalpie).
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Wie in 2 dargestellt, wird der flüssige Ottokraftstoff 65 bei der Erfindung bevorzugt in Richtung hin zur Zündeinrichtung 47 bzw. zu den Elektroden 49 der Zündkerze 47 hin in die Vorkammer 25 eingespritzt, so dass die Kühlung an der Zündeinrichtung 47 nochmals verbessert wird, woneben aber auch eine zuverlässige Zündung gewährleistet ist.
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Zur Einspritzung wird der flüssige Ottokraftstoff 65 erfindungsgemäß über die vorstehend bereits erwähnte Kraftstoffversorgungsvorrichtung 37 an einen jeweiligen Injektor 33 zugeführt, wobei die Kraftstoffversorgungsvorrichtung 37 aufgrund der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierten Einspritzung von Ottokraftstoff 65 vorteilhaft baulich unaufwändig und kostengünstig derart ausgestaltet ist, dass zur Druckbeaufschlagung des Ottokraftstoffs 65 der Druckerzeuger 41 als Hochdruckpumpe bereitgestellt und ein jeweiliges Einspritzventil 33 ein herkömmliches Benzin- oder Flüssiggas(direkt)einspritzventil 33 ist, wie diese üblicherweise im Automotive-, nicht jedoch im Großmotorensektor, zur Anwendung gelangen.
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Mit der derart ausgestalteten Kraftstoffversorgungsvorrichtung 37 kann der über das jeweilige Einspritzventil 33 in die Vorkammer 25 auszubringende flüssige Ottokraftstoff 65 (energie)-unaufwändig mit Einspritzdrücken bis 200 bar, bei Bedarf ggf. bis beispielsweise 400 bar beaufschlagt werden. Mithin wird eine Einspritzung in die Vorkammer 25 mit der Erfindung auch dann möglich, wenn im Brennraum 3 ein maximales Druckniveau herrscht (welches sich via die wenigstens eine Überströmöffnung 27 auch in der Vorkammer 25 einstellt), welches Druckniveau - am oberen Todpunkt OT - bei dem erfindungsgemäßen Gasmotor 1 in der Regel 200 bar nicht überschreitet.
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3 zeigt das mit der Erfindung zusätzlich gewonnene Einspritz- bzw. Eindüsfenster im Vergleich mit dem Stand der Technik näher.
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Bei herkömmlichen Brennverfahren, bei welchen eine Gasspülung der Vorkammer 25 (per Gaseinblasung) vorgesehen ist, wird der gasförmige Kraftstoff zur Einblasung - insbesondere aus einem Erdgasnetz oder Biogasnetz versorgt - zuvor (energieaufwändig) verdichtet, jedoch - im Wesentlichen dem für die Verdichtung zu betreibenden Aufwand geschuldet - lediglich auf ein Druckniveau, welches nur einem Bruchteil des maximalen Drucks im Hauptbrennraum 3 entspricht. In der Folge kann gemäß dem Stand der Technik eine Einbringung des gasförmigen Kraftstoffs in die Vorkammer 25 - in welcher ebenfalls Brennraumdruck herrscht - nur während des Ansaugens oder zu Beginn der Verdichtung erfolgen, d.h. bei ebenfalls niedrigem Druckniveau im Hauptbrennraum 3. Dies ist als Eindüsfenster gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht.
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Mit der Erfindung wird demgegenüber ein neues, zusätzliches Eindüsfenster eröffnet (woneben aber auch das Eindüsfenster gemäß dem Stand der Technik für eine Ottokraftstoffeinspritzung zur Verfügung steht). Dadurch, dass der flüssige Ottokraftstoff 65 unproblematisch mit einem Druckniveau entsprechend dem maximalem Brennraum-Druckniveau beaufschlagbar ist, kann die Eindüsung, wie in 3 gezeigt, nunmehr auch bei hohem Gegendruck seitens des Hauptbrennraumes 3 bzw. der Vorkammer 25 erfolgen, bevorzugt bei zum Beispiel zwischen 60 % bis 100 % des Maximaldrucks, insbesondere 80% bis 100% des Maximaldrucks. Einher geht hiermit eine vorteilhaft geringe Überspülung des Flüssigkraftstoffs 65 in den Hauptbrennraum 3, so dass nachteilige NOx-Emissionen wirkungsvoll minimiert sind. Wie erfinderseitig auch erkannt wurde, kann bei derart später Einspritzung nahe des OT auch klopffreudiger Kraftstoff 65 bzw. Kraftstoff 65 mit sehr geringer Methanzahl verwendet werden, z.B. Propan, da die nurmehr kurze Verweilzeit des Ottokraftstoffes 65 in der Vorkammer ansonsten mögliche Klopfreaktionen bei Verwendung eines derartigen Kraftstoffs 65 wirkungsvoll zu vermeiden hilft (und - wie auch erkannt werden konnte - sich eine etwaige Klopfreaktion in der Vorkammer 25 nicht nachteilig auf den Betrieb des Gasmotors 1 auswirkt).
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4 zeigt weiterhin eine Gasmotor-Anordnung 67 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Brennverfahrens, wobei der Ottokraftstoff 65 im Zuge einer Brenngas-Aufbereitung gewonnen wird.
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Bei der Gasmotor-Anordnung 67 nach 4 wird der Gasmotor 1 an einer Gasversorgungsquelle 69 der Gasmotor-Anordnung 67 betrieben, welche Gasversorgungsquelle 69 von einem Erdgasnetz gebildet ist. Über eine derartige Gasversorgungsquelle 69 versorgtes Gas, welches nachfolgend als Brenngas verwendet werden soll, geht regelmäßig mit einer Verunreinigung einher, welche sich ohne Gasaufbereitung nachteilig für die mit dem Gasmotor 1 angestrebte saubere Verbrennung auswirkt.
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Das über die Gasversorgung 69 versorgte Gas wird insoweit eine der Gasversorgungsquelle 69 nachgeordneten Gasaufbereitungsanlage 71 der Gasmotor-Anordnung 67 zugeführt, welche eingerichtet ist, im Rahmen einer Abscheidung (Abkühlung und Kondensation) langkettiger und/oder verzweigter Kohlenwasserstoffe, z.B. Alkene, aus dem versorgten Gas, gereinigtes bzw. aufbereitetes Brenngas 13 bereitzustellen. Das aufbereitete Brenngas 13 kann - wie z.B. anhand von 1 beschrieben - nachfolgend für die Bildung eines jeweiligen Brenngas-Luft-Gemischs 9 bereitgestellt werden.
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Die bei der Gasaufbereitung angefallenen Rückstände (Abscheidungen bzw. Kondensat) werden mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gasmotor-Anordnung 67 weiterhin in einen Zwischentank 73 geleitet und können aus diesem nachfolgend als flüssiger Ottokraftstoff 65 entnommen und in eine jeweilige Vorkammer 25 gemäß dem erfindungsgemäßen Brennverfahren eingespritzt werden. Obwohl aus derartigen Rückständen ein Ottokraftstoff 65 sehr hoher Klopfneigung resultiert, ist dies - insbesondere aufgrund des mit der Erfindung vorgeschlagenen späten Einspritzzeitpunkts in die Vorkammer 25 - für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennverfahren vorteilhaft unbeachtlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasmotor
- 3
- Hauptbrennraum
- 5
- Zylinder
- 7
- Einlasstrakt
- 9
- Brenngas-Luft-Gemisch
- 11
- Einlassventil
- 13
- Brenngas
- 15
- Versorgungsnetz
- 17
- Mischer
- 19
- Ansaugluft
- 21
- Verdichter
- 23
- Einlasskanal
- 25
- Vorkammer
- 27
- Überströmöffnung
- 29
- Zylinderkopf
- 31
- Vorkammerwandung
- 33
- Einspritzvorrichtung
- 35
- Düsenanordnung
- 37
- Kraftstoff-Versorgungsvorrichtung
- 39
- Tank
- 41
- Druckerzeuger (Hochdruckpumpe)
- 43
- Sammelschiene
- 45
- Stichleitung
- 47
- Zündeinrichtung
- 49
- Zündelemente
- 51
- Auslasstrakt
- 53
- Auslassventil
- 55
- Auslasskanal
- 57
- Abgasstrang
- 59
- Kolben
- 59a
- Kolbenoberseite
- 61
- Kolbenringe
- 63
- Zylinderwandung
- 65
- Ottokraftstoff
- 67
- Gasmotor-Anordnung
- 69
- Gasversorgungsquelle
- 71
- Gasaufbereitungsanlage
- 73
- Zwischentank
