DE102015015343A1 - Method and control device for operating an engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines als Gasmotor oder als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors, der mehrere Zylinder (2) umfasst, wobei zur Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs aus einem gasförmigen Kraftstoff und Luft das Gas/Luft-Gemisch unter Verwendung eines Zündfluids in den Zylindern (2) gezündet wird, und wobei abhängig von einzuhaltenden Abgasemissionsvorschriften der Gasmotor oder der Dual-Fuel-Motor entweder in einer ersten Betriebsart mit einer Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs oder in einer zweiten Betriebsart mit einer homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben wird.A method for operating a designed as a gas engine or a dual-fuel engine engine comprising a plurality of cylinders (2), wherein for the combustion of a gas / air mixture of a gaseous fuel and air, the gas / air mixture using a Zündfluids in the cylinders (2) is ignited, and depending on the exhaust emission regulations to be followed, the gas engine or the dual-fuel engine either in a first mode with a diffusion combustion of the gas / air mixture or in a second mode with a homogeneous combustion of the gas / air Is operated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a motor and a control device for carrying out the method.

Aus der Praxis sind sogenannte Dual-Fuel-Motoren bekannt, in denen einerseits in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus ein flüssiger Kraftstoff wie Diesel und andererseits in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus ein gasförmiger Kraftstoff wie Erdgas verbrannt werden kann. Ferner sind Gasmotoren bekannt, die als Hauptenergieträger einen gasförmigen Kraftstoff verbrennen. Der gasförmige Kraftstoff wird im Weiteren vereinfacht als „Gas” bezeichnet. Im Gaskraftstoffbetriebsmodus eines Dual-Fuel-Motors sowie bei Gasmotoren wird in der Regel ein Gas/Luft-Gemisch in die Zylinder des Motors eingebracht und durch die Zufuhr von Zündenergie in den Zylinder gezündet. Die Zündenergie kann dabei zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, in Form von elektrischer Energie oder in Form eines Zündfluids in den Zylinder eingebracht werden. Beim Zündfluid kann es sich um Zündöl bzw. Dieselkraftstoff handeln. Weiter sind Gasbrennverfahren bekannt, welche nach dem diffusiven Verbrennungsprinzip arbeiten. Bei diesen Brennverfahren wird kein Gas-Luft Gemisch, sondern wie bei Dieselmotoren reine Luft in den Zylinder eingebracht. Das Brenngas wird dann in eine kleine, bereits entflammte Menge Zündfluids unter Hochdruck eingedüst, entflammt sich infolgedessen und verbrennt diffusiv. Da diffusive Brennverfahren nicht Klopfen (unkontrollierte Reaktion im Endgasbereich), spielt die Methanzahl in Bezug auf die darstellbare Motorleistung keine Rolle.In practice, so-called dual-fuel engines are known in which, on the one hand in a liquid fuel operating mode, a liquid fuel such as diesel and on the other hand in a gaseous fuel operating mode, a gaseous fuel such as natural gas can be burned. Furthermore, gas engines are known which burn a gaseous fuel as the main energy carrier. The gaseous fuel is hereinafter referred to simply as "gas". In the gaseous fuel operating mode of a dual-fuel engine and in gas engines, a gas / air mixture is usually introduced into the cylinders of the engine and ignited by the supply of ignition energy into the cylinder. The ignition energy can be introduced into the cylinder, for example, but not exclusively, in the form of electrical energy or in the form of an ignition fluid. The ignition fluid can be ignition oil or diesel fuel. Next gas combustion methods are known which operate on the diffusive combustion principle. In this combustion process, no gas-air mixture, but as in diesel engines pure air is introduced into the cylinder. The fuel gas is then injected into a small, already ignited amount of ignition fluid under high pressure, flares up as a result and burns diffusively. Since diffusive combustion processes do not knock (uncontrolled reaction in the tail gas range), the number of methane plays no role in relation to the representable engine power.

Für den Betrieb eines Dual-Fuel-Motors sowie eines Gasmotors sind zunehmend strengere Abgasemissionsvorschriften einzuhalten. Dies gilt insbesondere auch für Dual-Fuel-Motoren sowie Gasmotoren, die auf Schiffen als Antriebsaggregate zum Einsatz kommen. So ist es bekannt, dass in Küstennähe strengere Emissionsvorschriften gelten als auf offener See. Solche Gebiete, in denen in der Schifffahrt strengere Emissionsvorschriften gelten, werden auch als Emission-Control-Areas (ECAs) bezeichnet. Regionen, die außerhalb der Emission-Control-Areas liegen, werden auch als Non-Emission-Control-Areas (NECAs) bezeichnet. Um insbesondere in den sogenannten Emission-Control-Areas die strengen Emissionsvorschriften einhalten zu können, sind auf Schiffen zunehmend teure Abgasnachbehandlungseinrichtungen erforderlich.For the operation of a dual-fuel engine and a gas engine increasingly stringent exhaust emission regulations are to be observed. This is especially true for dual-fuel engines and gas engines, which are used as propulsion units on ships. For example, it is known that stricter emission standards are applied near the coast than on the open seas. Such areas, which have stricter emissions regulations in shipping, are also known as Emission Control Areas (ECAs). Regions outside the Emission Control Areas are also referred to as Non-Emission Control Areas (NECAs). In order to be able to comply with the stringent emissions regulations, in particular in the so-called emission control areas, increasingly expensive exhaust aftertreatment facilities are required on ships.

Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zum Betreiben eines Motors sowie an einer Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit Hilfe derer es möglich ist, auch ohne teure und aufwendige Abgasnachbehandlung geltende Emissionsvorschriften einzuhalten.There is therefore a need for a method for operating an engine as well as at a control device for carrying out the method, by means of which it is possible to comply with existing emission regulations without expensive and complex exhaust aftertreatment.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Motors zu schaffen.On this basis, the invention is based on the object to provide a novel method and a control device for operating a motor.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird abhängig von einzuhaltenden Abgasemissionsvorschriften die Verbrennungskraftmaschine als Hubkolbenmotor ausgeführt und entweder in einer ersten Betriebsart mit einer Diffusionsverbrennung des Gases oder in einer zweiten Betriebsart mit einer vorgemischten Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs betrieben. Mit der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, abhängig von einzuhaltenden Abgasemissionsvorschriften einen Verbrennungsmotor, der als Hauptenergieträger mit Gas (Lagerung im Tank flüssig oder gasförmig) betrieben wird, entweder in der ersten Betriebsart mit einer Diffusionsverbrennung des Gases oder alternativ in der zweiten Betriebsart mit einer vorgemischten Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs zu betreiben.This object is achieved by a method according to claim 1. According to the invention, the internal combustion engine is designed as a reciprocating engine and operated either in a first mode with a diffusion combustion of the gas or in a second mode with a premixed combustion of a gas / air mixture depending on the exhaust emission regulations. The invention proposes for the first time, depending on exhaust emission regulations to be followed, an internal combustion engine which is operated as a main energy carrier with gas (storage in the tank liquid or gaseous), either in the first operating mode with a diffusion combustion of the gas or alternatively in the second operating mode with a premixed combustion operate a gas / air mixture.

Dann, wenn strenge Emissionsvorschriften einzuhalten sind, wird der Motor in der zweiten Betriebsart mit der vorgemischten mageren Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben, um insbesondere Stickoxid-Emissionen zu reduzieren.Then, when strict emission regulations are to be met, the engine is operated in the second mode with the premixed lean combustion of the gas / air mixture, in particular to reduce nitrogen oxide emissions.

Dann, wenn weniger strenge Abgasemissionsgrenzwerte einzuhalten sind, insbesondere in sogenannten Non-Emission-Control-Areas, wird der Motor in den ersten Betriebsart mit der Diffusionsverbrennung des Gases betrieben, um hier den Motor mit möglichst hohem Wirkungsgrad ohne Limitierung durch Klopfen zu betreiben.Then, if less stringent exhaust emission limits are to be met, Especially in so-called non-emission control areas, the engine is operated in the first mode with the diffusion combustion of the gas to operate here the engine with maximum efficiency without limitation by knocking.

In der ersten Betriebsart des Motors wird bei der Diffusionsverbrennung des Gases in jeden Zylinder in jedem Arbeitstakt desselben zuerst das Zündfluid, welches sich an der heißen Zylinderladung (Luft, Restgas und ggfs. AGR) entflammt und anschließend in diese entflammte Zündfluidmenge der gasförmige Kraftstoff eingebracht. Vorzugsweise wird in der ersten Betriebsart bei der Diffusionsverbrennung des Gases das Zündfluid vor einem oberen Zünd-Totpunkt (Zünd-OT) des jeweiligen Zylinders und anschließend der gasförmige Kraftstoff teilweise vor dem Zünd-OT des jeweiligen Zylinders und teilweise nach dem Zünd-OT des jeweiligen Zylinders in denselben eingebracht. Diese erste Betriebsart mit Diffusionsverbrennung des Gases erlaubt die Verbrennung des Gases ähnlich dem Dieselprinzip bei hohem Wirkungsgrad ohne Klopfneigung, und zwar auch dann, wenn die Gasqualität schwankt. Es ergeben sich jedoch relativ hohe Abgasemissionen, insbesondere hohe Stickoxidemissionen, sodass diese Betriebsart dann Verwendung findet, wenn weniger strenge Abgasemissionsgrenzwerte gelten, insbesondere in sogenannten Non-Emission-Control-Areas.In the first mode of operation of the engine in the diffusion combustion of the gas in each cylinder in each working cycle of the same first ignited the ignition fluid, which at the hot cylinder charge (air, residual gas and possibly. EGR) and then introduced into this inflamed Zündfluidmenge the gaseous fuel. Preferably, in the first mode in the diffusion combustion of the gas, the ignition fluid before an ignition top dead center (ignition TDC) of the respective cylinder and then the gaseous fuel partially before the ignition TDC of the respective cylinder and partially after the ignition TDC of the respective Cylinder introduced into the same. This first mode of diffusion combustion of the gas allows the combustion of the gas similar to the diesel principle with high efficiency without knocking tendency, even if the gas quality fluctuates. However, this results in relatively high exhaust emissions, in particular high nitrogen oxide emissions, so that this operating mode is used when less stringent exhaust emission limit values apply, in particular in so-called non-emission control areas.

In der zweiten Betriebsart des Motors wird bei der vorgemischten Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs in jeden Zylinder in einem Arbeitsspiel desselben zuerst der gasförmige Kraftstoff und anschließend das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder eingebracht. Vorzugsweise wird in der zweiten Betriebsart bei der homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs das Zündfluid vor einem oberen Zünd-Totpunkt (Zünd-OT) des jeweiligen Zylinders und zuvor, vorzugsweise im Saughub, der gasförmige Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder eingebracht. Diese Betriebsart mit der vorgemischten mageren Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs erlaubt die Einhaltung strengerer Emissionsvorschriften, sodass dieselbe vorzugsweise in sogenannten Emission-Control-Areas genutzt wird. Insbesondere kann bei der homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs die Emission von Stickoxiden gegenüber der Diffusionsverbrennung stark reduziert werden.In the second mode of operation of the engine in the premixed combustion of the gas / air mixture in each cylinder in a cycle of the same first the gaseous fuel and then the ignition fluid is introduced into the respective cylinder. Preferably, in the second mode of homogeneous combustion of the gas / air mixture, the ignition fluid before an upper ignition dead center (ignition TDC) of the respective cylinder and previously, preferably introduced in the intake stroke, the gaseous fuel in the respective cylinder. This mode of operation with premixed lean combustion of the gas / air mixture allows compliance with more stringent emissions regulations, so that it is preferably used in so-called emission control areas. In particular, in the homogeneous combustion of the gas / air mixture, the emission of nitrogen oxides compared to the diffusion combustion can be greatly reduced.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in der zweiten Betriebsart bei der vorgemischten Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs das Gas in zwei Stufen jeweils vor dem Zündfluid in den jeweiligen Zylinder einbracht, nämlich in einer ersten Stufe vorzugsweise im Saughub des jeweiligen Zylinders, um Ladungsluft und Gas optimal zu homogenisieren und in einer zweiten Stufe vorzugsweise im Verdichtungstakt des jeweiligen Zylinders zur lokalen Anfettung im Bereich um den Zündstrahl, wodurch eine schnelle Entflammung gewährt wird, aber auch eine geringe Klopfneigung im Endgasbereich (abgemagerter Bereich). Vorzugsweise liegt die zweite Stufe der Einbringung des Gas/Luft-Gemischs zwischen 5°KW vor der Zündöleinbringung und 80°KW vor der Zündöleinbringung. Vorzugsweise beträgt die in der zweiten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge zwischen 3% und 20% der in der ersten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge. Diese Weiterbildung der zweiten Betriebsart für die vorgemischte Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs ist zur Einhaltung strenger Abgasemissionsvorschriften bzw. zur Beeinflussung des Klopfverhaltens besonders vorteilhaft. Durch die Einbringung des Gas/Luft-Gemischs in zwei Stufen jeweils vor dem Zündfluid, kann der Wirkungsgrad der Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs erhöht und die Klopfneigung in dieser Betriebsart reduziert werden. Es handelt sich hiermit bei dieser Betriebsstrategie um einen teilhomogenen Betrieb.According to an advantageous development of the invention, in the second operating mode in the premixed combustion of the gas / air mixture, the gas is introduced into the respective cylinder in two stages each before the ignition fluid, namely in a first stage preferably in the intake stroke of the respective cylinder to charge air and homogenize gas optimally and in a second stage preferably in the compression stroke of the respective cylinder for local enrichment in the area around the ignition, whereby a rapid ignition is granted, but also a low tendency to knock in Endgasbereich (lean area). Preferably, the second stage of the introduction of the gas / air mixture is between 5 ° CA before the ignition oil introduction and 80 ° CA before the ignition oil introduction. Preferably, the introduced in the second phase gas / air mixture amount between 3% and 20% of the introduced in the first phase gas / air mixture amount. This development of the second operating mode for the premixed combustion of the gas / air mixture is particularly advantageous for maintaining strict exhaust emission regulations or for influencing the knocking behavior. By introducing the gas / air mixture in two stages, each before the ignition fluid, the combustion efficiency of the gas / air mixture can be increased and the tendency to knock reduced in this mode. In this operating strategy, this is a partially homogeneous operation.

Die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 12 definiert.The control device for carrying out the method is defined in claim 12.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description below. Embodiments of the invention will be described, without being limited thereto, with reference to the drawings. Showing:

1 ein Blockschaltbild eines Motors, welcher nach dem beschriebenen Verfahren arbeitet; 1 a block diagram of an engine which operates according to the described method;

2: ein erstes Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Motors; 2 : a first diagram to illustrate the method according to the invention for operating the engine;

3 ein zweites Diagramm zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Motors; und 3 a second diagram for further illustrating the method according to the invention for operating the engine; and

4 ein drittes Diagramm zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Motors. 4 a third diagram for further clarification of the method according to the invention for operating the engine.

In 1 sind Baugruppen des Motors gezeigt, wobei 1 einen Zylinder 2 eines solchen Motors zeigt. Der Zylinder 2 verfügt über einen Zylinderkopf 3. Im Zylinder 2 bewegt sich ein Kolben 4, der von einem Pleuel 5 geführt ist, auf und ab. Im Zylinderkopf 3 ist ein Kraftstoffinjektor 6 befestigt, durch den flüssiger Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, über eine Kraftstoffleitung 7 von einer Druckerzeugungseinheit 8 aus direkt in einen Brennraum 9 des Zylinders 2 eingespritzt werden kann. Die Druckerzeugung erfolgt dabei vorzugsweise mechanisch vom Motor angetrieben. Der Kraftstoffinjektor 6, die Kraftstoffleitung 7 sowie die Druckerzeugungseinheit 8 sind Elemente einer Kraftstoffzuführeinrichtung, die der Zuführung von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum 9 des Zylinders 2 dient. Zur Verbrennung ist in den jeweiligen Zylinder 2 des Dual-Fuel-Motors weiter Ladeluft 10 über ein Einlassventil 17 einbringbar, wobei bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehendes Abgas 15 über ein Auslassventil 18 vom Zylinder 2 abgeführt werden kann.In 1 are assemblies of the engine shown, where 1 a cylinder 2 of such a motor shows. The cylinder 2 has a cylinder head 3 , In the cylinder 2 a piston moves 4 coming from a connecting rod 5 is guided, up and down. In the cylinder head 3 is a fuel injector 6 attached, by the liquid fuel, in particular diesel fuel, via a fuel line 7 from a pressure generating unit 8th out directly into a combustion chamber 9 of the cylinder 2 can be injected. The pressure is generated preferably mechanically driven by the engine. The fuel injector 6 , the fuel line 7 as well as the pressure generating unit 8th are elements of a fuel supply, the supply of liquid fuel into the combustion chamber 9 of the cylinder 2 serves. For combustion is in the respective cylinder 2 the dual-fuel engine continues charge air 10 via an inlet valve 17 einbringbar, wherein in the combustion of the fuel resulting exhaust gas 15 via an exhaust valve 18 from the cylinder 2 can be dissipated.

Weiter umfasst der Brennraum 9 des Zylinders 2 einen Hochdruckgasinjektorwelcher das Gas direkt in den Brennraum eindüst, welcher über eine Gasversorgungsleitung 21 mit Gas versorgt wird.Next includes the combustion chamber 9 of the cylinder 2 a high pressure gas injector which injects the gas directly into the combustion chamber via a gas supply line 21 is supplied with gas.

Zur Zündung des Gas-Luft-Gemischs im (teil-)homogenen Gasbetrieb des Zylinders 2 des Motors dient Zündfluid.To ignite the gas-air mixture in the (partially) homogeneous gas operation of the cylinder 2 the engine serves ignition fluid.

Der Zündfluid-Injektor 13 des in 1 gezeigten Zylinders 2 ist Bestandteil eines Zündfluid-Einspritzsystems des Motors, wobei das Zündfluid-Einspritzsystem für jeden Zylinder 2 des Motors einen zylinderindividuellen Zündfluid-Injektor 13 umfasst. Die Zündfluid-Injektoren 13 sind vorzugsweise über eine Zündfluid-Leitung 14 ausgehend von einem gemeinsamen Zündfluid-Speicher 22 des Zündfluid-Einspritzsystems mit Zündfluid versorgbar, wobei dem Zündfluid-Speicher 22 eine Zündfluid-Förderpumpe 16 zugeordnet ist, die den Zündfluid-Speicher 22 mit Zündfluid versorgt. Bei der Zündfluid-Förderpumpe 16 handelt es sich vorzugsweise um eine mechanisch betriebene Hochdruckpumpe. Der Zündfluid-Förderpumpe 16 ist dabei eine Saugdrossel 19 zugeordnet.The ignition fluid injector 13 of in 1 shown cylinder 2 is part of an ignition fluid injection system of the engine, wherein the ignition fluid injection system for each cylinder 2 of the engine, a cylinder-individual Zündfluid injector 13 includes. The ignition fluid injectors 13 are preferably via a Zündfluidleitung 14 starting from a common Zündfluid memory 22 the Zündfluid injection system can be supplied with ignition fluid, wherein the ignition fluid storage 22 an ignition fluid feed pump 16 is assigned to the Zündfluid memory 22 supplied with ignition fluid. In the ignition fluid delivery pump 16 it is preferably a mechanically operated high-pressure pump. The ignition fluid delivery pump 16 is a suction throttle 19 assigned.

Grundsätzlich ist bei diesem Motorkonzept auch denkbar, dass zusätzlich ein weiterer Dieselinjektor im Brennraum (z. B. auch für Schweröl) angeordnet ist, mit Hilfe dessen der Motor als reiner Dieselmotor betrieben werden kann.In principle, with this engine concept it is also conceivable that in addition a further diesel injector is arranged in the combustion chamber (eg also for heavy oil) with the aid of which the engine can be operated as a pure diesel engine.

Wie bereits oben ausgeführt, zeigt 1 einen Zylinder 2 eines als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors. Dieser kann in einem Flüssigkraftstoffbetriebsmodus und in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus betrieben werden, wobei die Erfindung den Gaskraftstoffbetriebsmodus eines solchen Dual-Fuel-Motors betrifft.As already stated above, shows 1 a cylinder 2 a designed as a dual-fuel engine engine. This may be operated in a liquid fuel operating mode and in a gaseous fuel operating mode, the invention relating to the gaseous fuel operating mode of such a dual-fuel engine.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz an Dual-Fuel-Motoren begrenzt. Vielmehr kann die Erfindung auch bei einem Gasmotor zum Einsatz kommen, bei welchem ausschließlich ein Gas/Luft-Gemisch aus einem gasförmigen Kraftstoff und Luft unter Verwendung eines Zündfluids in den Zylindern des Motors gezündet und verbrannt wird. Die Erfindung ist demnach sowohl bei Dual-Fuel-Motoren im Gaskraftstoffbetriebsmodus als auch bei Gasmotoren einsetzbar.However, the invention is not limited to use with dual-fuel engines. Rather, the invention can also be applied to a gas engine in which only a gas / air mixture of a gaseous fuel and air is ignited and burned using an ignition fluid in the cylinders of the engine. Accordingly, the invention can be used both in dual-fuel engines in the gaseous fuel operating mode and in gas engines.

Die Erfindung schlägt vor, einen Dual-Fuel-Motor im Gaskraftstoffbetriebsmodus sowie einen Gasmotor derart zu betreiben, dass abhängig von einzuhaltenden Abgasemissionsvorschriften der Motor entweder in einer ersten Betriebsart mit einer Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs oder in einer zweiten Betriebsart mit einer homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben wird. Dann, wenn relativ strenge Abgasemissionsvorschriften einzuhalten sind, insbesondere in sogenannten Emission-Control-Areas, wird der Motor in der zweiten Betriebsart mit der homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben. Dann hingegen, wenn relativ geringe Abgasemissionsvorschriften gelten, wird der Motor in der ersten Betriebsart mit der Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben. Hierdurch ist es möglich, ohne die Notwendigkeit einer teuren und aufwendigen Abgasnachbehandlung, einen Dual-Fuel-Motor im Gaskraftstoffbetriebsmodus sowie einen Gasmotor unter Einhaltung der gültigen Abgasemissionsvorschriften mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben.The invention proposes to operate a dual-fuel engine in the gaseous fuel operating mode and a gas engine such that, depending on exhaust emission regulations to be followed, the engine either in a first mode with a diffusion combustion of the gas / air mixture or in a second mode with a homogeneous combustion of the gas / air mixture is operated. Then, if relatively strict exhaust emission regulations are to be observed, in particular in so-called emission control areas, the engine is operated in the second operating mode with the homogeneous combustion of the gas / air mixture. On the other hand, if relatively low exhaust emissions regulations apply, the engine is operated in the first mode with the diffusion combustion of the gas / air mixture. This makes it possible, without the need for expensive and expensive exhaust aftertreatment, to operate a dual-fuel engine in Garzoffletriebbetriebsmodus and a gas engine in compliance with the valid exhaust emission regulations with high efficiency.

Details der beiden Betriebsarten zur Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs, die abhängig von einzuhalten Abgasemissionsvorschriften für den Betrieb des Gasmotors oder des Dual-Fuel-Motors im Gaskraftstoffbetriebsmodus gewählt werden, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben, wobei in 2 bis 4 für jeweils einen Arbeitstakt eines Zylinders des erfindungsgemäß zu betreibenden Motors die Einbringung des Gas/Luft-Gemischs und des Zündfluids in den jeweiligen Zylinder gezeigt ist.Details of the two modes of combustion of the gas / air mixture, which are selected in accordance with exhaust emission regulations for the operation of the gas engine or the dual-fuel engine in the gaseous fuel operation mode, will be described below with reference to FIG 2 to 4 described, in 2 to 4 for a respective working cycle of a cylinder of the engine to be operated according to the invention, the introduction of the gas / air mixture and the ignition fluid into the respective cylinder is shown.

2 zeigt Details der ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine im Gaskraftstoffbetriebsmodus bei der Diffusionsverbrennung des Gases. In der ersten Betriebsart wird in jeden Zylinder in jedem Arbeitstakt desselben zuerst Zündfluid 23 und anschließend gasförmiger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder eingebracht. 2 shows details of the first mode of operation of the internal combustion engine in the gaseous fuel operating mode in the diffusion combustion of the gas. In the first mode of operation, ignition fluid is first injected into each cylinder in each stroke thereof 23 and then introducing gaseous fuel into the respective cylinder.

Dabei zeigt 2, dass in der ersten Betriebsart bei der Diffusionsverbrennung des Gases das Zündfluid vor einem oberen Zünd-Totpunkt (auch Zünd-OT bzw. ZOT genannt) des jeweiligen Zylinders 2 vollständig in den Zylinder 2 eingebracht wird, wobei anschließend an die Einbringung des Zündfluids das Gas vor dem ZOT und teilweise nach dem ZOT des jeweiligen Zylinders 2 in denselben eingebracht wird und sich an dem bereits brennenden Zündfluid entflammt, wodurch das Gas diffusiv verbrennt. Hiermit kann bei hohem Wirkungsgrad ohne Klopfneigung des zu betreibenden Motors eine dieselähnliche Verbrennung des Gases gewährleistet werden, wobei sich jedoch relativ hohe Schadstoffemissionen ausbilden, sodass diese erste Betriebsart dann verwendet wird, wenn insbesondere in sogenannten Non-Emission-Control-Areas weniger strenge Abgasemissionsgrenzwerte einzuhalten sind.It shows 2 in that in the first operating mode in the diffusion combustion of the gas, the ignition fluid is before an upper ignition dead center (also referred to as ignition TDC or ZOT) of the respective cylinder 2 completely in the cylinder 2 is introduced, wherein subsequent to the introduction of the ignition fluid, the gas before the ZOT and partially after the ZOT of the respective cylinder 2 is introduced into it and ignites on the already burning ignition fluid, whereby the gas burns diffusively. Hereby, a diesel-like combustion of the gas can be ensured at high efficiency without knocking tendency of the engine to be operated, but with relatively high pollutant emissions form, so that this first mode is then used, especially if so-called non-emission control areas to comply with less stringent exhaust emission limits are.

Die zweite Betriebsart für den Gasmotor bzw. den Dual-Fuel-Motor im Gaskraftstoffbetriebsmodus mit vorgemischter Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs ist in 3 und 4 gezeigt, wobei gemäß 3 und 4 in der zweiten Betriebsart das Zündfluid 26 vor einem oberen Zünd-Totpunkt (Zünd-OT bzw. ZOT) des jeweiligen Zylinders in denselben eingebracht wird, wohingegen das Gas 25 vor dem Zündfluid 26 in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht wird, nämlich nach einem oberen Ladungswechsel-Totpunkt (auch Ladungswechsel OT oder LWOT genannt) des jeweiligen Zylinders 2.The second operating mode for the gas engine or the dual-fuel engine in the gaseous fuel operating mode with premixed combustion of the gas / air mixture is in 3 and 4 shown, according to 3 and 4 in the second mode, the ignition fluid 26 before an upper ignition dead center (ignition TDC or ZOT) of the respective cylinder is introduced into the same, whereas the gas 25 before the ignition fluid 26 in the respective cylinder 2 is introduced, namely after an upper charge exchange dead center (also called charge exchange OT or LWOT) of the respective cylinder 2 ,

In der Variante der 3 wird dabei in der zweiten Betriebsart das Gas 25 in einer einzigen Stufe in den Zylinder 2 eingebracht, und zwar teilweise vor einem unteren Totpunkt (auch UT genannt) des jeweiligen Zylinders 2, der nach dem LWOT und vor der Einbringung des Zündfluids 26 liegt, und teilweise nach diesem UT des jeweiligen Zylinders 2. Vor diesem UT wird das Gas 25 in der zweiten Betriebsart im Saughub des jeweiligen Zylinders 2 eingebracht, nach diesem UT liegt ein Kompressionshub vor.In the variant of 3 In this case, the gas is in the second operating mode 25 in a single step into the cylinder 2 introduced, in part before a bottom dead center (also called UT) of the respective cylinder 2 after the LWOT and before the introduction of the ignition fluid 26 lies, and partly after this UT of the respective cylinder 2 , Before this UT will be the gas 25 in the second mode in the suction stroke of the respective cylinder 2 introduced, after this UT is a compression stroke.

Besonders bevorzugt wird in der zweiten Betriebsart mit der vorgemischten Verbrennung des Gases 25 das Gas 25 in zwei Stufen 25a, 25b jeweils vor dem Zündfluid 26 in den jeweiligen Zylinder eingebracht.Particularly preferred in the second mode is the premixed combustion of the gas 25 the gas 25 in two stages 25a . 25b each before the ignition fluid 26 introduced into the respective cylinder.

Die zweistufige Einbringung des das Gases 25 erfolgt gemäß 4 derart, dass in der ersten Stufe 25a das Gas vor dem UT des Zylinders, der zwischen dem LWOT und dem ZOT des jeweiligen Zylinders liegt, eingebracht wird, wohingegen in der zweiten Stufe 25b das Gas nach diesem UT und vor dem Zündfluid 26 in den jeweiligen Zylinder 2 eingebracht wird. Die zweite Phase 25b der Einbringung des Gases liegt vollständig zwischen dem UT, der zwischen dem LWOT und dem ZOT liegt, und der Einbringung des Zündfluids, also im Kompressionshub. Die erste Stufe 25a der Einbringung des Gases, die vor der ersten Stufe 25b abgeschlossen ist, liegt in 4 vollständig zwischen dem LWOT und dem UT, der zwischen dem LWOT und dem ZOT liegt, also im Saughub. Gegebenenfalls ist es möglich, dass sich die zweite Stufe 25a auch über diesen UT hinaus erstreckt. Dann, wenn in der zweiten Betriebsart bei der vorgemischten Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs gemäß 4 das Gas 25 in den beiden Stufen 25a, 25a in den jeweiligen Zylinder eingebracht wird, kann die vorgemischte Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs bei optimiertem Wirkungsgrad, verminderter Klopfneigung und geringen Abgasemissionen erfolgen, sodass diese Betriebsart zur Einhaltung strenger Emissionsvorschriften in sogenannten Emission-Control-Areas besonders bevorzugt ist.Two-stage introduction of the gas 25 takes place according to 4 such that in the first stage 25a the gas is introduced before the UT of the cylinder lying between the LWOT and the ZOT of the respective cylinder, whereas in the second stage 25b the gas after this UT and before the ignition fluid 26 in the respective cylinder 2 is introduced. The second phase 25b the introduction of the gas is completely between the UT, which is between the LWOT and the ZOT, and the introduction of the ignition fluid, ie in the compression stroke. The first stage 25a the introduction of the gas before the first stage 25b is completed, lies in 4 completely between the LWOT and the UT, which is between the LWOT and the ZOT, ie in the suction stroke. If necessary, it is possible that the second stage 25a extends beyond this UT. Then, if in the second mode in the premixed combustion of the gas / air mixture according to 4 the gas 25 in the two stages 25a . 25a is introduced into the respective cylinder, the premixed combustion of the gas / air mixture can be carried out with optimized efficiency, reduced tendency to knock and low exhaust emissions, so that this mode for compliance with strict emissions regulations in so-called emission control areas is particularly preferred.

Die zweite Stufe 25b der Einbringung des Gases 25 liegt nach der ersten Stufe 25a und zwischen 5° Kurbelwellenwinkel (KW) und 80°KW vor der Einbringung des Zündfluids 26. Vorzugsweise liegt diese zweite Stufe 25b der Einbringung des Gases 25 zwischen 5°KW und 60°KW vor der Zündfluideinbringung. Die in der zweiten Phase 25b eingebrachte Gasmasse beträgt zwischen 3% und 20%, vorzugsweise zwischen 3% und 15%, der in der ersten Phase 25a eingebrachten Gasmasse.The second stage 25b the introduction of the gas 25 lies after the first stage 25a and between 5 ° crankshaft angle (KW) and 80 ° CA before the introduction of the ignition fluid 26 , Preferably, this second stage 25b the introduction of the gas 25 between 5 ° CA and 60 ° CA before ignition fluid injection. The second phase 25b introduced gas mass is between 3% and 20%, preferably between 3% and 15%, in the first phase 25a introduced gas mass.

Die Umschaltung zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart erfolgt vorzugsweise automatisch, abhängig von Positionsdaten eines Schiffs, auf dem der jeweilige Motor betrieben wird, wobei auf Grundlage der Positionsdaten, die vorzugsweise von einem GPS-System bereitgestellt werden, automatisch entschieden wird, ob sich das Schiff in einer Non-Emission-Control-Area oder einer Emission-Control-Area befindet, wobei dann abhängig hiervon automatisch die Betriebsart des Motors gewählt wird, nämlich in Non-Emission-Control-Areas die erste Betriebsart und in Emission-Control-Areas die zweite Betriebsart. Im Unterschied hierzu ist es jedoch auch möglich, die Umschaltung bzw. den Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten manuell zuzulassen.The switching between the first operating mode and the second operating mode preferably takes place automatically, depending on position data of a ship on which the respective engine is operated, wherein it is automatically decided on the basis of the position data which are preferably provided by a GPS system the ship is located in a non-emission control area or an emission control area, in which case the operating mode of the engine is automatically selected as a function of this, namely in non-emission control areas the first operating mode and in emission control Areas the second mode. In contrast, however, it is also possible to manually allow the switching or the change between the two operating modes.

In der zweiten Betriebsart zur vorgemischten Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs findet vorzugsweise ein mageres Gas/Luft-Gemisch mit Luftüberschuss bzw. einem Lambda-Wert größer 1 Verwendung.In the second operating mode for premixed combustion of the gas / air mixture is preferably a lean gas / air mixture with excess air or a lambda value greater than 1 use.

Mit der Erfindung ist es möglich, einen Motor im Gaskraftstoffbetriebsmodus wirkungsgradoptimal bei geringer Klopfneigung unter Einhaltung gültiger Abgasemissionsvorschriften zu betreiben, und zwar ohne die Notwendigkeit teurer und aufwendiger Abgasnachbehandlungsverfahren bzw. Abgasnachbehandlungseinrichtungen. Die Erfindung kommt vorzugsweise bei Motoren zum Einsatz, die auf Schiffen betrieben werden.With the invention it is possible to operate an engine in the gaseous fuel operating mode with optimum efficiency and a low tendency to knock in compliance with valid exhaust emission regulations, without the need for expensive and expensive exhaust aftertreatment or exhaust aftertreatment. The invention is preferably used in engines that are operated on ships.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur automatisierten Durchführung des Verfahrens. Die Steuerungseinrichtung weist Mittel zur Durchführung des Verfahrens auf. Hierzu zählen hardwareseitige Mittel wie Datenschnittstellen zum Datenaustausch mit den an der Durchführung des Verfahrens beteiligten Baugruppen, ein Speicher zur Datenspeicherung und ein Prozessor zur Datenverarbeitung, sowie softwareseitige Mittel wie Programmbausteine.The invention further relates to a control device for automated implementation of the method. The control device has means for carrying out the method. These include hardware-side means such as data interfaces for data exchange with the modules involved in the implementation of the method, a memory for data storage and a processor for data processing, as well as software means such as program blocks.

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben eines als Gasmotor oder als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors, der mehrere Zylinder (2) umfasst, wobei zur Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs aus einem gasförmigen Kraftstoff und Luft das Gas/Luft-Gemisch unter Verwendung eines Zündfluids in den Zylindern (2) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einzuhaltenden Abgasemissionsvorschriften der Gasmotor oder der Dual-Fuel-Motor entweder in einer ersten Betriebsart mit einer Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs oder in einer zweiten Betriebsart mit einer homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs betrieben wird.Method for operating a motor designed as a gas engine or as a dual-fuel engine, comprising a plurality of cylinders ( 2 ), wherein for combustion of a gas / air mixture of a gaseous fuel and air, the gas / air mixture using an ignition fluid in the cylinders ( 2 ) is ignited, characterized in that depending on the exhaust emission regulations to be followed, the gas engine or the dual-fuel engine either in a first mode with a diffusion combustion of the gas / air mixture or in a second mode with a homogeneous combustion of the gas / air mixture is operated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsart, die bei relativ geringen Abgasemissionsvorschriften aktiviert wird, zur Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs im Bereich jedes Zylinders (2) in einem Arbeitstakt desselben zuerst das Zündfluid und anschließend der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird, in der zweiten Betriebsart, die bei relativ strengen Abgasemissionsvorschriften aktiviert wird, zur homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs im Bereich jedes Zylinders (2) in einem Arbeitstakt desselben zuerst der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs und anschließend das Zündfluid in den jeweiligen Zylinder (2) eingebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that in the first mode, which is activated at relatively low exhaust emission regulations (for diffusion combustion of the gas / air mixture in the area of each cylinder 2 ) in a working stroke of the same first the ignition fluid and then the gaseous fuel and the air of the gas / air mixture in the respective cylinder ( 2 ) is activated, in the second mode, which is activated under relatively strict exhaust emission regulations, for the homogeneous combustion of the gas / air mixture in the region of each cylinder ( 2 ) in a working stroke of the same first the gaseous fuel and the air of the gas / air mixture and then the ignition fluid in the respective cylinder ( 2 ) is introduced. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsart zur Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs das Zündfluid vor einem oberen Zünd-Totpunkt des jeweiligen Zylinders (2) und anschließend der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs teilweise vor dem Zünd-OT des jeweiligen Zylinders (2) und teilweise nach dem Zünd-OT des jeweiligen Zylinders (2) in denselben eingebracht wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the first operating mode for diffusion combustion of the gas / air mixture, the ignition fluid before an upper ignition dead center of the respective cylinder ( 2 ) and then the gaseous fuel and the air of the gas / air mixture partially before the ignition TDC of the respective cylinder ( 2 ) and partly after the ignition TDC of the respective cylinder ( 2 ) is introduced into the same. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart zur homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs das Zündfluid vor einem oberen Zünd-Totpunkt des jeweiligen Zylinders (2) und vorher der gasförmige Kraftstoff und die Luft des Gas/Luft-Gemischs nach einem oberen Ladungswechsel-Totpunkt des jeweiligen Zylinders (2) in denselben eingebracht wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the second mode for the homogeneous combustion of the gas / air mixture, the ignition fluid before an upper ignition dead center of the respective cylinder ( 2 ) and before the gaseous fuel and the air of the gas / air mixture after an upper charge exchange dead center of the respective cylinder ( 2 ) is introduced into the same. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart mit der homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs das Gas/Luft-Gemisch in zwei Stufen jeweils vor dem Zündfluid in den jeweiligen Zylinder einbracht wird, nämlich in einer ersten Stufe zumindest teilweise vor einem unteren Totpunkt des jeweiligen Zylinders (2) und in einer zweiten Stufe vollständig nach dem UT des jeweiligen Zylinders (2).A method according to claim 4, characterized in that in the second mode with the homogeneous combustion of the gas / air mixture, the gas / air mixture is introduced in two stages each before the ignition fluid in the respective cylinder, namely in a first stage at least partially before a bottom dead center of the respective cylinder ( 2 ) and in a second stage completely after the UT of the respective cylinder ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe der Einbringung des Gas/Luft-Gemischs zwischen 5°KW vor der Zündfluideinbringung und 80°KW vor der Zündfluideinbringung liegt.A method according to claim 5, characterized in that the second stage of the introduction of the gas / air mixture is between 5 ° CA before Zündfluideinbringung and 80 ° CA before Zündfluideinbringung. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe der Einbringung des Gas/Luft-Gemischs zwischen 5°KW vor der Zündfluideinbringung und 60°KW vor der Zündfluideinbringung liegt.A method according to claim 6, characterized in that the second stage of the introduction of the gas / air mixture is between 5 ° CA before Zündfluideinbringung and 60 ° CA before Zündfluideinbringung. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge zwischen 3% und 20% der in der ersten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge beträgt.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the introduced in the second phase gas / air mixture amount is between 3% and 20% of the introduced in the first phase gas / air mixture amount. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge zwischen 3% und 15% der in der ersten Phase eingebrachte Gas/Luft-Gemisch-Menge beträgt.A method according to claim 8, characterized in that the introduced in the second phase gas / air mixture amount is between 3% and 15% of the introduced in the first phase gas / air mixture amount. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Betriebsart zur Diffusionsverbrennung des Gas/Luft-Gemischs und der zweiten Betriebsart zur homogenen Verbrennung des Gas/Luft-Gemischs automatisch umgeschaltet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that between the first mode for diffusion combustion of the gas / air mixture and the second mode for homogeneous combustion of the gas / air mixture is automatically switched. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Motor ein Schiffsmotor ist, abhängig von einem Positionssignal des Schiffs zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart automatisch umgeschaltet wird.A method according to claim 10, characterized in that, when the engine is a marine engine, is automatically switched depending on a position signal of the ship between the first mode and the second mode. Steuerungseinrichtung eines Motors, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Control device of an engine, characterized by means for carrying out the method according to one of claims 1 to 11.
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