DE102015210669A1

DE102015210669A1 - Gasbrennkraftmaschine mit gemisch-gespülter Vorkammer

Info

Publication number: DE102015210669A1
Application number: DE102015210669.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Gerrit Prunnbauer; Joachim Schwarte; Jan Boyde; Philippe Gorse
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: DE102015210669B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasbrennkraftmaschine, welche mit einem Brenngas betreibbar ist, umfassend einen Brennraum (2), einen im Brennraum (2) hin- und hergehenden Kolben (4), eine Vorkammer (3), welche am Brennraum (2) angeordnet ist, eine in der Vorkammer (3) angeordnete Zündkerze (5), wenigstens ein Einlassventil (6) und wenigstens ein Auslassventil (7), einen zum Einlassventil (6) führenden Einlasskanal (8), eine Verbindungsleitung (11) zwischen dem Einlasskanal (8) und der Vorkammer (3), und ein in der Verbindungsleitung (11) angeordnetes Absperrelement (12, 22) zum Öffnen und Schließen der Verbindungsleitung (11), um ein Brenngas-Luft-Gemisch in die Vorkammer (3) zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasbrennkraftmaschine mit einer gemisch-gespülten Vorkammer sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine.
Brenngas, insbesondere Erdgas, wird in Zeiten von sicher verknappenden Ölvorräten ein immer mehr genutzter Brennstoff. Dies gilt insbesondere auch für stationäre Gasbrennkraftmaschinen. Für eine bessere Zündung und zum Schutz von Zündkerzen sind ferner Brennkraftmaschinen mit Vorkammern bekannt, in denen eine Zündkerze abgeschirmt ist. Hierbei ist es bekannt, die Vorkammern mit reinem Brennstoff zu spülen und in einer Kompressionsphase der Brennkraftmaschine mit Ladung aus dem Brennraum zu verdünnen, um ein zündfähiges Gemisch zu haben. Hierdurch entsteht jedoch in der Vorkammer ein sehr fettes und insbesondere inhomogenes Gemisch aus reinem Brennstoff, Restgas und in der Brennkammer vorhandener Mischladung, welches sehr schnell verbrennt. Allerdings entstehen durch die schnelle und heiße Verbrennung sehr viele Schadstoffe. Ferner bildet sich in Schadräumen in der Vorkammer, in die während des Kompressionstaktes kein Gemisch gelangt, Ruß, da der Brennstoff unter Sauerstoffausschluss Ruß bildet. Um dem entgegenzuwirken, wird häufig versucht, eine Hauptladung im Brennraum abzumagern. Hierbei ist ein Überschuss an Luft im Brennraum vorhanden, welche im Kompressionstakt für ein weniger fettes Gemisch in der mit Brennstoff gefüllten Vorkammer führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasbrennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit eine gute Verbrennung und reduzierte Schadstoffbildung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Gasbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Gasbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine Vorkammer der Gasbrennkraftmaschine mit einem Brenngas-Luft-Gemisch gespült werden kann. Hierbei ist der große Vorteil, dass die Vorkammer mit einem frischen, homogenen Brenngas-Luft-Gemisch durchspült wird. Ein in der Vorkammer befindliches Restgas (Abgas) aus dem letzten Arbeitstakt kann somit von der Zündquelle in der Vorkammer entfernt werden und wird durch das homogene, vorgemischte Brenngas-Luft-Gemisch ersetzt. Dabei kann das Spülen der Vorkammer schon während einer Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Vorkammer auch ohne Nachteile hinsichtlich von Emissionen durch das Brenngas-Luft-Gemisch überspült werden kann, da das gleiche Gemisch auch in den Brennraum eingebracht wird und somit bei einem Ausströmen des Brenngas-Luft-Gemischs beim Überspülen aus der Vorkammer keine signifikante Änderung einer Zusammensetzung eines Gemisches in der Brennkammer erfolgt. Weiterhin wird durch die Spülung der Vorkammer mit dem Brenngas-Luft-Gemisch eine Kühlung der Vorkammer und insbesondere einer Zündquelle, insbesondere Zündkerze, in der Vorkammer ermöglicht. Hierdurch kann eine Lebensdauer der Zündquelle signifikant verlängert werden. Auch reduziert die verringerte Vorkammer-Verbrennungstemperatur die Erzeugung von NOx-Emissionen. Weiterhin können durch die homogenere Mischung in der Vorkammer die zyklischen Schwankungen des Verbrennungsprozesses deutlich reduziert werden und die Brennkraftmaschine näher an einem Verbrauchsoptimum ausgelegt werden. Zusätzlich kann die Robustheit des Systems verbessert werden, da die Spülmenge nicht (wie bei einer gasgespülten Vorkammer) vom Betriebspunkt abhängt, sondern immer mit der gleichen Gemischmenge gespült wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Verbindungsleitung zwischen einem Einlasskanal, welcher zu einem Einlassventil führt, und der Vorkammer vorgesehen ist. In der Verbindungsleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um die Verbindungsleitung zu öffnen und zu schließen. Dadurch kann ein Brenngas-Luft-Gemisch in die Vorkammer durch die Verbindungsleitung bei geöffnetem Absperrelement zugeführt werden. Trotzdem bleibt ein Aufbau der erfindungsgemäßen Gasbrennkraftmaschine einfach und die Verbindungsleitung kann relativ kostengünstig bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist das Absperrelement ausgelegt, die Verbindungsleitung zu schließen, bevor der Kolben in einer Ansaugphase einen unteren Totpunkt im Brennraum erreicht hat. Dadurch wird vermieden, dass das Absperrelement zu spät geschlossen wird, so dass, wenn sich die Brennkraftmaschine im Kompressionstakt befindet und der Kolben sich wieder nach oben bewegt, das Brenngas-Luft-Gemisch wieder aus der Vorkammer durch die Verbindungsleitung in den Einlasskanal zurückgedrückt würde.
Weiter bevorzugt ist das Absperrelement vorzugsweise ein selbsttätig schließendes Rückschlagventil, insbesondere ein federbelastetes, mechanisches Rückschlagventil. Dadurch kann ein kostengünstiges und einfach aufgebautes Absperrelement bereitgestellt werden, welches insbesondere keine Steuerungseinrichtung oder dgl. benötigt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Gasbrennkraftmaschine ein ansteuerbares Absperrelement und eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das ansteuerbare Absperrelement zu schließen, bevor der Kolben in der Ansaugphase den unteren Totpunkt im Brennraum erreicht. Somit ist ein ansteuerbares Absperrelement vorgesehen, wobei ein exakter Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Absperrelements durch Beeinflussung der Steuereinheit gewählt werden kann.
Weiter bevorzugt ist die Verbindungsleitung zwischen dem Einlasskanal und der Vorkammer in einem Zylinderkopf ausgebildet.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise eingerichtet, das Absperrelement lediglich für einen Öffnungsvorgang anzusteuern. Ein Schließen des Absperrelements kann beispielsweise durch ein vorgespanntes Element, insbesondere eine Feder oder dgl. vorgesehen werden.
Weiter bevorzugt ist in der Vorkammer eine kostengünstig bereitstellbare Hakenzündkerze mit einer hakenförmigen Masseelektrode angeordnet. Dadurch können die Kosten für die Gasbrennkraftmaschine im Vergleich mit dem Stand der Technik signifikant reduziert werden, welche aufgrund der schweren Zündbedingungen teure Vorkammer-Zündkerzen benötigt.
Die Gasbrennkraftmaschine ist weiter bevorzugt eine stationäre Gasbrennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Gasbrennkraftmaschine umfasst weiter bevorzugt eine Vielzahl von Zylindern, insbesondere 12 Zylinder.
Ferner bevorzugt umfasst die Gasbrennkraftmaschine eine Brenngas-Einblasvorrichtung, welche am Einlasskanal angeordnet ist, um Brenngas in den Einlasskanal einzublasen. Dadurch erfolgt eine Gemischbildung zwischen dem Brenngas und der Luft schon im Einlasskanal. Bei Vorhandensein eines Turboladers erfolgt die Gaseinblasung bevorzugt in Strömungsrichtung vor dem Turbolader.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine, welche eine Vorkammer, einen zu einem Einlassventil führenden Einlasskanal und ein den Einlasskanal und die Vorkammer verbindende Verbindungsleitung umfasst, in welcher ein Absperrelement angeordnet ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine das Absperrelement in der Verbindungsleitung, insbesondere mittels eines Druckgefälles oder elektrisch mittels eines Aktors, geöffnet, um die Verbindung zwischen dem Einlasskanal und der Vorkammer freizugeben. Dadurch strömt ein Brenngas-Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal durch die Verbindungsleitung in die Vorkammer und aus der Vorkammer weiter in den Brennraum. Hierdurch wird die Vorkammer mit dem Gemisch gespült und enthält für einen Zündvorgang ein hochzündfähiges Gemisch.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise das Absperrelement vor Erreichen eines unteren Totpunkts eines Kolbens geschlossen. Weiter bevorzugt bleibt das Absperrelement wenigstens für einen Zeitraum geöffnet, welcher eine vollständige Spülung der Vorkammer mit Brenngas-Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal ermöglicht. Besonders bevorzugt bleibt das Absperrelement solange geöffnet, bis ein dem Volumen des Brenngas-Luft-Gemischs in die Vorkammer strömt, welches dem doppelten Volumen der Vorkammer entspricht.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in der Zeichnung dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht einer Gasbrennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 eine schematische Schnittansicht einer Gasbrennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Gasbrennkraftmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Die Gasbrennkraftmaschine 1 umfasst einen Brennraum 2, in welchem ein Kolben 4 in bekannter Weise hin und her bewegbar ist. Die Gasbrennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Vorkammer 3, welche am Brennraum 2 angeordnet ist und über Öffnungen 30 mit dem Brennraum 2 verbunden ist. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Einlasskanal, welcher zum Brennraum mittels eines Einlassventils 6 freigebbar und verschließbar ist. Ein Auslasskanal 9 ist ferner vorgesehen, welcher mittels eines Auslassventils 7 freigegeben und verschlossen werden kann.
In der Vorkammer 3 ist ferner eine Zündkerze 5 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zündkerze 5 eine kostengünstige Hakenzündkerze mit hakenförmiger Masseelektrode.
Am Einlasskanal 8 ist ferner eine Brenngas-Einblasvorrichtung 10 angeordnet, welche Brenngas in den Einlasskanal 8 einbläst. Die Brenngas-Einblasvorrichtung 10 wird mittels einer Steuereinheit 14 angesteuert. Die Steuereinheit 14 steuert auch die Zündkerze 5 an.
Weiterhin ist eine Verbindungsleitung 11 vorgesehen, welche in einem Zylinderkopf 13 ausgebildet ist. Die Verbindungsleitung 11 verbindet den Einlasskanal 8 mit der Vorkammer 3. In der Verbindungsleitung 11 ist ein Absperrelement in Form eines Rückschlagventils 12 vorgesehen. Das Rückschlagventil 12 öffnet dabei in Strömungsrichtung vom Einlasskanal 8 in Richtung zur Vorkammer 3. Eine selbsttätige Rückstellung des Rückschlagventils 12 kann beispielsweise mittels eines Federelements (nicht gezeigt) erfolgen.
1 zeigt eine Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine, in welchem das Einlassventil 6 geöffnet ist (angedeutet durch den Pfeil A) und das Auslassventil 7 geschlossen ist. Der Kolben 4 befindet sich noch in der Abwärtsbewegung (Pfeil B) und ist im Ansaugtakt kurz vor dem unteren Totpunkt.
Das Rückschlagventil 12 ist aufgrund des Unterdrucks im Brennraum 2 geöffnet, so dass ein Brenngas-Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal 8 in die Verbindungsleitung 11 strömt (Pfeil C). Das Brenngas-Luft-Gemisch strömt so vom Einlasskanal 8 durch die Verbindungsleitung 11 in die Vorkammer 3 (Pfeil D) und spült die Vorkammer 3 vollständig.
Die Vorkammer 3 ist über mehrere Öffnungen 30 mit dem Brennraum 2 verbunden, so dass bei geöffnetem Rückschlagventil zuerst das in der Vorkammer 3 befindliche Gasgemisch in die Brennkammer 2 durch die Öffnungen 30 angesaugt wird (Pfeil E).
Somit erfolgt erfindungsgemäß eine Spülung der Vorkammer 3 mit einem Brenngas-Luft-Gemisch, welches leicht entzündlich ist. Dadurch erfolgt auch eine Kühlung der Zündkerze 5 sowie der Vorkammer 3, so dass die Emissionen während der Zündung reduziert werden können. Durch die Verbrennung in der Vorkammer entsteht dort eine Drucküberhöhung gegenüber dem Hauptbrennraum. Dadurch schießen heiße Fackelstrahlen aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum. Das zündfähige Gemisch schickt somit nach Zündung Fackelstrahlen durch die Öffnungen 30 in den Brennraum 2, um das dort befindliche Brenngas-Luft-Gemisch zu entzünden.
Das Rückschlagventil 12 schließt vollständig, sobald ein Druckunterschied zwischen der Vorkammer 3 und dem Einlasskanal 8 einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Dies ist kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 4 der Fall. Dabei kann das Rückschlagventil 12 auch solange im offenen Zustand bleiben, dass die Vorkammer 3 auch mit Brenngas-Luft-Gemisch überspült wird. D. h., ein durch die Vorkammer 3 geführtes Volumen des Brenngas-Luft-Gemischs ist deutlich größer als ein Volumen der Vorkammer 3. Somit kann erfindungsgemäß eine bessere Ausspülung der Vorkammer 3 erreicht werden und eine Vorkammer-Verbrennungstemperatur kann signifikant reduziert werden. Dadurch können Emissionen und Rußbildung, usw., stark vermindert werden. Die erfindungsgemäße Gemischspülung der Vorkammer 3 vermindert ferner zyklische Schwankungen während des Verbrennungsprozesses, so dass die Gasbrennkraftmaschine näher an ihrem Verbrauchsoptimum ausgelegt werden kann. Durch die Senkung der Temperatur wird ferner auch eine Zündkerzenlebensdauer der Zündkerze 5 vergrößert. Darüber hinaus können kostengünstige Hakenzündkerzen statt der teuren Vorkammerzündkerzen verwendet werden.
2 zeigt eine Gasbrennkraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu die Steuereinheit 14 vorgesehen ist, auch ein ansteuerbares Absperrelement 22, z. B. ein Magnetventil, anzusteuern. Dadurch kann auf relativ einfache Weise mittels der Steuereinheit 14 eine Öffnungsdauer des ansteuerbaren Absperrelements 22 definiert werden. Somit können beispielsweise auch bei unterschiedlichen Lastzuständen der Gasbrennkraftmaschine unterschiedliche Öffnungsdauern der Verbindungsleitung 11 für unterschiedliche Lastzustände vorgesehen werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Gasbrennkraftmaschine
2: Brennraum
3: Vorkammer
4: Kolben
5: Zündkerze
6: Einlassventil
7: Auslassventil
8: Einlasskanal
9: Auslasskanal
10: Brenngas-Einblasvorrichtung
11: Verbindungsleitung
12: Rückschlagventil
13: Zylinderkopf
14: Steuereinheit
22: ansteuerbares Absperrelement
30: Öffnungen

Claims

Gasbrennkraftmaschine, welche mit einem Brenngas betreibbar ist, umfassend: – einen Brennraum (2), – einen im Brennraum (2) hin- und hergehenden Kolben (4), – eine Vorkammer (3), welche am Brennraum (2) angeordnet ist, – eine in der Vorkammer (3) angeordnete Zündkerze (5), – wenigstens ein Einlassventil (6) und wenigstens ein Auslassventil (7), – einen zum Einlassventil (6) führenden Einlasskanal (8), – eine Verbindungsleitung (11) zwischen dem Einlasskanal (8) und der Vorkammer (3), und – ein in der Verbindungsleitung (11) angeordnetes Absperrelement (12, 22) zum Öffnen und Schließen der Verbindungsleitung (11), um ein Brenngas-Luft-Gemisch in die Vorkammer (3) zuzuführen.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (12, 22) ausgelegt ist, die Verbindungsleitung (11) zu schließen, bevor der Kolben (4) in einer Ansaugphase einen unteren Totpunkt im Brennraum (2) erreicht hat.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (12) ein selbsttätig schließendes Rückschlagventil ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner umfassend ein ansteuerbares Absperrelement (22) und eine Steuereinheit (14), welche eingerichtet ist, das ansteuerbare Absperrelement (22) zu schließen, bevor der Kolben (4) in der Ansaugphase den unteren Totpunkt im Brennraum (2) erreicht hat.
Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) eingerichtet ist, das ansteuerbare Absperrelement (22) für einen Öffnungsvorgang anzusteuern.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (5) eine Hakenzündkerze ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (11) in einem Zylinderkopf (13) ausgebildet ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Brenngas-Einblasvorrichtung (10), welche am Einlasskanal (8) angeordnet ist, um Brenngas in den Einlasskanal (8) einzublasen.
Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine (1) mit einer Vorkammer (3), einem zu einem Brennraum (2) führenden Einlasskanal (8) und eine den Einlasskanal (8) und die Vorkammer (3) verbindende Verbindungsleitung (11), in welcher ein Absperrelement (12; 22) angeordnet ist, wobei in einer Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine das Absperrelement (12; 22) geöffnet wird, um die Verbindung zwischen dem Einlasskanal (8) und der Vorkammer (3) freizugeben und die Vorkammer mit einem Brenngas-Luft-Gemisch zu spülen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (12; 22) vor Erreichen eines unteren Totpunkts des Kolbens in der Ansaugphase geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (12; 22) wenigstens für einen Zeitraum geöffnet bleibt, welcher eine vollständige Spülung der Vorkammer (3) mit dem Brenngas-Luft-Gemisch ermöglicht.