DE102016200490B4 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine (1), mit einer Brenngaszuführeinrichtung (3), einer Gemischsensoreinrichtung (5) und einer Steuereinrichtung (6), wobei
- die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen, wobei
- die Gemischsensoreinrichtung (5) eingerichtet ist, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln, wobei
- die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet, und wobei
- der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch entspricht, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
  • Aufgrund von hohen - und tendenziell weiter steigenden - Kosten für Diesel im Vergleich zu Brenngas, insbesondere Erdgas, besteht bei Brennkraftmaschinen ein Kostensenkungspotential in der Substitution von Diesel durch Brenngas als Brennstoff. Bei dieselbetriebenen Brennkraftmaschinen in einem Zweistoffbetrieb, insbesondere einem Bi-Fuel- oder Dual-Fuel-Betrieb, die typischerweise über keine Flammschutzfilter verfügen, um den Ansaugbereich und/oder Abgastrakt vor Entflammung oder Explosion eines Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu schützen, aber auch bei Gasmotoren besteht ein Bedarf für eine sichere Kontrolle der Zudosierung von Brenngas zur Verbrennungsluft. Insbesondere muss sichergestellt werden, dass ein der Brennkraftmaschine zugeführtes Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch einen Brenngasanteil aufweist, der unterhalb einer unteren Explosionsgrenze für das jeweilige Gemisch liegt. Dies muss auch bei hochdynamischen Änderungen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine der Fall sein.
  • Typischerweise wird ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft anhand mehrerer indirekter Messgrößen und Kennfelder bestimmt. Insbesondere durch die Vielzahl der Messgrößen, welche jeweils Messfehler aufweisen können, kann sich ein hoher theoretischer Gesamtmessfehler ergeben. Dieser schlägt sich dann in einem entsprechend hohen Sicherheitsaufschlag hinsichtlich des zulässigen Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Verbrennungsluft nieder. Aufgrund dieses erforderlichen Sicherheitsaufschlags kann beispielsweise die- unter Sicherheitsgesichtspunkten - maximal mögliche Substitution von Diesel durch Brenngas stark reduziert sein, wodurch ein solches Verfahren möglicherweise unwirtschaftlich wird. Es kann durchaus auch vorkommen, dass ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund des erforderlichen Sicherheitsaufschlags im Zweistoffbetrieb überhaupt nicht mehr möglich ist.
  • Aus der WO 2013/182316 A1 geht eine Brennkraftmaschine mit einer Brenngaszuführeinrichtung und einer Steuereinrichtung hervor, wobei die Brenngaszuführeinrichtung eingerichtet ist, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um einen Volumenstrom des Brenngases durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung einzustellen. Dabei ist vorgesehen, dass ein Maximalwert für den Volumenstrom des Brenngases vorgegeben wird, insbesondere um zu vermeiden, dass eine Explosionsgrenze für das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch erreicht wird.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 23 430 A1 geht eine Regelvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem sauerstoffempfindlichen Sensor zur Abtastung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einer Ansaugleitung stromabwärts einer Brennstoffzufuhreinrichtung hervor. Hiermit kann eine Rückkopplungsregelung eines Mischungsverhältnisses des der Brennkraftmaschine durch die Ansaugleitung zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisches verwirklicht werden.
  • Aus der US 4 463 734 A geht ein Dieselmotor hervor, der eingerichtet ist, um ein Gemisch aus einem flüssigen Brennstoff und einem gasförmigen Brenngas zu verbrennen. Wird der Brennstoffverbrauch insgesamt erhöht, werden sowohl eine Menge an flüssigem Brennstoff als auch eine Menge an gasförmigem Brenngas erhöht. Die Brenngasmenge wird allerdings stärker erhöht als die Menge an flüssigem Brennstoff.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer Brenngaszuführeinrichtung, einer Gemischsensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung geschaffen wird. Die Brenngaszuführeinrichtung ist eingerichtet, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen. Die Gemischsensoreinrichtung ist eingerichtet, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Dabei ist vorgesehen, dass der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch entspricht, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze. Die Brennkraftmaschine weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Dadurch, dass mittels der Brenngaszuführeinrichtung, der Gemischsensoreinrichtung und der Steuereinrichtung eine Überwachung des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses erfolgt, kann die Brennkraftmaschine insbesondere im transienten Betrieb, beispielsweise bei starken Laständerungen, nahe dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert sicher betrieben werden. Es wird insbesondere sichergestellt, dass keine explosionsfähige Atmosphäre des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs insbesondere im Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennkraftmaschine entsteht. Insbesondere bei einer ausbleibenden Verbrennung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, beispielsweise im Fall eines defekten Injektors für Flüssigbrennstoff in dem Brennraum, kann unverbranntes Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch aus dem Brennraum in den Abgastrakt gelangen. Dort herrschen im Betrieb der Brennkraftmaschine üblicherweise Temperaturen, welche eine Entflammung oder Explosion eines zündfähigen Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs bewirken können. Indem das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch, welches dem Brennraum zugeführt wird, unter oder nahe dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert gehalten wird und damit nicht zündfähig ist, lässt sich eine Entflammung oder Explosion des aus dem Brennraum abgeführten unverbrannten Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs im Abgastrakt sicher vermeiden. Insgesamt wird vorteilhafterweise insbesondere ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch möglich, wobei der Brenngasanteil sich möglichst nahe an seinem - unter Explosionssicherheitsgesichtspunkten - maximal zulässigen Wert befindet.
  • Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eingerichtet zum Antrieb eines Generators, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Leistung von bis zu 2,5 MW bereitstellen kann. Vorzugsweise stellt der Generator elektrische Leistung mit einer Netzfrequenz von insbesondere 60 Hz oder 50 Hz bereit, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine insbesondere 1800 U/min oder 1500 U/min beträgt. Hierbei kommt insbesondere eine Anwendung im Inselbetrieb, beispielsweise zur Versorgung eines Krankenhauses oder eines Datenzentrums mit elektrischer Leistung, aber auch ein Netzbetrieb, beispielsweise in einem Kraftwerk, infrage.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Brenngaszuführeinrichtung eine Venturi-Düse, einen Nulldruckregler, sowie eine Lambda-Ventileinrichtung auf. Die Lambda-Ventileinrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Einstellung einer Menge an einem Abnahmerohr der Venturi-Düse über eine Brenngasleitung zugeführtem Brenngas. In der Venturi-Düse erfolgt insbesondere die Mischung des Brenngases mit Verbrennungsluft. Dabei wird der Verbrennungsluft Brenngas insbesondere zum Erreichen eines bestimmten Mischungsverhältnisses von Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt. Hierzu ist bevorzugt eine Verbrennungsluftleitung mit der Venturi-Düse fluidverbunden. Über die Verbrennungsluftleitung wird ein Verbrennungsluftstrom in die Venturi-Düse - insbesondere in Richtung eines Durchflusspfads mit sich verengendem Querschnitt, in welchen vorzugsweise das Abnahmerohr mündet - geführt. Das Abnahmerohr der Venturi-Düse ist insbesondere an der Stelle größter Verengung in der Venturi-Düse angeordnet. Der Nulldruckregler ist stromaufwärts des Abnahmerohrs in der Brenngasleitung angeordnet. Er ist vorzugsweise eingerichtet, den statischen Druck in der Verbrennungsluftleitung stromaufwärts der Venturi-Düse zu erfassen und einen gleichen Druck für das Brenngas in der Brenngasleitung einzustellen. Das Brenngas weist mithin bei Eintritt in die Venturi-Düse über das Abnahmerohr weitgehend denselben statischen Druck auf wie die Verbrennungsluft in der Verbrennungsluftleitung stromaufwärts der Venturi-Düse.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lambda-Ventileinrichtung in der Brenngasleitung zwischen dem Nulldruckregler und der Venturi-Düse angeordnet. Die Lambda-Ventileinrichtung ist insbesondere eingerichtet, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis auf einen bestimmten Wert einzustellen.
  • Die Gemischsensoreinrichtung weist vorzugsweise einen sogenannten UEG-Sensor zum Sensieren einer unteren Explosionsgrenze (UEG - Untere Explosionsgrenze) oder ein Explosimeter auf. Sie ist vorzugsweise in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine stromabwärts der Venturi-Düse und stromaufwärts von wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Mittels der Gemischsensoreinrichtung ist es insbesondere möglich, eine tatsächliche Reaktivität und/oder Zündfähigkeit des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Gemischsensoreinrichtung eingerichtet, eine Brenngasmenge oder ein Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu ermitteln. Die Brenngasmenge oder das Verhältnis aus Verbrennungsluft und Brenngas wird vorzugsweise in einem Bereich stromabwärts der Venturi-Düse und stromaufwärts von wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine gemessen. Die Gemischsensoreinrichtung ist insbesondere stromaufwärts einer eventuell vorhandenen Zuführung mindestens eines weiteren Brennstoffes in das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch angeordnet.
  • Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, eine Brennstoffzuführung der Brennkraftmaschine zu steuern oder zu regeln. Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung nur zur Ansteuerung der Brenngaszuführeinrichtung eingerichtet ist. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung vorzugsweise, beispielsweise mittels eines CAN-Bus, mit weiteren Steuergeräten wirkverbunden, welche eingerichtet sind zur Ansteuerung weiterer, insbesondere zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlicher Einrichtungen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Steuereinrichtung um einen Bi-Fuel-Controller, der über einen CAN-Bus mit einem Diesel-Controller wirkverbunden ist. Es ist aber ebenso möglich, dass die Brennkraftmaschine über eine, insbesondere integrierte, Steuereinrichtung verfügt, welche insbesondere zur Ansteuerung der Zuführung aller Brennstoffe zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingerichtet ist.
  • Die Steuereinrichtung steuert die Brenngaszuführeinrichtung vorzugsweise dadurch an, dass sie die Lambda-Ventileinrichtung ansteuert.
  • Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert stellt insbesondere ein Massenverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft dar, welches keine explosionsfähige Atmosphäre in einem Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennkraftmaschine ausbildet. Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist erfindungsgemäß kleiner als 100 % der unteren Explosionsgrenze. 100 % der unteren Explosionsgrenze stellen dabei insbesondere eine Konzentration von Brenngas in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch dar, ab welcher eine Zündung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs möglich ist. Besonders bevorzugt liegt der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert bei 85 % der unteren Explosionsgrenze. Der Anteil von Brenngas in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch ist damit geringer als der Anteil von Brenngas in einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch bei 100 % der unteren Explosionsgrenze.
  • Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist vorzugsweise parametrierbar. Es ist aber auch möglich, dass er werkseitig fest, insbesondere nicht änderbar, eingestellt ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die untere Explosionsgrenze bei einem Lambda-Wert, mithin einem Verhältnis der Massen von Verbrennungsluft zu Brenngas, von 2,25. Besonders bevorzugt wird zur Bestimmung des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts ein Lambda-Wert für die untere Explosionsgrenze von 2,45 angenommen. In diesem Fall wird insbesondere ein Sicherheitsaufschlag von 0,2 zur wirklichen unteren Explosionsgrenze realisiert.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert entspricht vorzugsweise einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze. Besonders bevorzugt ist der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert in Prozent der unteren Explosionsgrenze größer als der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert in Prozent der unteren Explosionsgrenze, vorzugsweise aber kleiner als 100 % der unteren Explosionsgrenze. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert bei 88 % der unteren Explosionsgrenze.
  • Vorzugsweise wird die Beendigung der Zuführung des Brenngases dadurch realisiert, dass eine bevorzugt von der Brenngaszuführeinrichtung umfasste Sicherheitsventileinrichtung von der Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass die Sicherheitsventileinrichtung geschlossen wird. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Lambda-Ventileinrichtung geschlossen wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sicherheitsventileinrichtung ein Doppelmagnetventil. Die Sicherheitsventileinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum Freigeben und Schließen der Brenngaszufuhr zu der Venturi-Düse. Vorzugsweise ist die Sicherheitsventileinrichtung in einer Brenngastrasse der Brennkraftmaschine angeordnet.
  • Der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist vorzugsweise parametrierbar. Es ist aber auch möglich, dass er werkseitig fest, insbesondere invariabel, eingestellt ist.
  • Es ist auch möglich, die Brenngaszufuhr zu der Verbrennungsluft zu reduzieren oder zu beenden, wenn sich andere, insbesondere vorbestimmte, Betriebszustände der Brennkraftmaschine einstellen. Es ist vorzugsweise möglich, die Brenngaszufuhr in Richtung einer geringeren Brenngasmenge zu beeinflussen, insbesondere zu beenden, wenn eine Abgastemperatur, insbesondere von Abgas aus einem bestimmten Brennraum, unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt. Dies kann beispielsweise auf einen defekten Injektor für Flüssigbrennstoff hinweisen. Weitere Eingangsgrößen, welche eine Reduzierung und/oder Beendigung der Brenngaszufuhr bewirken, sind möglich.
  • Insbesondere durch die Möglichkeit einer Beendigung der Zuführung des Brenngases zu der Verbrennungsluft bei kritischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann ein sicherer Betrieb derselben mit einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch realisiert werden, wobei der Brenngasanteil insbesondere möglichst nahe an der unteren Explosionsgrenze gehalten werden kann.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine, eines momentanen Verbrennungsluftstroms in der Verbrennungsluftleitung, mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts für das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch die Brenngaszuführung anzusteuern. Die Brenngaszuführeinrichtung wird dabei angesteuert, um ein vorbestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen. Die Ansteuerung der Brenngaszuführeinrichtung erfolgt vorzugsweise durch Ansteuerung der Lambda-Ventileinrichtung.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird der momentane Verbrennungsluftstrom durch einen Verdichter, insbesondere einen Kompressor oder einen Verdichter eines Abgasturboladers, bereitgestellt. Vorzugsweise passiert der Verbrennungsluftstrom eine Luftfiltereinrichtung, bevor er in der Brenngaszuführeinrichtung mit Brenngas vermischt wird.
  • Das vorbestimmte Gas-Luft-Mischungsverhältnis liegt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel möglichst nahe an dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert.
  • Es ist also möglich, mittels existierender Kennfelder, insbesondere eines Kennfelds, das aufgespannt wird durch die momentan angeforderte Leistung der Brennkraftmaschine, den momentanen Verbrennungsluftstrom und einen momentanen Brennstoffverbrauch unter Berücksichtigung des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts auf einfache Art und Weise eine Vorsteuerung der Brenngaszuführung zu der Verbrennungsluft vorzunehmen. Es kann also insbesondere auf bereits etablierte Lösungen zur Steuerung der Brennstoffzufuhr für Brennkraftmaschinen zurückgegriffen werden, was den Kostenaufwand senkt.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brenngaszuführeinrichtung eingerichtet ist, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis konstant zu halten, insbesondere wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert.
  • Das Gas-Luft-Mischungsverhältnis kann auch bei starken Laständerungen, mithin bei einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zeitlich konstant gehalten werden. Insbesondere können auch spontane Änderungen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine realisiert werden, wobei gleichwohl die Bildung einer explosiven Atmosphäre in der Brennkraftmaschine vermieden wird.
  • Eine Konstanz des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses wird insbesondere durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung insbesondere mit der Venturi-Düse in Verbindung mit dem Nulldruckregler realisiert. Aufgrund des mit diesem Aufbau realisierten physikalischen Wirkprinzips wird, zumindest in einem bestimmten, insbesondere zusammenhängenden Größenbereich des Verbrennungsluftstroms ein konstantes, insbesondere durch die Lambda-Ventileinrichtung bestimmtes, Gas-Luft-Mischungsverhältnis stromabwärts der Venturi-Düse realisiert. Es ist also insbesondere möglich, unabhängig von der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine - zumindest in dem bestimmten Größenbereich des Verbrennungsluftstroms - ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis mit dieser Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung sicherzustellen.
  • Aufgrund der Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung ist es zudem vorzugsweise möglich, die Brennkraftmaschine sicher, insbesondere ohne eine explosive Atmosphäre des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu erzeugen, zu betreiben, auch wenn die Gemischsensoreinrichtung eine Totzeit aufweist.
  • Der Verbrennungsluftstromgrenzwert ist insbesondere ein Wert des Verbrennungsluftstroms, der in der Venturi-Düse auf Höhe des Abnahmerohrs zu einem Druck, insbesondere einem Unterdruck, führt, der ausreicht, um eine erforderliche Menge an Brenngas anzusaugen, sodass das Gas-Luft-Mischungsverhältnis stromabwärts der Venturi-Düse konstant bleibt. Insbesondere bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher gleich dem Verbrennungsluftstromgrenzwert oder unterhalb des Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt, ist mittels der Brenngaszuführeinrichtung möglicherweise kein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis mehr realisierbar.
  • Bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher insbesondere oberhalb des Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt, ist es bevorzugt ohne Verstellung der Lambda-Ventileinrichtung möglich, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis - insbesondere auch bei einem transienten Verbrennungsluftstrom - konstant zu halten.
  • Es ist dabei aber nicht ausgeschlossen, dass das Gas-Luft-Mischungsverhältnis durch Ansteuerung der Lambda-Ventileinrichtung insbesondere in Richtung eines verringerten Brenngasanteils beeinflusst wird, wenn bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine eintreten. Beispielsweise ist es möglich, bei Erreichen einer Klopfgrenze der Brennkraftmaschine das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines verringerten Brenngasanteils zu beeinflussen.
  • Es ist mittels der bevorzugten Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung mit der Venturi-Düse, dem Nulldruckregler und der Lambda-Ventileinrichtung auf technisch einfache Art und Weise möglich, innerhalb eines bestimmten zusammenhängenden Größenbereichs des Verbrennungsluftstroms ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis zu generieren.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Zweistoffbrennkraftmaschine ausgelegt ist. Die Brennkraftmaschine ist dabei eingerichtet zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas. Der Flüssigbrennstoff ist vorzugsweise ein Zündöl, insbesondere Diesel oder Dimethylether. Das Brenngas ist vorzugsweise ein methanhaltiges Gas, insbesondere Erdgas. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine in wenigstens einem Betriebszustand ausschließlich mit Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel betrieben wird. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine in einem niedrigen Leistungsbereich unterhalb einer ersten Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Leistungsbereich, der von 0 MW bis 1 MW Leistung beträgt, ausschließlich mit Flüssigbrennstoff betrieben.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine in einem mittleren Leistungsbereich oberhalb der ersten Leistungsgrenze und unterhalb einer zweiten Leistungsgrenze, die höher ist als die erste Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Bereich von 1 MW bis 2 MW, mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas, mithin in einem Zweistoffbetrieb, betrieben. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine in einem hohen Leistungsbereich oberhalb der zweiten Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Bereich von mehr als 2 MW, ausschließlich mit Flüssigbrennstoff betrieben.
  • Es ist mithin insbesondere in einem dem mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, welcher beispielsweise von 1 MW bis 2 MW beträgt, möglich, Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel zumindest teilweise durch Brenngas, insbesondere Erdgas, zu substituieren. Es ist damit möglich, die Kosten für Brennstoff zu senken, da typischerweise die auf eine bestimmte Energiemenge bezogenen Kosten für Diesel höher sind als für Erdgas.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine erste, durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Mehrzahl von Betriebspunkten einen zusammenhängenden Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine dar. Hierbei können insbesondere Betriebspunkte, welche einem niedrigeren Leistungsbereich entsprechen und/oder Betriebspunkte, welche einem höheren Leistungsbereich, insbesondere einem Volllast-Bereich, im Vergleich zu dem zusammenhängenden Kennfeldbereich entsprechen, ausgeschlossen werden. Bevorzugt entspricht die Mehrzahl von Betriebspunkten einem Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, welcher von 1 MW bis 2 MW Leistung beträgt. Die Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine kann vorzugsweise auch alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine umfassen.
  • Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, aus dem bereits angesprochenen Kennfeld ausgehend von der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine und dem momentanen, zur Verfügung stehenden Verbrennungsluftstrom eine erforderliche Energiemenge abzuleiten. Auf Basis einer maximal zulässigen Substitutionsrate für die Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas, welche sich insbesondere aus dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert ableitet, wird eine bestimmte, über die Brenngaszuführeinrichtung zuzuführende Menge an Brenngas ermittelt, die eine bestimmte Energiemenge aufweist. Die Brenngaszuführeinrichtung wird vorzugsweise angesteuert, um diese bestimmte Menge an Brenngas der Verbrennungsluft zuzuführen. Weiterhin wird ermittelt, welche Energiemenge zum Erreichen der erforderlichen Energiemenge im Vergleich zu der durch das Brenngas bereitgestellten Energiemenge fehlt. Insbesondere diese noch fehlende Energiemenge wird durch Flüssigbrennstoff eingebracht. Es ist somit vorzugsweise mittels der Steuereinrichtung möglich, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine eine unter Sicherheitsaspekten und Kostengesichtspunkten optimierte Verteilung der erforderlichen Energiemenge auf Flüssigbrennstoff und Brenngas zu realisieren.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, eine bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge auszugleichen. Der Ausgleich der fehlenden Energiemenge erfolgt bevorzugt durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge.
  • Das Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts kann beispielsweise daraus resultieren, dass die Luftfiltereinrichtung verschmutzt ist, wobei ein Verbrennungslufteintritt in die Verbrennungsluftleitung erschwert wird, und daher der Verbrennungsluftstrom insbesondere unterhalb des Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt. Weiterhin ist es möglich, dass, insbesondere bei einer qualitativen Gemischregelung der Brennkraftmaschine, ein bestimmter Lambda-Wert in einem Brennraum der Brennkraftmaschine einen Brennstoffanteil erfordert, welcher insbesondere gleich dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert oder oberhalb des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts liegt. In diesem Fall ist es möglich, den Anteil an Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, zu steigern, wobei der Anteil an Brenngas bezogen auf die Verbrennungsluft vorzugsweise unterhalb des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts gehalten wird. Bei einer quantitativen Mischregulierung der Brennkraftmaschine bleibt hingegen bei einem konstanten Gas-Luft-Mischungsverhältnis hinter der Brenngaszuführeinrichtung bevorzugt auch das Brennstoff-Verbrennungsluft-Mischungsverhältnis in einem Brennraum der Brennkraftmaschine konstant. Es ist somit in vorteilhafter Weise möglich, die Brennkraftmaschine sowohl mit einer qualitativen als auch mit einer quantitativen Gemischregelung sicher zu betreiben.
  • Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine erreicht oder überschritten wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist hierzu die Steuereinrichtung mit einer Antiklopfregeleinrichtung der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Es ist auch möglich, dass die die Lambda-Ventileinrichtung und/oder die Sicherheitsventileinrichtung mit der Antiklopfregeleinrichtung wirkverbunden ist/sind.
  • Die Substitutionsrate bei Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas wird insbesondere in einem oberen Leistungsbereich der Brennkraftmaschine durch den Klopfgrenzwert begrenzt, wohingegen die Substitutionsrate in einem unteren Leistungsbereich durch die untere Explosionsgrenze begrenzt wird. Der obere Leistungsbereich umfasst dabei eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine als der untere Leistungsbereich. Es wird also vorzugsweise sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine aufgrund einer Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas nicht in einen Klopfbereich gefahren wird, wodurch ein Schaden derselben drohen könnte.
  • Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
  • Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei - bevorzugt mittels einer Brenngaszuführeinrichtung - Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch gemischt werden. Es wird - bevorzugt mittels einer Gemischsensoreinrichtung - ein Ist-Mischungsverhältnisses des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs ermittelt. Vorzugsweise wird mittels einer Steuereinrichtung eine Brenngaszuführeinrichtung angesteuert. Es wird - vorzugsweise mittels der Brenngaszuführeinrichtung - ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch entspricht, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze. Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben. Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zuführung des Brenngases beendet wird, wenn das Ist-Mischungsverhältnis den zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Es ist somit sicher möglich, die Brennkraftmaschine mit einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu betreiben, welches nicht zu einer explosionsfähigen Atmosphäre, insbesondere in dem Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennkraftmaschine, führt.
  • Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens - insbesondere mittels der Steuereinrichtung - das vorbestimmte Gas-Luft-Mischungsverhältnis unter Berücksichtigung der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine, des momentanen Verbrennungsluftstroms in der Verbrennungsluftleitung, mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts eingestellt.
  • Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens das Gas-Luft-Mischungsverhältnis konstant gehalten, wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als der Verbrennungsluftstromgrenzwert.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise die Brennkraftmaschine als Zweistoffbrennkraftmaschine betrieben, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise mit Flüssigbrennstoff, insbesondere einem Zündöl wie Diesel oder Dimethylether, und mit Brenngas, insbesondere einem methanhaltigen Brenngas wie Erdgas, betrieben wird.
  • Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine erforderliche Energiemenge aufgeteilt auf eine erste, durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise die bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge ausgeglichen.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine erreicht oder überschritten wird.
  • Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit einer Brenngaszuführeinrichtung, einer Gemischsensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung.
  • Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Brenngaszuführeinrichtung 3, einer Gemischsensoreinrichtung 5 und einer Steuereinrichtung 6. Die Brenngaszuführeinrichtung 3 weist eine Venturi-Düse 7 und einen Nulldruckregler 9 auf. Weiterhin weist die Brenngaszuführeinrichtung 3 eine Lambda-Ventileinrichtung 11 und eine Sicherheitsventileinrichtung 13 auf. Die Sicherheitsventileinrichtung 13 ist hier in einer Brenngastrasse 15 angeordnet. Weiterhin ist eine erste Messeinrichtung 17 vorgesehen, welche eingerichtet ist, einen Brenngasvolumenstrom, eine Brenngastemperatur sowie einen Brenngasdruck zu ermitteln.
  • Die Mischung von Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch erfolgt vorzugsweise in der Brenngaszuführeinrichtung 3, insbesondere in der Venturi-Düse 7. Die Brennkraftmaschine 1 weist hier beispielhaft vier Brennräume 19 auf, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur ein Brennraum 19 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Das Brenngas wird in Richtung eines ersten Pfeils PB durch eine Brenngasleitung 21 in Richtung der Venturi-Düse 7 geführt.
  • Die Gemischsensoreinrichtung 5 ist vorzugsweise eingerichtet, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gemischsensoreinrichtung 5 ein UEG-Sensor oder ein Explosimeter. Die Gemischsensoreinrichtung 5 ist in einem Ansaugtrakt 23 der Brennkraftmaschine 1 stromabwärts der Venturi-Düse 7 und stromaufwärts der Brennräume 19 angeordnet.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung 3 ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 6 eingerichtet, die Lambda-Ventileinrichtung 11 und/oder die Sicherheitsventileinrichtung 13 anzusteuern, um das Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen. Es wird mithin erreicht, dass eine insbesondere verringerte Menge an Brenngas der Venturi-Düse 7 zugeführt wird. Insbesondere wird vorzugsweise sichergestellt, dass insbesondere in dem Ansaugtrakt 23 und/oder in dem den Brennräumen 19 zugeordneten Ansaugbereich und/oder Abgastrakt keine explosionsfähige Atmosphäre entsteht. Vorzugsweise beträgt der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert 85 % der Brenngaskonzentration, welche einer unteren Explosionsgrenze entspricht.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Lambda-Wert, mithin das Massenverhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas, hinter der Venturi-Düse 7 und vor den Brennräumen 19, welcher als sicherer Wert für die untere Explosionsgrenze gesetzt wird, 2,45. Der Lambda-Wert, welcher der wirklichen unteren Explosionsgrenze entspricht, liegt bevorzugt bei 2,25. In diesem Fall ist somit ein Sicherheitsaufschlag von 0,2 auf den Lambda-Wert der unteren Explosionsgrenze gegeben.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung 3 die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Vorzugsweise beträgt der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert 88 % der Brenngaskonzentration, welche bei der unteren Explosionsgrenze des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs vorliegt. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung 6 hierbei die Sicherheitsventileinrichtung 13 der Brenngaszuführeinrichtung 3 an. Diese ist vorzugsweise als Doppelmagnetventil ausgebildet, welches eingerichtet ist zum Freigeben und Schließen der Brenngaszufuhr in der Brenngasleitung 21.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, um die Brenngaszuführeinrichtung 3 unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine 1, eines momentanen Verbrennungsluftstroms in einer Verbrennungsluftleitung 25, mit welcher die BrenngasZuführeinrichtung 3, insbesondere die Venturi-Düse 7, fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts für das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch anzusteuern, um ein vorbestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen. Der Verbrennungsluftstrom wird vorzugsweise in Richtung eines zweiten Pfeils PV durch die Verbrennungsluftleitung 25 von einer Luftfiltereinrichtung 27 in Richtung der Venturi-Düse 7 geführt. Vorzugsweise wird der Verbrennungsluftstrom durch einen Verdichter, welcher hier nicht dargestellt ist, bereitgestellt. In der Verbrennungsluftleitung 25 ist bevorzugt eine - hier nicht dargestellte - zweite Messeinrichtung vorgesehen, welche insbesondere eingerichtet ist, einen Verbrennungsluftvolumenstrom, eine Verbrennungsluftstromtemperatur, sowie einen Verbrennungsluftstromdruck zu messen.
  • Zur Einstellung eines vorbestimmten Gas-Luft-Mischungsverhältnisses wird mittels der Steuereinrichtung 6 die Lambda-Ventileinrichtung 11, welche ein Teil der Brenngaszuführeinrichtung 3 ist, angesteuert. Das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch wird ausgehend von der Venturi-Düse 7 über die Brenngas-Verbrennungsluft-Leitung 29 in Richtung der Brennräume 19 geführt.
  • Die Brenngaszuführeinrichtung 3 ist vorzugsweise eingerichtet, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis konstant zu halten, wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert. Bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert, ist es insbesondere möglich, mittels der Venturi-Düse 7, dem Nulldruckregler 9 und der Lambda-Ventileinrichtung 11 eine bestimmte Menge an Brenngas in der Venturi-Düse 7 dem Verbrennungsluftstrom zuzuführen, wobei der Massenstrom des Brenngases proportional zum Massenstrom der Verbrennungsluft in der Venturi-Düse 7 ist.
  • Die Zuführung des Brenngases in die Venturi-Düse 7 erfolgt über ein Abnahmerohr 31. Insbesondere mittels einer Referenzwertabnahmeeinrichtung 33 ist es möglich, dass durch den Nulldruckregler 9 in der Brenngasleitung 21 vor der Venturi-Düse 7, insbesondere im Abnahmerohr 31, ein statischer Druck des Brenngases eingestellt wird, welcher einem statischen Druck der Verbrennungsluft stromaufwärts der Venturi-Düse 7 in der Verbrennungsluftleitung 25 in einem Bereich 35 der Verbrennungsluftleitung 25 entspricht.
  • Durch Festlegen des Verbrennungsluftstromgrenzwerts wird vorzugsweise sichergestellt, dass in der Venturi-Düse 7, insbesondere im Bereich des Abnahmerohrs 31, ein statischer Druck des Verbrennungsluftstroms, im Sinne eines Unterdrucks, ausreicht, um eine solche Brenngasmenge anzusaugen, dass stromabwärts der Venturi-Düse 7 in der Brenngas-Verbrennungsluft-Leitung 29 ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis erzeugt wird.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Zweistoff-Brennkraftmaschine ausgelegt. Dabei ist die Brennkraftmaschine 1 vorzugsweise eingerichtet zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, und mit Brenngas, insbesondere Erdgas. Der Flüssigbrennstoff wird bevorzugt insbesondere über in den Brennräumen 19 angeordnete Injektoren zugeführt. Insbesondere fungiert der Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, als Zündmittel für ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch in den Brennräumen 19.
  • Die Brennräume 19 können hier über Flüssigbrennstoffleitungen 37 und 37' mit Flüssigbrennstoff versorgt werden, wobei der Flüssigbrennstoff in Richtung dritter Pfeile PF geführt wird. Über eine Abgasleitung 39, in welcher vorzugsweise ein Katalysator 41 sowie Temperaturmesseinrichtungen und/oder Körperschallmesseinrichtungen 43 angeordnet sind, wird Abgas aus den Brennräumen 19 an die Umgebung abgegeben. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur eine Abgasleitung 39, ein Katalysator 41 und eine Temperaturmesseinrichtung und/oder Körperschallmesseinrichtung 43 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Führung des Abgases durch die Abgasleitung 39 erfolgt in Richtung eines vierten Pfeils PA, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur ein solcher Pfeil mit einem Bezugszeichen versehen ist.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine 1 erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine durch Brenngas eingebrachte Energiemenge. Die durch Brenngas eingebrachte Energiemenge ergibt sich vorzugsweise aus der Brenngasmenge, die über die Brenngas-Verbrennungsluft-Leitung 29 den Brennräumen 19 zugeführt wird. Die durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge ergibt sich vorzugsweise aus einer Menge an Flüssigbrennstoff, die insbesondere über die Injektoren in die Brennräume 19 eingebracht wird.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, eine bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine 1 aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge auszugleichen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 6 eingerichtet, die durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und die durch Brenngas eingebrachte Energiemenge separat zu steuern.
  • Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung 3 das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine 1 erreicht oder überschritten wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine Antiklopfregeleinrichtung auf, welche in der Figur nicht dargestellt ist. Die Substitutionsrate von Flüssigbrennstoff durch Brenngas wird insbesondere in einem oberen Leistungsbereich durch den Klopfgrenzwert limitiert. In einem unteren Leistungsbereich wird die Substitutionsrate durch die untere Explosionsgrenze des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs, vorzugsweise den ersten und/oder zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert, limitiert. Die Brennkraftmaschine 1 weist in dem oberen Leistungsbereich eine höhere Leistung auf als in dem unteren Leistungsbereich.
  • Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 1 mit einem Generator 45 wirkverbunden. Die Brennkraftmaschine erzeugt insbesondere mechanische Leistung, welche von dem Generator 45 insbesondere in elektrische Leistung umgewandelt wird.
  • Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Brennkraftmaschine 1 und dem Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine 1 sichergestellt werden kann, dass keine explosive Atmosphäre, insbesondere im Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennräume 19 der Brennkraftmaschine 1 entstehen kann. Es kann sichergestellt werden, dass insbesondere im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise aufgrund spontaner Laständerungen, in einem bestimmten Betriebszustandsbereich der Brennkraftmaschine 1 das Gas-Luft-Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft konstant gehalten werden kann. Die Brennkraftmaschine 1 kann damit in vorteilhafter Weise optimiert betrieben werden, da die Substitutionsrate bei Substitution von Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, durch Brenngas, insbesondere Erdgas, möglichst nahe an dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert liegen kann. Damit ist ein sicherer Betrieb möglichst nahe an der unteren Explosionsgrenze des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs möglich. Auf diese Weise können insbesondere Kosteneinsparungen realisiert werden, indem Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, durch kostengünstigeres Brenngas, insbesondere Erdgas, substituiert wird.

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine (1), mit einer Brenngaszuführeinrichtung (3), einer Gemischsensoreinrichtung (5) und einer Steuereinrichtung (6), wobei - die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen, wobei - die Gemischsensoreinrichtung (5) eingerichtet ist, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln, wobei - die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet, und wobei - der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch entspricht, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze.
  2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
  3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1), eines momentanen Verbrennungsluftstroms in einer Verbrennungsluftleitung (25), mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung (3) fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts die Brenngaszuführeinrichtung (3) anzusteuern, um ein vorbestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen.
  4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis konstant zu halten, insbesondere wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert.
  5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Zweistoff-Brennkraftmaschine ausgelegt ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) eingerichtet ist zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas.
  6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (1) eine zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1) erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine erste, durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
  7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, eine bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1) aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge auszugleichen.
  8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine (1) erreicht oder überschritten wird.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei - Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch gemischt werden, wobei - ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs ermittelt wird, wobei - das Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst wird, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet, und wobei - der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch entspricht, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrung des Brenngases beendet wird, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
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