DE102017100976A1

DE102017100976A1 - Verfahren und Vorrichtung für den Betrieb von Gasmotoren in der Startphase

Info

Publication number: DE102017100976A1
Application number: DE102017100976.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Geisberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: DE102017100976B4

Abstract

Der Ansaugkrümmer (38) des Gasmotors (10) ist über einen Gasmischer (32) mit einer Frischluftleitung und einer an eine Gasleitung (18) angeschlossen, als Betriebsregelstrecke wirkenden Hauptleitung (24) verbunden. Von der Betriebsregelstrecke (24) zweigt eine dazu parallele Bypass-Regelstrecke (28) mit einem Kompressor (46) ab, von der in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor (46) und einer nachgeordneten Absperreinrichtung (50) von einem Verteilerkanal (52) Gaszuführleitungen (54) abzweigen, die unmittelbar in den Ansaugkanälen (56) der einzelnen Zylinder des Gasmotors (10) münden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für den Betrieb von Gasmotoren in der Startphase nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5.
Für den Betrieb eines Gasmotors ist es bekannt, durch eine Gasleitung gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Biogas, Holzgas, Grubengas, Erdgas oder Propan, nachstehend als Gas bezeichnet, nach der Durchmischung mit Frischluft dem Ansaugorgan (Ansaugkrümmer) des Motors zuzuführen. Die Verbrennung in den Zylindern des Motors erfolgt nach dem Ottoverfahren. Der Gasvolumenstrom wird auf einen Sollwert des Restsauerstoffgehaltes des Abgases, der über eine Lambdasonde gemessen wird, durch Drosselung geregelt. In dem Gasmischer wird das zugeführte Gas mit Frischluft gemischt, so dass beim Betrieb des Motors ein optimales Gasgemisch bereitgestellt wird. Dies führt im Allgemeinen zu einem störungsfreien Verbrennungsprozess in den Zylindern des Gasmotors. Dies gilt vor allem dann, wenn der Startvorgang des Gasmotors abgeschlossen ist, da dann am Gasmischer entsprechende Massenströme aus Gas und Luft vorhanden sind.
Allerdings erweist sich der Startvorgang des Gasmotors als schwierig, weil beim Starten mit Anlasser nur eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl von etwa 150 U/min erreicht werden kann, so dass das Mischungsverhältnis Luft/Gas schwierig einzustellen ist. Durch die Eigenheiten der Initialzündung muss die Genauigkeit des Mischverhältnisses zwischen Luft und Brenngas hier überdies besonders präzise sein.
Der Abstract zu CN 102374074 A offenbart die Verwendung einer Bypass-Regelstrecke zum Starten eines Gasmotors. Diese zweigt vor einem Gasregelventil von der Luftzuführleitung ab und mündet hinter dem Gasregelventil und vor einem Gasmischer wieder in die Luftzuführleitung.
Gegenstand der DE 10 2008 019 225 A1 ist ein Verfahren zum Kaltstart eines Gasmotors, bei dem für den Startvorgang ein Hilfskraftstoff eingespritzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Betrieb eines Gasmotors in der Startphase zur Verfügung zu stellen, die so konzipiert sind, dass dem Gasmotor die jeweils drehzahlabhängige Gasmenge zugeführt wird, um ein ruhiges und störungsfreies Hochfahren des Motors zu gewährleisten.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5. Daraus ergibt sich, dass parallel zu der Hauptleitung, die als Betriebsregelstrecke wirkt und die über einen Gemischregler den Gasmischer versorgt, in dem das Gas mit Frischluft entsprechend dem optimalen Lamdawert gemischt wird, eine Bypass-Regelstrecke abzweigt, die über einen Kompressor in einen Verteilerkanal mündet, von dem für jeden Zylinder des Motors individuelle Gaszuführleitungen abzweigen. Diese haben in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung für jeden Zylinder unterschiedliche Eindüsungsquerschnitte.
Das Startverhalten des Gasmotors kann auf diese Weise entscheidend verbessert werden, da der Motor in dieser Phase nicht über den Gasmischer und den Ansaugkrümmer mit einem Gemisch versorgt wird, sondern jeder einzelne Zylinder durch den Kompressor der Bypass-Regelstrecke nur mit Gas versorgt wird. Das Gas wird in dieser Phase direkt in den Ansaugkanal jedes einzelnen Zylinders geblasen und mit der hier vorhandenen Luft vermischt. Die Gemischbildung erfolgt direkt vor jedem einzelnen Zylinder im Ansaugkanal. Um die für den optimalen Verbrennungsvorgang notwendige Gasmenge bereitzustellen, wird hierbei die Drehzahl des Gasmotors gemessen und über einen Rechner die analog dazu notwendige Drehzahl des Verdichters ermittelt. Um die Drehzahl des Kompressors exakt zu steuern, kann alternativ auch die Luftmenge als Messgröße herangezogen werden. Der Rechner addiert hierzu eine Grunddrehzahl, die für einen Vordruck sorgt. Die so ermittelte Solldrehzahl wird über einen Frequenzumrichter an den Antriebsmotor des Kompressors weitergegeben. Passend zur Drehzahl des Gasmotors hat auf diese Weise der Verdichter immer eine entsprechende Drehzahl, wodurch eine drehzahlspezifische Gasmenge zugeführt wird.
Nachdem der Gasmotor durch den Anlasser angedreht wurde und die Absperreinrichtung für einen gewissen Zeitraum (wenige Sekunden) geöffnet war, schließt diese noch einmal kurz (zwischen 100 ms und 1000 ms). In diesem Zeitraum fällt der relative Gasanteil im Hubraum des Gasmotors und dem sich davor befindlichen Ansaugkanal ab. Auf diese Weise wird der gesamte Bereich von dem für die Initialzündung zu fetten bis zu einem sehr mageren Luft-Gasgemisch durchfahren. Dabei wird das ideale Mischungsverhältnis für die Zündung erreicht, wobei die Initialzündung, die den Motor aus dem niedrigen Drehzahlbereich herausfährt, stattfindet. Nach diesem kurzen Schließen öffnet die Absperreinrichtung wieder und der Motor wird über die Bypass-Regelstrecke mit dem drehzahlabhängigen Gasvolumenstrom versorgt. Auf diese Weise wird der Gasmotor störungsfrei aus der Startphase auf seine Nenndrehzahl hochgefahren.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Diese zeigt ein mögliches Schaltbild für die Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren.
Ein nach dem Ottoverfahren arbeitender Gasmotor 10, dessen hier insgesamt sechs Zylinder von einer Gasleitung 18 mit gasförmigem Brennstoff B versorgt werden, treibt über eine Welle 14 einen Generator 16 an. Die speisende Gasleitung 18 führt über einen Verdichter 20, einen Gasfilter 22 und einen Differenzdruckregler 36 zu einer Hauptleitung 24, von der im Punkt 26 eine Bypass-Regelstrecke 28 abzweigt.
Die Hauptleitung 24, die als Betriebsregelstrecke wirkt, führt über zwei Hauptventile 30 zu einem Gasmischer 32, vor dem sich in der Hauptleitung 24 ein Gemischregler 34 mit einer nicht weiter dargestellten Lambdasonde befindet.
In der Betriebsphase strömt über die geöffneten Hauptventile 30 Gas in den Gasmischer 32, in dem es mit der von einem Luftfilter 40 angesaugten Frischluft L gemischt wird. Das Gemisch gelangt über einen Abgas-Turbolader 60, einen Kühler 62 und eine Drosselklappe 64 für die Leistungsregelung in einen Ansaugkrümmer 38 des Motors 10. Gasmischer 32, Turbolader 60, Kühler 62 und Drosselklappe 64 bilden einen Ansaugtrakt 58, durch den in der Startphase, d. h. bei geschlossenen Hauptventilen 30 nur Luft zum Ansaugkrümmer 38 gelangt. Von diesem zweigt zu jedem Zylinder des Motors 10 ein Ansaugkanal 56 ab, in den eine dünne Gaszuführleitung 54 mündet, die in der Startphase, d. h. bei geöffneter Absperreinrichtung 50 von einem gemeinsamen Verteilerkanal 52 mit Gas versorgt wird.
Die von der Abzweigung 26 ausgehende Bypass-Regelstrecke 28 ist ferner mit wenigstens einem Absperrventil 42 (Bypass-Ventil) ausgerüstet, so dass entweder die Bypass-Regelstrecke 28 oder die Betriebsregelstrecke (Hauptleitung) 24 geöffnet oder geschlossen ist.
Hinter den Ventilen 30 und 42 befindet sich jeweils eine Flammenrückschlagsicherung 44.
In Strömungsrichtung hinter der Flammenrückschlagsicherung 44 ist in die Bypass-Regelstrecke 28 ein Kompressor 46 geschaltet, dessen Ausgangsleitung 48 über die Absperreinrichtung 50 in den Verteilerkanal 52 führt. Von diesem zweigen, wie erwähnt, zu jedem Zylinder des Gasmotors 10 die Gaszuführleitungen 54 ab. Der Kompressor 46 kann als Rootsgebläse oder auch als Kolbenkompressor oder Seitenkanalverdichter ausgebildet sein.
Zum Starten des Gasmotors 10 mittels eines Anlassers 66, der nur eine Drehzahl von etwa 150 U/min erreicht, bleiben die Hauptventile 30 geschlossen, während die Bypass-Ventile 42 geöffnet sind, so dass der Motor 10 über die Bypass-Regelstrecke 28 anfährt. Dabei wird die Drehzahl des Kompressors 46 entsprechend der Drehzahl der Motorwelle 14 über einen Regler 68 eingestellt, so dass der Kompressor 46 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors 10 immer die entsprechende Gasmenge erhält, die jeder einzelne Zylinder über die individuellen Gaszuführleitungen 54 erhält. Die Gaszuführleitungen 54 sind unterschiedlich dimensioniert, um trotz verschiedener Druckverhältnisse aufgrund längerer Leitungen und maschinentechnischer Eigenheiten die Eingasung eines an allen Zylindern gleich großen Volumenstroms zu gewährleisten.
Schon bevor die Zündanlage des Motors 10 den Verbrennungsprozess einleitet, liefert der Kompressor 46 bei einer Mindestdrehzahl einen Vordruck.
Nachdem der Gasmotor 10 durch den Anlasser 60 angedreht wurde und die Absperreinrichtung 50 für einen gewissen Zeitraum von wenigen Sekunden geöffnet hatte, schließt diese noch einmal kurz (zwischen 100 ms und 1000 ms). In diesem Zeitraum fällt der relative Gasanteil im Hubraum des Motors 10 und der sich davor befindlichen, kurzen Abzweigungen (Gaszuführleitungen 54) während des durch die pneumatische Absperrklappe der Absperreinrichtung 50 relativ sanften Schließens ab. Auf diese Weise wird der gesamte Gasbereich von einem für die Initialzündung zu fetten bis zu einem sehr mageren Luft-Gas-Gemisch durchfahren. Dabei wird definitiv das ideale Mischungsverhältnis für die Zündung erreicht und die Initialzündung, die den Motor 10 aus dem niedrigen Drehzahlbereich heraushebt, findet statt. Nach diesem kurzen Schließen öffnet die Absperreinrichtung 50 und der Motor 10 wird wieder durch die Bypass-Regelstrecke 28 mit dem drehzahlabhängigen Gasvolumenstrom versorgt. Somit werden ein einwandfreies Starten und ein störungsfreies Hochfahren des Motors gewährleistet.
Sobald der Motor 10 nach der Initialzündung auf eine einstellbare Drehzahl von etwa 1.200 bis 1.500 U/min gebracht wurde, beginnt eine Übergangsphase von etwa 1.500 msec, in der alle Ventile 30 und 42 geöffnet sind. Damit sind die Hauptleitung 24 und die Bypassleitung 28 geöffnet, so dass auch über die Hauptleitung 24 Gas zum Mischer 32 nachströmen kann, wodurch ein nahtloser Übergang ohne Drehzahlabfall des Motors 10 ermöglicht wird. Nach dieser Übergangsphase wird über die Bypass-Ventile 42 die Bypass-Regelstrecke 28 abgeschaltet, während die Hauptventile 30 der Betriebsregelstrecke (Hauptleitung 24) offen bleiben, so dass der Ansaugkrümmer 38 des Motors 10 über den zentralen Ansaugtrakt 58 das von dem Gasmischer 32 zugeführte Gas-Luftgemisch erhält.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 102374074 A [0004]
DE 102008019225 A1 [0005]

Claims

Verfahren für den Betrieb eines Gasmotors in der Startphase, dem von einer Gasleitung (18) gasförmiger Brennstoff (Gas B) zugeführt wird, der durch eine Hauptleitung (24), die als Betriebsregelstrecke wirkt, einem Gasmischer (32) zugeführt wird, in dem das Gas (B) mit Frischluft (L) gemischt und das mittels einer Lambdasonde geregelte Gemisch einem Ansaugkrümmer (38) des Gasmotors (10) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Betriebsregelstrecke (24) eine den Startvorgang regelnde Bypass-Regelstrecke (28) mit einem Kompressor (46) abzweigt, von der während des Startvorgangs das Gas (B) hinter einer geöffneten Absperreinrichtung (50) bei geschlossener Hauptleitung (24) in jeden einzelnen Zylinder des Gasmotors (10) unter Zufuhr von Frischluft aus einem Ansaugtrakt (58) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Kompressors (46) die Drehzahl des Gasmotors (10) gemessen und analog dazu die für eine optimale Verbrennung notwendige Drehzahl des Kompressors (46) errechnet und eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der Nenndrehzahl des Gasmotors (10) die Bypass-Regelstrecke (28) abgeschaltet wird, so dass der Motor (10) über die Betriebsregelstrecke (24) mit dem Gemisch versorgt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Starten des Gasmotors (10) bei einer vorbestimmten Anlasserdrehzahl die Absperreinrichtung (50) für eine kurze Zeitspanne geschlossen wird derart, dass der Gasmotor (10) einen Bereich mit einem zunächst fetten bis zu einem abschließend mageren Gemisch durchfährt und nach erneutem Öffnen der Absperrvorrichtung (50) mit einem für das Hochfahren ausreichenden Idealgemisch auf seine Nenndrehzahl hochfährt.
Vorrichtung für den Betrieb eines Gasmotors in der Startphase, dessen Ansaugkrümmer (38) Teil eines Ansaugtraktes (58) ist, der über einen Gasmischer (32) mit einer Frischluftleitung und einer an eine Gasleitung (18) angeschlossenen, als Betriebsregelstrecke wirkenden Hauptleitung (24) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass von der Betriebsregelstrecke (24) eine Bypass-Regelstrecke (28) mit einem Kompressor (46) abzweigt, von der in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor (46) und einer nachgeordneten Absperreinrichtung (50) von einem Verteilerkanal (52) Gaszuführleitungen (54) abzweigen, die mit dem Ansaugkrümmer (38) über Ansaugkanäle (56) verbunden sind, welche unmittelbar in jeden einzelnen Zylinder des Gasmotors (10) münden, wobei sowohl die Betriebsregelstrecke (24) als auch die Bypass-Regelstrecke (28) hinter ihrer Abzweigung (26) jeweils wenigstens ein Absperrventil (30; 42) haben.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypass-Regelstrecke (28) der Absperreinrichtung (50) ein Kompressor (46) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführleitungen (54) für jeden Zylinder unterschiedliche Eindüsungsquerschnitte haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (46) zu seiner Drehzahlregelung an ein Messgerät (68) zur Ermittlung der Drehzahl des Gasmotors (10) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (46) aus einem Rootsgebläse, einem Seitenkanalverdichter oder einem Kolbenkompressor besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gasmischer (32) in die Betriebsregelstrecke (24) ein mit einer Lambdasonde verbundener Gemischregler (34) eingesetzt ist.