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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Im Zuge des stetigen Ausbaus der erneuerbaren Energien werden vermehrt Überkapazitäten an elektrischer Energie in chemische Energie umgewandelt, wobei mittels elektrischer Leistung chemische Reaktionen bewirkt werden, an deren Ende gasförmige Brennstoffe stehen, also Brenngase, die leicht speicherbar sind und deren Energiegehalt in einfacher und für sich genommen bekannter Weise wieder freigesetzt werden kann. Mittels Elektrolyse ist dabei insbesondere Wasserstoff erzeugbar, der einerseits mittels insbesondere als Industrie-Nebenprodukt anfallendem Kohlendioxid zu Methan umgesetzt werden kann, andererseits aber auch direkt weiterverwendbar ist. Insbesondere wird über eine vermehrte Einspeisung von Wasserstoff in das als Speicher mit großer Speicherkapazität zur Verfügung stehende, bestehende Erdgasnetz nachgedacht. Somit ist in Zukunft zu erwarten, dass ein Wasserstoffgehalt in dem aus dem Erdgasnetz verfügbaren Erdgas im Vergleich zum gegenwärtigen Stand erhöht sein und darüber hinaus voraussichtlich Schwankungen unterliegen wird. Somit wird aber zugleich auch eine Reaktivität des aus dem Erdgasnetz entnehmbaren Brenngases schwanken, insbesondere da Wasserstoff eine sehr viel höhere Reaktivität aufweist als Methan als Hauptbestandteil des herkömmlichen Erdgases. Weiterhin ist zu erwarten, dass das Spektrum verfügbarer und in Brennkraftmaschinen als Brennstoff nutzbarer Brenngase in Zukunft eher zu- als abnimmt. Solche Brenngase haben dabei generell ein weites Spektrum hinsichtlich ihrer Reaktivität, was nicht nur, aber ganz besonders an dem sehr verschiedenen Wasserstoffgehalt der verschiedenen Brenngase liegt. Insbesondere wasserstoffhaltige Brenngase wie Holzgase, Synthesegase oder wasserstoffhaltige Chemieprozessgase übertreffen dabei die Reaktivität von herkömmlichem Erdgas um ein Vielfaches.
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Es stellt somit eine Herausforderung für die Zukunft dar, Brennkraftmaschinen bereitzustellen, die in der Lage sind, mit einer Vielfalt möglicher Brenngase effizient zu arbeiten. Heutige Ottomotoren werden typischerweise bei einem Verbrennungsluftverhältnis (Lambdawert) von 1 betrieben, um insbesondere eine effektive Abgasnachbehandlung zu ermöglichen. Dabei wird eine Abgasrückführung typischerweise eingesetzt, um bei dem Verbrennungsluftverhältnis von 1 die Abgasqualität zu verbessern, ohne das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch abmagern zu müssen. Dies kann wiederum genutzt werden, um die Verdichtung zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu steigern.
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Diese Vorgehensweise findet allerdings ihre Grenze dort, wo Brenngase mit sehr hoher Reaktivität und somit bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 hoher laminarer Flammengeschwindigkeit verwendet werden sollen, da hier rasch die Klopfgrenze erreicht ist und insoweit zum einen eine ineffiziente Verbrennung und zum anderen eine Beschädigung der Brennkraftmaschine droht. Es ist dann nötig, das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch teilweise sehr stark abzumagern, beispielsweise im Falle von Holzgas bis auf einen Lambdawert von größer als 2, wodurch wiederum aber die Leistung der so betriebenen Brennkraftmaschine sinkt, wenn es nicht gelingt, über eine massive Aufladung eine sehr hohe Gemischmasse in Brennräume der Brennkraftmaschine zu fördern. Dies stellt allerdings sehr hohe Ansprüche an die Aufladung und ist teilweise mit herkömmlichen Abgasturboladern nicht einmal möglich, da eine äußerst magere Verbrennung eine zu geringe thermische Leistung im Abgasstrom bereitstellt, um einen Verdichter des Abgasturboladers hinreichend antreiben zu können. Letztlich limitiert in diesem Fall die zur Verfügung stehende Aufladung die Verwendbarkeit der verschiedenen Brenngase.
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Generell werden Brennkraftmaschinen typischerweise auf den Betrieb mit einem bestimmten Brennstoff abgestimmt, insbesondere mit Blick auf ein Verdichtungsverhältnis im Brennraum und eine Qualität der Aufladung. Werden in einer so abgestimmten Brennkraftmaschine Brenngase verwendet, die eine höhere Reaktivität als der bestimmte Brennstoff aufweisen, für welchen die Brennkraftmaschine abgestimmt ist, ist dies zwar grundsätzlich insbesondere durch Abmagerung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs möglich, jedoch mit hohen Leistungsverlusten für die Brennkraftmaschine verbunden. Insbesondere die Verdichtung und die Aufladung sind dabei mit nur wenig Spielraum für Abweichungen punktgenau auf den bestimmten Brennstoff ausgelegt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zur Verbrennung in dem Brennraum zugeführt wird, wobei wenigstens ein für eine Reaktivität des Brenngases charakteristischer Gasparameter erfasst wird. Abgas aus der Verbrennung in dem Brennraum wird mittels einer steuerbaren oder regelbaren Abgasrückführung in dem Brennraum gehalten oder in den Brennraum zurückgeführt, und eine Abgasrückführrate für die Abgasrückführung wird in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter eingestellt. Im Gegensatz zu dem bekannten Betrieb von insbesondere ottomotorisch betriebenen Brenngasmotoren wird hier also die Abgasrückführung jedenfalls nicht primär dazu verwendet, eine möglichst effektive Abgasnachbehandlung zu verwirklichen, sondern vielmehr dazu, den Betrieb der Brennkraftmaschine an die Reaktivität des verwendeten Brenngases anzupassen. Durch eine Erhöhung der Abgasrückführrate, also einer Steigerung der rückgeführten Abgasmasse im Verhältnis zur Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch-Masse, kann nämlich die Wärmekapazität der insgesamt in den Brennraum eingebrachten Gasmasse deutlich erhöht werden. Dies liegt insbesondere daran, dass das Abgas einen hohen Anteil an Kohlendioxid aufweist, welches als 3-atomiges Gas eine sehr hohe Wärmekapazität hat. Zugleich mit der dadurch deutlichen Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität wird auch der Sauerstoffpartialdruck im Brennraum erniedrigt, was den Verlauf der Verbrennungsreaktion weiter dämpft. Somit kann insbesondere die laminare Flammengeschwindigkeit im Brennraum herabgesetzt werden, ohne dass es hierzu einer Abmagerung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs bedarf, was wiederum dazu führt, dass bei gleicher Leistung der Brennkraftmaschine und insbesondere gleicher absoluter Brenngasmasse, die in den Brennraum eingebracht wird, eine verringerte Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischmasse in den Brennraum gefördert werden muss als bei stärker abgemagertem Betrieb, sodass ein Gemischvolumenstrom und damit Strömungsverluste reduziert werden können. Es bedarf dann auch selbst zur Verwendung sehr reaktiver Brenngase keiner übermäßig gesteigerten Aufladung mehr, sodass letztlich die Aufladung auch nicht mehr limitierend für die Verwendung bestimmter Brenngase ist. Durch intelligente Nutzung der Abgasrückführung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter ist es also möglich, die Brennkraftmaschine mit verschiedenen, auch sehr reaktiven Brenngasen zu betreiben, ohne dass es zu einer Herabsetzung von deren Leistung kommt, und ohne dass die Aufladung limitierend wird. Somit kann mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens ein Vielgasmotor bereitgestellt werden, der in der Lage ist, sich auf den Betrieb mit verschiedensten Brenngasen anzupassen und verschiedenste Brenngase, auch mit stark variierender Reaktivität, als Brennstoff verwenden zu können.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine in Hinblick auf ihren Betrieb auf ein spezifisches Brenngas abgestimmt ist, wobei ihre Betriebsweise auf andere Brenngase angepasst wird, indem die Abgasrückführrate entsprechend in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter eingestellt wird.
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Unter einem Brenngas wird insbesondere ein Brennstoff verstanden, der unter Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist, insbesondere also ein brennbares Gas. Unter einem Brenngas wird auch ein Gasgemisch verstanden, mithin ein Gemisch aus einer Mehrzahl von Gasen, insbesondere auch ein Gemisch aus einer Mehrzahl von Brenngasen. In dem Gasgemisch können allerdings auch nichtbrennbare Gase enthalten sein. Insoweit ist lediglich erforderlich, dass das Brenngas zumindest ein brennbares Gas aufweist.
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Unter einer Reaktivität des Brenngases wird hier insbesondere eine Größe verstanden, die darüber Auskunft gibt, wie schnell eine Verbrennung des Brenngases in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine unter vorgegebenen Bedingungen abläuft. Dabei kann beispielsweise eine dem Brisanzwert nach Kast für Explosivstoffe entsprechende Größe zur Anwendung kommen, die beispielsweise als Produkt aus einer Dichte, einer spezifischen Energie und einer Verbrennungsgeschwindigkeit definiert ist. Besonders bevorzugt wird die Reaktivität des Brenngases allerdings durch die laminare Flammengeschwindigkeit bei vorbestimmtem Verbrennungsluftverhältnis, also Lambdawert, bestimmt. Beispielsweise kann die Reaktivität verschiedener Brenngase miteinander verglichen werden, indem die laminaren Flammengeschwindigkeiten bei vorbestimmtem Lambdawert, insbesondere bei einem Lambdawert von 1, angegeben werden. Als Maß für die Reaktivität kann aber auch eine Aktivierungsenergie des Brenngases oder - sofern das Brenngas eine Mehrzahl von brennbaren Gasen aufweist und/oder eine Mehrzahl von Verbrennungsreaktionen an der Umsetzung des Brenngases beteiligt sind - eine mittlere Aktivierungsenergie als über alle Aktivierungsenergien der möglichen Verbrennungspfade gemittelte Aktivierungsenergie, oder eine Aktivierungsenergie für einen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt zur Anwendung kommen.
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Die Abgasrückführung kann als interne Abgasrückführung, insbesondere durch geeignete Ansteuerung wenigstens eines Gaswechselventils, insbesondere Einlass- und/oder wenigstens eines Auslassventils, oder als externe Abgasrückführung, insbesondere als HochdruckAbgasrückführung oder als Niederdruck-Abgasrückführung, durchgeführt werden. Die Abgasrückführung ist insbesondere bezüglich der Abgasrückführrate steuer- oder regelbar, insbesondere durch geeignete Ansteuerung von wenigstens einem dem Brennraum zugeordneten Gaswechselventil - im Fall einer internen Abgasrückführung -, oder von wenigstens einem Abgasrückführventil, insbesondere einer Abgasrückführklappe im Abgasrückführpfad einer externen Abgasrückführung.
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Unter einer Abgasrückführrate wird insbesondere das Verhältnis der rückgeführten Abgasmasse zur dem Brennraum insgesamt zugeführten Gasmasse verstanden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass als Brenngas ein Gas verwendet wird, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Methan, einem methanhaltigen Gasgemisch, Wasserstoff, einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch, Erdgas, Biogas, Kokereigas, Synthesegas, Schwachgas, Pyrolysegas, Holzgas, einem Erdölbegleitgas, Deponiegas, Klärgas, Minengas, einem Prozessgas aus der chemischen Industrie, einem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie entstandenen Gas, und einem Gemisch aus wenigstens zwei der genannten Gase. Diese Gase unterscheiden sich teilweise erheblich mit Blick auf ihre Reaktivität, insbesondere durch einen sehr verschiedenen Wasserstoffgehalt. Alle diese Gase werden aber im Rahmen der fortschreitenden Energiewende und im Rahmen der Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels mit Blick auf den Betrieb von Brennkraftmaschinen zunehmende Relevanz erfahren, wobei es vorteilhaft ist, eine Brennkraftmaschine wahlweise mit jedem dieser Gase betreiben zu können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine charakteristische Gasparameter stromaufwärts des Brennraums bestimmt wird. In diesem Fall kann der wenigstens eine charakteristische Gasparameter insbesondere durch eine Gasanalyse, beispielsweise durch Gaschromatographie bestimmt werden. Insbesondere ist es so möglich, die chemische Identität des verwendeten Gases zu bestimmen, wobei dann die Abgasrückführrate im Betrieb der Brennkraftmaschine an die Reaktivität des verwendeten Gases angepasst werden kann. Dabei können vorzugsweise bestimmte Abgasrückführraten für bestimmte Brenngase in einer Tabelle oder einem Kennfeld hinterlegt sein. Diese Vorgehensweise eignet sich besonders für stationär verwendete Brennkraftmaschinen, die an einem Gas-Versorgungsnetz betrieben werden, dessen Gasqualität eher langfristigen Schwankungen unterliegt, oder für mobil betriebene Brennkraftmaschinen, die mit einem insbesondere großvolumigen Gasversorgungstank verbunden sind, in den für eine bestimmte, längerfristige Betriebszeit einmalig ein bestimmtes Brenngas eingefüllt wird, mit dem die Brennkraftmaschine dann für längere Zeit betrieben wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der wenigstens eine charakteristische Gasparameter während der Verbrennung in dem Brennraum als Verbrennungsparameter bestimmt wird. Insbesondere auch auf diese Weise kann Aufschluss über die Reaktivität des Brenngases erhalten werden. Diese Vorgehensweise kann in Echtzeit während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgen und eignet sich daher insbesondere auch für Brennkraftmaschinen, die mit Brenngas stark schwankender Gasqualität betrieben werden, insbesondere auch dann, wenn transiente Änderungen der Gasqualität erfolgen können. Gegebenenfalls wird dies sogar für am herkömmlichen Erdgasnetz betriebene Brennkraftmaschinen vorteilhaft werden, wenn sich herausstellt, dass dort der Wasserstoffgehalt des gelieferten Erdgases zeitlich erheblichen und gegebenenfalls insbesondere auch plötzlichen oder transienten Schwankungen unterliegt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als der wenigstens eine Gasparameter ein Brennraumdruckwert erfasst wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen einzelnen Brennraumdruckwert bei einem bestimmten Umsatzpunkt oder einem bestimmten Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine handeln, aber auch um eine Mehrzahl von Brennraumdruckwerten. Insbesondere ist es möglich, dass als der wenigstens eine Gasparameter ein Brennraumdruckverlauf erfasst wird. Über den wenigstens einen Brennraumdruckwert und/oder den Brennraumdruckverlauf ist es möglich, Auskunft über die Reaktivität des Brenngases und insbesondere dessen laminare Flammengeschwindigkeit in dem Brennraum zu erhalten. Die Abgasrückführrate kann dann insbesondere so eingestellt werden, dass unabhängig von der Gasqualität ein gewünschter Brennraumdruckwert, eine Mehrzahl gewünschter Brennraumdruckwerte, oder ein bestimmter Brennraumdruckverlauf erreicht wird.
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Somit können insbesondere auch klopfende oder sehr ineffiziente Verbrennungen sowie gegebenenfalls Zündaussetzer vermieden werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsluftverhältnis, mithin ein Lambdawert, für das dem Brennraum zugeführte Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter eingestellt wird. Es ist also möglich, zusätzlich zu der Veränderung der Abgasrückführrate auch den Lambdawert abhängig von dem wenigstens einen Gasparameter und damit der Reaktivität oder auch chemischen Identität des Brenngases anzupassen, und so den Betrieb der Brennkraftmaschine weiter zu optimieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennung in dem Brennraum durch Einstellen der Abgasrückführrate und/oder des Verbrennungsluftverhältnisses geregelt wird. Auf diese Weise kann ein reproduzierbarer Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst ohne Leistungsverlust auch für sehr verschiedene Brenngase gewährleistet werden. Die Abgasrückführrate und/oder das Verbrennungsluftverhältnis wird/werden dabei als Stellgröße für die Verbrennungsregelung verwendet. Als Regelgröße wird vorzugsweise ein Druck in dem Brennraum bei einem bestimmten Umsatzpunkt oder Kurbelwellenwinkel, oder auch ein Brennraumdruckverlauf, oder eine aus zumindest einer dieser Größen abgeleitete Größe verwendet.
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Es ist auch möglich, dass die Abgasrückführung und insbesondere die Abgasrückführrate brennraumindividuell eingestellt, insbesondere geregelt wird, vorzugsweise abhängig von einem brennraumindividuell erfassten Brennraumdruck oder Brennraumdruckverlauf. Auf diese Weise kann eine Gleichstellung einer Mehrzahl von Brennräumen, vorzugsweise aller Brennräume, der Brennkraftmaschine erreicht werden, was auch als Zylindergleichstellung bezeichnet wird. Dabei ist es auch möglich, nur bestimmten Brennräumen überhaupt rückgeführtes Abgas zuzuführen, während zugleich anderen Brennräumen der Brennkraftmaschine kein rückgeführtes Abgas zugeführt wird. Auch ein Spenderzylinderkonzept ist möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch in dem Brennraum fremdgezündet wird. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine vorzugsweise mit einem ottomotorischen Brennverfahren, also als Ottomotor, betrieben. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile. Wichtig ist insoweit, dass bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren die Variation der Abgasrückführrate nicht - wie ansonsten bei einem typischen stöchiometrischen Betriebs eines Ottomotors - lediglich dazu verwendet wird, die Abgasqualität zu verbessern, sondern dass sie vielmehr gezielt verwendet wird, um den Betrieb der Brennkraftmaschine an die variierende Reaktivität verschiedener Brenngase anzupassen. Die Brennkraftmaschine kann bevorzugt auch als Zweistoff-Motor mit Pilotstrahlzündung, insbesondere als Bi-Fuel-Motor oder als Dual-Fuel-Motor, oder als HCCI-Motor betrieben werden.
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Dabei ist es nicht erforderlich, die Brennkraftmaschine stets bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 zu betreiben, vielmehr kann auch ein Magerbetrieb für die als Ottomotor betriebene Brennkraftmaschine verwirklicht werden. Weiterhin kann das Verbrennungsluftverhältnis - wie bereits beschrieben - insbesondere ebenfalls an das verwendete Brenngas und dessen Reaktivität angepasst werden.
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Mithilfe des Verfahrens können die Effizienz, der Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit eines für ein spezifisches Brenngas ausgelegten Motors auch für einen Betrieb mit anderen Brenngasen, insbesondere mit hochreaktiven Brenngasen, erhalten bleiben. Es erfolgt insbesondere kein Derating oder Leistungsverlust, wenn die derart betriebene Brennkraftmaschine mit einem höherreaktiven Brenngas betrieben wird. Des Weiteren ist es möglich, einen standardisierten Brenngasmotor, beispielsweise einen Standard-Erdgasmotor oder einen Standard-Biogasmotor, mithilfe des Verfahrens mit verschiedensten Gasen, mithin als Vielgasmotor, zu betreiben. Es bedarf dabei insbesondere keiner spezifischen Vorab-Abstimmung der Brennkraftmaschine auf das tatsächlich verwendete Brenngas mehr, vielmehr kann diese Abstimmung - insbesondere in Echtzeit - im Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen. Für den Verwender einer solchen Brennkraftmaschine ergibt sich der Vorteil, dass er nicht für verschiedene Brenngase verschiedene, spezifisch abgestimmte Brennkraftmaschinen vorhalten muss, sondern vielmehr eine Brennkraftmaschine mit allen möglichen Brenngasen betreiben kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum sowie einen Gaszuführpfad aufweist, wobei der Gaszuführpfad eingerichtet ist zur Zuführung eines Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in den wenigstens einen Brennraum. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Messeinrichtung zur Erfassung von wenigstens einem für eine Reaktivität des Brenngases charakteristischen Gasparameter auf. Außerdem weist die Brennkraftmaschine eine bezüglich einer Abgasrückführrate einstellbare Abgasrückführ-Einrichtung auf, die eingerichtet ist zur Rückführung von Abgas aus der Verbrennung in den Brennraum und/oder zum Halten von Abgas in dem Brennraum. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter einzustellen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Der Gaszuführpfad kann sehr kurz ausgebildet sein, gegebenenfalls auch lediglich einen Bereich des Brennraums selbst umfassen, wenn das Brenngas direkt in den Brennraum eingedüst wird. Das Brenngas kann aber auch über eine Einzelpunkteindüsung oder eine Mehrpunkteindüsung eingebracht werden. Weiter ist es möglich, dass das Brenngas mit der Verbrennungsluft über einen Gasmischer gemischt wird, der besonders bevorzugt stromaufwärts eines Verdichters angeordnet ist, wobei die Brennkraftmaschine dann als gemischverdichtende Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
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Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise einerseits mit der Messeinrichtung und andererseits mit der Abgasrückführ-Einrichtung wirkverbunden. Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung spezifisch zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Bevorzugt handelt es sich bei der Steuereinrichtung allerdings um ein zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine, welches zusätzlich eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren kann dabei fest in die Steuereinrichtung implementiert, insbesondere in einer Hardware der Steuereinrichtung verschaltet sein. Es ist aber bevorzugt vorgesehen, dass in die Steuereinrichtung ein Computerprogrammprodukt geladen oder ladebar ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Steuereinrichtung abläuft.
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Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches Anweisungen umfasst, aufgrund derer das hier vorgeschlagene Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere der Steuereinrichtung einer Brennkraftmaschine, abläuft.
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Entsprechend wird auch ein Datenträger bevorzugt, welcher ein solches Computerprogrammprodukt aufweist.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen auf, beispielsweise vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn, zwanzig oder mehr Brennräume. Auch andere Anzahlen von Brennräumen sind möglich.
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Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise weiterhin eingerichtet, um ein Verbrennungsluftverhältnis für das dem Brennraum zugeführte Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter einzustellen. Hierzu ist die Steuereinrichtung vorzugsweise mit einer Gemischstelleinrichtung, insbesondere einem Gasmischer, wirkverbunden.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise wenigstens einen Abgasturbolader auf. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass der Abgasturbolader auch für eine Verwendung hochreaktiver Brenngase nicht größer ausgebildet sein muss als beispielsweise bei einer Standard-Erdgas-Brennkraftmaschine oder einer Standard-Biogras-Brennkraftmaschine. Es ist eher sogar möglich, die Größe und Leistungsfähigkeit des Abgasturboladers zu reduzieren und damit die Kosten in Zusammenhang mit der Aufladung zu senken, weil die Abgasrückführrate zur Steuerung der laminaren Flammengeschwindigkeit in dem Brennraum verwendet wird, und es daher keiner hohen Abmagerung und somit auch keiner besonders hohen Aufladung bedarf, um eine gewünschte Leistung für die Brennkraftmaschine zu erhalten.
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In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergibt als weiterer Vorteil, dass kleinere Rohrleitungen oder Verrohrungen für den Gaszuführpfad verwendet werden können, weil eine geringere Gemischmasse bei Verwendung hochreaktiver Brenngase benötigt wird als bei stark abgemagertem Betrieb, da deren laminare Flammengeschwindigkeit nicht durch Abmagerung, sondern vielmehr durch Variation der Abgasrückführrate kontrolliert wird. Auch auf diese Weise können Gewicht und Kosten in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine eingespart werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine ausgelegt oder abgestimmt ist für einen Betrieb mit einem bestimmten Brenngas, wobei die Brennkraftmaschine durch Anpassen der Abgasrückführrate an den wenigstens einen Gasparameter auf einen Betrieb mit anderen Brenngasen einstellbar ist. Somit kann ein Vielgasmotor bereitgestellt werden, der trotz seiner Abstimmung auf ein spezifisches Brenngas in der Lage ist, mit einer Vielzahl von Brenngasen betrieben zu werden. Dass die Brennkraftmaschine auf die Verwendung eines bestimmten Brenngases ausgelegt oder abgestimmt ist, bedeutet insbesondere, dass ihr Verdichtungs- oder Kompressionsverhältnis, sowie Parameter der verwendeten Aufladung, insbesondere einer Art und/oder Größe eines verwendeten Abgasturboladers, auf den Betrieb mit dem bestimmten Brenngas abgestimmt sind. Es ist auch möglich, dass standardmäßig vorgegebene Start- oder Richtwerte für ein Verbrennungsluftverhältnis und/oder die Abgasrückführrate mit Blick auf das bestimmte Brenngas vorgegeben sind, wobei von diesen Werten durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter abgewichen werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine ausgelegt für den Betrieb mit Erdgas oder mit Biogas. Insbesondere in letzterem Fall ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine auf den Betrieb bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1,5 optimiert ist und ein hohes Verdichtungsverhältnis, das heißt Kompressionsverhältnis im Brennraum, insbesondere von mindestens 10 bis höchstens 15, aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine als Ottomotor ausgebildet ist. Dem wenigstens einen Brennraum ist somit insbesondere eine Zündeinrichtung zur Fremdzündung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in dem Brennraum zugeordnet. Diese kann in für sich genommen bekannter Weise als elektrische Funkenzündkerze, als Laserzündkerze, als Koronazündkerze, als Pilot-Zündstrahlinjektor, oder in anderer geeigneter Weise eingerichtet sein. In Zusammenhang mit einer als Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine ergeben sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile. Die Brennkraftmaschine kann auch als Zweistoff-Motor mit Pilotstrahlzündung, insbesondere als Bi-Fuel-Motor oder Dual-Fuel-Motor, oder als HCCI-Motor ausgebildet sein.
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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 für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine sowie eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 mit wenigstens einem Brennraum 3. Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet und weist besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume 3 auf.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen Gaszuführpfad 5 auf, der eingerichtet ist, um dem wenigstens einen Brennraum 3 ein Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 zuzuführen. Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 wenigstens eine Messeinrichtung 7 auf, die eingerichtet ist zur Erfassung von wenigstens einem für eine Reaktivität eines zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 verwendeten Brenngases 6 charakteristischen Gasparameters. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Abgasrückführ-Einrichtung 9 auf, die bezüglich einer Abgasrückführrate einstellbar ist, und weiterhin eine Steuereinrichtung 11, die eingerichtet ist, um die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter einzustellen.
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Im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 ist vorgesehen, dass dem Brennraum 3 ein Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 zur Verbrennung in dem Brennraum 3 zugeführt wird, wobei der wenigstens eine für eine Reaktivität des von dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 umfassten Brenngases 6 charakteristische Gasparameter mittels der Messeinrichtung 7 erfasst wird. Mittels der Abgasrückführeinrichtung 9 wird Abgas aus der Verbrennung in dem Brennraum 3 gehalten oder in den Brennraum 3 zurückgeführt, und eine Abgasrückführrate wird in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter eingestellt.
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Es ist somit möglich, den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 auf verschiedene Brenngase 6, insbesondere mit verschiedener Reaktivität und insbesondere mit verschieden laminaren Flammengeschwindigkeiten bei festgehaltenem Verbrennungsluftverhältnis, anzupassen, ohne dass es einer erhöhten Abmagerung und/oder einer erhöhten Aufladung bei Verwendung höherreaktiver Brenngase 6 bedarf, wobei auch ein Leistungsverlust und ein Derating der Brennkraftmaschine 1 bei der Verwendung höherreaktiver Brenngase 6 vermieden wird.
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Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine 1 ausgelegt für einen Betrieb mit einem bestimmten Brenngas 6, wobei insbesondere ein Verdichtungsverhältnis sowie eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1, insbesondere ein Abgasturbolader 13, auf den Betrieb mit dem bestimmten Brenngas 6 ausgelegt sind. Die Brennkraftmaschine 1 ist dann durch Anpassen der Abgasrückführrate an den wenigstens einen Gasparameter auf einen Betrieb mit anderen Brenngasen 6, insbesondere auch mit höherreaktiven Brenngasen 6, einstellbar.
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Die Abgasrückführeinrichtung 9 ist hier eingerichtet zur Verwirklichung einer externen Abgasrückführung. Sie weist ein Abgasrückführventil 15 auf, das eingerichtet ist, um die Abgasrückführrate einzustellen, insbesondere um einen Anteil an in den Brennraum 3 zurückgeführtem Abgas aus einem Abgasmassenstrom 17 zu bestimmen. Es ist möglich, dass das Abgasrückführventil 15 als Abgasrückführklappe ausgebildet ist.
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In einem Abgasrückführpfad 19 der Abgasrückführeinrichtung 9 ist bevorzugt ein Abgasrückführkühler 21 angeordnet, der eingerichtet, um das rückgeführte, entlang des Abgasrückführpfads 19 strömende Abgas zu kühlen.
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Der nicht entlang des Abgasrückführpfads 19 zurückgeführte Anteil des Abgasmassenstroms 17 wird entlang eines Abgaspfads 23 abgeführt, wobei er vorzugsweise über wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise einen SCR-Katalysator, einen Oxidationskatalysator, einen 3-Wege-Katalysator oder auch eine Kombination solcher Abgasnachbehandlungselemente geleitet wird. Anschließend wird dieser Anteil des Abgasmassenstroms 17 bevorzugt in eine Umgebung der Brennkraftmaschine 1 abgegeben.
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Es ist alternativ auch möglich, dass die Abgasrückführeinrichtung 9 als interne Abgasrückführung verwirklicht ist, wobei sie dann vorzugsweise eine geeignete Ansteuerung von wenigstens einem Gaswechselventil umfasst, welches dem Brennraum 3 zugeordnet ist. Vorzugsweise ist dem Brennraum 3 in diesem Fall ein variabler, insbesondere vollvariabler Ventiltrieb zugeordnet, um die interne Abgasrückführung mit variabler Abgasrückführrate zu verwirklichen.
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Eine interne Abgasrückführung kann auch mit einer externen Abgasrückführung kombiniert werden.
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Der Abgasturbolader 13 weist hier eine Abgasturbine 25 auf, die eingerichtet und angeordnet ist, um von dem Abgasmassenstrom 17 angetrieben zu werden. Die Abgasturbine 25 ist mit einem Verdichter 27 antriebswirkverbunden, der in dem Gaszuführpfad 5 angeordnet und eingerichtet ist, um das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 zu verdichten.
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Die Abgasrückführ-Einrichtung 9 ist hier eingerichtet zur Verwirklichung einer Niederdruckabgasrückführung; das rückgeführte Abgas wird demnach stromabwärts der Abgasturbine 25 abgezweigt und dem Gaszuführpfad 5 stromaufwärts des Verdichters 27 zugeführt.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Abgasrückführeinrichtung 9 als Hochdruckabgasrückführung ausgebildet ist, wobei in diesem Fall das rückgeführte Abgas stromaufwärts der Abgasturbine 25 abgezweigt und dem Gaszuführpfad 5 stromabwärts des Verdichters 27 zugeführt wird.
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Als Brenngas 6 wird bevorzugt ein Gas verwendet, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Methan, einem methanhaltigen Gas, Wasserstoff, einem wasserstoffhaltigen Gas, Erdgas, Biogas, Kokereigas, Synthesegas, Schwachgas, Pyrolysegas, Holzgas, einem Erdölbegleitgas, Deponiegas, Klärgas, einem Minengas, einem Prozessgas aus der chemischen Industrie, einem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie gewonnenen Gas, und einem Gemisch aus wenigstens zwei dieser Gase.
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Der wenigstens eine charakteristische Gasparameter wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 sowie der dargestellten Ausführungsform des Verfahrens während der Verbrennung in dem Brennraum 3 als Verbrennungsparameter bestimmt. Dabei wird als der wenigstens eine Gasparameter besonders bevorzugt ein Brennraumdruckwert oder ein Brennraumdruckverlauf erfasst. Die Messeinrichtung 7 ist hier bevorzugt als Brennraumdrucksensor ausgebildet.
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Alternativ ist es möglich, dass der wenigstens eine charakteristische Gasparameter stromaufwärts des Brennraums 3, insbesondere durch eine Gasanalyse, vorzugsweise durch Gaschromatographie, bestimmt wird, wobei die Messeinrichtung 7 dann als Gasanalyse-Einrichtung, insbesondere als Gaschromatograph, ausgebildet ist.
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In dem Gaszuführpfad 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ein Gasmischer 29 angeordnet, durch welchen das Brenngas 6 mit Verbrennungsluft 29 mischbar ist. Dabei ist ein Mischungsverhältnis und damit insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis, nämlich ein Lambdawert, mithilfe des Gasmischers 29 einstellbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Verbrennungsluftverhältnis für das dem Brennraum 3 zugeführte Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 in Abhängigkeit von dem wenigstens einem Gasparameter eingestellt wird. Dies erfolgt insbesondere zusätzlich zu der Einstellung der Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter.
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Das Brenngas 6 kann dem Brennraum 3 aber auch im Wege einer Mehrpunkteindüsung, einer Einzelpunkteindüsung, oder auch einer Direkteindüsung unmittelbar in den Brennraum 3 zugeführt werden. Auch in diesen Fällen ist es selbstverständlich möglich, das Verbrennungsluftverhältnis für das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch 4 - insbesondere auch in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter - einzustellen.
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Die Steuereinrichtung 11 ist einerseits mit der Messeinrichtung 7 und andererseits mit dem Abgasrückführventil 15 wirkverbunden, um die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter einzustellen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 11 auch mit dem Gasmischer 29 wirkverbunden, um das Verbrennungsluftverhältnis in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Gasparameter einzustellen.
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Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung 11 mit mehr als einer Messeinrichtung 7, insbesondere mit verschiedenen Messeinrichtungen 7 zur Bestimmung des wenigstens einen Gasparameters und insbesondere zur Bestimmung einer Mehrzahl von Gasparametern, wirkverbunden ist.
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Bevorzugt wird die Verbrennung in dem Brennraum 3 durch Einstellung der Abgasrückführrate und/oder des Verbrennungsluftverhältnisses geregelt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch in dem Brennraum 3 fremdgezündet wird. Die Brennkraftmaschine 1 ist insoweit bevorzugt als Ottomotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 1 kann auch als Zweistoffmotor mit Pilotstrahlzündung, insbesondere als Bi-Fuel-Motor oder als Dual-Fuel-Motor, oder als HCCI-Motor ausgebildet sein.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, einen Vielgasmotor bereitzustellen, der zur Verwendung einer Vielzahl verschieden reaktiver Brenngase, insbesondere einer Vielzahl von Brenngasen mit unterschiedlichem Wasserstoffgehalt, geeignet ist, ohne dass es einer drastischen Abmagerung und/oder einer verstärkten Aufladung bedarf, wobei auch ein Leistungsverlust der Brennkraftmaschine 1 bei einem Betrieb mit hochreaktiven Brenngasen vermieden wird.
