-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zur Direkteinblasung eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum sowie eine Gasbrennkraftmaschine, welche mobil oder stationär sein kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Gasbrennkraftmaschine.
-
Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge, welche mit einem gasförmigen Kraftstoff betrieben werden, bekannt. Hierbei wird derzeit eine Niederdruck-Saugrohreinblasung vorgenommen. Aufgrund der geringen Dichte des Brenngases wird hierbei ca. 10,5 Vol.-% der Luft im Saugrohr verdrängt. Dies führt bei den Gasbrennkraftmaschinen zu Leistungseinbußen sowie Drehmomenteinbußen gegenüber vergleichbaren Brennkraftmaschinen mit Benzineinspritzung. Weiterhin wird durch die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in das Saugrohr in einem Brennraum der Gasbrennkraftmaschine eine Gleichverteilung des gasförmigen Kraftstoffs erreicht, sodass die Gasbrennkraftmaschine im Leerlauf und bei Teillast angedrosselt werden muss. Dies führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der erfindungsgemäße Gasinjektor einer Gasbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass die im Stand der Technik vorhandenen Füllverluste bei Saugrohreinblasung vermieden werden können. Weiterhin kann statt der homogenen Gemischbildung im Brennraum ein Schichtbetrieb ermöglicht werden. Hierdurch ergeben sich thermodynamische Vorteile des Schichtbetriebs auch bei einer Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs. Auch ist ein extrem magerer Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis Lamda ≥ 3 möglich. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor der Gasbrennkraftmaschine eine Vielzahl von Einblaslöchern aufweist, um gasförmigen Kraftstoff in einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine einzublasen. Die Vielzahl von Einblaslöchern sind dabei asymmetrisch um eine Mittelachse des Gasinjektors angeordnet. Insbesondere kann verhindert werden, dass ein im Brennraum entstehendes Gemisch aus Luft und gasförmigem Kraftstoff eine Wand des Brennraums, Quetschspalte oder einen Feuersteg am Kolben der Gasbrennkraftmaschine erreicht. Hierdurch können die Hauptemissionsquellen für Kohlenwasserstoffe im Abgas vermieden werden, sodass über ein komplettes Kennfeld der Gasbrennkraftmaschine, insbesondere auch im Teillastbereich, vorgeschriebene Emissionswerte eingehalten werden können.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Vorzugsweise sind die Einblaslöcher des Gasinjektors derart angeordnet, dass der eingeblasene gasförmige Kraftstoff im Brennraum einen Teilkegelmantel für ein Schichtbrennverfahren erzeugt. Somit können die insbesondere im Teillastbetrieb der Gasbrennkraftmaschine erhaltenen Vorteile des Schichtbrennverfahrens erhalten werden. Dabei können insbesondere nicht kontrahierende Gasstrahlen erreicht werden, welche den geschlossen Teilkegelmantel bilden.
-
Weiter bevorzugt ist die Vielzahl von Einblaslöchern auf einem Teilkreis angeordnet. Hierdurch wird insbesondere die Bildung des Teilkegelmantels des in dem Brennraum eingeblasenen Kraftstoffs unterstützt. Der Teilkreis ist dabei besonders bevorzugt ein Halbkreis. Weiter bevorzugt ist eine gerade Anzahl von Einblaslöchern, insbesondere sechs Einblaslöcher, vorgesehen.
-
Weiter bevorzugt sind die auf einem Teilkreis angeordneten benachbarten Einblaslöcher in Umfangsrichtung jeweils gleich voneinander beabstandet.
-
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasbrennkraftmaschine umfassend wenigstens einen Brennraum und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, wobei der Gasinjektor direkt am Brennraum angeordnet ist und den gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einbläst.
-
Die Gasbrennkraftmaschine umfasst weiter bevorzugt eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, einen Druck des einzublasenden gasförmigen Kraftstoffs über einen vorbestimmten Schwellenwert zu halten, derart, dass beim Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum ein Teilkegelmantel des gasförmigen Kraftstoffs entsteht. Der vorbestimmte Schwellenwert ist dabei besonders bevorzugt größer oder gleich 50 × 105 Pa. Der hohe Druck stellt dabei sicher, dass auch bei unterschiedlichsten Gegendrücken im Brennraum immer der Teilkegelmantel des eingeblasenen gasförmigen Kraftstoffs entsteht.
-
Weiter bevorzugt umfasst die Gasbrennkraftmaschine ferner eine Druckerzeugungseinrichtung, insbesondere einen Kompressor, um den gasförmigen Druck über dem vorbestimmten Schwellenwert zu halten. Es sei angemerkt, dass bei einem frisch betankten Fahrzeug üblicherweise ein Gasdruck in einem Gastank bei ca. 200 × 105 Pa liegt, wenn das Fahrzeug mit CNG (Compressed Natural Gas) betankt wird. Fahrzeuge, welche mit tiefgekühltem, verflüssigtem Erdgas (LNG - Liquified Natural Gas) betankt werden, liegt der Gasdruck im Gastank üblicherweise etwas niedriger, sodass hier ggf. eine Druckerhöhung durch eine Druckerzeugungseinrichtung notwendig ist.
-
Ferner bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Höhe des Einblasdruckes in Abhängigkeit eines im Brennraum vorhandenen Luftvolumens zu steuern. Das Luftvolumen kann beispielsweise mittels eines Luftmassenmessers oder dgl. ermittelt werden. Vorzugsweise wird hierbei bei einer hohen Last der Gasbrennkraftmaschine einer hoher Einblasdruck gewählt und für eine geringe Last der Gasbrennkraftmaschine ein niedrigerer Einblasdruck gewählt, um die Gemischzone in der Brennkammer nicht zu fett oder zu mager auszubilden. Beispielsweise wird bevorzugt in einem Brennraumdruck zwischen 5 × 105 Pa bis 10 × 105 Pa ein Einblasdruck von 100 bis 150 × 105 Pa verwendet. Alternativ wird bei einem kleineren Brennraumdruck in einem Bereich von 1 × 105 Pa bis 2 × 105 Pa ein Einblasdruck von ungefähr 50 × 105 Pa verwendet.
-
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines mageren Schichtbrennverfahrens einer mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere Erdgas, betriebenen Gasbrennkraftmaschine. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff derart in den Brennraum der Gasbrennkraftmaschine eingeblasen, dass der gasförmige Kraftstoff im Brennraum einen Teilkegelmantel bildet. Hierdurch kann das Schichtbrennverfahren mit den entsprechenden Vorteilen ausgeführt werden. Es sei angemerkt, dass üblicherweise ein zündfähiger Bereich des eingeblasenen Kraftstoffs am Randbereich des Teilkegelmantels liegt. Somit sollte der Randbereich des Teilkegelmantels des eingeblasenen Kraftstoffs im Zündbereich einer Zündkerze der Gasbrennkraftmaschine liegen. Dies führt bevorzugt zu einem zentralen Einbau unmittelbar benachbart zu einer Mittelachse des Zylinders der Gasbrennkraftmaschine. Vorzugsweise liegt ein Druck des gasförmigen Kraftstoffs, welcher in den Brennraum der Gasbrennkraftmaschine eingeblasen wird, 50 × 105 Pa oder mehr.
-
Vorzugsweise wird der gasförmige Kraftstoff noch während des Einblaszyklus entzündet.
-
Der durch den eingeblasenen gasförmigen Kraftstoff erzeugte Teilkegelmantel wird vorzugsweise über einen Umfangsbereich von 100° bis 120° gebildet.
-
Es sei angemerkt, dass auch weitere effizienzsteigernde Maßnahmen in Verbindung mit der Erfindung durchgeführt werden können, beispielsweise eine Nacheinblasung von gasförmigem Kraftstoff und/oder eine Abgasrückführung.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer Gasbrennkraftmaschine mit einem Gasinjektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht einer Einblasseite des Gasinjektors von 1,
- 3 ein Diagramm, welches einen Teilkonuswinkel α von eingeblasenem Kraftstoff in einem Brennraum über einem Druck des gasförmigen Kraftstoffs in Abhängigkeit verschiedener Druckniveaus im Brennraum zeigt, und
- 4 und 5 zwei grafische Darstellungen der erzeugten Teilkegelmäntel des gasförmigen Kraftstoffs bei unterschiedlichen Druckniveaus im Brennraum.
-
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme der 1 bis 5 eine Gasbrennkraftmaschine 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gasbrennkraftmaschine 1 einen Gastank 20 und eine Gasleitung 21, welche zu einem Gasinjektor 2 führt. In der Gasleitung 21 ist ein Druckregler 22 sowie eine Druckerzeugungseinrichtung 23, vorzugsweise ein Kompressor, angeordnet.
-
Der Gasinjektor 2 ist, wie in 1 gezeigt, direkt an einen Brennraum 10 der Gasbrennkraftmaschine angeordnet. Schematisch sind ferner ein Kolben 11 und ein Zylinder 12 angedeutet. Der Gasinjektor 2 ist in einer Mittelachse des Zylinders angeordnet.
-
Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Zündkerze zur Entzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 10. Die Zündkerze 13 ist unmittelbar benachbart zum Gasinjektor 2 angeordnet. Ferner ist ein Einlasskanal 14 mit einem Einlassventil 40 und ein Ausgangskanal 15 mit einem Auslassventil 50 vorgesehen.
-
Der Gasinjektor 2 weist, wie in 2 gezeigt, eine Vielzahl von Einblaslöchern 3 auf. Die Einblaslöcher 3 sind dabei auf einem Teilkreis 4 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Teilkreis ein Halbkreis.
-
Wie aus 2 ferner ersichtlich ist, sind jeweils zueinander benachbarte Einblaslöcher 3 in Umfangsrichtung gleich voneinander beabstandet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine gerade Anzahl von Einblaslöchern 3 vorgesehen, nämlich genau sechs Einblaslöcher.
-
Die Einblaslöcher 3 sind auf einer Spritzlochscheibe angeordnet. Es sei jedoch angemerkt, dass die Einblaslöcher 3 auch direkt in einem Gehäusebauteil des Gasinjektors angeordnet werden können.
-
Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Vielzahl von Einblaslöchern 3 asymmetrisch zu einer Mittelachse X-X des Gasinjektors 2 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass ein Teilkegelmantel 5, welcher in 1 gestrichelt eingezeichnet ist, beim Einblasvorgang erzeugt wird. Mittels dieses Teilkegelmantels 5 kann ein Schichtbrennverfahren im Brennraum durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich insbesondere im Teillastbetrieb eine effektive Verbesserung eines Wirkungsgrades. Weiterhin kann dadurch verhindert werden, dass unverbrannter gasförmiger Brennstoff auf den Zylinder 12 trifft bzw. an einen Feuersteg des Kolbens 11 trifft, wodurch insbesondere schädliche HC-Emissionen signifikant reduziert werden können bzw. verhindert werden können.
-
Wie in 1 schematisch angedeutet, ist an einer Außenseite des Teilkegelmantels 5 ein zündfähiger Bereich 6 gebildet. Dieser ist in einem Zündbereich der Zündkerze 13 vorhanden, sodass eine Verbrennung im Brennraum 10 gestartet werden kann. Eine Zündung erfolgt bevorzugt schon während eines Einblaszyklus. Somit kann der gasförmige Kraftstoff bereits kurz nach Einblasbeginn entflammt werden.
-
Ferner umfasst die Gasbrennkraftmaschine 1 eine Steuereinheit 9. Die Steuereinheit 9 ist eingerichtet, den Druckregler 22 und die Druckerzeugungseinrichtung 23 anzusteuern, um sicherzustellen, dass der gasförmige Kraftstoff am Gasinjektor 2 einen vorbestimmten Schwellenwert, vorzugsweise mindestens 50 × 105 Pa, aufweist. Ferner ist die Steuereinheit 9 eingerichtet, den Gasinjektor anzusteuern, um eine Einblasung von gasförmigem Kraftstoff auszuführen und zu beenden.
-
Die asymmetrische Anordnung der Einblaslöcher 3 stellt ferner sicher, dass ein Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs mit einem konstanten Strahlwinkel möglich ist. Bei einer symmetrischen Lochanordnung wie im Stand der Technik ergibt sich eine Strahlkontraktion, was zu einer Änderung des Kegelwinkels der Einblasung führen würde. Durch die Anordnung der Einblaslöcher 3 in asymmetrischer Weise zur Mittelachse X-X ist jedoch ein konstanter Strahlwinkel, insbesondere auch für unterschiedliche Gegendrücke im Brennraum 10 möglich. Dies ist im Detail aus den 3 bis 5 ersichtlich. Ein Umfangswinkel des Teilkegelmantels des eingeblasenen Kraftstoffs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100° bis 120°.
-
3 zeigt ein Diagramm eines Konuswinkels α über einem Gasdruck PR des gasförmigen Kraftstoffs im Gasinjektor 2 für verschiedene Brennraumdrücke PK. Hierbei wurden drei Gasdrücke PR des gasförmigen Kraftstoffs, nämlich 50 × 105 Pa, 100 × 105 Pa und 150 × 105 Pa bei vier unterschiedlichen Brennraumdrücken PK (1 × 105 Pa, 2 × 105 Pa, 5 × 105 Pa und 10 × 105 Pa) untersucht. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird bei allen unterschiedlichen Drücken des gasförmigen Kraftstoffs immer ein Teilkonuswinkel α zwischen 100° und 120° erreicht. Im Vergleich mit dem Stand der Technik bei einer symmetrischen Anordnung der Einblaslöcher kann insbesondere bei den niedrigen Gegendrücken von 1 × 105 Pa und 2 × 105 Pa erfindungsgemäß immer ein Teilkegelmantel 5 erzeugt werden. Dies ist in den 4 und 5 schematisch dargestellt, welche bei einem Druck des gasförmigen Kraftstoffs von 150 × 105 Pa und einem Brennraumdruck PK von 1 × 105 Pa (4) und 10 × 105 Pa (5) dargestellt sind. Der Winkel α ist beides Mal ungefähr gleich groß und beträgt ca. 100°.
-
Somit kann durch eine Strahlwinkelkonstanz des eingeblasenen Kraftstoffs bei unterschiedlichen Brennkammerdrücken PK immer ein Teilkegelmantel von über 100° sichergestellt werden. Somit können thermodynamische Vorteile der Gasbrennkraftmaschine ausgenutzt werden und insbesondere ein Schichtbrennverfahren bei Teillast der Gasbrennkraftmaschine durchgeführt werden. Die Anordnung der Einblaslöcher 3 in einem nicht geschlossenen Kreis bringt somit erhebliche Wirkungsgradzuwächse der Gasbrennkraftmaschine von über 20 % im Vergleich zu einer Einblasung in ein Saugrohr bei homogenem stöchiometrischem Betrieb.
