-
Die Erfindung betrifft einen Gasmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors.
-
Aus der Praxis bekannte Gasmotoren, die der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs dienen, verfügen über mindestens einen Zylinder, wobei in den Zylindern ein Brenngas-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die Zylinder von aus der Praxis bekannten Gasmotoren verfügen typischerweise über eine Hauptbrennkammer sowie über eine mit der Hauptbrennkammer über einen Überströmkanal gekoppelte Vorkammer. Es ist bekannt, der Hauptbrennkammer ein Brenngas-Luft-Gemisch aus Brenngas und Luft zuzuführen, wobei der Vorkammer zur Spülung reines Brenngas zugeführt wird.
-
Ferner ist es bei aus der Praxis bekannten Gasmotoren üblich, Abgas, welches bei der Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemischs in den Zylindern des Gasmotors anfällt, einem Abgasturbolader, nämlich einer Turbine eines Abgasturboladers zuzuführen, wobei bei der Entspannung des Abgases in der Turbine gewonnene Energie genutzt wird, um zumindest dem oder jedem Zylinder zuzuführende Luft, sogenannte Ladeluft bzw. Verbrennungsluft, zu verdichten. Das Brenngas kann bei aus der Praxis bekannten Gasmotoren entweder unmittelbar stromaufwärts der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders mit der verdichteten Ladeluft vermischt werden oder alternativ stromaufwärts der Verdichtung der Ladeluft mit der Ladeluft gemischt werden, um dann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verdichten. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders zur Verbrennung zugeführt. Wie bereits ausgeführt, wird bei aus der Praxis bekannten Gasmotoren der Vorkammer des jeweiligen Zylinders zur Spülung reines Brenngas zugeführt.
-
Aus der
DE 10 2016 112 537 A1 ist ein Gasmotor bekannt, dessen Zylinder eine Hauptbrennkammer und eine Vorkammer umfassen, wobei der Gasmotor mehrere Luftpfade nutzt. Über einen ersten Luftpfad, mit dem ein erster Verdichter zusammenwirkt, kann der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders verdichtete Ladeluft zugeführt werden. Über einen zweiten Luftpfad, mit dem ein zweiter Verdichter zusammenwirkt, kann der Vorkammer des jeweiligen Zylinders ein Brenngas-Luft-Gemisch zugeführt werden. Nach diesem Stand der Technik werden demnach mindestens zwei Luftpfade genutzt, wobei über den ersten Luftpfad Ladeluft verdichtet und der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders zugeführt wird, und wobei über den zweiten Luftpfad ein Gas-Luft-Gemisch verdichtet wird und der Vorkammer des jeweiligen Zylinders zugeführt wird.
-
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Gasmotor und eine Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Gasmotor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders von der verdichteten Luft über eine Abzweigung eines zu der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders führenden Luftpfads ein Teilluftstrom abzweigbar. Dieser abgezweigte Teilluftstrom ist über eine Mischeinrichtung mit Gas mischbar, um ein Gas-Luft-Gemisch mit einem definierten Lambda-Wert bereitzustellen, wobei das so bereitgestellte Gas-Luft-Gemisch der Vorkammer des jeweiligen Zylinders zur Spülung derselben zuführbar ist. Beim erfindungsgemäßen Gasmotor wird demnach Luft verdichtet und über einen Luftpfad der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders zugeführt. Von diesem zu der Hauptbrennkammer des jeweiligen Zylinders führenden Luftpfad wird über eine Abzweigung verdichtete Luft abgezweigt, um in die verdichtete Luft Gas einzubringen und so ein Gas-Luft-Gemisch mit einem definierten Lambda-Wert bereitzustellen, wobei das so bereitgestellte Gas-Luft-Gemisch der Vorkammer des jeweiligen Zylinders zur Spülung zugeführt wird.
-
Gegenüber dem Stand der Technik kann der konstruktive Aufwand reduziert werden. Mit einfachem konstruktivem Aufwand und geringem Bauraumbedarf kann ein Gasmotor bereitgestellt werden, der geringe Abgasemissionen, eine hohe Leistungsdichte, einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Klopfreserve und niedriger Betriebstemperaturen aufweist.
-
Vorzugsweise beträgt der Lambda-Wert des der Vorkammer des jeweiligen Zylinders zuzuführenden Gas-Luft-Gemischs zwischen 0,6 und 1,3, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1. Ein derartiger Lambda-Wert des der Vorkammer der jeweiligen Zylinder zuzuführenden Gas-Luft-Gemischs erlaubt einen besonders vorteilhaften Betrieb des Gasmotors zur Gewährleistung geringer Emissionen, hoher Leistungsdichte, hohen Wirkungsgrads, hoher Klopfreserve und niedriger Betriebstemperaturen.
-
Vorzugsweise ist einer von der Abzweigung zur der Mischeinrichtung führenden Luftleitung ein Rückschlagventil zugeordnet. Der von der Abzweigung zur der Mischeinrichtung führenden Luftleitung kann stromaufwärts des Rückschlagventils ein Zusatzverdichter zugeordnet sein. Durch das Rückschlagventil wird ein Zurückströmen des Gas-Luft-Gemischs in den Luftpfad verhindert. Über den Zusatzverdichter kann ein Druckgefälle bereitgestellt werden, welches erforderlich ist, um das Gas-Luft-Gemisch der Vorkammer des jeweiligen Zylinders sicher zuzuführen.
-
Nach einer ersten Variante ist der von der Abzweigung zur der Mischeinrichtung führenden Luftleitung ein erstes Druckregelventil und einer zu der Mischeinrichtung führenden Gasleitung ein zweites Druckregelventil zugeordnet, über die der Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs druckgesteuert einstellbar ist. Nach einer zweiten Variante ist der Mischeinrichtung ein elektronisch ansteuerbares Mischventil zugeordnet, über das der Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs elektronisch einstellbar ist. Mit beiden Varianten kann der definierte Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs und damit die Zusammensetzung des Gas-Luft-Gemischs einfach bereitgestellt werden.
-
Das Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors ist in Anspruch 8 bzw. 9 definiert. Mit diesen Verfahren ist ein vorteilhafter Betrieb des Gasmotors zur Gewährleistung geringer Abgasemissionen, einer hohen Leistungsdichte, eines hohen Wirkungsgrads, einer hohen Klopfreserve sowie niedriger Betriebstemperaturen möglich.
-
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: einen ersten erfindungsgemäßen Gasmotor; und
- 2: einen zweiten erfindungsgemäßen Gasmotor.
-
Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Gasmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasmotors.
-
1 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Gasmotors 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Gasmotor 10 mehrere Zylinder 11 aufweist. Die Anzahl der in 1 gezeigten Zylinder 11 ist rein exemplarischer Natur. Jeder Zylinder 11 verfügt über eine Hauptbrennkammer 12 zur Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemischs. Mit der Hauptbrennkammer 12 des jeweiligen Zylinders 11 ist eine Vorkammer 13 über einen Überströmkanal 14 gekoppelt. Der grundsätzliche Aufbau von Zylindern 11 eines Gasmotors 10, die eine Hauptbrennkammer 12 und eine mit der Hauptbrennkammer 12 über den Überströmkanal 14 gekoppelte Vorkammer 13 aufweisen, ist dem hier angesprochenen Fachmann grundsätzlich bekannt.
-
Der Gasmotor 10 verfügt über einen Abgasturbolader 15. Der Abgasturbolader 15 umfasst eine Turbine 16 zur Entspannung von Abgas, welches die Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 verlässt. Die Turbine 16 des Abgasturboladers 15 ist demnach in einen Abgaspfad 22 integriert. Der Abgasturbolader 15 verfügt weiterhin über einen Verdichter 18, der in einen zu den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 führenden Luftpfad 17 integriert ist. Der Verdichter 18 verdichtet Luft, die über den Luftpfad 17 den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 zuzuführen ist, sodass demnach stromaufwärts des Verdichters 18 Luft und stromabwärts des Verdichters 18 verdichtete Luft vorliegt.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Gasmotor 10 ist stromabwärts des Verdichters 18, der die den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 zuzuführende Luft verdichtet, und stromaufwärts der Hauptbrennkammern 12 von der verdichteten Luft 20 über eine Abzweigung 21 ein Teilluftstrom vom Luftpfad 17 abzweigbar. Die Abzweigung 21 zweigt demnach vom Luftpfad 17 stromabwärts des Verdichters 18 des Abgasturboladers 17 ab und entnimmt einen verdichteten Teilluftstrom 23 demjenigen verdichteten Luftstrom, der den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 zugeführt wird. Dieser über die Abzweigung 21 abgezweigte Teilluftstrom 23 wird einer Mischeinrichtung 24 zugeführt, in welcher die verdichtete Luft dieses Teilluftstroms mit Gas 25 mischbar ist. Stromabwärts der Mischeinrichtung 24 liegt ein homogenes Gas-Luft-Gemisch 26 vor, welches den Vorkammern 13 der Zylinder 11 zugeführt wird, wobei das Gas-Luft-Gemisch 26 ein definiertes Mischungsverhältnis und demnach einen definierten Lambda-Wert aufweist.
-
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, der Vorkammer 13 eines jeweiligen Zylinders 11 ein homogenes Gas-Luft-Gemisch mit einem definierten Lambda-Wert bereitzustellen, wobei dieses Gas-Luft-Gemisch dadurch bereitstellbar ist, dass vom Luftpfad 17 des Gasmotors 10, über welchen den Hauptkammern 12 der Zylinder 11 verdichtete Luft zuführbar ist, Luft abgezweigt wird, wobei diese abgezweigte, verdichtete Luft 23 über die Mischeinrichtung 24 geführt wird, um das Gas-Luft-Gemisch mit einem definierten Lambda-Wert bereitzustellen.
-
Über die Mischeinrichtung 24 wird ein Gas-Luft-Gemisch 26 für die Vorkammer 13 des jeweiligen Zylinders 11 bereitgestellt, dessen Lambda-Wert zwischen 0,6 und 1,3, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1 beträgt.
-
Der verdichtete Teilluftstrom 23, der über die Abzweigung 21 vom Luftpfad 17 abgezweigt wird, beträgt maximal 15%, bevorzugt zwischen 5% und 10%, der vom Verdichter 18 verdichteten Luftströmung.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist einer von der Abzweigung 21 zu der Mischeinrichtung 24 führenden Luftleitung 27, welche die Teilluftströmung 23 in Richtung auf die Mischeinrichtung 24 führt, ein Rückschlagventil 28 zugeordnet.
-
Die Mischeinrichtung 24 verfügt über ein Mischventil 29, über welches Gas 25, das über eine zur Mischeinrichtung 24 führende Gasleitung 30 der Mischeinrichtung 24 zugeführt wird, in die Teilluftströmung 23 eingebracht werden kann, um das Gas-Luft-Gemisch 26 auszubilden.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der zur Mischeinrichtung 24 führenden Luftleitung 27 ein erstes Druckregelventil 31 und der zur Mischeinrichtung 24 führenden Gasleitung 30 ein zweites Druckregelventil 32 zugeordnet.
-
Über das erste Druckregelventil 31 kann der stromabwärts des ersten Druckregelventils 31 in der Luftleitung 23 herrschende Luftdruck geregelt werden. Über das zweite Druckregelventil 32 kann der stromabwärts des zweiten Druckregelventils 32 in der Gasleitung 30 herrschende Gasdruck geregelt werden. Über die Regelung dieser beiden Drücke kann letztendlich die Menge Teilluftstromes und das Mischungsverhältnis und damit der Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs 26 druckgesteuert bzw. druckgeregelt eingestellt werden.
-
In 1 ist weiterhin ein Zusatzverdichter 33 gezeigt, der in die vom Luftpfad 17 abzweigende Luftleitung 23 stromaufwärts des Rückschlagventils 28 integriert ist. Über diesen Verdichter 33 kann der Druck der der Mischeinrichtung 24 zuzuführenden, abgezweigten Luft 23 erhöht werden, um so letztendlich im Gas-Luft-Gemisch 26 einen Druck einzustellen, der höher ist als ein in der Hauptbrennkammer 12 sowie Vorkammer 13 herrschender Druck, um so das Gas-Luft-Gemisch definiert in die Vorkammer 13 zur Spülung derselben einzubringen.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird weiterhin eine Abgasrückführung genutzt, wobei eine Abgasrückführleitung 34 vom Abgaspfad 22 abzweigt und in den zu den Hauptbrennkammern 12 führenden Luftpfad 17 mündet, nämlich in Strömungsrichtung der verdichteten Luft 20 gesehen stromabwärts der Abzweigung 21, sodass das über die Abgasrückführleitung 34 zurückgeführte Abgas zwar mit der den Hauptbrennkammern 12 zuzuführenden, verdichteten Ladeluft 20 gemischt werden kann, jedoch nicht mit dem von der verdichteten Ladeluft über die Abzweigung 21 abgezweigten Teilluftstrom 23.
-
In die Abgasrückführleitung 34 sind ein Regelventil 35 sowie ein Wärmetauscher 36 integriert, wobei über das Regelventil 35 die Menge des über die Abgasrückführleitung 34 geführten Abgases, welches vom Abgaspfad 22 abgezweigt und stromabwärts der Abzweigung 21 dem Luftpfad 20 zugeführt wird, eingestellt werden kann. Der Wärmetauscher 36 dient der Abkühlung des Abgases.
-
Dann, wenn der Gasmotor 10 die Abgasrückführung nutzt, wird den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 über den Luftpfad 20 ein Luft-Abgas-Gemisch zugeführt. Ferner wird den Hauptbrennkammern 12 Gas zugeführt, wobei dann das Gas-Luft-Abgas-Gemisch, welches in den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 vorliegt, einen Lambda-Wert zwischen 0,6 und 1,3, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1, aufweist.
-
Dann, wenn der Gasmotor 10 ohne Abgasrückführung betrieben wird, wird in der Hauptbrennkammer 12 des jeweiligen Zylinders 11 ein Gas-Luft-Gemisch eingestellt bzw. die Hauptbrennkammer 12 des jeweiligen Zylinders 11 mit einem Gas-Luft-Gemisch versorgt, dessen Lambda-Wert größer als 1,5 ist.
-
Wie bereits ausgeführt, wird bei dem Gasmotor 10 der 1 den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 demnach ein Gas-Luft-Abgas-Gemisch bereitgestellt. Das Luft-Abgas-Gemisch wird über den Luftpfad 20 den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 zugeführt. In den Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 wird für das Gas-Luft-Abgas-Gemisch ein Lambda-Wert gewählt, der zwischen 0,6 und 1,3, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1, beträgt. Den Vorkammern 13 der Zylinder 11 wird zur Spülung ein Gas-Luft-Gemisch 26 zugeführt, dessen Lambda-Wert ebenfalls zwischen 0,6 und 1,3 bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1, beträgt. Dieses Gas-Luft-Gemisch wird dadurch bereitgestellt, dass vom Luftpfad 20 stromabwärts des Verdichters 18 und stromaufwärts der Abgasrückführung ein Teilluftstrom 23 abgezweigt wird, der mit Gas 25 vermischt wird, um das Gas-Luft-Gemisch 26 mit dem definierten Lambda-Wert bereitzustellen, welches den Vorkammern 13 zugeführt wird.
-
In 1 wird dabei der Zusatzverdichter 33 genutzt, um ein Druckgefälle bereitzustellen, welches zur definierten Zuführung des Gas-Luft-Gemischs 26 in die Vorkammern 13 dient. Auf diesen Zusatzverdichter 33 kann auch verzichtet werden, wenn sogenannte Miller-Steuerzeiten des jeweiligen Zylinders 11 genutzt werden, um das erforderliche Druckgefälle zwischen dem Druck im Zylinder 11, nämlich dem Druck in der Vorkammer 13 des jeweiligen Zylinders 11, und dem Druck des Gas-Luft-Gemischs 26 bereitzustellen.
-
In 1 wird das Mischungsverhältnis und damit der Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs druckgesteuert über die Druckregelventile 31 und 32 bereitgestellt.
-
2 zeigt eine Ausführungsform eines Gasmotors 10, der keine derartigen Druckregelventile 31 und 32 nutzt, bei welchem vielmehr ausgehend von einem Motorsteuergerät 37 das Mischventil 29 der Mischvorrichtung 24 angesteuert wird, um die Mischung und damit den Lambda-Wert des Gas-Luft-Gemischs 26 einzustellen. Ferner erfolgt die Einbringung des Gas-Luft-Gemischs 26 in 2 dadurch, dass das Motorsteuergerät 37 Vorkammergasventile 38 der Zylinder 11 ansteuert, und zwar vorzugsweise abhängig von Miller-Steuerzeiten, sodass in 2 auf den Zusatzverdichter 33 der 1 verzichtet werden kann.
-
Vorzugsweise nutzt der Gasmotor 10 eine Abgasrückführung. In diesem Fall werden dann sowohl die Hauptbrennkammern 12 der Zylinder 11 als auch die Vorkammern 13 der Zylinder 11 mit einem Gas-Luft-Gemisch bzw. einem Gas-Luft-Abgas-Gemisch versorgt, dessen Lambda-Wert in etwa 1 beträgt, also zwischen 0,6 und 1,3, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1, beträgt. Dabei ist dann vorzugsweise im Abgaspfad 22 stromabwärts der Turbine 16 ein 3-Wege-Katalysator angeordnet, um eine Abgasnachbehandlung auf effiziente Art und Weise zu gewährleisten.
-
Die Abgasrückführung wird vorzugsweise als Hochdruck-Abgasrückführung ausgeführt, das Abgas wird demnach stromaufwärts der Turbine 16 abgezweigt und stromabwärts des Verdichters 18 dem Luftpfad 20 zugeführt.
-
Der erfindungsgemäße Gasmotor 10 weist geringe Abgasemissionen, hohe Leistungsdichten, hohe Wirkungsgrade, hohe Klopfreserven und niedrige Betriebstemperaturen aus. Der Gasmotor 10 kann effizient bei geringen Emissionen betrieben werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Gasmotor
- 11
- Zylinder
- 12
- Hauptbrennkammer
- 13
- Vorkammer
- 14
- Überströmkanal
- 15
- Abgasturbolader
- 16
- Turbine
- 17
- Luftpfad
- 18
- Verdichter
- 19
- Luft
- 20
- verdichtete Luft
- 21
- Abzweigung
- 22
- Abgaspfad
- 23
- Teilluftstrom
- 24
- Micheinrichtung
- 25
- Gas
- 26
- Gas-Luft-Gemisch
- 27
- Luftleitung
- 28
- Rückschlagventil
- 29
- Michventil
- 30
- Gasleitung
- 31
- Druckregelventil
- 32
- Druckregelventil
- 33
- Zusatzverdichter
- 34
- Abgasrückführleitung
- 35
- Regelventil
- 36
- Wärmetauscher
- 37
- Motorsteuergerät
- 38
- Vorkammergasventil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016112537 A1 [0004]
