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Die vorliegende Erfindung betrifft einen stationären Gasmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Gasmotor weist zumindest einen Zylinder und ein Kurbelgehäuse auf. Bei der Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemischs im Zylinder entsteht ein hoher Druck. Insbesondere ist dieser größer als der Druck im Kurbelgehäuse. Ein Teil der Gase gelangt als Blow-By Gase am Zylinder vorbei in das Kurbelgehäuse. Das Kurbelgehäuse muss daher entlüftet werden. Die Blow-By Gase tragen Feuchtigkeit in das Kurbelgehäuse ein. Je nach Motor kann es zu einer Kondensation dieser Feuchtigkeit im Kurbelgehäuse kommen. So entstehendes Kondensat vermischt sich mit Öl im Kurbelgehäuse und beeinträchtigt die Ölqualität. Wasser im Öl begünstigt die Bildung von unerwünschtem Ölschlamm.
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Die Gefahr von Kondensatbildung kann durch eine Belüftung des Kurbelgehäuses verringert bzw. ausgeschlossen werden. Hierbei wird Spülluft in das Kurbelgehäuse eingebracht. Diese verdünnt die Blow-By Gase und senkt so die relative Feuchtigkeit im Kurbelgehäuse. Die Gefahr einer Kondensatbildung wird reduziert bzw. eliminiert. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Gasmotoren wird die Spülluft entweder aus der Umgebung entnommen und direkt oder nach Filterung durch einen Spülluftfilter dem Kurbelgehäuse zugeführt. Bei aufgeladenen Gasmotoren kann die Spülluft alternativ aus einer einen Lader aufweisenden Ansauganordnung hinter dem Lader entnommen werden. Die Ansaugluft steht hier mit einem hohen Druck zur Verfügung und kann in jeden Teil des Motors und insbesondere in das Kurbelgehäuse geleitet werden. Dafür muss der Druck einer hinter einem Lader aus der Ansauganordnung entnommenen Spülluft jedoch regelmäßig reduziert werden. Hierbei kommt es zu unerwünschten Energieverlusten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen stationären Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung zur Belüftung des Kurbelgehäuses bereitzustellen, der kostengünstig, zuverlässig und wartungsarm ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Belüftungsanordnung eine Belüftungsleitung umfasst, die sich von einer Entnahmestelle der Ansauganordnung zu dem Kurbelgehäuse erstreckt. Diese bildet eine fluidisch leitende Verbindung aus. Im Betriebsfall wird an der Entnahmestelle aus der Ansauganordnung entnommene Spülluft durch die Belüftungsleitung in das Kurbelgehäuse geleitet. Die Ansauganordnung eines stationären Gasmotors ist mit einem Luftfilter versehen. Die aus der Ansauganordnung entnommene Spülluft ist somit bereits gefiltert. Ein weiterer separater Spülluftfilter kann entfallen.
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Erfindungsgemäß weist die Belüftungsanordnung weiterhin eine Rückführungsleitung auf, die sich von einer vom Kurbelgehäuse, insbesondere einer Entnahmestelle am Kurbelgehäuse zu einer Rückführstelle an der Ansauganordnung erstreckt. Diese bildet ebenfalls eine fluidisch leitende Verbindung aus. Im Betriebsfall wird die aus dem Kurbelgehäuse entnommene Gasströmung durch die Rückführungsleitung zu der Rückführstelle an der Ansauganordnung zurückgeleitet. Dabei ist die Entnahmestelle zwischen dem Luftfilter und einem Gasmischer in der Ansauganordnung angeordnet. Die Rückführstelle ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft hinter dem Gasmischer in der Ansauganordnung angeordnet.
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Der Gasmischer ist eine Vorrichtung, mit der Brenngas und Ansaugluft gemischt werden, bevor das Brenngas-Luft-Gemisch über den weiteren Verlauf der Ansauganordnung in den Zylinder des stationären Gasmotors gelangt, um dort verbrannt zu werden. Typischerweise ist ein solcher Gasmischer als eine Venturi-Düse ausgebildet. Diese verengt den Querschnitt der Ansauganordnung lokal und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft. Hierdurch sinkt lokal der Druck ab. An dieser Stelle weist ein solcher Gasmischer einen Einlass für das Brenngas auf. Durch den lokal niedrigeren Druck im Gasmischer gelangt das Brenngas aus dem Einlass in die Ansaugluft.
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Der Gasmischer bewirkt einen Druckverlust der ihn durchströmenden Ansaugluft. Vor dem Gasmischer, im Bereich der Entnahmestelle, herrscht ein höherer Druck als hinter dem Gasmischer, im Bereich der Rückführstelle. Diese Druckdifferenz bewirkt, dass ein Teil der Ansaugluft an der Entnahmestelle als Spülluft durch die Belüftungsleitung in das Kurbelgehäuse gelangt. Dort vermischt sie sich mit Blow-By Gasen und verdünnt diese. Über die Rückführungsleitung gelangt die Spülluft zusammen mit den Blow-By Gasen über die Rückführstelle in die Ansauganordnung und anschließend in den zumindest einen Zylinder.
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Für jeden Betriebspunkt des Motors stellt sich im Betriebsfall automatisch ein Gleichgewicht ein zwischen dem Teil der Ansaugluft, der als Spülluft über die Belüftungsleitung in das Kurbelgehäuse gelangt, und dem Teil, der durch den Gasmischer hindurchtritt. Die genaue Aufteilung ist abhängig vom Gesamtvolumenstrom, der in das Systemeintritt sowie den Auslegungen der Belüftungsanordnung bzw. des Gasmischers. Die Druckverluste durch diese sind abhängig von den jeweiligen Leitungsquerschnitten und den Abmessungen etwaiger weiterer Bauteile in den jeweiligen Leitungen sowie den jeweils durch diese hindurchtretenden Gasvolumenströmen. Das Gleichgewicht stellt sich automatisch derart ein, dass im Betriebsfall der Druckverlust von Entnahmestelle zur Rückführstelle über die Belüftungsanordnung genauso groß ist wie der Druckverlust von Entnahmestelle zur Rückführstelle über den Gasmischer.
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Eine Regelung des Spülluftstroms über Regelventile kann entfallen. Das System ist besonders einfach aufgebaut. Es sind keine zusätzlichen Luftfilter oder zusätzliche Regel- oder Steuerventile mit entsprechenden Regel- oder Steuervorrichtungen notwendig. Eine solchermaßen einfache aufgebaute Belüftungsanordnung heizt zudem beim Anfahren des stationären Gasmotors schnell auf. Hierdurch wird die Gefahr von Kondensatbildung in der Belüftungsanordnung, insbesondere im Bereich nach dem Kurbelgehäuse weiter verringert. Im Betriebsfall liegt der Druck an der Entnahmestelle unterhalb des Umgebungsdrucks, da die Ansaugluft durch den Luftfilter bereits einen gewissen Druckverlust erfährt. An der Rückführstelle ist der Druck durch die jeweiligen Druckverluste im Gasmischer bzw. in der Belüftungsanordnung weiter verringert. Hieraus ergibt sich zwangsläufig, dass der Druck im Kurbelgehäuse ebenfalls geringer als der Umgebungsdruck ist. Bei etwaigen Undichtigkeiten des Kurbelgehäuses wird durch das Druckgefälle zwischen Kurbelgehäuse und Umgebung die Gefahr eines ungewollten Ölaustritts aus dem Kurbelgehäuse verringert.
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Vorzugsweise weist die Belüftungsanordnung nur jeweils eine Rückführstelle und eine Entnahmestelle auf. Durch den Verzicht auf mehrere Rückführstellen und/oder mehrere Entnahmestellen entfallen die andernfalls notwendigen komplexe Regelungsanordnungen mit mehreren Rückschlagventilen und/oder Regelventilen, um in Abhängigkeit der jeweiligen Druckverhältnisse im Betriebsfall eine Entnahme von Gasen aus der Ansauganordnung an einer Rückführstelle oder eine Rückführung von Gasen zu einer Entnahmestelle zu verhindern. Das erfindungsgemäße System ist besonders einfach und besonders wartungsarm aufgebaut.
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Bevorzugt ist in der Rückführungsleitung ein Ölabscheider angeordnet, über den im Betriebsfall in der aus dem Kurbelgehäuse entnommenen Gasströmung enthaltenes Öl abscheidbar ist. Die über die Rückführungsleitung zur Rückführstelle in der Ansauganordnung zurückgeführten Gase setzen sich zusammen aus der Spülluft, den Blow-By Gasen sowie etwaigen von der Gasströmung mitgetragenen Öltropfen. Diese können im Zylinder verbrannt werden. Ein Ölabscheider ermöglicht es, einen großen Teil dieses Öls abzuscheiden und vorzugsweise in das Kurbelgehäuse zurückzuführen. Alternativ kann das abgeschiedene Öl beispielsweise einem Altölbehälter zugeführt werden. Besonders bevorzugt weist der Ölabscheider einen Zyklonfilter auf. Dieser kann das einzige Filterelement des Ölabscheiders darstellen oder als Vorfilter vor einem weiteren Filterelement des Ölabscheiders ausgestaltet sein. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ermöglicht die Belüftungsanordnung einen hohen Volumenstrom durch die Belüftungsleitung bzw. die Rückführungsleitung. Dies gilt umso mehr, wenn Leitungen und Einbauten mit großen Querschnitten verwendet werden. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können Zyklonfilter effektiv eingesetzt werden. Da Zyklonfilter kein Filtermedium aufweisen, dass sich im Laufe der Zeit zusetzen kann, wird die Standzeit eines Ölabscheiders mit einem entsprechenden Zyklonfilter erhöht. Ein stationärer Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung entsprechend dieser Weiterbildung ist somit besonders wartungsarm.
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Vorzugsweise ist in der Belüftungsleitung ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses verhindert, dass Blow-By Gase statt über die Rückführungsleitung über die Belüftungsleitung in die Ansauganordnung gelangen. Insbesondere wenn in der Rückführungsleitung ein Ölabscheider angeordnet ist, wird so sichergestellt, dass Blow-By Gase über den Ölabscheider geführt werden. Besonders bevorzugt weist das Rückschlagventil einen Ventilkörper auf, der ausschließlich schwerkraftbeaufschlagt ist.
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Insbesondere wird dieser Ventilkörper nicht durch ein Federelement mit einer Kraft in Richtung seines Ventilsitzes beaufschlagt. In einem stationären Gasmotor kann die Ausrichtung des Rückschlagventils im Raum relativ zur Schwerkraftrichtung festgelegt werden, so dass ein Rückschlagventil mit einem lediglich schwerkraftbeauschlagten Ventilköper verwendbar ist. Ein lediglich schwerkraftbeaufschlagter Ventilkörper des Rückschlagventils weist ein besonders gutes Öffnungsverhalten auf. Es ist sehr leichtgängig und wartungsarm. Zudem kann das Rückschlagventil so gestaltet werden, dass es bei einer Durchströmung einen besonders geringen Druckverlust aufweist.
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Besonders vorzugsweise sind in der Belüftungsleitung in Strömungsrichtung der Spülluft vor und nach dem Rückschlagventil Filtersiebe angeordnet. Diese verhindern, dass bei einer etwaigen Beschädigung des Rückschlagventils entstehende Bruchstücke in die Ansauganordnung und ggf. bis in den Zylinder und/oder in weitere Teile der Belüftungsanordnung und ggf. in das Kurbelgehäuse des stationären Gasmotors gelangen. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung des Motors verringert.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Rückschlagventil als Tesla-Ventil ausgebildet. Hierbei handelt es sich um ein passives fluidisches Ventil. Es kommt ohne bewegliche Teile aus. Hierdurch ist es besonders wartungsarm und weist ein gutes Öffnungsverhalten auf, da nicht zunächst ein mechanischer Ventilkörper von einem Ventilsitz gelöst werden muss.
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Bevorzugt ist in der Ansauganordnung eine Drosselklappe angeordnet, die die Menge des in den stationären Gasmotor gelangenden Brenngas-Luft-Gemisches regelt. Diese Drosselklappe ist hinter der Rückführstelle in der Ansauganordnung angeordnet. Eine Drosselklappe stellt ein bewegliches Element dar, das den der Querschnitt der Ansauganordnung und somit die Menge der durch die Ansauganordnung in den bzw. die Zylinder gelangenden Brenngas-Luft-Gemischs verändert. Durch die Anordnung der Drosselklappe hinter der Rückführstelle in der Ansauganordnung wird die Aufteilung der im Betriebsfall durch den Gasmischer und durch die Belüftungsanordnung strömenden Gasvolumenströme nur mittelbar durch die Drosselklappe beeinflusst. Andernfalls wäre zumindest für einzelne Betriebspunkte ein entsprechendes Regelventil in der Belüftungsanordnung vorzusehen, das den Volumenstrom analog zur Stellung der Drosselklappe regelt. Die Drosselklappe kann alternativ auch zwischen Luftfilter und Entnahmestelle in der Ansauganordnung angeordnet sein. In beiden Fällen bestimmt die Drosselklappe lediglich den Gesamtvolumenstrom ohne die Aufteilung der Gasvolumenströme auf die Belüftungsanordnung sowie den Gasmischer zu beeinflussen. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung einer Drosselklappe zur Regelung des Gasmotors bei gleichzeitig einfachem und wartungsarmem Aufbau der Belüftungsanordnung.
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Vorzugsweise weist der stationäre Gasmotor einen Lader, insbesondere einen Turbolader auf. Dieser ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft hinter der Rückführstelle an der Ansauganordnung angeordnet. Die über die Rückführungsleitung zur Rückführstelle zurückgeführten Gase werden somit vor dem Lader in die Ansauganordnung zurückgeführt. Der stationäre Gasmotor mit der Belüftungsanordnung kann somit sowohl für aufgeladene Gasmotoren als auch für als Saugmotor ausgebildete Gasmotoren verwendet werden. Besonders bevorzugt ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft hinter dem Lader ein Ladeluftkühler angeordnet. Hierdurch kann die Leistung des Gasmotors weiter verbessert werden. Die Menge des Brenngas-Luft-Gemischs, das in den Zylinder eingebracht werden kann, wird durch die Verdichtung und Ladeluftkühlung erhöht.
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Bevorzugt sind die Belüftungsleitung und die Rückführungsleitung ungeregelt. Dies bedeutet, dass weder in der Belüftungsleitung noch in der Rückführungsleitung irgendwelche Regelventile vorgesehen sind. Die jeweiligen Gasströme durch die Belüftungsleitung und die Rückführungsleitung stellen sich automatisch aufgrund der Widerstände der einzelnen passiven Komponenten mit ihren jeweiligen Druckverlustkurven so ein, dass der Druckverlust über den Gasmischer und in der Belüftungsanordnung jeweils gleich ist, wie oben beschrieben. Die einzelnen Volumenströme bei bestimmten Betriebspunkten des Gasmotors ergeben sich dann aufgrund der Auslegung der passiven Bauelemente. Der stationäre Gasmotor mit der Belüftungsanordnung ist durch den Verzicht auf Regeleinrichtungen besonders einfach aufgebaut. Der Gasmotor ist wartungsarm, günstig herstellbar und besonders zuverlässig.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung mit beispielhaften erfindungsgemäßen Ausbildungen zu entnehmen. In den Figuren zeigt auf schematische Weise:
- 1 einen erfindungsgemäßen stationären Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung,
- 2 einen stationären Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung in einer alternativen Ausführungsform mit einem Zyklonvorfilter,
- 3 einen erfindungsgemäßen stationären Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung in einer dritten Ausführungsform, bei dem der Ölabscheider als Zyklonfilter ausgebildet ist,
- 4 einen erfindungsgemäßen stationären Gasmotor mit einer Belüftungsanordnung, wobei der Motor als Saugmotor und der Ölabscheider als Zyklonfilter ausgebildet ist.
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Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind - sofern dienlich - mit identischen Bezugsziffern versehen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit den Merkmalen einzelner vorher beschriebener Ausführungsbeispiele zu erfindungsgemäßen Gegenständen kombiniert werden.
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1 zeigt einen stationären Gasmotor 2 mit einer Belüftungsanordnung 4 zur Belüftung eines Kurbelgehäuses 6. Der Gasmotor 2 umfasst Zylinder 8. Den Zylindern 8 wird über eine Ansauganordnung 10 ein Brenngas-Luft-Gemisch zugeführt. Die Ansauganordnung 10 umfasst einen Luftfilter 12, durch den im Betriebsfall Umgebungsluft angesaugt und dabei gefiltert wird, sowie einen Gasmischer 14, in dem die Ansaugluft mit einem Brenngas gemischt wird.
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Über die Belüftungsanordnung 4 kann das Kurbelgehäuse 6 be- und entlüftet werden. Die Belüftungsanordnung 4 umfasst eine Belüftungsleitung 16, die sich von einer Entnahmestelle 18 zum Kurbelgehäuse 6 erstreckt. Die Entnahmestelle 18 ist zwischen dem Luftfilter 12 und dem Gasmischer 14 an der Ansauganordnung 10 angeordnet. Die Belüftungsleitung 16 weist ein Rückschlagventil 20 auf. Dieses verhindert, dass aus dem Zylinder 8 in das Kurbelgehäuse 6 eintretende Blow-By-Gase über die Belüftungsleitung 16 zur Entnahmestelle 18 in die Ansauganordnung 10 zurückgelangen können.
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Die Belüftungsanordnung 4 umfasst weiterhin eine Rückführungsleitung 22, die aus dem Kurbelgehäuse 6 entnommene Gase zur Rückführstelle 24 an der Ansauganordnung 10 leitet. Die Rückführstelle 24 ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft hinter dem Gasmischer 14 in der Ansauganordnung 10 angeordnet. In der Rückführungsleitung 22 ist ein Ölabscheider 26 angeordnet, der vorliegend als Filter ausgebildet ist.
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Der Gasmotor 2 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist als aufgeladener Motor ausgebildet. Die Ansauganordnung weist einen Lader 28 auf. Dieser komprimiert im Betriebsfall über einen Verdichter das Benngas-Luft-Gemisch. Der Lader kann insbesondere als Abgasturbolader ausgebildet sein. Hinter dem Lader ist ein Gemischkühler 30 angeordnet, über den das verdichtete Brenngas-Luft-Gemisch heruntergekühlt werden kann. Hierdurch wird die Dichte des Brenngas-Luft-Gemischs erhöht, und es kann mehr Brenngas-Luft-Gemisch in den Zylinder 8 eingeführt werden. Hinter dem Gemischkühler 30 ist eine Drosselklappe 32 in der Ansauganordnung 10 angeordnet. Über die Drosselklappe 32 kann die Menge des Brenngas-Luft-Gemischs, das in einen Zylinder 8 gelangt, geregelt werden. Die konkrete Anordnung der Drosselklappe 32 kurz vor dem Zylinder 8 und insbesondere nicht zwischen der Entnahmestelle 18 und der Rückführstelle 24 ermöglicht, dass die Belüftungsanordnung 4, insbesondere der Volumenstrom der Spülluft, von der Drosselklappe 32 nur mittelbar beeinfluss wird. Von dem Ölabscheider 26 führt eine Leitung zurück in das Kurbelgehäuse 6. Über diese Leitung wird im Ölabscheider 26 abgeschiedenes Öl in das Kurbelgehäuse 6 zurückgeführt. Alternativ kann das im Ölabscheider 26 abgeschiedene Öl auch einem Altölbehälter zugeführt werden. Von dem Lader 28 führt ebenfalls eine Leitung zurück in das Kurbelgehäuse, über die Öl sowie etwaige Blow-By-Gase, die über Dichtungen und/oder Lager des Laders 28 austreten, in das Kurbelgehäuse 6 zurückgeführt werden.
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Außer dem Rückschlagventil 20 finden sich in der Belüftungsanordnung 4, insbesondere in der Belüftungsleitung 16 sowie der Rückführungsleitung 22, keinerlei weitere Ventile, insbesondere keine Regel- oder Steuerventile. Die im Betriebsfall durch den Luftfilter 12 eingetretene und vom Lader 28 angesaugte Luft teilt sich an der Entnahmestelle 18 in einen Spülluftstrom in der Belüftungsleitung 16 sowie in einen durch den Gasmischer 14 hindurchtretenden Luftstrom auf. Die Aufteilung erfolgt so, dass für die jeweiligen Gasströme die Druckverluste über den Gasmischer 14 bzw. durch die Belüftungsanordnung 4 mit dem Rückschlagventil 20, der Belüftungsleitung 16, dem Kurbelgehäuse 6, der Rückführungsleitung 22 sowie dem Ölabscheider 26 bis zur Rückführstelle 24 gleich groß sind. Das aus dem Kurbelgehäuse 6 zurückgeführte Gas, aus dem im Ölabscheider 26 zumindest teilweise mitgeführtes Öl entfernt wurde, wird in der Rückführstelle 24 mit dem im Gasmischer 14 erzeugten Brenngas-Luft-Gemisch gemischt und über den Lader 28 verdichtet. Nach einer Kühlung in dem Gemischkühler 30 und einer etwaigen Drosselung über die Drosselklappe 32 gelangen die Gase in den Zylinder 8, wo sie verbrannt und anschließend über ein nicht dargestelltes Abgassystem ausgestoßen werden.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der der Ölabscheider 26 einen Zyklonfilter 27 umfasst, der als Vorfilter ausgestaltet ist. Das über die Rückführungsleitung 22 aus dem Kurbelgehäuse 6 entnommene Gas tritt zunächst in den Zyklonvorfilter 27 des Ölabscheiders 26 ein. Anschließend schließt sich ein Filterelement des Ölabscheiders 26 an. Die Belüftungsanordnung ermöglicht einen Volumenstrom durch die Rückführungsleitung 22, der eine effiziente Abscheidung von Öl in einem Zyklonvorfilter 27 ermöglicht. Ein Zyklonfilter 27 funktioniert ohne ein Filtermedium, das sich im Laufe der Zeit zusetzen und verstopfen könnte. Er ist besonders wartungsarm. Durch einen als Zyklonfilter ausgebildeten Zyklonvorfilter 27 kann die Standzeit eines nachfolgenden Filterelements des Ölabscheiders 26 erhöht werden. Es ist auch möglich, den Ölabscheider 26 lediglich durch einen Zyklonfilter zu realisieren, wie dies im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellt ist.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Ölfilter 26 als Zyklonfilter ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Motor jedoch nicht aufgeladen, sondern als Saugmotor ausgebildet. Die Ansauganordnung 10 weist keinen Lader 28 und keinen Gemischkühler 30 auf. Das Ansaugen von Luft durch die Ansauganordnung 10 erfolgt durch die Zylinder 8. Ein erfindungsgemäßer stationärer Gasmotor mit einem Belüftungssystem 4 zur Belüftung des Kurbelgehäuses 6 des Gasmotors 2 kann somit sowohl als Saugmotor als auch als aufgeladener Motor, insbesondere als turboaufgeladener Motor realisiert werden.
