DE102022118088A1

DE102022118088A1 - Kühlsystem für einen Gasmotorkolben, Gasmotor, Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben

Info

Publication number: DE102022118088A1
Application number: DE102022118088.3A
Authority: DE
Inventors: Inigo Guisasola; Olaf Berger; Gregor Stimpel
Original assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem (10) für einen Gasmotorkolben (100) zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen, wobei das System eine Kolbenkühlvorrichtung (12) umfasst, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom (14) aus einer ersten Position (P1) und/oder mindestens einer zweiten Position (P2) zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung (12) auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters (18) in die erste und/oder zweite Position (P1, P2) zu steuern. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Gasmotor (200), der mindestens einen Gasmotorkolben (12) und ein solches Kühlsystem (10) umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung auch ein Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Kühlen eines Gasmotorkolbens, der zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeignet ist. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch einen Gasmotor, der ein solches Kühlsystem umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Kühlverfahren zum Kühlen eines zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeigneten Gasmotorkolbens.
Technologischer Stand der Technik
Wachsendes Bewusstsein für die Auswirkungen, die mit den Emissionen herkömmlicher fossiler Brennstoffe verbunden sind, hat Erdgas (NG) zu einer attraktiven Alternative für Verbrennungsmotoren gemacht, insbesondere da es umweltfreundlich, sauber verbrennend, wirtschaftlich und effizient ist.
Wasserstoff- und Kohlenwasserstoffgase gelten als praktikable Möglichkeit, die Abgase von Gasmotoren noch sauberer zu machen. Der Betrieb von Gasmotoren mit Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen birgt jedoch auch das Risiko potenziell nachteiliger Auswirkungen, die mit der Verbrennung von Wasserstoff in Gasmotoren einhergehen.
Das Kühlsystem für einen Gasmotorkolben, der Gasmotor und das Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben der vorliegenden Offenbarung lösen eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
Kurzdarstellung der Erfindung
Ausgehend vom Stand der Technik ist es ein Ziel, ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässig arbeitendes Kühlsystem für einen Gasmotorkolben bereitzustellen, der zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeignet ist. Außerdem soll eine glühstellenbedingte Selbstzündung bei Gasmotorkolben zuverlässig verhindert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben mit den Merkmalen von Anspruch 1, einen Gasmotor mit einem solchen System mit den Merkmalen von Anspruch 14 und ein Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben mit den Merkmalen von Anspruch 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in der vorliegenden Beschreibung, den Figuren sowie den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Dementsprechend wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines Gasmotorkolbens bereitgestellt, der zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeignet ist. Das Kühlsystem umfasst eine Kolbenkühlvorrichtung, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom aus einer ersten Position und/oder aus mindestens einer zweiten Position zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters in die erste und/oder zweite Position zu steuern.
Weiter wird ein Gasmotor zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen bereitgestellt. Der Gasmotor umfasst mindestens einen Gasmotorkolben und ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Verfahrenstechnisch wird ein Kühlverfahren zum Kühlen eines Gasmotorkolbens, der zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeignet ist, bereitgestellt, das eine Kolbenkühlvorrichtung umfasst, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom aus einer ersten Position und mindestens einer zweiten Position zu sprühen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die Schritte zum Empfangen eines festgelegten Parameters an der Steuerungsvorrichtung, zum Steuern der Kolbenkühlvorrichtung in die erste und/oder die zweite Position auf Grundlage des mindestens einen festgelegten Parameters, sodass Kühlölablagerungen auf einer Gasmotorkolbenoberfläche zu Asche verbrannt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Die vorliegende Offenbarung wird durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, hierbei zeigt:

1 schematisch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 schematisch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 schematisch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 schematisch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben gemäß einer weiteren Entwicklung;
5 schematisch ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine erste Ausführungsform einer Kolbenkühlvorrichtung, die für das Kühlsystem geeignet ist, in einer Draufsicht;
7 eine zweite Ausführungsform einer Kolbenkühlvorrichtung, die für das Kühlsystem geeignet ist, in einer Seitenansicht;
8 schematisch einen Gasmotor mit einem Kühlsystem gemäß der ersten Ausführungsform; und
9 schematisch ein Flussdiagramm eines Kühlverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlicher erläutert. In den Figuren sind ähnliche Elemente durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine wiederholte Beschreibung davon kann entfallen, um Redundanzen zu vermeiden.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Kolbenkühlanwendungen zum Kühlen eines Gasmotorkolbens, der zur Verbrennung von Wasserstoff und/oder Wasserstoff/KohlenwasserstoffGemischen als Brenngas geeignet ist. Nach einem Beispiel kann ein solcher Gasmotorkolben für ein Brenngas geeignet sein, das nur Wasserstoff umfasst, wie es in H₂-Gasmotoren verwendet wird. Nach einem anderen Beispiel kann der Kolben für ein Brenngas geeignet sein, das ein Wasserstoff/KohlenwasserstoffGemisch mit einem bestimmten Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis umfasst.
Es wurde festgestellt, dass Wasserstoff und Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemische bessere Flammengeschwindigkeiten, einen größeren Entflammbarkeitsbereich, eine niedrigere Mindestzündenergie und/oder geringere Emissionen bieten können.
Im Vergleich zur Verbrennung von Erdgas erzeugt die Verbrennung von Wasserstoff weniger Wärme pro Gasvolumen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff im Zylinder können sich die Anforderungen an die Kolbenkühlung von den Anforderungen an die Kolbenkühlung bei der Verbrennung von Erdgas unterscheiden. Insbesondere wurde festgestellt, dass die Verwendung eines bestimmten Gasmotorkolbens mit einer an die Erdgasverbrennung angepassten Kolbenkühlung und der Betrieb dieses Kolbens mit Wasserstoff zu niedrigeren Temperaturen am Kolben führen kann. Dieser Effekt wurde auch für Gasmotorkolben beobachtet, die mit Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen betrieben werden.
Bei der Verbrennung von Erdgas in einem Gasmotor ist die Temperatur des Gasmotorkolbens hoch genug, um etwaige Kühlölrückstände zu Asche zu verbrennen. Es wurde jedoch festgestellt, dass niedrigere Kolbentemperaturen, wie sie z. B. bei der Verbrennung von Wasserstoff beobachtet werden, zu Bedingungen führen können, bei denen Kühlölrückstände am Kolben während der Verbrennung nicht zu Asche verbrannt werden. Stattdessen wurde beobachtet, dass Kühlölrückstände als teilweise verbrannte Kühlölkoksablagerungen an Ort und Stelle verbleiben. Häufig bilden solche teilweise verbrannten Kühlölkoksablagerungen Glühstellen, die im folgenden Verbrennungszyklus eine Vorzündung oder Selbstzündung auslösen können. Im Allgemeinen neigen Kühlölkoksablagerungen dazu, viel länger zu glühen als Asche, wodurch ein viel größeres Risiko besteht, dass sie bei einem nachfolgenden Verbrennungszyklus als Glühstellen wirken.
Mit anderen Worten kann das Erreichen zu niedriger Kolbentemperaturen zu Selbstzündungen und letztlich zum Ausfall des Motors führen. Werden die Kolbenoberflächentemperaturen hingegen auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten, werden Kühlölrückstände auf den Kolbenoberflächen zu Asche verbrannt, ohne dass sich Glühstellen bilden.
Daher werden verbesserte Gasmotorkolben-Kühlvorrichtungen benötigt, um die bei der Verbrennung von schwachen, wasserstoffhaltigen Brenngasen beobachtete geringere Wärmeabgabe zu kompensieren.
In 1 ist schematisch ein Kühlsystem 10 für einen Gasmotorkolben 100 gezeigt. Das Kühlsystem 10 umfasst eine Kolbenkühlvorrichtung 12, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 aus einer ersten Position P1 und/oder aus mindestens einer zweiten Position P2 auf den Gasmotorkolben 100 zu sprühen. Das Kühlsystem 10 umfasst ferner eine Steuerungsvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters 18 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 zu steuern.
Der Gasmotorkolben 100 kann konfiguriert sein, um mit einem Brenngas 20 betreibbar zu sein, vorzugsweise einem Brenngas 20 mit unterschiedlichen Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnissen. Beispielsweise kann das Brenngas 20 aus Luft + H₂ oder aus Luft + H₂+C_nH_m bestehen. Der Gasmotorkolben 100 kann Teil eines Gasmotors sein, z. B. eines Gasmotors vom Typ Verbrennungsmotor, der das Brenngas 20 in einem Brennraum 150 verbrennt. Der Gasmotorkolben 100 kann eine dem Brennraum 150 zugewandte Gasmotorkolbenfläche 140 aufweisen. Das im Kühlölstrom 14 verwendete Kühlöl kann Motoröl sein, das aus einer Ölwanne des Gasmotorkolbens entnommen wird (in 1 nicht gezeigt).
Wie in der Darstellung von 1 angedeutet, können die erste und zweite Position P1, P2 als zwei unterschiedliche räumliche Orte verstanden werden, von denen aus ein Kühlölstrom 14 gesprüht wird, vorzugsweise in Richtung des Gasmotorkolbens 100. Die erste und zweite Position P1, P2 können jedoch auch als zwei unterschiedliche Ausrichtungen eines Kühlölsprühens verstanden werden. Mit anderen Worten können die beiden unterschiedlichen Positionen als zwei unterschiedliche Ölauslasspositionen und/oder Ausrichtungen des Kühlstroms 14 verstanden werden. Zusätzlich zu der ersten Position und der zweiten Position kann die Kolbenkühlvorrichtung 12 ferner konfiguriert sein, um einen Kühlölstrom aus einer ersten, zweiten und n-ten Position P1, P2, Pn zu sprühen.
Dementsprechend kann das Bereitstellen einer Steuerungsvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 zu steuern, als Bereitstellen einer Steuerungsvorrichtung 16 verstanden werden, die konfiguriert ist, um zu steuern, ob ein Kühlölstrom 14 aus der ersten Position P1 und/oder aus der zweiten Position P2 gesprüht wird. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 16 konfiguriert sein, um einen Kühlölstrom 14 so zu leiten, zu beschränken oder zuzulassen, dass er auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters 18 aus der ersten und/oder der zweiten Position P1, P2 gesprüht wird.
Je nachdem, ob die Steuerungsvorrichtung 16 die Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste Position P1 und/oder die zweite Position P2 steuert, kann der Kühlölstrom 14 aus der ersten und/oder zweiten Position P1, P2 gesprüht werden. In der gezeigten Darstellung steuert die Steuerungsvorrichtung 16 die Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste Position P1 und die zweite Position P2. Unter normalen Bedingungen kann die Steuerungsvorrichtung 16 die Kolbenkühlvorrichtung 12 jedoch auch nur in entweder die erste Position P1 oder die zweite Position P2 steuern.
Die Tatsache, dass die Steuerung mindestens auf dem festgelegten Parameter 18 basiert, bedeutet, dass die Steuerung zwar von zusätzlichen Parametern abhängen oder eine Funktion dieser Parameter sein kann, sie jedoch auf dem festgelegten Parameter 18 basieren muss.
Der festgelegte Parameter 18 kann ein oder mehrere analoge Signale in Form von kontinuierlichen Signalen sein, die physikalische Messungen oder Eingaben darstellen. Alternativ kann der festgelegte Parameter ein digitales Signal in Form eines oder mehrerer zeitlich getrennter Signale sein, die durch digitale Modulation erzeugt werden. Ferner kann der festgelegte Parameter 18 ein Eingabesignal der Steuerungsvorrichtung 16 sein. Der festgelegte Parameter 18 kann ein Parameter sein, der vor der Verbrennung festgelegt wird. Beispielsweise kann der festgelegte Parameter 18 vor dem Betrieb des Gasmotorkolbens 100 oder vor der Verbrennung eines anderen Brenngases in dem Gasmotorkolben 100 festgelegt werden. Vorzugsweise kann der festgelegte Parameter 18 für einen gesamten Betriebszyklus eines Gasmotorkolbens gelten, einschließlich der Anlauf- und Betriebsphasen des Gasmotorkolbens.
Die Verwendung eines solchen festgelegten Parameters ermöglicht die Steuerung der Kolbentemperatur, ohne sich ausschließlich auf Echtzeitparameter wie eine Gaskolbentemperatur zu verlassen. Ferner kann die Kolbentemperatur gesteuert werden, ohne sich ausschließlich auf einen Motorbetriebszustand, z. B. „Anlaufen“ oder „Nennbetrieb“ des Motors, zu verlassen.
Durch die Steuerung der Kolbenkühlvorrichtung 12 in diese verschiedenen Positionen P1, P2, Pn auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters kann eine präzise Kühlung des Gasmotorkolbens 100 erreicht werden, mit dem Ergebnis, dass Kühlölablagerungen, beispielsweise Kühlölkoksablagerungen, während der Verbrennung zu Asche verbrannt werden. Dadurch kann vermieden werden, dass unverbrannte Kühlölkoksablagerungen in einem nachfolgenden Verbrennungszyklus Glühstellen bilden. Eine Selbstzündung durch Glühstellen kann somit vermieden werden. Dadurch kann die Betriebssicherheit des Gasmotorkolbens 100 erhöht werden.
Gemäß der in 1 bereitgestellten Darstellung kann die erste Position P1 eine Position sein, die geeignet ist, um den Kühlölstrom 14 in eine Kolbenölleitung 130 zu sprühen. Die zweite Position P2 kann eine Position sein, die geeignet ist, um das Kühlöl 14 auf eine Kolbenunterseite 120 zu sprühen.
Je nachdem, welche Position für das davon ausgehende Sprühen des Kühlölstroms 14 gewählt wird, kann das Kühlsystem 10 unterschiedliche Kühlleistungen aufweisen. Beispielsweise kann die Kühlleistung hoch sein, wenn der Kühlölstrom 14 aus der ersten Position P1 in die Kühlölleitung 130 gesprüht wird. Ebenso kann die Kühlleistung geringer sein, wenn der Kühlölstrom 14 aus der zweiten Position P2 auf die Kolbenunterseite 120 gesprüht wird. Dabei kann die Kühlleistung des Kühlsystems auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters 18 gesteuert werden.
Zu diesem Zweck kann die Kolbenkühlvorrichtung 12 eine erste Kühlöldüse 13 umfassen, die konfiguriert ist, um den Kühlölstrom 14 aus der ersten Position P1 zu sprühen. Die Kolbenkühlvorrichtung 12 kann ferner eine zweite Kühlöldüse 15 umfassen, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 aus der zweiten Position P2 zu sprühen. Die ersten und zweiten Kühlöldüsen 13, 15 können identisch konfiguriert sein, sodass der von diesen Düsen 13, 15 gebildete Sprühnebel ähnliche Eigenschaften aufweist.
Alternativ können die erste und die zweite Kühlöldüse 13, 15 unterschiedlich geformt sein, um unterschiedliche Sprüheigenschaften beim Sprühen des Kühlölstroms 14 zu berücksichtigen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die erste Kühlöldüse 13 an einem ersten Arm 36 und die zweite Kühlöldüse 15 an einem zweiten Arm 38 befestigt sein.
Die erste und die zweite Kühlöldüse 13, 15 können in einer Kühlölstromrichtung zueinander versetzt sein. Ferner können die erste und die zweite Kühlöldüse 13, 15 eine unterschiedliche Ausrichtung zueinander aufweisen.
In 2 ist beispielhaft ein Kühlsystem 10 für einen Gasmotorkolben 100 gemäß einer anderen Ausführungsform dargestellt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von 1 dadurch, dass der festgelegte Parameter 18 eine Funktion eines Brenngases 20 sein kann und dass die Steuerungsvorrichtung 16 aus 2 konfiguriert sein kann, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 ferner auf Grundlage einer Gaskolbentemperatur 110 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 zu steuern. Dabei kann die Gaskolbenkühlvorrichtung 12 auf Grundlage einer Gaskolbentemperatur 110 und eines Brenngases 20 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der festgelegte Parameter 18 eine Funktion einer Brenngaskonzentration 22, einer Wasserstoffkonzentration 24 und/oder eines Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Brenngas-Substitutionsverhältnisses 25 sein. Ferner können der festgelegte Parameter 18 und die Gaskolbentemperatur 110 als Eingabe für die Steuerungsvorrichtung 16 verwendet werden. Der festgelegte Parameter 18 kann die Brenngaskonzentration 22, die Wasserstoffkonzentration 24 und/oder das Wasserstoff/Brenngas-Substitutionsverhältnis 25 als explizite oder implizite Information in einem analogen oder digitalen Signal umfassen, wie im Zusammenhang mit 1 definiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls in 2 gezeigt ist, kann die Steuerungsvorrichtung 16 so konfiguriert sein, dass die Kolbenkühlvorrichtung 12 in die zweite Position P2 gesteuert wird, wenn das Brenngas 20 eine hohe Wasserstoffkonzentration 22 aufweist, beispielsweise eine Wasserstoffkonzentration zwischen 100 und 70 Vol.-%. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungsvorrichtung 16 so konfiguriert sein, dass die Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste Position P1 gesteuert wird, wenn das Brenngas 20 eine niedrige Wasserstoffkonzentration 22 aufweist, beispielsweise eine Wasserstoffkonzentration 22 zwischen 0 und 70 Vol.-%.
Unter einer hohen Wasserstoffkonzentration kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Wasserstoffkonzentration verstanden werden, die dazu führen würde, dass unverbrannte Kühlölkoksrückstände bei der Verbrennung im Gasmotorkolben eine Glühstelle bilden würden, wenn der Gasmotorkolben aus der ersten Position P1 gekühlt würde. Ebenso kann eine niedrige Wasserstoffkonzentration als eine Wasserstoffkonzentration verstanden werden, die bei der Verbrennung im Gasmotorkolben nicht zu einer glühstellenbedingten Kühlölverkokung führen würde, wenn der Gasmotorkolben aus der ersten Position P1 gekühlt würde.
In Zusammenhang damit kann das Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gassubstitutionsverhältnis im wörtlichen Sinne verstanden werden, wenn man von einer festen Menge an Luft und Erdgas ausgeht, die teilweise durch molekularen Wasserstoff ersetzt wird. Im weitesten Sinne können eine Wasserstoffkonzentration und ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis austauschbar verwendet werden.
Derartige Konfigurationen der Steuerungsvorrichtung 16 basieren auf der Beobachtung, dass das Vorhandensein von Wasserstoff im Brenngas positiv mit einer geringeren Kolbenerwärmung korreliert, wodurch der Bedarf an Kolbenkühlung verringert wird.
Genauer gesagt treten bei der Verbrennung von Brenngasen mit einer höheren Wasserstoffkonzentration oder einem höheren Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis niedrigere Temperaturen auf als bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Gasgemischen wie Erdgas. Aufgrund der beobachteten niedrigeren Temperaturen werden Kühlölablagerungen auf Kolbenoberflächen bei der Verbrennung zu Asche verbrannt, können aber stattdessen in Form von teilweise verbrannten, glühenden Kühlölkoksablagerungen zurückbleiben. Infolgedessen können solche Kühlölkoksablagerungen Glühstellen bilden und bei einem nachfolgenden Verbrennungszyklus zu Vorzündungen führen. Diese Phänomene können durch das Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung nur insoweit vermieden werden, als die Temperatur des Kolbens während der Verbrennung ausreichend hoch ist, dass Kühlölrückstände zu Asche verbrannt werden.
In 3 ist ein Kühlsystem 10 gemäß einer anderen Ausführungsform gezeigt. Gemäß der in 3 gezeigten Darstellung kann das Kühlsystem 10 ferner eine Benutzereingabeschnittstelle 26 umfassen, die konfiguriert ist, um den festgelegten Parameter 18 bereitzustellen.
Die Benutzereingabeschnittstelle 26 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die geeignet ist, um den festgelegten Parameter 18 auf eine Eingabe eines Benutzers hin bereitzustellen. Beispielsweise kann die Benutzereingabeschnittstelle 26 eine Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um den festgelegten Parameter 18 als eine Funktion eines Brenngases 20, als eine Funktion der Brenngaskonzentration 22, als eine Wasserstoffkonzentration 24 oder als ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis 25 bereitzustellen. Die Benutzereingabe 26 selbst kann aus dem festgelegten Parameter 18 selbst bestehen oder mit dem festgelegten Parameter 18 zusammenhängen.
In 4 ist ein Kühlsystem 10 gemäß einer anderen Ausführungsform gezeigt. Dementsprechend kann das Kühlsystem 10 ferner einen Wasserstoffsensor 28 umfassen, der konfiguriert ist, um den festgelegten Parameter 18 bereitzustellen. Der Wasserstoffsensor 28 kann beispielsweise vom WLD-Typ sein. Der Wasserstoffsensor 28 kann konfiguriert sein, um den festgelegten Parameter 18 bereitzustellen, ohne dass eine Benutzereingabe erforderlich ist. Der Wasserstoffsensor 28 kann beispielsweise den festgelegten Parameter 18 in Form eines analogen oder digitalen Signals bereitstellen, das eine Wasserstoffkonzentration 24 oder ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis 25 darstellt.
Der Wasserstoffsensor kann als einzige Quelle verwendet werden, die den festgelegten Parameter 18 bereitstellt. Alternativ kann der Wasserstoffsensor 28 nicht die einzige Quelle sein, die den festgelegten Parameter 18 bereitstellt.
In 5 ist ein Kühlsystem 10 gemäß einer anderen Ausführungsform gezeigt. Die in 5 gezeigte Ausführungsform basiert beispielhaft auf der in 2 gezeigten Ausführungsform. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist jedoch auch mit jeder anderen in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform kompatibel. 5 kann ferner eine Lookup-Tabelle, eine Korrelation und/oder einen Algorithmus 30 umfassen, die/der konfiguriert ist, um eine Ausgabe zur Steuerung der Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 bereitzustellen. Die Ausgabe kann ferner eine Kolbenmotortemperatur 110 umfassen.
Die Ausgabe kann eine Funktion eines Drucks, insbesondere eines Kühlöldrucks, sein. Dabei kann eine Ausgabe der Steuerungsvorrichtung 16 an eine Eingabe der Kühlölversorgung 12 angepasst werden. Die Lookup-Tabelle, die Korrelation und/oder der Algorithmus 30 können empirisch gewonnene Daten enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung 16 ferner Signalmodulationsmittel umfassen, die konfiguriert sind, um aus analogen Signalen digitale Signale zu erzeugen.
Ferner kann die Kolbenkühlvorrichtung 12 mehr als eine erste und zweite Kühlöldüse 13, 15 umfassen.
In 6 ist eine beispielhafte erste Ausführungsform einer Kolbenkühlvorrichtung 12, die zur Verwendung im Kühlsystem 10 geeignet ist, in einer Draufsicht gezeigt. Die Kolbenkühlvorrichtung 12 ist konfiguriert, um einen Kühlölstrom 14 aus einer ersten Position P1 und/oder aus mindestens einer zweiten Position P2 zu sprühen. Zu diesem Zweck kann die Kolbenkühlvorrichtung 12 eine erste Kühlöldüse 13 umfassen, die konfiguriert ist, um den Kühlölstrom 14 aus der ersten Position P1 zu sprühen. Die Kolbenkühlvorrichtung 12 kann ferner eine zweite Kühlöldüse 15 umfassen, die konfiguriert ist, um den Kühlölstrom 14 aus der zweiten Position P2 zu sprühen.
Die erste Kühlöldüse 13 kann an einem ersten Arm 36 befestigt sein, der einen ersten Kühlölkanal 40 umfasst. Ebenso kann die zweite Kühlöldüse 15 an einem zweiten Arm 38 befestigt sein, der einen zweiten Kühlölkanal 42 umfasst. Wie dargestellt, können die erste und die zweite Kühlöldüse 13, 15 zueinander versetzt sein. Der Versatz erstreckt sich in einer Richtung, die parallel zur Kolbenunterseite ist (in 6 nicht gezeigt). Darüber hinaus können die erste und die zweite Kühlöldüse 13, 15 in einer dazu senkrechten Richtung versetzt sein, die eine Richtung des Kühlölsprühens sein kann. Die erste und zweite Kühlöldüse können die gleiche Ausrichtung haben, d. h. die an der ersten und der zweiten Düse 13, 15 gebildeten Sprühstrahlen können sich in die gleiche Richtung bewegen, jedoch aufgrund des Versatzes von unterschiedlichen räumlichen Positionen aus.
Die Kolbenkühlvorrichtung 12 kann ein Kühlölventil 32 (in 6 nicht dargestellt, siehe 7) umfassen, das konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 in den ersten Kühlölkanal 40 und/oder den zweiten Kühlölkanal 42 zuzulassen oder zu blockieren. Das Kühlölventil 32 kann ein druckbetätigtes Ventil sein. Beispielsweise kann das Kühlölventil 32 so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck von 5 bar oder mehr der Kühlölstrom 14 zur ersten Kühldüse 13 geleitet wird. Somit kann der Kühlölstrom 14 aus der ersten Position P1 gesprüht werden. Ebenso kann das Kühlölventil 32 so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck unter 5 bar der Kühlölstrom 14 zur zweiten Kühldüse 15 geleitet wird. Somit kann der Kühlölstrom 14 aus der zweiten Position P2 gesprüht werden.
In 7 ist eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer für das Kühlsystem 10 geeigneten Kolbenkühlvorrichtung 12 in einer Seitenansicht gezeigt. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 6 gezeigten ersten Ausführungsform darin, dass die Kolbenkühlvorrichtung 12 eine drehbare Düse 17 umfassen kann, die konfiguriert ist, um in die erste Position P1 und/oder die mindestens zweite Position P2 drehbar zu sein. Mit anderen Worten kann die Kolbenkühlvorrichtung 12 gemäß der zweiten Ausführungsform nur einen ersten Arm 36 umfassen, der einen ersten Kühlölkanal 40 umfasst. Aufgrund ihrer drehbaren Konfiguration, beispielsweise durch einen flexiblen oder schwenkbaren Arm 36, kann die drehbare Düse 17 in die erste Position P1 und mindestens in die zweite Position P2 gebracht werden.
Die Kolbenkühlvorrichtung 12 kann ein Kühlölventil 32 umfassen, das konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 im ersten Kühlölkanal 40 zuzulassen oder zu blockieren. Das Kühlölventil 32 kann ein druckbetätigtes Ventil sein. Ferner kann die drehbare Düse 17 konfiguriert sein, um durch Druck drehbar zu sein. Beispielsweise kann das Kühlölventil 32 so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck von 5 bar oder mehr der Kühlölstrom 14 in den Kühlölkanal 40 geleitet wird und die drehbare Düse 17 sich in der ersten Position P1 befindet. Somit kann das Kühlöl 14 aus der ersten Position P1 gesprüht werden. Ebenso kann das Kühlölventil 32 so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck unter 5 bar der Kühlölstrom 14 noch in den Kühlölkanal 40 geleitet wird und die drehbare Düse 17 sich in der zweiten Position P2 befindet. Somit kann das Kühlöl 14 aus der zweiten Position P2 gesprüht werden.
Gemäß beiden Ausführungsformen der Kolbenkühlvorrichtung 12 kann die erste Position P1 eine Position sein, die geeignet ist, um den Kühlölstrom 14 in eine Ölkolbenleitung 130 (in den 6 und 7 nicht gezeigt) zu sprühen, und die zweite Position P2 kann eine Position sein, die geeignet ist, um das Kühlöl 14 auf eine Kolbenunterseite 120 (in den 6 und 7 nicht gezeigt) zu sprühen. Daher kann die erste Position P1 für Betriebsbedingungen geeignet sein, bei denen eine hohe Kühlanforderung erfüllt werden muss, z. B. beim Betrieb eines Gasmotorkolbens mit einem Brenngas mit niedriger Wasserstoffkonzentration. Ebenso kann die zweite Position P2 für Betriebsbedingungen geeignet sein, bei denen eine niedrigere Kühlanforderung erfüllt werden muss, z. B. beim Betrieb eines Gasmotorkolbens mit einem Brenngas mit hoher Wasserstoffkonzentration. Dadurch kann eine Verbrennung von Kühlölrückständen zu Asche erreicht werden, mit dem Ergebnis, dass eine glühstellenbedingte Vorzündung oder Selbstzündung des Brenngases vermieden werden kann. Dadurch kann die Betriebssicherheit eines Gasmotorkolbens, der Wasserstoff oder WasserstoffTKohlenwasserstoff-Gemische als Brenngas verwendet, erhöht werden.
Dem Fachmann wird klar sein, dass die Ausführungsformen der Kolbenkühlvorrichtung 12 miteinander kombiniert werden können, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 so zu konfigurieren, dass ein Kühlölstrom 14 aus einer ersten Position P1 und/oder mindestens aus einer zweiten Position P2 gesprüht wird, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können mehrere Düsen bereitgestellt sein, von denen keine, eine, manche oder alle drehbare Kühlöldüsen sein können.
Die Kolbenkühlvorrichtung 12, insbesondere das Kühlölventil 32, kann so konfiguriert sein, dass die Kolbenkühlvorrichtung 12 einmal pro Betrieb, vorzugsweise einmal pro verwendetem Brenngas, in die erste und/oder zweite Position P1, P2 gesteuert wird. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung 16 konfiguriert sein, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 nicht auf Grundlage einer Betriebsphase des Gasmotorkolbens, wie beispielsweise einem Anlauf- oder Nennbetrieb, sondern auf Grundlage des festgelegten Parameters 18, insbesondere einer Brenngaszusammensetzung, in die erste und/oder zweite Position zu steuern.
In 8 ist ein Gasmotor 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Gasmotor 200 ist zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen geeignet und umfasst mindestens einen Gasmotorkolben 100 und ein Kühlsystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Zu diesem Zweck gelten die gleichen Erklärungen, Definitionen und Prinzipien, die oben im Zusammenhang mit dem Kühlsystem 10 erläutert wurden, auch für den Gasmotor 200. Der Gasmotorkolben 100 kann eine Gasmotorkolbenoberfläche 140 umfassen, die einem Brennraum 150 zugewandt ist.
Daher umfasst der Gasmotor 200 eine Kolbenkühlvorrichtung 12, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 aus einer ersten Position P1 und/oder mindestens einer zweiten Position P2 zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters in die erste und/oder zweite Position P1, P2 zu steuern.
In 9 ist ein Flussdiagramm für ein Kühlverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Demnach ist ein Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben 100 zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen gezeigt. Die Schritte des Kühlverfahrens sind unter Verwendung eines Kühlsystems 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung durchführbar. Zu diesem Zweck umfasst das Kühlverfahren eine Kolbenkühlvorrichtung 12, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom 14 aus einer ersten Position P1 und/oder aus mindestens einer zweiten Position P2 zu sprühen, und eine Kühlvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung 12 auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters in die erste und/oder zweite Position P1, P2 zu steuern.
Das Kühlverfahren eines Gasmotors 100 zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die Schritte zum Empfangen S10 eines festgelegten Parameters 18 an der Steuerungsvorrichtung 16, zum Steuern S20 der Kolbenkühlvorrichtung 12 in die erste und/oder zweite Position P1, P2 auf Grundlage des mindestens einen festgelegten Parameters 18, sodass Kühlölablagerungen auf einer Gasmotorkolbenoberfläche 140 zu Asche verbrannt werden.
Genauer gesagt kann das Steuern S20 der Kolbenkühlvorrichtung 12 derart, dass Kühlölablagerungen auf der Gasmotorkolbenoberfläche 140 zu Asche verbrannt werden, ein Einstellen, beispielsweise ein Verringern, eines Kühlölstroms umfassen, sodass eine Temperatur an der Kolbenoberfläche 140 aufrechterhalten wird, die ausreicht, um Kühlölablagerungen während der Verbrennung zu Asche verbrennen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Gasmotorkolbenoberfläche 140 eine dem Brennraum 150 zugewandte Fläche sein.
Einem Fachmann wird klar sein, dass diese Ausführungsformen und Gegenstände nur Beispiele für eine Mehrzahl von Möglichkeiten darstellen. Daher sollten die hierin gezeigten Ausführungsformen nicht als Einschränkung dieser Merkmale und Konfigurationen verstanden werden. Jede mögliche Kombination und Konfiguration der beschriebenen Merkmale kann gemäß dem Umfang der Erfindung gewählt werden.
Dies gilt insbesondere für die folgenden optionalen Merkmale, die mit manchen oder allen zuvor erwähnten Ausführungsformen, Elementen und allen Merkmalen in jeder technisch möglichen Kombination kombiniert werden können. So kann das Kühlsystem beispielsweise für mehr als einen Gasmotorkolben geeignet sein. Ein Gasmotorkolben kann eine Komponente eines Gasmotors sein, der mit einem Brenngas betrieben wird. Ferner kann der Gasmotorkolben oder der Gasmotor mit einem Brenngas mit unterschiedlichen Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnissen betrieben werden.
Es kann ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen bereitgestellt werden, das eine Kolbenkühlvorrichtung umfasst, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom aus einer ersten Position und/oder mindestens einer zweiten Position zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung auf Grundlage mindestens eines festgelegten Parameters in die erste und/oder zweite Position zu steuern.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung kann sich der Begriff Wasserstoff auf zweiatomigen, homonuklearen Wasserstoff, H₂, beziehen. Gleichermaßen kann sich der Begriff Kohlenwasserstoffgas auf ein oder mehrere heteronukleare Kohlenwasserstoffgase, C_nH_m, beziehen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung kann Kühlöl ein Öl sein, das aus einer Ölwanne eines Gasmotors entnommen wird, beispielsweise aus einem Bereich unterhalb einer Kurbelwelle, an der der Kolbenzylinder befestigt ist. Der Kühlölstrom kann ein Strom aus Kühlöl sein, das dem Gasmotorkolben über die Kolbenkühlvorrichtung zugeführt wird.
Die Kolbenkühlvorrichtung kann beispielsweise einen Kühlöleinlass umfassen und so an einem Kolbenzylinder befestigt sein, dass der Kühlöleinlass mit einer am Kolbenzylinder verfügbaren Kühlölversorgung in Fluidverbindung steht.
Die Steuerungsvorrichtung kann eine Steuerungseinheit mit einer Eingabe und einer Ausgabe sein. Die Steuerung der Kolbenkühlvorrichtung in die erste und/oder die zweite Position auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters kann so verstanden werden, dass der festgelegte Parameter als Eingabeparameter für die Steuerungsvorrichtung verwendet wird. Ebenso kann jedes Signal, das von der Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Kolbenkühlvorrichtung ausgegeben wird, als eine Ausgabe der Steuerungsvorrichtung verstanden werden. Die Steuerung der Kolbenkühlvorrichtung durch die Steuerungsvorrichtung kann die Eingabe einer Ausgabe der Steuerungsvorrichtung in die Kolbenkühlvorrichtung umfassen. Die Kolbenkühlvorrichtung kann daher konfiguriert sein, um eine solche Eingabe zu empfangen und entsprechend der Steuerungseingabe einen Kühlölstrom aus der ersten und/oder der zweiten Position umzusetzen. Zu diesem Zweck können handelsübliche Schalter und/oder Ventile verwendet werden, die geeignet sind, um den Kühlölstrom zu leiten, zu blockieren und zuzulassen.
Der festgelegte Parameter kann ein Parameter sein, der vor dem Betrieb des Gasmotorkolbens festgelegt wird. Gemäß einem Beispiel kann der festgelegte Parameter ein Parameter sein, der vor dem Anlaufen des Motors festgelegt wird. Gemäß einem anderen Beispiel kann der festgelegte Parameter ein Parameter sein, der festgelegt wird, bevor ein Brenngas mit einem bestimmten Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis in den Gasmotorkolben eintritt. Gemäß einem anderen Beispiel kann der festgelegte Parameter so verstanden werden, dass er Echtzeitbetriebsphasen des Motors, wie Anlaufen bei Nennbetrieb des Motors, ausschließt.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann sich eine Steuerung oder ein Steuern der Kolbenkühlvorrichtung auf eine Regelung oder eine Steuerung beziehen. In manchen Fällen kann sich die Steuerung auch nur auf die (einmalige) Einstellung der Kolbenkühlvorrichtung vor oder zu Beginn des Gasmotorkolbenbetriebs beziehen. Das Einstellen der Kolbenkühlvorrichtung in die erste und/oder zweite Position kann durch Einstellen des festgelegten Parameters erfolgen. Der festgelegte Parameter kann eine Funktion des Kühlölstroms sein oder eine Eigenschaft davon in expliziter oder impliziter Form umfassen. Die Einstellung der Kolbenkühlvorrichtung (erste Position und/oder die mindestens zweite Position) kann aus einer Tabelle abgelesen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kolbenkühlvorrichtung ferner Mittel umfassen, die konfiguriert sind, um einen Kühlölstrom auf Grundlage einer Ausgabe der Steuerungsvorrichtung einzuschränken und/oder zu überschreiten.
Ein Kühlsystem, das eine solche Kolbenkühlvorrichtung und eine Steuerungsvorrichtung umfasst, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters in die erste und/oder die mindestens zweite Position zu steuern, hat den Vorteil, dass eine Kolbenkühlung in Abhängigkeit von Gasmotorbetriebsphasen wie Anlaufen oder Nennbetrieb vermieden werden kann. Dadurch kann das Kühlsystem für einen Gasmotorkolben auf die Verbrennung von Wasserstoff und Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen zugeschnitten werden. Das vorgeschlagene Kühlsystem kann somit zuverlässiger, kostengünstiger, weniger störanfällig und einfacher zu warten sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der festgelegte Parameter eine Funktion eines Brenngases, eine Funktion einer Brenngaskonzentration und/oder eines Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gassubstitutionsverhältnisses sein. Dies hat den Vorteil, dass die Kolbenkühlung auf das Brenngas, insbesondere auf Brenngaszusammensetzungen mit unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften und unterschiedlichen Wärmeerzeugungseigenschaften, abgestimmt werden kann. Insbesondere kann erreicht werden, dass bei der Verbrennung auch bei der Verbrennung von Wasserstoff im Brenngas Kühlölrückstände zu Asche verbrannt werden. Dadurch kann die Bildung von Kühlölkoksablagerungen, die als Glühstellen im nachfolgenden Verbrennungszyklus wirken, vermieden und dadurch die Gefahr einer Selbstentzündung verringert werden. Somit kann ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Gasmotors über einen weiten Bereich unterschiedlicher Brenngase erreicht werden.
So ist beispielsweise bekannt, dass die Wasserstoffkonzentration in einem Brenngas einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeerzeugung und - ausbreitung in einem Gasmotorkolben hat.
Es wurde festgestellt, dass eine erhöhte Wasserstoffkonzentration in einem Brenngas mit einer geringeren Erwärmung des Gasmotorkolbens anstelle einer erhöhten Erwärmung des Gasmotorkolbens verbunden sein kann. Dementsprechend kann eine erhöhte Wasserstoffkonzentration in einem Brenngas mit einem geringeren Kühlungsbedarf verbunden sein. Mit einer solchen Steuerungsvorrichtung kann erreicht werden, dass Kühlölrückstände bei der Verbrennung zu Asche verbrannt werden. Dadurch kann die Bildung von Kühlölkoksrückständen, die als Glühstellen wirken, vermieden werden, was eine glühstellenbedingte Selbstentzündung verhindern kann. Dadurch können die Motorbetriebssicherheit und die Motorleistung verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung so konfiguriert sein, dass die Kolbenkühlvorrichtung in die zweite Position gesteuert wird, wenn das Brenngas eine hohe Wasserstoffkonzentration aufweist, vorzugsweise zwischen 100 Vol.-% und 70 Vol.-%, wobei bevorzugt die Steuerungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass die Kolbenkühlvorrichtung in die erste Position gesteuert wird, wenn das Brenngas eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, vorzugsweise zwischen 0 Vol.-% und 70 Vol.-%.
Noch bevorzugter kann die erste Position eine Position sein, in der die Kühlleistung hoch ist, beispielsweise eine Position, die geeignet ist, um den Kühlölstrom in eine Kühlölleitung des Kolbens zu sprühen. Ferner kann der zweite Kolben eine Position sein, in der die Kühlleistung geringer ist, beispielsweise eine Position, die geeignet ist, um den Kühlölstrom auf die Unterseite eines Kolbens zu sprühen.
Dadurch kann eine übermäßige Kühlung des Kolbens vermieden werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Brenngas hoch ist. Wird ein Gasmotorkolben, der mit Wasserstoff oder hohen Wasserstoffkonzentrationen betrieben wird, auf die gleiche Weise gekühlt wie Gasmotorkolben, die mit Kohlenwasserstoffgasen betrieben werden, besteht ein hohes Risiko, dass durch unverbrannte Kühlölrückstände Glühstellen am Gasmotorkolben entstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems kann die Kolbenkühlvorrichtung eine erste Kühlöldüse umfassen, die konfiguriert ist, um die Kühlung aus der ersten Position zu sprühen, und eine zweite Kühlöldüse, die konfiguriert ist, um den Kühlölstrom aus der zweiten Position zu sprühen.
Mit anderen Worten kann für jede Position eine eigene Kühlöldüse bereitgestellt sein. Diese Kühlöldüsen können starr an der Kolbenkühlvorrichtung befestigt sein. Durch die Bereitstellung einer ersten Kühlöldüse und einer zweiten Kühlöldüse im Sinne dieser Ausführungsform kann eine wiederholbare und vorhersagbare Kühlleistung erreicht werden, indem der Kühlölstrom entweder aus der ersten, der zweiten oder aus beiden Kühlöldüsen gesprüht wird. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Kühlsystems erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die erste und zweite Kühlöldüse an einem ersten bzw. zweiten Arm mit einem ersten bzw. zweiten Kühlölkanal befestigt werden. Dadurch kann die Positionierung der Düsen an der Kolbenkühlvorrichtung relativ zueinander und relativ zu dem zu kühlenden Gasmotorkolben auf einfache Weise erreicht werden. Durch die Bereitstellung spezieller Kühlölkanäle kann die Kolbenkühlvorrichtung auf einfache Weise in die erste und/oder zweite Position gesteuert werden, indem ein Kühlölstrom zu einem oder beiden spezielle Kühlölkanälen geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die erste und die zweite Kühlöldüse zueinander versetzt sein und/oder wobei die erste und zweite Kühlöldüse eine unterschiedliche Ausrichtung zueinander haben können. Der Versatz kann in einer Ebene parallel zur Kolbenunterseite liegen. Eine Kühlöldüse, z. B. die erste Kühlöldüse, kann unter der Kolbenkühlölleitung ausgerichtet sein, während die andere Kühlöldüse, z. B. die zweite Kühlöldüse, unter einer Kolbenkühlbodenoberfläche ausgerichtet sein kann. Dadurch können die Kühlöldüsen in Position gebracht werden, um Kühlöl auf das zugewiesene Ziel am Gasmotorkolben zu sprühen. Optional kann eine solche Positionierung der Kühlöldüsen ihr Umordnen in unterschiedliche Ausrichtungen umfassen, um Kühlöl auf das zugewiesene Ziel auf dem Gasmotorkolben zu sprühen. Alternativ oder zusätzlich kann der Versatz in einer Richtung des Kühlölsprühens liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kolbenkühlvorrichtung so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck von 5 bar oder mehr der Kühlölstrom zur ersten Kühldüse geleitet wird. Somit kann der Kühlölstrom aus der ersten Position gesprüht werden. Ebenso kann das Kühlölventil so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck unter 5 bar der Kühlölstrom zur zweiten Kühldüse geleitet wird. Somit kann der Kühlölstrom aus der zweiten Position gesprüht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kolbenkühlvorrichtung ein Kühlölventil umfassen, das konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom im ersten Kühlölkanal und/oder dem zweiten Kühlölkanal zuzulassen oder zu blockieren. Bei dem Kühlölventil kann es sich um ein druckbetätigtes Ventil handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Kolbenkühlvorrichtung eine drehbare Düse umfassen, die konfiguriert ist, um in die erste Position und/oder die mindestens zweite Position drehbar zu sein. Mit anderen Worten kann die Kolbenkühlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform nur einen ersten Arm umfassen, der einen ersten Kühlölkanal umfasst. Aufgrund ihrer drehbaren Konfiguration, beispielsweise durch einen flexiblen oder schwenkbaren Arm, kann die drehbare Düse in die erste Position und die zweite Position gebracht werden.
Die Kolbenkühlvorrichtung kann ein Kühlölventil umfassen, das konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom im ersten Kühlölkanal zuzulassen oder zu blockieren. Bei dem Kühlölventil kann es sich um ein druckbetätigtes Ventil handeln. Ferner kann die drehbare Düse konfiguriert sein, um durch Druck drehbar zu sein. Beispielsweise kann das Kühlölventil so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck von 5 bar oder mehr der Kühlölstrom in den Kühlölkanal geleitet wird und die drehbare Düse sich in der ersten Position befindet. Somit kann das Kühlöl aus der ersten Position gesprüht werden. Ebenso kann das Kühlölventil so konfiguriert sein, dass bei einem Kühlöldruck unter 5 bar der Kühlölstrom immer noch in den Kühlölkanal geleitet wird und die drehbare Düse sich in der zweiten Position befindet. Somit kann das Kühlöl aus der zweiten Position gesprüht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung konfiguriert sein, um die Kolbenkühlvorrichtung auf Grundlage einer Gaskolbentemperatur in die erste und/oder die zweite Position zu steuern. Dabei können zwei Eingaben bereitgestellt werden, die Gaskolbentemperatur und der festgelegte Parameter. Auf diese Weise kann die Kolbenkühlvorrichtung ausfallsicher gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlsystem ferner eine Kühlölpumpe umfassen, die konfiguriert ist, um bei Betätigung durch die Steuerungsvorrichtung den Kühlöldruck zu erhöhen oder zu verringern, um die Kolbenkühlvorrichtung in die erste und/oder die zweite Position zu steuern. Die Kühlölpumpe kann konfiguriert sein, um eine Ausgabe der Steuerungsvorrichtung als Eingabe zu verwenden. Die Kühlölpumpe kann von der Steuerungsvorrichtung so betätigt werden, dass ein Solldruck erreicht wird. Vorzugsweise kann die Kühlölpumpe so kalibriert werden, dass bei einer bestimmten Ausgabe der Steuerungsvorrichtung ein bestimmter Solldruck erreicht wird.
Auf diese Weise kann ein einfaches, kostengünstiges und leicht zu bedienendes und zu wartendes Kühlsystem für Gasmotorkolben bereitgestellt werden. Ferner kann ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben bereitgestellt werden, das mit Brenngasen mit unterschiedlichen WasserstoffTKohlenwasserstoff-Gasverhältnissen betrieben werden kann.
Es kann ein Gasmotor bereitgestellt werden, der mindestens einen Gasmotorkolben und ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst, wobei der Gasmotorkolben konfiguriert ist, um mit mindestens einem Brenngas, vorzugsweise mit mindestens zwei Brenngasen mit unterschiedlichen WasserstoffTKohlenwasserstoff-Gasverhältnissen, betreibbar zu sein, wobei der festgelegte Parameter eine Funktion des verwendeten Brenngases ist. Bezogen auf das Kühlsystem können die oben genannten Erläuterungen, Ausführungsformen, Ausführungsformen sowie Vorteile und technische Effekte entsprechend gelten.
Es kann ein Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben bereitgestellt werden, das ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst und die Schritte zum Empfangen eines festgelegten Parameters an der Steuerungsvorrichtung, zum Steuern des Kühlölstroms auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters, sodass Kühlölablagerungen auf einer Gasmotorkolbenoberfläche zu Asche verbrannt werden, umfasst. Bezogen auf das Kühlsystem können die oben genannten Erläuterungen, Ausführungsformen, Ausführungsformen sowie Vorteile und technische Effekte gegebenenfalls entsprechend gelten.
Genauer gesagt kann das Steuern der Kolbenkühlvorrichtung, sodass Kühlölablagerungen auf der Gasmotorkolbenoberfläche zu Asche verbrannt werden, ein Einstellen, beispielsweise ein Verringern eines Kühlölstroms umfassen, sodass eine Temperatur an der Kolbenoberfläche aufrechterhalten wird, die ausreicht, um Kühlölablagerungen während der Verbrennung zu Asche verbrennen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Gasmotorkolbenfläche 140 eine einem Brennraum zugewandte Fläche sein.
Mit einem solchen Kühlsystem kann erreicht werden, dass Kühlölrückstände bei der Verbrennung zu Asche verbrannt werden. Dadurch kann die Bildung von Kühlölkoksrückständen, die als Glühstellen wirken, vermieden werden, was eine glühstellenbedingte Selbstentzündung verhindern kann. Dadurch können die Motorbetriebssicherheit und die Motorleistung verbessert werden.
Auf diese Weise kann ein einfaches, kostengünstiges und leicht zu bedienendes und zu wartendes Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben bereitgestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der festgelegte Parameter eine Wasserstoffkonzentration und/oder ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis umfassen, wobei der Steuerungsschritt ferner einen Unterschritt zur Verringerung des Kühlölstroms für eine erhöhte Wasserstoffkonzentration und/oder ein erhöhtes Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis und vorzugsweise einen weiteren Schritt zur Erhöhung des Kühlölstroms für eine verringerte Wasserstoffkonzentration und/oder ein verringertes Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasverhältnis umfasst.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Unter Bezugnahme auf die Figuren sind ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben, ein Gasmotor und ein Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben in jedem geeigneten Verbrennungsmotor anwendbar, beispielsweise in Verbrennungsmotoren für gasförmige Kraftstoffe und insbesondere in einem Verbrennungsmotor, der mit Brenngasen betrieben wird, die Kohlenwasserstoff/Wasserstoff-Gasgemische umfassen.
In der Praxis kann ein Kühlsystem für einen Gasmotorkolben, ein Gasmotorkolben und/oder eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Baugruppen und Komponenten hergestellt, gekauft oder verkauft werden, um einen Gasmotor oder einen bereits im Einsatz befindlichen Gasmotor im Rahmen des Nachrüstmarkts nachzurüsten, oder alternativ dazu kann es in einem OEM (Original Equipment Manufacturer, Ersthersteller) -Kontext hergestellt, gekauft, verkauft oder anderweitig erworben werden.
Wie bereits angedeutet, können die vorstehend genannten Ausführungsformen ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässig arbeitendes Kühlsystem für einen Gasmotorkolben bereitstellen.
Bezug nehmend auf 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, die ein Kühlsystem für einen Gasmotor offenbart, das eine Kolbenkühlvorrichtung offenbart, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom aus einer ersten Position und/oder mindestens einer zweiten Position zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters in die erste und/oder die zweite Position zu steuern. Ein Fachmann wird erwarten, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Einfachheit aufweisen, die weniger Wartung und weniger komplexe Einstellungstechnologien für Kühlsysteme erfordert.
Die gleichen Vorteile gelten ebenso für die übrigen Figuren, insbesondere für den Gasmotor, der ein solches Kühlsystem umfasst, und für das Kühlverfahren.
Die vorliegende Beschreibung dient nur für die Veranschaulichung und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass sie die Breite der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Weise einschränkt. Daher werden Fachleute es zu schätzen wissen, dass verschiedene Modifikationen an den vorliegend offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem vollen und fairen Umfang und dem Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche deutlich. Wie hierin verwendet, sollen die Artikel „ein, eine“ einen oder mehrere Artikel enthalten und können mit „ein, eine oder mehrere“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein, eine“ oder eine ähnliche Redeweise verwendet. Ebenso sind die hierin verwendeten Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „aufweisend“, „beinhalten“, „beinhaltet“, „beinhaltend“ oder dergleichen als erweiterbare Begriffe gedacht. Ferner soll der Ausdruck „auf Grundlage von“ „wenigstens teilweise auf Grundlage von“ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Alle Verweise auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen auf das spezielle Beispiel verweisen, das zu diesem Zeitpunkt erläutert wird, und sollen keine Einschränkung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen implizieren. Jede Redeweise der Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf eine mangelnde Präferenz für diese Merkmale hinweisen, jedoch diese nicht vollständig aus dem Umfang der Offenbarung ausschließen, sofern nicht anders angegeben.
Die Erwähnung von Wertebereichen dient hierin lediglich als eine Kurzform für die individuelle Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, sofern hierin nicht anders angegeben, und jeder einzelne Wert wird so in die Patentschrift aufgenommen, als ob er hierin individuell rezitiert würde.
Bestimmte Schritte jedes Verfahrens können ausgelassen werden, in einer anderen Reihenfolge als der ausdrücklich erwähnten ausgeführt oder in einigen Fällen gleichzeitig oder in Teilschritten ausgeführt werden. Darüber hinaus können Variationen oder Modifikationen an bestimmten Aspekten oder Merkmalen verschiedener Ausführungsformen vorgenommen werden, um weitere Ausführungsformen zu schaffen, und Merkmale und Aspekte verschiedener Ausführungsformen können zu anderen Merkmalen oder Aspekten anderer Ausführungsformen hinzugefügt oder durch diese ersetzt werden, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
Dementsprechend beinhaltet diese Offenbarung alle Modifikationen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen genannten Gegenstands, soweit dies nach geltendem Recht zulässig ist. Darüber hinaus ist jede Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon von der Offenbarung eingeschlossen, sofern hierin nicht anders angegeben oder durch den Zusammenhang eindeutig widersprochen wird.
Liste der Bezugszeichen:

P1: erste Position
P2: zweite Position
S10: Schritt zum Empfangen eines festgelegten Parameters
S20: Schritt zum Steuern der Kolbenkühlvorrichtung
10: Kolbenkühlsystem
12: Kolbenkühlvorrichtung
13: erste Kühldüse
14: Kühlölstrom
15: zweite Kühldüse
16: Steuerungsvorrichtung
17: drehbare Düse
18: festgelegter Parameter
20: Brenngas
22: Brenngaskonzentration
24: Wasserstoffkonzentration
25: Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnis
26: Benutzereingabeschnittstelle
28: Wasserstoffsensor
30: Ausgabe
32: Kühlölventil
34: Kühlölpumpe
36: erster Arm
38: zweiter Arm
40: erster Kühlölkanal
42: zweiter Kühlölkanal
44: Befestigungsmittel
100: Gasmotorkolben
110: Kolbenöltemperatur
120: Kolbenunterseite
130: Kolbenölleitung
140: Kolbenoberfläche
150: Brennraum
200: Gasmotor

Claims

Kühlsystem (10) für einen Gasmotorkolben (100) zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen, wobei das System Folgendes umfasst: eine Kolbenkühlvorrichtung (12), die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom (14) aus einer ersten Position (P1) und/oder mindestens einer zweiten Position (P2) zu sprühen; und eine Steuerungsvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung (12) auf Grundlage von mindestens einem festgelegten Parameter (18) in die erste und/oder zweite Position (P1, P2) zu steuern.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Position (P1) eine zum Sprühen des Kühlölstroms (14) in eine Kolbenölleitung (130) geeignete Position ist, und wobei die zweite Position (P2) eine zum Sprühen des Kühlölstroms (14) auf eine Kolbenunterseite (120) geeignete Position ist.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der festgelegte Parameter (18) eine Funktion eines Brenngases (20) ist.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 3, wobei der festgelegte Parameter (18) eine Funktion einer Brenngaskonzentration (22), einer Wasserstoffkonzentration (24) und/oder eines Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnisses (25) ist.
Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Steuerungsvorrichtung (16) so konfiguriert ist, dass die Kolbenkühlvorrichtung (12) in die zweite Position (P2) gesteuert wird, wenn das Brenngas (20) eine hohe Wasserstoffkonzentration (24) aufweist, vorzugsweise zwischen 100 Vol.-% und 70 Vol.-%, wobei bevorzugt die Steuerungsvorrichtung (16) so konfiguriert ist, dass die Kolbenkühlvorrichtung (12) in die erste Position (P1) gesteuert wird, wenn das Brenngas (20) eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, vorzugsweise (24) zwischen 0 Vol.-% und 70 Vol.-%.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kolbenkühlvorrichtung (12) eine erste Kühlöldüse (13) umfasst, die zum Sprühen des Kühlölstroms (14) aus der ersten Position (P1) konfiguriert ist, und eine zweite Kühlöldüse (15), die zum Sprühen des Kühlölstroms (14) aus der zweiten Position (P2) konfiguriert ist.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Kühlöldüse (13, 15) an einem ersten bzw. zweiten Arm (36, 38) befestigt sind, die einen ersten bzw. zweiten Kühlölkanal (40, 42) umfassen.
Kühlsystem (10) nach den Ansprüchen 6 bis 7, wobei die erste und zweite Kühlöldüse (13, 15) zueinander versetzt sind und/oder wobei die erste und zweite Kühlöldüse (13, 15) unterschiedliche Ausrichtungen in Bezug aufeinander haben.
Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kolbenkühlvorrichtung (12) eine drehbare (3D) Düse (17) umfasst, die konfiguriert ist, um in die erste Position (P1) und/oder die mindestens zweite Position (P2) drehbar zu sein.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 9, wobei die Steuerungsvorrichtung (16) konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung (12) weiter auf Grundlage einer Gaskolbentemperatur (110) in die erste und/oder zweite Position (P1, P2) zu steuern.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine Benutzereingabeschnittstelle (26) umfasst, die konfiguriert ist, um den festgelegten Parameter (18) bereitzustellen.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerungsvorrichtung ferner eine Lookup-Tabelle, Korrelation und/oder einen Algorithmus umfasst, die/der konfiguriert ist, um eine Ausgabe (30) zum Auswählen der ersten und/oder zweiten Position (P1, P2) bereitzustellen, wobei vorzugsweise die Ausgabe (30) eine Funktion eines Kühlöldrucks ist.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine Kühlölpumpe (34) umfasst, die konfiguriert ist, um Kühlöldruck bei Betätigung durch die Steuerungsvorrichtung (16) zu erhöhen oder zu senken, um die Kolbenkühlvorrichtung (12) in die erste und/oder die zweite Position (P1, P2) zu steuern.
Gasmotor (200) zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen, der mindestens einen Gasmotorkolben (12) und ein Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Kühlverfahren für einen Gasmotorkolben (100) zur Verbrennung von Wasserstoff oder Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gasgemischen, das eine Kolbenkühlvorrichtung (12) umfasst, die konfiguriert ist, um einen Kühlölstrom (14) aus einer ersten Position (P1) und/oder mindestens einer zweiten Position (P2) zu sprühen, und eine Steuerungsvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um die Kolbenkühlvorrichtung (12) in die erste und/oder zweite Position (P1, P2) zu steuern, umfassend die folgenden Schritte: - Empfangen (S10) eines festgelegten Parameters (18) an der Steuerungsvorrichtung (16); - Steuern (S20) der Kolbenkühlvorrichtung (12) in die erste und/oder zweite Position (P1, P2) auf Grundlage mindestens des festgelegten Parameters (18), sodass Kühlölablagerungen auf einer Gasmotorkolbenfläche (140) zu Asche verbrannt werden.