DE10237596A1

DE10237596A1 - Optimierung des Beschleunigungsverhaltens von gemischaufgeladenen Otto-/Diesel-/ oder Zündstrahl-Gasmotoren

Info

Publication number: DE10237596A1
Application number: DE10237596A
Authority: DE
Inventors: Roland Henn
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: DE10237596B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, die einlassseitig eine Flammendurchschlagsicherung aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Betriebsverhalten einer solchen Brennkraftmaschine 1 dadurch verbessert, dass über die Flammendurchschlagsicherung 7 Brenngas dem durch die Flammendurchschlagsicherung 7 hindurchströmenden Gas-Luft-Gemisch in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 zugegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinderrohr bewegbar ist, wobei in dem Zylinderkopf angeordnete Gaswechselventile über zumindest je einen Auslasskanal und einen Einlasskanal mit einer Abgasleitung und einer Gemischleitung verbunden sind, wobei die Brennkraftmaschine gasbetrieben ist sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.

Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 19 56 993 bekannt. Besonderheit dieser gasbetriebenen Brennkraftmaschine ist die Anordnung der Flammendurchschlagsicherung im Bereich zwischen dem Einlasskanal und der Gemischleitung der Brennkraftmaschine und zwar derart, dass jeweils eine aus drei nebeneinander liegenden Elementen bestehende Flammendurchschlagsicherung zwei nebeneinander liegenden Zylindereinheiten zugeordnet sind. Dadurch wird die Wirksamkeit einer solchen Flammendurchschlagsicherung bei einfachem Anbau verbessert und die Druckverluste werden gering gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass über eine Vorrichtung Brenngas dem durch die Gemischleitung hindurchströmenden Gas-Luft-Gemisch in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zugegeben wird. Grundlage zu diesem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung ist die Erkenntnis, dass bei einer gemischaufgeladenen Brennkraftmaschine in Form eines Otto-Gasmotors, eines Diesel-Gasmotors oder eines Zündstrahl-Gasmotors (bei dem mit einer geringen Zündstrahlmenge {Diesel} die Betriebsmenge {Gas} gezündet wird) das Beschleunigungsverhalten prinzipbedingt nicht zufriedenstellend ist. Um der Brennkraftmaschine schneller und/oder größere Laststufen aufschalten zu können, muss den Brennräumen der Zylindereinheiten ohne große Verzögerung ausreichend Energie zur Verfügung gestellt werden (ähnlich wie bei einem Dieselmotor, bei dem die Einspritzmenge schnell erhöht werden kann). Alleine durch ein schnelles Öffnen der Drosselklappe in der Gemischleitung ist dies bei zu geringer Ladedruckreserve nicht befriedigend möglich. Durch die Anfettung des durch die Vorrichtung strömenden, beispielsweise mageren Gas-Luft-Gemisches mit Brenngas erhalten die Brennräume unmittelbar die für die Beschleunigung notwendige Energie. Das Brenngas kann reines Brenngas oder auch ein Brenngas-Luft-Gemisch sein. Beispiele für Anwendungen, die ein gutes Beschleunigungsverhalten erfordern, sind Notstrombetriebe oder Verdichterantriebe.

In weiterer Ausgestaltung weist die Brennkraftmaschine einlassseitig eine Flammendurchschlagsicherung auf und die Vorrichtung ist Teil der Flammendurchschlagsicherung. Dadurch ist eine konstruktiv gut lösbare Ausgestaltung gegeben, die zudem eine intensive Vermischung des Gas-Luft-Gemisches mit dem Brenngas gewährleistet.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Flammendurchschlagsicherung zumindest zwei hintereinander unter Bildung eines Zwischenraumes angeordnete Flammfilter auf und das Brenngas wird in den Zwischenraum eingebracht. Diese Ausbildung ist günstig für eine ausführungstechnisch mit geringem Aufwand zu lösende Zufuhr von Brenngas zu dem Gas-Luft-Gemisch, wobei zudem durch die Einbringung bzw. Einblasung von Brenngas in den Zwischenraum eine gute Vermischung mit dem Gas-Luft-Gemisch erreicht wird.

Dabei ist in weiterer Ausgestaltung in dem Zwischenraum zumindest eine Brenngasverteilleitung angeordnet. Diese Brenngasverteilleitung kann beispielsweise ein sich durch den Zwischenraum (bogenförmig, kreuzförmig) erstreckendes Rohr (Rohrsystem) sein, in das eine Vielzahl von Öffnungen eingelassen sind, die in Strömungsrichtung des Gas-Luft-Gemisches hin zu dem Einlasskanal oder den Einlasskanälen ausgerichtet sind. Diese Brenngasverteilleitung kann aber auch als Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 direkt in die Gemischleitung integriert sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Regelelement, das ein Druckregler oder ein Ventil sein kann, vorgesehen, das in die Zufuhrleitung des Brenngases eingesetzt ist. Mit dem Druckregler beziehungsweise alternativ mit dem insbesondere getakteten Ventil wird der Druck des Brenngases an das Druckniveau in der Gemischleitung angepasst, um zu jedem Lastzustand bzw. Betriebszustand die erforderliche Druckdifferenz zwischen Brenngas und Gemischdruck in der Gemischleitung zur Verfügung zu haben. Die Druckdifferenz ist so einzuhalten, dass ein definierter höherer Druck in der Zufuhrleitung herrscht. Dadurch wird im Übrigen ein Überfetten des Gemisches verhindert. Mit weiteren den einzelnen Zylindern zugeordneten Regelelementen, die wie beschrieben auch Druckregler oder Ventile sein können, erfolgt dann eine individuelle Zugabe von Brenngas zu den Brennräumen der einzelnen Zylindereinheiten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen beziehungsweise Betriebszuständen der Brennkraftmaschine beziehungsweise der einzelnen Zylindereinheiten.

Weiterhin ist jeder Zylindereinheit der Brennkraftmaschine zumindest eine Flammendurchschlagsicherung zugeordnet. Diese Flammendurchschlagsicherung kann mehrere, beispielsweise drei, nebeneinander angeordnete Elemente aufweisen, die aus den jeweils zwei einen Zwischenraum einschließenden Flammenfiltern bestehen. Diese Flammendurchschlagsicherung mit drei Elementen ist in die Gemischleitung so eingebaut, dass zwei nebeneinander liegende Zylindereinheiten bzw. deren Einlasskanäle bedient sind.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases die Brennkraftmaschinendrehzahl wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet:

a) die Brennkraftmaschinendrehzahl bricht zur Folge einer Lastaufschaltung ab,
b) bei Überschreitung des Drehzahleinbruchs um einen gewissen Betrag wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet,
c) nähert sich die Brennkraftmaschinendrehzahl wieder der Nenndrehzahl, wird die Zufuhr von Brenngas wieder ausgeschaltet.

Alternativ oder ergänzend wird zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases ein Lastsignal wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet:

a) bei einer Lastzuschaltung wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet,
b) die Zufuhr von Brenngas wird in Abhängigkeit der Höhe der Lastaufschaltung wieder ausgeschaltet.

Ebenfalls alternativ oder ergänzend wird zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases die Drosselklappenstellung wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet:

a) bei einer schnellen Öffnungsbewegung der Drosselklappe wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet,
b) bei Erreichen einer der Last entsprechenden Normalstellung der Drosselklappe wird die Zufuhr von Brenngas wieder ausgeschaltet.

Mit diesen Regelverfahren, die jeweils alleine oder auch beliebig miteinander kombiniert angewandt werden können, wird das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine ohne dass zusätzlich zu den bereits erfassten Betriebsparametern weitere Parameter aufgenommen werden müssen, wesentlich verbessert.

Zum Schutz der Brennkraftmaschine werden folgende Randbedingungen berücksichtigt:

a) um eine stark klopfende Verbrennung zu vermeiden, wird der Druck oder die Menge des Brenngases über ein Regelelement an den Druck in der Gemischleitung angeglichen,
b) wird die Brennkraftmaschine bereits mit klopfender Verbrennung betrieben, wird die Zufuhr von Brenngas gesperrt,
c) in dem Brennkraftmaschinenmanagement wird entsprechend der Aufstellbedingungen hinterlegt, dass die Zufuhr von

Brenngas ab einer einzustellenden Last nicht mehr aktiviert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist. Es zeigen:
1 in einer schematischen Gesamtdarstellung die Brennkraftmaschine mit der Anreicherungsvorrichtung,
2 eine Detailansicht X gemäß 1,
3 eine Flammendurchschlagsicherung in Draufsicht und
4 einen Querschnitt durch die Flammendurchschlagsicherung gemäß 3.
Die Brennkraftmaschine 1 gemäß 1 weist ein Kurbelgehäuse 2 auf, in dem eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist, an der Pleuel angelenkt sind, die Kolben tragen, die in von Zylinderköpfen abgedeckten Zylindereinheiten 4a, 4b, 4c, 4d, 4e bewegbar sind. Über in den Zylinderköpfen angeordnete Einlasskanäle 6a, 6b, 6c, 6d, 6e und Gaswechselventile ist den Brennräumen der einzelnen Zylindereinheiten 4a–4e von einer Gemischleitung 5 jeweils ein Gas-Luft-Gemisch zuführbar. Dabei ist zwischen der Gemischleitung 5 und den Einlasskanälen 6a, 6b, 6c, 6d, 6e jeweils eine Flammendurchschlagsicherung 7a, 7b, 7c, 7d, 7e angeordnet, die nachfolgend näher erläutert ist. Die Brennräume der Zylindereinheiten 4a, 4b, 4c, 4d, 4e sind über weitere Gaswechselventile und über Auslasskanäle 8a, 8b, 8c, 8d, 8e mit einer Abgasleitung 9 verbunden. Durch die Abgasleitung 9 strömt das Abgas unter Antrieb der Turbine 10a eines Abgasturboladers 10 letztendlich in die Umgebung ab. Dem Verdichter 10b des Abgasturboladers 10 wird Luft oder ein Gas-Luft-Gemisch zugeführt, wobei das Mischungsverhältnis in einem Mischer 11, der vorzugsweise ein Venturimischer ist, eingestellt wird. In Strömungsrichtung hinter dem Verdichter 10b ist in die Leitungsverbindung zu der Gemischleitung 5 ein Ladeluftkühler 12 und eingangsseitig in die Gemischleitung 5 eine Drosselklappe 13 eingeschaltet. Der Mischer 11 kann im Übrigen auch vor oder hinter dem Ladeluftkühler 12 angeordnet sein oder Bestandteil des Ladeluftkühlers 12 sein.
Die Detailansicht nach 2 zeigt die Flammendurchschlagsicherung 7b, der über ein Regelelement 14b bevorzugt in Form eines elektromagnetisch betätigten Ventils von einer Zufuhrleitung 15 abzweigend reines Brenngas oder ein Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist. Das Brenngas wird in einen Zwischenraum 16 (4) zwischen zwei Flammenfiltern 17a, 17b der Flammendurchschlagsicherung 7a eingeblasen. In die Versorgungsleitung 15 ist ein weiteres Regelelement 14 (1), vorzugsweise ein Druckregler, angeordnet, das den Druck des Brenngases auf einen Wert höher als den Druck, der in der Gemischleitung 5 (Receiver) herrscht, einstellt. Mit den Regelelementen 14a–14e erfolgt dann eine individuelle Zugabe von einem Brenngas zu den einzelnen Zylindereinheiten 4a–4e in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Flammendurchschlagsicherung 7, die ein Gehäuse 18 aufweist, an der mittels eine Befestigungsschraube 19 die Flammenfilter 17a, 17b (4) befestigt sind. Die Flammendurchschlagsicherung 7 ist dann in einem Element oder in mehreren Elementen einer Zylindereinheit 4a–4e zugeordnet. Ein Flammenfilter 17a, 17b besteht aus dünnem gewellten Edelstahlblech, das zu einem feinmaschigen Sieb aufgewickelt ist.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinderrohr bewegbar ist, wobei in dem Zylinderkopf angeordnete Gaswechselventile über zumindest je einen Auslasskanal und einen Einlasskanal mit einer Abgasleitung und einer Gemischleitung verbunden sind, wobei die Brennkraftmaschine gasbetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Zuführung und Abgabe von Brenngas in das durch die Gemischleitung (5) hindurchströmende Gas-Luft-Gemisch vorhanden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Brennkraftmaschine einlassseitig eine Flammendurchschlagsicherung (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) aufweist und dass die Vorrichtung Teil der Flammendurchschlagsicherung (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Flammendurchschlagsicherung (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) zwei hintereinander unter Bildung eines Zwischenraums (16) angeordnete Flammenfilter (17a, 17b) aufweist, und dass das Brenngas in den Zwischenraum (16) eingebracht wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Zwischenraum (16) zumindest eine Brenngasverteilleitung aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass ein Regelelement (14, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e) vorgesehen ist, das in die Zufuhrleitung (15) des Brenngases eingesetzt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass jeder Zylindereinheit (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) der Brennkraftmaschine (1) zumindest eine Flammendurchschlagsicherung (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) zugeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinderrohr bewegbar ist, wobei in dem Zylinderkopf angeordnete Gaswechselventile über zumindest einen Auslasskanal und einen Einlasskanal mit einer Abgasleitung und einer Gemischleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet dass über eine Vorrichtung Brenngas dem durch die Gemischleitung (5) hindurchströmenden Gas-Luft-Gemisch in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (1) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases die Brennkraftmaschinendrehzahl wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet werden: a) die Brennkraftmaschinendrehzahl bricht zur Folge einer Lastaufschaltung ab, b) bei Überschreitung des Drehzahleinbruchs um einen gewissen Betrag wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet, c) nähert sich die Brennkraftmaschinendrehzahl wieder der Nenndrehzahl, wird die Zufuhr von Brenngas wieder ausgeschaltet.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases ein Lastsignal wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet werden: a) bei einer Lastzuschaltung wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet, b) die Zufuhr von Brenngas in Abhängigkeit der Höhe der Lastaufschaltung wieder ausgeschaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass zum Start und zur Beendigung der Zufuhr des Brenngases die Drosselklappenstellung wie nachfolgend aufgeführt ausgewertet werden: a) bei einer schnellen Öffnungsbewegung der Drosselklappe (13) wird die Zufuhr von Brenngas eingeschaltet, b) bei Erreichen einer der Last entsprechenden Normalstellung der Drosselklappe (13) wird die Zufuhr von Brenngas wieder ausgeschaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Brennkraftmaschine (1) folgende Randbedingungen berücksichtigt werden: a) um eine stark klopfende Verbrennung zu vermeiden, wird der Druck oder die Menge des Brenngases über ein Regelelement (14) an den Druck in der Gemischleitung (5) angeglichen, b) wird die Brennkraftmaschine bereits mit klopfender Verbrennung betrieben, wird die Zufuhr von Brenngas gesperrt, c) in dem Brennkraftmaschinenmanagement wird entsprechend der Aufstellbedingungen hinterlegt, dass die Zufuhr von Brenngas ab einer einzustellenden Last nicht mehr aktiviert wird.