DE19802643A1 - Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas und Verfahren zur Versorgung eines derartigen Motors mit Kraftstoff - Google Patents
Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas und Verfahren zur Versorgung eines derartigen Motors mit KraftstoffInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur
Verbrennung von Gas, welches auf einen hohen Druck von mindestens 60 bar,
welcher zur Zufuhr zum Motor geeignet ist, komprimiert wird, wobei der Motor
ein Einspritzsystem mit Injektoren hat, welche flüssigen Kraftstoff mit hohem
Druck in die Verbrennungskammern der Zylinder einspritzen.
Dualkraftstoff-Zweitakt-Kreuzkopfmotoren dieses Typs sind bekannt, bei welchen
flüssiger Kraftstoff in Form von Kraftstofföl eingespritzt wird, welches
typischerweise als Zündungshilfe für das eingespritzte Gas wirkt. Das Gas bei
den bekannten Motoren mit Hochdruck-Einspritzung ist Naturgas, welches bei
seiner Einspritzung in die Verbrennungskammer gasförmig ist. Ein Motor dieses
Typs wird zum Beispiel beschrieben in der Broschüre des Anmelders "Große
Dieselmotoren, welche Hochdruck-Gaseinspritzungs-Technologie verwenden"
von 1991 und in dem technischen Artikel "Entwicklung des weltweit ersten
Gaseinspritzmotors mit großer Bohrung" von T. Fukuda, P. Sunn Pedersen u. a.,
Papier D51, CIMAC 1995 in Interlaken, CH. Bei diesen Motoren wird Naturgas
über ein Rohrsystem zugeführt, welches eine genau definierte Gasqualität,
normalerweise Methangas, liefert. Die Hochdruck-Einspritzung des gasförmigen
Naturgases bietet den Vorteil, daß der Motor verschiedene Zusammensetzungen
des Naturgases verwenden kann. Das Gas kann daher aus reinem Methan, oder
zum Beispiel aus Methan und Ethan sein, wenn sie zusammen fraktioniert
wurden.
Motoren des Dieseltyps mit Zufuhr von auf Gas basierendem Kraftstoff sind ferner
in einer Anzahl von verschiedenen Ausführungen bekannt, alle mit dem
gemeinsamen Merkmal, daß das Gas eingespritzt wird oder bei einem niedrigen
Druck von zum Beispiel ungefähr 1-5 bar der Ansaugluft des Motors zugeführt
wird, und daher einen Teil des Kraftstofföls ersetzt, was Vorteile in Bezug auf die
Umwelt haben kann in Form von niedrigeren Feststoffausstößen im Abgas. Als
Beispiele solcher Motoren kann auf die EP-A 0049721, welche die Zufuhr von
verflüssigtem Erdölgas (LPG) (Propan/Butan) in die Ansaugluft erwähnt, auf die
EP-A 0102119, welche die Zufuhr von LPG oder Methan erwähnt, und auf die
EP-A 0 133 777 verwiesen werden, bei welcher komprimiertes Naturgas oder LPG
der Ansaugluft hinzugefügt wird. In den Fällen, wo das Gas dem Motor als ein
flüssiger Kraftstoff zugeführt wird, finden Verdampfung und Vermischung des
Gases mit der Ansaugluft vor der Einführung in den Zylinder statt, während in den
Fällen der Zufuhr von gasförmigem Gas nur eine Vermischung stattfindet.
Das Verhältnis des Gases aus dem Gesamtvolumen des Kraftstoffes darf nicht zu
groß werden, wenn das Gas mit der Ansaugluft in einem Motor des Dieseltyps
gemischt wird, da sonst eine Selbstzündung des Gases während des
Kompressionshubes auftreten kann. Im bekannten Stand der Technik wurde es
als wichtig beschrieben, daß eine Gaszündung nur in einer gesteuerten Art und
Weise mit Hilfe von Kraftstofföl-Einspritzung stattfinden kann. Die Einspritzung
von Öl kann auf die übliche Weise gesteuert werden mit einem geeigneten
genauen Timing zur Erreichung der gewünschten Betriebseigenschaften des
Motors.
Bei den bekannten Motoren, welche, wie oben erwähnt, Hochdruck-Einspritzung
von gasförmigem Gas direkt in die Verbrennungskammer verwenden können oder
die Zufuhr von gasförmigem oder flüssigem Gas in die Ansaugluft des Motors
verwenden können, ist es eine Bedingung für den Gasbetrieb, daß das Gas
raffiniert wurde oder auf eine andere Weise in einer vorherbestimmten und
stabilisierten Zusammensetzung mit einem vorhersagbaren Verhalten als
Kraftstoff im Dieselmotor erhalten wurde, so daß der tatsächliche Motor in seiner
baulichen Ausführung an den speziellen Kraftstoff angepaßt werden kann. Wenn
einem der bekannten Motoren, welcher für die Zufuhr von Gas mit einer
speziellen Zündempfindlichkeit ausgelegt ist, plötzlich Gas zugeführt wird
welches beträchtlich zündfähiger ist, kann eine Selbstzündung während des
Kompressionshubes auftreten mit nachfolgenden schweren Betriebsstörungen
des Motors.
Der teilweise Gasbetrieb der bekannten Motoren kann zu einem beträchtlichen
Umweltvorteil führen, insofern, daß der Motor weniger Öl verbrennt, welches bei
der Verbrennung umweltschädliche Verbindungen bildet, welche bei der
Verbrennung von Gas nicht im gleichen Ausmaß auftreten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Motor des Dieseltyps zu schaffen
welcher bei der Kraftstoffverbrennung die Emission von umweltschädlichen
Verbindungen wesentlich mehr verringert, als was erreicht werden kann durch
Verringerung der bei der Verbrennung gebildeten Verbindungen durch
Verbrennung von Gas anstelle von Öl.
Im Hinblick darauf ist der Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß das Einspritzsystem mindestens Flüssigkeits-Injektoren zur
Hochdruck-Einspritzung von komprimiertem Flüssiggas enthält, welches aus
flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus Rohöltanks verdampft sind,
hergestellt wurde.
Seit einigen Jahren wurde erkannt, daß die Verdampfung von flüchtigen
organischen Verbindungen (FOV) unter anderem aus Rohöl eine ernste
Umweltbelastung darstellt, aber trotz verschiedener Versuche dies zu
überwinden und Vereinbarungen zwischen den Regierungen zu ihrer
Reduzierung, nimmt die Emission flüchtiger organischer Verbindungen (FOV)
ständig zu. Die flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus Rohöl
verdampfen, haben keine genau definierte Zusammensetzung, sondern variieren
bei Öl, welches aus einem speziellen Ölfeld gewonnen wurde, ziemlich während
eines Zeitraumes und variieren auch zwischen Ölen, welche von verschiedenen
Feldern gewonnen wurden.
Durch Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen als Hochdruck-
Einspritzkraftstoff in einem Verbrennungsmotor des Dieseltyps wird die FOV-
Emission an die Atmosphäre vermieden, was zu einem beträchtlichen Nutzen
zugunsten der Umwelt führt, und zur gleichen Zeit wird die an und für sich
bekannte Wirkung erzielt, daß die Abgase reiner sind, wenn Gas anstelle von Öl
verbrannt wird. Es wird auch ein ökonomischer Vorteil erzielt, indem daß
gekaufter raffinierter Brennstoff zumindest teilweise durch Gasverbindungen
ersetzt wird, welche früher weggeworfen wurden und für welche in den letzten
Jahren bezahlt werden mußte, um sie los zu werden. Die Verwendung von FOV
als Kraftstoff in einem Motor des Dieseltyps bedeutet jedoch, daß die
Verbrennungseigenschaften des Kraftstoffes innerhalb eines sehr kurzen
Zeitintervalles variieren können.
Wenn das Rohöl beim Laden in einen Tank hinüberfließt, spritzt das Öl in den
Tank hinunter und wird starken Bewegungen und Umwälzungen ausgesetzt, was
zur Freisetzung von relativ großen Mengen flüchtiger organischer Verbindungen
(FOV) in der Form von verdampften Alkanen einer sehr gemischten
Zusammensetzung führt, welche vom Typ des Rohöls abhängt. Diese Alkane
enthalten typischerweise relativ große Mengen jeder der Verbindungen Methan
Ethan, Propan und Butan in normalen und verzweigten Verbindungen, sowie
einige Mengen höherer Alkane C5 und C6+. Bei der nachfolgenden Lagerung im
Tank verdampfen die flüchtigen organischen Verbindungen mit nicht ganz solch
einer Spanne bei den Alkanen, da diese Verdampfung hauptsächlich durch die
Teildrücke der Bestandteile des Rohöls im Tankraum über dem Öl gesteuert
werden. Die Flüssigkeitsphase jeder Komponente sucht daher nach einem
Gleichgewicht mit der zugehörigen Dampfphase, aber zur gleichen Zeit neigen
die Dämpfe im Tankraum auch dazu, höhere Konzentrationen der schwereren
Komponenten nahe der Oberfläche des Rohöls zu erreichen, was die
Verdampfung der höheren Alkane verlangsamt. Wenn der Rohöltank sich auf
einem Schiff befindet, können die Bewegungen des Schiffes während
Schlechtwetterreisen solch ein Spritzen des Rohöls veranlassen, daß die Gase im
Tankraum gleichmäßiger verteilt werden, was zu einer höheren Verdampfung der
schweren Komponenten führt, als wenn das Schiff unter ruhigeren Bedingungen
fährt.
Daher können über einige Tage langsame Variationen in der
Alkanzusammensetzung der flüchtigen organischen Verbindungen (FOV)
auftreten und über einige Minuten oder Stunden schnelle Variationen, welche
radikal die Zündungseigenschaften etc. des Kraftstoffes ändern. Diese
Variationen machen die Verwendung des Kraftstoffes als einen vorgemischten
Zusatz zur Ansaugluft des Verbrennungsmotors unmöglich. Bei Anwendung der
Hochdruck-Einspritzung des Kraftstoffes wird eine vorzeitige Zündung vermieden
und deshalb können die schnell variierenden Kraftstoffeigenschaften nur die
Geschwindigkeit beeinflussen, mit welcher der Kraftstoff verbrannt wird.
Es ist auch ein wesentlicher Vorteil, daß der Kraftstoff bei der Einspritzung in die
Verbrennungskammer flüssig ist. Zuerst kann das Flüssiggas auf einen Druck
komprimiert werden, welcher für die Einspritzung geeignet hoch ist, zum Beispiel
im Bereich von 200 bis 1000 bar, bei einem wesentlich geringeren
Energieverbrauch als bei der Kompression von gasförmigem Gas. Zweitens
macht das Flüssiggas es möglich, während eines kurzen Zeitraumes ein
Gasvolumen mit einem großen Energiegehalt einzuspritzen, und der ganze Ablauf
der Einspritzung mit Variationen in der Einspritzungsgeschwindigkeit, falls
vorhanden, kann mit Mitteln, welche von der Öleinspritzung bekannt sind
gesteuert werden. Drittens kann der Hauptteil des Gesamtenergiegehaltes der
flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus dem Rohöl verdampft sind,
durch in vorteilhafter Weise einfache und energie-ökonomische Mittel verflüssigt
werden, wie durch Kompression auf einen höheren Druck als die
Kondensationsgrenze der gewünschten Alkane und/oder durch Kühlen. Vor der
Einspritzung muß das Kondensat dann nur auf den Druck der Einspritzung
komprimiert werden.
Die Methan- und Ethan-Komponenten der FOV können in keiner geeigneteren
Weise verflüssigt werden. Es ist möglich, die Methan- und Ethangase zeitweise
durch Wiedereinführen dieser Gase in das Rohöl zu speichern, aber dies ruft eine
erhöhte Verdampfung der FOV zu einer späteren Zeit hervor, so ist dies nur ein
Verfahren, welches das Problem verschiebt. Die Methan- und Ethangase können
auch zur Atmosphäre entlüftet werden, wie es früher mit allen FOV bewerkstelligt
wurde. Unter allen Umständen schließt die Verbrennung der flüssigen C3+-Alkane
einen beträchtlichen Gewinn im Vergleich zu früheren Zeiten ein.
Bei einer Ausführungsform enthält das Einspritzsystem des Verbrennungsmotors
sekundäre Injektoren zur Hochdruck-Einspritzung von gasförmigen Gemischen
welche mindestens teilweise Gas enthalten, welches aus Rohöltanks verdampft
ist, sowie auch Inertgas, falls vorhanden, welches als Detonationen
verhinderndes Gas in die Rohöltanks gefüllt wurde. Die sekundären Injektoren
können die Methan- und Ethangase etc., welche nicht durch Verarbeitung der
verdampften FOV verflüssigt wurden, einspritzen. Wenn Rohöltanks geleert
werden, ist es normal, dem Tank Inertgas hinzuzufügen, um Gasexplosionen im
Tank zu vermeiden. Dieses Inertgas ist eine sauerstoffarme Mischung von Gasen
wie Stickstoff oder Kohlendioxid und bis zu ungefähr 7 Prozent Sauerstoff. Wenn
Rohöl in den Tank geladen wird, verdrängt das Öl das Inertgas beim Laden
schrittweise, aber gleichzeitig mischen sich die freigesetzten FOV-Gase mit dem
Inertgas. Die gasförmigen Mischungen, welche den sekundären Injektoren
zugeführt werden, enthalten deshalb während und gleich nach einer
Tankbeladung große Mengen Inertgas, welches im Motor nicht verbrannt werden
kann. Wenn nur das Verhältnis der brennbaren Gase ausreichend hoch ist, um
einen Energiegehalt zu haben, welcher mehr als dem Doppelten der
Kompressionsarbeit entspricht, welche erforderlich ist, um die gasförmige
Mischung in eine Form umzuwandeln, welche zur Einspritzung geeignet ist, kann
es sich bezahlt machen, die gasförmige Mischung in die Verbrennungskammer
des Motors einzuspritzen. Umweltmäßig ist es ein Vorteil, die gasförmigen
Mischungen in die Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen, selbst wenn
der Energiegehalt der brennbaren Gase nicht die Kompressionsarbeit deckt.
Das Einspritzsystem enthält vorzugsweise Zünd-Injektoren zur Einspritzung
zündfähigen Zündkraftstoffes, welcher einen Verbrennungsprozeß bei der
Einspritzung auslöst. Der Zündkraftstoff kann Öl oder ein anderer sehr leicht
zündfähiger Kraftstoff sein. Wenn das komprimierte Flüssiggas eine Qualität hat,
welche eine Zündungshilfe unnötig macht, können Zünd-Injektoren bei den
Zylindern, welche Flüssigkeits-Injektoren aufweisen, weggelassen werden.
Nichtsdestotrotz kann es vorteilhaft sein, mindestens einen Zünd-Injektor an
jedem Zylinder anzubringen. Wenn die Produktion flüchtiger organischer
Verbindungen (FOV) unzureichend ist, das Gesamtkraftstoffbedürfnis des Motors
über einen langen Zeitraum zu decken, kann der Motor in Intervallen nur durch Öl
betrieben werden, welches über die Zünd-Injektoren eingespritzt wird.
Bei einer Ausführungsform sind eine Anzahl der Flüssigkeits-Injektoren und der
sekundären Injektoren in einer entsprechenden Anzahl von Dual-Kraftstoff-
Injektoren kombiniert, welche in der Lage sind, das Flüssiggas und die
gasförmigen gashaltigen Mischungen einzuspritzen. Der Dualkraftstoff-Injektor
benötigt weniger Raum in der Zylinderdeckel als ein Flüssigkeits-Injektor und ein
sekundärer Injektor und ist deshalb leichter zu positionieren, insbesondere wenn
der gleiche Zylinder schon mit Injektoren zur Einspritzung von Öl versehen ist.
Die Zuverlässigkeit der Gaseinspritzung kann durch das Einspritzungssystem
verbessert werden in Intervallen, in welchen der sekundäre Injektor ausgelöst
wird, auch wenn kein gasförmiger Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder
eingespritzt werden muß. Die Betätigung kann zum Beispiel mindestens einmal
alle zehn Minuten stattfinden, und bei der Betätigung werden die Düsenlöcher von
jeglichen Ablagerungen freigeblasen. Wenn bei der Betätigung keine gashaltige
Mischung verfügbar ist, kann statt dessen Druckluft oder jedes verfügbare Gas,
wie Inertgas, verwendet werden. Das Intervall zwischen jeder Sauberblas-
Betätigung braucht nicht zehn Minuten zu sein, sondern kann zwischen einmal
pro Motortakt und einmal pro Tag liegen. Das Intervall wird unter
Berücksichtigung des verbrannten Kraftstoffes ausgewählt, wenn kein Gas
eingespritzt wird. Wenn der Kraftstoff eine starke Bildung von Teilchen und Ruß
hervorruft, wird ein kurzes Intervall gewählt.
Wenn der Motor über einen langen Zeitraum mit gasförmigem und Flüssiggas in
bestimmten Verhältnissen versorgt wird, ist es möglich, eine Vereinfachung des
Einspritzsystems zu erhalten, indem nur einige der Motorzylinder mit sekundären
Injektoren versehen werden, während andere der Zylinder mit Flüssigkeits-
Injektoren versehen werden, wobei alle der Zylinder wahlweise auch Zünd- und/oder
Kraftstofföl-Injektoren aufweisen. Die Vereinfachung liegt in der
Tatsache, daß drei verschiedene Arten von Kraftstoff nicht allen Zylindern des
Motors zugeführt werden müssen. Wenn zum Beispiel die FOV-
Zusammensetzung so ist, daß nur 10-15 Prozent des Heizwertes der flüchtigen
organischen Verbindungen von Methan und Ethan stammt, können ein oder zwei
der Zylinder des Motors alles gasförmige Gas verbrennen, so daß es keinen
Bedarf an Verteilungs- und Einspritzsystemen für gasförmigen Kraftstoff bei den
anderen Zylindern gibt.
Der Motor ist vorzugsweise der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks, wie
einem Pendeltanker oder einem Rohöl-Transporter, und flüchtige organische
Verbindungen, welche von diesen Tanks verdampfen, mit Zündeigenschaften
Heizwerten und/oder verdampften Mengen, welche über die Zeit variieren, stellen
einen wesentlichen Anteil des Kraftstoffverbrauchs des Hauptmotors dar. Eine
sehr große Menge der FOV, welche heute in die Atmosphäre entlüftet werden
werden beim Laden von Rohöl an Offshore-Gewinnungsorten oder an
Küstenölterminals und während der anschließenden Reise zu Raffinerie- oder
anderen Abladeorten freigesetzt. Durch Verwendung der FOV als Kraftstoff im
Hauptmotor des Schiffes werden die flüchtigen Verbindungen in geeigneter
Weise schnell nach ihrer Freisetzung aus dem Rohöl entfernt.
Der Motor kann eine elektronische Steuereinheit haben, welche auf der Basis der
Überwachung der laufenden Zylinderdrücke mindestens den Einspritzdruck für
das gasförmige Kraftstoffgas steuert. Bei einer ständigen Überwachung des
Druckverlaufes eines Zylinders kann die Verbrennung im Zylinder durch die
elektronische Steuereinheit analysiert werden, die Energieentwicklung bei der
Verbrennung und die Verbrennungsgeschwindigkeit kann bestimmt werden, und
auf dieser Basis kann die Steuereinheit Kraftstoffparameter definieren zur
Verwendung bei nachfolgenden Einspritzsequenzen. Wenn der Motor mit
gasförmigen Gasmischungen, welche aus Rohöltanks aufgefangen wurden
versorgt wird, kann das Gas variierende Mengen Inertgas enthalten. Das nicht
brennbare Inertgas beeinflußt die Verbrennung der brennbaren FOV so, daß die
Verbrennungsgeschwindigkeit höher ist, wenn der Inertgasgehalt höher ist. Um
eine homogenere Verbrennung zu erzielen, stellt die Steuereinheit vorzugsweise
den Einspritzdruck in einer Abwärtsrichtung ein, wenn der Inertgasgehalt des
Gases hoch ist. Dies schafft auch den Vorteil, daß die Kompressionsarbeit für die
Hochdruck-Kompression des Gases verringert wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kraftstoffbeaufschlagung eines
Verbrennungsmotors des oben genannten Typs, wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß flüchtige organische Verbindungen, welche von
Rohöltanks nach einer wahlweisen vorübergehenden Lagerung und Kompression
verdampft sind, dem Kraftstoffsystem des Motors zugeführt werden und als
Kraftstoff im Motor verwendet werden, ohne Rücksicht auf die Tatsache, daß
diese organischen Verbindungen Zündungseigenschaften, Heizwerte und/oder
verdampfte Mengen aufweisen, welche über die Zeit variieren. Das Verfahren
erzielt die obigen Vorteile, daß die Umwelt von der Entlüftung mindestens eines
Teils der FOV verschont wird und gleichzeitig der Motor einen reineren Kraftstoff
als Öl verwendet, und der Schiffseigentümer durch Verwendung eines
Abfallproduktes als Kraftstoff anstelle von gekauftem Bunkeröl einen
ökonomischen Nutzen erzielt.
Bei einer umweltmäßig optimalen weiteren Entwicklung des Verfahrens enthalten
die verdampften und komprimierten Verbindungen eine gasförmige und eine
flüssige Phase, welche im wesentlichen bei der Zufuhr zum Motor voneinander
getrennt sind. Indem die flüssige und gasförmige Phase als Kraftstoff verwendet
werden, kann weitgehend die ganze verdampfte Menge der FOV verbrannt
werden. Für den Motor ist es wesentlich, daß die zwei Phasen bei der Zufuhr zum
Motor gegenseitig getrennt gehalten werden, da ungeeignet große Variationen im
Heizwert des Kraftstoffes, welcher zu einer Verbrennung zugeführt wird, auftreten
würden, wenn während der Einspritzung von zum Beispiel einer Gasphase ein
Tropfen einer Flüssigkeitsphase plötzlich durch den gleichen Injektor käme.
Mit der Absicht, die Ausscheidung von Flüssigkeitsphase in der Gasphase zu
vermeiden, wird die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoff und
Einspritzsystem des Motors vorzugsweise höher gehalten als die Temperatur der
gasförmigen Phase nach der Kompression auf den Druck, bei welchem sie dem
Kraftstoffsystem des Motors zugeführt wurde. Bei einer vorteilhaften
Ausführungsform wird die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoffsystem
so gesteuert, daß sie zum Motor hin steigt, so daß jedes Risiko einer
Kondensation ausgeschaltet wird. Als eine Alternative dazu kann am Einlaß für
die gasförmige Phase zum Kraftstoffsystem des Motors eine Gefrierfalle zur
Trennung von Kondensat von der Gasphase sein.
Die flüssigen und die gasförmigen Phasen werden vorzugsweise allen Zylindern
des Motors zugeführt, wobei die Injektoren für die Gasphase so bei allen
Zylindern in Betrieb gehalten werden, ebenso wie die Zylinder einheitlich
gesteuert werden können.
Wenn der Motor der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks ist, aus welchen
Verdampfung von flüchtigen organischen
Verbindungen stattfindet, wird der Motor vorzugsweise nur in dem Ausmaß mit
Kraftstofföl versorgt, wie als Zündungshilfe nötig oder erforderlich ist, da das
augenblickliche Kraftstoffbedürfnis des Motors die Zufuhr von Kraftstoffgas zum
Motor übersteigt. Dies liefert die optimale Einsparung an gebunkertem
Kraftstofföl. Die Steuerung der Zufuhr von Kraftstoffgas zum Motor muß nicht
durch das Kraftstoffbedürfnis des Motors oder durch die augenblickliche FOV-
Produktion diktiert werden, sondern kann sehr wohl einem Gesamtsteuerziel
unterworfen werden, um so weit wie möglich, das umweltfreundliche
Kraftstoffgas in den Küstengebieten zu verbrennen, wo es erwünscht ist,
umweltschädliche Emissionsprodukte zu vermeiden. Die Zufuhr des gasförmigen
und des flüssigen Kraftstoffgases kann auch individuell gesteuert werden, zum
Beispiel so, daß das gasförmige Kraftstoffgas dem Motor schrittweise mit seiner
Produktion zugeführt wird, um eine Lagerung zu vermeiden, während das flüssige
Kraftstoffgas vorläufig, wenn nötig im Schiff gelagert wird und zu den Zeiten
zugeführt wird, wenn der Umweltnutzen am größten ist.
Der Motor kann mit einem Wellengenerator in einem Pendeltanker oder in einem
Schiff zum Auffangen von Kohlenwasserstoffen aus einem Bohr- oder
Produktionsschacht verbunden sein, und in diesem Fall werden mindestens ein
Teil der flüchtigen organischen Verbindungen, welche beim Öl laden verdampft
sind, vorzugsweise im Motor, welcher den Wellengenerator zur Energieerzeugung
für die Antriebseinheiten im dynamischen Positionierungssystem des Tankers
oder Schiffes antreibt, verbrannt. Da die größte Menge der FOV beim Laden des
Rohöls gebildet wird, ist es besonders vorteilhaft, den Motor mit einem
Wellengenerator so einer Dimension zu versehen, daß der Energiebedarf für die
Bugpropeller etc., welche bei der dynamischen Positionierung des Schiffes
verwendet werden, durch den Wellengenerator gedeckt werden kann, und dann
den Hauptmotor während des Beladens durch FOV zu betreiben.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur
Verbrennung von Gas, welches auf einen hohen Druck von 200 bar, welcher zur
Einspritzung in die Motorzylinder geeignet ist, komprimiert wird, wobei der Motor
auf einen Ladungsdruck von mindestens 3 bar absolut vorverdichtet ist und ein
volumetrisches Kompressionsverhältnis von mindestens 1 : 14 und einen mittleren
Wirkdruck von mindestens 15 bar aufweist und ein Einspritzsystem mit Injektoren
hat, welche flüssigen Kraftstoff mit einem hohen Druck in die
Verbrennungskammern der Zylinder einspritzen.
Solch ein Motor ist aus der oben genannten Broschüre des Anmelders "Große
Dieselmotoren . . ." bekannt, wo der flüssige Kraftstoff Zündöl ist, und das Gas
gasförmiges Naturgas ist, welches vorkomprimiert wurde auf einen Zufuhrdruck
von ungefähr 250 bar, bevor es dem Motor zugeführt wird. Das Gas wird bei
diesem Druck eingespritzt, nachdem Steueröl den Injektor geöffnet hat. Das
verwendete Naturgas besteht hauptsächlich aus Methan.
Der Stand der Technik offenbart auch alte Viertaktmotoren, wo verflüssigtes
Erdölgas (LPG) als Kraftstoff verwendet wurde, siehe zum Beispiel die oben
genannten Veröffentlichungen, wo LPG in der Ansaugluft des Motors verdampft
wird. Diese alten Motoren waren relativ klein, Hochgeschwindigkeitsmotoren mit
Kompressionsverhältnissen von maximal 1 : 13, und es ist bekannt, daß das
Bedürfnis nach einer geeignet hohen Methanzahl stark mit dem
Kompressionsverhältnis des Motors, seinem Zylinderdurchmesser, seinem
mittleren Druck und mit geringeren Geschwindigkeiten ansteigt.
Die Methanzahl ist ein Ausdruck der Zündungseigenschaften des Gases,
ungefähr wie die Oktanzahl für Benzin, und ein Gas mit einer Methanzahl von 100
entzündet sich selbst wie reines Methan, während ein Gas mit einer Methanzahl
von 0 sich selbst entzündet wie reiner Wasserstoff. Die Zündungseigenschaften
sind wichtig, um eine gute Ausnutzung des Heizwertes des Kraftstoffes zu
erzielen. Es ist nicht wünschenswert, daß die Zündung eine Detonation ist, da
dies zu einem steilen Druckanstieg und einem sehr hohen Verbrennungsdruck
führt, was gewöhnlich zu einem Schaden an den Verbrennungskammer-
Komponenten führt mit einem Risiko eines kompletten Ausfalls des Motors.
Es ist deshalb normalerweise ein Gas mit einer hohen Methanzahl
wünschenswert. Gewöhnliches weitverbreitetes Naturgas hat eine Methanzahl
von ungefähr 90, wenn das Gas rein ist, und wenn es mit Kohlendioxid oder
Stickstoff gemischt ist, kann die Methanzahl zwischen 90 und 130 variieren, d. h.
die Methanzahl kann höher sein, was durch den Motor als eine positive Variation
wahrgenommen wird. Das hohe volumetrische Kompressionsverhältnis von
mindestens 1 : 14 in Kombination mit den hohen mittleren Wirkdrücken von
mindestens 16 bar in den neueren Dieselmotoren führt zu einer Annahme, daß
der Gasbetrieb bei einer vollen Beladung nur bei gasförmigem Naturgas möglich
ist, welches eine Methanzahl von mindestens 80 aufweist. Das hohe
Kompressionsverhältnis bringt den Nachteil, daß das Naturgas hochdruck
komprimiert werden muß, um in der Lage zu sein, bei einem geeignet hohen
Druck in die Verbrennungskammer am Ende des Kompressionshubes eingespritzt
zu werden, was einen beträchtlichen Energieverbrauch von ungefähr 5 Prozent
der Wellenenergie des Motors für die Gaskompressoren erfordert.
Mit der Absicht, den Energieverbrauch für die Hochdruck-Kompression des Gases
zu verringern, ist der Motor gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
das Einspritzsystem mindestens Flüssigkeits-Injektoren für die Hochdruck-
Einspritzung von komprimiertem Flüssiggas enthält.
Es ist eine Bedingung für das Einspritzen von Flüssiggas, daß das Gas Propan,
Butan und/oder C5+-Kohlenwasserstoffe enthält. Reines Propan hat eine
Methanzahl von 35, Butan eine Methanzahl von nur 10, und die höheren
Kohlenwasserstoffe haben wesentlich niedrigere Methanzahlen. Wenn trotz der
Erwartung des Gegenteils, es nichtsdestotrotz möglich ist, Flüssiggas mit solch
niedrigen Methanzahlen in einer gesteuerten Art und Weise in einem
hochkompressions-vorverdichteten Motor zu verbrennen, dann geschieht dies
wahrscheinlich aufgrund der Tatsache, daß die Verbrennung des
Gases einen gewissen Sauerstoffgehalt erfordert. Das eingespritzte Gas
verdampft sofort nach der Einspritzung, aber obwohl die Temperatur in der
Verbrennungskammer sehr hoch ist, kann das Gas nicht verbrennen bis es mit
der Luft in der Verbrennungskammer in geeigneter Weise vermischt wurde. Der
entscheidende Schritt für die Verbrennung ist daher die Vermischung und nicht
die Methanzahl selbst, wie bisher angenommen wurde.
Das Flüssiggas kann bei einem sehr kleinen Energieverbrauch auf sehr hohe
Drücke komprimiert werden. Die Kompression kann entweder unabhängig von der
Einspritzung selbst in Form eines gemeinsamen Schienensystems stattfinden, wo
die Injektoren durch Steueröl gesteuert werden, oder die Kompression kann durch
Kolbenpumpen auf die gleiche Weise durchgeführt werden, wie es
herkömmlicherweise bei Kraftstofföl für Dieselmotoren durchgeführt wurde,
nämlich wird der Kolben der Pumpe betätigt und setzt das Flüssiggas unter
Druck, wenn die Einspritzung stattfinden soll. Im letzteren Fall wird der
Gasinjektor durch den Druckanstieg im Flüssiggas geöffnet, aus welchem Grund
Steueröl weggelassen werden kann.
Es werden nun unten Beispiele der Erfindung detaillierter mit Bezug auf die sehr
schematische Zeichnung beschrieben, in welcher
Fig. 1 eine Aufzeichnung eines Systems zur Aufnahme
von FOV aus Rohöltanks in einem Schiff zeigt,
Fig. 2 eine Aufzeichnung eines Einspritzsystems für
Gas und Flüssiggas bzw. Kraftstofföl für
einen Verbrennungsmotor eines Öltransporters
ist,
Fig. 3 eine Aufzeichnung eines Kraftstoff-Teilsystems
für Flüssiggas für einen Verbrennungsmotor
ist, und
Fig. 4 eine Aufzeichnung eines Kraftstoff-Teilsystems
für gasförmiges Gas für einen Verbrennungs
motor ist.
Hochdruck-Gaseinspritzmotoren des Dieseltyps und mit Vorverdichtung können
Viertaktmotoren des mittleren Geschwindigkeitstyps sein oder große Zweitakt-
Kreuzkopfmotoren, welche bei den heutigen Motoren des Typs MC-GI des
Anmelders eine Leistung pro Zylinder im Bereich von 250 bis 5800 kW bei
Geschwindigkeiten im Bereich von 75 bis 250 U/min. mit einem Hub/Bohrungs-
Verhältnis im Bereich von 2,45 bis 4,20 haben können, und mit volumetrischen
Kompressionsverhältnissen von zum Beispiel 1 : 14, 1 : 15, 1 : 16, 1 : 17, 1 : 18 oder
höher. Volumetrisches Kompressionsverhältnis bedeutet das klassische
Kompressionsverhältnis bezogen auf die Volumen über dem Kolben, wenn der
letztere sich in seinen oberen oder unteren Totlagen befindet.
Fig. 1 zeigt einen Rohöltank 1 in einem Schiff während der Beladung. Das Schiff
kann zum Beispiel ein Rohöl-Transportschiff oder ein Pendeltanker sein. Durch
eine Tankverbindung 2 wird Rohöl von einer Festlandshafenanlage oder von
einer Offshore-Anlage, wie einer Beladungsboje an einer Produktionsplattform
oder an einem schwimmenden Produktionsspeicher-Entladungs-(FPSO)-Schiff
zugeführt. Das Schiff kann auch solch ein FPSO-Schiff sein, welches Rohöl von
einem Produktionsschacht am Meeresboden aufnimmt.
Wenn der Tank mit Rohöl 3 beladen wird, werden jegliches Inertgas im Tank und
flüchtige organische Verbindungen (FOV) 4, welche aus dem Rohöl verdampft
sind, durch ein Abzugsrohr 5 herausgedrückt, welches zu einem Kompressor 6
führt, welcher über ein Zwischenrohr 7 mit einem Kühler 8 FOV an einen
Kondensator 9 liefert. Das kondensierte Gas wird vom Kondensator abgezogen
und durch ein Rohr 10 zu einem isolierten Tank 11 geleitet, in welchem das
Flüssiggas, welches typischerweise Propan und höhere Alkane enthält, vorläufig
bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von ungefähr -42°C gespeichert
werden kann. Wenn das Flüssiggas als Kraftstoff verwendet werden soll, wird es
über ein Saugrohr 12 an einen Kompressor 13 geleitet, welcher in Fig. 3
dargestellt ist, welcher das Gas auf einen Zufuhrdruck von typischerweise 400 bar
in einem gemeinsamen Schienensystem und auf 20 bar komprimiert, wenn die
Schlußkompression auf den Einspritzdruck mit Hilfe von Kolbenpumpen bei jedem
Zylinder stattfindet.
Vom oberen Ende des Kondensators 9 leitet ein Rohr 14 die nicht-kondensierten
Komponenten, Methan und Ethan, zu einem Mehrstufenkompressor 15, welcher in
Fig. 4 dargestellt ist, welcher die gasförmige Gasphase auf einen Einspritzdruck
von typischerweise ungefähr 250 bar komprimiert, und von diesem Kompressor
verteilt ein gemeinsames Schienensystem das Gas zu den einzelnen Zylindern
des Motors.
Während der Beladung des Schiffes ist das Kondensationssystem in ständigem
Betrieb, aber während der nachfolgenden Reise ist ein periodischer Betrieb des
Systems ausreichend, welcher auf der Basis von Druckmessungen im Tank 1
gesteuert wird, so daß das Kondensationssystem zum Beispiel gestartet wird
wenn die Gase im Tank 1 einen Hochdruck von 0,14 bar aufweisen, und gestoppt
wird, wenn die Gase einen Niederdruck von 0,05 bar aufweisen. Im Hinblick auf
weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung in der norwegischen
Patentanmeldung Nr. . . . von Statoil, Den norske stats oljeselskap a.s., welche
zur gleichen Zeit eingereicht wurde wie die vorliegende Erfindung, verwiesen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Einspritzsystems für einen einzelnen
Motorzylinder, welcher einen sekundären Injektor 16 für die Einspritzung von
gasförmigem Gas und einen Flüssigkeits-Injektor 17 für die Einspritzung von
Flüssiggas und einen Zünd-Injektor 18 für die Einspritzung von Öl aufweist. Die
drei Injektoren können getrennt in jeweiligen Gehäusen in der zugehörigen
Zylinderabdeckung befestigt sein. Es ist auch möglich, zwei der Injektoren in
einem gemeinsamen Gehäuse in einen sogenannten Dualkraftstoff-Injektor zu
integrieren. Obwohl der Zünd-Injektor natürlich einen Teil solch eines
Dualkraftstoff-Injektors bilden kann, wird es in den Fällen, wo alle drei
Injektortypen bei einem einzigen Zylinder vorgefunden werden, vorgezogen, daß
der sekundäre Injektor 16 und der Flüssigkeits-Injektor 17 in den Dualkraftstoff-
Injektor integriert werden, wobei die Gase so zum gleichen Injektorgehäuse
geleitet werden, was die Einkapselung des gasführenden Systems erleichtert.
Dualkraftstoff-Injektoren werden zum Beispiel in den dänischen Patenten 1 53 240
und 1 55 757 des Anmelders detailliert beschrieben, und die Veröffentlichung
WO 95/24 551 des Anmelders enthält eine detaillierte Beschreibung eines Injektors
für gasförmiges Gas.
Einige Injektoren jedes Typs können an dem gleichen Zylinder befestigt werden
um u. a. eine bessere Verteilung des Kraftstoffes im Zylinder zu erhalten.
Die folgende Beschreibung erörtert die Einspritzung von Gas, egal ob es flüssig
oder gasförmig ist. Einspritzung bedeutet, daß das Gas entweder eingespritzt und
zerstäubt oder eingeblasen wird, und beide Handlungen finden bei einem
geeignet hohen Druck im Verhältnis zum vorherrschenden Druck in der
Verbrennungskammer statt.
Wenn der betreffende Zylinder Kraftstofföl benötigt, entweder als Zündungshilfe
oder weil die Gase nicht alleine den Kraftstoffbedarf decken können, kann das Öl
in Intervallen zu der gewünschten Zeit im Motortakt dem Zünd-Injektor 18 von
einer Kraftstoffölquelle 19 zugeführt werden, welche verschiedene
Ausgestaltungen haben kann. Die Kraftstoffölquelle kann eine gewöhnliche
Kraftstoffpumpe sein, welche mit Öl von einem Niederdruck-Zufuhrrohr, welches
allen Pumpen gemeinsam ist, versorgt wird, und einen Pumpenkolben hat
welcher durch einen Nocken auf einer Nockenwelle angetrieben wird. Ein Regler,
nicht dargestellt, kann den Pumpenkolben in der üblichen Weise zur Einstellung
des Ölvolumens, welches von der Pumpe bei einem Hochdruck von bis zu zum
Beispiel 800 bar zugeführt wird, drehen. Alternativ kann die Kraftstoffölquelle eine
elektronisch betätigte Kraftstoffpumpe sein, welche mit Öl von einem
gemeinsamen Niederdruck-Zufuhrrohr versorgt und im Hinblick auf das Volumen
eingestellt wird und im Hinblick auf die Zeit mit Hilfe von Stellsignalen einer
elektronischen Steuereinheit gesteuert wird. Eine dritte Möglichkeit ist das
sogenannte gemeinsame Schienensystem, wo die Kraftstoffölquelle ein
Hochdruckreservoir für Öl enthält, welches mit einer Einlaßöffnung eines
elektronisch betätigten Steuerventils verbunden ist, welches ferner mindestens
zwei Öffnungen hat, nämlich eine Ausgangsöffnung zu einem Rohr 20, welches
zum Öleinlaß des Ventils 18 führt, und eine Öffnung, welche mit einem Abzug
verbunden ist. Auf der Basis von Steuersignalen, welche von einer elektronischen
Steuereinheit empfangen werden, kann das Steuerventil das Rohr 20 entweder
zu der Öleinlaßöffnung oder zu der Abzugsöffnung umschalten.
Wenn die Kraftstoffölquelle 19 die Zufuhr von Hochdrucköl zum Rohr 20 zu dem
Zeitpunkt des Motortaktes beginnt, welcher in bezug auf das Timing der
Verbrennung gewünscht ist, steigt der Druck schnell über den Öffnungsdruck des
Ölventils 18, worauf Öl eingespritzt wird.
Das flüssige Kraftstoffgas wird von einer Kraftstoff-Gasquelle 25 zugeführt,
welche auf die gleiche Weise gebildet sein kann, wie die Kraftstoffölquelle 19. Um
der Einfachheit willen, wird nur die Ausführungsform des gemeinsamen
Schienentyps beschrieben, gemäß welcher die Quelle 25 die Niederdruck-Zufuhr
vom Tank 11 und die Hochdruck-Kompression im Kompressor 13 enthält, von wo
ein Rohrsystem 26 die Flüssigkeits-Injektoren 17 im Motor parallel miteinander
verbindet. Als Antwort auf Steuersignale, welche von einer elektronischen
Steuereinheit empfangen werden, kann ein Steuerventil 27 den Kraftstoffeinlaß
des Injektors 17 mit dem Hochdruck-Gasrohr 26 oder mit einem Abzug verbinden.
Wenn das Steuerventil 27 zur Zufuhr von Flüssiggas zu dem Zeitpunkt des
Motortaktes öffnet, welcher in bezug auf das Timing der Verbrennung gewünscht
ist, öffnet sich der Flüssigkeits-Injektor 17 zur Einspritzung und Zerstäubung des
Gases in der Verbrennungskammer.
Die Einspritzung von gasförmigem Gas durch den Injektor 16 kann nur stattfinden
wenn flüssiger Kraftstoff für die gleiche Verbrennungssequenz zur Auslösung der
Verbrennung eingespritzt wurde. Dieser flüssige Kraftstoff kann entweder
Kraftstofföl vom Injektor 18 oder Kraftstoffgas vom Injektor 17 sein. Unten ist eine
Ausführungsform beschrieben, bei welcher die Verbrennung mit Zündöl ausgelöst
wird, aber es sollte verstanden werden, daß der Flüssigkeits-Injektor 17 den
Zünd-Injektor 18 im beschriebenen Sicherheitssystem ersetzen kann.
Wenn der Zünd-Injektor 18 öffnet, löst gleichzeitig der Öldruck eine
Sicherheitsvorrichtung 21 aus, um eine Anwendung des Steueröldrucks am
sekundären Injektor 16 zu ermöglichen. Die Sicherheitsvorrichtung 21 kann zum
Beispiel eines bekannten mechanischen Typs sein, mit einem Kolben, welcher
eine Abzugsöffnung in einem Steuerölrohr 22 offen hält bis der Kraftstofföldruck
den Kolben zum Verschluß der Abzugsöffnung durch Übersteigen des
Öffnungsdruckes verschiebt. Die Abzugsöffnung ist durch ein Rohr 23 mit einem
Reservoir 24 für Steueröl verbunden. Alternativ kann die Sicherheitsvorrichtung
eines elektronischen Typs sein, welcher in einer elektronischen Steuereinheit
bestimmt, ob das Kraftstofföl oder das flüssige Kraftstoffgas eingespritzt wird, und
diese Information als eine Bedingung zur Auslösung des sekundären Injektors 16
verwendet. In diesem Fall kann die Steuereinheit die Einspritzung auf der Basis
eines Drucksensors im Rohr 20 oder durch einen Positionssensor im Ventil 18 zur
Erfassung der tatsächlichen Ventilöffnung feststellen.
Bei der dargestellten Ausführungsform kann der sekundäre Injektor 16 in eine
offene Position ausgelöst werden durch Anwendung des Steueröldrucks an der
Verbindung des Gasventils mit dem Rohr 22. Der Injektor kann ferner eine
Verbindung 28 für Dichtöl haben und eine Verbindung 29, welche zu einer
Hochdruck-Gasquelle führt. Der Dichtöldruck kann zum Beispiel 40 bar höher sein
als der Gasdruck in der Verbindung 29. Alternativ kann der Injektor 16 durch den
Steueröldruck geschlossen gehalten werden und durch seine Beseitigung
geöffnet werden und beseitigt dadurch das Bedürfnis nach Dichtöl. Dies ist im
Detail in WO 95/24 551 beschrieben.
Ein elektronisch betätigtes Steuerventil 30 hat eine Eingangsöffnung, welche mit
einem Rohr 31 mit Hochdrucköl verbunden ist, welches von einer Pumpe 32
zugeführt wird, welche über ein Rohr 33 vom Reservoir 24 versorgt wird. Das
Steuerventil 30 hat ferner mindestens zwei Öffnungen, nämlich eine
Auslaßöffnung zum Rohr 22 und eine Abzugsöffnung, welche mit dem Reservoir
24 verbunden ist. Auf der Basis von Steuersignalen, welche von einer
elektronischen Steuereinheit 34 empfangen werden, kann das Steuerventil das
Rohr 22 entweder mit dem Öldruckrohr 31 oder mit der Abzugsöffnung verbinden.
Das Steuerventil kann zum Beispiel ein Magnetventil sein, ein elektronisch
gesteuertes hydraulisches Ventil oder ein Magnetventil mit sogenanntem
Magnetverschluß, was zu extrem kurzen Schaltzeiten führen kann.
Die elektronische Steuereinheit 34 wird in bekannter Weise mit Information über
die gegenwärtige Winkelposition der Motorkurbelwelle versorgt und steuert die
drei Injektoren 16-18 zur Einspritzung der am meisten erwünschten Kombination
von Kraftstoffen für die in Frage kommende Verbrennung.
Nun wird ein Beispiel des Gassystems in einem Rohöl-Transporter mit einem
Antriebsmotor gemäß der Erfindung detaillierter beschrieben mit Bezug auf Fig.
3, welche das System für das Flüssiggas zeigt, und mit Bezug auf Fig. 4 mit dem
System für das gasförmige Gas. Die Zeichnung zeigt nur zwei Zylinder 35, aber
der Motor hat natürlich mehr. Abblasventile 36, 36' können die Gassysteme des
Zylinders von Gas durch ein gemeinsames Abzugsrohr 37 entleeren, falls
erforderlich. Ein Entlüftungsventil 38 kann das Zweigrohr 26 entleeren, wenn der
Motor nicht mit Flüssiggas während eines Zeitraumes betrieben werden soll. Das
gesamte Zufuhrrohr 26 kann von Flüssiggas entleert werden durch Verschließen
des Hauptventils 39 und Öffnen der Abzugsventile und eines Zufuhrventils 40
welches mit einer Inertgasquelle 41 verbunden ist. In einer völlig entsprechenden
Art und Weise kann ein Entlüftungsventil 38' (Fig. 4) ein Hochdruck-Gasreservoir
42 entleeren, dessen Volumen gasförmiges Gas für zum Beispiel 20
Einspritzsequenzen enthalten kann, und ein Abschaltventil 43 kann die Gaszufuhr
schließen, wenn der Druck, der sich bei einer Einspritzung absenkt, so groß ist,
daß angenommen werden muß, daß der sekundäre Injektor nicht richtig
geschlossen ist nach Beendigung der Einspritzung. Das gesamte Rohr 29 kann
mit Inertgas gespült werden durch Schließen eines Hauptventils 44 und Öffnen
eines Abschaltventils 45 in einem Abzugsrohr 46 gleichzeitig mit der Öffnung des
Ventils 40' zur Inertgasquelle 41.
Die gasführenden Elemente im Motorraum sind durch einen Mantel 47
eingekapselt, welcher mit Belüftungsluft am Auslaß des Abzugsrohres 37
versorgt wird, wie durch den Pfeil 48 gezeigt, wobei mindestens ein Gebläse 49
Luft aus dem Mantel 47 am Durchgang des Zufuhrrohres in den Motorraum
absaugt. Gasdetektoren 50 sind an geeigneten Stellen im System zur
Überwachung von Gasverlusten angebracht.
Bevor das Flüssiggas in den Motorraum geleitet wird, kann es in einer Einheit 51
auf zum Beispiel 45°C erwärmt werden, um jegliche Eisbildungen innerhalb des
Mantels 47 zu vermeiden.
Das gasförmige Gas, welches mit dem Rohr 14 zugeführt wird, wird in dem
allgemein mit 15 bezeichneten Kompressor komprimiert, zumindest in einem
Niederdruck-Kompressor 15a, welcher das Gas auf ungefähr 25 bar komprimiert,
und in einem Hochdruck-Kompressor 15b, welcher das Gas bei einem Druck von
zum Beispiel 250 bar an das Rohr 29 liefert, welches in den Motorraum geleitet
wurde. Die Antriebsmotoren für den Kompressor sind in einer gasdichten
Umhüllung angeordnet, und die letztere und der Kompressorraum werden durch
entsprechende Gebläse belüftet.
Der Ausgangsdruck des Hochdruck-Kompressors 15b kann mit der
Zusammensetzung der gasförmigen Mischung, welche komprimiert wird
variieren. Der Druck kann niedriger sein, wie 175 bar, wenn der Inertgasgehalt
hoch ist, und höher, wenn das Gasgemisch hauptsächlich aus brennbarem Gas
besteht. Es wurde oben erwähnt, daß der Druck mit Hilfe der elektronischen
Steuereinheit des Motors auf der Basis von Druckmessungen von
Verbrennungssequenzen und zugehörige Berechnung der Energieentwicklung bei
der Verbrennung, welche durch Vergleich mit der Dauer der Einspritzung ein Maß
des Inertgasgehaltes des Gasgemisches liefert, gesteuert werden kann. Daher
können bei einer Feedback-Steuerung Daten für eine Verbrennung regelmäßig
zur Einstellung des Ausgangsdruckes des Hochdruck-Kompressors für den
nachfolgenden Motorbetrieb verwendet werden. Es ist oft so, daß ein Schiff mit
Rohöltanks zwischen festgelegten Bestimmungsorten hin- und herfährt und Rohöl
einer einheitlichen Qualität in die Rohöltanks lädt. Dies macht es möglich, bei der
ersten Beladung aufzuzeichnen, wie der Inertgasgehalt des Gasgemisches
während und nach der Tankbeladung variiert. Diese Daten können dann bei
nachfolgenden Beladungen als eine empirische Basis zur Einstellung des
Ausgangsdruckes des Kompressors bei einer Optimalwertsteuerung verwendet
werden.
Wenn der Motor ein Hochkompressions-Dieselmotor ist, kann Flüssiggas auch in
Form von LPG oder eines LPG-Gemisches, welches raffiniert, fraktioniert oder in
irgendeiner anderen Weise zu einer stabileren Zusammensetzung vorbearbeitet
sein kann als Flüssiggas, welches durch die Kondensation von FOV erzeugt
wurde, zugeführt werden. Der Hochkompressions-Dieselmotor gemäß der
Erfindung kann ein Viertaktmotor sein, welcher zum Beispiel eine maximale
Geschwindigkeit von 700 U/min aufweist. Der Motor ist vorzugsweise ein
Zweitakt-Kreuzkopf-Motor, welcher eine Zylinderbohrung von mindestens 200
mm, geeigneterweise mindestens 250 mm, und eine Geschwindigkeit von
maximal 250 U/min aufweist. Der Motor kann einen mittleren Druck von
mindestens 16 bar haben und kann auf mindestens 3 bar absolut bei voller
Beladung vorverdichtet sein. Der mittlere Druck kann auch höher sein, wie 17
oder 18 bar, und die Vorverdichtung kann auch höher sein. Als Kraftstoff kann der
Motor auch mit komprimiertem Flüssiggas mit Methanzahlen von höchstens 15
versorgt werden, aber kann natürlich auch Kraftstoff mit höherer Methanzahl
verwenden.
Es kann günstig sein, den Hochkompressionsmotor mit Hilfe des
Dualkraftstoffsystems zu betreiben, welches Flüssiggas und Kraftstofföl entweder
separat oder zusammen verwendet. Das Öl kann wahlweise als
zündungsunterstützender Zündkraftstoff verwendet werden.
Das Flüssiggas wird bei einem Druck, welcher höher ist als der Druck in der
Verbrennungskammer, eingespritzt. Der Einspritzdruck liegt gewöhnlich im
Bereich von 200 bis 1200 bar, typischerweise im Bereich von 350 bis 900 bar.
Beim Einspritzen wird der Kraftstoff in Wolken von Flüssigkeitströpfchen
zerstäubt, welche sofort verdampfen, worauf eine Vermischung mit den anderen
Gasen in der Verbrennungskammer stattfindet. Die Einspritzung von Flüssiggas
geschieht während einer oder mehrerer Perioden, welche möglicherweise
unmittelbar bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt am Ende des
Kompressionshubes erreicht, zum Beispiel 6° CA vor dem oberen Totpunkt,
beginnen, ansonsten geschieht sie während des Expansionshubes. Das Gas
kann verbrennen, wenn es in geeigneter Weise mit der sauerstoffhaltigen Luft
vermischt wurde.
Jeder Flüssigkeits-Injektor 17 zur Einspritzung von Flüssiggas ist mit dem
zugehörigen Gaszufuhrrohr 26 verbunden, welches von einer geeigneten
externen Gasquelle zugeführt wird, welche vom oben genannten Typ auf einem
Rohöltransporter sein kann, oder mit einer Dauerhauptleitung verbunden sein
kann, wenn der Motor ein stationärer Energieerzeuger ist. Das Rohr 26 leitet das
Flüssiggas an den Flüssigkeits-Injektor und wird durch den Mantel 47
eingekapselt. Das Gebläse 49 hält einen Luftstrom im Raum zwischen der inneren
Oberfläche des Mantels und der äußeren Oberfläche des Rohres aufrecht. Die
Belüftungsluft wurde vorzugsweise mit Hilfe frei verfügbarer Abwärme vorerwärmt
bevor sie zwischen den Mantel und das Rohr geleitet wird. Dies kann
beispielsweise durch Erwärmen der Luft in einem Wärmeaustauscher mit dem
Kühlmittel des Motors bewirkt werden. Die heiße Luft kann dem Mantel in einem
Gegenstrom mit dem einströmenden Gas zugeführt werden. Dies kann zum
Beispiel durch Anordnen des Lufteinlasses in der Nähe des Motors bewirkt
werden, aber dies macht es seinerseits bei zwei Gebläsen notwendig. Das
Ergebnis des Erhitzens ist, daß keine Eisbildungen in oder an den Rohren im
Falle von undichten Stellen und vollständiger oder teilweiser Entlüftung des
Gases an die Atmosphäre auftreten. Bei solch einer Entlüftung wird der Druck
zuerst auf Atmosphärendruck entlastet. Dann verdampft das Flüssiggas durch
stoßartiges Kochen innerhalb der Rohre, welche so gekühlt werden. Die heiße
Gebläseluft wirkt einer völligen Abkühlung des gasführenden Systems entgegen.
Die gasführenden Rohre können auch in einer gesteuerten Weise ohne
irgendwelche wesentlichen Mengen an Gas, welches in den Rohren kocht,
entleert werden, indem das Flüssiggas durch ein anderes Fluid ersetzt wird,
welches auf die gasführenden Rohre bei einem geeignet hohen Druck
angewendet wird, zum Beispiel Kraftstofföl oder ein Gas, wie Inertgas.
Wenn der Motor ein Schiffsmotor ist, kann das Flüssiggas in einem unter Druck
stehenden und/oder gekühlten Tank gespeichert werden.
Claims (21)
1. Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas, welches auf
einen hohen Druck von mindestens 60 bar, welcher zur Zufuhr zum Motor
geeignet ist, komprimiert wird, wobei der Motor ein Einspritzsystem mit
Injektoren hat, welche flüssigen Kraftstoff mit hohem Druck in die
Verbrennungskammern der Zylinder (35) einspritzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzsystem mindestens Flüssigkeits-Injektoren (17) zur
Hochdruck-Einspritzung von komprimiertem Flüssiggas enthält, welches
aus flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus Rohöltanks (1)
verdampft sind, hergestellt wurde.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzsystem sekundäre Injektoren (16) zur Hochdruck-
Einspritzung von gasförmigen Gemischen enthält, welche mindestens
teilweise Gas enthalten, welches aus Rohöltanks (1) verdampft ist sowie
Inertgas, falls vorhanden, welches als ein Detonation-verhinderndes Gas
in die Rohöltanks gefüllt wurde.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzsystem Zünd-Injektoren (18) zur Einspritzung von
zündfähigem Zündkraftstoff enthält, welcher bei der Einspritzung einen
Verbrennungsprozeß auslöst.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzahl der Flüssigkeits-Injektoren (17) und der sekundären
Injektoren (16) in einer entsprechenden Anzahl von Dualkraftstoff-
Injektoren kombiniert sind, welche in der Lage sind, das Flüssiggas und
die gasförmigen gashaltigen Gemische einzuspritzen.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzsystem den sekundären Injektor (16) in Intervallen
auslöst, auch wenn kein gasförmiger Kraftstoff in den zugehörigen
Zylinder (35) eingespritzt werden soll.
6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nur einige der Motorzylinder (35) mit sekundären Injektoren (16)
versehen sind, während andere der Zylinder (35) mit Flüssigkeits-
Injektoren (17) versehen sind, wobei alle Zylinder auch wahlweise Zünd- und/oder
Kraftstofföl-Injektoren (18) aufweisen.
7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks (1) ist, so wie
ein Pendeltanker oder ein Rohöltransporter, und daß flüchtige organische
Verbindungen, welche aus diesen Tanks verdampft sind, mit
Zündungseigenschaften, Heizwerten und/oder verdampften Mengen,
welche über die Zeit variieren, einen wesentlichen Anteil des
Kraftstoffverbrauches des Hauptmotors darstellen.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor eine elektronische Steuereinheit (34) aufweist, welche auf
der Basis der Überwachung der gegenwärtigen Zylinderdrücke mindestens
den Einspritzdruck für das gasförmige Kraftstoffgas steuert, vorzugsweise
so, daß der Einspritzdruck niedriger ist, wenn der Inertgasgehalt des
Gases höher ist.
9. Verfahren zur Kraftstoffbeaufschlagung eines Verbrennungsmotors des
Dieseltyps, welcher mit Gas versorgt wird, welches auf einen hohen Druck
von mindestens 60 bar, welcher zur Zufuhr zum Motor geeignet ist,
komprimiert wird, wobei der Motor ein Einspritzsystem mit Injektoren
aufweist, welche Flüssigkraftstoff in die Verbrennungskammern der
Zylinder (35) mit einem hohen Druck einspritzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß flüchtige organische Verbindungen, welche aus Rohöltanks (1)
verdampft sind, nach einer wahlweisen vorübergehenden Lagerung und
Kompression dem Kraftstoffsystem des Motors zugeführt werden und als
Kraftstoff im Motor verwendet werden, ohne Rücksicht auf die Tatsache,
daß diese organischen Verbindungen Zündungseigenschaften, Heizwerte
und/oder verdampfte Mengen haben, welche über die Zeit variieren.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verdampften und komprimierten Verbindungen eine gasförmige
und eine flüssige Phase enthalten, welche bei der Zufuhr zum Motor im
wesentlichen voneinander getrennt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einspritzdruck der gasförmigen Phase so gesteuert wird, daß der
Einspritzdruck verringert wird, wenn der Inertgasgehalt in der gasförmigen
Phase ansteigt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoff und
Einspritzsystem des Motors höher gehalten wird als die Temperatur der
gasförmigen Phase nach der Kompression auf den Druck, bei welchem sie
dem Kraftstoffsystem des Motors zugeführt wurde.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoffsystem so
gesteuert wird, daß sie zum Motor hin steigt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die flüssigen und gasförmigen Phasen allen Zylindern (35) des Motors
zugeführt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die flüssige Phase einigen der Motorzylinder (35) zugeführt wird,
während die gasförmige Phase den anderen der Motorzylinder (35)
zugeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor ein Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks (1) ist, aus
welchen Verdampfung der flüchtigen organischen Verbindungen auftritt,
und daß der Motor nur mit Kraftstofföl in dem Ausmaß versorgt wird, wie
als Zündungshilfe nötig ist oder wie erforderlich ist, weil der gegenwärtige
Kraftstoffbedarf des Motors die Zufuhr von Kraftstoffgas zum Motor
übersteigt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor mit einem Wellengenerator in einem Pendeltanker oder in
einem Schiff zur Aufnahme von Kohlenwasserstoffen aus einem Bohr- oder
Produktionsschacht verbunden ist, und daß mindestens ein Teil der
flüchtigen organischen Verbindungen, welche bei der Ölbeladung
verdampft sind, im Motor verbrannt werden und den Wellengenerator zur
Energieerzeugung für die Antriebseinheiten im dynamischen
Positionierungssystem des Tankers oder Schiffes antreiben.
18. Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas, welches auf
einen hohen Druck von mindestens 200 bar, welcher zur Einspritzung in
die Motorzylinder geeignet ist, wobei der Motor auf einen Ladungsdruck
von mindestens 3 bar absolut vorverdichtet wird und ein volumetrisches
Kompressionsverhältnis von mindestens 1 : 14 und einen mittleren
Wirkdruck von mindestens 15 bar und ein Einspritzsystem mit Injektoren
aufweist, welche Flüssigkraftstoff bei einem hohen Druck in die
Verbrennungskammern der Zylinder (35) einspritzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzsystem mindestens Flüssigkeits-Injektoren (17) zur
Hochdruck-Einspritzung von komprimiertem Flüssiggas enthält.
19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor, welcher vorzugsweise ein Zweitakt-Kreuzkopf-Motor ist,
eine Zylinderbohrung von mindestens 200 mm und eine Geschwindigkeit
von höchstens 700 U/min, geeigneterweise eine Zylinderbohrung von
mindestens 250 mm und eine Geschwindigkeit von höchstens 250 U/min.
aufweist.
20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß das komprimierte Flüssiggas eine Methanzahl von maximal 15 hat.
21. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Flüssigkeits-Injektor zur Einspritzung von Flüssiggas mit einem
Gaszufuhrrohr verbunden ist, welches das Flüssiggas von einer externen
Gasquelle zum Flüssigkeits-Injektor leitet, daß das Gaszufuhrrohr durch
einen Mantel eingekapselt ist, daß ein Gebläse einen Luftstrom in dem
Raum zwischen der inneren Oberfläche des Mantels und der äußeren
Oberfläche des Rohres aufrechterhält, und daß die Gebläseluft vorerwärmt
wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DK10597A DK173242B1 (da) | 1997-01-29 | 1997-01-29 | af en saedan motor af gas og en fremgangsmade til braendselsforsyningForbraendingsmotor af dieseltypen til forbraending |
Publications (2)
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