DE3410714A1 - Einrichtung zum schutz von an ein gasversorgungsnetz angeschlossenen diesel-gas-motoren bzw. ottomotoren beim betrieb mit gas unterschiedlicher methanzahlen - Google Patents

Einrichtung zum schutz von an ein gasversorgungsnetz angeschlossenen diesel-gas-motoren bzw. ottomotoren beim betrieb mit gas unterschiedlicher methanzahlen

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Description

341O7H
PB 3276/1680
Einrichtung zum Schutz von an ein Gasversorgungsnetz angeschlossenen Diesel-Gas-Motoren bzw. Ottomotoren beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz von an ein Gasversorgungsnetz angeschlossenen Diesel-Gas-Motoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. von Ottomotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 jeweils beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen, und weiteren Merkmalen, so wie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 angegeben.
Die Erfindung geht von folgendem Stand der Technik aus: 1) DE-PS 909 521
2) DE-PS 553 568
3) DE-PS 1 145 435
4) DE-PS 2 744 844
5) DE-PS 1 576 321
6) "Energie", Jahrg. 35, Nr. 8, August 1983, Seiten 241-243
7) gwf-Gas/Erdgas, 123.Jahrg., 1982, Heft 3 , Seiten 99-103, "Problme beim Einsatz von Gasen unterschiedlicher Qualität in Gasmotoren"
Insbesondere der zuletzt genannte Aufsatz in der Veröf-
fentlichung 7) zeigt in äußerst anschaulicher Weise die der Erfindung zugrunde liegende Problematik auf; gleichzeitig kommt in diesem Artikel jedoch auch zum Ausdruck, daß es noch kein sicheres Hilfsmittel gibt, das eine
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Änderung der Motoreinstelldaten zielsicher bei Verschlechterung der Gasqualität ermöglicht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen zum Schutz von an ein Gasversorgungsnetz angeschlossenen Diesel-Gas-Motoren bzw. Ottomotoren beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen, welche Einrichtung sicherstellt, daß die Motoren bei Lieferung von Gas mit gegenüber dem Auslegungspunkt geringerer bzw. zu niedriger Methanzahl nicht nur keinen Schaden nehmen, sondern auch weiterhin betriebssicher arbeiten können .
Diese Aufgabe ist bei Diesel-Gas-Motoren entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß ein Gasanalysator vorgesehen ist, dem aus dem Gasversorgungsnetz entnommenes Gas über eine Kontroileitung zuführbar ist und der eine den Sauerstoffgehalt dieses Gases erfassende Sauerstoff (0„)-Sonde umfaßt sowie bei Auftreten von Gas mit für den Motorbetrieb zu niedrigerer Methanzahl Befeh-Ie an die angeschlossenen Umschalteinrichtungen zur Umschaltung von Gas- auf Dieselkraftstoffbetrieb abzugeben vermag.
Bei Ottomotoren ist die vorgenannte Aufgabe entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 2 dadurch gelöst, daß ein Gasanalysator vorgesehen ist, dem aus dem Gasversorgungsnetz entnommenes Gas über eine Kontroileitung zuführbar ist und der eine den Sauerstoffgehalt dieses Gases erfassende Sauerstoff (0„)-Sonde aufweist sowie bei Auftreten von Gas mit für sicheren Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl Befehle an die im Oberbegriff erwähnten Einrichtungen für eine entsprechend notwendige Betätigung der im Oberbegriff ebenfalls erwähnten Organe abzugeben vermag.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser beiden Lösungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Gasanalysators und die Kontrolle des im Gasversorgungsnetz angelieferten Gases fernab der Motoren ist in jedem Falle sichergestellt, daß sich die Lieferung von Gas mit gegenüber dem Auslegungspunkt zu geringer bzw. niedrigerer Methanzahl nicht schädlich an den am Gasversorgungsnetz angeschlossenen Motoren auswirken kann. Die erfindungsgemäß fernab der Motoren vornehmbare Überprüfung der Gaszusammensetzung stellt sicher, daß ausreichend Zeit für entsprechende Maßnahmen an den Motoren zur Umschaltung von Gas- auf Dieselkraftstoffbetrieb im einen Fall bzw. zur Einflußnahme auf verschiedene Organe möglich ist, beispielsweise zur Verstellung des Zündzeitpunktes, der Gemischzusammensetzung, des Ladeluftdruckes, der Einlaß- bzw. Auslaßsteuerzeiten und dgl.
oder, falls notwendig, für einen Maschinenstopp.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig.1 eine Maschinenanlage mit Diesel-Gas-
Motoren,
Fig.2 schematisch die erfindungsgemäße Ein
richtung und dere Zuordnung zu Teilen eines Motors, von dem der Übersicht
lichkeit halber lediglich ein Zylinder dargestellt ist,
Fig.3 die erfindungsgemäße Einrichtung zu-
sammen mit einem Blockschaltbild für
die Erläuterung der Eingriffsmöglichkeiten an einem Ottomotor.
In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen angezogen.
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In Fig.1 ist mit 1 die Wand eines ortsfesten oder beweglichen Maschinenraumes 2 bezeichnet, in dem mehrere, jeweils einen Generator 3 zur Stromerzeugung antreibende Diesel-Gas-Motoren 4 installiert sind, welche jeweils über einen Abgasturbolader 5 verfügen. Die Frischluftzufuhr ins Innere des Maschinenraumes 2 für die Luftversorgung der Abgasturbolader 5 erfolgt über in dessen Wand 1 eingelassene Einlaßöffnungen 6. Die Abgasturbolader 5 werden durch Abgas betrieben, das deren Turbinen über eine Abgassammelleitung 7 zugeführt und anschließend über eine Abgasleitung 8 mit Schalldämpfer 9 ins Freie geleitet wird. Mit 10 ist als Teil eines Gasversorgungsnetzes eine Leitung bezeichnet, an der die Diesel-Gas-Motoren 4 über je eine Gaszuleitung 11 mit eingeschaltetem, maschinenseitig gesteuertem Gasdruckregler 12 angeschlossen sind. Motorseitig mündet die Gaszuleitung 11 in eine sich längs der Zylinder 15 erstreckende Gasverteilerleitung 13, von der wiederum zu den Einlaßorganen der Zylinder hinführende Gasspeisekanäle 14 abzweigen. Hinsichtlich von Details ist nachstehend auf Fig.2 Bezug genommen, in der anhand eines Zylinders 15 die Dieselkraftstoff- und Gasversorgung der Diesel-Gas-Motoren 4 und die jeweils erforderlichen Regelorgane schematisch dargestellt sind.
Jeder Zylinder 15 weist im Bereich seines Zylinderkopfes für die Dieselkraftstoffeinspritzung ein Einspritzventil 16 auf, das über eine Kraftstoffdruckleitung 17 an eine von einer nicht dargestellten Steuerwelle aus betätigbaren Einspritzpumpe 18 angeschlossen und von letzterer mit Dieselkraftstoff versorgbar ist. Die Einspritzpumpe 18 weist einen mit schrägen Steuerkanten für eine variable Einspritzbeginn- und -endesteuerung versehenen, verdrehbaren Pumpenkolben 19 auf, der über eine seine Verdrehung bewerkstelligende Regelstange 20 an ein sich längs eines Diesel-Gas-Motors 4 erstreckendes Einspritzpumpenregelgestänge 21 angeschlossen ist. Letzteres ist
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einerseits an eine Umschalteinrichtung 22 und andererseits an einen Drehzahlregler 23 angeschlossen. An der .Umschalteinrichtung 22 ist außerdem ein Gasregelgestänge 24 angeschlossen, an dem Gaszufuhrsteuerorgane 25 angekoppelt sind, mit denen die Einlaßguerschnitte der zylinderkopfseitig in Lufteinlaßkanäle 26 einmündenden Gasspeisekanäle 14 veränderbar oder absperrbar sind. Andernendes der Umschalteinrichtung 22 ist das Gasregelgestänge 24 ebenfalls am Drehzahlregler 23 angeschlossen.
Die Anbindung des Gasregelgestänges 24 und des Einspritzpumpenregelgestänges 21 ist nach dem sog. "Waagebalkenprinzip" realisiert, wobei die reglerseitigen Enden 27 des Einspritzpumpenregelgestänges 21 bzw. 28 des Gasregelgestänges 24 jeweils gelenkig, außen an einen "Waagebalken" 29 angeschlossen und über diesen miteinander verbunden sind, der in der Mitte zwischen beiden Gelenken 27, 28 über eine Gelenk 30 an ein vom Drehzahlregler 23 betätigtes Hebelwerk 31 angekoppelt ist. Das besagte "Waagebalkenprinzip" funktioniert dabei wie folgt.
Beim Normalbetrieb eines Diesel-Gas-Motors 4, also mit Gas, bleibt das Einspritzpumpenregelgestänge 21 durch die Umschalteinrichtung 22 in der Zündölstellung fixiert; der Drehzahlregler 23 wirkt dann nur auf das Gasregelgestänge 24 und damit die daran angeschlossenen Gaszufuftrsteuerorgane 25 ein. Im Dieselbetrieb dagegen wird das Gasregelgestänge 24 durch die Umschalteinrichtung 22 in der "Gas-O-Füllungsstellung" festgehalten, so daß vom Drehzahlregler 23 dann nur auf das Einspritzpumpenregelgestänge 21 eingewirkt werden kann.
Die Umschalteinrichtung 22 ist Teil einer Umschaltautomatik, die einen Diesel-Gas-Motor 4 automatisch von einer Betriebsart auf die andere umschaltet, wenn beispielsweise die Gasversorgung ganz ausfällt oder der Druck des gelieferten Gases zu niedrig ist. Hierzu ist an die Gaszuleitung 11 strömungsmäßig vor dem Gasdruckregler 12 ein Drucksensor 32 angeschlossen, der den herrschenden
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Gasdruck erfaßt und an eine Auswerteinrichtung 33 liefert, die im Falle eines fehlenden bzw. zu niedrigen Gasdruckes einen Befehl an die Umschalteinrichtung 22 abgibt, die daraufhin auf das Gasregelgestänge 24 für eine Absperrung der Gaszufuhr durch die Gaszufuhrsteuerorgane 25 einwirkt.
Der Umschalteinrichtung 22 ist darüber hinaus eine Vorrichtung 34 zugeordnet, mit der bedarfsweise auch von 0 Hand von der einen auf die andere Betriebsart umgeschaltet werden kann.
Erfindungsgemäß ist diesen vorstehend in ihren Einzelheiten beschriebenen Diesel-Gas-Motoren 4 eine Einrichtung zugeordnet, die anormale Betriebszustände und Schaden beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen verrhindert. Diese unterschiedlichen Methanzahlen resultieren daraus, daß im Gasversorgungsnetz normalerweise nur methanhaltiges Erdgas bereitgestellt, diesem zu verschiedenen Zeiten aber ein beispielsweise aus einem Propan-Butan^- ,Luftgemisch bestehendes Zusatzgas beigemischt wird, das zwar e^wa den gleichen Heizwert, jedoch eine niedrigere Methanzahl als Erdgas besitzt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt einen Gasanalysator 35, dem aus dem Gasversorgungsnetz - repräsentiert durch die Leitung 10 - entnommenes Gas über eine Kontrolleitung 36 zuführbar ist. Der Gasanalysator 35 umfaßt eine den Sauerstoffgehalt dieses zugeführten Gases erfassende Sauerstoff (0„)-Sonde und ist ausgangsseitig über eine Steuerleitung 37 mit der an einem Diesel-Gas-Motor 4 vorhandenen Umschalteinrichtung 22 verbunden. Der Gasanalysator 35 gibt bei Auftreten von Gas mit für den Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl Befehle an die angeschlossenen Umschaltvorrichtungen 22 zur Umschaltung von Gas- auf Dieselkraftstoffbetrieb, welche Umschaltung wie vorstehend geschildert am Motor abläuft.
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Der Ort, an dem die Kontrolleitung 36 von der Leitung des Gasversorgungsnetzes abzweigt, liegt vorteilhafterweise fernab der Diesel-Gas-Motoren 4, mindestens so weit, daß an letzteren bereits vor Eintreffen von Gas mit zu niedriger Methanzahl die erforderlichen Gegenmaßnahmen in Form von Umschaltung von Gas- auf Dieselkraftstoffbetrieb durchgeführt sind. Damit ist sichergestellt, daß die Motoren keinen Schaden nehmen können und auch ein reibungsloser Betrieb vonstatten gehen kann.
Nachstehend ist auf Fig.3 Bezug genommen, in der die erfindungsgemäße Einrichtung im Zusammenhang mit Ottomotoren dargestellt ist. In Fig.3 ist ein solcher Ottomotor lediglich durch einen strichpunktierten Kasten angedeutet.
Diese Ottomotoren 38 können im Rahmen einer Maschinenanlage genauso angeordnet sein, wie die Diesel-Gas-Motoren 4 in Fig.1 und ebenso wie diese über Abgasturbolader verfügen sowie Generatoren antreiben. Da der Aufbau und die Funktion von Ottomotoren als bekannt vorausgesetzt werden können, muß hier nicht auf Einzelheiten eingegangen werden. Anhand von Fig.3 sollen lediglich jene Teile eines solchen Ottomotors 38 beschrieben sein, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.
An einem solchen Ottomotor 38 sind Einrichtungen vorhanden, die ein Einwirken auf verschiedene Organe zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens der Maschine ermöglichen. Hierfür sind nachstehend einige Beispiele genannt, die jedoch jederzeit erweitert bzw. ergänzt werden könnten, sofern nur Organe am Motor vorhanden sind, die eine Beeinflussung des Betriebsverhaltens ermöglichen. Mit 39 ist beispielsweise eine Einrichtung bezeichnet, mit der auf ein Organ 40 zur Verstellung des Zündzeitpunktes einwirkbar ist. Mit 41 ist beispielsweise eine Einrichtung angezogen, mit der auf ein Gaszufuhrsteuerorgan 42, beispielsweise ein Gaseinlaßventil oder einen Gasregelschieber, für eine Regelung der Gasmenge und
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damit der Gemischzusammensetzung eingewirkt werden kann. Mit 43 ist beispielsweise eine Einrichtung bezeichnet, mit der die Stellung einer oder mehrerer Drosselklappen 44 in den Luftwegen (Ladeluftleitung, Ansaugleitung) des Motors beeinflußbar ist. Mit 45 ist beispielsweise eine Einrichtung bezeichnet, die eine Einflußnahme auf ein Organ 46 für eine Beeinflussung des Ladeluftdruckes ermöglicht, bei welchem Organ 46 es sich beispielsweise um ein Abblaseventil handeln kann, das in eine die Abgasturbine umgehende Bypaßleitung eingeschaltet ist.
Mit 47 ist beispielsweise eine Einrichtung bezeichnet, mit der eine die Einlaß- bzw. Auslaßventile steuernde Steuerwelle 48 für eine Änderung der Steuerzeiten relativ zur Kurbelwelle des Motors verdrehbar ist. Solche Einrichtungen zur Verdrehung der Steuerwelle 48 sind bekannt . Mit 49 ist beispielsweise eine Einrichtung angezogen für die Betätigung von Organen 50, die eine Veränderung des Brennraumvolumens ermöglichen, so daß beispielsweise überhöhte Zünddrücke nicht auftreten können.
Mit 51 schließlich ist beispielsweise eine Einrichtung bezeichnet, die auf ein Organ bzw. Organe 52 einwirkt, mit der der Motor gestoppt werden kann.
Den Ottomotoren 38 ist nun erfindungsgemäß ebenfalls eine Einrichtung zugeordnet, die beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen ein Auftreten von anormalen Betriebszuständen und Folgeschäden davon vermeiden hilft. Die erfindungsgemäße Einrichtung weist einen Gasanalysator 53 auf, dem aus dem durch die Leitung 10 repräsentierten Gasversorgungsnetz entnommenes Gas über eine Kontroileitung 54 zuführbar ist. Der Gasanalysator 53 verfügt über eine den Sauerstoffgehalt dieses zugeführten Gases erfassende Sauerstoff (O_)-Sonde. Ausgangsseitig ist der Gasanalysator 53 an eine elektrische bzw. elektronische Steuereinheit 55 angeschlossen, die als Teil entweder einen einzigen, allen Ottomotoren 38
gemeinsamen Mikroprozessor oder je Motor 38 einen Mikroprozessor 56 aufweist, der die vom Gasanalysator 53 erfaßten und in Form entsprechender elektrischer Signale gemeldeten Sauerstoffwerte per Programm anhand von in ihn eingegebenen Kennlinien bzw. -feldern verarbeitet und diesen Vorgaben entsprechend Befehle an die angeschlossenen Einrichtungen 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51 zur Betätigung der besagten Organe 40, 42, 44, 46, 48, 50, abzugeben vermag. Bei Auftreten von Gas mit für einen sicheren Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl können dabei je nachdem, wie stark sich die Methanzahl gegenüber einem Äuslegungspunkt verschlechtert hat, vom Mikroprozessor 56 an ein oder mehrere der Einrichtungen 39, 41, 43, 45, 47, 49 Befehle für eine gleichzeitige und speziel-Ie Betätigung der angeschlossenen Organe 40, 42, 44, 46, 48, 50 abgegeben werden. Für den Fall, daß sich die Methanzahl des gelieferten Gases so stark verschlechtert hat, daß der Motor damit ohne Schaden zu nehmen nicht mehr betreibbar ist, wird vom Mikroprozessor 56 ein entsprechender Befehl an die Einrichtung 51 und damit die Organe 52 zur Stillsetzung des Motors abgegeben. Somit ist auch bei Ottomotoren durch Zuordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung sichergestellt, daß diese bei Auftreten von Gas mit für einen sicheren Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl keinen Schaden nehmen können.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche:
    / 1 .!Einrichtung zum Schutz von an ein Gasversorgungsnetz angeschlossenen Diesel-Gas-Motoren beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen, die daraus resultieren, daß im Gasversorgungsnetz normalerweise nur methanhaltiges Erdgas bereitgestellt, diesem zu verschiedenen Zeiten aber ein beispielsweise aus einem Propan-Butan-Luftgemisch bestehendes Zusatzgas beigemischt wird, das zwar etwa den gleichen Heizwert, jedoch eine niedrigere Methanzahl als Erdgas besitzt, und wobei die Motoren über Umschaltvorrichtungen verfügen, mit denen sie von Gas- auf Dieselkraftstoffbetrieb umschaltbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasanalysator (35) vorgesehen ist, dem aus dem Gasversorgungsnetz (10) entnommenes Gas über eine Kontrolleitung (36) zuführbar ist und der eine den Sauerstoffgehalt dieses Gases erfassende Sauerstoff (O?)-Sonde umfaßt sowie bei Erkennen von Gas mit für den Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl Befehle an die angeschlossenen Umschaltvorrichtungen (22) zur Umschaltung von Gas- auf Dieselkraftstoff betrieb abzugeben vermag.
  2. 2. Einrichtung zum Schutz von an ein Gasversorgungsnetz angeschlossenen Otto-Motoren beim Betrieb mit Gas unterschiedlicher Methanzahlen, die daraus resultieren, daß im Gasversorgungsnetz normalerweise nur methanhaltiges Erdgas bereitgestellt, diesem zu verschiedenen Zeiten aber ein beispielsweise aus einem Propan-Butan-Luf tgemisch bestehendes Zusatzgas beigemischt wird, das zwar etwa den gleichen Heizwert, jedoch eine niedrigere Methanzahl besitzt, und wobei an den Motoren Einrichtungen vorhanden sind, die eine Einflußnahme auf verschiedene Organe, beispielsweise zur Verstellung des Zündzeitpunktes, der Gemischzusammensetzung, des Ladeluftdruckes, der Einlaß- bzw. Auslaßsteuerzeiten,
    oder für Maschinenstopp ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasanalysator (53) vorgesehen ist, dem aus dem Gasversorgungsnetz (10) entnommenes Gas über eine Kontroileitung (54) zuführbar ist und der eine den Sauerstoffgehalt dieses Gases erfassende Sauerstoff (CO -Sonde aufweist sowie bei Erkennen von Gas mit für sicheren Motorbetrieb zu niedriger Methanzahl Befehle an die besagten Einrichtungen (39, 41, 43, 45, 47, 49,51;. 55, 56) für eine entsprechend notwendige Betätigung obengenannter Organe (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52) abzugeben vermag.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort, an dem die Kontroileitung (36, 54) von einer Leitung (10) des Gasversorgungsnetzes abzweigt, fernab der Motoren (4 bzw.38) liegt, mindestens so weit, daß an den Motoren (4 bzw.38) bereits vor Eintreffen von Gas mit zu niedriger Methanzahl die erforderlichen Gegenmaßnahmen durchführbar sind.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasanalysator (53) eine elektrische bzw. elektronische Steuereinrichtung (55) mit einem einzigen, allen Ottomotoren gemeinsamen Mikroprozessor oder mit je einem Ottomotor (38) einem Mikroprozessor (56) nachgeordnet ist, der die vom Gasanalysator (53) erfaßten und in Form entsprechender elektrischer Signale gemeldeten Änderungen der Methanzahl per Programm anhand von in ihn eingegebener Kennlinien bzw. -feider verarbeitet und diesen Vorgaben entsprechende Befehle an die angeschlossenen Einrichtungen (39, 41, 43, 45, 47, 49, 51) zur Betätigung der besagten Organe (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52) abzugeben vermag.
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