DE4419429A1 - Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, insbesondere aufgeladenen Gasmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, insbesondere aufgeladenen Gasmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Gasmotoren werden jene Verbrennungskraftmaschinen bezeichnet, welche in der Hauptsache mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Dies sind einerseits die Otto-Gasmotoren mit Fremdzündung des Brenngas-Luft-Gemisches und andererseits die Diesel-Gasmotoren, bei welchen die Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches durch Selbstzündung eingeleitet wird. Diesel -Gasmotoren arbeiten im allgemeinen mit einem höheren Verdichtungsverhältnis als Otto-Gasmotoren und weisen höhere effektive Mitteldrücke auf.

Die motorischen Brennverfahren werden weitergehend nach der Brennraumgestaltung klassifiziert. Man spricht von Motoren mit unterteiltem Brennraum (z. B. Vorkammer-, Wirbelkammermotoren; im folgenden ist, wenn von Vorkammer bzw. Vorkammermotor die Rede ist, stets auch der Wirbelkammermotor sinngemäß angesprochen), wenn der Gesamtbrennraum durch eine mehr oder weniger starke Einschnürung in Einzelbrennräume untergliedert wird. Beim dieselmotorischen Brennverfahren wird der Motor mit nicht unterteiltem Brennraum als Direkteinspritzer bezeichnet und der mit unterteiltem Brennraum als Kammermotor.

Weiterhin unterscheidet man nach Art der Gemischbildung zwischen innerer Gemischbildung, d. h. Mischung von Luft und Brennstoff im Brennraum, und äußerer Gemischbildung, d. h. Mischung von Luft und Brennstoff außerhalb des Brennraumes. Bei äußerer Gemischbildung saugt der Motor im Falle eines Gasmotors brennbares Gas-Luft-Gemisch an, wogegen bei der inneren Gemischbildung das Brenngas erst nach dem Schließen der Einlaßorgane der Luft zugemischt wird. Wenn sich während der Verdichtungsphase nahezu ausschließlich Luft im Brennraum befindet, spricht man von einem luftverdichtenden Motor, im Gegensatz zum gemischverdichtenden Motor, wenn während der Verdichtungsphase bereits brennfähiges Gemisch im Brennraum vorhanden ist. Je nach dem, ob bei der inneren Gemischbildung die Gaszuführung bei geringen Zylinderdrücken oder erst kurz vor dem Brennbeginn und hohen Zylinderdrücken in den Brennraum eingebracht wird, bezeichnet man dies als Niederdruck- bzw. Hochdruckgaseinblasung.

Beim Diesel-Gasmotor wird meist ein flüssiger Zündkraftstoff (z. B. Dieselkraftstoff) zur Entflammung des Brenngas-Luft-Gemisches in den Brennraum eingespritzt (flüssiger Zündkraftstoff hat meist bessere Selbstzündungseigenschaften als gasförmiger Brennstoff). Der sich selbst entzündende Zündkraftstoff entflammt dann seinerseits das Brenngas-Luft-Gemisch. Die nach diesem Verfahren arbeitenden Motoren benötigen zur Zündung des Gas-Luft-Gemisches ca. 5 bis 10% der Gesamtkraftstoffmenge als Zündkraftstoffmenge. Neuere Ausführungen kommen inzwischen auch mit Zündkraftstoffmengen im Bereich von 1% aus. Ein Nachteil des mit flüssigem Zündkraftsoff arbeitenden Gasmotors ist jedoch, daß für den Zündkraftstoff eigene Versorgungseinrichtungen am Motor bereitgestellt werden müssen. Mit Gas als Kraftstoff alleine ist bisher ein dieselmotorisches Brennverfahren aber noch nicht verwirklicht worden, weder als Direkteinspritzer noch als Kammermotor, da die hohen Selbstzündungstemperaturen des Gas-Luft-Gemisches Probleme bereiten.

Eine wesentliche Anforderung an heutige Motoren ist die geringe Schadstoffemission. Um speziell bezüglich der Stickoxidemissionen (NO_x-Emission) geringe Werte zu erreichen, kommen bevorzugt unterteilte Brennräume zum Einsatz, und das Brenngas-Luft-Gemisch wird möglichst brennstoffarm, d. h. mager gehalten. Um bei mageren Brenngas-Luft-Gemischen dennoch hohe effektive Mitteldrücke, d. h. hohe spezifische Leistung zu erzielen, ist die Aufladung zwingend erforderlich. Weiterhin ist zur sicheren Entflammung von mageren Brenngas-Luft-Gemischen eine deutlich höhere Energie nötig als bei stöchiometrischen Gemischen, wie sie bei Otto-Gasmotoren vorliegen. Das bedeutet, daß die bisher eingesetzten Fremdzündeinrichtungen (Zündkerze) die Energie zur Entflammung nicht aufbringen können. Eine konstruktive Methode, diese höhere Energie zu liefern, bietet die Motorbauform mit unterteiltem Brennraum, indem in die Kammer ein brennstoffreiches Gemisch separat eingebracht wird, das dann durch Selbstzündung zündet. Nach der Zündung strömen heiße Verbrennungsgase in den Hauptbrennraum ein und entzünden mit ihrem hohen Energieinhalt das dort befindliche brennstoffarme Gemisch. Außerdem bewirken die beim Kammerbrennverfahren vorliegenden Luftverhältnisse - brennstoffreich in der Kammer und brennstoffarm im Hauptbrennraum - vor allem bei den Stickoxiden geringere Emissionswerte gegenüber dem mit ungeteiltem Brennraum arbeitenden Brennverfahren.

Von den obigen Gegebenheiten ausgehend, ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den gattungsgemäßen Stand der Technik mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß beim Diesel-Gasmotor - unter Beibehaltung der geringen NO_x-Emmissionswerte und der hohen effektiven Mitteldrücke - vom Zweibrennstoffbetrieb zum Einbrennstoffbetrieb übergegangen werden kann, um deutliche Kostenvorteile gegenüber dem Otto-Gasmotor zu erreichen.

Die verfahrensmäßige Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthalten.

Durch die erfindungsgemäße Einblasung von hochverdichtetem gasförmigem Brennstoff in die Vorkammer, anstatt den flüssigen Zünd-Kraftstoff in diese einzuspritzen, ist die Verwendung nur einer Brennstoffart, nämlich eines gasförmigen Brennstoffes möglich. Vorzugsweise wird zur Einblasung in die Vorkammer der gleiche gasförmige Brennstoff verwendet, wie er vom Motor zusammen mit der Luft in den Hauptbrennraum angesaugt und verdichtet wird.

Die Verbrennung setzt in der Vorkammer durch Selbstentzündung ein, wodurch der Druck dort ansteigt und das teilweise verbrannte Gemisch in den Hauptbrennraum einströmt, wo es dann vollständig verbrennt und dabei das im Hauptbrennraum befindliche Gemisch entzündet.

Ein weiterer, ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme ist darin zu sehen, daß im Gegensatz beispielsweise zum Gasmotor mit Hochdruck-Gaseinblasung, bei dem im Betrieb 100% des Brenngases hoch verdichtet in den Brennraum eingeblasen werden muß, hier lediglich zwischen 0,5 und 10%, vorzugsweise cirka 1 bis 5% des gasförmigen Brennstoffes auf einen Druck, der etwa 2 bis 3mal höher als der Verdichtungsdruck im Hauptbrennraum, vorzugsweise zwischen 250 und 300 bar hoch verdichtet werden muß. Bei deutlich niedrigeren NO_x-EmissionSwerten bleibt bei dem erfindungsgemäßen Betrieb eines gattungsgemäßen Gasmotors die Leistungsfähigkeit eines Diesel-Gas-Motors mit Vorkammer unverändert aufrechterhalten.

Durch die Menge des mit Hochdruck in die Vorkammer eingeblasenen Brenngases kann das Luftverhältnis dort entsprechend der Forderung nach geringen Schadstoffemissionen gesteuert werden. Unter dieser Forderung wird vorzugsweise die Menge des eingeblasenen Brenngases so gewählt, daß sich ein Luftverhältnis kleiner als "eins" in der Vorkammer einstellt. Durch die in der Vorkammer einsetzende Verbrennung wird Gas mit hohem Energieinhalt bereitgestellt, welches nach dem Überströmen in den Hauptbrennraum die Energie zum Entzünden des dort brennstoffarmen Gemisches liefert. Die brennstoffarme Verbrennung im Hauptbrennraum ist ebenfalls durch eine geringe Stickoxidemission gekennzeichnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Verfahrensmaßnahmen sind in den Ansprüchen 5 bis 10 angegeben. So wird mindestens eine Vorkammer verwendet, deren Volumen vorzugsweise auf ca. 2 bis 5% des Volumens des Hauptbrennraums bei Verdichtungsende ausgelegt ist, um eben die zur Einblasung in die Vorkammer(n) auf ca. 250-300 bar zu verdichtende Brenngasmasse ausreichend klein zu belassen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, eine Vorkammer, oder zumindest Einsätze zur Bildung der Vorkammer aus thermisch isolierendem Material (z. B. Keramik oder ein Metall mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Nimonic) im Hinblick auf eine Verbesserung der thermischen Effizienz oder der verminderten Schadstoffbildung zu verwenden.

Des weiteren kann zur Unterstützung der Selbstzündung des hochverdichteten Brenngasgemisches in der Vorkammer eine Glühvorrichtung in Form einer Glühkerze verwendet werden. Der Einsatz einer Glühkerze verbessert insbesondere den Kaltstart des Motors, indem die Verbrennung innerhalb kurzer Zeit auf optimale Parameter stabilisiert wird. Das Verfahren schließt den Einsatz einer Zündkerze statt einer Glühkerze nicht aus.

Neben der bereits vorstehend zitierten verfahrensgemäßen Lösung wird die Aufgabe der Erfindung auch vorrichtungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.

Unter Bezugnahme auf die stark schematisierte Figur der Zeichnung ist eine typische Auslegungsform eines Zylinderkopfes mit Vorkammer eines Diesel-Gasmotors im folgenden beschrieben, wie er nach der Erfindung betreibbar ist.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Gasmotors, sowie seiner Brenngasversorgung und den entsprechenden Druckerzeugungseinrichtungen sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner eingehenderen Erläuterung mehr.

Eine in den Kolben 1 eingearbeitete Kolbenmulde, der Zylinderkopf 3 und die Zylinderwand 4 des Zylinders am oberen Totpunkt des Kolbenhubes begrenzen den Hauptbrennraum 2. Der Zylinderkopf 3 enthält in der Regel zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile, die hier in Form von zwei Steuerventilen 5, 6 im Zylinderkopf 3 zu sehen sind. Mit dem Abgasturbolader 20 wird die aus der Umgebung angesaugte Luft verdichtet, um das Druckniveau in den Brennräumen 2 anzuheben.

Vom Hauptbrennraum 2 abgeteilt ist auf dem Zylinderkopf 3, bzw. in diesem integriert, eine Verbrennungs-Vorkammer 7 vorgesehen. Die Vorkammer 7 ist durch eine oder mehrere kleine Öffnungen 8a, 8b mit dem Hauptbrennraum 2 verbunden. Der hochverdichtete, gasförmige Brennstoff für die Vorkammer 7 wird durch eine Hochdruck-Brenngaszuleitung 9, der unter geringem Druck stehende, gleiche gasförmige Brennstoff für die Versorgung des Hauptbrennraums 2 wird durch eine Niederdruck-Brenngasleitung 30 alternativ vor dem Verdichter 40 oder dem Einlaßventil 5 zugeführt. Die Steuerung der Brenngaseinblasung in die Vorkammer 7 wird mittels eines Ventils 10, das als Teller- oder Nadelventil oder auch als einstrahlige Zapfendüse ausgeführt ist und auf- und zugesteuert werden kann, realisiert. Die Verdichtungsdrücke in den Leitungen 9, 30 sind in bekannter Weise mittels entsprechender Druckerzeugungseinrichtungen bereitzustellen.

Die Verbrennung setzt also in der Vorkammer 7 ein und setzt sich im Hauptbrennraum 2 fort, so daß das Brenngas in beiden Brennräumen 2, 7 verbrannt wird und mittels der Abgasleitung 13 abführbar ist.

In die Vorkammer 7 ist auch eine Glühkerze oder -Stift 11 eingesetzt, die dazu bestimmt ist, während der Anlaßphase des Motors den Innenraum der Vorkammer 7 aufzuheizen, um dadurch die Selbstzündung und die anschließende Verbrennung dort zu begünstigen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, insbesondere aufgeladenen Gasmotors, der einen Hauptbrennraum (2) und mindestens eine mit diesem verbundene Vorkammer(n) (7), aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb in die Vorkammer (7) hochverdichteter, gasförmiger Brennstoff eingeblasen und dort zur Entzündung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 0,5 und 10% des gesamten zum Betrieb verwendeten gasförmigen Brennstoffes hochverdichtet in die Vorkammer (7) eingeblasen wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einblasen in die Vorkammer (7) vorgesehene Gas auf einen Druck verdichtet wird, der etwa 2 bis 3 mal höher als der Verdichtungsdruck im Hauptbrennraum (2) ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkammer (7) ein brennstoffreiches Gemisch mit einem Luftverhältnis kleiner als "eins" erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkammer (7), deren Volumen auf circa 2-5% des Volumens des Hauptbrennraums (2) bei Kompressionsende ausgelegt ist, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkammer (7) aus Keramik im Hinblick auf eine Verbesserung der thermischen Effizienz verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkammer (7) aus einem Metall mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkammer (7) zur Unterstützung der Selbstzündung eine Glühvorrichtung (11) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkammer (7) zur Entflammung des Kraftstoffes eine Zündkerze verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einblasung in die Vorkammer (7) die selbe Art des gasförmigen Brennstoffes wie das zusammen mit der Luft angesaugte und im Hauptbrennraum (2) durch den Kolben (1) zu verdichtende Gas verwendet wird.

11. Gemischverdichtender, insbesondere aufgeladener Gasmotor zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dessen Zylinderkopf (3) eine vom Hauptbrennraum (2) abgeteilte, jedoch durch mindestens eine Öffnung (8) mit diesem verbundene Verbrennungs-Vorkammer (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vorkammer (7) eine Hochdruck-Brenngasleitung (9) angeschlossen ist, der Hauptbrennraum (2) mittels einer Niederdruck-Brenngasleitung (30) versorgbar ist.