DE4419429C2 - Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden gemischverdichtenden Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Anwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden gemischverdichtenden Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Anwendung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
selbstzündenden gemischverdichtenden Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine
zur Anwendung des Verfahrens.
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 weiterhehend 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 Zündtkraftstoff (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
(NOX-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.
So zeigt die DE 29 21 997 eine gemischverdichtende, mit Brenngas
betriebene Brennkraftmaschine, die aufgeladen sein kann und eine
Vorkammer aufweist, in welche verdichteter, gasförmiger Brennstoff
eingeblasen wird und dort ein festes Luft/Brennstoffgemisch bildet,
welches durch eine Zündkerze gezündet wird.
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
NOX-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 NOX-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
Kolbenhubens 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
Selbszündung und die anschließende Verbrennung dort zu begünstigen.
Claims (7)
1. Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden gemischverdichtenden
Brennkraftmaschine, mit einem gasförmigen Brennstoff, welcher einer
Vorkammer zugeführt wird und dort ein brennstoffreiches Gemisch bildet, und
mit einem Hauptbrennraum, in welchem ein gasförmiges Brenstoff/Luft-Gemisch
angesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff bei
einem Druck in die Vorkammer (7) eingeblasen wird, der über dem
Verdichtungsenddruck im Hauptbrennraum (2) liegt.
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 der gasförmige Brennstoff bei einem Druck in die
Vorkammer (7) eingeblasen wird, der etwa 2 bis 3 mal über dem
Verdichtungsenddruck im Hauptbrennraum (2) liegt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vorkammer (7), deren Volumen auf ca. 2 bis 5% des
Volumens des Hauptbrennraums (2) bei Kompressionsende ausgelegt ist,
verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Vorkammer (7) zur Unterstützung der
Selbstzündung eine Glühvorrichtung (11) verwendet wird.
6. 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.
7. Selbszündende gemischverdichtende Brennkraftmaschine zur Anwendung des
Verfahrens nach Anspruch 1, deren Zylinderkopf (3) eine vom Haptbrennraum
(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.
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