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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Maschine,
die durch Wahl des geeigneten Betriebsmodus die Verwendung sowohl
von gasförmigem
Brennstoff als auch von flüssigem
Brennstoff ermöglicht,
und die im Wesentlichen zur Stromerzeugung dient.
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Stand der Technik
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In
den vergangenen Jahren fanden Gasmaschinen in dem Bereich von Wärmekraftsystemen
breite Anwendung. Insbesondere auf kommerziellen Gebieten wurden
Funkenzündungsgasmaschinen
mit einer Vorverbrennungskammer aufgrund der Abgasregelung häufig verwendet.
Andererseits bestand auch ein großer Bedarf an Dieselmaschinen
zur Verwendung im Bereich des Brandschutzes und der Energieversorgung
in Notfällen.
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Normalerweise
mussten die Gas- und Dieselmaschinen zur Befriedigung der vorgenannten
Bedürfnisse
separat voneinander als verschiedene Maschinentypen ausgelegt werden,
da es keine Maschinen gab, die gleichzeitig sowohl die Funkenzündung als
auch die Kompressionszündung
ermöglichten.
Entsprechend besteht ein großer
Bedarf daran, eine Gasmaschine zur Verwendung während des Normalbetriebs und
eine Dieselmaschine zur Verwendung in Notfällen bereitzustellen, was jedoch
sehr kostenintensiv ist.
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Andererseits
existiert eine kombinierte Maschine, die sowohl in einem Gasbetriebsmodus,
in dem ein gasförmiger
Brennstoff verwendet wird, und in einem Dieselbetriebsmodus, in
dem ein flüssiger
Brennstoff verwendet wird, betrieben werden kann. Bei einer solchen
kombinierten Maschine ist es möglich,
wahlweise zwischen einem Gasbetriebsmodus, in dem ein gasförmiger Brennstoff
unter Verwendung einer geringen Menge eines Pilotöls (etwa
5 15% der gesamten Brennstoffmenge) als Zündquelle zu verbrennen, und
einem Dieselbetriebsmodus, bei dem ausschließlich flüssiger Brennstoff verbrannt
wird, umzuschalten. Bei einer solchen Maschine wird die Maschine
zum Zeitpunkt des Maschinenstarts mit Hilfe von flüssigem Brennstoff,
der sich besser entzünden
lässt,
angelassen und aufgewärmt.
Nach dem Aufwärmen
der Maschine, sobald der Maschinenbetriebslastfaktor wenigstens
30% erreicht hat, wird der als Pilotbrennstoff verwendete, sehr
leicht entzündbare,
flüssige
Brennstoff durch Zündung
des weniger gut entzündbaren,
gasförmigen
Brennstoffs ergänzt, indem
von flüssigem
Brennstoff auf gasförmigen
Brennstoff umgeschaltet wird.
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Aufgrund
der Verwendung von flüssigem
Brennstoff als Pilotbrennstoff in einer Größenordnung von etwa 5 ∼ 15% der
gesamten Wärmemenge
besteht bei den herkömmlichen,
kombinierten Maschinen jedoch eine Grenze in Bezug auf den NOx-Gehalt
sowie auf die Ruß-
und Staubmenge.
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Die
DE-C-196 21 297, die DE-A-40 42 325 und die US-A-4,765,293 offenbaren
Maschinen, bei denen jeder Zylinder eine Hauptverbrennungskammer,
eine Vorverbrennungskammer, die eine Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung
aufweist, und eine Haupteinspritzeinrichtung zum Einspritzen von
flüssigem
Brennstoff in die Hauptbrennstoffkammer umfasst. Gemäß der DE-C-196
21 297 sind die Vorverbrennungskammer und das Einspritzventil für flüssigen Brennstoff
in einem Zylinderkopf angeordnet. Gemäß der US-A-4,765,293 umfasst die
Vorverbrennungskammer ferner eine Zündkerze.
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Ausgehend
von dem zuvor genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine kombinierte Maschine und ein Verfahren
zum Betreiben derselben zu schaffen, die es ermöglichen, entweder einen gasförmigen Brennstoff
oder einen flüssigen
Brennstoff zu verwenden, wobei ferner die Kosten und die Schadstoffemissionsmenge
reduziert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben einer kombinierten Maschine gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen
des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine seitliche Querschnittsansicht, welche die wesentlichen Komponenten
einer kombinierten Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Draufsicht, welche die Anordnung einer mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer in Beziehung zu der Hauptverbrennungskammer
der zuvor genannten Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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3 ist
eine Draufsicht, die eine Skizze des Schaltungssystems in der zuvor
genannten Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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4 ist
ein Kennfeld, das zur Beschreibung der Leistung der kombinierten
Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung dient, und zeigt die Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad
bezogen auf die Bremsleistung und der NOx-Konzentration.
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5 ist
ein Kennfeld, das zur Erläuterung
der Leistung der kombinierten Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung
dient, und zeigt die Beziehung zwischen dem prozentualen Vorverbrennungskammervolumen
und der NOx-Konzentration.
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6A ist
ein vergleichendes Diagramm, das zur Erläuterung der Leistung der kombinierten
Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung dient, und zeigt die entsprechende Wärmeabgaberate bei einem Einzelbrennkammerverfahren
und bei einem Vorverbrennungskammerverfahren.
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6B ist
eine Draufsicht, welche die Positionen der Zündkerzen in der unter Bezugnahme
auf 6A beschriebenen, kombinierten Maschine zeigt.
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7 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines Konstruktionsbeispiels
der kombinierten Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels der
Konstruktion der kombinierten Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
ein Diagramm, das die Leistungsänderungen
während
eines Verlustes der Hälfte
der Vorverbrennungskammern in der kombinierten Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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10 ist
ein Flussdiagramm, das einen sequentiellen Betrieb der kombinierten
Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
werden die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren genauer
beschrieben.
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1 ist
eine seitliche Querschnittsansicht, die den Zylinderkopfbereich
einer kombinierten Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß der Figur sind ein Zylinder 2,
eine Zylinderbuchse 2a, ein Kolben 3, ein Zylinderkopf 4 und
eine Hauptverbrennungskammer 1 vorgesehen. Die Hauptverbrennungskammer 1 ist
von dem Kolben 3, der Zylinderbuchse 2a und dem
Zylinderkopf 4 umgeben. Ein Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff,
das für
Dieseloperationen verwendet wird, ist in der Mitte des Zylinderkopfs 4 ausgebildet,
und eine mit einer Zündkerze
versehene Vorverbrennungskammer 10 ist an jeder Seite des
Zylinderkopfs 4 vorgesehen.
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Die
Vorverbrennungskammer 10, die eine Zündkerze aufweist (nachfolgend
als "mit einer Zündkerze versehene
Vorverbrennungskammer" bezeichnet)
ist als Kombination eines Vorverbrennungskammerkörpers 14 und eines
Vorverbrennungskammerbasiselements 13 ausgebildet. Über eine
Brennstoffeinspritzöffnung 15 wird
der innerhalb des Vorverbrennungskammerkörpers 14 angeordneten
Vorverbrennungskammer 12 direkt ein gasförmiger Brennstoff
(Pilotgas) zugeführt.
Die Hauptverbrennungskammer 1 und die Vorverbrennungskammer 12 kommunizieren über mehrere
Verbindungsöffnungen 17,
die an dem unteren Ende der Vorverbrennungskammer 12 als
Strahldüse
vorgesehen sind. Ferner umfasst das Vorverbrennungskammerbasiselement 13 eine
Zündkerze 11,
die als Zündquelle
für das
Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorverbrennungskammer 12 dient.
Um den NOx-Anteil in dem Abgas auf einem sehr geringen Niveau zu
halten, muss das Volumenverhältnis
(Verhältnis
des gesamten Brennkammervolumens am oberen Totpunkt während der
Kompression) der Vorverbrennungskammer 12 bei einigen wenigen
Prozent geregelt werden.
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Die
Positionen der mit der Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern 10 und von jedem der Ventile
sind in 2 gezeigt. Unter Bezugnahme
auf den runden Querschnitt der Hauptverbrennungskammer sind in dem
Zylinderkopf zwei Einlassventile 21 an einer Hälfte des
Zylinderkopfes und zwei Auslassventile 22 an der anderen
Hälfte
vorgesehen, wobei die mit der Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern 10 in Richtung des Umfangs
an dem Bereich angeordnet sind, in dem die beiden Ventile, die jeweils
die Einlassventile 21 und die Auslassventile 22 aufnehmen,
aneinander grenzen. Ferner können
die mit der Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern 10 auch zwischen den
beiden Einlassventilen 21 und zwischen den beiden Auslassventilen 22 vorgesehen
sein (in 2 durch die Position Y gekennzeichnet).
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Der
Gesamtaufbau der vorliegenden Maschine E ist in 3 gezeigt.
Diese Maschine E ist eine serielle 6-Zylinder-Maschine, welche die
zuvor genannten, mit der Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern 10 und das Einspritzventil
für flüssigen Brennstoff
(in der Figur nicht gezeigt) umfasst. Gemäß 3 ist ein
Starkstromkabel 16 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Zündkerzen
jeder mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer 10 mit einer Zündspule 19 verbunden
sind. Ferner ist in der Maschine eine Zündeinrichtung 20 vorgesehen.
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Nachfolgend
wird jeder mögliche
Betriebsmodus, den die zuvor beschriebene, kombinierte Maschine ausführen kann,
beschrieben.
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Es
gibt vier mögliche
Betriebsmodi:
- (A) einen Betriebsmodus für die Zündkerzengasmaschine;
- (B) einen Betriebsmodus für
die Dieselmaschine;
- (C) einen Betriebsmodus für
die Zündstrahl-Gasmaschine;
- (D) einen Betriebsmodus für
die Hybrid-Pilotgasmaschine.
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Für jeden
Betriebsmodus werden nachfolgend die Verwendung der mit der Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer und des Brennstoffeinspritzventils
sowie die Art des Hauptbrennstoffs beschrieben.
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(1) Betriebsmodus für die Verwendung
als Otto-Motor:
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Bei
diesem Betriebsmodus wird ausschließlich gasförmiger Brennstoff (Gas) als
Brennstoff verwendet, und die mit einer Zündkerze versehene Vorverbrennungskammer
dient als Zündquelle
für das
Brennstoff-Luft-Gemisch, das Luft und den gasförmigen Brennstoff aufweist,
innerhalb der Hauptverbrennungskammer.
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Genauer
gesagt, wird von der zweiten Hälfte
des Auslassprozesses bis zur ersten Hälfte des Einlassprozesses ein
Pilotgas von der Brennstoffeinspritzöffnung 15 der mit
einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer 10 (die Bezugsziffern
beziehen sich nachfolgend auf 1) zur Hauptverbrennungskammer 12 gefördert. Dieses
Pilotgas wird mit Hilfe des Druckunterschieds zwischen dem Druck
in dem Pilotgasverteilerkopf (in den Figuren nicht gezeigt) und
dem Druck innerhalb der Hauptverbrennungskammer 1 gefördert; die Menge
des Pilotgases wird durch Ändern
des zuvor genannten Druckunterschieds eingestellt.
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Ferner
wird während
des Einlassprozesses das Magergemisch, umfassend das Brennstoffgas
und die Luft, der Hauptverbrennungskammer 1 zugeführt. Das
Magergemisch wird innerhalb der Hauptverbrennungskammer 1 während des
Kompressionshubs des Kolbens 3 komprimiert. Entsprechend
strömt
ein Teil des Magergemisches über
die Verbindungsöffnung 17 in
die Vorverbrennungskammer 12. Zu diesem Zeitpunkt werden
das innerhalb der Vorverbrennungskammer 12 vorhandene Brennstoffgas
und das Magergemisch gemischt, so dass das durchschnittliche Luftüberschussverhältnis etwa
1,0 beträgt.
Zu diesem Zeitpunkt wird in dem Spalt zwischen den Zündkerzen 11 eine
Funkenentladung erzeugt, so dass das innerhalb der Vorverbrennungskammer 12 vorhandene
Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet
wird. Die in der Vorverbrennungskammer 12 erzeugte Flamme
breitet sich durch die Verbindungsöffnung 17 zur Hauptverbrennungskammer 1 aus,
wodurch die Zündquelle
für das
in der Hauptverbrennungskammer 1 enthaltene Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet wird.
Auf diese Weise wird das gesamte, in der Hauptverbrennungskammer 1 enthaltene
Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt.
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Die
erzielten Wirkungen werden im Otto-Motor-Modus unter Verwendung
der Vorverbrennungskammer verbessert. Der NOx-Anteil und der thermische
Wirkungsgrad einer Maschine mit einer Zylinderbohrung von 335 mm
und einem Hub von 360 mm wurden jeweils mit dem Fall verglichen,
in dem entweder eine oder zwei mit einer Zündkerze versehene Vorverbrennungskammern
vorgesehen sind. In dem Fall, in dem eine einzelne mit einer Zündkerze
versehene Vorverbrennungskammer vorgesehen ist, wurde die mit einer
Zündkerze versehene
Vorverbrennungskammer in der Mitte des Zylinderkopfs ausgebildet.
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Die
Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad bezogen auf die Bremsleistung
und dem NOx-Anteil ist in
4 gezeigt.
In
4 repräsentieren
O, Δ und ☐ die
entsprechenden Daten in dem Fall, in dem das Volumenverhältnis einer
einzelnen, mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer entsprechend 2,1%, 2,4% und 3,0%
betrug. Ferner repräsentieren
und ∎ die
entsprechenden Daten für
den Fall, in dem das Volumenverhältnis
mehrerer mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern entsprechend 1,3%, 1,8% und 2,5%
betrug. Bei dem vorliegenden Experiment wurde die Leistung der Maschine
während
des Betriebs gemessen, während
die restliche Sauerstoffkonzentration des Abgases zwischen 11,5 ∼ 13,9 variiert
wurde, mit einem BMEP (mittlerer, induzierter Druck) von 1,23 MPa,
einer Maschinengeschwindigkeit von 750 Upm, einer Zündverstellung
BTDC (vor dem oberen Totpunkt) von 18° und 20° und einer Förderlufttemperatur tb (Ladungslufttemperatur)
von 65°C.
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Insgesamt
besteht eine Tendenz dahingehend, dass der thermische Wirkungsgrad
bezogen auf die Bremsleistung verbessert wird und der NOx-Anteil ansteigt,
wenn die Sauerstoffkonzentration gesenkt wird. Wenn der NOx-Anteil
bei einem thermischen Wirkungsgrad bezogen auf die Bremsleistung
von 38% mit dem Fall einer einzelnen, mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammer verglichen wird, so nahm der NOx-Anteil
entsprechend von 110 ppm auf 160 ppm bzw. 200 ppm zu, als das Vorverbrennungskammervolumenverhältnis von
2,1% auf 2,4% bzw. auf 3,0% erhöht
wurde (wie in
4 durch O, Δ und ☐ gezeigt ist). Andererseits
war es in dem Fall, in dem mehrere Vorverbrennungskammern (beispielsweise
2) vorgesehen waren, möglich,
den NOx-Anteil zu verringern, indem das Volumenverhältnis der
Vorverbrennungskammern optimiert wurde. Beispielsweise betrug das
NOx-Niveau im Fall eines Volumentprozentanteils von 1,3% (
in
4)
nicht mehr als 100 ppm, was im Vergleich zu einer einzelnen Vorverbrennungskammer
wesentlich geringer ist.
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5 zeigt
die Beziehung zwischen dem entsprechenden Volumenverhältnis (die
Gesamtsumme der entsprechenden Volumenverhältnisse ist für den Fall
einer Mehrzahl von Vorverbrennungskammern gezeigt) und dem NOx-Anteil,
wenn eine einzelne Vorverbrennungskammer (Einzel-PCC) und zwei Vorverbrennungskammern
(Doppel-PCC) vorgesehen waren. Die NOx-Konzentration wurde der 4 unter
Verwendung der Werte bei einem thermischen Wirkungsgrad von 36 ∼ 37% entnommen.
Wie in 5 gezeigt ist, war das NOx-Niveau geringer, wenn
zwei Vorverbrennungskammern verwendet wurden. Dies zeigt, dass selbst
bei Verwendung derselben Zündenergie
ein Verteilen der Positionen zur Übertragung der Zündenergie
durch das Vorsehen mehrerer Vorverbrennungskammern in Bezug auf
die Senkung des NOx-Niveaus wirksam ist. Entsprechend kann eine
drastische Reduktion des NOx-Niveaus erzielt werden, indem eine
kleine Vorverbrennungskammer (Volumenverhältnis von etwa 1 ∼ 3%) auf
jeder Seite der Maschine vorgesehen wird, wie es bei der kombinierten
Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung der Fall ist, und diese in dem Otto-Motor-Modus betrieben
wird.
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(2) Betriebsmodus zur
Verwendung als Dieselmaschine:
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Bei
diesem Betriebsmodus wird als Brennstoff ausschließlich flüssiger Brennstoff
verwendet, wobei eine geringe Menge flüssigen- Brennstoffs von einem
mittig positionierten Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff
als Antwort auf die Betriebslast der Maschine in die Hauptverbrennungskammer 1 eingespritzt
wird, ohne dass die an jeder Seite von dieser angeordneten, mit
einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern verwendet werden.
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(3) Betriebsmodus zur
Verwendung als Zündstrahlgasmaschine:
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Bei
diesem Operationsmodus wird als Hauptbrennstoff Gas und als Hilfsbrennstoff
eine geringe Menge an flüssigem
Brennstoff verwendet, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 verbrannt wird, indem eine geringe
Menge (beispielsweise etwa 5 ∼ 15%
der Gesamtwärmemenge)
des flüssigen
Brennstoffs von einem mittig angeordneten Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff
eingespritzt wird, und dieser eingespritzte, flüssige Brennstoff als Zündquelle
verwendet wird. Folglich verwendet dieser Betriebsmodus die kombinierte
Maschine als Gasmaschine, ohne dass die mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern verwendet werden.
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(4) Betriebsmodus für die Verwendung
als Hybrid-Pilotgas-Maschine:
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Bei
diesem Betriebsmodus wird im selben Verbrennungszyklus ein Brennstoff-Luft-Gemisch,
umfassend Luft und gasförmigen
Brennstoff, der Hauptverbrennungskammer 1 zugeführt, und
ein Pilotgas wird der Vorverbrennungskammer 12 der mit
einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammereinheit 14 zugeführt und
mit Hilfe der Zündkerze 11 gezündet, wobei
etwa im selben Takt oder alternativ vor oder nach dieser Zündkerzenzündung eine
geringe Menge von flüssigem
Brennstoff von einem mittig angeordneten Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff
eingespritzt und kompressionsgezündet
wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Hauptverbrennungskammer 1 wird
dann verbrannt, wobei die zuvor genannten Zündkerzen-gezündeten und
Kompressions-gezündeten
Bereiche als Zündquellen
verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Verbrennung des
Brennstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung einer Vielpunkt-Zündung (beispielsweise drei
Punkte in diesem Beispiel) zu begünstigen. Ferner ist es möglich, durch
wahlweises Einstellen (1) der Zündkerzenzündungsperiode dieser Zündquellen,
(2) der Periode der Zündbrennstoffeinspritzung
und (3) der Einspritzmenge die Entflammbarkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches
sowie den thermischen Wirkungsgrad neben der Verkürzung der
Verbrennungsperiode zu verbessern.
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Die
Wirkungen der Verkürzung
der Verbrennungsperiode durch die Vielpunkt-Zündung beim Betrieb in dem Hybridpilotgas-Maschinenmodus
werden ebenfalls ergänzt.
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6A ist
ein Diagramm, das die Versuchsergebnisse eines Vergleichs des Wärmefreisetzungsgrades
bei einem Verfahren mit einer einzelnen Verbrennungskammer (Verfahren
mit nur einer Hauptverbrennungskammer ohne Vorverbrennungskammer)
und bei einem Vorverbrennungskammerverfahren (wie beim vorliegenden
Beispiel) zeigt. In 6A sind sowohl ein Vorverbrennungskammerverfahren
PCC und ein Einzelverbrennungskammerverfahren OC gezeigt. Beim OC-Verfahren
werden ferner der Fall mit einer Zündkerze (OC (1 Zündkerze))
und der Fall mit zwei Zündkerzen
(OC (2 Zündkerzen))
miteinander verglichen. Bei dem Experiment wurde die erste Zündkerze
A mittig und die zweite Zündkerze
B seitlich angeordnet, wie es in 6B gezeigt
ist. Im Fall einer einzelnen Zündkerze
wurde nur die mittige Zündkerze
A verwendet, während im
Falle von zwei Zündkerzen
beide Zündkerzen
A und B verwendet wurden.
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Die
Kurvenverläufe
des Wärmefreisetzungsgrades,
die in 6A gezeigt sind, Lassen erkennen, dass
die Mehrpunkt-Zündung
(also im Fall von 2 Zündkerzen)
sowie die durch eine starke Zündung
erzeugte Energie (also der Fall, in dem eine Vorverbrennungskammer
PCC als Zündquelle
verwendet wurde) zur Erzielung einer schnellen Verbrennung beitragen.
Mit anderen Worten, ist die Wärmefreisetzung
bei Verwendung von zwei Zündkerzen
(Strichpunktlinie in 6A) nach dem oberen Totpunkt
beendet, sobald sich der Kurbelwinkel 40° nähert, was eine kürzere Verbrennungsperiode,
verglichen mit dem Fall, in dem nur eine einzelne Zündkerze
verwendet wird (gestrichelte Linie in 6A), repräsentiert.
Ferner ist die Wärmefreisetzung
gemäß dem Vorverbrennungskammerverfahren
(kontinuierliche Linie in 6A), die über eine
noch stärkere Zündenergie
verfügt,
beendet, sobald sich der Kurbelwinkel 30° nach dem oberen Totpunkt annähert, was
eine noch kürzere
Verbrennungsperiode repräsentiert.
Folglich ist es möglich,
wie es anhand der vorliegenden Ausführungsformen zu erkennen ist,
eine schnelle Verbrennung mit Hilfe einer Anordnung von mehreren
Zündquellen
(beispielsweise durch Anordnung von zwei Vorverbrennungskammern)
mit einer starken Zündenergie zu
erzielen. Ferner trägt
eine kürzere
Verbrennungsperiode zu einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads
bei, so dass auch der thermische Wirkungsgrad verbessert wird.
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Im übrigen werden
beim Vergleich der Zündenergien
in dem Fall, in dem nur Zündkerzen
verwendet werden, etwa 0,1 J erzeugt; im Fall der Vorzündung, wenn
das Öl
in dem Zündbrennstoff
1% der Gesamtwärmemenge
beträgt,
wird hingegen eine Energie von etwa 600 J erzeugt. Dies zeigt, dass
die Mehrpunktzündung,
die durch die mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammern 10 und die mit einem
Zündbrennstoff-Einspritzventil
versehene Vorverbrennungskammer 30 erzeugt wird, sehr zur
Verbesserung der Verbrennung beiträgt.
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Ferner
wird das mittig angeordnete Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff
gemäß der kombinierten Maschine
der vorliegenden Erfindung, wie es in 1 gezeigt
ist, von der Außenseite
der Maschine installiert. Jedoch ist es auch möglich, dieses Einspritzventil 30 für flüssigen Brennstoff
durch eine mit einer Zündkerze versehene
Vorverbrennungskammereinheit 10 zu ersetzen. 7 zeigt
ein Beispiel für
eine solches Ersetzen. Jedoch unterscheiden sich gemäß diesem
Design die Anzahl und die Richtung der Verbindungsöffnungen 17 der
mittig angeordneten, mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammereinheit 10 von denen der Verbindungsöffnungen 17,
die in den seitlich angeordneten Vorverbrennungskammern 12 vorgesehen
sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Stichflammen aus
den Verbindungsöffnungen 17 der
mittig angeordneten, mit einer Zündkerze
versehenen Vorverbrennungskammereinheit 10 die Stichflammen
von den Verbindungsöffnungen 17,
die in den seitlich angeordneten Vorverbrennungskammern 12 vorgesehen
sind, kreuzen oder stören,
was zu einem Energieverlust führen
würde.
Auf diese Weise wird der Zündungsbereich
vergrößert, wodurch
die Verbrennungsperiode (Dauer) verkürzt und der thermische Wirkungsgrad
verbessert wird.
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Wenn
für einen
längeren
Zeitraum der Gasbetrieb unter Verwendung der Zündkerzenzündung nicht durchgeführt wird,
kann ferner ein Stopfen 40 anstelle der Zündkerze 11 (siehe 1)
der mit einer Zündkerze versehenen
Vorverbrennungskammereinheit 10 angeordnet werden, um die Öffnung nach
dem Entfernen der zuvor genannten Zündkerze zu verschließen.
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Nachfolgend
wird die Reaktion darauf beschrieben, beispielsweise wenn eine der
mit einer Zündkerze versehenen
Vorverbrennungskammereinheiten 10 als eine Funktion der
Zündquelle
während
des Betriebs als Otto-Motor-Gasmaschine
und/oder Hybrid-Zündungsgasmaschine
ausfällt.
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In
diesem Zustand treten extreme Veränderungen der Abgastemperatur
und des maximalen Druckes aufgrund der verringerten Verbrennungseffizienz
des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Hauptverbrennungskammer
auf. 9 zeigt das spezifische Brennstoffverbrauchsverhältnis, den
NOx-Anteil, die
Austrittstemperatur und den maximalen Druck für den Fall, wenn (1) alle Zylinder
ordnungsgemäß funktionieren,
(2) eine Hälfte
der Zündfunktion
(Feuerung) von dem Nr. 1-Zylinder wegfällt, und (3) eine Hälfte der
entsprechenden Zündfunktion
der Nr. 1- und Nr. 5-Zylinder gleichzeitig wegfallen. Wenn eine
Abnormalität
in Bezug auf die Zündfunktion
eintritt, wie in 9 gezeigt ist, hat dies extreme Änderungen
zur Folge, insbesondere in Bezug auf die Abgastemperatur, so dass
eine Antwort der Änderung
der Abgastemperatur folgt.
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Der
Ablauf der Operation zu diesem Zeitpunkt ist in 10 gezeigt.
Wenn der Betrieb der Maschine gestartet wird, so wird zunächst der
Betriebsmodus ausgewählt.
Dabei kann entweder ein Gasmodus oder ein Dieselmodus ausgewählt werden;
innerhalb des Gasmodus kann wahlweise der Funkenzündungs-Gasmaschinenmodus,
der Hybridzündungs-Gasmaschinenmodus
oder der Voreinspritzungs-Gasmaschinenmodus ausgewählt werden
(S1 ∼ S7).
Die entsprechende Operation wird dann basierend auf dem ausgewählten Modus
ausgeführt.
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Wenn
die Gasoperation ausgeführt
wird, so wird die Abgastemperatur am Zylinderauslass überwacht, und
wenn ein starker Abfall der Temperatur eintritt, so wird ein Zündungsabnormalitätsalarm
erzeugt, wobei der abnormal funktionierende Zylinder bei anhaltendem
Alarm spezifiziert und gespeichert wird (S10 ∼ S14). Gleichzeitig fährt die
Operation bis zu dem Aktionsauswahlschritt S15 fort, woraufhin eine
Auswahl zwischen einer Maschinenbelastungsoperation, einer Gasoperation
oder einer Dieseloperation als Gegenmaßnahme ausgewählt wird
(S16 ∼ S18).
Wenn eine Maschinenbelastungsoperation ausgewählt wird, wird eine weitere Auswahl
zwischen dem Reduzieren der Betriebslast oder dem Anhalten der Maschine
getroffen (S19 ∼ S21). Wenn
eine Gasoperation ausgewählt
wird, so fährt
der Prozess bis Schritt S6 des Hybridzündungs-Gasmaschinenbetriebsmodus
fort, woraufhin die entsprechende Operation ausgeführt wird.
Genauer gesagt, wenn eine Zündungsabnormalität erfasst
wird, beispielsweise wenn die Hybridzündungsgasmaschine ausgewählt ist,
wird entweder die Vorfüllmenge
erhöht,
um eine stabile Verbrennung zu erzeugen, oder alternativ der Prozess
auf Dieselbetrieb mit 100 flüssigem
Brennstoff umgeschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, die
Operation fortzuführen,
ohne die Maschinenleistung, den Wirkungsgrad oder dergleichen zu
reduzieren.
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Bei
der Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es, wie bereits zuvor beschrieben, möglich, wahlweise
sowohl die Funkenzündung
als auch die Kompressionszündung
in derselben Maschine durchzuführen,
also umgehend entweder auf gasförmigen
Brennstoff oder auf flüssigen
Brennstoff zu reagieren. Entsprechend kann auf die Energie-Gegebenheiten
(beispielsweise Brennstoffversorgungsmöglichkeit) eines Bereichs und
auch auf andere Umstände
reagiert werden, wie beispielsweise in dem Fall, in dem eine Brennstoffart
entweder kurzfristig oder für
einen längeren
Zeitraum nicht verfügbar
ist. Beispielsweise ist es möglich, die
Maschine unter normalen Bedingungen als Gasmaschinengenerator (beispielsweise
zur Verwendung in einem Heizkraftwerk) und als Dieselmaschinengenerator
zur Stromversorgung während
eines Notfalls, wie beispielsweise bei Feuer, zu verwenden.
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Entsprechend
ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
eine kombinierte Maschine zu schaffen, die bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff
nur eine geringe Verschmutzung verursacht, und die bei der Verwendung
von flüssigem
Brennstoff einen hohen thermischen Wirkungsgrad erzielt, ohne dass
hohe Herstellungskosten für
die Maschine erforderlich sind.
