EP2769070A2 - Verfahren zum betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten brennkraftmaschine

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EP2769070A2
EP2769070A2 EP12783847.2A EP12783847A EP2769070A2 EP 2769070 A2 EP2769070 A2 EP 2769070A2 EP 12783847 A EP12783847 A EP 12783847A EP 2769070 A2 EP2769070 A2 EP 2769070A2
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EP
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fuel
purge gas
gas
internal combustion
mass flow
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Withdrawn
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EP12783847.2A
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French (fr)
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Friedrich Gruber
Günther WALL
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating at least one pre-chamber-fired internal combustion engine, in particular a stationary gas Otto engine, with an antechamber and a main combustion chamber associated with the antechamber, wherein the pre-chamber a gas mixture is supplied as purge gas, wherein the purge gas is a syngas generated in a fuel reformer and supplying fuel from a fuel source, and wherein fuel and at least one further material stream are supplied to the fuel reformer for the reforming process.
  • boosters usually serve pre-chambers, wherein the highly compressed at the end of the compression stroke fuel-air mixture is ignited in a partitioned from the main combustion chamber of the cylinder relatively small side room.
  • a main combustion chamber is limited by the working area, the Zyiinderlaufbuchse and the cylinder head floor, the side room (the antechamber) by one or several Matterströmbohrept is connected to the main combustion chamber.
  • such prechambers are purged or filled with propellant gas during the charge cycle phase to fatten the fuel-air mixture and thus improve the combustion and combustion properties.
  • propellant gas a small amount of propellant gas is diverted from the propellant gas supply to the main combustion chamber and introduced via a suitable, provided with a check valve supply device in the antechamber.
  • This amount of propellant flushes during the charge cycle the antechamber and is therefore often referred to as purge gas.
  • the very lean fuel-air mixture of the main combustion chamber flows through the overflow holes in the antechamber and mixes there with the purge gas.
  • the ratio of fuel to air in the mixture is given in the form of the excess air coefficient ⁇ .
  • Large gas engines are usually operated lean at full load at a ⁇ of about 1, 9 to 2.0, that is, the amount of air in the mixture corresponds to about twice the stoichiometric amount of air.
  • Object of the present invention is to avoid the disadvantages described above and to provide a comparison with the prior art improved method for operating a pre-chamber-ignited internal combustion engine.
  • At least one operating parameter of the at least one internal combustion engine is monitored, wherein the chemical composition of the purge gas is changed by a change of the mass flow of the at least one further material flow depending on a change of the at least one operating parameter.
  • an optimum chemical composition for the respective operating point of the internal combustion engine of the Purge gas can be provided in order to achieve optimum combustion behavior and low emissions.
  • At least one of the following further streams can be supplied to the fuel reformer: water and / or water vapor and / or air and / or a fuel-air mixture and / or an exhaust gas of the at least one internal combustion engine.
  • the indicated utility pressure in a main combustion chamber is the average of the measured in-cylinder pressure over a combustion cycle.
  • suitable devices eg Zyiinderbuchsensor in the main combustion chamber
  • a series of measurements of the respective indicated Nutzstoffstoffruck in the main combustion chamber over several combustion cycles are detected, for example, over 50 combustion cycles.
  • the arithmetic mean value and the empirical standard deviation can then be determined from the measured values of the indicated useful agent pressure in the main combustion chamber of a measurement series.
  • the quotient of standard deviation and mean then gives the coefficient of variation of the indexed Nutzstoffstoffstoffmaschine Kunststoffmaschines in the antechamber associated main combustion chamber.
  • the coefficient of variation of a main combustion chamber or the arithmetic mean of the variational coefficients of all the main combustion chambers of the internal combustion engine can be monitored as the first operating parameter.
  • the first operating parameter it is also possible to monitor the coefficient of variation of a measurement series of measured values of the indicated useful medium pressure over several or all main combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the coefficient of variation which is usually given as a percentage, is a measure of the stability of combustion and is dependent on engine settings, such as NOx emissions. Typical values for the coefficient of variation in natural gas operation are, for example, 1.2% to 1.4% at 500 mg / Nm 3 (milligrams per standard cubic meter) NOx emissions and 2.5% to 2.6% at 250 mg / Nm 3 NOx. emissions.
  • the coefficient of variation thus depends heavily on the operating point of the internal combustion engine. The lower the NOx emissions, the higher the coefficient of variation.
  • the coefficient of variation can be used as a measure of combustion stability. The lower the coefficient of variation, the more stable and uniform the combustion and the higher the efficiency of the internal combustion engine. For example, with a coefficient of variation of 1%, the combustion can be considered stable; with a coefficient of variation of 3% to 4%, the engine is close to the running limit, thus running unstably. According to a particularly preferred embodiment it can be provided that the chemical composition of the purge gas is changed if the first operating parameter exceeds a predefinable first limit value. In other words, therefore, a first limit can be set at which an intervention to improve combustion can or should take place.
  • the first limit value for the coefficient of variation may for example be set at 2.5%, preferably at 2.75%.
  • the first limit value can generally also be determined engine-specific. It can be provided that, when the first limit value is exceeded, the mass flow of the water vapor and / or the mass flow of the exhaust gas and / or the mass flow of the exhaust gas is / are increased, preferably in proportion to the change of the first operating parameter.
  • the mass flow of the water vapor and / or the mass flow of the exhaust gas and / or the mass flow of the exhaust gas is / are increased, preferably in proportion to the change of the first operating parameter.
  • the ratio of the mass flows of the reformer feed streams water vapor and fuel can be changed. Below the first limit value, however, this ratio can remain unchanged at a design-specific normal value.
  • the composition of the purge gas at the design-specific normal value is such that it has a hydrogen content of 10 to 35% by volume and a methane content of 10 to 35% by volume.
  • the mass flow of the fuel is changed.
  • the chemical composition of the purge gas can also be changed. It can be provided that, when the first limit value is exceeded, the mass flow of the fuel is reduced. In conjunction with the aforementioned change in the mass flows of the reformer feed streams, it is thus possible, for example, to keep the mass flow rate of the purge gas constant, thereby increasing the hydrogen content in the purge gas.
  • the first limit value can be a power and / or a boost pressure of the at least one internal combustion engine and / or of a charge air temperature or the Temperature of a fuel-air mixture before the intake valves in
  • the first limit value is changed, preferably increased, with increasing load and / or increasing charge pressure of the at least one internal combustion engine.
  • the proportion of synthesis gas in the purge gas is kept as low as possible during startup and / or idling and / or at low partial load of at least one internal combustion engine for reasons of economy of the overall system.
  • the reformer operation can be reduced to a reasonable minimum, for example to 30% of the reformer input streams relative to the design-specific normal value.
  • the proportion of synthesis gas in the purge gas can be increased to the nominal composition at the design-specific normal value.
  • a second operating parameter is monitored based on a spark plug temperature of a spark plug in the prechamber.
  • the temperature at the spark plug should be as low as possible with as little synthesis gas as possible.
  • a detection of the electrode temperature can be carried out in a known manner, for example by a thermocouple on the ground electrode of the spark plug.
  • Typical values of the electrode temperature in natural gas-fired internal combustion engines are 830 ° C to 850 ° C.
  • the electrode temperature can be lowered significantly, for example by 100 ° C.
  • a smaller one Electrode temperature leads to a lower component load and thus to an increased life, in particular to an increased spark plug life.
  • the chemical composition of the purge gas is changed if the second operating parameter exceeds a predefinable second limit value.
  • the mass flow of the water vapor and / or the mass flow of the air and / or the mass flow of the exhaust gas can be increased when the second limit value is exceeded.
  • To reduce the electrode temperature can also be provided that the mass flow of the fuel and / or the mass flow of the fuel is reduced or become.
  • the second limit can be set at 750 ° C, for example.
  • the adjustment of the chemical composition of the purge gas in this case aims to slightly lower the heating value of the purge gas or to increase the hydrogen content.
  • a third operating parameter is monitored based on an ignition voltage requirement of a spark plug in the pre-chamber, wherein the chemical composition of the purge gas is changed if the third operating parameter exceeds a predefinable third limit.
  • the third limit value is exceeded, the mass flow of the fuel can be increased.
  • the Zündschreibs system for example, of a
  • Engine management system can be detected, is dependent on the composition of the purge gas.
  • the CH 4 content in the purge gas is increased, which can increase the flammability of the purge gas.
  • a progressive spark plug wear can be detected by an increased Zündwoods office and the chemical composition of the purge gas can be adjusted accordingly to be able to cause a reliable ignition of the purge gas despite a larger spark gap.
  • the proposed method can also be used in a multi-engine system. In this case, at least two internal combustion engines may be provided, wherein synthesis gas of the fuel reformer, optionally in each case with the admixture of fuel, is supplied as purge gas to the antechambers of the at least two internal combustion engines.
  • a fourth operating parameter is monitored based on the load and / or the boost pressure of at least one of the at least two internal combustion engines, wherein the mass flow of the purge gas is changed depending on a change of the fourth operating parameter.
  • the mass flow of the purge gas or the purge gas usually has a basic setting in relation to the mass or volume flows of the input material streams for the reformer and with respect to the fuel, which can form the purge gas together with the synthesis gas from the reformer.
  • the basic setting is usually set so that the amount of purge gas corresponds to approximately 1.5 times the pre-chamber gas requirement (the volume of all pre-chambers in total according to the combustion cycle).
  • the amount of purge gas can now be adjusted so that it is changed depending on a change in the load of at least one of the at least two internal combustion engines (as a fourth operating parameter). It can also be provided that the purge gas' engine depending on a change of the total load of all combustion of a multi-engine system is changed (as a fourth operating parameter).
  • the amount of purge gas can, for example, via appropriate Control valves for mass or volume flows for the input material flows for the reformer and the fuel are changed accordingly.
  • the amount of purge gas can also be adjusted so that the pressure of the purge gas after a purge gas compressor through which the purge gas can be compressed prior to introduction into the antechamber, is always higher by a certain amount than the boost pressure of the fuel-air mixture for the main combustion chambers the internal combustion engine.
  • a suitable difference between charge pressure and purge gas pressure is, for example, 50 mbar, i.
  • the pressure of the purge gas after a purge gas compressor can be tracked to the boost pressure, so that it is always higher by 50 mbar than the boost pressure.
  • a rapid adjustment of the purge gas pressure can be done for example by a correspondingly regulated bypass line.
  • the bypass line connects a purge gas line through which the purge gas is introduced into the antechambers with a fuel line through which e.g. the fuel-air mixture is introduced into the main combustion chambers.
  • a change in the amount of purge gas depends on a change in the boost pressure, preferably in proportion to a change in the boost pressure.
  • the operation of a multi-engine system may also be effected such that the reformer input streams are varied depending on the total load of all the internal combustion engines of a multi-engine system and a fine control of the sweep gas composition and quantity with respect to the respective load pressure of the internal 'combustion engine individually for each internal combustion engine.
  • the following operating parameters are suitable for monitoring in order to set an optimum purge gas composition and purge gas quantity with respect to their modification and thus to achieve an optimum operating state of the internal combustion engine or multi-engine system: total output electrical power of all internal combustion engines of a multi-engine system, supercharging pressures of the individual Internal combustion engines, coefficients of variation of the indexed Nutzschdrucks the main combustion chambers of the individual internal combustion engines, temperatures at the respective ground electrodes of the spark plugs of the individual internal combustion engines, ignition voltage requirement of the respective spark plugs of the individual internal combustion engines.
  • 1 is a schematic block diagram of an internal combustion engine with reformer and purge gas
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of a multi-engine system with a reformer and a purge gas and
  • Fig. 3 measured values of the indicated Nutzstoffbuchs in a main combustion chamber of an internal combustion engine.
  • 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with an antechamber 2 and a main combustion chamber 3 assigned to the prechamber 2.
  • the prechamber 2 is supplied with a purge gas S.
  • This purge gas S comprises a synthesis gas R and a fuel B 2 .
  • the synthesis gas R and the fuel B 2 are mixed in a purge gas mixer 9 and the resulting gas mixture as purge gas S of the pre-chamber 2 and the antechambers 2 of the internal combustion engine 1 fed.
  • the synthesis gas R is generated in a fuel reformer 4.
  • a hydrocarbon-containing fuel B * reacts with a synthesis gas R containing H 2 and CO 2
  • the fuel reformer 4 several streams Bi, D, L, A supplied.
  • the supply of these streams Bi, D, L, A takes place in this example via a material flow mixer 7, which mixes the streams supplied him Bi, D, L, A to a stream mixture and fed to the fuel reformer 4.
  • the fuel Bi for the fuel reformer 4 which may be an autothermal chemical reactor, may for example be natural gas from a natural gas supply (eg natural gas pipeline).
  • the fuel B 2 which is supplied to the purge gas S in the purge gas mixer 9, can come from the same fuel source as the fuel Bi or from a separate fuel source.
  • an engine management system 5 For monitoring the internal combustion engine 1, which may be, for example, a stationary gas Otto engine, an engine management system 5 is provided in this example.
  • This engine management system 5 can record operating data of the internal combustion engine 1 and evaluate accordingly.
  • Operating data or operating parameters of the internal combustion engine 1, which can be monitored by the engine management system 5, are, for example: the coefficient of variation of the indicated Nutzsch Kunststoffs in the main combustion chamber 3, the electrode temperature of a spark plug in the prechamber 2, the Zündnapss shoe a spark plug in the prechamber 2, the performance of the internal combustion engine 1, the boost pressure of the charge air or the fuel-air mixture for the main combustion chamber 3, the boost pressure of purge gas S for the prechamber 2 or the temperature of the charge air or the fuel-air mixture for the main combustion chamber 3.
  • At least one monitored operating parameter of the internal combustion engine 1 can be influenced by the purge gas S.
  • a purge gas regulator 6 is provided, to which the monitored operating parameters of the internal combustion engine 1 can be supplied as input signals.
  • the operating parameters supplied to the purge gas regulator 6 eg variation coefficient of the indicated useful medium pressure in the main combustion chamber 3 may originate from the engine management system 5 or be reported as signals directly from suitable monitoring devices (eg sensors) on the internal combustion engine 1 to the purge gas regulator 6.
  • suitable monitoring devices eg sensors
  • the purge gas controller 6 can send signals to various devices via corresponding signal lines (shown in dashed lines) in order to influence them.
  • the devices which can be influenced by the purge gas regulator 6 are, for example, the material flow mixer 7 or its volume control devices 8 for the streams Bi, D, L, A, a fuel volume control device 13, a synthesis gas control device 10, a purge gas control device 11 or a purge gas volume control device 12.
  • the material flow mixer 7 or its volume control devices 8 for the streams Bi, D, L, A a fuel volume control device 13, a synthesis gas control device 10, a purge gas control device 11 or a purge gas volume control device 12.
  • the chemical composition of the purge gas S and / or at least a physical size of the purge gas S eg pressure, temperature, mass flow
  • a coefficient of variation of the indicated Nutzschdrucks is monitored in the main combustion chamber 3 and a mass flow of the at least one stream Bi, D, L, A is changed depending on a change in the coefficient of variation.
  • a change in the mass flows of the streams B-i, D, L, A can thereby with the aid of known volume control devices 8, such. Valves, done.
  • the purge gas controller 6 sends appropriate control signals to the volume control devices 8 of the streams Bi, D, L, A.
  • an operation can take place in such a way that, when a predeterminable first limit value of the monitored coefficient of variation is exceeded, the mass flows of the water vapor D and of the air L are increased.
  • the fuel reformer 4 generates more hydrogen.
  • the internal combustion engine 1 with exhaust gas recirculation and the mass flow of the exhaust gas A can be increased.
  • the chemical composition of the purge gas S can also be changed by changing the mass flow of the fuel B 2 .
  • the setting of the desired mixing ratio of fuel B 2 and synthesis gas R can by the purge gas 6 and in dependence a change in the monitored operating parameter, for example, by changing the mass flow of the fuel B 2 by means of fuel volume control device 13 (eg metering valve).
  • fuel volume control device 13 eg metering valve
  • the temperature, the pressure and the amount of purge gas S introduced into the pre-chamber 2 are changed by the purge gas regulator 6.
  • a change in temperature and water content of the synthesis gas R can be carried out, for example, with the aid of at least one synthesis gas control device 10. These may be per se known heat exchangers or cooling devices or Kondensatabscheide wornen.
  • at least one purge gas control device 1 for example, the temperature and / or the pressure of the purge gas S can be changed by the purge gas 6.
  • the purge gas control device 1 1 may be, for example, a heat exchanger and / or a compressor.
  • a known purge gas volume control device 12 such as a metering valve, can be used.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram according to FIG. 1 for the case of a multi-engine system.
  • the purge gas S for the antechambers 2 of these internal combustion engines 1 is composed in each case of synthesis gas R from a fuel reformer 4 and fuel B 2 , which is in each case mixed with the synthesis gas R in a purge gas mixer 9 associated with an internal combustion engine 1.
  • a fuel reformer 4 can generate synthesis gas R for a plurality of internal combustion engines 1.
  • the chemical composition and / or at least one physical size of the purge gas S can be changed individually for each internal combustion engine 1 , In the example shown in each case operating parameters of an internal combustion engine 1 by the Engine 1 associated engine management system 5 monitored and reported corresponding signals to the purge gas 6.
  • the purging gas regulator 6 can evaluate these signals and, depending on a change of at least one operating parameter of at least one of the internal combustion engines 1, make corresponding interventions on the devices 8, 13, 10, 11, 12, by the respective chemical composition and / or at least one physical variable of the purge gas S to be supplied to the pre-chambers 2 of a respective internal combustion engine 1.
  • FIG. 3 shows a diagram with measured values of the indicated useful-medium pressure in a main combustion chamber 3 of an internal combustion engine 1.
  • the x-axis of the diagram represents the time t or the measured value n.
  • the y-axis of the diagram shows the respective indicated useful-substance pressure p, of a measured value n.
  • the diagram shows three measurement series I, II and III. With the measurement values n of the measurement series I, the values for the indexed useful agent pressures p fluctuate relatively little by the arithmetic mean value of the indexed useful resource pressures p 1 (dashed line). In comparison, the measurement series II and III show measured values n, in which the values for the respective indicated useful agent pressures p, deviate more strongly from one another.
  • the arithmetic mean and the empirical standard deviation of the indexed useful-medium pressures p i are determined in each case.
  • the quotient of the empirical standard deviation and the arithmetic mean in each case gives the coefficient of variation for the respective measurement series I, II, III.
  • the double arrows 14 each show the double coefficient of variation for the respective measurement series I, II, III.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines stationären Gas-Otto-Motors, mit einer Vorkammer (2) und einem der Vorkammer (2) zugeordneten Hauptbrennraum (3), wobei der Vorkammer (2) ein Gasgemisch als Spülgas (S) zugeführt wird, wobei dem Spülgas (S) ein in einem Kraftstoffreformer (4) erzeugtes Synthesegas (R) und ein Treibstoff (B2) aus einer Treibstoffquelle zugeführt werden und wobei dem Kraftstoffreformer (4) für den Reformierprozess ein Brennstoff (B1) und wenigstens ein weiterer Stoffstrom (D, L, A) zugeführt werden, wobei wenigstens ein Betriebsparameter der wenigstens einen Brennkraftmaschine überwacht wird, wobei abhängig von einer Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters die chemische Zusammensetzung des Spülgases (S) durch eine Änderung des Massenstroms des wenigstens einen weiteren Stoffstroms (D, L, A) verändert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere eines stationären Gas-Otto- Motors, mit einer Vorkammer und einem der Vorkammer zugeordneten Hauptbrennraum, wobei der Vorkammer ein Gasgemisch als Spülgas zugeführt wird, wobei dem Spülgas ein in einem Kraftstoffreformer erzeugtes Synthesegas und ein Treibstoff aus einer Treibstoffquelie zugeführt werden und wobei dem Kraftstoffreformer für den Reformierprozess ein Brennstoff und wenigstens ein weiterer Stoffstrom zugeführt werden.
Bei ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschinen erfolgt die Zündung eines Treibstoff-Luft-Gemischs im Brennraum durch Zündeinrichtungen, wobei die Gemischentflammung meist durch einen Funkenüberschlag an den Elektroden einer Zündkerze eingeieitet wird. Alternativ ist es auch bekannt, als Zündeinrichtung eine Laserzündkerze einzusetzen, bei der die benötigte Zündenergie in Form von Laserlicht in den Brennraum eingebracht wird. Insbesondere bei Gasmotoren, bei denen ein Treibgas-Luft-Gemisch entzündet wird, setzt man bei größeren Brennraumvolumina das Magerkonzept ein. Dies bedeutet, dass ein relativ großer Luftüberschuss vorhanden ist, wodurch bei maximaler Leistungsdichte und gleichzeitig hohem Wirkungsgrad (jtes Motors die Schadstoffemission sqwie die thermische Belastung der Bauteile möglichst gering gehalten wird. Die Zündung und Verbrennung sehr magerer Treibstoff-Luft- Gemische stellt dabei eine erhebliche Herausforderung für die Entwicklung bzw. den Betrieb moderner Hochleistungsgasmotoren dar, * j
Ab einer gewissen Baugröße der Gasmotoren (meist etwa oberhalb von sechs Litern Hubraum) äst es erforderlich, Zündverstärker einzusetzen, um die entsprechend großen Flammwege in den Brennräumen der Zylinder in möglichst kurzer Zeit zu durchlaufen. Als solche Zündverstärker dienen üblicherweise Vorkammern, wobei das am Ende des Kompressionshubes hoch verdichtete Treibstoff-Luft-Gemisch in einem vom Hauptbrennraum des Zylinders abgeteilten relativ kleinen Nebenraum gezündet wird. Dabei wird ein Hauptbrennraum vom ÄrbeitskoSben, der Zyiinderlaufbuchse und dem Zylinderkopf boden begrenzt, wobei der Nebenraum (die Vorkammer) durch eine oder mehrere Überströmbohrungen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Häufig werden solche Vorkammern während der Ladungswechselphase mit Treibgas gespült bzw. gefüllt, um das Treibstoff-Luft-Gemisch anzufetten und damit die Verflammungs- und Verbrennungseigenschaften zu verbessern. Dazu wird eine kleine Treibgasmenge von der Treibgaszuführung zum Hauptbrennraum abgezweigt und über eine geeignete, mit einem Rückschlagventil versehene Zufuhreinrichtung in die Vorkammer eingeleitet. Diese Treibgasmenge spült während des Ladungswechsels die Vorkammer und wird deshalb oft als Spülgas bezeichnet. Während der Kompressionsphase strömt das sehr magere Treibstoff-Luft-Gemisch des Hauptbrennraumes durch die Überströmbohrungen in die Vorkammer und vermischt sich dort mit dem Spülgas. Das Verhältnis von Treibstoff zu Luft im Gemisch wird in Form der Luftüberschusszahl λ angegeben. Eine Luftüberschusszahl von λ = 1 bedeutet dabei, dass die im Gemisch vorhandene Luftmenge genau jener Menge entspricht, die erforderlich ist, um eine vollständige Verbrennung der Treibstoffmenge zu ermöglichen. Die Verbrennung erfolgt in einem solchen Fall stöchiometrisch. Große Gasmotoren werden bei Volllast üblicherweise mager bei einem λ von ca. 1 ,9 bis 2,0 betrieben, das heißt die Luftmenge im Gemisch entspricht etwa der doppelten stöchiometrischen Luftmenge. Durch die Spülung der Vorkammer mit Treibgas ergibt sich nach Vermischung mit dem Treibgas-Luft-Gemisch aus dem Hauptbrennraum ein mittleres λ in der Vorkammer von ca. 0,8 bis 0,9. Damit ergeben sich optimale Entflammungsbedingungen und aufgrund der Energiedichte intensive, in den Hauptbrennraum austretende Zündfackeln, die zu einem raschen Durchbrennen des Treibstoff-Luft-Gemischs im Hauptbrennraum führen. Bei solchen λ-Werten erfolgt die Verbrennung allerdings auf maximalem Temperaturniveau, sodass auch die Wandtemperaturen im Vorkammerbereich entsprechend hoch sind. Daraus resultieren einerseits eine entsprechend hohe thermische Belastung der Vorkammer und der darin angeordneten Bauteile (z.B. Zündkerze, Ventile) und andererseits unerwünscht hohe Stickoxidemissionen.
Das Anreichern des Spülgases mit reaktiven Gasen erlaubt es, das Spülgas bei gleicher Zündwilligkeit abzumagern. Abmagern des Vorkammergases führt zu günstigeren Emissionen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das einer Vorkammer zuzuführende Spülgas mit entsprechenden Gasen anzureichern, um die Zündwilligkeit des Spülgases bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine zu erhöhen. So zeigt die US 6,739,289 B2 eine Methode zum Anreichern eines Vorkammer-Spülgases mit Wasserstoff. Dabei wird der Treibstoff für die Vorkammer durch einen Reformer geleitet, um den Treibstoff mit Wasserstoff anzureichern. Als Reformer können bekannte thermochemische Reaktoren wie beispielsweise Dampfreformer eingesetzt werden.
Ebenfalls bekannt ist eine Vermischung des Synthesegasstromes mit einem zweiten Gasstrom (Gemisch oder Gas) zur Einstellung eines bestimmten Verbrennungsluftverhältnisses lambda im Spülgas. Die US 6,739,289 B2 schlägt eine Vermischung des Synthesegasstromes mit einem zweiten Gasstrom (Gemisch oder Gas) zur Einstellung eines bestimmten lambda im Spülgas vor. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Reformer mit konstantem Durchsatz betrieben wird und lediglich das Luftverhältnis lambda im Spülgas eingestellt wird. Da der Reformer einen Leistungsverbraucher an chemischer Energie darstellt, ist es wünschenswert, dass nur so viel umgesetzt wird wie aktuell zur Beeinflussung des Verbrennungsverhaltens und der Emissionen erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, dass wenigstens ein Betriebsparameter der wenigstens einen Brennkraftmaschine überwacht wird, wobei abhängig von einer Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters die chemische Zusammensetzung des Spülgases durch eine Änderung des Massenstroms des wenigstens einen weiteren Stoffstroms verändert wird.
Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass eine für einen jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine optimale chemische Zusammensetzung des Spülgases bereitgestellt werden kann, um ein optimales Verbrennungsverhalten und geringe Emissionen zu erzielen.
Es kann damit auch ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb einer Motoranlage mit Reformiereinrichtung erfolgen, bei der durch eine Regelung der Stoffströme für den Reformer in Abhängigkeit von aktuellen Motorparametern nur so viel Synthesegas erzeugt wird, wie jeweils aktuell zur Beeinflussung des Verbrennungsverhaltens und der Emissionen erforderlich ist. Vorzugsweise kann dem Kraftstoffreformer wenigstens einer der folgenden weiteren Stoffströme zugeführt werden: Wasser und/oder Wasserdampf und/oder Luft und/oder ein Treibstoff-Luft-Gemisch und/oder ein Abgas der wenigstens einen Brennkraftmaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein erster Betriebsparameter basierend auf einem Variationskoeffizienten des indizierten Nutzmitteldrucks im Hauptbrennraum überwacht wird.
Der indizierte Nutzmitteldruck in einem Hauptbrennraum ist der Mittelwert des gemessenen Zylinderinnendruckes über einen Verbrennungszyklus. Zur Ermittlung des Variationskoeffizienten kann mittels geeigneter Einrichtungen (z.B. Zyiinderdrucksensor im Hauptbrennraum) eine Messreihe vom jeweiligen indizierten Nutzmitteldruck im Hauptbrennraum über mehrere Verbrennungszyklen erfasst werden, beispielsweise über 50 Verbrennungszyklen. Aus den Messwerten des indizierten Nutzmitteldruck im Hauptbrennraum einer Messreihe kann anschließend der arithmetische Mittelwert und die empirische Standardabweichung ermittelt werden. Der Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert ergibt dann den Variationskoeffizienten des indizierten Nutzmitteldrucks im der Vorkammer zugeordneten Hauptbrennraum. Als erster Betriebsparameter kann dabei der Variationskoeffizient eines Hauptbrennraums oder der arithmetische Mittelwert der Variatio nskoeffizienten aller Hauptbrennräume der Brennkraftmaschine überwacht werden. Als erster Betriebsparameter kann auch der Variationskoeffizient einer Messreihe von Messwerten des indizierten Nutzmitteldrucks über mehrere oder alle Hauptbrennräume der Brennkraftmaschine überwacht werden. Der Variationskoeffizient, der üblicherweise in Prozent angegeben wird, ist ein Maß für die Stabilität der Verbrennung und ist abhängig von Motoreinstellungen, z.B. der NOx- Emissionen. Übliche Werte für den Variationskoeffizienten bei Erdgasbetrieb sind beispielsweise 1 ,2% bis 1 ,4% bei 500 mg/Nm3 (Milligramm pro Normkubikmeter) NOx- Emissionen und 2,5% bis 2,6% bei 250 mg/Nm3 NOx-Emissionen. Der Variationskoeffizient hängt damit stark vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ab. Je geringer die NOx-Emissionen, desto höher der Variationskoeffizient.
Der Variationskoeffizient kann als Maß für die Verbrennungsstabilität herangezogen werden. Je niedriger der Variationskoeffizient, desto stabiler und gleichmäßiger ist die Verbrennung und desto höher ist der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. So kann beispielsweise bei einem Variationskoeffizienten von 1 % die Verbrennung als stabil betrachtet werden, bei einem Variationskoeffizienten von 3% bis 4% ist der Motor nahe der Laufgrenze, läuft also instabil. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die chemische Zusammensetzung des Spülgases verändert wird, falls der erste Betriebsparameter einen vorgebbaren ersten Grenzwert überschreitet. Mit anderen Worten kann also ein erster Grenzwert festgelegt werden, bei welchem ein Eingriff zur Verbesserung der Verbrennung erfolgen kann bzw. sollte.
Der erste Grenzwert für den Variationskoeffizienten kann beispielsweise mit 2,5%, vorzugsweise mit 2,75%, angesetzt werden. Der erste Grenzwert kann generell auch motorspezifisch festgelegt werden. Es kann vorgesehen sein, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwerts der Massenstrom des Wasserdampfs und/oder der Massenstrom der Luft und/oder der Massenstrom des Abgases erhöht wird bzw. werden, vorzugsweise proportional zur Änderung des ersten Betriebsparameters. Insbesondere bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung kann es sinnvoll sein, in diesem Fall den „
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Massenstrom des Abgases zu erhöhen. Bei Betrieb ohne Abgasrückführung kann es ausreichend sein, den Massenstrom des Wasserdampfs und/oder den Massenstrom der Luft zu erhöhen. Dadurch kann insbesondere das Verhältnis der Massenströme der Reformereingangsstoffströme Wasserdampf und Brennstoff verändert werden. Unterhalb des ersten Grenzwerts kann dieses Verhältnis jedoch unverändert auf einem auslegungsspezifischen Normalwert bleiben. Beispielsweise ist die Zusammensetzung des Spülgases beim auslegungsspezifischen Normalwert derart, dass es einen Wasserstoff-Anteil von 10 - 35 Vol.-% und einen Methananteil von 10 - 35 Vol.-% aufweist.
Insgesamt kann mit der Maßnahme der Erhöhung der Massenströme der angegebenen Stoffströme mehr Wasserstoff im Spülgas erzielt werden. Dadurch lassen sich eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit und damit eine höhere Stabilität in der Verbrennung erzielen.
Durch eine Änderung der jeweiligen Massenströme der Stoffströme wird auch der Massenstrom des Spülgases entsprechend verändert, d.h. eine Erhöhung eines Massenstroms eines Stoffstroms führt auch zu einer Erhöhung des Massenstroms des Spülgases und eine Verringerung eines Massenstroms eines Stoffstroms führt zu einer Verringerung des Massenstroms des Spülgases.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, dass der Massenstrom des Treibstoffs verändert wird. Dadurch kann ebenfalls die chemische Zusammensetzung des Spülgases verändert werden. Es kann vorgesehen sein, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwerts der Massenstrom des Treibstoffs verringert wird. In Verbindung mit der vorgenannten Änderung der Massenströme der Reformereingangsstoffströme kann damit beispielsweise der Massenstrom des Spülgases konstant gehalten und dadurch der Wasserstoff-Anteil im Spülgas erhöht werden.
Der erste Grenzwert kann von einer Leistung und/oder einem Ladedruck der wenigstens einen Brennkraftmaschine und/oder von einer Ladelufttemperatur bzw. der Temperatur eines Treibstoff-Luft-Gemischs vor den Einlassventilen in
Hauptbrennraum der wenigstens einen Brennkraftmaschine abhängig sein.
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei herausgestellt, wenn der erste Grenzwert mit zunehmender Last und/oder zunehmendem Ladedruck der wenigstens einen Brennkraftmaschine verändert, vorzugsweise erhöht, wird.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass beim Hochfahren und/oder im Leerlauf und/oder bei geringer Teillast der wenigstens einen Brennkraftmaschine aus Gründen der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems der Anteil an Synthesegas im Spülgas so gering wie möglich gehalten wird. Der Reformerbetrieb kann dabei auf ein sinnvolles Minimum, beispielsweise auf 30% der Reformereingangsstoffströme in Bezug auf den auslegungsspezifischen Normalwert, reduziert werden. Beim Hochfahren zur Volllast kann der Anteil an Synthesegas im Spülgas bis zur Sollzusammensetzung beim auslegungsspezifischen Normalwert angehoben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Betriebsparameter basierend auf einer Zündkerzentemperatur einer Zündkerze in der Vorkammer überwacht wird.
Hierbei ist es ein Ziel, unter gegebenen Rahmenbedingungen (Betriebspunkt der Brennkraftmaschine betreffend NOx-Emission und Last) die Temperatur an der Zündkerze in einem wirtschaftlich optimalen Bereich zu halten. Die Temperatur an der Zündkerze soll dabei möglichst niedrig sein bei möglichst wenig benötigtem Synthesegas.
Als zweiter Betriebsparameter kann dabei die Elektrodentemperatur der Zündkerze überwacht werden. Eine Erfassung der Elektrodentemperatur kann in bekannter Art und Weise z.B. durch ein Thermoelement auf der Masseelektrode der Zündkerze erfolgen. Übliche Werte der Elektrodentemperatur bei vorkammergezündeten Brennkraftmaschinen mit Erdgasbetrieb sind 830°C bis 850°C. Durch eine entsprechende chemische Zusammensetzung des Spülgases lässt sich die Elektrodentemperatur deutlich absenken, beispielsweise um 100°C. Eine geringere Elektrodentemperatur führt zu einer geringeren Bauteilbelastung und damit zu einer erhöhten Lebensdauer, insbesondere zu einer erhöhten Zündkerzenstandzeit.
Es kann daher vorgesehen sein, dass die chemische Zusammensetzung des Spülgases verändert wird, falls der zweite Betriebsparameter einen vorgebbaren zweiten Grenzwert überschreitet. Insbesondere kann bzw. können bei Überschreiten des zweiten Grenzwerts der Massenstrom des Wasserdampfs und/oder der Massenstrom der Luft und/oder der Massenstrom des Abgases erhöht werden. Insbesondere bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung kann es sinnvoll sein, in diesem Fall den Massenstrom des Abgases zu erhöhen. Bei Betrieb ohne Abgasrückführung kann es ausreichend sein, den Massenstrom des Wasserdampfs und/oder den Massenstrom der Luft zu erhöhen. Zur Verringerung der Elektrodentemperatur kann auch vorgesehen sein, dass der Massenstrom des Brennstoffs und/oder der Massenstrom des Treibstoffs verringert wird bzw. werden.
Der zweite Grenzwert kann beispielsweise bei 750°C angesetzt werden. Insgesamt zielt die Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Spülgases in diesem Fall darauf ab, den Heizwert des Spülgases leicht zu senken bzw. den Wasserstoff-Anteil zu erhöhen.
Es kann auch sinnvoll sein, den Zündspannungsbedarf einer Zündkerze in der Vorkammer zu überwachen, da durch diesen Wert eine Aussage über den Zündkerzenverschleiß getroffen werden kann.
Daher kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass ein dritter Betriebsparameter basierend auf einem Zündspannungsbedarf einer Zündkerze in der Vorkammer überwacht wird, wobei die chemische Zusammensetzung des Spülgases verändert wird, falls der dritte Betriebsparameter einen vorgebbaren dritten Grenzwert überschreitet. Insbesondere kann bei Überschreiten des dritten Grenzwerts der Massenstrom des Treibstoffs erhöht werden. g
Der Zündspannungsbedarf, der beispielsweise von einem
Motormanagementsystem erfasst werden kann, ist von der Zusammensetzung des Spülgases abhängig. Durch eine Erhöhung des Massenstroms des Treibstoffs wird der CH4-Anteil im Spülgas erhöht, wodurch sich die Entzündbarkeit des Spülgases erhöhen lässt. Ein fortschreitender Zündkerzenverschleiß kann über einen erhöhten Zündspannungsbedarf erfasst und die chemische Zusammensetzung des Spülgases dementsprechend angepasst werden, um trotz größerer Funkenstrecke eine zuverlässige Entzündung des Spülgases hervorrufen zu können. Das vorgeschlagene Verfahren kann auch bei einer Mehrmotorenanlage zum Einsatz kommen. Dabei können wenigstens zwei Brennkraftmaschinen vorgesehen sein, wobei Synthesegas des Kraftstoff reformers, gegebenenfalls jeweils unter Beimischung von Treibstoff, als Spülgas den Vorkammern der wenigstens zwei Brennkraftmaschinen zugeführt wird. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass ein vierter Betriebsparameter basierend auf der Last und/oder dem Ladedruck wenigstens einer der wenigstens zwei Brennkraftmaschinen überwacht wird, wobei abhängig von einer Änderung des vierten Betriebsparameters der Massenstrom des Spülgases verändert wird. Der Massenstrom des Spülgases bzw. die Spülgasmenge hat üblicherweise eine Grundeinstellung in Bezug auf die Massen- bzw. Volumenströme der Eingangsstoffströme für den Reformer und in Bezug auf den Treibstoff, der gemeinsam mit dem Synthesegas aus dem Reformer das Spülgas bilden kann. Die Grundeinstellung wird dabei meist so gesetzt, dass die Spülgasmenge ca. dem 1 ,5- fachen Vorkammergasbedarf (Volumen aller Vorkammern in Summe gemäß Verbrennungszyklus) entspricht.
Im Betrieb kann nun die Spülgasmenge so eingestellt werden, dass sie abhängig von einer Änderung der Last wenigstens einer der wenigstens zwei Brennkraftmaschinen (als vierter Betriebsparameter) verändert wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Spülgasmenge abhängig von einer Änderung der Summenlast aller Brenn'kraftmaschinen einer Mehrmotorenanlage (als vierter Betriebsparameter) verändert wird. Die Spülgasmenge kann dabei beispielsweise über entsprechende Regelarmaturen für Massen- bzw. Volumenströme für die Eingangsstoffströme für den Reformer und den Treibstoff entsprechend verändert werden.
Die Spülgasmenge kann auch so eingestellt werden, dass der Druck des Spülgases nach einem Spülgasverdichter, durch den das Spülgas vor dem Einbringen in die Vorkammern verdichtet werden kann, immer um einen bestimmten Betrag höher ist als der Ladedruck des Treibstoff-Luft-Gemischs für die Hauptbrennräume der Brennkraftmaschine. Dadurch können über die Abhängigkeit vom Ladedruck auch Änderungen in der Motorlast mitberücksichtigt werden. Eine geeignete Differenz zwischen Ladedruck und Spülgasdruck beträgt dabei beispielsweise 50 mbar, d.h. der Druck des Spülgases nach einem Spülgasverdichter kann dabei dem Ladedruck nachgeführt werden, sodass er immer um 50 mbar höher ist als der Ladedruck. Eine rasche Anpassung des Spülgasdrucks kann beispielsweise durch eine entsprechend geregelte Bypass-Leitung erfolgen. Die Bypass-Leitung verbindet dabei eine Spülgasleitung, durch welche das Spülgas in die Vorkammern eingebracht wird, mit einer Treibstoffleitung, durch welche z.B. das Treibstoff-Luft-Gemisch in die Hauptbrennräume eingebracht wird. Prinzipiell kann auch vorgesehen sein, dass eine Änderung der Spülgasmenge abhängig von einer Änderung des Ladedrucks erfolgt, vorzugsweise proportional zu einer Änderung des Ladedrucks. Hierdurch können Schwankungen des Ladedrucks und insbesondere bei einer Mehrmotorenanlage mit einem gemeinsamen Reformer die Anforderungen einzelner Brennkraftmaschinen ausgeglichen werden.
Der Betrieb einer Mehrmotorenanlage kann auch derart erfolgen, dass die Reformereingangsstoffströme abhängig von der Summenlast aller Brennkraftmaschinen einer Mehrmotorenanlage verändert werden und eine Feinregelung der Spülgaszusammensetzung und -menge in Bezug auf den jeweiligen Ladedruck der Brenn'kraftmaschinen individuell für jede Brennkraftmaschine erfolgt. Generell eignen sich folgende Betriebsparameter für eine Überwachung, um in Bezug auf deren Änderung eine optimale Spülgaszusammensetzung und Spülgasmenge einzustellen und damit einen optimalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. Mehrmotorenanlage zu erzielen: gesamte abgegebene elektrische Leistung aller Brennkraftmaschinen einer Mehrmotorenanlage, Ladedrücke der einzelnen Brennkraftmaschinen, Variationskoeffizienten des indizierten Nutzmitteldrucks der Hauptbrennräume der einzelnen Brennkraftmaschinen, Temperaturen an den jeweiligen Masseelektroden der Zündkerzen der einzelnen Brennkraftmaschinen, Zündspannungsbedarf der jeweiligen Zündkerzen der einzelnen Brennkraftmaschinen.
Abhängig von einer Änderung wenigstens eines der obigen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine kann auch wenigstens einer der folgenden Parameter des Kraftstoffreformers verändert werden: Temperatur und/oder Druck des wenigstens einen Stoffstroms am Eingang des Kraftstoffreformers, Temperatur im Kraftstoffreformer, Temperatur am Ausgang des Kraftstoffreformers, CO-Konzentration im Synthesegas, C02-Konzentration im Synthesegas, Massenstrom des Brennstoffs, Massenstrom des Abgases. Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Reformer und Spülgasregler,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Mehrmotorenanlage mit einem Reformer und einem Spülgasregler und
Fig. 3 Messwerte des indizierten Nutzmitteldrucks in einem Hauptbrennraum einer Brennkraftmaschine. Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Vorkammer 2 und einem der Vorkammer 2 zugeordneten Hauptbrennraum 3. Der Vorkammer 2 wird ein Spülgas S zugeführt. Dieses Spülgas S umfasst ein Synthesegas R und einen Treibstoff B2. Das Synthesegas R und der Treibstoff B2 werden in einem Spülgasmischer 9 vermischt und das dadurch entstandene Gasgemisch als Spülgas S der Vorkammer 2 bzw. den Vorkammern 2 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Das Synthesegas R wird dabei in einem Kraftstoffreformer 4 erzeugt. Für den an sich bekannten Reformierprozess, in dem ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff B*, zu einem H2- und CO-haltigen Synthesegas R reagiert, werden dem Kraftstoffreformer 4 mehrere Stoffströme Bi , D, L, A zugeführt. Die Zuführung dieser Stoffströme Bi , D, L, A erfolgt in diesem Beispiel über einen Stoffstrommischer 7, der die ihm zugeführten Stoffströme Bi , D, L, A zu einem Stoffstromgemisch vermischt und dem Kraftstoffreformer 4 zuführt.
Der Brennstoff Bi für den Kraftstoffreformer 4, bei dem es sich um einen autothermen chemischen Reaktor handeln kann, kann dabei z.B. Erdgas aus einer Erdgasversorgung (z.B. Erdgaspipeline) sein. Der Treibstoff B2, der im Spülgasmischer 9 dem Spülgas S zugeführt wird, kann aus derselben Brennstoffquelle stammen wie der Brennstoff Bi oder auch aus einer davon gesonderten Treibstoffquelle.
Zum Überwachen der Brennkraftmaschine 1 , die beispielsweise ein stationärer Gas- Otto-Motor sein kann, ist in diesem Beispiel ein Motormanagementsystem 5 vorgesehen. Dieses Motormanagementsystem 5 kann Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 1 erfassen und entsprechend auswerten. Betriebsdaten bzw. Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 , die vom Motormanagementsystem 5 überwacht werden können, sind beispielsweise: der Variationskoeffizient des indizierten Nutzmitteldrucks im Hauptbrennraum 3, die Elektrodentemperatur einer Zündkerze in der Vorkammer 2, der Zündspannungsbedarf einer Zündkerze in der Vorkammer 2, die Leistung der Brennkraftmaschine 1 , der Ladedruck der Ladeluft bzw. des Treibstoff- Luft-Gemischs für den Hauptbrennraum 3, der Ladedruck des Spülgases S für die Vorkammer 2 oder die Temperatur der Ladeluft bzw. des Treibstoff-Luft-Gemischs für den Hauptbrennraum 3. Abhängig von einer Änderung wenigstens eines überwachten Betriebsparameters der Brennkraftmaschine 1 kann eine Beeinflussung des Spülgases S erfolgen. Dafür ist ein Spülgasregler 6 vorgesehen, dem als Eingangssignale die überwachten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden können. Die dem Spülgasregler 6 zugeführten Betriebsparameter (z.B. Variationskoeffizient des indizierten Nutzmitteldrucks im Hauptbrennraum 3) können dabei vom Motormanagementsystem 5 stammen oder als Signale direkt von geeigneten Überwachungseinrichtungen (z.B. Sensoren) an der Brennkraftmaschine 1 an den Spülgasregler 6 gemeldet werden. Mit Hilfe des Spülgasreglers 6 kann die chemische Zusammensetzung des Spülgases S verändert werden. Der Spülgasregler 6 kann über entsprechende Signalleitungen (strichliert dargestellt) Signale an verschiedene Einrichtungen senden, um diese zu beeinflussen. Die vom Spülgasregler 6 beeinflussbaren Einrichtungen sind z.B. der Stoffstrommischer 7 bzw. dessen Volumenregeleinrichtungen 8 für die Stoffströme Bi , D, L, A, eine Treibstoffvolumenregeleinrichtung 13, eine Synthesegasregeleinrichtung 10, eine Spülgasregeleinrichtung 1 1 oder eine Spülgasvolumenregeleinrichtung 12. Durch die Beeinflussung einer oder mehrerer der beschriebenen Einrichtungen 8, 13, 10, 1 1 , 12 kann die chemische Zusammensetzung des Spülgases S und/oder wenigstens eine physikalische Größe des Spülgases S (z.B. Druck, Temperatur, Massenstrom) verändert werden.
Insbesondere kann damit erreicht werden, dass ein Variationskoeffizient des indizierten Nutzmitteldrucks im Hauptbrennraum 3 überwacht wird und abhängig von einer Änderung des Variationskoeffizienten ein Massenstrom des wenigstens einen Stoffstroms Bi , D, L, A verändert wird. Eine Änderung der Massenströme der Stoffströme B-i , D, L, A kann dabei unter Zuhilfenahme von an sich bekannten Volumenregeleinrichtungen 8, wie z.B. Ventilen, erfolgen. Dafür sendet der Spülgasregler 6 entsprechende Stellsignale an die Volumenregeleinrichtungen 8 der Stoffströme Bi , D, L, A.
Vorzugsweise kann ein Betrieb derart erfolgen, dass bei Überschreiten eines vorgebbaren ersten Grenzwerts des überwachten Variationskoeffizienten die Massenströme des Wasserdampfs D und der Luft L erhöht werden. Dadurch erzeugt der Kraftstoffreformer 4 mehr Wasserstoff. Insbesondere bei Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Abgasrückführung kann auch der Massenstrom des Abgases A erhöht werden.
Die chemische Zusammensetzung des Spülgases S kann auch dadurch verändert werden, dass der Massenstrom des Treibstoffs B2 verändert wird. Durch eine Änderung des Mischverhältnisses von Treibstoff B2 und Synthesegas R im Spülgasmischer 9 kann gezielt Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Spülgases S genommen werden. Das Einstellen des gewünschten Mischverhältnisses von Treibstoff B2 und Synthesegas R kann dabei durch den Spülgasregler 6 und in Abhängigkeit von einer Änderung des überwachten Betriebsparameters erfolgen, beispielsweise durch Änderung des Massenstroms des Treibstoffs B2 mittels Treibstoffvolumenregeleinrichtung 13 (z. B. Dosierventil). Für weitere vorteilhafte Beeinflussungen des Spülgases S kann auch vorgesehen sein, dass durch den Spülgasregler 6 beispielsweise die Temperatur und/oder der Wassergehalt des Synthesegases R beeinflusst wird. Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass durch den Spülgasregler 6 die Temperatur, der Druck und die Menge des in die Vorkammer 2 eingebrachten Spülgases S verändert wird. Eine Änderung von Temperatur und Wassergehalt des Synthesegases R kann beispielsweise mit Hilfe wenigstens einer Synthesegasregeleinrichtung 10 erfolgen. Dabei kann es sich um an sich bekannte Wärmetauscher oder Kühleinrichtungen oder Kondensatabscheideeinrichtungen handeln. Mithilfe wenigstens einer Spülgasregeleinrichtung 1 1 kann beispielsweise die Temperatur und/oder der Druck des Spülgases S durch den Spülgasregler 6 verändert werden. Bei der Spülgasregeleinrichtung 1 1 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher und/oder einen Verdichter handeln. Zur Veränderung des Massenstroms des in die Vorkammer 2 zuzuführenden Spülgases S kann eine bekannte Spülgasvolumenregeleinrichtung 12, wie beispielsweise ein Dosierventil, eingesetzt werden.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß Fig. 1 für den Fall einer Mehrmotorenanlage. In diesem Beispiel sind zwei Brennkraftmaschinen 1 dargestellt. Das Spülgas S für die Vorkammern 2 dieser Brennkraftmaschinen 1 setzt sich jeweils zusammen aus Synthesegas R aus einem Kraftstoffreformer 4 und Treibstoff B2, der jeweils in einem einer Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Spülgasmischer 9 dem Synthesegas R zugemischt wird. Dadurch kann ein Kraftstoffreformer 4 Synthesegas R für mehrere Brennkraftmaschinen 1 erzeugen. Durch eine Änderung der Reformereingangsstoffströme Bi , D, L, A mittels Volumenregeleinrichtungen 8 und mithilfe der zuvor beschriebenen Einrichtungen 13, 10, 1 , 12 kann gezielt die chemische Zusammensetzung und/oder wenigstens eine physikalische Größe des Spülgases S individuell für jede Brennkraftmaschine 1 verändert werden. Im gezeigten Beispiel werden jeweils Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine 1 durch das der Brennkraftmaschine 1 zugeordnete Motormanagementsystem 5 überwacht und entsprechende Signale an den Spülgasregler 6 gemeldet. Der Spülgasregler 6 kann diese Signale auswerten und abhängig von einer Änderung von wenigstens einem Betriebsparameter wenigstens einer der Brennkraftmaschinen 1 entsprechende Eingriffe an den Einrichtungen 8, 13, 10, 1 1 , 12 vornehmen, um die jeweilige chemische Zusammensetzung und/oder wenigstens eine physikalische Größe des Spülgases S zu verändern, das den Vorkammern 2 einer jeweiligen Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit Messwerten des indizierten Nutzmitteldrucks in einem Hauptbrennraum 3 einer Brennkraftmaschine 1. Die x-Achse des Diagramms stellt die Zeit t bzw. den Messwert n dar. Auf der y-Achse des Diagramms ist der jeweilige indizierte Nutzmitteldruck p, eines Messwerts n dargestellt. Das Diagramm zeigt drei Messreihen I, II und III. Bei den Messwerten n der Messreihe I schwanken die Werte für die indizierten Nutzmitteldrücke p, verhältnismäßig wenig um den arithmetischen Mittelwert der indizierten Nutzmitteldrücke p, (strichlierte Linie). Im Vergleich dazu zeigen die Messreihen II und III Messwerte n, bei denen die Werte für die jeweiligen indizierten Nutzmitteldrücke p, stärker voneinander abweichen. Für jede Messreihe I, II, III wird jeweils der arithmetische Mittelwert und die empirische Standardabweichung der indizierten Nutzmitteldrücke p, ermittelt. Der Quotient aus der empirischen Standardabweichung und dem arithmetischen Mittelwert ergibt jeweils den Variationskoeffizienten für die jeweilige Messreihe I, II, III. Die Doppelpfeile 14 zeigen jeweils den doppelten Variationskoeffizienten für die jeweilige Messreihe I, II, III.

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zum Betreiben wenigstens einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine (1 ), insbesondere eines stationären Gas-Otto-Motors, mit einer Vorkammer (2) und einem der Vorkammer
(2) zugeordneten Hauptbrennraum
(3), wobei der Vorkammer (2) ein Gasgemisch als Spülgas (S) zugeführt wird, wobei dem Spülgas (S) ein in einem Kraftstoffreformer (4) erzeugtes Synthesegas (R) und ein Treibstoff (B2) aus einer Treibstoffquelle zugeführt werden und wobei dem Kraftstoffreformer (4) für den Reformierprozess ein Brennstoff (Bi) und wenigstens ein weiterer Stoffstrom (D, L, A) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Betriebsparameter der wenigstens einen Brennkraftmaschine überwacht wird, wobei abhängig von einer Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters die chemische Zusammensetzung des Spülgases (S) durch eine Änderung des Massenstroms des wenigstens einen weiteren Stoffstroms (D, L, A) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftstoffreformer
(4) wenigstens einer der folgenden weiteren Stoffströme zugeführt wird: Wasser und/oder Wasserdampf (D) und/oder Luft (L) und/oder ein Treibstoff-Luft-Gemisch und/oder ein Abgas (A) der wenigstens einen Brennkraftmaschine (1).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Betriebsparameter basierend auf einem Variationskoeffizienten des indizierten Nutzmitteldrucks im Hauptbrennraum (3) überwacht wird, wobei die chemische Zusammensetzung des Spülgases (S) verändert wird, falls der erste Betriebsparameter einen vorgebbaren ersten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwerts der Massenstrom des Wasserdampfs (D) und/oder der Massenstrom der Luft (L) und/oder der Massenstrom des Abgases (A) erhöht wird bzw. werden, vorzugsweise proportional zur Änderung des ersten Betriebsparameters.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Treibstoffs (B2) verändert wird, vorzugsweise bei Überschreiten des ersten Grenzwerts verringert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzwert mit zunehmender Last und/oder zunehmendem Ladedruck der wenigstens einen Brennkraftmaschine (1 ) verändert, vorzugsweise erhöht, wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Betriebsparameter basierend auf einer Zündkerzentemperatur einer Zündkerze in der Vorkammer (2) überwacht wird, wobei die chemische Zusammensetzung des Spülgases (S) verändert wird, falls der zweite Betriebsparameter einen vorgebbaren zweiten Grenzwert überschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des zweiten Grenzwerts der Massenstrom des Wasserdampfs (D) und/oder der Massenstrom der Luft (L) und/oder der Massenstrom des Abgases (A) erhöht wird bzw. werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Brennstoffs (B^ und/oder der Massenstrom des Treibstoffs (B2) verringert wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Betriebsparameter basierend auf einem Zündspannungsbedarf einer Zündkerze in der Vorkammer (2) überwacht wird, wobei die chemische Zusammensetzung des Spülgases (S) verändert wird, falls der dritte Betriebsparameter einen vorgebbaren dritten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des dritten Grenzwerts der Massenstrom des Treibstoffs (B2) erhöht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Brennkraftmaschinen (1 ) vorgesehen sind, wobei Synthesegas (R) des Kraftstoffreformers (4), gegebenenfalls jeweils unter Beimischung von Treibstoff (B2), als Spülgas (S) den Vorkammern (2) der wenigstens zwei Brennkraftmaschinen (1 ) zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Betriebsparameter basierend auf der Last und/oder dem Ladedruck wenigstens einer der wenigstens zwei Brennkraftmaschinen (1 ) überwacht wird, wobei abhängig von einer Änderung des vierten Betriebsparameters der Massenstrom des Spülgases (S) verändert wird.
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