WO2011015329A1 - Verfahren zum betreiben eines gasmotors, sowie gasmotor - Google Patents

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WO2011015329A1
WO2011015329A1 PCT/EP2010/004711 EP2010004711W WO2011015329A1 WO 2011015329 A1 WO2011015329 A1 WO 2011015329A1 EP 2010004711 W EP2010004711 W EP 2010004711W WO 2011015329 A1 WO2011015329 A1 WO 2011015329A1
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    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas engine and a gas engine according to the preamble of the respective independent patent claim.
  • combustion chamber is connected to an antechamber whose volume is significantly smaller than the actual combustion chamber.
  • antechamber becomes
  • the flame wall prepares the combustion chamber due to the expansion m of the prechamber m and ignites the relatively low concentration present there
  • Antechambers An unspiked prechamber is fed with the same gas / air mixture as the main chamber.
  • a spooled Pre-chamber is usually supplied fuel gas from a supply which is separate from that to which the actual combustion chamber is connected.
  • Object of the present invention is therefore, a
  • purge air can also be used to increase the medium pressure at which the gas engine is operated, and thereby improve its efficiency.
  • higher medium pressure can namely because of
  • the purge of the pre-chamber is in fact performed during an intake stroke, in particular at the beginning of an intake stroke of the corresponding cylinder of the gas engine.
  • an exhaust valve Just at the beginning of the intake stroke is an exhaust valve, which connects the combustion chamber of the cylinder with the exhaust pipe, sometimes still open,
  • the basis for flushing the prechamber with air is a
  • Prechamber is flushed, and the pressure in the intake manifold of the
  • a lambda of the gas present in the prechamber can be actively influenced.
  • Emissions and the ignition behavior are favorably influenced.
  • a particularly advantageous embodiment of a gas engine in which the method according to the invention can be used, is characterized in that the gas engine comprises a feed space, which preferably has a first Valve with the pre-chamber, a second valve with an air source and a third valve with a
  • Fuel gas source is connectable.
  • This supply chamber also referred to as a “mixing chamber” forms a quasi “Y-piece", which connects the pre-chamber optionally to an air source and / or a fuel gas source.
  • a mixing chamber forms a quasi "Y-piece" which connects the pre-chamber optionally to an air source and / or a fuel gas source.
  • Reaction to the feed space and the valves to the air source and the fuel gas source prevents or at least
  • the first valve is not essential for achieving at least some advantages of the invention.
  • the gas engine according to the invention is particularly simple if, on the one hand, the first valve and, on the other hand, the second one
  • Check valves are, which open to the antechamber, and if that of the second and third valves, which is not a check valve, an example, electric,
  • valve is mechanically, hydraulically or pneumatically controlled valve.
  • first and second valve are mechanically, hydraulically or pneumatically controlled valve.
  • Pulled check valve so that air can flow into the prechamber via the feed chamber.
  • Valve which in this case must be a controlled valve, opened, the pressure in the feed chamber increases, whereby the second valve closes. Now fuel gas is supplied via the feed chamber of the antechamber. If the third valve is actuated shortly before the end of the suction cycle so that it closes, the pressure in the supply chamber decreases again so that the second valve opens and a little more air is sucked into the supply chamber. With only a single controlled valve so can the Function according to the invention can be realized. This variant is therefore inexpensive and reliable.
  • the first valve has a lower opening differential pressure than the second or third designed as a check valve valve. This ensures that during a suction stroke, the feed chamber is always connected to the pre-chamber, and it will be unstable operating conditions and undesirable
  • Figure 1 is a schematic representation of a cylinder of a
  • FIG. 2 is a diagram in the operating states of various
  • a gas engine carries in Figure 1 in total the reference numeral 10.
  • the gas engine 10 operates on the 4-stroke principle under
  • the gas engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is shown in FIG. 1 with the reference numeral 12.
  • the cylinder 12 comprises a piston 14, which via a
  • crankshaft is connected.
  • Combustion chamber 16 mainly via an intake pipe 18 and a
  • Intake valve 20 Hot combustion exhaust gases are removed from the combustion chamber 16 through an exhaust valve 22 into an exhaust pipe 24 directed.
  • the intake valve 20 and the exhaust valve 22 are actuated by a camshaft, not shown.
  • fuel gas may be introduced into the intake pipe 28, the fuel gas being metered via an electromagnetic metering valve 26.
  • Fuel gas is provided by a fuel gas source 28.
  • Fuel gas source 28 is for example a compressed gas tank in question.
  • the gas engine 10 is operated with a relatively low concentration of fuel gas in the combustion chamber 16. In order to be able to ignite this safely, the gas engine 10 has a
  • Vorsch Hair 30 on.
  • This comprises a housing 32 in which an elongated antechamber 34 is formed.
  • the housing 32 projects slightly into the combustion chamber 16.
  • Combustion chamber 16 projecting portion of the housing 32 are channels 36 which the pre-chamber 34 with the
  • the first valve 40 is designed as a spring-loaded check valve which opens to the prechamber 34 and blocks the feed space 42. It can be used both as a ball valve, as a cone valve, as a seat valve or as a plate valve
  • first valve 40 is designed as a controlled valve, that is equipped with an electrical, mechanical, pneumatic or hydraulic actuation.
  • an air duct 44 which can connect the feed chamber 42 via a second valve 46 with a fresh air source 48.
  • the second valve 46 is again as
  • the opening pressure difference of the first valve 40 is smaller than the opening pressure difference of the second valve 46.
  • the second valve 46 can be used as a ball valve
  • Valve be formed. It may also be a controlled valve, for example with a mechanical, electrical, pneumatic or hydraulic control.
  • Fresh air source 48 can serve the free atmosphere, but it is also possible a compressed air supply, for example by means of a compressed air tank, which is fed via a compressor. Air duct 44, second valve 46 and
  • Fresh air source 48 form an air supply 49 for the prechamber 34 in still to be displayed manner.
  • a fuel gas channel 50 which can connect the prechamber 34 via an electromagnetically actuated third valve 52 with a fuel gas source 54.
  • the third valve 52 may also be a piezo-controlled valve, a mechanically actuated valve, or one with hydraulic or pneumatic actuation.
  • Fuel gas channel 50, third valve 52 and fuel gas source 54 form a
  • an ignition device in the form of a spark plug 56 with its two electrodes 58 and 60th Die Ignition device 56 is driven by an ignition system 62. This will as well as the third valve 52 and the
  • electromagnetic metering valve 26 controlled by a control and regulating device 64, according to predetermined operating parameters. For this receives the tax and
  • Regulator 64 signals from different not
  • sensors for example from a
  • the gas engine 10 operates in a preferred operating mode as follows (see Figure 2):
  • a working cycle of the cylinder 12 consists of 4 cycles, namely an intake stroke 66, a compression stroke, a power stroke 70 and an exhaust stroke 72.
  • Cylinders 12 are shown in Figure 2 by bars.
  • a bar 74 indicates an opening period of the
  • Opening period of the exhaust valve 22 It can be seen that at the end of the exhaust stroke 72 and at the beginning of the intake stroke 66, there is a phase during which both the intake valve 20 (beam 74) and the exhaust valve 22 (beam 76)
  • Feed chamber 42 which now also the opening pressure difference of the second valve 46 is exceeded, so this opens, which is represented by a bar 80 in Figure 2. Now passes fresh air through the feed chamber 42 and the
  • the mouth of the fluid channel 38 is directed to the electrodes 58 of the ignition device 56. Due to the flushing of the prechamber 34 with fresh air which already starts immediately at the beginning of the intake stroke 66 and the direct blowing of the electrodes 58 through the corresponding position of the fluid channel 38, the electrodes 58 and 60 of the ignition device 56 heated in operation are cooled. Also, the pre-chamber 34 receiving housing 32 is cooled in this way, whereby the structure of the ignition device 56 is cooled accordingly.
  • actuated third valve 52 which is represented by a bar 82. Since the pressure in the supply chamber 42 now rises slightly, the opening pressure difference of the second valve 46 is dropped below so that it closes (end of the bar 80). The fresh air supply to the prechamber 34 is now interrupted. Instead, from the fuel gas source 54 via the fuel gas channel 50, the feed chamber 42 and the fluid channel 38, fuel gas is passed into the prechamber 34, in such an amount that the prechamber 34 is almost completely filled with fuel gas.
  • This opening period 84 of the second valve 46 ends with the end of the intake stroke 66, the closing of the intake valve 20 and the subsequent increase in pressure in the Combustion chamber 16 and in the pre-chamber 34.
  • the duration of the opening period 84 is so dimensioned that fuel gas still present in the feed chamber 22 is forced out of it into the pre-chamber 34, ie the feed space 42 is at least substantially filled only with fresh air.
  • the first valve 40 also closes at the end of the intake stroke 66.
  • the prechamber 34 is either flushed or flooded with cold fresh air or cold fuel gas, whereby the
  • Prechamber wall 34 and the ignition device 56 are cooled.
  • Pre-chamber 34 and the combustion chamber 16 enters the exhaust pipe 24 and leads here to deteriorated emission levels.
  • the third valve 52 By the defined control of the third valve 52, a defined filling of the prechamber 34 with fuel gas is possible, so that the lambda value prevailing in the prechamber 34 can be influenced in a targeted manner. By the method described also the blow-out of soot can be drastically reduced. By lowering the temperature of the electrodes 58 and 60, the gas engine 10 can be operated with a higher medium pressure, which allows a better efficiency.
  • Pre-chamber 34 existing highly concentrated fuel gas
  • the ignition device 56 is ignited (symbol 86 in FIG. 2), whereby the fuel gas present in the pre-chamber 34 is ignited. Due to the increase in temperature of the fuel gas in the pre-chamber 34, the gas expands, causing the flames propagate through the channels 36 in the combustion chamber 16 and there lead to a reliable ignition of relatively low concentration air / fuel gas mixture.

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Abstract

Ein Gasmotor (10) umfasst einen Brennraum (16), eine mit dem Brennraum (16) wenigstens zeitweise verbundene Vorkammer (34), eine Gasversorgung (54) zum Zuführen von Brenngas in die Vorkammer (34), und eine Zündeinrichtung (56) zum Zünden des in der Vorkammer (34) vorhandenen Brenngases. Es wird vorgeschlagen, dass der Gasmotor (10) eine Luftversorgung (38, 42 bis 48) umfasst, mit der der Vorkammer (34) Luft zugeführt werden kann.

Description

Titel : Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors , sowie Gasmotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors sowie einen Gasmotor nach dem Oberbegriff des jeweiligen nebengeordneten Patentanspruchs.
Verbrennungsmotoren, die einen gasformigen Brennstoff
verwenden, sind vom Markt her bekannt. Auch bei diesen
"Gasmotoren" sollen die Emissionen möglichst niedrig gehalten werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im eigentlichen Brennraum die Menge an Brenngas relativ niedrig gehalten wird. Em Problem hierbei ist jedoch die relativ schlechte Zundfahigkeit dieses "Schwachgases".
Zur Losung dieses Problems werden sogenannte
"Vorkammermotoren" verwendet. Bei diesen ist der Brennraum mit einer Vorkammer verbunden, deren Volumen deutlich kleiner ist als der eigentliche Brennraum. Der Vorkammer wird
Brenngas so zugeführt, dass es in der Vorkammer in
vergleichsweise hoher Konzentration vorliegt und von einer Zündeinrichtung beispielsweise in Form einer Zündkerze leicht entflammt werden kann. Sobald das Brenngas in der Vorkammer entflammt ist, bereitet sich die Flammenwand aufgrund der Expansion m der Vorkammer m den Brennraum aus und entflammt das dort vorhandene relativ niedrig konzentrierte
Brenngas/Luftgemiseh.
Dabei sind im Wesentlichen zwei Kategorien von Vorkammern bekannt, nämlich gespulte Vorkammern und ungespulte
Vorkammern. Einer ungespulten Vorkammer wird die gleiche Gas- /Luftmischung zugeführt wie der Hauptkammer. Einer gespulten Vorkammer wird üblicherweise Brenngas aus einer Zufuhr zugeführt, die von jener separat ist, mit der der eigentliche Brennraum verbunden ist. Die DE 20 2007 012 423 Ul
beschäftigt sich mit einem solchen Gasmotor mit gespülter Vorkammer .
Bei derartigen Vorkammermotoren mit gespülter Vorkammer hat sich als problematisch herausgestellt, dass die Lebensdauer der Zündkerzen, die in der Vorkammer zur Entflammung des dort vorhandenen Brenngases eingesetzt werden, vergleichsweise kurz ist. Dies ist besonders signifikant bei Gasmotoren, die mit einem vergleichsweise hohen Mitteldruck betrieben werden, was aus Energieeffizienzgründen wünschenswert ist. Darüber hinaus erfüllen die Emissionen bei solchen Vorkammermotoren nicht immer die an sie gestellten Anforderungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors anzugeben, welches einen längeren Betrieb ohne notwendige Wartung des Gasmotors ermöglicht, bei gleichzeitig verbessertem Emissionsverhalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie einen Gasmotor mit den Merkmalen der beiden nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige
Merkmale finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Sie können für die
Erfindung sowohl in Alleinstellung als auch in
unterschiedlichen Kombinationen wichtig sein, ohne das hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
Erfindungsgemäß wird die Vorkammer unmittelbar vor dem
Befüllen mit Brenngas mit Luft, im allgemeinen Frischluft, gespült. Hierdurch wird eine Kühlung der in die Vorkammer hineinragenden Zündeinrichtung bewirkt. Auf diese Weise kann die Temperatur beispielsweise an Elektroden einer Zündkerze um 100 bis 150 Grad Celsius abgesenkt werden. Eine geringere Temperatur der Zündeinrichtung führt jedoch zu einer
Vervielfachung von deren Lebensdauer. Damit kann der Gasmotor deutlich länger betrieben werden, bevor die Zündeinrichtungen ausgetauscht werden müssen, was die Wirtschaftlichkeit des Gasmotors deutlich verbessert. Die Kühlwirkung der
zugeführten Luft ("Spülluft") kann auch dazu verwendet werden, den Mitteldruck, mit dem der Gasmotor betrieben wird, anzuheben und hierdurch seinen Wirkungsgrad zu verbessern. Trotz höheren Mitteldrucks kann nämlich aufgrund der
Luftkühlung der Zündeinrichtung deren Temperatur
vergleichsweise niedrig und damit deren Lebensdauer
("Standzeit") vergleichsweise lang gehalten werden.
Dadurch, dass zum Spülen der Vorkammer und zum Kühlen der Zündeinrichtung Luft und nicht Brenngas verwendet wird, wird eine Verschlechterung des Emissionsverhaltens des Gasmotors verhindert. Typischerweise wird die Spülung der Vorkammer nämlich während eines Ansaugtaktes, und zwar insbesondere zu Beginn eines Ansaugtaktes des entsprechenden Zylinders des Gasmotors durchgeführt. Gerade zu Beginn des Ansaugtaktes ist ein Auslassventil, welches den Brennraum des Zylinders mit dem Abgasrohr verbindet, bisweilen noch geöffnet,
beispielsweise, um durch eine interne Abgasrückführung die Konzentration des Brenngases im Zylinder zu reduzieren. Würde die Vorkammer mit Brenngas gespült werden, könnte dieses Brenngas in den Brennraum und weiter über das offene
Auslassventil in das Abgasrohr gelangen und dort zu einem Anstieg unverbrannter Brenngasanteile führen. Auch dies wird durch die vorliegende Erfindung verhindert.
Grundlage der Spülung der Vorkammer mit Luft ist ein
Druckgefälle bzw. eine Druckdifferenz zwischen dem Druck der Luftquelle bzw. der Luftversorgung, mittels welcher die
Vorkammer gespült wird, und dem Druck im Saugrohr des
Gasmotors, welches bei geöffnetem Einlassventil während des Saugtaktes einen stromabwärtigen Bereich der "Spülstrecke" bildet. Dabei kann der Spülvorgang sehr früh im Ansaugtakt beginnen, auch wenn das Auslassventil noch geöffnet ist, ohne das dies zu einer Verschlechterung der Emissionen führt. Ein früher Beginn des Spülvorgangs gestattet jedoch eine längere Spülphase und damit eine noch bessere Kühlung der
Zündeinrichtung .
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn einem der Vorkammer vorgelagerten Zuführraum unmittelbar nach dem Zuführen des Brenngases Luft zugeführt wird. Hierdurch wird in dem
Zuführraum noch vorhandenes Gas zur Vorkammer hin ausgespült, so dass beim nächsten Einblasen von Luft zunächst in den Zuführraum und dann in die Vorkammer beim nachfolgenden
Arbeitstakt kein Brenngas über Zuführraum, Vorkammer und Brennraum in das Abgasrohr gelangt und dort die
Emissionswerte ungünstig beeinflusst.
Durch die Menge der zugeführten Luft kann ein Lambda des in der Vorkammer vorhandenen Gases aktiv beeinflusst werden.
Beispielsweise kann das Ausschieben des noch in der Vorkammer vorhandenen Brenngases durch eine vorgegebene Menge an
Spülluft erfolgen und dann ab einem bestimmten Zeitpunkt während des Saugtaktes eine exakte Dosierung des Brenngases für die Vorkammer erfolgen. Auch hierdurch können die
Emissionen und das Zündverhalten günstig beeinflusst werden.
Ebenfalls zur Verbesserung der Emissionseigenschaften trägt bei, wenn eine Zuführung von Brenngas nur zugelassen wird, wenn ein Auslassventil, mit dem Verbrennungsabgase aus dem Brennraum herausgeführt werden, geschlossen ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Gasmotors, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass der Gasmotor einen Zuführraum umfasst, welcher über vorzugsweise ein erstes Ventil mit der Vorkammer, über ein zweites Ventil mit einer Luftquelle und über ein drittes Ventil mit einer
Brenngasquelle verbindbar ist. Dieser auch als "Mischkammer" bezeichnete Zuführraum bildet quasi ein "Y-Stück", welches die Vorkammer wahlweise mit einer Luftquelle und/oder einer Brenngasquelle verbindet. Durch das erste Ventil kann während des Entflammens des Brenngases in der Vorkammer und während des Arbeitstaktes des entsprechenden Zylinders eine
Rückwirkung auf den Zuführraum und die Ventile zur Luftquelle und zur Brenngasquelle hin verhindert oder zumindest
vermindert werden. Außerdem wird eine unerwünschte
Volumenvergrößerung der Vorkammer während des Zündens
verhindert. Das erste Ventil ist jedoch für die Erzielung zumindest einiger Vorteile der Erfindung nicht unbedingt erforderlich.
Besonders einfach baut der erfindungsgemäße Gasmotor, wenn einerseits das erste Ventil und andererseits das zweite
Ventil oder das dritte Ventil federbelastete
Rückschlagventile sind, welche zur Vorkammer hin öffnen, und wenn jenes der zweiten und dritten Ventile, welches kein Rückschlagventil ist, ein beispielsweise elektrisch,
mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch angesteuertes Ventil ist. Sind beispielsweise erstes und zweites Ventil
federbelastete Rückschlagventile, werden bei einem Saughub zunächst das erste Rückschlagventil und dann das zweite
Rückschlagventil aufgezogen, so dass Luft über den Zuführraum in die Vorkammer einströmen kann. Wird dann das dritte
Ventil, welches in diesem Falle ein angesteuertes Ventil sein muss, geöffnet, steigt der Druck im Zuführraum, wodurch das zweite Ventil schließt. Nun wird Brenngas über den Zuführraum der Vorkammer zugeführt. Wird das dritte Ventil kurz vor Ende des Saugtaktes so angesteuert, dass es schließt, sinkt der Druck im Zuführraum wieder, so dass das zweite Ventil öffnet und nochmals etwas Luft in den Zuführraum angesaugt wird. Mit nur einem einzigen angesteuerten Ventil kann also die erfindungsgemäße Funktion realisiert werden. Diese Variante ist daher kostengünstig und betriebssicher.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das erste Ventil einen niedrigeren Öffnungsdifferenzdruck aufweist als das zweite bzw. dritte als Rückschlagventil ausgebildete Ventil. Damit wird sichergestellt, dass während eines Saughubs der Zuführraum immer mit der Vorkammer verbunden ist, und es werden instabile Betriebszustände und unerwünschte
Wechselwirkungen der Rückschlagventile vermieden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders eines
Gasmotors; und
Figur 2 ein Diagramm, in dem Betriebszustände verschiedener
Komponenten des in Figur 1 dargestellten Zylinders während eines Arbeitstaktes über einem Kurbelwinkel KW aufgetragen sind.
Ein Gasmotor trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Der Gasmotor 10 arbeitet nach dem 4-Takt-Prinzip unter
Verwendung von Brenngas als Kraftstoff. Der Gasmotor 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeichnet ist.
Der Zylinder 12 umfasst einen Kolben 14, der über ein
nichtgezeichnetes Pleuel mit einer ebenfalls nicht
gezeichneten Kurbelwelle verbunden ist. Der Kolben 14
begrenzt einen Brennraum 16. Frischluft gelangt in den
Brennraum 16 vorwiegend über ein Ansaugrohr 18 und ein
Einlassventil 20. Heiße Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 16 durch ein Auslassventil 22 in ein Abgasrohr 24 geleitet. Das Einlassventil 20 und das Auslassventil 22 werden über eine nicht gezeichnete Nockenwelle betätigt.
Stromaufwärts vom Einlassventil 20 kann in das Ansaugrohr 28 Brenngas eingeführt werden, wobei das Brenngas über ein elektromagnetisches Dosierventil 26 dosiert wird. Das
Brenngas wird von einer Brenngasquelle 28 bereitgestellt.
Dabei versteht sich, dass an Stelle des elektromagnetisch betätigten Dosierventils 26 auch ein mechanisch betätigtes Dosierventil eingesetzt werden könnte, welches beispielsweise ebenfalls von einer Nockenwelle betätigt wird. Als
Brenngasquelle 28 kommt beispielsweise ein Druckgastank in Frage .
Bei dem in Figur 1 gezeigten Gasmotor handelt es sich um einen solchen mit sehr großem Hubraum, der beispielsweise stationär zum Antrieb einer Wasserpumpe oder eines
elektrischen Generators eingesetzt wird. Außerdem wird der Gasmotor 10 mit einer relativ niedrigen Konzentration von Brenngas im Brennraum 16 betrieben. Um dieses dennoch sicher entflammen zu können, weist der Gasmotor 10 eine
Vorkammereinrichtung 30 auf. Diese umfasst ein Gehäuse 32, in dem eine längliche Vorkammer 34 ausgebildet ist. Das Gehäuse 32 ragt etwas in den Brennraum 16 hinein. In dem in den
Brennraum 16 hineinragenden Abschnitt des Gehäuses 32 sind Kanäle 36 vorhanden, welche die Vorkammer 34 mit dem
Brennraum 16 verbinden.
In den vom Brennraum 16 abgewandten Bereich der Vorkammer 34 mündet ein Fluidkanal 38, der die Vorkammer 34 über ein erstes Ventil 40 mit einem Zuführraum 42 verbinden kann. Das erste Ventil 40 ist als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet, welches zur Vorkammer 34 hin öffnet und zum Zuführraum 42 hin sperrt. Es kann sowohl als Kugelventil, als Kegelventil, als Sitzventil oder als Plattenventil
ausgebildet sein. Weitere Ventilarten sind ebenfalls denkbar. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das erste Ventil 40 als ein gesteuertes Ventil ausgebildet, also mit einer elektrischen, mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Betätigung ausgestattet ist.
In den Zuführraum mündet ein Luftkanal 44, der den Zuführraum 42 über ein zweites Ventil 46 mit einer Frischluftquelle 48 verbinden kann. Das zweite Ventil 46 ist wiederum als
federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet, welches zum Zuführraum 42 hin öffnet und zur Frischluftquelle 48 hin sperrt. Die Öffnungsdruckdifferenz des ersten Ventils 40 ist kleiner als die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Ventils 46. Auch das zweite Ventil 46 kann als Kugelventil,
Kegelventil, Plattenventil, Sitzventil oder ein anderes
Ventil ausgebildet sein. Auch kann es ein gesteuertes Ventil sein, beispielsweise mit einer mechanischen, elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Ansteuerung. Als
Frischluftquelle 48 kann die freie Atmosphäre dienen, möglich ist aber auch eine Druckluftversorgung, beispielsweise mittels eines Drucklufttanks, der über einen Kompressor gespeist wird. Luftkanal 44, zweites Ventil 46 und
Frischluftquelle 48 bilden eine Luftversorgung 49 für die Vorkammer 34 in noch darzustellender Art und Weise.
In den Zuführraum 42 mündet ferner ein Brenngaskanal 50, der die Vorkammer 34 über ein elektromagnetisch betätigtes drittes Ventil 52 mit einer Brenngasquelle 54 verbinden kann. Das dritte Ventil 52 kann auch ein piezogesteuertes Ventil sein, ein mechanisch betätigtes Ventil, oder eines mit hydraulischer oder pneumatisches Betätigung. Brenngaskanal 50, drittes Ventil 52 und Brenngasquelle 54 bilden eine
Brenngasversorgung 55 für die Vorkammer 34 in noch
darzustellender Art und Weise.
In die Vorkammer 34 ragt eine Zündeinrichtung in Form einer Zündkerze 56 mit ihren beiden Elektroden 58 und 60. Die Zündeinrichtung 56 wird von einer Zündanlage 62 angesteuert. Diese wird ebenso wie das dritte Ventil 52 sowie das
elektromagnetische Dosierventil 26 von einer Steuer- und Regeleinrichtung 64 angesteuert, entsprechend vorgegebenen Betriebsparametern. Hierzu erhält die Steuer- und
Regeleinrichtung 64 Signale von verschiedenen nicht
dargestellten Sensoren, beispielsweise von einem
Drehzahlsensor, Temperatursensoren, etc..
Der Gasmotor 10 arbeitet in einer bevorzugten Betriebsart folgendermaßen (vgl. Figur 2): Ein Arbeitsspiel des Zylinders 12 besteht aus 4 Takten, nämlich einem Ansaugtakt 66, einem Kompressionstakt, einem Arbeitstakt 70 und einem Ausstoßtakt 72. Die Betriebszustände verschiedener Komponenten des
Zylinders 12 sind in Figur 2 durch Balken dargestellt. Ein Balken 74 kennzeichnet einen Öffnungszeitraum des
Einlassventils 20, ein Balken 76 steht für einen
Öffnungszeitraum des Auslassventils 22. Man erkennt, dass es am Ende des Austoßtaktes 72 und zu Beginn des Ansaugtaktes 66 eine Phase gibt, während der sowohl das Einlassventil 20 (Balken 74) als auch das Auslassventil 22 (Balken 76)
geöffnet sind. Hierdurch gelangt am Ende des Ausstoßtaktes 72 Abgas in das Ansaugrohr 18, welches zu Beginn des
Ansaugtaktes 66 ebenso wie Abgas aus dem Ansaugrohr 18 durch das geöffnete Auslassventil 22 in den Brennraum 16 angesaugt wird. Hierdurch wird die Ladung des Brennraums 16 reduziert.
Bereits zu Beginn eines Saughubs, also zu Beginn des
Ansaugtakts 66, sinkt der Druck im Brennraum 16 und über die Kanäle 36 auch in der Vorkammer 34. Aufgrund der niedrigen Öffnungsdruckdifferenz des ersten Ventils 40 öffnet auch dieses, was durch einen Balken 78 in Figur 2 dargestellt ist. Das dritte Ventil 52 befindet sich noch in der
Geschlossenstellung. Sofort sinkt auch der Druck im
Zuführraum 42, wodurch nun auch die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Ventils 46 überschritten wird, dieses also öffnet, was durch einen Balken 80 in Figur 2 dargestellt ist. Nun gelangt Frischluft über den Zuführraum 42 und den
Fluidkanal 38 in die Vorkammer 34.
Die Mündung des Fluidkanals 38 ist dabei auf die Elektroden 58 der Zündeinrichtung 56 gerichtet. Durch die bereits unmittelbar zu Beginn des Ansaugtaktes 66 einsetzende Spülung der Vorkammer 34 mit Frischluft und das direkte Anblasen der Elektroden 58 durch die entsprechende Lage des Fluidkanal 38 werden die sich im Betrieb erhitzenden Elektroden 58 und 60 der Zündeinrichtung 56 gekühlt. Auch das die Vorkammer 34 aufnehmende Gehäuse 32 wird auf diese Weise gekühlt, wodurch auch die Struktur der Zündeinrichtung 56 entsprechend gekühlt wird.
Bei einem Kurbelwinkel KWi wird das elektromagnetisch
betätigte dritte Ventil 52 geöffnet, was durch einen Balken 82 dargestellt ist. Da der Druck im Zuführraum 42 nun etwas ansteigt, wird die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Ventils 46 unterschritten, so dass dieses schließt (Ende des Balkens 80) . Die Frischluftzufuhr zur Vorkammer 34 hin ist nun unterbrochen. Stattdessen wird aus der Brenngasquelle 54 über den Brenngaskanal 50, den Zuführraum 42 und den Fluidkanal 38 Brenngas in die Vorkammer 34 geleitet, und zwar in einer solchen Menge, dass die Vorkammer 34 praktisch vollständig mit Brenngas gefüllt ist.
Kurz vor dem Ende des Ansaugtaktes 66 bei einem Kurbelwinkel KW2 wird das dritte Ventil 52 so angesteuert, dass es wieder schließt (Ende des Balkens 82) . Nun sinkt der Druck im
Zuführraum 42 wieder, bis die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Ventils 46 unterschritten wird, dieses also wieder öffnet. Dies ist durch einen Balken 84 in Figur 2
dargestellt. Dieser Öffnungszeitraum 84 des zweiten Ventils 46 endet mit dem Ende des Ansaugtaktes 66, dem Schließen des Einlassventils 20 und dem hierauf folgenden Druckanstieg im Brennraum 16 und in der Vorkammer 34. Die Dauer des Öffnungszeitraums 84 ist so bemessen, dass noch im Zuführraum 22 vorhandenes Brenngas aus diesem in die Vorkammer 34 hineinverdrängt wird, der Zuführraum 42 sich also wenigstens im Wesentlichen nur noch mit Frischluft gefüllt ist,
gleichzeitig aber keine Frischluft mehr bis in die Vorkammer 34 gelangt. Aufgrund des ansteigenden Drucks in der Vorkammer 34 schließt am Ende des Ansaugtaktes 66 auch das erste Ventil 40.
Man erkennt, das praktisch während des gesamten Ansaugtaktes 66 die Vorkammer 34 entweder mit kalter Frischluft oder kaltem Brenngas gespült bzw. geflutet wird, wodurch die
Vorkammerwand 34 und die Zündeinrichtung 56 gekühlt werden. Durch das Spülen des Zuführraums 42 am Ende des Ansaugtaktes 66 (Öffnungszeitraum 84 des zweiten Ventils 46) wird
verhindert, das zu Beginn des nachfolgenden Ansaugtaktes 66 unverbranntes Brenngas aus dem Zuführraum 42 über die
Vorkammer 34 und den Brennraum 16 in das Abgasrohr 24 gelangt und hier zu verschlechterten Emissionswerten führt.
Durch die definierte Ansteuerung des dritten Ventils 52 wird eine definierte Befüllung der Vorkammer 34 mit Brenngas möglich, so dass der in der Vorkammer 34 herrschende Lambda- Wert gezielt beeinflusst werden kann. Durch das beschriebene Verfahren kann auch das Ausblasen von Ruß drastisch reduziert werden. Durch die Absenkung der Temperatur der Elektroden 58 und 60 kann der Gasmotor 10 mit einem höheren Mitteldruck betrieben werden, was einen besseren Wirkungsgrad gestattet.
Nach dem Ansaugtakt 66 wird während des Kompressionstaktes 68 das im Brennraum 16 vorhandene schwachkonzentrierte Luft- /Brenngasgemisch und über die Kanäle 36 auch das in der
Vorkammer 34 vorhandene hochkonzentrierte Brenngas
komprimiert. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird die Zündeinrichtung 56 gezündet (Symbol 86 in Figur 2), wodurch das in der Vorkammer 34 vorhandene Brenngas entflammt wird. Durch die Temperaturerhöhung des Brenngases in der Vorkammer 34 dehnt sich das Gas aus, wodurch sich die Flammen über die Kanäle 36 in den Brennraum 16 ausbreiten und dort zu einer zuverlässigen Entflammung des vergleichsweise gering konzentrierten Luft/Brenngasgemisches führen.
Es versteht sich, das die genannten Vorteile auch bei einer anderen Ausführungsform eines Gasmotors 10 erzielt werden können, der nicht über einen Zuführraum 42 verfügt, sondern bei dem Brenngas bzw. Frischluft direkt in die Vorkammer eingeleitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors (10), bei dem einer Vorkammer (34) Brenngas zugeführt und in dieser mittels einer Zündeinrichtung (56) entflammt wird, und bei dem durch das entflammte Brenngas ein in einem
Brennraum (16), der mit der Vorkammer (34) wenigstens zeitweise in Verbindung steht, vorhandenes Brenngas entflammt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der
Vorkammer (34) vor dem Zuführen des Brenngases Luft zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem der Vorkammer (34) vorgelagerten Zuführraum (42) unmittelbar nach dem Zuführen des Brenngases Luft zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die die Menge der zugeführten Luft ein Lambda des in der Vorkammer (34) vorhandenen Gases aktiv beeinflusst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung von Brenngas nur zugelassen wird, wenn ein Auslassventil (22), mit dem Verbrennungsabgase aus dem Brennraum (16)
herausgeführt werden, geschlossen ist.
5. Gasmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (16), einer mit dem Brennraum (16) wenigstens zeitweise verbundenen Vorkammer (34), einer Brenngasversorgung (55) zum
Zuführen von Brenngas in die Vorkammer (34), und einer Zündeinrichtung (56) zum Zünden des in der Vorkammer (34) vorhandenen Brenngases, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Luftversorgung (49) umfasst, mit der der Vorkammer (34) Luft zugeführt werden kann.
6. Gasmotor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zuführraum (42) umfasst, welcher über vorzugsweise ein erstes Ventil (40) mit der Vorkammer
(34), über ein zweites Ventil (46) mit einer Luftquelle (48) und über ein drittes Ventil (52) mit einer
Brenngasquelle (54) verbindbar ist.
7. Gasmotor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das erste Ventil (40) und andererseits entweder das zweite Ventil (46) oder dritte Ventil federbelastete Rückschlagventile sind, welche zur
Vorkammer (34) hin öffnen, und dass jenes der zweiten und dritten Ventile (52), welches kein Rückschlagventil ist, ein angesteuertes Ventil ist.
8. Gasmotor (10) nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (40) einen niedrigeren
Öffnungsdifferenzdruck aufweist als das zweite Ventil
(46) bzw. das dritte als Rückschlagventil ausgebildete Ventil.
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