WO2017121731A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer solchen brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2017121731A1
WO2017121731A1 PCT/EP2017/050424 EP2017050424W WO2017121731A1 WO 2017121731 A1 WO2017121731 A1 WO 2017121731A1 EP 2017050424 W EP2017050424 W EP 2017050424W WO 2017121731 A1 WO2017121731 A1 WO 2017121731A1
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internal combustion
combustion engine
combustion air
mixture
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Fabian EICHNER
Matthias Klaus
Hans-Peter Kraemer
Markus Zankl
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Mtu Onsite Energy Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and a method for operating such an internal combustion engine. Due to high - and tends to continue - costs of diesel compared to fuel gas, especially natural gas, there is a cost reduction potential in internal combustion engines in the substitution of diesel by fuel gas as fuel. In diesel-powered
  • a mixing ratio of fuel gas and combustion air is determined based on several indirect measured variables and maps.
  • the large number of measured variables which may each have measurement errors, can result in a high theoretical total measurement error. This is then reflected in a correspondingly high
  • the object is achieved in particular by an internal combustion engine with a
  • Mixture sensor device is set up to determine an actual mixing ratio of the fuel gas combustion air mixture.
  • the control device is set up by
  • the internal combustion engine has advantages over the prior art. Because the gas-fuel mixture ratio is monitored by means of the fuel gas supply device, the mixture sensor device and the control device, the internal combustion engine can be in particular in transient operation, for example in the case of strong
  • Load changes be operated safely near the first predetermined mixing limit. It is particularly ensured that no explosive atmosphere of the fuel gas combustion air mixture, especially in the intake and / or exhaust gas of the
  • Ignition or explosion of an ignitable fuel gas combustion air mixture can cause.
  • the fuel gas combustion air mixture which is supplied to the combustion chamber, is kept below or near the first predetermined mixture limit and thus is not flammable, can be a flare or explosion of the
  • the internal combustion engine is preferably configured to drive a generator, wherein the internal combustion engine can preferably provide a power of up to 2.5 MW.
  • the generator preferably provides electrical power with a mains frequency of, in particular, 60 Hz or 50 Hz, the speed of the internal combustion engine being in particular 1800 rpm or 1500 rpm.
  • a mains frequency of, in particular, 60 Hz or 50 Hz
  • the speed of the internal combustion engine being in particular 1800 rpm or 1500 rpm.
  • an application in island operation for example, to supply a hospital or a data center with electrical power, but also a network operation, for example in a power plant in question.
  • the fuel gas supply device has a venturi nozzle, a zero-pressure regulator, and a lambda valve device.
  • the lambda valve device is in particular configured to set a quantity at one
  • a combustion air line is preferably fluid-connected to the Venturi nozzle.
  • Combustion air line is a combustion air flow in the Venturi nozzle - in particular in the direction of a fürfiusspfads with narrowing cross-section, in which preferably the discharge pipe opens - out.
  • the withdrawal tube of the Venturi nozzle is arranged in particular at the point of greatest narrowing in the Venturi nozzle.
  • the zero pressure regulator is disposed upstream of the take-off tube in the fuel gas passage. It is preferably arranged to detect the static pressure in the combustion air duct upstream of the venturi and to set an equal pressure for the fuel gas in the fuel gas duct.
  • the fuel gas when entering the Venturi nozzle, has substantially the same static pressure as the combustion air in the combustion air conduit upstream of the Venturi nozzle via the take-off tube.
  • the lambda valve device is in the
  • the lambda Valve device is particularly adapted to adjust the gas-air mixture ratio to a certain value.
  • the mixture sensor device preferably has a so-called UEG sensor for
  • Explosimeter on It is preferably arranged in an intake tract of the internal combustion engine downstream of the venturi nozzle and upstream of at least one combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the mixture sensor device it is in particular possible to determine an actual reactivity and / or ignitability of the fuel gas combustion air mixture.
  • the mixture sensor device is set up to determine a fuel gas quantity or a ratio of fuel gas and combustion air in the fuel gas combustion air mixture. The fuel gas quantity or the ratio of
  • Combustion air and fuel gas is preferably measured in an area downstream of the Venturi nozzle and upstream of at least one combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the mixture sensor device is in particular upstream of any existing
  • the control device is preferably set up, a fuel supply of the
  • control device is set up only to control the fuel gas supply device. In this case, the
  • Control device preferably, for example by means of a CAN bus, with more
  • Actuators operatively connected which are adapted to control further, in particular for the operation of the internal combustion engine required facilities.
  • the control device is preferably a bi-fuel controller which has a CAN bus with a
  • Diesel controller is operatively connected.
  • the internal combustion engine has a, in particular integrated, control device, which in particular for
  • Control of the supply of all fuels for the operation of the internal combustion engine is set up.
  • the control device preferably controls the fuel gas supply device by actuating the lambda valve device.
  • the first predetermined mixture limit value represents a mass ratio of fuel gas and combustion air which does not form an explosive atmosphere in an intake region and / or exhaust gas tract of the internal combustion engine.
  • the first predetermined mixture limit is preferably less than 100% of the lower explosion limit.
  • 100% of the lower explosion limit is in particular a concentration of fuel gas in the fuel gas combustion air mixture, from which ignition of the fuel gas combustion air mixture is possible. More preferably, the first predetermined mixture limit is 85% of the lower explosion limit. The proportion of fuel gas in the fuel gas combustion air mixture is thus less than the proportion of fuel gas in a fuel gas combustion air mixture at 100% of the lower explosion limit.
  • the first predetermined mixture limit value is preferably parameterizable. But it is also possible that it is fixed at the factory, in particular not changeable, is set. In a preferred embodiment, the lower explosion limit is one
  • Lambda value thus a ratio of the masses of combustion air to fuel gas, of 2.25.
  • An exemplary embodiment of an internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the control device is set up by activating the
  • Fuel gas supply means to terminate the supply of the fuel gas when the actual mixing ratio reaches or exceeds a second predetermined mixing limit.
  • the second predetermined mixture limit value preferably corresponds to a fuel gas concentration in the fuel gas combustion air mixture which is smaller than a fuel gas concentration at 100% of the lower explosion limit. More preferably, the second predetermined mixture limit in percent of the lower explosion limit is greater than the first predetermined mixture limit in percent of the lower explosion limit, but preferably less than 100% of the lower explosion limit. In a preferred embodiment, the second predetermined mixture limit is 88% of the lower explosion limit.
  • the completion of the supply of the fuel gas is realized in that a preferably encompassed by the fuel gas supply safety valve device is controlled by the control device such that the safety valve device is closed. It is additionally or alternatively possible that the lambda valve device is closed.
  • the safety valve device is a
  • the safety valve device is preferably designed for
  • Safety valve device arranged in a Brenngastrasse the internal combustion engine.
  • the second predetermined mixing limit value is preferably parameterizable. But it is also possible that he is fixed factory, especially invariable set. It is also possible to reduce or stop the supply of fuel gas to the combustion air when other, in particular predetermined, operating states of the internal combustion engine set. It is preferably possible to influence the fuel gas supply in the direction of a lower fuel gas quantity, in particular to terminate when an exhaust gas temperature, in particular of exhaust gas from a certain combustion chamber, below a predetermined
  • Limit value is. For example, this may indicate a defective liquid fuel injector.
  • Other input variables which a reduction and / or termination of
  • Fuel gas supply cause are possible.
  • control means is arranged to take into account a requested power of the internal combustion engine, a momentary combustion air flow in the combustion air duct to which the fuel gas supply means is fluidly connected, and the first predetermined mixture limit value for the fuel gas combustion air Mixture to control the fuel gas supply.
  • the fuel gas supply device is activated in order to set a predetermined gas-air mixture ratio. The activation of the fuel gas supply device is preferably carried out by controlling the lambda valve device.
  • the instantaneous combustion air flow is provided by a compressor, in particular a compressor or a compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • a compressor in particular a compressor or a compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • Combustion air flow an air filter device before it is mixed with fuel gas in the fuel gas supply.
  • the predetermined gas-air mixture ratio is in a preferred
  • Embodiment as close as possible to the first predetermined mixing limit. It is thus possible by means of existing maps, in particular a map, which is spanned by the currently requested performance of the internal combustion engine, the current combustion air flow and a current fuel consumption
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the fuel gas supply device is set up to keep the gas / air mixing ratio constant, in particular if the combustion air flow is greater than a combustion air flow limit value.
  • the gas-air mixture ratio can be kept constant even in the case of heavy load changes, and thus in a transient operation of the internal combustion engine.
  • Atmosphere in the internal combustion engine is avoided.
  • a constancy of the gas-air mixture ratio is realized in particular by the previously described embodiment of the fuel gas supply device, in particular with the Venturi nozzle in conjunction with the zero pressure regulator. Due to the realized with this structure physical effect principle is, at least in a particular, in particular
  • contiguous size range of the combustion air flow realized a constant, in particular determined by the lambda valve device, gas-air mixing ratio downstream of the venturi nozzle. It is thus possible in particular, regardless of the required power of the internal combustion engine - at least in the specific size range of
  • Mixture sensor device has a dead time.
  • the combustion air flow limit value is in particular a value of the combustion air flow, which in the Venturi nozzle at the level of the take-off tube to a pressure, in particular a
  • Negative pressure sufficient to draw in a required amount of fuel gas, so that the gas-air mixture ratio downstream of the Venturi nozzle remains constant.
  • a combustion air flow which is equal to the combustion air flow limit value or below the combustion air flow limit value, it is possibly no longer possible to realize a constant gas / air mixing ratio by means of the fuel gas supply device.
  • a combustion air flow which in particular above the
  • Combustion air flow limit is, it is preferably possible without adjustment of the lambda valve means to keep the gas-air mixture ratio - especially in a transient combustion air flow - constant. However, it is not excluded that the gas-air mixture ratio
  • Fuel gas content is affected when certain operating conditions of the internal combustion engine occur. For example, it is possible when reaching a knock limit of Internal combustion engine, the gas-air mixture ratio in the direction of a reduced
  • the internal combustion engine is designed as a dual-fuel internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is set up for operation with liquid fuel and with fuel gas.
  • the liquid fuel is preferably an ignition oil, in particular diesel or dimethyl ether.
  • the fuel gas is preferably a methane-containing gas, in particular natural gas. It is possible that the internal combustion engine is operated in at least one operating state exclusively with liquid fuel, in particular diesel.
  • the internal combustion engine is exclusively in a low power range below a first power limit, for example in a power range which is from 0 MW to 1 MW power
  • the internal combustion engine is in a middle power range above the first power limit and below a second power
  • Power limit which is higher than the first power limit, for example in a range of 1 MW to 2 MW, with liquid fuel and with fuel gas, thus operated in a two-component operation.
  • the internal combustion engine is operated in a high power range above the second power limit, for example in a range of more than 2 MW, exclusively with liquid fuel.
  • Liquid fuel introduced amount of energy and a second, introduced by fuel gas amount of energy.
  • the plurality of operating points represents a contiguous map range of the internal combustion engine
  • the plurality of operating points corresponds to a power range of the internal combustion engine, which is from 1 MW to 2 MW of power. The majority of
  • Operating points of the internal combustion engine may preferably also include all operating points of the internal combustion engine.
  • the control device is preferably configured to derive a required amount of energy from the already mentioned characteristic map, based on the requested power of the internal combustion engine and the instantaneous, available combustion air flow.
  • a maximum permissible substitution rate for the substitution of liquid fuel by fuel gas which is derived in particular from the first predetermined mixture limit, a certain, to be supplied via the fuel gas supply amount of fuel gas is determined, which has a certain amount of energy.
  • the fuel gas supply device is preferably activated in order to supply this specific amount of fuel gas to the combustion air.
  • it is determined what amount of energy to achieve the required amount of energy is missing compared to the amount of energy provided by the fuel gas. In particular, this still missing amount of energy is introduced by liquid fuel. It is thus preferably possible by means of the control device, in particular as a function of the respective operating point of the internal combustion engine under safety aspects and
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the control device is set up to compensate for a lack of energy due to the reduction of the fuel gas content when reaching or exceeding the first predetermined mixture limit value for applying the requested power of the internal combustion engine.
  • the compensation of the lack of energy is preferably carried out by increasing the amount of energy introduced by liquid fuel.
  • Achieving or exceeding the first predetermined mixture limit value may result, for example, from the fact that the air filter device is contaminated, making it difficult to enter the combustion air into the combustion air line, and therefore the
  • Combustion air flow is in particular below the combustion air flow limit. Furthermore, it is possible that, in particular in the case of a qualitative mixture control of the internal combustion engine, a specific lambda value in a combustion chamber of the internal combustion engine requires a fuel component which is in particular equal to the first predetermined mixture limit value or above the first predetermined mixture limit value. In this case, it is possible to increase the proportion of liquid fuel, in particular diesel, wherein the proportion of fuel gas relative to the combustion air is preferably kept below the first predetermined mixture limit value. In a quantitative
  • Mixing regulation of the internal combustion engine remains at a constant gas-air mixture ratio behind the fuel gas preferably also the fuel combustion air mixture ratio in a combustion chamber of the internal combustion engine constant. It is thus possible in an advantageous manner to safely operate the internal combustion engine with both a qualitative and a quantitative mixture control.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the control device is set up by activating the
  • Fuel gas supply means to influence the gas-air mixture ratio in the direction of a reduced fuel gas content when a knock limit of the internal combustion engine is reached or exceeded.
  • this is the control device with a
  • Anti-knock control device of the internal combustion engine operatively connected. It is also possible that the lambda valve device and / or the safety valve device with the
  • Anti-knock control device is operatively connected / are.
  • the substitution rate at the substitution of liquid fuel by fuel gas is limited by the knock limit value particularly in an upper performance range of the internal combustion engine, whereas the substitution rate in a lower power range is limited by the lower limit value
  • Explosion limit is limited.
  • the upper power range includes a higher power of the internal combustion engine than the lower power range. It is therefore preferable
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. It is possible that the internal combustion engine is arranged to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is the drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine in a
  • Locomotive or a railcar is used, or by ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, for stationary power supply in emergency operation,
  • the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. Also a stationary application of
  • Internal combustion engine for driving auxiliary equipment such as fire pumps on oil rigs
  • auxiliary equipment such as fire pumps on oil rigs
  • an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas possible.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas.
  • the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
  • the object is in particular also solved by a method for operating a
  • Fuel gas supply means Combustion gas and combustion air are mixed to a fuel gas combustion air mixture. It is - preferably by means of a
  • Mixture sensor device - an actual mixing ratio of the fuel gas combustion air mixture determined.
  • a control device Preferably, by means of a control device
  • Fuel gas supply device controlled. It is - preferably by means of
  • Fuel gas supply means - influences a gas-air mixture ratio of the fuel gas combustion air mixture toward a reduced fuel gas content when the actual mixture ratio reaches or exceeds a first predetermined mixture limit value.
  • an internal combustion engine is particularly preferably operated according to one of the exemplary embodiments described above.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the supply of the fuel gas is terminated when the actual mixing ratio reaches or exceeds the second predetermined mixture limit value. It is thus certainly possible to operate the internal combustion engine with a fuel gas combustion air mixture which does not lead to an explosive atmosphere, in particular in the intake area and / or
  • the predetermined gas-air mixture ratio taking into account the requested power of the internal combustion engine, the current combustion air flow in the
  • Combustion air line with which the fuel gas supply device is fluid-connected, as well as the first predetermined mixture limit set.
  • the gas-air mixture ratio is kept constant when the combustion air flow is greater than the combustion air flow limit.
  • the internal combustion engine is preferably the internal combustion engine as
  • the internal combustion engine is preferably operated with liquid fuel, in particular an ignition oil such as diesel or dimethyl ether, and with fuel gas, in particular a methane-containing fuel gas such as natural gas.
  • liquid fuel in particular an ignition oil such as diesel or dimethyl ether
  • fuel gas in particular a methane-containing fuel gas such as natural gas.
  • the amount of energy required to apply a requested power of the internal combustion engine is divided into a first amount of energy introduced by liquid fuel and a second amount of energy introduced by fuel gas.
  • the gas-air mixture ratio is preferably influenced in the direction of a reduced fuel gas fraction when a knock limit value of the internal combustion engine is reached or exceeded.
  • the description of the internal combustion engine on the one hand and of the method on the other hand are to be understood as complementary to each other. Characteristics of the internal combustion engine, which have been explained explicitly or implicitly in connection with the method, are preferably individually or combined with one another
  • FIGURE shows an embodiment of an internal combustion engine with a fuel gas supply, a mixture sensor device and a control device.
  • the FIGURE shows an internal combustion engine 1 with a fuel gas supply device 3, a mixture sensor device 5 and a control device 6.
  • the fuel gas supply device 3 has a venturi nozzle 7 and a zero pressure regulator 9.
  • the Brenngaszutax learned 3 a lambda valve device 11 and a
  • Safety valve device 13 on.
  • the safety valve device 13 is here in one
  • a first measuring device 17 which is set up, a fuel gas volume flow, a fuel gas temperature and a
  • the mixture of fuel gas and combustion air to a fuel gas combustion air mixture is preferably carried out in the fuel gas supply 3, in particular in the venturi nozzle 7.
  • the internal combustion engine 1 has four exemplary combustion chambers 19, of which for clarity, only a combustion chamber 19 with a Reference number is provided.
  • Fuel gas is guided in the direction of a first arrow P ß through a fuel gas line 21 in the direction of the Venturi nozzle 7.
  • the mixture sensor device 5 is preferably set up to determine an actual mixing ratio of the fuel gas combustion air mixture.
  • the mixture sensor device 5 is an LEL sensor or an explosimeter.
  • the mixture sensor device 5 is in an intake tract 23 of
  • the control device 6 is preferably set up by activating the
  • Fuel gas supply device 3 a gas-to-air mixing ratio of the fuel gas combustion air mixture to influence in the direction of a reduced fuel gas content, when the actual mixing ratio reaches or exceeds a first predetermined mixing limit.
  • the control device 6 is set up to actuate the lambda valve device 11 and / or the safety valve device 13 in order to influence the gas / air mixing ratio of the fuel gas combustion air mixture in the direction of a reduced fuel gas portion. It is thus achieved that a particular reduced amount of fuel gas of the Venturi nozzle 7 is supplied.
  • the first predetermined mixture limit is 85% of
  • Fuel gas concentration which corresponds to a lower explosion limit.
  • the lambda value hence the mass ratio of combustion air to fuel gas, behind the Venturi nozzle 7 and before the combustion chambers 19, which is set as a safe value for the lower explosive limit, is 2.45.
  • the control device 6 is preferably set up by activating the
  • the control device 6 preferably controls the safety valve device 13 of the fuel gas supply device 3. This is preferably designed as a double solenoid valve which is set up to release and close the fuel gas supply in the fuel gas line 21.
  • the control device 6 is preferably configured to supply the fuel gas supply device 3 in consideration of a requested power of the internal combustion engine 1, a current combustion air flow in a combustion air line 25 to which the fuel gas supply device 3, in particular the Venturi nozzle 7, is fluid-connected, and the first predetermined To drive mixture limit for the fuel gas-combustion air mixture to set a predetermined gas-air mixture ratio.
  • the combustion air flow is preferably guided in the direction of a second arrow P v through the combustion air duct 25 by an air filter device 27 in the direction of the Venturi nozzle 7.
  • the combustion air flow through a compressor, which is not shown here,
  • combustion air line 25 is preferably a - not shown here - second measuring device is provided, which is in particular set up a
  • Combustion air volume flow a combustion air flow temperature, as well as a
  • Control device 6, the lambda valve device 11, which is part of the Brenngaszu slaughter 3 is controlled.
  • the fuel gas combustion air mixture is led from the venturi nozzle 7 via the fuel gas combustion air line 29 in the direction of the combustion chambers 19.
  • the fuel gas supply device 3 is preferably set up to keep the gas-air mixture ratio constant if the combustion air flow is greater than a combustion air flow limit value.
  • a combustion air flow which is greater than a combustion air flow limit value it is in particular possible to supply a certain amount of fuel gas in the Venturi nozzle 7 to the combustion air flow by means of the venturi nozzle 7, the zero pressure regulator 9 and the lambda valve device 11, the mass flow of the fuel gas is proportional to the mass flow of the combustion air in the Venturi nozzle 7.
  • a static pressure of the fuel gas is set, which corresponds to a static pressure of the combustion air upstream of the venturi nozzle 7 in the combustion air duct 25 in a region 35 of the combustion air duct 25.
  • a static pressure of the combustion air flow is preferably ensured that in the Venturi nozzle 7, in particular in the region of the take-off tube 31, a static pressure of the combustion air flow, in terms of a negative pressure sufficient to suck such a fuel gas amount that downstream of the Venturi nozzle 7 in the fuel gas combustion air line 29, a constant gas-air mixture ratio is generated.
  • the internal combustion engine 1 is preferably designed as a dual-fuel internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 1 is preferably designed for operation with liquid fuel, in particular diesel, and with fuel gas, in particular natural gas.
  • the liquid fuel is preferably supplied in particular via injectors arranged in the combustion chambers 19.
  • liquid fuel in particular diesel, acts as an ignition means for a fuel-combustion-air mixture in the combustion chambers 19.
  • the combustion chambers 19 can here via liquid fuel lines 37 and 37 'with
  • Liquid fuel are supplied, the liquid fuel in the direction of third arrows P F to be led.
  • Exhaust gas from the combustion chambers 19 is discharged to the environment via an exhaust gas line 39, in which preferably a catalytic converter 41 and temperature measuring devices and / or structure-borne sound measuring devices 43 are arranged.
  • an exhaust pipe 39, a catalyst 41 and a temperature measuring device and / or structure-borne sound measuring device 43 are provided with a reference numeral.
  • the guidance of the exhaust gas through the exhaust pipe 39 takes place in the direction of a fourth arrow PA, wherein the
  • Clarity because of only such an arrow is provided with a reference numeral.
  • the control device 6 is preferably set up in a plurality of operating points of the internal combustion engine 1 for applying a requested power
  • Internal combustion engine 1 required amount of energy to divide on an amount of liquid introduced by liquid fuel and an introduced by fuel gas amount of energy.
  • the amount of energy introduced by fuel gas preferably results from the amount of fuel gas which is supplied to the combustion chambers 19 via the fuel gas combustion air line 29.
  • the amount of energy introduced by liquid fuel preferably results from an amount
  • Liquid fuel which is introduced in particular via the injectors in the combustion chambers 19.
  • the control device 6 is preferably set up to compensate for a lack of energy due to the reduction of the fuel gas fraction by increasing the amount of energy introduced by liquid fuel when the required power of the internal combustion engine 1 is reached or exceeded.
  • control device 6 is set up, the amount of energy introduced by liquid fuel and that introduced by fuel gas
  • the control device 6 is preferably set up by activating the
  • the internal combustion engine 1 preferably has one
  • the substitution rate of liquid fuel by fuel gas is limited in particular in an upper performance range by the knock limit. In a lower power range, the substitution rate becomes the lower explosion limit of the fuel gas combustion air mixture, preferably the first one and / or second predetermined mixture limit, limited.
  • the internal combustion engine 1 has higher power in the upper power range than in the lower power range.
  • the internal combustion engine 1 is operatively connected to a generator 45.
  • Internal combustion engine generates in particular mechanical power, which is converted by the generator 45 in particular into electrical power.
  • Atmosphere especially in the intake and / or exhaust tract of the combustion chambers 19 of the internal combustion engine 1 may arise. It can be ensured that, in particular in transient operation of the internal combustion engine 1, for example due to spontaneous
  • the gas-air mixing ratio of fuel gas and combustion air can be kept constant.
  • the internal combustion engine 1 can thus be operated optimally in an advantageous manner, since the substitution rate for substitution of liquid fuel, in particular diesel, by fuel gas, in particular natural gas, as close as possible to the first predetermined

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einer Brenngaszuführeinrichtung (3), einer Gemischsensoreinrichtung (5) und einer Steuereinrichtung (6), wobei die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen, wobei die Gemischsensoreinrichtung (5) eingerichtet ist, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln, wobei die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.

Description

BESCHREIBUNG Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine. Aufgrund von hohen - und tendenziell weiter steigenden - Kosten für Diesel im Vergleich zu Brenngas, insbesondere Erdgas, besteht bei Brennkraftmaschinen ein Kostensenkungspotential in der Substitution von Diesel durch Brenngas als Brennstoff. Bei dieselbetriebenen
Brennkraftmaschinen in einem Zweistoffbetrieb, insbesondere einem Bi-Fuel- oder Dual-Fuel- Betrieb, die typischerweise über keine Flammschutzfilter verfügen, um den Ansaugbereich und/oder Abgastrakt vor Entflammung oder Explosion eines Brenngas-Verbrennungsluft-
Gemischs zu schützen, aber auch bei Gasmotoren besteht ein Bedarf für eine sichere Kontrolle der Zudosierung von Brenngas zur Verbrennungsluft. Insbesondere muss sichergestellt werden, dass ein der Brennkraftmaschine zugeführtes Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch einen Brenngasanteil aufweist, der unterhalb einer unteren Explosions grenze für das jeweilige Gemisch liegt. Dies muss auch bei hochdynamischen Änderungen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine der Fall sein.
Typischerweise wird ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft anhand mehrerer indirekter Messgrößen und Kennfelder bestimmt. Insbesondere durch die Vielzahl der Messgrößen, welche jeweils Messfehler aufweisen können, kann sich ein hoher theoretischer Gesamtmessfehler ergeben. Dieser schlägt sich dann in einem entsprechend hohen
Sicherheitsaufschlag hinsichtlich des zulässigen Mischungsverhältnisses aus Brenngas und Verbrennungsluft nieder. Aufgrund dieses erforderlichen Sicherheitsaufschlags kann beispielsweise die- unter Sicherheitsgesichtspunkten - maximal mögliche Substitution von Diesel durch Brenngas stark reduziert sein, wodurch ein solches Verfahren möglicherweise unwirtschaftlich wird. Es kann durchaus auch vorkommen, dass ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund des erforderlichen Sicherheitsaufschlags im Zweistoffbetrieb überhaupt nicht mehr möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer
Brenngaszuführeinrichtung, einer Gemischsensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung geschaffen wird. Die Brenngaszuführeinrichtung ist eingerichtet, Brenngas und
Verbrennungsluft zu einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen. Die
Gemischsensoreinrichtung ist eingerichtet, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, durch
Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Die Brennkraftmaschine weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Dadurch, dass mittels der Brenngaszuführeinrichtung, der Gemischsensoreinrichtung und der Steuereinrichtung eine Überwachung des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses erfolgt, kann die Brennkraftmaschine insbesondere im transienten Betrieb, beispielsweise bei starken
Laständerungen, nahe dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert sicher betrieben werden. Es wird insbesondere sichergestellt, dass keine explosionsfähige Atmosphäre des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs insbesondere im Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der
Brennkraftmaschine entsteht. Insbesondere bei einer ausbleibenden Verbrennung des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, beispielsweise im Fall eines defekten Injektors für Flüssigbrennstoff in dem Brennraum, kann unverbranntes Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch aus dem Brennraum in den Abgastrakt gelangen. Dort herrschen im Betrieb der Brennkraftmaschine üblicherweise Temperaturen, welche eine
Entflammung oder Explosion eines zündfähigen Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs bewirken können. Indem das Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch, welches dem Brennraum zugeführt wird, unter oder nahe dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert gehalten wird und damit nicht zündfähig ist, lässt sich eine Entflammung oder Explosion des aus dem
Brennraum abgeführten unverbrannten Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs im Abgastrakt sicher vermeiden. Insgesamt wird vorteilhafterweise insbesondere ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch möglich, wobei der Brenngasanteil sich möglichst nahe an seinem - unter Explosionssicherheitsgesichtspunkten - maximal zulässigen Wert befindet. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eingerichtet zum Antrieb eines Generators, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Leistung von bis zu 2,5 MW bereitstellen kann.
Vorzugsweise stellt der Generator elektrische Leistung mit einer Netzfrequenz von insbesondere 60 Hz oder 50 Hz bereit, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine insbesondere 1800 U/min oder 1500 U/min beträgt. Hierbei kommt insbesondere eine Anwendung im Inselbetrieb, beispielsweise zur Versorgung eines Krankenhauses oder eines Datenzentrums mit elektrischer Leistung, aber auch ein Netzbetrieb, beispielsweise in einem Kraftwerk, infrage.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Brenngaszuführeinrichtung eine Venturi- Düse, einen Nulldruckregler, sowie eine Lambda- Ventileinrichtung auf. Die Lambda- Ventileinrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Einstellung einer Menge an einem
Abnahmerohr der Venturi-Düse über eine Brenngasleitung zugeführtem Brenngas. In der Venturi-Düse erfolgt insbesondere die Mischung des Brenngases mit Verbrennungsluft. Dabei wird der Verbrennungsluft Brenngas insbesondere zum Erreichen eines bestimmten
Mischungsverhältnisses von Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt. Hierzu ist bevorzugt eine Verbrennungsluftleitung mit der Venturi-Düse fluidverbunden. Über die
Verbrennungsluftleitung wird ein Verbrennungsluftstrom in die Venturi-Düse - insbesondere in Richtung eines Durchfiusspfads mit sich verengendem Querschnitt, in welchen vorzugsweise das Abnahmerohr mündet - geführt. Das Abnahmerohr der Venturi-Düse ist insbesondere an der Stelle größter Verengung in der Venturi-Düse angeordnet. Der Nulldruckregler ist stromaufwärts des Abnahmerohrs in der Brenngasleitung angeordnet. Er ist vorzugsweise eingerichtet, den statischen Druck in der Verbrennungsluftleitung stromaufwärts der Venturi-Düse zu erfassen und einen gleichen Druck für das Brenngas in der Brenngasleitung einzustellen. Das Brenngas weist mithin bei Eintritt in die Venturi-Düse über das Abnahmerohr weitgehend denselben statischen Druck auf wie die Verbrennungsluft in der Verbrennungsluftleitung stromaufwärts der Venturi-Düse.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lambda-Ventileinrichtung in der
Brenngasleitung zwischen dem Nulldruckregler und der Venturi-Düse angeordnet. Die Lambda- Ventileinrichtung ist insbesondere eingerichtet, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis auf einen bestimmten Wert einzustellen.
Die Gemischsensoreinrichtung weist vorzugsweise einen sogenannten UEG-Sensor zum
Sensieren einer unteren Explosionsgrenze (UEG - Untere Explosionsgrenze) oder ein
Explosimeter auf. Sie ist vorzugsweise in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine stromabwärts der Venturi-Düse und stromaufwärts von wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Mittels der Gemischsensoreinrichtung ist es insbesondere möglich, eine tatsächliche Reaktivität und/oder Zündfähigkeit des Brenngas- Verbrennungsluft- Gemischs zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Gemischsensoreinrichtung eingerichtet, eine Brenngasmenge oder ein Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft in dem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch zu ermitteln. Die Brenngasmenge oder das Verhältnis aus
Verbrennungsluft und Brenngas wird vorzugsweise in einem Bereich stromabwärts der Venturi- Düse und stromaufwärts von wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine gemessen. Die Gemischsensoreinrichtung ist insbesondere stromaufwärts einer eventuell vorhandenen
Zuführung mindestens eines weiteren Brennstoffes in das Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch angeordnet.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, eine Brennstoffzuführung der
Brennkraftmaschine zu steuern oder zu regeln. Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung nur zur Ansteuerung der Brenngaszuführeinrichtung eingerichtet ist. In diesem Fall ist die
Steuereinrichtung vorzugsweise, beispielsweise mittels eines CAN-Bus, mit weiteren
Steuergeräten wirkverbunden, welche eingerichtet sind zur Ansteuerung weiterer, insbesondere zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlicher Einrichtungen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Steuereinrichtung um einen Bi-Fuel-Controller, der über einen CAN-Bus mit einem
Diesel-Controller wirkverbunden ist. Es ist aber ebenso möglich, dass die Brennkraftmaschine über eine, insbesondere integrierte, Steuereinrichtung verfügt, welche insbesondere zur
Ansteuerung der Zuführung aller Brennstoffe zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingerichtet ist.
Die Steuereinrichtung steuert die Brenngaszuführeinrichtung vorzugsweise dadurch an, dass sie die Lambda- Ventileinrichtung ansteuert. Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert stellt insbesondere ein Massenverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft dar, welches keine explosionsfähige Atmosphäre in einem Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennkraftmaschine ausbildet. Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist vorzugsweise kleiner als 100 % der unteren Explosionsgrenze. 100 % der unteren Explosionsgrenze stellen dabei insbesondere eine Konzentration von Brenngas in dem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch dar, ab welcher eine Zündung des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs möglich ist. Besonders bevorzugt liegt der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert bei 85 % der unteren Explosionsgrenze. Der Anteil von Brenngas in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch ist damit geringer als der Anteil von Brenngas in einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch bei 100 % der unteren Explosionsgrenze.
Der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist vorzugsweise parametrierbar. Es ist aber auch möglich, dass er werkseitig fest, insbesondere nicht änderbar, eingestellt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die untere Explosionsgrenze bei einem
Lambda-Wert, mithin einem Verhältnis der Massen von Verbrennungsluft zu Brenngas, von 2,25. Besonders bevorzugt wird zur Bestimmung des ersten vorbestimmten
Mischungsgrenzwerts ein Lambda-Wert für die untere Explosionsgrenze von 2,45 angenommen. In diesem Fall wird insbesondere ein Sicherheitsaufschlag von 0,2 zur wirklichen unteren Explosionsgrenze realisiert.
Es wird ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist- Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert entspricht vorzugsweise einer Brenngaskonzentration in dem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch, welche kleiner ist als eine Brenngaskonzentration bei 100 % der unteren Explosionsgrenze. Besonders bevorzugt ist der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert in Prozent der unteren Explosionsgrenze größer als der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert in Prozent der unteren Explosionsgrenze, vorzugsweise aber kleiner als 100 % der unteren Explosionsgrenze. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert bei 88 % der unteren Explosionsgrenze. Vorzugsweise wird die Beendigung der Zuführung des Brenngases dadurch realisiert, dass eine bevorzugt von der Brenngaszuführeinrichtung umfasste Sicherheitsventileinrichtung von der Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass die Sicherheitsventileinrichtung geschlossen wird. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Lambda-Ventileinrichtung geschlossen wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sicherheitsventileinrichtung ein
Doppelmagnetventil. Die Sicherheitsventileinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum
Freigeben und Schließen der Brenngaszufuhr zu der Venturi-Düse. Vorzugsweise ist die
Sicherheitsventileinrichtung in einer Brenngastrasse der Brennkraftmaschine angeordnet.
Der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert ist vorzugsweise parametrierbar. Es ist aber auch möglich, dass er werkseitig fest, insbesondere invariabel, eingestellt ist. Es ist auch möglich, die Brenngaszufuhr zu der Verbrennungsluft zu reduzieren oder zu beenden, wenn sich andere, insbesondere vorbestimmte, Betriebszustände der Brennkraftmaschine einstellen. Es ist vorzugsweise möglich, die Brenngaszufuhr in Richtung einer geringeren Brenngasmenge zu beeinflussen, insbesondere zu beenden, wenn eine Abgastemperatur, insbesondere von Abgas aus einem bestimmten Brennraum, unter einem vorbestimmten
Grenzwert liegt. Dies kann beispielsweise auf einen defekten Injektor für Flüssigbrennstoff hinweisen. Weitere Eingangsgrößen, welche eine Reduzierung und/oder Beendigung der
Brenngaszufuhr bewirken, sind möglich.
Insbesondere durch die Möglichkeit einer Beendigung der Zuführung des Brenngases zu der Verbrennungsluft bei kritischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann ein sicherer Betrieb derselben mit einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch realisiert werden, wobei der Brenngasanteil insbesondere möglichst nahe an der unteren Explosionsgrenze gehalten werden kann. Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch
auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine, eines momentanen Verbrennungsluftstroms in der Verbrennungsluftleitung, mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts für das Brenngas-Verbrennungsluft- Gemisch die Brenngaszuführung anzusteuern. Die Brenngaszuführeinrichtung wird dabei angesteuert, um ein vorbestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen. Die Ansteuerung der Brenngaszuführeinrichtung erfolgt vorzugsweise durch Ansteuerung der Lambda- Ventileinrichtung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird der momentane Verbrennungsluftstrom durch einen Verdichter, insbesondere einen Kompressor oder einen Verdichter eines Abgasturboladers, bereitgestellt. Vorzugsweise passiert der
Verbrennungsluftstrom eine Luftfiltereinrichtung, bevor er in der Brenngaszuführeinrichtung mit Brenngas vermischt wird.
Das vorbestimmte Gas-Luft-Mischungsverhältnis liegt in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel möglichst nahe an dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert. Es ist also möglich, mittels existierender Kennfelder, insbesondere eines Kennfelds, das aufgespannt wird durch die momentan angeforderte Leistung der Brennkraftmaschine, den momentanen Verbrennungsluftstrom und einen momentanen Brennstoffverbrauch unter
Berücksichtigung des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts auf einfache Art und Weise eine Vorsteuerung der Brenngaszuführung zu der Verbrennungsluft vorzunehmen. Es kann also insbesondere auf bereits etablierte Lösungen zur Steuerung der Brennstoffzufuhr für
Brennkraftmaschinen zurückgegriffen werden, was den Kostenaufwand senkt.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brenngaszuführeinrichtung eingerichtet ist, das Gas-Luft- Mischungsverhältnis konstant zu halten, insbesondere wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert.
Das Gas-Luft-Mischungsverhältnis kann auch bei starken Laständerungen, mithin bei einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zeitlich konstant gehalten werden. Insbesondere können auch spontane Änderungen der angeforderten Leistung der
Brennkraftmaschine realisiert werden, wobei gleichwohl die Bildung einer explosiven
Atmosphäre in der Brennkraftmaschine vermieden wird. Eine Konstanz des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses wird insbesondere durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung insbesondere mit der Venturi-Düse in Verbindung mit dem Nulldruckregler realisiert. Aufgrund des mit diesem Aufbau realisierten physikalischen Wirkprinzips wird, zumindest in einem bestimmten, insbesondere
zusammenhängenden Größenbereich des Verbrennungsluftstroms ein konstantes, insbesondere durch die Lambda-Ventileinrichtung bestimmtes, Gas-Luft-Mischungsverhältnis stromabwärts der Venturi-Düse realisiert. Es ist also insbesondere möglich, unabhängig von der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine - zumindest in dem bestimmten Größenbereich des
Verbrennungsluftstroms - ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis mit dieser
Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung sicherzustellen.
Aufgrund der Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung ist es zudem vorzugsweise möglich, die Brennkraftmaschine sicher, insbesondere ohne eine explosive Atmosphäre des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs zu erzeugen, zu betreiben, auch wenn die
Gemischsensoreinrichtung eine Totzeit aufweist.
Der Verbrennungsluftstromgrenzwert ist insbesondere ein Wert des Verbrennungsluftstroms, der in der Venturi-Düse auf Höhe des Abnahmerohrs zu einem Druck, insbesondere einem
Unterdruck, führt, der ausreicht, um eine erforderliche Menge an Brenngas anzusaugen, sodass das Gas-Luft-Mischungsverhältnis stromabwärts der Venturi-Düse konstant bleibt. Insbesondere bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher gleich dem Verbrennungsluftstromgrenzwert oder unterhalb des Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt, ist mittels der Brenngaszuführeinrichtung möglicherweise kein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis mehr realisierbar. Bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher insbesondere oberhalb des
Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt, ist es bevorzugt ohne Verstellung der Lambda- Ventileinrichtung möglich, das Gas-Luft-Mischungsverhältnis - insbesondere auch bei einem transienten Verbrennungsluftstrom - konstant zu halten. Es ist dabei aber nicht ausgeschlossen, dass das Gas-Luft-Mischungsverhältnis durch
Ansteuerung der Lambda-Ventileinrichtung insbesondere in Richtung eines verringerten
Brenngasanteils beeinflusst wird, wenn bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine eintreten. Beispielsweise ist es möglich, bei Erreichen einer Klopfgrenze der Brennkraftmaschine das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines verringerten
Brenngasanteils zu beeinflussen.
Es ist mittels der bevorzugten Ausgestaltung der Brenngaszuführeinrichtung mit der Venturi- Düse, dem Nulldruckregler und der Lambda- Ventileinrichtung auf technisch einfache Art und Weise möglich, innerhalb eines bestimmten zusammenhängenden Größenbereichs des
Verbrennungsluftstroms ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis zu generieren.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Zweistoffbrennkraftmaschine ausgelegt ist. Die Brennkraftmaschine ist dabei eingerichtet zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas. Der Flüssigbrennstoff ist vorzugsweise ein Zündöl, insbesondere Diesel oder Dimethylether. Das Brenngas ist vorzugsweise ein methanhaltiges Gas, insbesondere Erdgas. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine in wenigstens einem Betriebszustand ausschließlich mit Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel betrieben wird. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine in einem niedrigen Leistungsbereich unterhalb einer ersten Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Leistungsbereich, der von 0 MW bis 1 MW Leistung beträgt, ausschließlich mit
Flüssigbrennstoff betrieben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine in einem mittleren Leistungsbereich oberhalb der ersten Leistungsgrenze und unterhalb einer zweiten
Leistungsgrenze, die höher ist als die erste Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Bereich von 1 MW bis 2 MW, mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas, mithin in einem Zweistoff betrieb, betrieben. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine in einem hohen Leistungsbereich oberhalb der zweiten Leistungsgrenze, beispielsweise in einem Bereich von mehr als 2 MW, ausschließlich mit Flüssigbrennstoff betrieben.
Es ist mithin insbesondere in einem dem mittleren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, welcher beispielsweise von 1 MW bis 2 MW beträgt, möglich, Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel zumindest teilweise durch Brenngas, insbesondere Erdgas, zu substituieren. Es ist damit möglich, die Kosten für Brennstoff zu senken, da typischerweise die auf eine bestimmte
Energiemenge bezogenen Kosten für Diesel höher sind als für Erdgas. Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch
auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der
Brennkraftmaschine erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine erste, durch
Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Mehrzahl von Betriebspunkten einen zusammenhängenden Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine dar. Hierbei können
insbesondere Betriebspunkte, welche einem niedrigeren Leistungsbereich entsprechen und/oder Betriebspunkte, welche einem höheren Leistungsbereich, insbesondere einem Volllast-Bereich, im Vergleich zu dem zusammenhängenden Kennfeldbereich entsprechen, ausgeschlossen werden. Bevorzugt entspricht die Mehrzahl von Betriebspunkten einem Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, welcher von 1 MW bis 2 MW Leistung beträgt. Die Mehrzahl von
Betriebspunkten der Brennkraftmaschine kann vorzugsweise auch alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine umfassen.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, aus dem bereits angesprochenen Kennfeld ausgehend von der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine und dem momentanen, zur Verfügung stehenden Verbrennungsluftstrom eine erforderliche Energiemenge abzuleiten. Auf Basis einer maximal zulässigen Substitutionsrate für die Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas, welche sich insbesondere aus dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert ableitet, wird eine bestimmte, über die Brenngaszuführeinrichtung zuzuführende Menge an Brenngas ermittelt, die eine bestimmte Energiemenge aufweist. Die Brenngaszuführeinrichtung wird vorzugsweise angesteuert, um diese bestimmte Menge an Brenngas der Verbrennungsluft zuzuführen. Weiterhin wird ermittelt, welche Energiemenge zum Erreichen der erforderlichen Energiemenge im Vergleich zu der durch das Brenngas bereitgestellten Energiemenge fehlt. Insbesondere diese noch fehlende Energiemenge wird durch Flüssigbrennstoff eingebracht. Es ist somit vorzugsweise mittels der Steuereinrichtung möglich, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine eine unter Sicherheitsaspekten und
Kostengesichtspunkten optimierte Verteilung der erforderlichen Energiemenge auf
Flüssigbrennstoff und Brenngas zu realisieren. Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, eine bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge auszugleichen. Der Ausgleich der fehlenden Energiemenge erfolgt bevorzugt durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge.
Das Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts kann beispielsweise daraus resultieren, dass die Luftfiltereinrichtung verschmutzt ist, wobei ein Verbrennungslufteintritt in die Verbrennungsluftleitung erschwert wird, und daher der
Verbrennungsluftstrom insbesondere unterhalb des Verbrennungsluftstromgrenzwerts liegt. Weiterhin ist es möglich, dass, insbesondere bei einer qualitativen Gemischregelung der Brennkraftmaschine, ein bestimmter Lambda-Wert in einem Brennraum der Brennkraftmaschine einen Brennstoffanteil erfordert, welcher insbesondere gleich dem ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert oder oberhalb des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts liegt. In diesem Fall ist es möglich, den Anteil an Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, zu steigern, wobei der Anteil an Brenngas bezogen auf die Verbrennungsluft vorzugsweise unterhalb des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts gehalten wird. Bei einer quantitativen
Mischregulierung der Brennkraftmaschine bleibt hingegen bei einem konstanten Gas-Luft- Mischungsverhältnis hinter der Brenngaszuführeinrichtung bevorzugt auch das Brennstoff- Verbrennungsluft-Mischungsverhältnis in einem Brennraum der Brennkraftmaschine konstant. Es ist somit in vorteilhafter Weise möglich, die Brennkraftmaschine sowohl mit einer qualitativen als auch mit einer quantitativen Gemischregelung sicher zu betreiben. Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine erreicht oder überschritten wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist hierzu die Steuereinrichtung mit einer
Antiklopfregeleinrichtung der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Es ist auch möglich, dass die die Lambda- Ventileinrichtung und/oder die Sicherheitsventileinrichtung mit der
Antiklopfregeleinrichtung wirkverbunden ist/sind. Die Substitutionsrate bei Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas wird insbesondere in einem oberen Leistungsbereich der Brennkraftmaschine durch den Klopfgrenzwert begrenzt, wohingegen die Substitutionsrate in einem unteren Leistungsbereich durch die untere
Explosionsgrenze begrenzt wird. Der obere Leistungsbereich umfasst dabei eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine als der untere Leistungsbereich. Es wird also vorzugsweise
sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine aufgrund einer Substitution von Flüssigbrennstoff durch Brenngas nicht in einen Klopfbereich gefahren wird, wodurch ein Schaden derselben drohen könnte.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer
Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb,
Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der
Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im
Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei - bevorzugt mittels einer Brenngaszuführeinrichtung - Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch gemischt werden. Es wird - bevorzugt mittels einer
Gemischsensoreinrichtung - ein Ist-Mischungsverhältnisses des Brenngas- Verbrennungsluft- Gemischs ermittelt. Vorzugsweise wird mittels einer Steuereinrichtung eine
Brenngaszuführeinrichtung angesteuert. Es wird - vorzugsweise mittels der
Brenngaszuführeinrichtung - ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben. Im Rahmen des
Verfahrens ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zuführung des Brenngases beendet wird, wenn das Ist-Mischungsverhältnis den zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Es ist somit sicher möglich, die Brennkraftmaschine mit einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch zu betreiben, welches nicht zu einer explosionsfähigen Atmosphäre, insbesondere in dem Ansaugbereich und/oder
Abgastrakt der Brennkraftmaschine, führt.
Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens - insbesondere mittels der Steuereinrichtung - das vorbestimmte Gas-Luft-Mischungsverhältnis unter Berücksichtigung der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine, des momentanen Verbrennungsluftstroms in der
Verbrennungsluftleitung, mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts eingestellt.
Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens das Gas-Luft-Mischungsverhältnis konstant gehalten, wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als der Verbrennungsluftstromgrenzwert. Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise die Brennkraftmaschine als
Zweistoffbrennkraftmaschine betrieben, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise mit Flüssigbrennstoff, insbesondere einem Zündöl wie Diesel oder Dimethylether, und mit Brenngas, insbesondere einem methanhaltigen Brenngas wie Erdgas, betrieben wird. Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine erforderliche Energiemenge aufgeteilt auf eine erste, durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise die bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der
Brennkraftmaschine aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge ausgeglichen.
Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine erreicht oder überschritten wird. Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit einer Brenngaszuführeinrichtung, einer Gemischsensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung.
Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Brenngaszuführeinrichtung 3, einer Gemischsensoreinrichtung 5 und einer Steuereinrichtung 6. Die Brenngaszuführeinrichtung 3 weist eine Venturi-Düse 7 und einen Nulldruckregler 9 auf. Weiterhin weist die Brenngaszuführeinrichtung 3 eine Lambda-Ventileinrichtung 11 und eine
Sicherheitsventileinrichtung 13 auf. Die Sicherheitsventileinrichtung 13 ist hier in einer
Brenngastrasse 15 angeordnet. Weiterhin ist eine erste Messeinrichtung 17 vorgesehen, welche eingerichtet ist, einen Brenngasvolumenstrom, eine Brenngastemperatur sowie einen
Brenngasdruck zu ermitteln.
Die Mischung von Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft- Gemisch erfolgt vorzugsweise in der Brenngaszuführeinrichtung 3, insbesondere in der Venturi- Düse 7. Die Brennkraftmaschine 1 weist hier beispielhaft vier Brennräume 19 auf, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur ein Brennraum 19 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Das
Brenngas wird in Richtung eines ersten Pfeils Pß durch eine Brenngasleitung 21 in Richtung der Venturi-Düse 7 geführt.
Die Gemischsensoreinrichtung 5 ist vorzugsweise eingerichtet, ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gemischsensoreinrichtung 5 ein UEG-Sensor oder ein Explosimeter. Die Gemischsensoreinrichtung 5 ist in einem Ansaugtrakt 23 der
Brennkraftmaschine 1 stromabwärts der Venturi-Düse 7 und stromaufwärts der Brennräume 19 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung 3 ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 6 eingerichtet, die Lambda- Ventileinrichtung 11 und/oder die Sicherheitsventileinrichtung 13 anzusteuern, um das Gas-Luft- Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen. Es wird mithin erreicht, dass eine insbesondere verringerte Menge an Brenngas der Venturi-Düse 7 zugeführt wird. Insbesondere wird vorzugsweise sichergestellt, dass insbesondere in dem Ansaugtrakt 23 und/oder in dem den Brennräumen 19 zugeordneten Ansaugbereich und/oder Abgastrakt keine explosionsfähige Atmosphäre entsteht. Vorzugsweise beträgt der erste vorbestimmte Mischungsgrenzwert 85 % der
Brenngaskonzentration, welche einer unteren Explosionsgrenze entspricht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Lambda-Wert, mithin das Massenverhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas, hinter der Venturi-Düse 7 und vor den Brennräumen 19, welcher als sicherer Wert für die untere Explosionsgrenze gesetzt wird, 2,45. Der Lambda-Wert, welcher der wirklichen unteren Explosionsgrenze entspricht, liegt bevorzugt bei 2,25. In diesem Fall ist somit ein Sicherheitsaufschlag von 0,2 auf den Lambda-Wert der unteren Explosionsgrenze gegeben.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung 3 die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist- Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Vorzugsweise beträgt der zweite vorbestimmte Mischungsgrenzwert 88 % der Brenngaskonzentration, welche bei der unteren Explosionsgrenze des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs vorliegt. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung 6 hierbei die Sicherheitsventileinrichtung 13 der Brenngaszuführeinrichtung 3 an. Diese ist vorzugsweise als Doppelmagnetventil ausgebildet, welches eingerichtet ist zum Freigeben und Schließen der Brenngaszufuhr in der Brenngasleitung 21.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, um die Brenngaszuführeinrichtung 3 unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine 1 , eines momentanen Verbrennungsluftstroms in einer Verbrennungsluftleitung 25, mit welcher die Brenngas- Zuführeinrichtung 3, insbesondere die Venturi-Düse 7, fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts für das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch anzusteuern, um ein vorbestimmtes Gas-Luft-Mischungsverhältnis einzustellen. Der Verbrennungsluftstrom wird vorzugsweise in Richtung eines zweiten Pfeils Pv durch die Verbrennungsluftleitung 25 von einer Luftfiltereinrichtung 27 in Richtung der Venturi-Düse 7 geführt. Vorzugsweise wird der Verbrennungsluftstrom durch einen Verdichter, welcher hier nicht dargestellt ist,
bereitgestellt. In der Verbrennungsluftleitung 25 ist bevorzugt eine - hier nicht dargestellte - zweite Messeinrichtung vorgesehen, welche insbesondere eingerichtet ist, einen
Verbrennungsluftvolumenstrom, eine Verbrennungsluftstromtemperatur, sowie einen
Verbrennungsluftstromdruck zu messen.
Zur Einstellung eines vorbestimmten Gas-Luft-Mischungsverhältnisses wird mittels der
Steuereinrichtung 6 die Lambda-Ventileinrichtung 11 , welche ein Teil der Brenngaszuführeinrichtung 3 ist, angesteuert. Das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch wird ausgehend von der Venturi-Düse 7 über die Brenngas-Verbrennungsluft-Leitung 29 in Richtung der Brennräume 19 geführt. Die Brenngaszuführeinrichtung 3 ist vorzugsweise eingerichtet, das Gas-Luft- Mischungsverhältnis konstant zu halten, wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert. Bei einem Verbrennungsluftstrom, welcher größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert, ist es insbesondere möglich, mittels der Venturi-Düse 7, dem Nulldruckregler 9 und der Lambda-Ventileinrichtung 11 eine bestimmte Menge an Brenngas in der Venturi-Düse 7 dem Verbrennungsluftstrom zuzuführen, wobei der Massenstrom des Brenngases proportional zum Massenstrom der Verbrennungsluft in der Venturi-Düse 7 ist.
Die Zuführung des Brenngases in die Venturi-Düse 7 erfolgt über ein Abnahmerohr 31.
Insbesondere mittels einer Referenzwertabnahmeeinrichtung 33 ist es möglich, dass durch den Nulldruckregler 9 in der Brenngasleitung 21 vor der Venturi-Düse 7, insbesondere im
Abnahmerohr 31 , ein statischer Druck des Brenngases eingestellt wird, welcher einem statischen Druck der Verbrennungsluft stromaufwärts der Venturi-Düse 7 in der Verbrennungsluftleitung 25 in einem Bereich 35 der Verbrennungsluftleitung 25 entspricht. Durch Festlegen des Verbrennungsluftstromgrenzwerts wird vorzugsweise sichergestellt, dass in der Venturi-Düse 7, insbesondere im Bereich des Abnahmerohrs 31, ein statischer Druck des Verbrennungsluftstroms, im Sinne eines Unterdrucks, ausreicht, um eine solche Brenngasmenge anzusaugen, dass stromabwärts der Venturi-Düse 7 in der Brenngas-Verbrennungsluft-Leitung 29 ein konstantes Gas-Luft-Mischungsverhältnis erzeugt wird.
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Zweistoff-Brennkraftmaschine ausgelegt. Dabei ist die Brennkraftmaschine 1 vorzugsweise eingerichtet zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, und mit Brenngas, insbesondere Erdgas. Der Flüssigbrennstoff wird bevorzugt insbesondere über in den Brennräumen 19 angeordnete Injektoren zugeführt.
Insbesondere fungiert der Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, als Zündmittel für ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch in den Brennräumen 19.
Die Brennräume 19 können hier über Flüssigbrennstoffleitungen 37 und 37' mit
Flüssigbrennstoff versorgt werden, wobei der Flüssigbrennstoff in Richtung dritter Pfeile PF geführt wird. Über eine Abgasleitung 39, in welcher vorzugsweise ein Katalysator 41 sowie Temperaturmesseinrichtungen und/oder Körperschallmesseinrichtungen 43 angeordnet sind, wird Abgas aus den Brennräumen 19 an die Umgebung abgegeben. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur eine Abgasleitung 39, ein Katalysator 41 und eine Temperaturmesseinrichtung und/oder Körperschallmesseinrichtung 43 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Führung des Abgases durch die Abgasleitung 39 erfolgt in Richtung eines vierten Pfeils PA, wobei der
Übersichtlichkeit wegen nur ein solcher Pfeil mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, in einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 die zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der
Brennkraftmaschine 1 erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine durch Brenngas eingebrachte Energiemenge. Die durch Brenngas eingebrachte Energiemenge ergibt sich vorzugsweise aus der Brenngasmenge, die über die Brenngas- Verbrennungsluft-Leitung 29 den Brennräumen 19 zugeführt wird. Die durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge ergibt sich vorzugsweise aus einer Menge an
Flüssigbrennstoff, die insbesondere über die Injektoren in die Brennräume 19 eingebracht wird.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, eine bei Erreichen oder Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine 1 aufgrund der Reduzierung des Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff eingebrachten Energiemenge auszugleichen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 6 eingerichtet, die durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und die durch Brenngas eingebrachte
Energiemenge separat zu steuern.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung 3 das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine 1 erreicht oder überschritten wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine
Antiklopfregeleinrichtung auf, welche in der Figur nicht dargestellt ist. Die Substitutionsrate von Flüssigbrennstoff durch Brenngas wird insbesondere in einem oberen Leistungsbereich durch den Klopfgrenzwert limitiert. In einem unteren Leistungsbereich wird die Substitutionsrate durch die untere Explosionsgrenze des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs, vorzugsweise den ersten und/oder zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert, limitiert. Die Brennkraftmaschine 1 weist in dem oberen Leistungsbereich eine höhere Leistung auf als in dem unteren Leistungsbereich.
Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 1 mit einem Generator 45 wirkverbunden. Die
Brennkraftmaschine erzeugt insbesondere mechanische Leistung, welche von dem Generator 45 insbesondere in elektrische Leistung umgewandelt wird.
Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Brennkraftmaschine 1 und dem Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine 1 sichergestellt werden kann, dass keine explosive
Atmosphäre, insbesondere im Ansaugbereich und/oder Abgastrakt der Brennräume 19 der Brennkraftmaschine 1 entstehen kann. Es kann sichergestellt werden, dass insbesondere im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise aufgrund spontaner
Laständerungen, in einem bestimmten Betriebszustandsbereich der Brennkraftmaschine 1 das Gas-Luft-Mischungsverhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft konstant gehalten werden kann. Die Brennkraftmaschine 1 kann damit in vorteilhafter Weise optimiert betrieben werden, da die Substitutionsrate bei Substitution von Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, durch Brenngas, insbesondere Erdgas, möglichst nahe an dem ersten vorbestimmten
Mischungsgrenzwert liegen kann. Damit ist ein sicherer Betrieb möglichst nahe an der unteren Explosionsgrenze des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs möglich. Auf diese Weise können insbesondere Kosteneinsparungen realisiert werden, indem Flüssigbrennstoff, insbesondere Diesel, durch kostengünstigeres Brenngas, insbesondere Erdgas, substituiert wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennkraftmaschine (1), mit einer Brenngaszufuhreinrichtung (3), einer
Gemischsensoreinrichtung (5) und einer Steuereinrichtung (6), wobei
- die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas- Verbrennungsluft-Gemisch zu mischen, wobei
- die Gemischsensoreinrichtung (5) eingerichtet ist, ein Ist-Mischungsverhältnis des
Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs zu ermitteln, wobei
- die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung
(3) ein Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn das Ist- Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der Brenngaszuführeinrichtung (3) die Zuführung des Brenngases zu beenden, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1), eines momentanen Verbrennungsluftstroms in einer Verbrennungsluftleitung (25), mit welcher die Brenngaszuführeinrichtung (3) fluidverbunden ist, sowie des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts die
Brenngaszuführeinrichtung (3) anzusteuern, um ein vorbestimmtes Gas-Luft- Mischungsverhältnis einzustellen.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brenngaszuführeinrichtung (3) eingerichtet ist, das Gas-Luft- Mischungsverhältnis konstant zu halten, insbesondere wenn der Verbrennungsluftstrom größer ist als ein Verbrennungsluftstromgrenzwert.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Zweistoff-Brennkraftmaschine ausgelegt ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) eingerichtet ist zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff und mit Brenngas.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, in einer Mehrzahl von
Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (1) eine zum Aufbringen einer angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1) erforderliche Energiemenge aufzuteilen auf eine erste, durch Flüssigbrennstoff eingebrachte Energiemenge und auf eine zweite, durch Brenngas eingebrachte Energiemenge.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, eine bei Erreichen oder
Überschreiten des ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwerts zum Aufbringen der
angeforderten Leistung der Brennkraftmaschine (1) aufgrund der Reduzierung des
Brenngasanteils fehlende Energiemenge durch Erhöhen der durch Flüssigbrennstoff
eingebrachten Energiemenge auszugleichen.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, durch Ansteuern der
Brenngaszuführeinrichtung (3) das Gas-Luft-Mischungsverhältnis in Richtung eines reduzierten Brenngasanteils zu beeinflussen, wenn ein Klopfgrenzwert der Brennkraftmaschine (1) erreicht oder überschritten wird.
9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
- Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch gemischt werden, wobei
- Ein Ist-Mischungsverhältnis des Brenngas- Verbrennungsluft-Gemischs ermittelt wird, und wobei
- das Gas-Luft-Mischungsverhältnis des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemischs in
Richtung eines reduzierten Brenngasanteils beeinflusst wird, wenn das Ist- Mischungsverhältnis einen ersten vorbestimmten Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Brenngases beendet wird, wenn das Ist-Mischungsverhältnis einen zweiten vorbestimmten
Mischungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
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