WO2018206507A1 - Hubkolbenmotor und system mit einem hubkolbenmotor sowie verfahren zum betrieb eines hubkolbenmotors - Google Patents

Hubkolbenmotor und system mit einem hubkolbenmotor sowie verfahren zum betrieb eines hubkolbenmotors Download PDF

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WO2018206507A1
WO2018206507A1 PCT/EP2018/061719 EP2018061719W WO2018206507A1 WO 2018206507 A1 WO2018206507 A1 WO 2018206507A1 EP 2018061719 W EP2018061719 W EP 2018061719W WO 2018206507 A1 WO2018206507 A1 WO 2018206507A1
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fuel gas
temperature
reciprocating engine
combustion
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Markus Zankl
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0215—Mixtures of gaseous fuels; Natural gas; Biogas; Mine gas; Landfill gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating engine having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a system with such a reciprocating engine.
  • the invention further relates to a method for operating a reciprocating piston engine having the features of the preamble of claim 10.
  • the fuel gas may be a synthetic gas, for example, at a
  • Gasification process of coal or organic material such as wood, biomass or agricultural products is obtained.
  • the synthetic gas is supplied, for example, as fuel of a power supply system in which a reciprocating engine drives an electric generator.
  • a reciprocating engine drives an electric generator.
  • the synthetic gas obtained by the gasification process usually contains tars and / or long-chain hydrocarbons as impurities.
  • the tars and / or long-chain hydrocarbons as impurities.
  • Hydrocarbons are collectively known as tarfreight. These accompanying substances tend to the operation of the reciprocating engine to the fuel gas or
  • Condensate gas-carrying components such as compressor wheels or intake valves, to condense and / or deposit on it.
  • Condensate gas-carrying components such as compressor wheels or intake valves
  • layers of tar so-called resinous formations
  • resinous formations can form on the compressor wheels or inlet valves, which can lead to their failure or malfunction.
  • an operator of a power supply system may be a repair or replacement of a
  • Reciprocating engine mean a high financial cost.
  • the fuel gas obtained in the gasification process is usually subjected to a process for gas conditioning before it
  • the thermal oxidation has the disadvantage that the calorific value of the fuel gas is reduced by the partial oxidation of the fuel gas, which has a negative impact on the performance of the reciprocating engine in the further course.
  • a high technical and energy costs for cooling the fuel gas necessary before it is fed to the reciprocating engine have the disadvantage that they often fail or malfunction.
  • All methods for gas conditioning have the common further disadvantage that they mean a large additional construction costs for a power supply system. This is not desirable.
  • a known possibility is also to subject the fuel gas no gas conditioning, but to feed directly to the reciprocating engine.
  • the fuel gas no gas conditioning has a fuel gas mixture having proportions of air and the fuel gas, over such a high Brenngas Kunststoffgemisch- temperature far above the usual fuel gas mixture temperatures for
  • Combustion gas air mixtures is located in gas engines. In this way, condensation of the accompanying substances in the fuel gas can be avoided.
  • the disadvantage here is that at the high fuel gas mixture temperature, the combustion is very prone to tapping, compared with combustion at normal fuel gas mixture temperatures. To avoid knocking, and thus to prevent damage to the reciprocating engine, the performance of the reciprocating engine must be reduced as an unfavorable consequence, with the result of a reduced economy of the reciprocating engine and thus the
  • the object of the invention to provide a reciprocating engine, which can be operated with a fuel gas, without having the disadvantages mentioned.
  • a reciprocating engine is provided, with a combustion chamber for combustion
  • the combustion chamber has an intake valve and a piston, and the reciprocating engine further includes a valve controller for controlling the intake valve.
  • a fuel gas inlet for supplying the fuel gas to the air is present, wherein the fuel gas having such a fuel gas temperature and the fuel gas mixture has such a fuel gas mixture temperature at which the adjuncts of the fuel gas are gaseous, and
  • valve controller is configured to cause the inlet valve to close when the piston assumes a position before or after its bottom dead center.
  • a fuel gas in particular a synthetic gas supplied, which is obtained for example in a gasification process, reforming process or in the process industry, without the fuel gas must be subjected to gas conditioning, with the same Power of the reciprocating engine compared to a reciprocating engine with fuel gas after a gas conditioning.
  • a fuel gas coking gas or an accompanying gas is possible, for example, in the petroleum or
  • the reciprocating engine may include an air inlet for supplying air in a first embodiment.
  • the air inlet and the fuel gas inlet are fluidically connected to a gas mixing point for mixing air and fuel gas to the fuel gas mixture.
  • the gas mixing point is via a fuel gas duct and the inlet valve with the Combustion chamber of the reciprocating engine fluidly connected.
  • a charging unit with for example a compressor wheel and a
  • Compressor housing and / or a fuel gas cooler may be arranged.
  • the fuel gas air mixture can be flowed into the combustion chamber via the inlet valve via the fuel gas air line.
  • the fuel gas has such a high fuel gas temperature and the fuel gas mixture has such a high fuel gas mixture temperature, which is sufficient in each case to the fuel gas and fuel gas-carrying components of the
  • the fuel gas-carrying components include, for example, the fuel gas line, to the fuel gas-carrying components include the fuel gas duct, and for example compressor wheels or intake valves.
  • Tars are, for example, benzenes, toluenes, m / p-xylenes, o-xylenes, indane, indenes, naphthalenes, 2-methylnaphthalenes, 1-methylnaphthalenes, biphenyls, acenaphthylenes, acenaphthenes, fluerenes, phenanthrenes, anthracenes, fluoranantenes, pyrenes, octanes, nonanes , Deans and phenol.
  • Long chain hydrocarbons may have a molecular structure with more than two carbon atoms.
  • a condensation of the accompanying substances can be avoided if the fuel gas temperature and / or the fuel gas mixture temperature above the usual fuel gas temperatures and / or Brenngas Kunststoffgemisch temperatures of about 40 ° C to about 50 ° C for
  • Reciprocating engines especially gas engines, is located. This can be done by such
  • Air temperature and / or gas temperature can be achieved, in which the adjusting Brenngas Kunststoffgemisch temperature is above the condensation temperature of the accompanying substances.
  • high fuel gas temperature of about 50 ° C and high fuel gas mixture temperature follows according to the present invention advantageously no prone to knock combustion in the reciprocating engine, which can cause damage to the reciprocating engine.
  • Both combustion methods have in common that in a subsequent compression stroke, a compression end temperature of the combustion gas air mixture that is established in the combustion chamber is lower than in a combustion process in which the inlet valve usually closes.
  • the intake valve closes in a reciprocating engine, which drives an electric generator and predominantly runs at a constant speed at a
  • valve control is designed so that the intake valve closes at the crankshaft angle of about 609 ° and thus prevents leakage of fuel gas mixture from the cylinder.
  • the piston compresses the fuel gas air mixture, which adjusts the compression end temperature. Influencing factors on the
  • Compaction end temperature are u.a. the mass of fuel gas air mixture in the cylinder, and the fuel gas mixture temperature.
  • the compression end temperature has an influence on the knocking of the reciprocating piston engine.
  • a high compression end temperature ie high mass of fuel gas mixture and / or high fuel gas mixture temperature
  • the reciprocating engine tends to knock.
  • this is designed for a high mass fuel gas mixture, at a low Brenngas Kunststoffgemisch- temperature, so that the self-adjusting compression end temperature just below a maximum compression end temperature above which the reciprocating engine tends to knock.
  • the present invention utilizes the above-mentioned. Miller or Atkinson combustion advantageously the effect of the resulting lower compression end temperature. From the lower compression end temperature, the invention opens up the potential to increase the fuel gas mixture temperature so much that advantageously then the resulting compression end temperature is back to the usual level at which the combustion does not tend to knock. It follows advantageously in conjunction with an increase in boost pressure of the fuel gas mixture that an effective mean pressure at the reciprocating engine at a conventional level of about 12 bar as conventional reciprocating engines can remain, which are operated with a synthetic gas that has previously been subjected to, for example, a gas conditioning , As a consequence of the usual level of effective mean pressure, it follows that a power of the reciprocating engine having the features of the present invention also remains at a usual level.
  • An additional advantage of the increased fuel gas and / or Brenngas Kunststoffgemisch- temperature is that the accompanying substances are gaseous and do not condense on fuel gas-carrying components or deposit.
  • the shifts are gaseous and do not condense on
  • Fuel gas mixture temperature of about 50 ° C to about 600 mg / Nm 3 at a
  • Another advantage of the present invention is that the elimination of the gas conditioning, the calorific value of the fuel gas from the generation of the fuel gas to its combustion remains the same in the reciprocating engine. This is the chemically bound in the accompanying substances, especially tars and long-chain hydrocarbons in the
  • Power generation plant in addition to the generation of electrical energy and / or heat available. This increases the economy of the reciprocating motor and thus the power generation plant, because a device for gas conditioning omitted, or can be designed smaller than in a conventional power plant with synthetic gas can.
  • the efficiency of the power plant is increased by the present invention, while reducing capital and operating costs through extended maintenance intervals and reduced consumption of operating and combustibles.
  • the reciprocating engine having the air inlet and an air line, via the inlet valve to the combustion chamber of the reciprocating engine
  • the charging unit and / or an air cooler can be arranged in the air line.
  • the fuel gas inlet can be arranged in the cylinder and / or a spark plug, in particular prechamber spark plug.
  • the fuel gas inlet which may have its own inlet valve in the cylinder, for example, a
  • the fuel gas mixture in the cylinder / combustion chamber can advantageously be formed from air and the fuel gas, whereby a condensation or deposition of the
  • the fuel gas inlet for supplying the fuel gas is designed, which has a fuel gas temperature greater than 60 ° C.
  • the accompanying substances such as tars and hydrocarbons, in gaseous form.
  • the fuel gas inlet for supplying the fuel gas is designed, which has a combustion gas temperature between 65 ° C and 75 ° C.
  • conventional impurities such as tars and long-chain hydrocarbons are present in gaseous form in such a temperature range.
  • Fuel gas temperature between 65 ° C and 75 ° C do not condense the accompanying substances even after mixing the fuel gas to the air in the fuel gas mixture.
  • the fuel gas temperature is higher than a condensation temperature of an accompanying material, which has a highest condensation temperature of all accompanying substances.
  • the fuel gas temperature may be 30 ° C higher than the highest condensation temperature, in particular 20 ° C higher, optionally 15 ° C higher, for example, 10 ° C higher.
  • Fuel gases of different origin usually have a different composition and the accompanying gases.
  • the combustion gas temperature can be flexibly adapted to the highest condensation temperature. Consequently, the closing of the intake valve can then be adapted flexibly to the fuel gas temperature.
  • valve controls can be provided with different camshafts to close the inlet valve.
  • An additional advantage results, for example, with a variable valve control, based on the closing of the intake valve can be set to different crankshaft angles during operation of the reciprocating engine. In this way it is possible to adapt very spontaneously boundary conditions for the operation of the reciprocating engine with a very rapidly changing composition of the fuel gas. These boundary conditions include the combustion gas temperature due to the condensation temperature of the associated gases and the closing of the inlet valve.
  • valve control is coupled to a crankshaft and designed so that the intake valve at a
  • crankshaft angle less than 540 degrees closes.
  • the crankshaft sweeps 720 degrees during a full cycle.
  • the piston assumes a position above the bottom dead center in the intake stroke.
  • a mass of the fuel gas mixture which has flowed into the cylinder thus remains up to Igniting in the cylinder. It does not flow unburned fuel gas mixture from the cylinder before incipient combustion. Consequently, advantageously one must
  • Charger such as a turbocharger, only be designed so that in the degree of crank angle, in which the intake valve is open, even the mass
  • Fuel gas mixture flows into the cylinder, which is necessary for the combustion. Another advantage results from the closing of the inlet valve before the bottom dead center of the piston, that until reaching the bottom dead center of the piston the
  • Fuel gas air mixture expands, thereby cooling the fuel gas mixture and is heated again during compression, as soon as the piston to the top dead center of a
  • Compression stroke moves. Due to the fact that with the closing of the intake valve, a mass of fuel gas mixture in the cylinder can be set very accurately, advantageously results at the time of ignition, a defined compression end temperature of the fuel gas mixture, in which the combustion is not prone to tapping. Due to the precisely set mass of fuel gas mixture and the defined compression end temperature cyclic fluctuations in combustion during operation of the reciprocating engine are lower. Advantageously, it is thus possible to place the compression end temperature closer to a knock limit of the combustion. This results in a higher effective mean pressure and a higher power of the reciprocating engine than in a design of the combustion with a safety margin of the compression end temperature to the knock limit. Thus, in the present invention to avoid the condensation of the impurities in the fuel gas higher than usual fuel gas temperature can be compensated by a corresponding design of the combustion so that the reciprocating engine experiences no loss in performance.
  • the valve control is designed so that the intake valve at a crank shaft angle between 510 degrees and 535 degrees closes.
  • the intake valve at a crank shaft angle between 510 degrees and 535 degrees closes.
  • valve control is coupled to a crankshaft and designed so that the intake valve at a
  • Compression end temperature which does not tend to knock.
  • the fuel gas mixture is heated as it flows into the cylinder.
  • Another advantage results from the pushing back of a portion of the fuel gas mixture in that the heated fuel gas mixture, for example, heats the inlet channel and the inlet valve and prevents condensation of, as well as deposits by, accompanying substances.
  • the fuel gas mixture which flows in the next intake stroke additionally heated and thus additionally prevents condensation of impurities.
  • the fuel gas is a synthetic gas containing tars and / or long-chain hydrocarbons as impurities.
  • a synthetic gas is, for example, a gas that is produced during a gasification process, reforming process or in the process industry.
  • fuel gas is also a
  • Tars are, for example, benzenes, toluenes, m / p-xylenes, o-xylenes, indane, indenes, naphthalenes, 2-methylnaphthalenes, 1-methylnaphthalenes, biphenyls, acenaphthylenes, acenaphthenes, fluerenes, phenanthrenes, anthracenes, fluoroantennes, pyrenes, octanes, nonanes , Deans and phenol.
  • Tars are, for example, benzenes, toluenes, m / p-xylenes, o-xylenes, indane, indenes, naphthalenes, 2-methylnaphthalenes, 1-methylnaphthalenes, biphenyls, acenaphthylenes, acenaphthenes, flu
  • Long-chain hydrocarbons have a molecular structure with more than two
  • a system is provided with a reciprocating engine and a heating / cooling device for adjusting the fuel gas to a fuel gas temperature at which the adjuncts of the fuel gas remain gaseous, wherein the heating / cooling device
  • the fuel gas is independent of its inlet temperature, which has the fuel gas before it flows through a fuel gas line to the fuel gas inlet, can be heated or cooled to a fuel gas temperature at which the accompanying substances of the fuel gas are gaseous.
  • Fuel gas temperature of the fuel gas can also be conveniently set so that after mixing the fuel gas with air to a fuel gas mixture, a fuel gas mixture temperature of the fuel gas mixture so adjusts that the
  • the heating / cooling device is designed so that it adjusts the fuel gas to such a fuel gas temperature in a range of 1 ° C to 20 ° C, in particular in a range of 1 ° C to 10 ° C. , above a condensation temperature of one of the accompanying substances, which is the highest
  • Fuel gases of different origin usually have a different composition and the accompanying gases.
  • the combustion gas temperature can be flexibly adapted to the highest condensation temperature.
  • combustion of a fuel gas mixture in a combustion chamber wherein the fuel gas mixture air has fractions of air and a fuel gas, and the fuel gas contains impurities, and
  • a fuel gas is supplied via a fuel gas inlet to the reciprocating engine, which has a temperature such that the accompanying substances of the fuel gas are gaseous.
  • the intake valve is closed by means of the valve control when a piston of the combustion chamber assumes a position before or after its bottom dead center.
  • the reciprocating engine may also be a gas engine.
  • a fuel gas in particular a synthetic gas supplied, which is obtained for example in a gasification process, reforming process or in the process industry without the fuel gas must be subjected to gas conditioning.
  • a fuel gas also coking gas or an associated gas is possible, which is obtained for example in the oil or coal extraction.
  • a reciprocating engine in a first embodiment it can have an air inlet for supplying air and the fuel gas inlet.
  • the air inlet and the fuel gas inlet are fluidically connected to a gas mixing point for mixing air and fuel gas to the fuel gas mixture.
  • the fuel gas mixture has fractions of air and the fuel gas.
  • the gas mixing point is fluidly connected via a fuel gas air line and the inlet valve to the combustion chamber of the reciprocating engine.
  • a charging unit for example with a compressor wheel and a compressor housing, and / or a fuel gas air cooler can be arranged.
  • the fuel gas air mixture can be flowed into the combustion chamber via the inlet valve via the fuel gas air line.
  • the fuel gas and / or the fuel gas air mixture has such a high fuel gas temperature and / or fuel gas mixture temperature, which is sufficient that at fuel gas and / or fuel gas-carrying components of the reciprocating engine no
  • the fuel gas-carrying components include, for example, the fuel gas line, to the fuel gas-carrying components include the fuel gas duct, and for example compressor wheels or intake valves.
  • Tars are, for example, benzenes, toluenes, m / p-xylenes, o-xylenes, indane, indenes, naphthalenes, 2-methylnaphthalenes, 1-methylnaphthalenes, biphenyls, acenaphthylenes, acenaphthenes, fluerenes, phenanthrenes, anthracenes, fluoroantennes, pyrenes, octanes, nonanes , Deans and phenol.
  • Long-chain hydrocarbons can have a molecular structure with more than two
  • Condensation temperature of the accompanying substances is. Despite the high fuel gas temperature of over 50 ° C and / or high required to avoid condensation
  • Compression end temperature of the fuel gas mixture is lower than in a
  • the present invention advantageously utilizes this effect of resulting lower final compression temperature. This makes it possible to increase the fuel gas mixture temperature so much that advantageously then the resulting compression end temperature is back to the usual level at which the combustion is not prone to tapping. It follows advantageously in conjunction with an increase in boost pressure of
  • Reciprocating engine remains the same. This is the chemically bound in the accompanying substances, especially tars and long-chain hydrocarbons in the
  • Power generation plant in addition to the generation of electrical energy and / or heat available. This increases the economy of the reciprocating motor and thus the power generation plant, because a device for gas conditioning omitted, or can be designed smaller than in a conventional power plant with synthetic gas can.
  • the efficiency of the power plant is increased by the present invention, while reducing capital and operating costs through extended maintenance intervals and reduced consumption of operating and combustibles.
  • the reciprocating engine having the air inlet and an air line, via the inlet valve to the combustion chamber of the reciprocating engine
  • the Aufiadeaji and / or an air cooler can be arranged in the air line.
  • the fuel gas inlet can be arranged in the cylinder and / or a spark plug, in particular prechamber spark plug.
  • the Fuel gas can be injected directly into the cylinder / into the combustion chamber. This can advantageously from the air and the fuel gas, the fuel gas mixture in the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reciprocating engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a system with a reciprocating engine according to an embodiment of the present invention.
  • the table shows an example calculation for increasing a tar load in the fuel gas based on the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reciprocating engine 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a piston 30 is movably mounted in a cylinder 20, a piston 30 is movably mounted.
  • the piston 30 is movably connected to a crankshaft 40.
  • the crankshaft 40 is rotatably supported about its longitudinal axis 50.
  • a direction of rotation 60 of the crankshaft is shown by an arrow. In one complete revolution of the crankshaft 40 this sweeps a crank angle of 360 degrees.
  • the piston 30, a cylinder wall 70 of the cylinder 20, a cylinder head 80 arranged on the cylinder 20, an inlet valve 90 and an outlet valve 100 are parts of a combustion chamber 110
  • Inlet valve 90 and the exhaust valve 100 are controllable via a valve control 105.
  • the valve controller 105 is movably coupled to the crankshaft 40.
  • An air inlet 120 and a fuel gas inlet 130 are fluidly connected to a gas mixing point 140 for mixing air and fuel gas to the fuel gas air mixture.
  • the fuel gas mixture has fractions of air and the fuel gas.
  • the gas mixing point 140 is over a
  • Combustion gas air line 150 and the inlet valve 90 fluidly connected to the combustion chamber 110 of the reciprocating engine.
  • a charging unit 160 with a compressor 170 and a fuel gas air cooler 180 arranged.
  • the compressor 170 has an unillustrated compressor wheel and a compressor housing.
  • Exhaust line 190 is fluidly connected via the exhaust valve 100 to the combustion chamber 110.
  • a turbine 200 of the charging unit 160 is arranged in the exhaust pipe 190.
  • the fuel gas mixture formed in the gas mixing point 140 flows through the
  • the boost pressure is to be understood as overpressure above atmospheric pressure.
  • the fuel gas mixture passes through the fuel gas air cooler 180, where it is cooled to a fuel gas mixture temperature of about 70 ° C, via the inlet valve 90 into the combustion chamber 110.
  • the combustion chamber 110 burns
  • Fuel gas mixture, the resulting exhaust gases flow through the exhaust pipe 190 and the turbine 200 into the atmosphere.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a system 210 having a
  • FIG. 2 essentially corresponds to FIG. 1.
  • a system 210 is shown in which the reciprocating engine 10 is a part thereof.
  • Another part of the system 210 is a heating / cooling device 220, which is fluidly connected to the fuel gas inlet 130. With the heating / cooling device 220, the fuel gas can be adjusted to such a fuel gas temperature at which the by-products of the fuel gas to the gas mixing point 140 and in the
  • Combustion gas air mixture in the fuel gas line 150 remain gaseous.
  • the table shows the potential of increasing a tar content in the fuel gas by the present invention.
  • a third superordinate column of the table the state of the fuel gas mixture according to the charging unit is described. Under the state of the fuel gas mixture is understood here the boost pressure, fuel gas mixture temperature and relative tar moisture in the fuel gas mixture.
  • steps 1 to 4 Starting from a first step with a gas engine with a standard configuration and after each further step with a change of the gas engine or the fuel gas compared to the previous step, a respective state of the fuel gas before the gas mixing point, a state of the fuel gas mixture after the charging and a Condition of the fuel gas mixture in the cylinder at the bottom dead center of the piston during the intake stroke
  • the fuel gas has a
  • Fuel gas temperature of usually about 50 ° C and a fuel gas pressure of about 0.2 bar.
  • the fuel gas pressure as well as all the pressures mentioned below are as overpressures above the To understand atmospheric pressure.
  • the fuel gas has, for example, a tar content of about 200 mg / Nm 3 . This results in the fuel gas, a relative tar moisture of about 95%.
  • a tar moisture means the proportion of gaseous tar content in a gas mixture, here in the fuel gas.
  • the relative tar moisture gives for the current temperature and pressure the ratio of the instantaneous gaseous tar content to the maximum possible gaseous tar content in the gas mixture, here the fuel gas.
  • a reference temperature of the fuel gas mixture of approximately 43 ° C. is established.
  • the reference temperature of the fuel gas mixture in the cylinder is the temperature that is established when the piston is at the bottom dead center in the intake stroke. Starting from the reference temperature, in the following compression stroke of the conventional gas engine, such a compression end temperature of the fuel gas mixture occurs, in which combustion does not tend to knock.
  • Combustion cycle does not allow sufficient time for the condensed tars to attach to components, such as valves, pistons or cylinder walls.
  • the Miller Combustion Method is used on the conventional gas engine described above, where the valve timing is such that the intake valve closes before the piston reaches bottom dead center in the intake stroke, in the present case, the intake valve closes at a crankshaft angle of 530 degrees In comparison, the intake valve in a conventional gas engine closes at a
  • the fuel gas temperature, the fuel gas pressure, the tar content and the relative tar moisture before the gas mixing point correspond to the values as in step 1 before the gas mixing point of the conventional gas engine.
  • Combustion gas air mixture a relative tar moisture of about 90%. This is from the
  • step 2 In order to avoid tar condensation - due to the "Miller combustion process" carried out in step 2 - in components carrying fuel gas, in a third step the states shown in step 2 are shown at elevated fuel gas temperature or fuel gas mixture temperature.
  • the fuel gas temperature is approx. 70 ° C.
  • a constant fuel gas pressure of 0.2 bar and a constant tar content in the fuel gas of about 200 mg / Nm 3 as in the gas engine with "Miller combustion process" from step 2, the relative tar moisture in the fuel gas drops to about 30% removed from the saturation limit of 100%, so that no tar condenses in the fuel gas-carrying components.
  • Compression end temperature which corresponds to the compression end temperature of the conventional gas engine, where the combustion is prone to knocking.
  • step 3 Based on the resulting in step 3 relative tar moisture of 30% in
  • Fuel gas mixture according to the charging unit is shown in step 4, at which value the tar content may be in the fuel gas, so that in the fuel gas mixture after the charging unit again results in a relative tar moisture of 90%, the
  • the tar content in the fuel gas is about 600 mg / Nm 3 .
  • the fuel gas temperature of about 70 ° C and the fuel gas pressure of about 0.2 bar remain the same. This results in a relative tar moisture in the fuel gas of about 95%. This is from the
  • Components of the reciprocating piston engine carrying fuel gas or in the system with reciprocating piston engine.
  • a tar content in the fuel gas is possible, which is above the tar content in conventional gas engines.
  • the tar content is in a range from 200 mg / Nm 3 to 950 mg / Nm 3 , preferably between 300 mg / Nm 3 and 700 mg / Nm 3 , more preferably between 400 mg / Nm 3 and 650 mg / Nm 3 .
  • the possible tar content in the fuel gas is so high that no or only a small gas conditioning is necessary to remove the accompanying substances from the synthetic gas.
  • a relative tar moisture in the fuel gas in a range of 50% to 95%, preferably between 55% and 95%, more preferably between 60 % and 95%, possible.
  • the power of the reciprocating engine according to the invention can remain the same in the
  • a piston engine designed according to the invention has an effective mean pressure of about 12 bar, whereby the same level of performance is achieved by a conventional gas engine.
  • the invention is also applicable to reciprocating engines with effective mean pressures in a range of 8 to 15 bar.
  • effective mean pressures with approximate values of 9, 10, 11, 13 or 14 bar.

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Abstract

Hubkolbenmotor und System mit einem Hubkolbenmotor sowie Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors Hubkolbenmotor mit einem Brennraum zum Verbrennen eines Brenngasluftgemisches, das Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, das Begleitstoffe enthält, wobei der Brennraum ein Einlassventil und einen Kolben aufweist, und einer Ventilsteuerung zum Steuern des Einlassventils, wobei zur Bildung des Brenngasluftgemisches ein Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases zur Luft vorhanden ist, wobei das Brenngas eine solche Brenngastemperatur aufweist und das Brenngasluftgemisch eine solche Brenngasluftgemisch-Temperatur aufweist, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind, und die Ventilsteuerung so ausgestaltet ist, dass sie ein Schließen des Einlassventils veranlasst, wenn der Kolben eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt.

Description

BESCHREIBUNG
Hubkolbenmotor und System mit einem Hubkolbenmotor sowie Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors
Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einem solchen Hubkolbenmotor. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Im Bereich der Energieversorgung ist eine Möglichkeit durch Verbrennung eines Brenngases die darin chemisch gebundene Energie in elektrische Energie oder Wärme umzuwandeln. Dabei kann das Brenngas ein synthetisches Gas sein, das beispielsweise bei einem
Vergasungsprozess von Kohle oder organischem Material wie Holz, Biomasse oder landwirtschaftlichen Produkten anfällt. Das synthetische Gas wird beispielsweise als Brennstoff einer Energieversorgungsanlage zugeführt, bei der ein Hubkolbenmotor einen elektrischen Generator antreibt. Je nach Art der Energieversorgungsanlage wird entweder nur die im elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie verwendet, beispielsweise in ein elektrisches Netz eingespeist, oder gleichzeitig noch die im Hubkolbenmotor entstehende Wärme zum Heizen oder Kühlen, beispielsweise von Gebäuden, verwendet. Das durch den Vergasungsprozess gewonnene synthetische Gas enthält üblicherweise Teere und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe als Begleitstoffe. Die Teere und/oder langkettigen
Kohlenwasserstoffe sind zusammengefasst auch als Teerfracht bekannt. Diese Begleitstoffe neigen dazu im Betrieb des Hubkolbenmotors an dessen brenngas- oder
brenngasluftführenden Bauteilen, beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile, zu kondensieren und/oder sich darauf abzulagern. Über eine gewisse Zeitdauer können sich so beispielsweise Schichten aus Teer, sogenannte Verharzungen, auf den Verdichterrädern oder Einlassventilen bilden, die zu deren Versagen oder Fehlfunktionen führen können. Für einen Betreiber einer Energieversorgungsanlage kann eine Reparatur oder ein Ersatz eines
Hubkolbenmotors einen hohen finanziellen Aufwand bedeuten. Um diese Nachteile zu umgehen wird üblicherweise das im Vergasungsprozess gewonnene Brenngas einem Verfahren zur Gaskonditionierung unterzogen, bevor es dem
Hubkolbenmotor zugeführt wird. Bekannte Verfahren zur Gaskonditionierung, d.h.
Reduzierung der Teere und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffe im Brenngas, sind das Auswaschen dieser Begleitstoffe beispielsweise mit Wasser oder Biodiesel. Ein anderes Verfahren ist die thermische Oxidation. Dabei wird das Brenngas auf eine Temperatur von über 1000 °C erhitzt und unter zusätzlicher Sauerstoff- oder Luftzufuhr teilweise unter Energiefreisetzung oxidiert. Als weitere Verfahren zur Gaskonditionierung sind
Filterverfahren und Kondensationsverfahren bekannt.
Von den o.g. Verfahren zur Gaskonditionierung hat die thermische Oxidation den Nachteil, dass durch die teilweise Oxidation des Brenngases der Heizwert des Brenngases reduziert wird, was im weiteren Verlauf negativen Einfluss auf die Leistung des Hubkolbenmotors hat. Zusätzlich ist ein hoher technischer und energetischer Aufwand zur Kühlung des Brenngases notwendig, bevor es dem Hubkolbenmotor zugeführt wird. Die anderen genannten Verfahren - Auswaschen, Filterverfahren und Kondensationsverfahren -, haben den Nachteil, dass sie oft versagen oder Fehlfunktionen aufweisen. Dadurch kommen die Teere und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffe in den Hubkolbenmotor und können die o.g. Schäden verursachen. Alle Verfahren zur Gaskonditionierung haben den gemeinsamen weiteren Nachteil, dass sie einen großen zusätzlichen baulichen Aufwand für eine Energieversorgungsanlage bedeuten. Dies ist nicht wünschenswert.
Eine bekannte Möglichkeit ist auch, das Brenngas keiner Gaskonditionierung zu unterziehen, sondern direkt dem Hubkolbenmotor zuzuführen. Dabei verfügt ein Brenngasluftgemisch, das Anteile aus Luft und dem Brenngas aufweist, über eine so hohe Brenngasluftgemisch- Temperatur, die weit über den üblichen Brenngasluftgemisch-Temperaturen für
Brenngasluftgemische bei Gasmotoren liegt. Auf diese Weise kann eine Kondensation der Begleitstoffe im Brenngas vermieden werden. Nachteilig ist dabei, dass bei der hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur die Verbrennung sehr stark zum Klopfen neigt, verglichen mit einer Verbrennung bei üblichen Brenngasluftgemisch-Temperaturen. Um das Klopfen zu vermeiden, und damit Schäden am Hubkolbenmotor zu verhindern, muss als ungünstige Konsequenz die Leistung des Hubkolbenmotors reduziert werden, mit der Folge einer verminderten Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der
Energieerzeugungsanlage. Dies ist ebenso nicht wünschenswert.
Daher ist die Aufgabe der Erfindung einen Hubkolbenmotor bereit zu stellen, der mit einem Brenngas betrieben werden kann, ohne die genannten Nachteile aufzuweisen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen zum Hubkolbenmotor der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.
Gemäß der Erfindung ist ein Hubkolbenmotor vorgesehen, mit einem Brennraum zum
Verbrennen eines Brenngasluftgemisches, das Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, das Begleitstoffe enthält. Der Brennraum weist ein Einlassventil und einen Kolben auf, und der Hubkolbenmotor weist weiter eine Ventilsteuerung zum Steuern des Einlassventils auf. Darüber hinaus ist zur Bildung des Brenngasluftgemisches ein Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases zur Luft vorhanden, wobei das Brenngas eine solche Brenngastemperatur aufweist und das Brenngasluftgemisch eine solche Brenngasluftgemisch-Temperatur aufweist, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind, und
die Ventilsteuerung so ausgestaltet ist, dass sie ein Schließen des Einlassventils veranlasst, wenn der Kolben eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt.
Vorteilhafterweise kann auf diese Weise dem Hubkolbenmotor, und damit letztendlich einer Energieversorgungsanlage, ein Brenngas, insbesondere ein synthetisches Gas, zugeführt werden, das beispielsweise bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsverfahren oder in der Prozessindustrie anfällt, ohne dass das Brenngas einer Gaskonditionierung unterzogen werden muss, bei gleichbleibender Leistung des Hubkolbenmotors im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor mit Brenngas nach einer Gaskonditionierung. Als Brenngas ist auch Kokereigas oder ein Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder
Kohlegewinnung anfällt.
Der Hubkolbenmotor kann in einer ersten Ausführung einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft aufweisen. Der Lufteinlass und der Brenngaseinlass sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Die Gasmischstelle ist über eine Brenngasluftleitung und das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors strömungstechnisch verbunden. In der Brenngasluftleitung kann eine Aufladeeinheit, mit beispielsweise einem Verdichterrad und einem
Verdichtergehäuse, und/oder ein Brenngasluftkühler angeordnet sein.
Über die Brenngasluftleitung ist das Brenngasluftgemisch über das Einlassventil in den Brennraum einströmbar. Dabei verfügt das Brenngas über eine so hohe Brenngastemperatur und verfügt das Brenngasluftgemisch über eine so hohe Brenngasluftgemisch-Temperatur, die jeweils ausreicht, dass an brenngas- und brenngas luftführenden Bauteilen des
Hubkolbenmotors keine Kondensation der Begleitstoffe, insbesondere von Teeren und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffen, stattfinden kann.
Zu den brenngasführenden Bauteilen gehört beispielsweise die Brenngasleitung, zu den brenngasluftführenden Bauteilen gehören die Brenngasluftleitung, sowie beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p- Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2-Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol. Langkettige Kohlenwasserstoffe können eine Molekülstruktur mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen aufweisen.
Eine Kondensation der Begleitstoffe kann vermieden werden, wenn die Brenngastemperatur und/oder die Brenngasluftgemisch-Temperatur über den üblichen Brenngastemperaturen und/oder Brenngasluftgemisch-Temperaturen von ca. 40 °C bis ca. 50 °C für
Hubkolbenmotoren, insbesondere Gasmotoren, liegt. Dies kann durch eine solche
Lufttemperatur und/oder Brenngastemperatur erreicht werden, bei der die sich einstellende Brenngasluftgemisch-Temperatur über der Kondensationstemperatur der Begleitstoffe liegt. Trotz der zur Vermeidung von Kondensation notwendigen hohen Brenngastemperatur von über 50 °C und hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur folgt gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise keine zum Klopfen neigende Verbrennung im Hubkolbenmotor, die Schäden am Hubkolbenmotor verursachen kann. Je nachdem bei welcher Stellung des Kolbens das Einlassventil schließt, liegt ein Grund der nicht zum Klopfen neigenden
Verbrennung im sogenannten„Miller-Brennverfahren", bei dem die Ventilsteuerung so ausgelegt ist, dass das Einlassventil schließt, bevor der Kolben in einem Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt.
Ein anderer Grund für die nicht zum Klopfen neigende Verbrennung liegt im sogenannten „Atkinson- Brennverfahren", bei dem das Einlassventil schließt, nachdem der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt durchschritten hat und im Verdichtungstakt eine Lage kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts einnimmt.
Beiden Brennverfahren ist gemein, dass in einem sich anschließenden Verdichtungstakt eine sich im Brennraum einstellende Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches geringer ist als bei einem Brennverfahren, bei dem das Einlassventil üblicherweise schließt.
Üblicherweise schließt das Einlassventil bei einem Hubkolbenmotor, der einen elektrischen Generator antreibt und überwiegend bei einer konstanten Drehzahl läuft, bei einem
Kurbelwellen winkel von ca. 609°. Somit schließt das Einlassventil erst, obwohl sich der Kolben bereits Richtung oberen Totpunkt bewegt. Auf diese Weise wird ein Nachladeffekt ausgenutzt, der zu einer höheren Masse an Brennstoffluftgemisch im Zylinder führt als theoretisch aufgrund des Zylindervolumens möglich ist. Ursache für den Nachladeeffekt ist die Trägheit des in den Zylinder strömenden Brenngasluftgemisches, wodurch in einem gewissen Kurbelwellenwinkelbereich nach dem unteren Totpunkt des Kolbens noch zusätzlich Brennstoffluftgemisch in den Zylinder strömt, obwohl sich der Kolben bereits Richtung oberen Totpunkt bewegt. Erst bei einem Kurbelwellenwinkel größer als ca. 609° ist der Druck im Zylinder so groß, dass er die Trägheit des in den Zylinder strömenden
Brenngasluftgemisches abbremst und ein weiteres Einströmen von Brenngasluftgemisch versiegt. Aus diesem Grund ist die Ventilsteuerung so ausgelegt, dass das Einlassventil beim Kurbelwellenwinkel von ca. 609° schließt und so ein Ausströmen von Brenngasluftgemisch aus dem Zylinder verhindert wird.
Im anschließenden Verdichtungstakt verdichtet der Kolben das Brenngasluftgemisch wodurch sich die Verdichtungsendtemperatur einstellt. Einflussgrößen auf die
Verdichtungsendtemperatur sind u.a. die Masse an Brenngas luftgemisch im Zylinder, sowie die Brenngasluftgemisch-Temperatur.
Die Verdichtungsendtemperatur hat Einfluss auf das Klopfen des Hubkolbenmotors. Bei einer hohen Verdichtungsendtemperatur, d.h. hohen Masse an Brenngasluftgemisch und/oder hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur neigt der Hubkolbenmotor verstärkt zum Klopfen. Um eine hohe Leistungsausbeute und damit Effizienz des Hubkolbenmotors zu erhalten wird dieser auf eine hohe Masse an Brenngasluftgemisch ausgelegt, bei einer niedrigen Brenngasluftgemisch- Temperatur, so dass die sich einstellende Verdichtungsendtemperatur gerade noch unterhalb einer maximalen Verdichtungsendtemperatur liegt, oberhalb der der Hubkolbenmotor zum Klopfen neigt.
Die vorliegende Erfindung nutzt durch das o.g. Miller- oder Atkinson-Brennverfahren vorteilhafterweise den Effekt der resultierenden geringeren Verdichtungsendtemperatur. Aus der geringeren Verdichtungsendtemperatur erschließt die Erfindung das Potenzial die Brenngasluftgemisch-Temperatur soweit zu erhöhen, dass vorteilhafterweise dann die resultierende Verdichtungsendtemperatur wieder auf dem üblichen Niveau ist, bei dem die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Daraus folgt vorteilhafterweise in Verbindung mit einer Erhöhung eines Ladedrucks des Brenngasluftgemisches, dass ein effektiver Mitteldruck am Hubkolbenmotor auf einem üblichen Niveau von ca. 12 bar wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren verbleiben kann, die mit einem synthetischen Gas betrieben werden, das vorher beispielsweise einer Gaskonditionierung unterzogen wurde. Als Konsequenz aus dem üblichem Niveau des effektiven Mitteldrucks folgt, dass eine Leistung des Hubkolbenmotors, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, ebenfalls auf einem üblichen Niveau verbleibt. Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Brenngas- und/oder Brenngasluftgemisch- Temperatur ist, dass die Begleitstoffe gasförmig sind und nicht an brenngasluftführenden Bauteilen kondensieren oder sich ablagern. Vorteilhafterweise verlagert sich die
Kondensation der Begleitstoffe in den Brennraum. Dies ist unproblematisch, weil in dem Zeitraum vom Beginn des Ansaugtakts bis zum Beginn des Verdichtungstakts, die Zeitspanne in der Kondensation der Begleitstoffe stattfinden kann sehr kurz ist. Im anschließenden Verdichtungstakt verdampfen die kondensierten Begleitstoffe gleich wieder. Mit der folgenden Zündung und Verbrennung des Brenngasluftgemisches samt der Begleitstoffe verbleibt in einem vollständigen Arbeitsspiel im Endeffekt keine Zeit für eine Ablagerung der Begleitstoffe im Brennraum, beispielsweise am Kolben, Zylinderwand oder Zylinderkopf. Als Vorteil ergeben sich brenngasluftführende Bauteile, die frei von Ablagerungen sind. Besonders vorteilhaft ergibt sich daraus eine Steigerung des Anteils der Begleitstoffe, insbesondere der Teere, der sogenannten Teerfracht, im Brenngas von üblicherweise ca. 200 mg/Nm3 (Milligramm pro Normkubikmeter) bei einer Brenngastemperatur und/oder
Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C auf ca. 600 mg/Nm3 bei einer
Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch den Entfall der Gaskonditionierung der Heizwert des Brenngases von der Erzeugung des Brenngases bis zu dessen Verbrennung im Hubkolbenmotor gleich bleibt. Damit steht die in den Begleitstoffen chemisch gebundene Energie, insbesondere der Teere und langkettigen Kohlenwasserstoffe, in der
Energieerzeugungsanlage zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme zur Verfügung. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der Energieerzeugungsanlage, weil eine Vorrichtung zur Gaskonditionierung entfallen, oder kleiner als bei einer konventionellen Energieerzeugungsanlage mit synthetischem Gas ausgelegt werden, kann. Die Effizienz der Energieerzeugungsanlage wird durch die vorliegende Erfindung erhöht, bei gleichzeitig reduzierten Investitions- und Betriebskosten durch verlängerte Wartungsintervalle und einen verringerten Verbrauch an Betriebs- und Brennstoffen.
In einer zweiten Ausführung kann der Hubkolbenmotor den Lufteinlass und eine Luftleitung aufweisen, die über das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors
strömungstechnisch verbunden ist. In der Luftleitung kann die Aufladeeinheit und/oder ein Luftkühler angeordnet sein. Der Brenngaseinlass kann im Zylinder und/oder einer Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, angeordnet sein. Dadurch ist über den Brenngaseinlass, der ein eigenes Einlassventil in den Zylinder aufweisen kann, beispielsweise ein
Brenngaseinlassventil, das Brenngas direkt in den Zylinder/ in den Brennraum einströmbar. Dadurch kann sich vorteilhafterweise aus Luft und dem Brenngas das Brenngasluftgemisch im Zylinder/Brennraum bilden, wodurch eine Kondensation oder Ablagerung der
Begleitstoffe in luftführenden Bauteilen, beispielsweise der Aufladeeinheit, verhindert wird. In einer dritten Ausführung sind Kombinationen aus der ersten und der zweiten Ausführung möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet, das eine Brenngastemperatur größer als 60 °C aufweist.
Vorteilhafterweise liegen bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C die Begleitstoffe, wie Teere und Kohlenwasserstoffe, gasförmig vor. Bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C kondensieren die Begleitstoffe auch nach einem Zumischen des Brenngases zur Luft im Brenngasluftgemisch nicht. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet, das eine Brenngastemperatur zwischen 65 °C und 75 °C aufweist. Vorteilhafterweise liegen übliche Begleitstoffe wie Teere und langkettige Kohlenwasserstoffe in einem solchen Temperaturbereich gasförmig vor. Bei einer
Brenngastemperatur zwischen 65 °C und 75 °C kondensieren die Begleitstoffe auch nach einem Zumischen des Brenngases zur Luft im Brenngasluftgemisch nicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brenngastemperatur höher als eine Kondensationstemperatur eines Begleitstoffs, der von allen Begleitstoffen eine höchste Kondensationstemperatur aufweist. Die Brenngastemperatur kann 30 °C höher sein als die höchste Kondensationstemperatur, insbesondere 20 °C höher, gegebenenfalls 15 °C höher, beispielsweise auch 10 °C höher. Brenngase unterschiedlicher Herkunft haben üblicherweise eine unterschiedliche Zusammensetzung auch der Begleitgase.
Vorteilhafterweise kann mit der vorliegenden Erfindung die Brenngastemperatur an die höchste Kondensationstemperatur flexibel angepasst werden. Demzufolge kann dann auch das Schließen des Einlassventils flexibel an die Brenngastemperatur angepasst werden. Für verschiedene Anwendungen des Hubkolbenmotors oder einer Energieerzeugungsanlage mit dem Hubkolbenmotor können so Ventilsteuerungen mit unterschiedlichen Nockenwellen zum Schließen des Einlassventils bereitgestellt werden. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich beispielsweise mit einer variablen Ventilsteuerung, anhand der während des Betriebs des Hubkolbenmotors das Schließen des Einlassventils zu unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer sich sehr schnell ändernden Zusammensetzung des Brenngases sehr spontan Randbedingungen für den Betrieb des Hubkolbenmotors anzupassen. Zu diesen Randbedingungen gehören die Brenngastemperatur aufgrund der Kondensationstemperatur des Begleitgase und das Schließen des Einlassventils.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt und so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem
Kurbelwellenwinkel kleiner als 540 Grad schließt. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor umstreicht die Kurbelwelle während eines vollständigen Arbeitsspiels 720 Grad. Beim Schließen des Einlassventils bei einem Kurbelwellenwinkel kleiner als 540 Grad nimmt der Kolben eine Stellung oberhalb des unteren Totpunkts im Ansaugtakt ein. Vorteilhafterweise bleibt so eine Masse des in den Zylinder eingeströmten Brenngasluftgemischs bis zum Zünden im Zylinder. Es strömt vor einer einsetzenden Verbrennung kein unverbranntes Brenngasluftgemisch aus dem Zylinder. Demzufolge muss vorteilhafterweise eine
Aufladeeinheit, beispielsweise ein Turbolader, nur so ausgelegt werden, dass in den Grad Kurbelwinkel, in denen das Einlassventil geöffnet ist, auch nur die Masse an
Brenngasluftgemisch in den Zylinder einströmt, die für die Verbrennung notwendig ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Schließen des Einlassventils vor dem unteren Totpunkt des Kolbens, dass bis zum Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens das
Brenngasluftgemisch expandiert, dabei das Brenngasluftgemisch abkühlt und sich beim Verdichten wieder erhitzt, sobald sich der Kolben zum oberen Totpunkt eines
Verdichtungstaktes bewegt. Aufgrund dessen, dass mit dem Schließen des Einlassventils eine Masse an Brenngasluftgemisch im Zylinder sehr genau eingestellt werden kann, ergibt sich vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Zündung eine definierte Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemischs, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Durch die genau eingestellte Masse an Brenngasluftgemisch und die definierte Verdichtungsendtemperatur sind zyklische Schwankungen der Verbrennung im Betrieb des Hubkolbenmotors geringer. Vorteilhafterweise ist es somit möglich die Verdichtungsendtemperatur näher an eine Klopfgrenze der Verbrennung zu legen. Daraus resultiert ein höherer effektiver Mitteldruck und eine höhere Leistung des Hubkolbenmotors als bei einer Auslegung der Verbrennung mit einem Sicherheitsabstand der Verdichtungsendtemperatur zur Klopfgrenze. Somit kann die in der vorliegenden Erfindung zur Vermeidung der Kondensation der Begleitstoffe im Brenngas höher als übliche Brenngastemperatur durch eine entsprechende Auslegung der Verbrennung so kompensiert werden, dass der Hubkolbenmotor keine Einbußen in der Leistung erfährt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem Kurbel wellenwinkel zwischen 510 Grad und 535 Grad schließt. Für die Brenngastemperatur, bei der die Begleitstoffe gasförmig sind, ergibt sich beim Schließen des Einlassventils bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen 510 Grad und 535 Grad vorteilhafterweise eine Verdichtungsendtemperatur, bei der die
Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt und so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem
Kurbelwellenwinkel größer als 610 Grad schließt. Auf dem Weg zum oberen Totpunkt schiebt der Kolben im Verdichtungstakt einen Teil des im Ansaugtakt angesaugten
Brenngasluftgemischs wieder zurück in einen Einlasskanal, bis das Einlassventil schließt. Das im Brennraum verbliebene Brenngasluftgemisch wird vom Kolben weiter verdichtet.
Dadurch, dass nicht das gesamte angesaugte Brenngasluftgemisch verdichtet wird, erreicht es, trotz erhöhter Brenngastemperatur, vorteilhafterweise eine solche
Verdichtungsendtemperatur, die nicht zum Klopfen neigt. Im Ansaugtakt erwärmt sich das Brenngasluftgemisch beim Einströmen in den Zylinder. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Zurückschieben eines Teils des Brenngasluftgemisches dadurch, dass das erwärmte Brenngasluftgemisch beispielsweise den Einlasskanal und das Einlassventil erwärmt und Kondensation von, sowie Ablagerungen durch, Begleitstoffe verhindert. Weiter wird das Brenngasluftgemisch das im nächsten Ansaugtakt einströmt zusätzlich erwärmt und so Kondensation von Begleitstoffen zusätzlich verhindert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Brenngas ein synthetisches Gas, das Teere und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe als Begleitstoffe enthält. Ein synthetisches Gas ist beispielsweise ein Gas, das bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsprozess oder bei der Prozessindustrie anfällt. Als Brenngas ist auch ein
Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder Kohlegewinnung anfällt. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p-Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2- Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol.
Langkettige Kohlenwasserstoffe weisen eine Molekülstruktur mit mehr als zwei
Kohlenstoffatomen auf.
Eine weitere Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem System mit einem Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen zum System der Erfindung ist dem abhängigen Anspruch 9 zu entnehmen.
Gemäß der Erfindung ist ein System vorgesehen mit einem Hubkolbenmotor und einer Heiz- /Kühlvorrichtung zum Einstellen des Brenngases auf eine Brenngastemperatur, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig bleiben, wobei die Heiz-/Kühlvorrichtung
strömungstechnisch mit dem Brenngaseinlass verbunden ist. Vorteilhafterweise ist so das Brenngas unabhängig von seiner Eintrittstemperatur, die das Brenngas aufweist, bevor es durch eine Brenngasleitung zum Brenngaseinlass strömt, auf eine Brenngastemperatur heiz- oder kühlbar, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind. Die
Brenngastemperatur des Brenngases kann auch günstigerweise so eingestellt werden, dass sich nach einem Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngasluftgemisch, eine Brenngasluftgemisch-Temperatur des Brenngasluftgemisches so einstellt, dass die
Begleitstoffe des Brenngases gasförmig bleiben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Heiz -/Kühlvorrichtung so ausgestaltet, dass sie das Brenngas auf eine solche Brenngastemperatur einstellt, die in einem Bereich von 1 °C bis 20 °C, insbesondere in einem Bereich von 1 °C bis 10 °C, über einer Kondensationstemperatur eines der Begleitstoffe liegt, der die höchste
Kondensationstemperatur der Begleitstoffe aufweist. Brenngase unterschiedlicher Herkunft haben üblicherweise eine unterschiedliche Zusammensetzung auch der Begleitgase.
Vorteilhafterweise kann mit der vorliegenden Erfindung die Brenngastemperatur an die höchste Kondensationstemperatur flexibel angepasst werden.
Dabei wird optimalerweise nur eine solche Heiz-/Kühlleistung aufgewendet, die zum
Gewährleisten eines gasförmigen Zustands der Begleitstoffe notwendig ist. Plus einem Sicherheitsbereich in der Temperatur, um unvorhersehbare Temperatureinflüsse auf das Brenngas oder das Brenngasluftgemisch zu kompensieren.
Eine zusätzliche Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors
mit den folgenden Verfahrensschritten vorgesehen: Verbrennen eines Brenngasluftgemisches in einem Brennraum, wobei das Brenngasluftgemisch Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, und das Brenngas Begleitstoffe enthält, und
Steuern eines Einlassventils des Brennraums mittels einer Ventilsteuerung. Dabei wird über einen Brenngaseinlass dem Hubkolbenmotor ein Brenngas zugeführt, das eine solche Temperatur aufweist, dass die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind. Weiter wird das Einlassventil mittels der Ventilsteuerung geschlossen, wenn ein Kolben des Brennraums eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt. Der Hubkolbenmotor kann auch ein Gasmotor sein.
Vorteilhafterweise kann auf diese Weise einer Energieerzeugungsanlage, und damit letztendlich dem Hubkolbenmotor, ein Brenngas, insbesondere ein synthetisches Gas, zugeführt werden, das beispielsweise bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsprozess oder bei der Prozessindustrie anfällt, ohne dass das Brenngas einer Gaskonditionierung unterzogen werden muss. Als Brenngas ist auch Kokerei gas oder ein Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder Kohlegewinnung anfällt.
Je nach Ausführung eines Hubkolbenmotors kann dieser in einer ersten Ausführung einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft und den Brenngaseinlass aufweisen. Der Lufteinlass und der Brenngaseinlass sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Das Brenngasluftgemisch weist Anteile aus Luft und dem Brenngas auf. Die Gasmischstelle ist über eine Brenngasluftleitung und das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors strömungstechnisch verbunden. In der Brenngasluftleitung kann eine Aufladeeinheit, mit beispielsweise einem Verdichterrad und einem Verdichtergehäuse, und/oder ein Brenngasluftkühler angeordnet sein. Über die Brenngasluftleitung ist das Brenngasluftgemisch über das Einlassventil in den Brennraum einströmbar. Dabei verfügt das Brenngas und/oder das Brenngasluftgemisch über eine so hohe Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur, die ausreicht, dass an brenngas- und/oder brenngasluftführenden Bauteilen des Hubkolbenmotors keine
Kondensation der Begleitstoffe, insbesondere von Teeren und/oder langkettigen
Kohlenwasserstoffen, stattfinden kann. Zu den brenngasführenden Bauteilen gehört beispielsweise die Brenngasleitung, zu den brenngasluftführenden Bauteilen gehören die Brenngasluftleitung, sowie beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p-Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2- Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol.
Langkettige Kohlenwasserstoffe können eine Molekülstruktur mit mehr als zwei
Kohlenstoffatomen aufweisen. Es kommt nur dann zu keiner Kondensation der Begleitstoffe, wenn die Brenngastemperatur und/oder die Brenngasluftgemisch-Temperatur über den üblichen Brenngastemperaturen von ca. 40 °C bis ca. 50 °C und/oder Brenngasluftgemisch- Temperaturen für Hubkolbenmotoren, insbesondere Gasmotoren, liegt. Dies kann durch eine solche Lufttemperatur und/oder Brenngastemperatur an der Gasmischstelle erreicht werden, bei der die sich einstellende Brenngasluftgemisch-Temperatur über der
Kondensationstemperatur der Begleitstoffe liegt. Trotz der zur Vermeidung von Kondensation notwendigen hohen Brenngastemperatur von über 50 °C und/oder hohen
Brenngasluftgemisch-Temperatur folgt in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise keine zum Klopfen neigende Verbrennung im Hubkolbenmotor, die Schäden am
Hubkolbenmotor verursachen kann. Je nachdem bei welcher Stellung des Kolbens das Einlassventil schließt, liegt ein Grund in der nicht zum Klopfen neigenden Verbrennung im sogenannten„Miller-Brennverfahren", bei dem die Ventilsteuerung so ausgelegt ist, dass das Einlassventil schließt bevor der Kolben in einem Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Ein anderer Grund in der nicht zum Klopfen neigenden Verbrennung liegt im sogenannten „Atkinson- Brennverfahren", das ein Schließen des Einlassventils darstellt, nachdem der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Dabei wird das Einlassventil von der Ventilsteuerung so gesteuert, dass es deutlich nach einem Kurbelwellenwinkel von beispielsweise 609 Grad schließt, der üblicherweise für eine optimale Zylinderfüllung mit dem Brenngasluftgemisch eingestellt ist. Beiden Brennverfahren ist gemein, dass in einem sich anschließenden Verdichtungstakt eine sich im Brennraum einstellende
Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches geringer ist als bei einem
Brennverfahren, bei dem das Einlassventil so schließt, dass daraus die optimale
Zylinderfüllung mit dem Brenngasluftgemisch resultiert. Die vorliegende Erfindung nutzt vorteilhafterweise diesen Effekt der resultierenden geringeren Verdichtungsendtemperatur. Dadurch ist es möglich die Brenngasluftgemisch-Temperatur soweit zu erhöhen, dass vorteilhafterweise dann die resultierende Verdichtungsendtemperatur wieder auf dem üblichen Niveau ist, bei dem die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Daraus folgt vorteilhafterweise in Verbindung mit einer Erhöhung eines Ladedrucks des
Brenngasluftgemisches, dass ein effektiver Mitteldruck am Hubkolbenmotor auf einem üblichen Niveau von ca. 12 bar wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren verbleiben kann, die mit einem synthetischen Gas betrieben werden, das vorher beispielsweise einer
Gaskonditionierung unterzogen wurde. Als Konsequenz aus dem üblichem Niveau des effektiven Mitteldrucks folgt, dass eine Leistung des Hubkolbenmotors, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, ebenfalls auf einem üblichen Niveau verbleibt. Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Brenngas- und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur ist, dass die Begleitstoffe gasförmig sind und nicht an brenngasluftführenden Bauteilen kondensieren oder sich ablagern. Vorteilhafterweise verlagert sich die Kondensation der Begleitstoffe in den Brennraum. Dies ist unproblematisch, weil in dem Zeitraum vom Beginn des Ansaugtakts bis zum Beginn des Verdichtungstakts, die Zeitspanne in der Kondensation der Begleitstoffe stattfinden kann sehr kurz ist. Im anschließenden Verdichtungstakt verdampfen die kondensierten Begleitstoffe gleich wieder. Mit der folgenden Zündung und Verbrennung des Brenngasluftgemisches samt der Begleitstoffe verbleibt in einem
vollständigen Arbeitsspiel im Endeffekt keine Zeit für eine Ablagerung der Begleitstoffe im Brennraum, beispielsweise am Kolben, Zylinderwand oder Zylinderkopf. Als Vorteil ergeben sich brenngasluftführende Bauteile, die frei von Ablagerungen sind. Besonders vorteilhaft ergibt sich daraus eine Steigerung des Anteils der Begleitstoffe, insbesondere der Teere, der sogenannten Teerfracht, im Brenngas von üblicherweise ca. 200 mg/Nm3 (Milligramm pro Normkubikmeter) bei einer Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C auf ca. 600 mg/Nm3 bei einer Brenngastemperatur und/oder
Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch den Entfall der Gaskonditionierung der Heizwert des Brenngases von der Erzeugung des Brenngases bis zu dessen Verbrennung im
Hubkolbenmotor gleich bleibt. Damit steht die in den Begleitstoffen chemisch gebundene Energie, insbesondere der Teere und langkettigen Kohlenwasserstoffe, in der
Energieerzeugungsanlage zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme zur Verfügung. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der Energieerzeugungsanlage, weil eine Vorrichtung zur Gaskonditionierung entfallen, oder kleiner als bei einer konventionellen Energieerzeugungsanlage mit synthetischem Gas ausgelegt werden, kann. Die Effizienz der Energieerzeugungsanlage wird durch die vorliegende Erfindung erhöht, bei gleichzeitig reduzierten Investitions- und Betriebskosten durch verlängerte Wartungsintervalle und einen verringerten Verbrauch an Betriebs- und Brennstoffen.
In einer zweiten Ausführung kann der Hubkolbenmotor den Lufteinlass und eine Luftleitung aufweisen, die über das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors
strömungstechnisch verbunden ist. In der Luftleitung kann die Aufiadeeinheit und/oder ein Luftkühler angeordnet sein. Der Brenngaseinlass kann im Zylinder und/oder einer Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, angeordnet sein. Dadurch ist über den Brenngaseinlass, der ein eigenes Einlassventil aufweisen kann, beispielsweise ein Brenngaseinlassventil, das Brenngas direkt in den Zylinder/ in den Brennraum einströmbar. Dadurch kann sich vorteilhafterweise aus Luft und dem Brenngas das Brenngasluftgemisch im
Zylinder/Brennraum bilden, wodurch eine Kondensation oder Ablagerung der Begleitstoffe in luftführenden Bauteilen, beispielsweise der Aufladeeinheit, verhindert wird. In einer dritten Ausführung sind Kombinationen aus der ersten und der zweiten Ausführung möglich.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Hubkolbenmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Tabelle zeigt eine Beispielrechnung zur Erhöhung einer Teerfracht im Brenngas anhand der vorliegenden Erfindung.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Zylinder 20 ist ein Kolben 30 beweglich gelagert. Der Kolben 30 ist mit einer Kurbelwelle 40 beweglich verbunden. Die Kurbelwelle 40 ist um ihre Längsachse 50 drehbar gelagert. Eine Drehrichtung 60 der Kurbelwelle ist anhand eines Pfeils dargestellt. Bei einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle 40 umstreicht diese einen Kurbelwellenwinkel von 360 Grad. Der Kolben 30, eine Zylinderwand 70 des Zylinders 20, ein am Zylinder 20 angeordneter Zylinderkopf 80, ein Einlassventil 90 und ein Auslassventil 100 sind Teile eines Brennraums 110. Das
Einlassventil 90 und das Auslassventil 100 sind über eine Ventilsteuerung 105 steuerbar. Die Ventilsteuerung 105 ist mit der Kurbelwelle 40 beweglich gekoppelt. Ein Lufteinlass 120 und ein Brenngaseinlass 130 sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle 140 zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Das Brenngasluftgemisch weist Anteile aus Luft und dem Brenngas auf. Die Gasmischstelle 140 ist über eine
Brenngasluftleitung 150 und das Einlassventil 90 strömungstechnisch mit dem Brennraum 110 des Hubkolbenmotors verbunden. In der Brenngas luftleitung 150 ist eine Aufladeeinheit 160 mit einem Verdichter 170 und ein Brenngasluftkühler 180 angeordnet. Der Verdichter 170 weist ein nicht dargestelltes Verdichterrad und ein Verdichtergehäuse auf. Eine
Abgasleitung 190 ist strömungstechnisch über das Auslassventil 100 mit dem Brennraum 110 verbunden. In der Abgasleitung 190 ist eine Turbine 200 der Aufladeeinheit 160 angeordnet. Das in der Gasmischstelle 140 gebildete Brenngas luftgemisch strömt durch die
Brenngasluftleitung 150 zum Verdichter 170, wo es auf einen Ladedruck von ca. 4,1 bar verdichtet wird. Der Ladedruck ist als Überdruck über dem Atmosphärendruck zu verstehen. Vom Verdichter 170 strömt das Brenngasluftgemisch weiter durch den Brenngasluftkühler 180, wo es auf eine Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C abgekühlt wird, über das Einlassventil 90 in den Brennraum 110. Im Brennraum 110 verbrennt das
Brenngasluftgemisch, die dabei entstehenden Abgase strömen durch die Abgasleitung 190 und über die Turbine 200 in die Atmosphäre.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 210 mit einem
Hubkolbenmotor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Figur 2 entspricht im Wesentlichen der Figur 1. Ein Unterschied zum Hubkolbenmotor 10 aus Figur 1 besteht darin, dass ein System 210 dargestellt wird, bei dem der Hubkolbenmotor 10 ein Teil davon ist. Ein weiterer Teil des Systems 210 ist eine Heiz-/Kühlvorrichtung 220, die strömungstechnisch mit dem Brenngaseinlass 130 verbunden ist. Mit der Heiz- /Kühlvorrichtung 220 kann das Brenngas auf eine solche Brenngastemperatur eingestellt werden, bei der die Begleitstoffe des Brenngases bis zur Gasmischstelle 140 und im
Brenngasluftgemisch in der Brenngasluftleitung 150 gasförmig bleiben.
Die Tabelle zeigt das Potenzial einer Erhöhung eines Teergehalts im Brenngas durch die vorliegende Erfindung auf.
In einer ersten übergeordneten Spalte der Tabelle wird die Erhöhung des Teergehalts im Brenngas eines Gasmotors in Schritten 1 bis 4 dargestellt, bei gleichbleibendem Mitteldruck von ca. 12 bar. Die dazu am Gasmotor bzw. im Brenngas von Schritt zu Schritt
vorgenommenen Veränderungen sind in Zeilen dargestellt. Die einzelnen Schritte werden weiter unten noch detailliert beschrieben. In einer zweiten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngases wird hier dessen
Brenngastemperatur, Brenngasdruck, Teergehalt und relative Teerfeuchte im Brenngas verstanden.
In einer dritten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngasluftgemisches wird hier dessen Ladedruck, Brenngasluftgemisch-Temperatur und relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch verstanden.
In einer vierten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während des Ansaugtaktes beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngasluftgemisches wird hier die relative Teerfeuchte im
Brenngasluftgemisch und die Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches verstanden.
Nachfolgend werden die Schritte 1 bis 4 erläutert. Ausgehend von einem ersten Schritt mit einem Gasmotor mit einer Standardkonfiguration und nach jedem weiteren Schritt mit einer Veränderung des Gasmotors oder des Brenngases im Vergleich zum vorhergehenden Schritt, stellt sich jeweils ein Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle, ein Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit und ein Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während des Ansaugtaktes ein
Schritt 1
Es wird beispielhaft von einem konventionellen Gasmotor mit üblichen
Standardbetriebswerten und einem effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar ausgegangen. Dabei ist der Aufbau des konventionellen Gasmotors mit dem in Figur 1 beschriebenen
Hubkolbenmotor insoweit vergleichbar, als dass die Bildung des Brenngasluftgemisches strömungstechnisch vor der Aufladeeinheit erfolgt.
Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:
Als Standardbetriebswerte beim konventionellen Gasmotor weist das Brenngas eine
Brenngastemperatur von üblicherweise ca. 50 °C und einen Brenngasdruck von ca. 0,2 bar auf. Der Brenngasdruck, sowie alle folgend genannten Drücke sind als Überdrücke über dem Atmosphärendruck zu verstehen. Das Brenngas weist beispielsweise einen Teergehalt von ca. 200 mg/Nm3 auf. Dabei stellt sich im Brenngas eine relative Teerfeuchte von ca. 95 % ein.
Eine Teerfeuchte bezeichnet den Anteil des gasförmigen Teergehalts in einem Gasgemisch, hier in dem Brenngas.
Die relative Teerfeuchte gibt für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck das Verhältnis des momentanen gasförmigen Teergehalts zum maximal möglichen gasförmigen Teergehalt im Gasgemisch, hier dem Brenngas, an.
Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit:
Stromabwärts der Aufladeeinheit des Gasmotors weist das Brenngasluftgemisch als
Standardbetriebswerte für einen Ladedruck ca. 2,1 bar und für eine Brenngasluftgemisch- Temperatur ca. 50 °C auf. Dabei stellt sich im Brenngasluftgemisch eine relative Teerfeuchte von ca. 50 % ein. Mit einer relativen Teerfeuchte von ca. 50 % ist noch ein Abstand zu einer Sättigungsgrenze von 100 % des Brenngasluftgemisches mit Teer vorhanden, daher findet noch keine Kondensation von Teer beispielsweise in den brenngasluftführenden Bauteilen statt.
Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:
Im Betrieb des konventionellen Gasmotors stellt sich während des Ansaugtakts am unteren Totpunkt des Kolbens im Zylinder eine Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 43 °C ein.
Die Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches im Zylinder ist die Temperatur, die sich einstellt, wenn sich der Kolben im Ansaugtakt am unteren Totpunkt befindet. Ausgehend von der Referenztemperatur stellt sich im folgenden Verdichtungstakt des konventionellen Gasmotors eine solche Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches ein, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.
Aus der Referenztemperatur von ca. 43 °C resultiert im Brenngasluftgemisch im Zylinder eine relative Teerfeuchte von ca. 50 %. Damit liegt die relative Teerfeuchte über der Sättigungsgrenze von 100 %. Eine Überschreitung der Sättigungsgrenze führt zu einer Kondensation von Teeren im Zylinder. Wobei eine Kondensation von Teeren im Zylinder nicht schädlich ist, weil durch den sich sofort anschließenden Verdichtungs- und
Verbrennungstakt nicht ausreichend Zeit für die kondensierten Teere bleibt, um sich an Bauteilen, beispielsweise Ventile, Kolben oder Zylinderwände, anzulagern.
Im Gegensatz zu einer Kondensation von Teeren in brenngas- und/oder
brenngasluftführenden Bauteilen, was, wie eingangs schon beschrieben, zu erheblichen Schäden am Gasmotor führen kann.
Schritt 2:
In einem zweiten Schritt wird am oben beschriebenen konventionellen Gasmotor das„Miller- Brennverfahren" eingesetzt. Dabei ist die Ventilsteuerung so ausgelegt, dass das Einlassventil schließt, bevor der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Im vorliegenden Fall schließt das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 530 Grad. Im Vergleich dazu schließt das Einlassventil bei einem konventionellen Gasmotor bei einem
Kurbelwellenwinkel von ca. 609 Grad.
Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:
Die Brenngastemperatur, der Brenngasdruck, der Teergehalt und die relative Teerfeuchte vor der Gasmischstelle entsprechen den Werten wie in Schritt 1 vor der Gasmischstelle des konventionellen Gasmotors.
Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit:
Um im Betrieb des Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" einen dem konventionellen Gasmotor entsprechenden effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar sicherzustellen, muss sich zu dem Zeitpunkt, an dem das Einlassventil schließt, dieselbe Masse an Brenngasluftgemisch im Zylinder befinden wie beim konventionellen Gasmotor. Um dies zu gewährleisten ist im Vergleich zum konventionellen Gasmotor der Ladedruck auf ca. 4,1 bar erhöht. Bei gleichbleibender Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C resultiert im
Brenngasluftgemisch eine relative Teerfeuchte von ca. 90 %. Dies ist von der
Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasluftführenden Bauteilen kondensiert. Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:
Im Betrieb eines Gasmotors mit dem oben beschriebenen„Miller-Brennverfahren" stellt sich während des Ansaugtakts am unteren Totpunkt des Kolbens im Zylinder die
Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 35 °C ein. Daraus resultiert eine relative Teerfeuchte von ca. 110 % in dem sich im Zylinder befindenden
Brenngasluftgemisch. Damit liegt die relative Teerfeuchte über der Sättigungsgrenze von 100 %. Eine Überschreitung der Sättigungsgrenze führt zu einer Kondensation von Teeren im Zylinder. Wie unter Schritt 1 schon beschrieben, ist eine Kondensation von Teeren im Zylinder nicht schädlich, weil durch den sich sofort anschließenden Verdichtungs- und Verbrennungstakt nicht ausreichend Zeit für die kondensierten Teere bleibt, um sich an Bauteilen anzulagern.
Mit der Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 35 °C im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens im Ansaugtakt ergibt sich im folgenden Verdichtungstakt des
Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" eine Verdichtungsendtemperatur, die deutlich entfernt ist von der oben beschriebenen Verdichtungsendtemperatur beim konventionellen Gasmotor, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.
Schritt 3:
Um ein Kondensieren von Teer - aufgrund des in Schritt 2 vorgenommenen„Miller- Brennverfahrens" - in brenngasführenden Bauteilen zu vermeiden, werden in einem dritten Schritt die im Schritt 2 dargestellten Zustände bei erhöhter Brenngastemperatur bzw. die Brenngasluftgemisch-Temperatur aufgezeigt.
Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:
Die Brenngastemperatur liegt bei ca. 70 °C. Bei gleichbleibendem Brenngasdruck von 0,2 bar und gleichbleibendem Teergehalt im Brenngas von ca. 200 mg/Nm3, wie beim Gasmotor mit „Miller-Brennverfahren" aus Schritt 2, sinkt die relative Teerfeuchte im Brenngas auf ca. 30 %. Dies ist deutlich von der Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasführenden Bauteilen kondensiert.
Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit: Ebenso wie die Brenngastemperatur liegt auch die Brenngasluftgemisch-Temperatur bei ca. 70 °C. Bei gleichbleibendem Ladedruck von ca. 4,1 bar, wie beim Gasmotor mit„Miller- Brennverfahren" aus Schritt 2, sinkt die relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch auf ca. 30 %. Dies ist deutlich von der Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasluftführenden Bauteilen kondensiert.
Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:
Mit der Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C nach der Aufladeeinheit ergibt sich im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens im Ansaugtakt eine Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches im Zylinder von 60 °C. Daraus ergibt sich eine
Verdichtungsendtemperatur, die der Verdichtungsendtemperatur des konventionellen Gasmotors entspricht, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.
Aus der Referenztemperatur von 60 °C resultiert eine relative Teerfeuchte von ca. 35 % in dem sich im Zylinder befindenden Brenngasluftgemisch. Damit liegt die relative Teerfeuchte deutlich unterhalb der Sättigungsgrenze von 100 %, so dass kein Teer in den
brenngasluftführenden Bauteilen und im Zylinder kondensiert.
Schritt 4:
Ausgehend von der sich in Schritt 3 ergebenden relativen Teerfeuchte von 30 % im
Brenngasluftgemisch nach der Aufladeeinheit wird im Schritt 4 gezeigt, bei welchem Wert der Teergehalt im Brenngas liegen kann, so dass sich im Brenngasluftgemisch nach der Aufladeeinheit wieder eine relative Teerfeuchte von 90 % ergibt, die
der relativen Teerfeuchte nach der Aufladeeinheit des konventionellen Gasmotors entspricht. Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:
Der Teergehalt im Brenngas liegt bei ca. 600 mg/Nm3. Im Vergleich zu Schritt 3 bleiben die Brenngastemperatur von ca. 70 °C und der Brenngasdruck von ca. 0,2 bar gleich. Daraus ergibt sich eine relative Teerfeuchte im Brenngas von ca. 95 %. Dies ist von der
Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in der Brenngasleitung kondensiert.
Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit: Durch den Teergehalt im Brenngas von ca. 600 mg/Nm3 und ansonsten zu Schritt 3 gleichbleibendem Ladedruck von ca. 4,1 bar und gleichbleibender Brenngasluftgemisch- Temperatur von ca. 70 °C, erhöht sich die relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch auf ca. 90 % im Vergleich zu Schritt 3.
Damit liegt die relative Teerfeuchte von ca. 90 % des Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" über der relativen Teerfeuchte von ca. 50 % des konventionellen Gasmotors. Somit ist noch ein Abstand zu der Sättigungsgrenze von 100 % des Brenngasluftgemisches mit Teer vorhanden und es findet noch keine Kondensation von Teer beispielsweise in den
brenngasluftführenden Bauteilen statt.
Bei einer relativen Teerfeuchte von 90 % im Brenngasluftgemisch liegt eine ausreichende Sicherheitsreserve zur Sättigungsgrenze von 100 % vor. Somit führen eventuell sich kurzfristig erhöhende Teerfrachten im Brenngas zu keiner Kondensation in
brenngasluftführenden Bauteilen des Hubkolbenmotors oder im System mit Hubkolbenmotor.
Mit der Erfindung ist ein Teergehalt im Brenngas möglich, der über dem Teergehalt bei konventionellen Gasmotoren liegt. Insbesondere liegt der Teergehalt in einem Bereich von 200 mg/Nm3 bis 950 mg/Nm3, bevorzugt zwischen 300 mg/Nm3 und 700 mg/Nm3, besonders bevorzugt zwischen 400 mg/Nm3 und 650 mg/Nm3. Damit ist der mögliche Teergehalt im Brenngas so hoch, dass keine bzw. nur noch eine geringe Gaskonditionierung zum Entfernen der Begleitstoffe aus dem synthetischen Gas nötig ist.
Mit der Erfindung ist bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C, insbesondere zwischen 65 °C und 75 °C, eine relative Teerfeuchte im Brenngas in einem Bereich von 50 % bis 95 %, bevorzugt zwischen 55 % und 95 %, besonders bevorzugt zwischen 60 % und 95 %, möglich. Dabei kann die Leistung des erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors gleich bleiben im
Vergleich zu einem konventionellen Hubkolbenmotor. Gleichzeitig findet keine Kondensation oder Ablagerung der Begleitstoffe an brenngas- bzw. brenngasluftführenden Bauteilen statt.
Vorteilhafterweise weist ein gemäß der Erfindung ausgeführter Hubkolbenmotor einen effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar auf, wodurch dasselbe Leistungsniveau von einem konventionellen Gasmotor erreicht wird. Allgemein ist die Erfindung ebenso anwendbar für Hubkolbenmotoren mit effektiven Mitteldrücken in einem Bereich von 8 bis 15 bar. Beispielsweise wahlweise mit effektiven Mitteldrücken mit ungefähren Werten von 9, 10, 11, 13 oder 14 bar. In Verbindung mit der nicht mehr nötigen bzw. konstruktiv kleiner ausführbaren Gaskonditionierung lässt sich auf diese Weise die Effizienz einer
Energieerzeugungsanlage erhöhen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Hubkolbenmotor mit einem Brennraum zum Verbrennen eines Brenngasluftgemisches, das Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, das Begleitstoffe enthält,
wobei der Brennraum ein Einlassventil und einen Kolben aufweist, und
einer Ventilsteuerung zum Steuern des Einlassventils,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bildung des Brenngasluftgemisches ein Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases zur Luft vorhanden ist,
wobei das Brenngas eine solche Brenngastemperatur aufweist und das Brenngasluftgemisch eine solche Brenngasluftgemisch-Temperatur aufweist, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind, und
die Ventilsteuerung so ausgestaltet ist, dass sie ein Schließen des Einlassventils veranlasst, wenn der Kolben eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt.
2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet ist, das eine Brenngastemperatur größer als 60 °C aufweist.
3. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet ist, das eine Brenngastemperatur zwischen 65 °C und 75 °C aufweist.
4. Hubkolbenmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, dass das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel kleiner als 540 Grad schließt.
5. Hubkolbenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung so ausgestaltet ist, dass das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen 510 Grad und 535 Grad schließt.
6. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, dass das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel größer als 610 Grad schließt.
7. Hubkolbenmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Brenngas ein synthetisches Gas ist, das Teere und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe als Begleitstoffe enthält.
8. System mit einem Hubkolbenmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche und einer Heiz -/Kühlvorrichtung zum Einstellen des Brenngases auf eine
Brenngastemperatur, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind,
wobei die Heiz-/Kühlvorrichtung strömungstechnisch mit dem Brenngaseinlass verbunden ist.
9. System mit einem Hubkolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz -/Kühlvorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie das Brenngas auf eine solche
Brenngastemperatur einstellt, die in einem Bereich von 1°C bis 20°C, insbesondere in einem Bereich von 1°C bis 10°C, über einer höchsten Kondensationstemperatur der Begleitstoffe liegt.
10. Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors mit den folgenden Verfahrensschritten:
Verbrennen eines Brenngasluftgemisches in einem Brennraum,
wobei das Brenngasluftgemisch Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, und das Brenngas Begleitstoffe enthält, und
Steuern eines Einlassventils des Brennraums mittels einer Ventilsteuerung,
dadurch gekennzeichnet, dass
über einen Brenngaseinlass dem Hubkolbenmotor das Brenngas zugeführt wird, das eine solche Brenngastemperatur aufweist, dass die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind, und
das Einlassventil mittels der Ventilsteuerung geschlossen wird, wenn ein Kolben des
Brennraums eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt.
PCT/EP2018/061719 2017-05-08 2018-05-07 Hubkolbenmotor und system mit einem hubkolbenmotor sowie verfahren zum betrieb eines hubkolbenmotors WO2018206507A1 (de)

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