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Die
Erfindung betrifft eine Zündanordnung für einen
Gasmotor, einen mit einer solchen Zündanordnung ausgerüsteten
Gasmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasmotors.
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Gasmotoren
sind Verbrennungskraftmaschinen, die als Kraftstoff anstelle von
flüssigen Kraftstoffen z. B. Erd-, Flüssig-, Holz-,
Bio-, Deponie-, Grubengase oder Wasserstoff verwenden können.
Der Einsatz der Gasmotoren erfolgt z. B. in stationär betriebenen
Anlagen zur Kraftwärmekopplung oder z. B. als Schiffsantrieb.
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Für
Gasmotoren steht seit kurzem ein Zündverfahren zur Verfügung,
mit dem die Gasmotoren mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung
bei gleichzeitig niedrigen Emissionen betrieben werden können.
Dieses Zündverfahren ist auch als PGI(Performance Gas Injection)-Zündverfahren
bekannt und beruht darauf, dass ein Brenngasgemisch bzw. Zündgas
unter hohem Druck in eine Vorkammer eines Zylinders des Gasmotors
eingespritzt wird, wobei sich das Zündgas an einer heißen
Oberfläche, wie z. B. einer Glühkerze, in der
Vorkammer unter Flammenbildung entzündet. Bei der Verbrennung des
Zündgases dehnt sich dieses aus und entflammt über
Verbindungsöffnungen zu einem Hauptbrennraum des Zylinders
ein dort eingebrachtes Brenngasgemisch.
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Aus
DE 102 17 996 A1 ist
eine solche Zündanordnung für einen Gasmotor bekannt,
wobei die Zündanordnung eine Zündungs-Auslösevorrichtung mit
einer wärmebasierten Zündeinrichtung hat, die
in einer Vorkammer des Gasmotors angeordnet ist, zum durch Wärme
flammenbildenden Entzünden eines in die Vorkammer eingespritzten
Zündgasstrahls.
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Der
PGI-Gasmotor basiert gemäß dem Stand der Technik
ausschließlich auf der Zündung an einer heißen
Oberfläche, wie z. B. einem Glühstift. Der Glühstift
wird dabei in den unteren Lastbereichen aktiv beheizt, um die erforderliche
Temperatur zur Zündung zu erreichen. Erst ab höheren
Motorlastbereichen kann die aktive Beheizung abgeschaltet werden,
da der Energieeintrag über die Verbrennung dann ausreichend
ist, um das für die Zündung erforderliche Temperaturniveau
zu halten.
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Die
Regelung der Glühstifttemperatur hat sich jedoch als sehr
schwierig erwiesen, da auf der einen Seite eine Überheizung
des Glühstifts vermieden werden muss (um die Standfestigkeit
bzw. Lebensdauer dessen nicht zu stark zu beeinträchtigen), auf
der anderen Seite aber immer eine gewisse Mindesttemperatur (zur
Erzielung von Zündstabilität) gehalten werden
muss. Gerade im Teillastbereich ist eine Abstimmung sehr schwierig
und wird zusätzlich erschwert durch notwendige Schutzmaßnahmen
am Glühstift (Hotspot). Kleinste Fertigungstoleranzen am Hotspot
können das Heizverhalten des Glühstifts soweit
verändern, dass eine Standard-Temperaturregelung nicht
mehr richtig funktionieren kann.
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Ferner
führt ein Ausfall des Glühstifts zum Ausfall des
ganzen Gasmotors. Ein weiterer Nachteil der aktiv beheizten Glühstiftzündung
besteht darin, dass insbesondere für den Start des Gasmotors
extrem hohe Temperaturen benötigt werden, die die Standfestigkeit
des Glühstifts erheblich beeinträchtigen. Das
zur Zündung erforderliche Temperaturniveau sinkt mit steigenden
Ladedrücken des Gasmotors.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündanordnung
für einen Gasmotor bereitzustellen, mit der eine erhöhte
Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors
erzielbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,
einen mit einer solchen Zündanordnung ausgerüsteten
Gasmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasmotors
bereitzustellen.
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Die
o. g. Aufgaben werden mit einer Zündanordnung gemäß Anspruch
1, einem Gasmotor gemäß Anspruch 9 und einem Verfahren
gemäß Anspruch 10 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen
definiert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist eine Zündanordnung für
einen Gasmotor, insbesondere einen PGI-Gasmotor, eine Einspritzvorrichtung
zum Einspritzen eines auf einem Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls
in eine Vorkammer eines Zylinders des Gasmotors und eine Zündungs-Auslösevorrichtung
mit einer wärmebasierten Zündeinrichtung auf,
die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum durch Wärme flammenbildenden
Entzünden des Zündgasstrahls. Die erfindungsgemäße
Zündanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zündungs-Auslösevorrichtung
zusätzlich eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
aufweist, die in der Vorkammer anzuordnen ist, zum per Zündfunken
flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.
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Gemäß der
Erfindung wird eine wärmebasierte Zündeinrichtung
mit einer Zündfunken-Erzeugungseinrichtung kombiniert.
Dies hat u. a. den Vorteil, dass beim Starten des Gasmotors und
im unteren Lastbereich, wo nur geringe Verbrennungswärme vorhanden
ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls,
ein stabiles Zünden des Zündgasstrahls durch die
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung gewährleistet
werden kann. Damit wird auf einfache und sichere Weise die Betriebsstabilität
bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors, insbesondere auch beim Start
und in unteren bis mittleren Motorlastbereichen, erhöht.
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Durch
die Unterstützung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
ist es möglich, auf die beim Stand der Technik erforderlichen
hohen Heiztemperaturen für die wärmebasierte Zündeinrichtung zu
verzichten, was die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer der wärmebasierten
Zündeinrichtung erhöht und damit zusätzlich
die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors
verbessert.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird auch
der beim Stand der Technik auftretende Konflikt zwischen Vermeidung
von Überhitzung der wärmebasierten Zündeinrichtung
und Erhaltung einer Mindesttemperatur dieser gelöst, so
dass die Steuerung, insbesondere Regelung, der Zündanordnung
erleichtert wird. Ferner ist das System nun hinsichtlich Fertigungstoleranzen
nicht mehr so störungsanfällig, wodurch die Fertigung
vereinfacht wird und damit Kosten eingespart werden können.
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Ferner
kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung durch ihre Redundanzwirkung
als Back-Up-Zündsystem bzw. Reservezündsystem
eingesetzt werden, wenn die wärmebasierte Zündeinrichtung
durch z. B. eine Funktionsstörung nicht betrieben werden
kann. Dies erhöht zusätzlich die Ausfallsicherheit
des Gasmotors.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung weist die wärmebasierte Zündeinrichtung
einen Glühkörper auf.
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Durch
die Realisierung mit einem Glühkörper, d. h. als
separates Element, ist es auf einfache und kostengünstige
Weise möglich, die wärmebasierte Zündeinrichtung
nach Ablauf ihrer Lebensdauer bzw. bei Beschädigung auszutauschen.
Dies reduziert einerseits die Instandhaltungskosten und erhöht andererseits
zusätzlich die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit
des Gasmotors. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Zündanordnung gemeinsam mit der
Vorkammer in einem in den Zylinderkopf eines Gasmotors montierbaren,
wie z. B. einschraubbaren, Einsatz realisiert sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung ist der Glühkörper eingerichtet
zum ausschließlichen Beheizen dessen per Brenngasgemisch-Verbrennung.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung ist eine passiv (nur durch die Verbrennung
in der Vorkammer) beheizte wärmebasierte Zündeinrichtung mit
der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung kombiniert. Der Vorteil
hierbei ist, dass die nur passiv beheizte wärmebasierte
Zündeinrichtung für den oberen Motorlastbereich
sehr zuverlässig, günstig, einfach und standfest
ausgelegt werden kann. Zum Starten bis zum mittleren Motorlastbereich
kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verwendet werden.
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Der
Glühkörper kann jedoch auch mit einer aktiven
Heizung kombiniert sein, um die Temperatur aktiv regeln zu können,
womit man eine bessere Kontrolle der Glühzündung
bewirkt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die wärmebasierte
Zündeinrichtung mit einer Flammenfalle (Flame Trap) kombiniert
sein, welche eine Reaktionskammer mit wenigstens einer Öffnung
bereitgestellt, wobei ein Mager-Streckungs-Grenzwert (Lean-Stretch-Limit)
von Luft/Gas/Abgas-Gemisch und die starke Temperaturabhängigkeit
der chemischen Radikalbildung (notwendig für die Entflammung)
ausgenutzt werden, um eine punktgenaue Zündung zu realisieren.
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Dabei
wird über die wenigstens eine Öffnung im Innenraum
der Reaktionskammer durch geeignete Strömungsbewegungen
(in der Vorkammer) während des Verdichtungstaktes ein hoher
Anteil an heißem Abgas aus einem vorangegangenen Verbrennungstakt
gesammelt. Dadurch wird während des gesamten Verdichtungstaktes
eine hohe Temperatur im Innenraum der Reaktionskammer realisiert.
Durch den heißen Abgas-Anteil kann sich während
des gesamten Verdichtungstaktes auch ohne eigentliche Verbrennung
eine hohe Konzentration an chemischen Radikalen im Innenraum der
Reaktionskammer bilden. Über die wenigstens eine Öffnung
in die Reaktionskammer einströmende Gasanteile können somit
auch ohne eigentliche Flammenfront oxidiert werden, was die Temperatur
und die Radikalkonzentration im Innenraum zusätzlich erhöht.
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Wenn
das in den Innenraum der Reaktionskammer einströmende Gemisch
durch den Zündgasstrahl in ein geeignetes Zündfester
gebracht wird, kann die Flammenfront aus der Reaktionskammer austreten.
Entscheidende Parameter der Flammenfalle sind dabei die interne
Gastemperatur (mindestens ca. 1150 K), das Volumen und die Geometrie
der wenigstens einen Öffnung.
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Gemäß noch
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
eingerichtet, Zündfunken auf Basis von Elektroenergie zu
erzeugen.
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Diese
Ausgestaltung der Erfindung stellt eine einerseits kostengünstige
und andererseits sehr gut steuerbare, insbesondere regelbare, Realisierung
für die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung bereit.
Ferner weist diese Ausgestaltung der Erfindung durch die verschleißarme
Zündfunkenerzeugung mit Elektroenergie eine hohe Lebensdauer
und durch die im Wesentlichen nur zwei Funkenelektroden benötigende
Lösung eine hohe Wartungsfreundlichkeit auf.
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Gemäß noch
einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung weist diese ferner eine Zündspannungs-Steuereinrichtung
auf, die elektrisch mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verbunden
ist zum Bereitstellen einer elektrischen Zündspannung an
der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Zündfunken,
wobei die Zündspannungs-Steuereinrichtung eingerichtet
ist, einen Betrag der Zündspannung in Abhängigkeit
von einem Motorlastbereich des Gasmotors zu steuern.
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Durch
die Steuerung, insbesondere Regelung, des Betrages bzw. der Höhe
der Zündspannung kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
je nach Betriebszustand des Gasmotors mit der dafür erforderlichen
Zündspannung betrieben werden, was durch reduzierten Verschleiß an
den Funkenelektroden eine erhöhte Lebensdauer und durch
die Optimierung des Zündverhaltens eine erhöhte
Betriebsstabilität bewirkt.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung ist die Zündspannungs-Steuereinrichtung
eingerichtet, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum
Starten des Gasmotors und bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die wärmebasierte
Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine
zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung
eingespritzten Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt
ist, zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des
Zündgasstrahls mit Zündspannung zu versorgen und,
wenn und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung
per Brenngasgemisch-Verbrennung auf eine zum stabilen Zünden
eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls
geeignete Temperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors
die Versorgung der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit
Zündspannung zu unterbrechen.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
nur dann eingesetzt, wenn nicht ausreichend Verbrennungswärme
vorhanden ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls.
Damit wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung verschleißarm
bzw. schonend betrieben, so dass ihre Lebensdauer und damit die
Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors
erhöht und die Wartungskosten reduziert werden.
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Zum
Bestimmen der Temperatur der wärmebasierten Zündeinrichtung,
insbesondere der Temperatur des Glühkörpers, kann
der die wärmebasierte Zündeinrichtung mit einem
Temperatursensor versehen sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung ist die Zündspannungs-Steuereinrichtung
eingerichtet, der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung in einem
unteren Motorlastbereich einen geringeren Betrag an elektrischer Zündenergie
als in einem mittleren Motorlastbereich bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass es im unteren Motorlastbereich ausreichend ist, die
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit geringer Leistung zu
betreiben, um eine stabile Zündung zu gewährleisten.
Durch den besonders verschleißarmen Betrieb der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
im unteren Motorlastbereich erhöht sich die Lebensdauer
der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beträchtlich.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündanordnung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
von einer elektrischen Zündkerze gebildet.
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Dies
hat u. a. die Vorteile, dass Zündkerzen als Massenartikel
preiswert und zeitnah bereitstellbar sind und in einfacher Weise
austauschbar sind.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gasmotor mit einer Zündanordnung
gemäß einer oder allen zuvor genannten Ausführungsformen der
Erfindung bereitgestellt Der erfindungsgemäße Gasmotor
weist, da er mit einer erfindungsgemäßen Zündanordnung
gemäß einer oder allen der beschriebenen Ausführungen
der Erfindung ausgestattet ist, auch die jeweils genannten Vorteile
auf.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
mit einer Zündanordnung gemäß einer oder
allen zuvor genannten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ausgerüsteten
Gasmotors bereitgestellt, wobei die Einspritzvorrichtung korrespondierend
zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders des
Gasmotors einen Zündgasstrahl in die Vorkammer des Zylinders
einspritzt, zum Starten des Gasmotors und bis zu einem Zeitpunkt,
zu dem die wärmebasierte Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung in
der Vorkammer auf eine zum stabilen Zünden eines von der
Einspritzvorrichtung eingespritzten Zündgasstrahls geeignete
Temperatur aufgeheizt ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
verwendet wird zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden
des Zündgasstrahls, und wenn und solange die wärmebasierte
Zündeinrichtung per Brenngasgemisch-Verbrennung in der
Vorkammer auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung eingespritzten
Zündgasstrahls geeignete Temperatur aufgeheizt ist, im
Normalbetrieb des Gasmotors (d. h. einem Betrieb ohne Betriebsstörungen)
ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung
verwendet wird zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden
des Zündgasstrahls.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird die wärmebasierte
Zündeinrichtung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
kombiniert. Dies hat u. a. den Vorteil, dass, auch wenn nicht ausreichend
Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten
Zünden des Zündgasstrahls, ein stabiles Zünden
des Zündgasstrahls durch die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
gewährleistet werden kann. Damit wird auf einfache und
sichere Weise die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit
des Gasmotors erhöht.
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Durch
die Unterstützung mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
ist es möglich, auf die beim Stand der Technik erforderlichen
hohen Heiztemperaturen (durch aktive Beheizung) für die
wärmebasierte Zündeinrichtung zu verzichten, was
die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer der wärmebasierten
Zündeinrichtung erhöht und damit zusätzlich
die Betriebsstabilität bzw. Ausfallsicherheit des Gasmotors
verbessert.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird auch der beim
Stand der Technik auftretende Konflikt zwischen Vermeidung von Überhitzung
der wärmebasierten Zündeinrichtung und Erhaltung
einer Mindesttemperatur dieser gelöst, so dass die Steuerung, insbesondere
Regelung, der Zündanordnung erleichtert wird.
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Ferner
kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung durch ihre Redundanzwirkung
als Back-Up-Zündsystem bzw. Reservezündsystem
eingesetzt werden, wenn die wärmebasierte Zündeinrichtung
durch z. B. eine Funktionsstörung ausgefallen ist und somit
kein Normalbetrieb des Gasmotors möglich ist. Dies erhöht
zusätzlich die Ausfallsicherheit des Gasmotors.
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Gemäß einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beim
Starten des Gasmotors und von einem unteren bis einschließlich
zu einem mittleren Motorlastbereich des Gasmotors verwendet zum
per Zündfunken flammenbildenden Entzünden des
Zündgasstrahls.
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Auf
diese Weise kann gerade beim Starten des Gasmotors und in unteren
bis mittleren Motorlastbereichen, wo nur geringe Verbrennungswärme vorhanden
ist zum wärmebasierten Zünden des Zündgasstrahls,
ein stabiles Zünden des Zündgasstrahls durch die
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung gewährleistet
werden kann.
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Gemäß noch
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird in einem oberen Motorlastbereich des Gasmotors ausschließlich
die wärmebasierte Zündeinrichtung verwendet zum durch
Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls.
D. h., in höheren Motorlastbereichen, in denen ausreichend
Verbrennungswärme vorhanden ist zum wärmebasierten
Zünden des Zündgasstrahls, kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
ausgeschaltet werden und verschleißarm und kostengünstig
(stromsparend) lediglich mit der wärmebasierten Zündeinrichtung
gefahren werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung zum
Erzeugen von Zündfunken eine elektrische Zündspannung
bereitgestellt, wobei ein Betrag der elektrischen Zündenergie
in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors
gesteuert wird.
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Durch
die Steuerung, insbesondere Regelung, des Betrages bzw. der Höhe
der Zündspannung kann die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
je nach Betriebszustand des Gasmotors mit der dafür erforderlichen
Zündspannung, d. h. elektrischen Zündenergie betrieben
werden, was durch reduzierten Verschleiß an den Zündelektroden
eine erhöhte Lebensdauer und durch die Optimierung des
Zündverhaltens eine erhöhte Betriebsstabilität
bewirkt.
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Gemäß noch
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung in
einem unteren Motorlastbereich ein geringerer Betrag an Zündspannung
bzw. elektrischer Zündenergie als in einem mittleren Motorlastbereich
bereitgestellt.
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Wie
oben erwähnt, wurde erfindungsgemäß erkannt,
dass es im unteren Motorlastbereich ausreichend ist, die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung mit
geringer Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie
zu versorgen, um eine stabile Zündung zu gewährleisten.
Durch den damit besonders verschleißarmen Betrieb der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
im unteren Motorlastbereich erhöht sich die Lebensdauer
der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung beträchtlich.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Teilansicht eines Gasmotors gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Teilansicht eines mit dem PGI-Verfahren arbeitenden
Gasmotors 1 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Der Gasmotor 1 weist eine Mehrzahl von Verbrennungs-Zylindern 10 auf,
von denen in der 1 nur einer gezeigt ist.
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Jeder
Verbrennungs-Zylinder (im Folgenden einfach Zylinder) 10 weist
eine Vorkammer 20 mit Überströmöffnungen 21 und 22 zu
einem Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 auf.
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Die
Vorkammer 20 eines jeden Zylinders 10 ist mit
einer Zündanordnung 30 versehen, mit der ein in
den Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 eingespritztes
Brenngasgemisch zum Auslösen eines Arbeitshubes bzw. Expansionshubes
eines Kolbens (nicht gezeigt) des Zylinders 10 entzündbar
ist.
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Die
Zündanordnung 30 weist jeweils eine Einspritzvorrichtung 40 zum
unter hohem Druck Einspritzen eines auf Brenngasgemisch basierenden Zündgasstrahls 41 in
die Vorkammer 20 des Zylinders 10 und eine Zündungs-Auslösevorrichtung 50 auf.
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Die
Zündungs-Auslösevorrichtung 50 weist eine
wärmebasierte Zündeinrichtung 60, die
in der Vorkammer 20 angeordnet ist, zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden
des Zündgasstrahls 41 sowie eine Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 auf,
die in der Vorkammer 20 angeordnet ist, zum per Zündfunken
flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
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Die
wärmebasierte Zündeinrichtung 60 weist eine
wie Eingangs beschriebene, als Hohlkörper ausgebildete
Flammenfalle (Flame Trap) bzw. Reaktionskammer 61 sowie
einen als Glühstift ausgebildeten Glühkörper 62 auf.
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Die
Flammenfalle 61 ist aus einem hitzebeständigen
Material, wie z. B. Stahl oder Keramik, hergestellt und weist einen
Innenraum 61a auf, der über wenigstens eine Öffnung 61b bestimmter
Größe (insbesondere bestimmten Durchmessers) zugänglich ist.
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Der
Glühkörper 62 ist eingerichtet zum passiven
bzw. ausschließlichen Beheizen dessen per Brenngasgemisch-Verbrennung
in der Vorkammer 20 bzw. dem Innenraum 61a der
Flammenfalle 61. Gemäß einer anderen
Ausführungsform der Erfindung kann der Glühkörper 62 auch
als aktiv beheizbares Element (d.h. mit einer Eigenheizung versehen)
ausgebildet sein.
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Die
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 ist eingerichtet,
Zündfunken auf Basis von Elektroenergie zu erzeugen. Zu
diesem Zweck ist eine Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 vorgesehen,
die über elektrische Leitungen 81 elektrisch mit
der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 verbunden ist
zum Bereitstellen einer elektrischen Zündspannung an der
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 zum Erzeugen
von Zündfunken.
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Die
Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 ist eingerichtet,
einen Betrag der Zündspannung bzw. elektrischer Zündenergie
in Abhängigkeit von einem Motorlastbereich des Gasmotors 1 zu
steuern, insbesondere zu regeln, so dass der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 in
einem unteren Motorlastbereich einen geringeren Betrag an Zündspannung
als in einem mittleren Motorlastbereich bereitgestellt wird.
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Gemäß dieser
Ausführungsform ist der untere Motorlastbereich mit etwa
1 Prozent bis etwa 40 Prozent der Motornennleistung definiert, ist
der mittlere Motorlastbereich mit etwa 41 Prozent bis etwa 70 Prozent
der Motornennleistung definiert und ist der obere Motorlastbereich
mit etwa 71 Prozent bis etwa 100 Prozent der Motornennleistung definiert.
Andere Bereichsaufteilungen bezüglich der Motorlast sind ebenfalls
als in den Umfang der Erfindung mit eingeschlossen zu betrachten.
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Gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung ist die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 von
einer elektrischen Zündkerze gebildet, die in die Vorkammer 20 eingeschraubt
ist, so dass zwei Funkenelektroden 71, 72 der
Zündkerze in die Vorkammer 20 hineinragen.
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betreiben des mit der Zündanordnung 50 ausgerüsteten
Gasmotors 1 beschrieben.
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In
jedem Fall spritzt zur Auslösung eines Arbeitshubes bzw.
Expansionshubes des Kolbens des Zylinders 10 des Gasmotors 1 die
Einspritzvorrichtung 40 korrespondierend zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt
des Zylinders 10 einen Zündgasstrahl 41 in
die Vorkammer 20 des Zylinders 10 ein.
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Zum
Starten des Gasmotors 1 und bis zu einem Zeitpunkt, zu
dem der Glühkörper 62 der wärmebasierten
Zündeinrichtung 60 per Brenngasgemisch-Verbrennung
in der Vorkammer 20 bzw. im Innenraum 61a der
Flammenfalle 61 auf eine zum stabilen Zünden eines
von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete
Temperatur aufgeheizt ist, wird die Zündfunken- Erzeugungseinrichtung 70 verwendet
zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden
des Zündgasstrahls 41.
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D.
h., die Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 ist
so eingerichtet, dass die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 zum
Starten des Gasmotors 1 und bis zu einem Zeitpunkt, zu
dem die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 (bzw.
deren Glühkörper 62) per Brenngasgemisch-Verbrennung
auf eine zum stabilen Zünden eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten
Zündgasstrahls 41 geeignete Mindesttemperatur
von etwa 1150 K bzw. 877°C aufgeheizt ist, zum per Zündfunken
flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls
(41) mit Zündspannung versorgt wird und, wenn
und solange die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 per
Brenngasgemisch-Verbrennung auf die zum stabilen Zünden
eines von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete
Mindesttemperatur aufgeheizt ist, in einem Normalbetrieb des Gasmotors 1 die
Versorgung der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 mit
Zündspannung eingestellt wird bzw. die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 außer
Betrieb genommen wird.
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Zum
Bestimmen der Temperatur der wärmebasierten Zündeinrichtung 60,
insbesondere der Temperatur des Glühkörpers 62,
ist die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 mit
einem nicht gezeigten Temperatursensor versehen, der elektrisch
mit der Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 verbunden
ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung wird die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 beim
Starten des Gasmotors 1 und vom unteren bis einschließlich
zum mittleren Motorlastbereich des Gasmotors 1 verwendet
zum per Zündfunken flammenbildenden Entzünden
des Zündgasstrahls 41.
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Der
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 wird von der
Zündspannungs-Steuereinrichtung 80 zum Erzeugen
von Zündfunken eine elektrische Zündspannung bereitgestellt,
wobei ein Betrag bzw. eine Höhe der Zündspannung bzw.
elektrischer Zündenergie in Abhängigkeit vom jeweiligen
Motorlastbereich des Gasmotors 1 so gesteuert wird, dass
die Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 im unteren Motorlastbereich
mit einem geringerer Betrag an Zündspannung als im mittleren
Motorlastbereich betrieben wird.
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Beim
Betrieb des Gasmotors 1 mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 wird
ein von der Einspritzvorrichtung 40 in die Vorkammer 20 eingespritzter
Zündgasstrahl 41 durch elektrische Zündfunken
an den Funkenelektroden 71, 72 unter Flammenbildung
gezündet. Die Verbrennung des in der Vorkammer 20 befindlichen
Gasgemisches wird durch Ausdehnung über die Überströmöffnungen 20, 21 aus
der Vorkammer 20 in den mit der Vorkammer 20 verbundenen
Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 des Gasmotors 1 hinein
getragen, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch (ein Luft-Brenngas-Gemisch) gezündet
wird, welches sich im Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 befindet
und welches bei seiner Verbrennung einen Expansionshub bzw. Arbeitshub
des sich in dem Zylinder 10 befindenden Kolbens bewirkt.
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Ferner
wird beim Betrieb des Gasmotors 1 mit der Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 der Glühkörper 62 der
wärmebasierten Zündeinrichtung 60 langsam auf
die vorbestimmte Mindesttemperatur von etwa 1150 K bzw. 877°C
aufgeheizt.
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Ferner
wird während Verdichtungstakten des Gasmotors 1 heißes
aus jeweils vorangegangenen Verbrennungstakten resultierendes, nicht
durchbrennfähiges Gasgemisch in die Vorkammer 20 des Zylinders 10 geleitet
und über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 in
deren Innenraum 61a gesammelt.
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Durch
das heiße von Abgas gebildete Gasgemisch kann sich im Innenraum 61a der
Flammenfalle 61 auch ohne eigentliche Verbrennung eine hohe
Konzentration an chemischen Radikalen (und Kohlendioxid) bilden.
In den Innenraum 61a der Flammenfalle 61 einströmende
Gasanteile können somit auch ohne eigentliche Flammenfront
oxidiert werden, was die Temperatur und die Radikalkonzentration
in dem Innenraum 61a zusätzlich erhöht.
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Wenn
der Glühkörper 62 der wärmebasierten
Zündeinrichtung 60 per Brenngasgemisch-Verbrennung
in der Vorkammer 20 bzw. im Innenraum 61a der
Flammenfalle 61 auf die zum stabilen Zünden eines
von der Einspritzvorrichtung 40 eingespritzten Zündgasstrahls 41 geeignete
Mindesttemperatur aufgeheizt ist, wird im Normalbetrieb des Gasmotors 1 die
Zündfunken-Erzeugungseinrichtung 70 ausgeschaltet
und dann ausschließlich die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 verwendet
zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des Zündgasstrahls 41.
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D.
h., gemäß dieser Ausführungsform der
Erfindung wird im oberen Motorlastbereich des Gasmotors 1 ausschließlich
die wärmebasierte Zündeinrichtung 60 verwendet
zum durch Wärme flammenbildenden Entzünden des
Zündgasstrahls 41.
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Beim
Betrieb des Gasmotors 1 mit lediglich der wärmebasierten
Zündeinrichtung 60 wird während eines
Verdichtungstaktes des Gasmotors 1 heißes aus
einem vorangegangenen Verbrennungstakt dessen resultierendes, nicht
durchbrennfähiges Gasgemisch in die Vorkammer 20 des
Zylinders 10 geleitet und über die Öffnung 61b der
Flammenfalle 61 in deren Innenraum 61a gesammelt.
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Das
im Innenraum 61a gesammelte, nicht durchbrennfähige
Gasgemisch wird dann mit Hilfe des Glühkörpers 61 auf
einer Mindesttemperatur von 1150 K bzw. 877°C gehalten.
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Durch
das heiße von Abgas gebildete Gasgemisch kann sich während
des gesamten Kompressionszyklus auch ohne eigentliche Verbrennung
eine hohe Konzentration an chemischen Radikalen (und Kohlendioxid)
im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 bilden. In
den Innenraum 61a der Flammenfalle 61 einströmende
Gasanteile können somit auch ohne eigentliche Flammenfront
oxidiert werden, was die Temperatur und die Radikalkonzentration
in dem Innenraum 61a zusätzlich erhöht.
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Das
nicht durchbrennfähige Gasgemisch weist solche Werte hinsichtlich
Abgaskonzentration (Kohlendioxid), Lambda, Turbulenz und Eintrittsgeschwindigkeit
auf, dass außerhalb des Innenraums 61a bzw. in
der Öffnung 61b Verlöschungen infolge des
Mager-Streckungs-Grenzwerts (Lean-Stretch-Limit) auftreten und damit
keine chemische Reaktion in Form einer Flammenfront aus dem Innenraum 61a der
Flammenfalle 61 austreten kann. Die Reaktion (”Flamme”)
bleibt somit vorerst im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 gefangen,
womit im Innenraum 61a der Flammenfalle 61 quasi
eine ”stationäre Flammenfront” gebildet
ist.
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Zu
einem zum vorbestimmten Zündzeitpunkt des Zylinders 10 des
Gasmotors 1 korrespondierenden Zeitpunkt spritzt die Einspritzvorrichtung 40 unter hohem
Druck einen Zündgasstrahl 41 in die Vorkammer 20 ein,
so dass über die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 eintretendes
Brenngasgemisch des Zündgasstrahls 41 das bis
dahin nicht durchbrennfähige Gasgemisch im Innenraum 61a der
Flammenfalle 61 so anfettet bzw. dessen Kraftstoffanteil
so erhöht, dass das nun entstandene Gasgemisch sich an dem
nun ausreichend heißen Glühkörper 62 entzündet
und unter Flammenbildung verbrennt.
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Bei
dieser flammenbildenden Verbrennung des Gasgemisches tritt über
die Öffnung 61b der Flammenfalle 61 eine
Flammenfront aus dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61 aus.
Diese aus dem Innenraum 61a der Flammenfalle 61 austretende Flammenfront
entzündet unter Flammenbildung das in der Vorkammer 20 befindliche
Gasgemisch. Die Verbrennung des in der Vorkammer 20 befindlichen Gasgemisches
wird durch Ausdehnung über die Überströmöffnungen 20, 21 aus
der Vorkammer 20 in den mit der Vorkammer 20 verbundenen
Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 des Gasmotors 1 hinein
getragen, wodurch das sich im Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 befindende
Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird, welches bei seiner
Verbrennung einen Expansionshub bzw. Arbeitshub des sich im Zylinder 10 befindenden
Kolbens bewirkt.
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Abschließend
ist zu bemerken, dass bei dem erfindungsgemäßen
Gasmotor 1 gemäß dem PGI-Verfahren der
in die Vorkammer 20 eingespritzte Zündgasstrahl 41 und
das in den Hauptbrennraum 11 des Zylinders 10 eingespritzte
Luft-Kraftstoff-Gemisch (Luft-Brenngas-Gemisch) auf dem gleichen gasförmigen
Kraftstoff bzw. Brenngas basieren.
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- 1
- Gasmotor
- 10
- (Verbrennungs-)Zylinder
- 11
- Hauptbrennraum
- 20
- Vorkammer
- 21
- Überströmöffnung
- 22
- Überströmöffnung
- 30
- Zündanordnung
- 40
- Einspritzvorrichtung
- 41
- Zündgasstrahl
- 50
- Zündungs-Auslösevorrichtung
- 60
- wärmebasierte
Zündeinrichtung
- 61
- Flammenfalle
- 61a
- Innenraum
- 61b
- Öffnung
- 62
- Glühkörper
- 70
- Zündfunken-Erzeugungseinrichtung
- 71
- Funkenelektrode
- 72
- Funkenelektrode
- 80
- Zündspannungs-Steuereinrichtung
- 81
- elektrische
Leitungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10217996
A1 [0004]
- - DE 102007019882 A1 [0005]