DE102014016418A1

DE102014016418A1 - Verfahren zum Starten eines Gasmotors

Info

Publication number: DE102014016418A1
Application number: DE102014016418.7A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus König
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: KR102328552B1; KR20160053802A; FI20155795A; JP6690921B2; CN105569858B; JP2016089841A; FI129819B; CN105569858A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Starten eines Gasmotors mit mehr als einem Arbeitzylinder vorgeschlagen, wobei die Arbeitszylinder zylinderselektiv mit Brenngas versorgt werden und den Arbeitszylindern eine Startgasmenge zugeführt wird und Startgas mindestens einem Arbeitszylinder zylinderselektiv zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Gasmotors mit mehr als einem Arbeitszylinder, wobei die Arbeitszylinder zylinderselektiv mit Brenngas versorgt werden und den Arbeitszylindern eine Startgasmenge zugeführt wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasmotoren sind Brennkraftmaschinen, für deren Betrieb statt flüssigem Kraftstoff gasförmiger Kraftstoff verwendet wird, der beispielsweise in der Form von Erdgas, Holzgas, Deponiegas oder Wasserstoff vorliegen kann, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Gasmotoren werden oftmals stationär betrieben und zwar als Wärmekraftmaschinen bei Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung oder als Schiffsantrieb.
Anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2009 016 461 A1 ist ein Gasmotor bekannt geworden, der nach dem Performance-Gas-Injection (PGI) Verfahren arbeitet, bei dem zum Zünden des Gasgemisches ein Brenngasgemisch unter hohem Druck in eine Vorkammer eines jeweiligen Arbeitszylinders eingespritzt wird und sich in der Vorkammer eine Zündquelle in der Form beispielsweise eines Glühkörpers angeordnet befindet, an dem sich das zündfähige Gasgemisch entzündet. Die Flammenfront kann sich dann über Durchlässe in der Vorkammer in die Hauptbrennkammer ausbreiten, in der beispielsweise ein mageres Gasgemisch vorliegt.
Bei dem hier angesprochenen Zünden handelt es sich um die Entzündung des Gasgemisches beim bereits laufenden Gasmotor. Ein noch stillstehender Gasmotor, dessen Kurbelwelle sich noch nicht dreht, muss über eine Startprozedur in Betrieb gesetzt werden.
Für den Start eines Gasmotors muss verbrennungsfähiges Gemisch im Brennraum des Arbeitszylinders vorhanden sein, um die Zündung im Arbeitszylinder und damit das Anlaufen des Gasmotors zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass ein solches zündfähiges Gasgemisch oftmals nicht beim ersten Zündvorgang entflammt wird und so über die Auslasssteuerorgane des Arbeitszylinders in den Abgastrakt gelangt und sich somit im Abgastrakt zündfähiges Gasgemisch ansammelt. Kommt es dann zu einer Zündung eines Arbeitszylinders, so tritt heißes Abgas in den Abgastrakt aus und es besteht die Gefahr einer Selbstentzündung des zündfähigen Gasgemisches im Abgastrakt mit hohem Druckanstieg.
Bei zentral vorgemischten Gasmotoren wird in die gesamte Ansaugluftmenge des Gasmotors Brenngas eingemischt und das gesamte so hergestellte Gasgemisch ist zündfähig und kann daher in großen Mengen in den Abgastrakt gelangen, wenn es beim Startvorgang in den einzelnen Arbeitszylindern nicht entzündet wird.
Auch bei einer zylinderselektiven Zufuhr von Brenngas für die einzelnen Arbeitszylinder im bereits laufenden Betrieb des Gasmotors wird die zum Starten des Gasmotors benötigte Brenngasmenge zentral freigegeben, d. h. allen Arbeitszylindern wird gleichzeitig eine zum Zünden der einzelnen Arbeitszylinder benötigte Startgasmenge zugeteilt, was dazu führt, dass sich bei einem Gasmotor, bei dem nicht alle Arbeitszylinder ein gleichmäßig gutes Zündverhalten aufweisen, ein zündfähiges Gemisch im Abgastrakt ansammelt und sich so eine erhebliche Explosionsgefahr einstellt. Durch eine Überwachung des Zündvorgangs des Gasmotors und eine Überwachung der Gaszusammensetzung im Abgastrakt beim Startvorgang kann diese Gefahr zwar verringert werden, es hat sich aber gezeigt, dass dieses System noch Verbesserungspotenzial aufweist.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Starten eines Gasmotors zu schaffen, mit dem das Auftreten von zündfähigem Gasgemisch im Abgastrakt des Gasmotors vermieden werden kann.
Das zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Verfahren weist die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Starten eines Gasmotors mit mehr als einem Arbeitszylinder, wobei die Arbeitszylinder zylinderselektiv mit Brenngas versorgt werden und den Arbeitszylindern eine Startgasmenge zugeführt wird, das sich dadurch auszeichnet, dass Startgas mindestens einem Arbeitszylinder zylinderselektiv zugeführt wird.
Es bedeutet dies mit anderen Worten dass sich das erfindungsgemäße Startverfahren insbesondere für Gasmotoren eignet, die während des laufenden Betriebs des Gasmotors zylinderselektiv mit Brenngas versorgt werden können, wobei im Gegensatz zum bisherigen Startverfahren die Startgasmenge nicht mehr zentral für alle Arbeitszylinder gleichzeitig freigegeben wird und allen Arbeitszylindern gleichzeitig Startgas zugeführt wird, sondern eine zum Starten des Brennvorgangs in mindestens einem Arbeitszylinder benötigte Startgasmenge dem Arbeitszylinder zylinderselektiv zugeführt wird. Einem Arbeitszylinder des mehrzylindrigen Gasmotors kann daher eine Startgasmenge zugeführt werden, während einem anderen Arbeitszylinder während der Zufuhr von Startgas zu dem erstgenannten Arbeitszylinder noch kein Startgas zugeführt wird. Dies führt dazu, dass selbst dann, wenn sich die Startgasmenge in dem ausgewählten Arbeitszylinder nicht entzündet und über die Auslasssteuerorgane in den Abgastrakt gelangt, kein zündfähiges Gasgemisch im Abgastrakt vorliegt, da über die anderen Arbeitszylinder Verbrennungsluft in den Abgastrakt gepumpt wird und sich das Gasgemisch daher so weit verdünnt, dass es nicht mehr zündfähig ist. Die Gefahr einer Selbstentzündung des Gasgemisches im Abgastrakt ist daher wirksam beseitigt worden.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest zwei Arbeitszylindern eine vorbestimmte Menge an Startgas zylinderselektiv zugeführt wird. Damit kann den gewählten Arbeitszylindern eine unterschiedliche Menge an Startgas zugeführt werden in Abhängigkeit beispielsweise von Erfahrungswerten beim Betrieb des spezifischen Gasmotors. Gasmotoren neigen dazu, dass einzelne Arbeitszylinder schneller starten als andere Arbeitszylinder oder zum Starten eine andere Startgasmenge benötigen als andere Arbeitszylinder des Gasmotors und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann solchen spezifischen Eigenheiten eines jeweiligen Gasmotors Rechnung getragen werden.
Damit kann jedem Arbeitszylinder zum sicheren Erstzünden eine seinem Startverhalten angepasste spezifische Startgasmenge zugeführt werden und der Ausstoß von zündfähigem Gasgemisch in den Abgastrakt des Gasmotors zuverlässig vermieden werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass Startgas mindestens einem weiteren Arbeitszylinder erst nach Erkennung der erfolgten Zündung in mindestens einem Arbeitszylinder zugeführt wird. Es bedeutet dies mit anderen Worten, dass erst dann, wenn in mindestens einem Arbeitszylinder oder bei einem Gasmotor, der zum Anlaufen eine Zündung in mehr als einem Arbeitszylinder benötigt, eine Zündung in der benötigten Zylinderzahl stattgefunden hat, weiteren Arbeitszylindern eine Startgasmenge zugeführt wird, die so dosiert sein kann, dass die Wahrscheinlichkeit einer Nichtentzündung im betreffenden Arbeitszylinder deutlich verringert worden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die zylinderselektive Startgasmenge so bestimmt wird, dass im Abgastrakt des Gasmotors kein zündfähiges Gemisch vorliegt. Damit kann keine gefährliche Entzündung eines in den Abgastrakt eines beim Startvorgang nicht gezündeten Arbeitszylinders gelangenden Gasgemisches erfolgen. Wenn bei einem mehrzylindrigen Gasmotor beim Startvorgang die Zündung in einer Vielzahl der Arbeitszylinder bereits stattgefunden hat und sich nur ein spezifischer Arbeitszylinder als zündunwillig erweist, kann die diesem Arbeitszylinder zugeführte Startgasmenge beispielsweise schrittweise erhöht werden, bis die Entzündung auch in diesem Arbeitszylinder eingesetzt hat. Die in den Abgastrakt über den nicht gezündeten Arbeitszylinder gelangende Gasmenge kann so zylinderselektiv gesteuert werden dahingehend, dass sich im Abgastrakt kein zündfähiges Gasgemisch sammelt.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass ein mit Startgas zu versorgender Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt wird in Abhängigkeit von der Startwilligkeit des Arbeitszylinders und/oder der Drehwinkelstellung des Arbeitszylinders relativ zu mindestens einem weiteren Arbeitszylinder und/oder der Position des Abgasauslaßes des Arbeitszylinders im Abgastrakt des Gasmotors.
Damit kann die Reihenfolge der zylinderselektiven Zufuhr von Startgas an die einzelnen Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt werden in Abhängigkeit beispielsweise davon, ob sich ein Arbeitszylinder bei vorhergehenden Startversuchen als zündunwillig erwiesen hat, so dass diesem Arbeitszylinder erst dann Startgas zugeführt wird, wenn andere Arbeitszylinder des Gasmotors bereits zu zünden begonnen haben und dadurch die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Zündvorgangs im zündunwilligen Arbeitszylinder deutlich angestiegen ist.
Es kann auf diese Weise eine sequenzielle Freigabe von Startgas auf einzelne Arbeitszylinder in Abhängigkeit der genannten Parameter realisiert werden, was zu einem sanften Anstieg des Drehmomentverlaufs des Gasmotors beim Startvorgang führt, wodurch ungewünschte Drehmomentamplituden vermieden werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die Reihenfolge der mit Startgas zu versorgenden Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt wird derart, dass der Kurbeltrieb des Gasmotors nicht zu einer Eigenschwingung angeregt wird. Auch kann mit dem erfindungsgemäßen Startverfahren die Torsionseigenschaft des Kurbeltriebs beeinflusst werden. Die Reihenfolge der nacheinander mit Startgas versorgten Arbeitszylinder wird so gewählt, dass einerseits ein möglichst gleichmäßiger Drehmomentverlauf entsteht und andererseits schädliche Torsionsschwingungen beim Hochlaufen der Kurbelwelle vermieden werden.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die Reihenfolge der mit Startgas zu versorgenden Arbeitszylinder nach einem Abbruch der Startsequenz des Gasmotors zu einer von der gewählten Reihenfolge abweichenden zweiten Reihenfolge geändert wird und der Startvorgang mit der zweiten Reihenfolge wiederholt wird. Eine solche Vorgehensweise kann dann von Vorteil sein, wenn sich aufgrund der Umgebungsbedingungen des Gasmotors, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit oder anderer spezifischer Einflussparameter ein Starten des Gasmotors nicht als erfolgreich erwiesen hat oder in Abhängigkeit solcher sich verändernder Parameter unterschiedliche Reihenfolgen der mit Startgas zu versorgender Arbeitszylinder vorteilhaft sind.
Vorstehend wurde erläutert, dass ausgewählten Arbeitszylindern eine zylinderspezifische Startgasmenge erst dann zugeführt wird, wenn in vorher mit Startgas versorgten Arbeitszylindern ein erfolgreicher Zündvorgang festgestellt wurde. Die Erkennung der erfolgten Zündung eines Arbeitszylinders findet nach einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise mittels der Feststellung eines Temperaturanstiegs im Abgaskanal des Arbeitszylinders und/oder mittels einer Feststellung eines Druckanstiegs im Arbeitszylinder statt.
Für die Feststellung der erfolgten Zündung kann beispielsweise ein Klopfsensor eines Arbeitszylinders verwendet werden, so dass für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzliche Sensorik am Gasmotor appliziert werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass die Zündung des Gasmotors nicht mit einer einheitlichen Startgasfreigabe auf alle Zylinder gleichzeitig stattfindet, sondern Zündgas sequenziell an spezifisch ausgewählte Zylinder zugeführt wird, also auf einen oder mehrere Arbeitszylinder, und die Freigabe von Startgas für die folgenden Zylinder in der Startsequenz erst nach erfolgreicher Zünderkennung der bereits freigegebenen Zylindersequenzen stattfindet.
Dadurch ergibt sich im Abgastrakt immer eine Mischung von Gas aus den zur Zündung freigegebenen Arbeitszylindern mit Gas aus den noch nicht mit Startgas versorgten Arbeitszylindern, also reiner Verbrennungsluft oder Abgas aus den bereits gezündeten Arbeitszylindern. Die Anzahl der gleichzeitig zur Zündung freigegebenen Arbeitszylinder kann so gewählt werden, dass im Abgastrakt aufgrund der Mischung des Startgases aus Arbeitszylindern im Falle einer nicht erfolgreichen Zündung mit reiner Verbrennungsluft und/oder Abgas aus bereits gezündeten Arbeitszylindern kein zündfähiges Gasgemisch vorhanden ist.
Zur Erfassung, ob in einzelnen Arbeitszylindern bereits eine Zündung eingesetzt hat, können auch bereits vorhandene Sensoren in der Form von beispielsweise Klopfsensoren eingesetzt werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig umgesetzt werden kann. Statt oder zusätzlich zu den Druckerfassungssensoren können auch Sensoren zur Erfassung der Temperatur im Arbeitszylinder eingesetzt werden um festzustellen, ob der Startvorgang im jeweiligen Arbeitszylinder erfolgreich war.
In die Bestimmung der Zündreihenfolge der Arbeitszylinder kann beispielsweise auch die Torsionseigenschaft des Kurbeltriebs einfließen. Die Reihenfolge der nacheinander mit Startgas versorgten Arbeitszylinder wird so gewählt, dass einerseits ein möglichst gleichmäßiger Drehmomentverlauf entsteht und andererseits die Torsionsschwingungen des Kurbeltriebs im zulässigen Bereich gehalten werden. Als Zündreihenfolge können auch mehrere alternative Reihenfolgen festgelegt werden, die wahlweise zum Starten des Gasmotors verwendet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009016461 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Starten eines Gasmotors mit mehr als einem Arbeitzylinder, wobei die Arbeitszylinder zylinderselektiv mit Brenngas versorgt werden und den Arbeitszylindern eine Startgasmenge zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Startgas mindestens einem Arbeitszylinder zylinderselektiv zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Arbeitszylindern eine vorbestimmte Menge an Startgas zylinderselektiv zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Startgas mindestens einem weiteren Arbeitszylinder erst nach Erkennung der erfolgten Zündung in mindestens einem Arbeitszylinder zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startgasmenge so bestimmt wird, dass im Abgastrakt des Gasmotors kein zündfähiges Gemisch vorliegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Startgas zu versorgender Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt wird in Abhängigkeit von der Startwilligkeit des Arbeitszylinders und/oder der Drehwinkelstellung des Arbeitszylinders relativ zu mindestens einem weiteren Arbeitszylinder und/oder der Position des Abgasauslaßes des Arbeitszylinders im Abgastrakt des Gasmotors.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der mit Startgas zu versorgenden Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt wird zur Herbeiführung eines Drehmomentverlaufs mit Amplituden, deren Betrag kleiner ist als ein vorbestimmter Amplitudenbetrag.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der mit Startgas zu versorgenden Arbeitszylinder motorspezifisch bestimmt wird derart, dass der Kurbeltrieb des Gasmotors nicht zu einer Eigenschwingung angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der mit Startgas zu versorgenden Arbeitszylinder nach einem Abbruch der Startsequenz des Gasmotors zu einer von der Reihenfolge abweichenden zweiten Reihenfolge geändert wird und der Startvorgang mit der zweiten Reihenfolge wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der erfolgten Zündung eines Arbeitszylinders mittels der Feststellung eines Temperaturanstiegs im Abgaskanal des Arbeitszylinders und/oder mittels einer Feststellung eines Druckanstiegs im Arbeitszylinder durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Klopfsensor eines Arbeitszylinders zur Feststellung des Druckanstiegs verwendet wird.