DE19505127C1 - Lean mixture gas engine with ignition by pilot injection of diesel oil - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Zündstrahl-Gasmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a pilot gas engine according to the preamble of claim 1.
Gas-Ottomotoren zeichnen sich durch niedrige Schadstoff-Emissionen, insbesondere niedere Stickoxid-Emissionen, aus. Schwierigkeiten bereitet es jedoch, das in Gas- Ottomotoren verwendete Magergemisch mit Gas als Hauptkraftstoff zu zünden. Die Zündung ist bei Magergemischen mit hohen Luft/ Kraftstoffverhältnissen z. B. durch eine Zündkerze nicht gewährleistet.Gas Otto engines are characterized by low pollutant emissions, in particular lower nitrogen oxide emissions. However, it is difficult to Gasoline engines used to ignite lean mixture with gas as the main fuel. The Ignition is with lean mixtures with high air / fuel ratios z. B. by a Spark plug not guaranteed.
Bekannt ist aus der DE 32 12 277 A1, in Brennräumen einer Brennkraftmaschine zündunwilligen Hauptkraftstoff durch eine Pilot-Zündung mittels Diesel-Zündstrahl, im sogenannten "Dual-fuel Betrieb", zu zünden, wobei zündunwilliger Hauptkraftstoff und Diesel-Kraftstoff jeweils von Einspritzpumpen in den Brennraum gefördert werden. Die Einspritzpumpen sind mit Drehzahlreglern ausgestattet, wobei für den Diesel-Kraftstoff die auf Vollast-Dieselbetrieb ausgelegte Original-Einspritzpumpe eines Dieselmotors mit einer Fördermengenblockiereinrichtung ausgestattet ist. Die Fördermengenblockiereinrichtung kann eine maximale Diesel-Fördenmenge einstellen, wenn der Diesel-Kraftstoff lediglich zum Zünden des zündunwilligen Hauptkraftstoffs eingesetzt wird. It is known from DE 32 12 277 A1, in combustion chambers of an internal combustion engine main fuel unwanted by pilot ignition using a diesel ignition jet, in so-called "dual-fuel operation" to ignite, the main fuel and unwanted ignition Diesel fuel is fed into the combustion chamber by injection pumps. The Injection pumps are equipped with speed regulators, whereby for the diesel fuel the original injection pump of a diesel engine designed for full-load diesel operation a delivery rate blocking device is equipped. The Delivery blockage device can set a maximum diesel delivery rate, if the diesel fuel is only used to ignite the main fuel that is not to be ignited is used.
Aus der Druckschrift EP 0 108 582 A2 ist es bekannt, einen Dieselmotor so anzupassen, daß Gas oder eine gasförmige Mischung als zündunwilliger Hauptkraftstoff und Diesel- Kraftstoff als Zündkraftstoff verwandt werden kann. Gemäß diesem Stand der Technik kann eine Regeleinrichtung mit wahlweise schaltbarer Fördermengenbegrenzung ein Einspritzsystem von reinem Dieselbetrieb, z. B. während eines Startvorgangs, auf dual-fuel Betrieb, in dem Diesel-Kraftstoff lediglich zum Zünden des zündunwilligen Hauptkraftstoffs eingesetzt wird, umschalten. Die lediglich zum Zünden des zündunwilligen Hauptkraftstoffs erforderlichen Diesel-Kraftstoffmengen sind im Bereich von 0,75% bis 5% der gesamten Einspritzmenge, wobei die Dosierung mittels einer Festmengenfördereinrichtung oder einer einstellbaren Fördermengenregeleinrichtung bemessen wird. Nachteilig bei diesem bekannten Einspritzsystem ist, daß die Dosierung der geringen Diesel-Kraftstoffmengen für den dual-fuel Betrieb hohen konstruktiven Aufwand am Einspritzsystem erfordern. Gelangen im dual-fuel Betrieb größere Mengen Diesel-Kraftstoff zur Verbrennung sind schlechtere Schadstoffemissionswerte die Folge.From document EP 0 108 582 A2 it is known to adapt a diesel engine so that Gas or a gaseous mixture as the main ignitable fuel and diesel Fuel can be used as an ignition fuel. According to this state of the art can a control device with optionally switchable flow rate limitation Injection system of pure diesel operation, e.g. B. during a startup, on dual-fuel Operation in which diesel fuel is used only to ignite the unwanted ignition Main fuel is used to switch. The only for igniting the Primary fuel required diesel fuel quantities are in the range from 0.75% to 5% of the total injection quantity, the dosage using a Fixed quantity conveying device or an adjustable conveying quantity regulating device is measured. A disadvantage of this known injection system is that the dosage the low diesel fuel quantities for the dual-fuel operation high constructive Require effort on the injection system. Can reach larger quantities in dual-fuel operation Diesel fuel for combustion results in poorer pollutant emission values.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zündstrahl-Gasmotor zu schaffen, der sich bei geringem konstruktiven Aufwand im dual-fuel-Betrieb durch niedrige Schadstoffemissionswerte auszeichnet.The invention has for its object to provide a pilot gas engine, which is low design effort in dual-fuel operation due to low Distinguishes pollutant emission values.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is carried out in a generic facility solved with the characterizing features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.Advantageous embodiments of the invention are shown in the subclaims.
Gemäß der Erfindung ist ein Zündstrahl-Gasmotor mit einer Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel-Kraftstoff in einen oder mehrere Brennräume, einer Einrichtung zur Zufuhr gasförmigen Kraftstoffs in den oder die Brennräume, Einrichtungen zur abgestimmten Dosierung des Diesel- und gasförmigen Kraftstoffs, und jeweils einem Einspritzventil für die Zufuhr des Diesel- und gasförmigen Kraftstoffs in den oder die Brennräume ausgestattet. Die Einspritzanlage entspricht einer Standard-Diesel-Einspritzanlage, so daß zum Starten und im Teillast-Betrieb der Zündstrahl-Gasmotor, - um z. B. als Generatoraggregat Strom zu erzeugen -, auch ausschließlich mit Diesel-Kraftstoff betrieben werden kann. Vor der Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel-Kraftstoff ist eine Einrichtung zum Zuführen von Wasser zum Diesel-Kraftstoff angeordnet, die mit einer Dosiereinrichtung ausgestattet ist. Wird im dual-fuel Betrieb der Zündstrahl-Gasmotor mit Gas als Hauptkraftstoff betrieben, wird die Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel- Kraftstoff auf Leerlaufförderung gestellt. Die Leerlaufförderung der Einspritzanlage im dual-fuel Betrieb, enthält nur zu einem kleinen Teil Diesel-Kraftstoff und im übrigen Wasser. Der Anteil des Diesel-Kraftstoffs bei Leerlaufförderung an der gesamten Einspritzmenge kann mit dem bei gemischten Wasser ohne konstruktive zusätzliche Maßnahmen an der Einspritzanlage, z. B. an der Standard-Diesel-Einspritzanlage, bis auf 1/100 der Diesel-Vollasteinspritzmenge reduziert werden, wobei mit dem beigemischten Wasser erreicht wird, daß die Einspritzanlage auch bei Leerlaufbetrieb, eine Gesamtmenge einspritzt, die nicht nennenswert unter der kleinsten, einzuspritzenden Menge von 1/10 der Vollasteinspritzmenge bei reinem Diesel-Leerlautbetrieb liegt. Das in der Förderung der Einspritzanlage enthaltene Wasser reduziert die Schadstoffemissionen des erfindungsgemäßen Zündstrahl-Gasmotors, ohne an der Verbrennung beteiligt zu sein.According to the invention is a pilot gas engine with an injection system for supply of diesel fuel in one or more combustion chambers, a device for supply gaseous fuel in the combustion chamber or chambers, facilities for coordinated Dosage of diesel and gaseous fuel, and one injector for each the supply of diesel and gaseous fuel in the combustion chamber or combustion chambers fitted. The injection system corresponds to a standard diesel injection system, so that to start and in part-load operation of the pilot gas engine, - z. B. as Generator unit to generate electricity - even exclusively with diesel fuel can be operated. In front of the injection system for the supply of diesel fuel is one Device for supplying water to the diesel fuel arranged with a Dosing device is equipped. If the pilot gas engine is used in dual-fuel mode Operating the gas as the main fuel, the injection system is used to supply diesel Fuel put on idling. The idle delivery of the injection system in the dual-fuel operation, contains only a small part of diesel fuel and the rest Water. The share of diesel fuel in idle fueling in the total Injection quantity can be mixed with that without additional constructive water Measures on the injection system, e.g. B. on the standard diesel injection system, except for 1/100 of the diesel full-load injection quantity can be reduced, with the admixed Water is achieved that the injection system even when idling, a Total amount injected that is not significantly below the smallest to be injected Quantity of 1/10 of the full-load injection quantity in pure diesel idle mode. This in the water contained in the injection system reduces pollutant emissions of the pilot gas engine according to the invention without being involved in the combustion.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zum Zuführen von Wasser zum Diesel-Kraftstoff eine Einrichtung zur Bildung von Emulsion aus Diesel- Kraftstoff und Wasser auf.According to one embodiment of the invention, the device for feeding Water to diesel fuel a device for forming emulsion from diesel Fuel and water on.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zum Zuführen von Wasser zum Diesel-Kraftstoff eine Einrichtung zur Bildung einer Diesel-Wasser- Schichtung auf.According to a further embodiment of the invention, the device for feeding from water to diesel fuel a facility to form a diesel water Layering on.
Ein bevorzugter Zündstrahl-Gasmotor gemäß der Erfindung sieht vor, daß eine kleiner dimensionierte Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel-Kraftstoff mit Booster-Kraftstoff pumpen ausgestattet ist, um zusätzlich Diesel-Kraftstoff in den oder die Brennräume zu fördern. Würde allein eine kleiner dimensionierte Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel- Kraftstoff verwandt, die z. B. auf die Einspritzmenge im Leerlauf-Dieselbetrieb ausgelegt ist, könnten die Einspritzmengen im Start- und Abstellvorgang oder im Teillastbetrieb des Zündstrahl-Gasmotors bei reinem Dieselbetrieb unzureichend sein. Mit der Booster- Kraftstoffpumpe kann Diesel-Kraftstoff während einer Einspritzdauer, die der Dauer einer halben Kurbelwellenumdrehung oder mehr entsprechen kann, in den oder die Brennräume eingebracht werden. Ist der Zündstrahl-Gasmotor gemäß der Erfindung angelaufen, kann die Booster-Kraffstoffpumpe abgeschaltet werden, und der Leerlauf bei reinem Dieselbetrieb mit der dafür dimensionierten Einspritzanlage zur Zufuhr von Diesel- Kraftstoff fortgesetzt werden. Wird bei anschließendem dual-fuel Betrieb der Ansaugluft des Zündstrahl-Gasmotors der Erfindung Gas als Hauptkraftstoff beigemischt, kann die Einspritzmenge an Diesel-Kraftstoff durch Steuerung oder Regelung der Einspritzanlage bis auf die für die Zündung des Hauptkraftstoffs erforderlichen Mengen zurückgenommen werden. A preferred pilot gas engine according to the invention provides that a smaller one dimensioned injection system for supplying diesel fuel with booster fuel Pump is equipped to additionally diesel fuel in the combustion chamber or promote. Would a smaller injection system for the supply of diesel Fuel related, the z. B. designed for the injection quantity in idle diesel operation is, the injection quantities in the start and shutdown process or in partial load operation of the The pilot gas engine may be insufficient for pure diesel operation. With the booster Fuel pump can run diesel fuel during an injection period that is the duration of a can correspond to half a crankshaft revolution or more in the combustion chamber or combustion chambers be introduced. Is the pilot gas engine started according to the invention, can the booster fuel pump are switched off, and the idle when clean Diesel operation with the injection system designed for this purpose to supply diesel Fuel to be continued. Is in the subsequent dual-fuel operation of the intake air of the pilot gas engine of the invention mixed with gas as the main fuel can Injection quantity of diesel fuel by controlling or regulating the injection system withdrawn to the amounts required to ignite the main fuel will.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Einspritzanlage ein Common-Rail System auf, in dem Diesel-Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Die Dosierung der Einspritzmenge von Diesel-Kraftstoff erfolgt mittels elektrisch gesteuerter Ventile, die freie Steuerung der Einspritzmenge über eine vergleichsweise lange Einspritzdauer ermöglichen.According to a further embodiment of the invention, the first injection system has Common rail system in which diesel fuel is stored under high pressure. The injection quantity of diesel fuel is metered electrically controlled valves, the free control of the injection quantity via a comparative enable long injection duration.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt:The invention is illustrated below using exemplary embodiments. It shows:
Fig. 1 einen Zündstrahl-Gasmotor mit einer Einrichtung zum Zuführen von Wasser und Fig. 1 shows a pilot gas engine with a device for supplying water and
Fig. 2 einen Zündstrahl-Gasmotor mit einer Booster-Kraftstoffpumpe. Fig. 2 shows a pilot gas engine with a booster fuel pump.
Fig. 1 Ein Zündstrahl-Gasmotor 1 enthält einen Brennraum 2. Ein von einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) betätigtes Pleuel 3 treibt in einem Zylinder 5 einen Kolben 4 an. Am Zylinder 5 ist eine erste Einspritzanlage 6 angeordnet. Ein Zylinderkopf 7 enthält eine Mehrloch-Einspritzdüse 8 mit mehreren Öffnungen (nicht dargestellt), die in Brennraum 2 münden. Fig. 1 A pilot injection gas engine 1 comprises a combustion chamber 2. A connecting rod 3 actuated by a crankshaft (not shown) drives a piston 4 in a cylinder 5 . A first injection system 6 is arranged on the cylinder 5 . A cylinder head 7 contains a multi-hole injection nozzle 8 with a plurality of openings (not shown) which open into the combustion chamber 2 .
Die Mehrloch-Einspritzdüse 8 steht über eine Leitung 10 mit der Einspritzanlage 6, die einer auf einen Vollast-Dieselbetrieb ausgelegten Standard-Diesel-Einspritzanlage entspricht, in Verbindung. Die Einspritzanlage 6 ist über eine Leitung 11 mit einer Einrichtung 12 zum Zuführen von Wasser, die einen Emulsionsbildner enthält, verbunden, der über eine Leitung 13 aus einem Diesel-Kraftstoffreservoir 14 und über eine Leitung 15 aus einem mit Wasser gefüllten Reservoir 16 versorgt wird.The multi-hole injection nozzle 8 is connected via a line 10 to the injection system 6 , which corresponds to a standard diesel injection system designed for full-load diesel operation. The injection system 6 is connected via a line 11 to a device 12 for supplying water, which contains an emulsion former, which is supplied via a line 13 from a diesel fuel reservoir 14 and via a line 15 from a reservoir 16 filled with water.
Am Zylinderkopf 7 mündet eine Einrichtung 20 zur Zufuhr gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum 2. Die Einrichtung 20 steht über einen Gasmixer 23 und eine Drosselklappe 24 mit einer Zufuhr 21 für Luft und einer Zufuhr 22 für Gas in Verbindung.A device 20 for supplying gaseous fuel opens into the combustion chamber 2 at the cylinder head 7 . The device 20 is connected via a gas mixer 23 and a throttle valve 24 to a supply 21 for air and a supply 22 for gas.
Bei reinem Dieselbetrieb des Zündstrahl-Gasmotors 1 wird vom Reservoir 16 der Einrichtung 12 kein Wasser zugeführt. Dem Zündstrahl-Gasmotor 1 wird von der Einrichtung 20 über die Zufuhr 22 nur Ansaugluft, aber kein Gas zugeführt. Die Einspritzanlage 6 wird beim Start und im Teillastbetrieb wie eine normale Dieseleinspritzanlage betrieben. In the case of pure diesel operation of the pilot gas engine 1 , no water is supplied from the reservoir 16 to the device 12 . The intake jet gas engine 1 is supplied by the device 20 via the feed 22 only intake air, but no gas. The injection system 6 is operated like a normal diesel injection system at start and in part-load operation.
Läuft der Zündstrahl-Gasmotor 1 im dual-fuel Betrieb, wird dem Brennraum 1 Gas als Hauptkraftstoff über die Einrichtung 20 zugeführt. Der Anteil an Diesel-Kraftstoff, der über Einrichtung 12 der Einspritzanlage 6 zugeführt wird, wird auf ungefähr 1/100 der Vollastmenge reduziert, und der verbleibende Anteil zur Erzielung der Leerlaufmenge der Einspritzanlage 6, die etwa 1/10 der Vollastmenge beträgt, wird in Einrichtung 12 durch Wasser ersetzt. Dosiereinrichtungen (nicht dargestellt) an Einrichtung 12 gewährleisten die genaue Zumessung der Anteile von Diesel-Kraftstoff und Wasser für die Einspritzanlage 6 im dual-fuel Betrieb.If the pilot gas engine 1 runs in dual-fuel mode, gas is supplied to the combustion chamber 1 as the main fuel via the device 20 . The proportion of diesel fuel which is supplied to the injection system 6 via the device 12 is reduced to approximately 1/100 of the full load quantity, and the remaining proportion to achieve the idle quantity of the injection system 6 , which is approximately 1/10 of the full load quantity, is shown in FIG Device 12 replaced by water. Dosing devices (not shown) on device 12 ensure the exact metering of the proportions of diesel fuel and water for the injection system 6 in dual-fuel operation.
Alternativ zum Emulsionsbildner kann Einrichtung 12 eine Einrichtung zur bifluiden Einspritzung (nicht dargestellt) enthalten, die zu einer Diesel-Wasser-Schichtung in der Mehrloch-Einspritzdüse 8 führt.As an alternative to the emulsion former, device 12 can contain a device for bifluid injection (not shown), which leads to a diesel-water stratification in the multi-hole injection nozzle 8 .
Fig. 2 übereinstimmende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Eine verkleinerte Einspritzanlage 6 eines Zündstrahl-Gasmotors 25 ist auf die Einspritzmenge bei Leerlauf bei reinem Dieselbetrieb ausgelegt. Eine Booster-Kraftstoff pumpe 26 ist über eine Leitung 27 mit dem Diesel-Kraftstoffreservoir 14 und über eine Leitung 28 mit einem Rückschlagventil 29 mit der Mehrloch-Einspritzdüse 8 verbunden. Die Booster-Kraftstoffpumpe 26 ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Zahnrad- Hochdruckpumpe und abschaltbar. Die Einspritzdüse 8 ist mit mehreren Löchern versehen, die den Diesel-Kraftstoff in Brennraum 2 einbringen. Brennraum 2 ist vorzugsweise mit einer Vorkammer ausgestattet.Features which correspond to FIG. 2 are provided with the reference symbols from FIG. 1. A downsized injection system 6 of an ignition jet gas engine 25 is designed for the injection quantity at idle with pure diesel operation. A booster fuel pump 26 is connected via a line 27 to the diesel fuel reservoir 14 and via a line 28 with a check valve 29 with the multi-hole injector 8 . In a preferred embodiment, the booster fuel pump 26 is a high-pressure gear pump and can be switched off. The injection nozzle 8 is provided with a plurality of holes which introduce the diesel fuel into the combustion chamber 2 . Combustion chamber 2 is preferably equipped with an antechamber.
Beim Start- und Abstellvorgang oder im Teillastbetrieb des Zündstrahl-Gasmotors 25 bei reinem Dieselbetrieb kann von der verkleinerten, auf die Einspritzmenge bei Leerlauf bei reinem Dieselbetrieb ausgelegten Einspritzanlage 6 keine ausreichende Einspritzmenge in Brennraum 2 gefördert werden. Die Booster-Kraftstoffpumpe 26 des Zündstrahl-Gas motors 25 fördert z. B. beim Start im reinen Dieselbetrieb, für den etwa eine Vollast- Einspritzmenge erforderlich ist, über Leitungen 27, 28 Diesel zu der Einspritzdüse 8. Die Einspritzdauer für den Diesel-Kraftstoff mit der Booster-Kraftstoffpumpe 26 entspricht etwa der Dauer einer halben Kurbelwellenumdrehung oder mehr. Der Diesel-Kraftstoff wird von der Mehrloch- Einspritzdüse 8 wandangelagert in den Brennraum 2 oder dessen Vorkammer eingebracht. Ist der Zündstrahl-Gasmotor 25 angelaufen, wird die Booster-Kraftstoffpumpe 26 abgeschaltet, und der Zündstrahl-Gasmotor 25 läuft z. B. im reinen Diesel-Leerlaufbetrieb bei maximaler Förderleistung der Einspritzanlage 6. Wird Zündstrahl-Gasmotor 25 auf dual-fuel Betrieb umgeschaltet, und der Ansaugluft des Zündstrahl-Gasmotors 25 Gas zugemischt, kann die Einspritzmenge von der Einspritzanlage 6 auf die für die Zündung des zündunwilligen Hauptkraftstoffs erforderliche Menge zurückgenommen werden.When starting and stopping or in partial-load operation of the pilot gas engine 25 in pure diesel operation, the reduced injection system 6, which is designed for the injection quantity at idle in pure diesel operation, cannot deliver an adequate injection quantity into combustion chamber 2 . The booster fuel pump 26 of the pilot gas engine 25 promotes z. B. at the start in pure diesel operation, for which a full-load injection quantity is required, via lines 27 , 28 diesel to the injector. 8 The injection duration for the diesel fuel with the booster fuel pump 26 corresponds approximately to the duration of half a crankshaft revolution or more. The diesel fuel is introduced from the multi-hole injection nozzle 8 onto the wall in the combustion chamber 2 or its prechamber. If the pilot gas engine 25 has started, the booster fuel pump 26 is switched off, and the pilot gas engine 25 runs, for. B. in pure diesel idle mode at maximum delivery rate of the injection system 6th If the pilot gas engine 25 is switched over to dual-fuel operation and gas is added to the intake air of the pilot gas engine 25 , the injection quantity can be reduced by the injection system 6 to the quantity required for the ignition of the unwanted main fuel.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Zündstrahl-Gasmotors 25 weist die Einspritzanlage 6 ein Common-Rail System (nicht dargestellt) auf, in dem Diesel- Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Die Steuerung der Einspritzmenge von Diesel-Kraftstoff erfolgt mittels elektrisch gesteuerter Ventile, die freie Steuerung der Einspritzmenge über eine vergleichsweise lange Einspritzdauer ermöglichen.According to an alternative embodiment of the ignition jet gas engine 25 , the injection system 6 has a common rail system (not shown) in which diesel fuel is stored under high pressure. The injection quantity of diesel fuel is controlled by means of electrically controlled valves, which allow free control of the injection quantity over a comparatively long injection period.
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