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EP-4249743-B1 - METHOD FOR OPERATING A GAS ENGINE WITH FUEL SUPPLY DEVICE WITH SELECTION POSSIBILITY FOR DIRECT INJECTION AND/OR AIR PATH INJECTION OF FUEL

EP4249743B1EP 4249743 B1EP4249743 B1EP 4249743B1EP-4249743-B1

Inventors

  • SEBA, BOUZID
  • Rohrer, Dimitri
  • Vidinha Santos, Daniel

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230308

Claims (20)

  1. Method for operating a gas engine which comprises at least one combustion chamber (70) and at least two fuel supply paths for supplying fuel to the at least one combustion chamber (70), wherein selectively, via the at least two different fuel supply paths, a direct injection or an injection into the intake tract for the at least one combustion chamber (70) can be carried out, wherein, with respective reference to the main injection, in a first operating mode, the fuel fraction required for charging the at least one combustion chamber (70) is supplied to the combustion chamber (70) exclusively by direct injection, and in a second operating mode, the fuel fraction required for charging the at least one combustion chamber (70) is supplied exclusively in the form of a fuel-air mixture via the air inlet of the combustion chamber (70), which forms due to the supply of fuel into the intake tract (100) of the combustion chamber (70) or of multiple combustion chambers (70), characterized in that the at least one combustion chamber (70) has an assigned prechamber (40) and the direct injection into the main combustion chamber (70) takes place via the prechamber (40).
  2. Method according to claim 1, characterized in that a fuel of the same chemical composition is supplied via the different fuel supply paths.
  3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the operating mode is selected depending on the current engine operating point in the speed-torque map of the gas engine.
  4. Method according to claim 3, characterized in that the speed-torque map of the gas engine is separated into at least one first and second, respectively contiguous, area part (210, 220) and the gas engine is operated in the first operating mode when the engine operating point lies in the first area part (210) and the gas engine is operated in the second operating mode when the operating point of the gas engine lies in the second area part (220).
  5. Method according to claim 4, characterized in that the first and second area part (210, 220) are separated by a torque limit characteristic line (T), wherein the torque limit characteristic line (T) preferably rises with increasing speed, in particular monotonically, preferably strictly monotonically.
  6. Method according to one of claims 4 or 5, characterized in that the lower boundary of the first area part (210) is formed by the torque limit characteristic line (T) and the upper boundary is formed by the full-load characteristic curve (200) of the gas engine, wherein the first area part (210) is furthermore limited by a minimum speed, preferably the idle speed of the gas engine, and an upper speed limit, and wherein the upper speed limit preferably lies in the range between 40% and 75% of the maximum speed of the gas engine, ideally corresponds to the corner speed of the gas engine.
  7. Method according to one of claims 5 or 6, characterized in that the torque limit characteristic line (T) can be defined variably, in particular is dynamically adjusted depending on at least one operating state parameter of the gas engine and/or at least one operating state parameter of a unit driven by the gas engine, in particular a mobile working machine.
  8. Method according to claim 7, characterized in that a corridor (230) is defined by a minimum and maximum speed-torque limit characteristic line (T2, T1) and the torque limit characteristic line (T) is dynamically shiftable within the corridor (230), in particular depending on the at least one operating state parameter.
  9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transition between first and second operating mode takes place discretely.
  10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas engine is operated in at least one third operating mode, wherein, during the activated third operating mode, the fuel fraction required for charging the at least one combustion chamber (70) is supplied according to a definable ratio by direct injection and by injection into the intake tract of the combustion chamber (70).
  11. Method according to claim 9, characterized in that the third operating mode is carried out when the operating point of the gas engine lies in a transition region (240) which is defined by a third area part (240) between the first and second area part (210, 220) in the speed-torque map.
  12. Method according to claim 10, characterized in that the third area part (230) and/or the position of the torque limit characteristic lines (T3, T4) between the third area part (230) and the first and/or second area part (210, 220) are dynamically defined, in particular depending on at least one operating state parameter of the gas engine and/or at least one operating state parameter of the unit driven by the gas engine, in particular a mobile working machine.
  13. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the active operating mode is selected depending on the current operating point of the gas engine in the speed-torque map and depending on a desired acceleration requirement and/or a specification relating to exhaust-gas emission and/or a specification relating to fuel consumption.
  14. Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the fuel supplied to the combustion chamber (70) via the intake tract is supplied into such a subsection of the air intake tract which already serves dedicatedly to supply air only to the combustion chamber (70).
  15. Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the fuel supplied to the combustion chamber (70) via the intake tract is introduced into such a section of the air intake tract of the gas engine which is a component of the air supply path of the combustion chamber (70) as well as at least one further combustion chamber (70) and preferably is a component of the air supply path of all combustion chambers (70) which functionally have a common air distributor (13).
  16. Method according to claim 15, characterized in that the fuel gas is supplied into that section of the air intake tract of the gas engine which corresponds to the air distributor (13).
  17. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the prechamber (40) has a dedicated fuel connection in order to supply the fuel of the prechamber (40) directly without detour via the assigned combustion chamber (70).
  18. Method according to claim 17, characterized in that the charging of the main combustion chamber (70) can take place, at least up to a certain fuel demand with respect to a main injection into the relevant combustion chamber (70), alone via the prechamber (40).
  19. Method according to one of the preceding claims 17 and 18, characterized in that the prechamber (40) has its own air connection, as a result of which air is supplied to it independently of the existing fluid connection to the main combustion chamber (70).
  20. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the in-cylinder pressure during the intake stroke is above 2.5 bar, preferably is between 4 bar and 6 bar and particularly preferably is between 4.5 bar and 5.5 bar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gasmotors, der über mindestens einen Brennraum bzw. mindestens einen Hauptbrennraum verfügt und eine Kraftstoff-Zuführungsvorrichtung, die mindestens zwei Kraftstoffpfade aufweist mit der jeweils eine Kraftstoffzuführung zu jenem mindestens einen Brennraum vorgesehen ist, wobei über den ersten Kraftstoffpfad eine Direkteinspritzung erfolgt und sich über den zweiten Kraftstoffpfad eine Kraftstoffzuleitung über den Luftansaugtrakt erstreckt. Vorbekannt sind gasbetriebene Verbrennungskraftmaschinen, bei denen das Einbringen des Brenngases in die Ladeluft mittels eines sogenannten Gasmischers erfolgt und von dort aus über den Luftverteiler in die Brennräume einströmt. Ferner vorbekannt ist die sogenannte Saugrohreinspritzung. Hierbei kann eine Gaseintrittsöffnung in das Saugrohr zur Versorgung mehrerer oder sämtlicher Brennräume dienen. Ebenso bekannt ist eine Saugrohreinspritzung, bei der jeweils ein Brennraum funktionalbezogen über seine eigene Gaseintrittsöffnung verfügt. In diesen genannten Ausführungen setzt die jeweilige zwischen dem Brenngas und der Luft erfolgende Gemischbildung bereits vor dem Einströmen in den Brennraum ein. Aus der WO 2006/079172 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage zur selektiven Direkt- und Saugrohreinspritzung bekannt. Ähnliche Systeme sind aus WO 2014/094148 A1, DE 10 2022 118732 A1 und DE 199 45 544 A1. Die EP 3 741 984 A1 offenbart einen Motor, dessen Hauptbrennraum Kraftstoff per Saugrohreinspritzung zugeführt wird. Eine Vorkammer dient als Zündverstärker. In Kombinationen mit diesen vorgenannten Konfigurationen sind passive und aktive Vorkammern bekannt. Ein Motor bzw. Gasmotor mit Direkteinspritzung und passiven Vorkammern verfügt pro Zylinder über genau einen Brenngaspfad, wobei die Vorkammer das Brenngas über den entsprechenden Hauptbrennraum erhält. In Bezug auf solche Gasmotoren, die mit aktiven Vorkammern ausgestattet sind, sind solche Ausführungen bekannt, bei denen jede Vorkammer und jeder Hauptrennraum jeweils über ihren eigenen Brenngaspfad verfügen. Auch Gasmotoren mit aktiven Vorkammern, bei denen sich die Brenngaszuführung in einen Hauptbrennraum über die Vorkammer erstreckt, sind mittlerweile vorbekannt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den neu hinzugewonnenen Freiheitsgrad der eingangsgenannten Motoraufbauten vorteilhaft zu nutzen, um hierdurch in Abhängigkeit der Präferenz eine Zunahme der Dynamikfähigkeit und/oder der Wirkungsgradsteigerung sowie einer Geringhaltung der Abgas-Emissionen zu erzielen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Gasmotor gemäß Anspruch 21. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche. Die Idee hinter der Erfindung besteht darin, das vorhandene Optimierungspotential bekannter Gasmotoren, deren Brennräume wenigstens zwei separate Kraftstoff-Zuführungspfade verfügen, besser auszuschöpfen, indem der situationsabhängig vorteilhafte Kraftstoff-Zuführungspfad für die Beladung wenigstens eines Brennraums ausgewählt wird. Die Erfindung sieht demzufolge vor, dass der wenigstens eine Brennraum wahlweise zu 100 % den ersten oder den zweiten Kraftstoff-Zuführungspfad nutzt. Der erfindungsgemässe Gasmotor weist den Vorteil auf, dass er je nach Präferenz oder Anforderung, in einer Betriebsart, unter der reduzierte Abgasemissionen vorliegen, oder alternativ in einer anderen Betriebsart, unter der eine erhöhte Dynamik-Fähigkeit besteht und/oder ein reduzierter spezifischer Kraftstoffverbrauch und zwar insbesondere im unteren bis hin zum mittleren Drehzahlbereich, betrieben werden kann. Diese Vorteilhaftigkeit basiert darauf, dass in einer ersten vorgesehenen Betriebsart die für mindestens einen Brennraum benötigte Kraftstoffzuführung zur Beladung des Brennraums mit Kraftstoff ausschliesslich per Direkteinspritzung vorgenommen wird. Eine Kraftstoffzuführung per Direkteinspritzung verleiht dem Gasmotor eine erhöhte Dynamikfähigkeit, insbesondere im unteren bis hin zum mittleren Drehzahlbereich. Unter Direkteinspritzung wird eine unmittelbare Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum per Injektor verstanden - d.h. der aus dem Injektor austretende Kraftstoff befindet sich unmittelbar im Hauptbrennraum sowie eine mittelbare Kraftstoffzuführung in den Hauptbrennraum, bei der sich die Kraftstoffeinspritzung durch die Vorkammer und über die Überströmkanäle in den Hauptbrennraum erstreckt. Diese Vorteilhaftigkeit liegt dann schliesslich deshalb vor, weil in einer zweiten Betriebsart zur Beladung des wenigstens einen Brennraums der benötigte Kraftstoffanteil stattdessen in den Luftansaugtrakt des wenigstens einen Brennraums zugeführt wird und als Folge davon dem Brennraum bereits in Form eines Kraftstoff-Luftgemisches zugeleitet. In dieser Betriebsart kann eine Reduzierung der Abgasemissionen erreicht werden, dies jedoch unter Inkaufnahme einer reduzierten Dynamik des Gasmotors. Idealerweis