Einfluss der Steuerzeiten, der Brennraumgeometrie und des Brennverfahrens auf den Wirkungsgrad eines Gasmotors
©2000
Diplomarbeit
113 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Bedeutung des Gasmotors als Stationärantrieb unterlag in den letzten Jahrzehnten deutlichen Veränderungen.
Während des zweiten Weltkrieges kam es in Deutschland, aber auch in anderen europäischen Ländern verstärkt zu Umstellungen von Dieselmotoren auf Gasbetrieb. Die mangelnde Verfügbarkeit von Destillatkraftstoffen und ihre Substitution durch heimische Brenngase waren die eigentlichen Gründe zu dieser Entwicklung. Zum Einsatz kamen vor allem Generatorgas aus Anthrazit, Koks oder Holz, daneben noch Flüssiggas, Leuchtgas, Erdgas und Klärgas.
Als Anfang der fünfziger Jahre kein Mangel an billigen Kraftstoffen auf Erdölbasis mehr bestand, büßten die Gasmotoren an Bedeutung ein. Erst mit der Verteuerung des Erdöles, verstärkt durch den Energieschock des Winters 1973/74, wurden Gasmotorenanlagen im Bereich der dezentralen Energieversorgung mit Kraftwärmekopplung auch in der Bundesrepublik Deutschland wirtschaftlich wieder interessant, zumal hier ein gut ausgebautes Erdgasversorgungsnetz vorhanden ist.
Vorteil dieser meist aus Nutzfahrzeug- oder Schiffsdieselmotoren hergeleiteten Gasmotoren gegenüber konventionellen Dieselaggregaten ist die geringere Geräusch- und günstigere Abgasemission und in vielen Fällen auch ein kostengünstigerer Kraftstoff.
Neben dem Erdgas werden heute verstärkt Klär-, Bio-, Deponie- und Kokereigase verwendet um Gasmotorenanlagen zu betreiben.
Mit Verabschiedung der TA-Luft im Frühjahr 1986 sind erstmals in der Bundesrepublik Deutschland strenge Grenzwerte für die Abgasemission von stationären Verbrennungsmotorenanlagen in Kraft getreten. Damit ist ein günstiges Schadstoffverhalten bei wirtschaftlichem Motorbetrieb zu einem der wichtigsten Entwicklungsziele der Motorenforschung und -entwicklung geworden.
In der vorliegenden Arbeit soll insbesondere die Wirtschaftlichkeit eines Gasmotors unter Einsatz besonderer Einlaß-Steuerzeiten, verschiedener Verdichtungsverhältnisse und Kolbengeometrien sowie zweier Brennverfahren getestet werden.
Das Ziel dabei ist es, eine Bauvariante zu finden, die einen möglichst hohen effektiven Wirkungsgrad bei Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Schadstoffgrenzwerte besitzt.
Als Versuchsträger dient ein 12 Zylinder 4-Takt-Gas-Otto-Motor der Baureihe Deutz TBG 620.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
2.Der Gasmotor3
2.1Allgemeines und Historisches3
2.2Arbeitsprozeß des Hubkolbenmotors3
2.3Arbeitsverfahren des […]
Die Bedeutung des Gasmotors als Stationärantrieb unterlag in den letzten Jahrzehnten deutlichen Veränderungen.
Während des zweiten Weltkrieges kam es in Deutschland, aber auch in anderen europäischen Ländern verstärkt zu Umstellungen von Dieselmotoren auf Gasbetrieb. Die mangelnde Verfügbarkeit von Destillatkraftstoffen und ihre Substitution durch heimische Brenngase waren die eigentlichen Gründe zu dieser Entwicklung. Zum Einsatz kamen vor allem Generatorgas aus Anthrazit, Koks oder Holz, daneben noch Flüssiggas, Leuchtgas, Erdgas und Klärgas.
Als Anfang der fünfziger Jahre kein Mangel an billigen Kraftstoffen auf Erdölbasis mehr bestand, büßten die Gasmotoren an Bedeutung ein. Erst mit der Verteuerung des Erdöles, verstärkt durch den Energieschock des Winters 1973/74, wurden Gasmotorenanlagen im Bereich der dezentralen Energieversorgung mit Kraftwärmekopplung auch in der Bundesrepublik Deutschland wirtschaftlich wieder interessant, zumal hier ein gut ausgebautes Erdgasversorgungsnetz vorhanden ist.
Vorteil dieser meist aus Nutzfahrzeug- oder Schiffsdieselmotoren hergeleiteten Gasmotoren gegenüber konventionellen Dieselaggregaten ist die geringere Geräusch- und günstigere Abgasemission und in vielen Fällen auch ein kostengünstigerer Kraftstoff.
Neben dem Erdgas werden heute verstärkt Klär-, Bio-, Deponie- und Kokereigase verwendet um Gasmotorenanlagen zu betreiben.
Mit Verabschiedung der TA-Luft im Frühjahr 1986 sind erstmals in der Bundesrepublik Deutschland strenge Grenzwerte für die Abgasemission von stationären Verbrennungsmotorenanlagen in Kraft getreten. Damit ist ein günstiges Schadstoffverhalten bei wirtschaftlichem Motorbetrieb zu einem der wichtigsten Entwicklungsziele der Motorenforschung und -entwicklung geworden.
In der vorliegenden Arbeit soll insbesondere die Wirtschaftlichkeit eines Gasmotors unter Einsatz besonderer Einlaß-Steuerzeiten, verschiedener Verdichtungsverhältnisse und Kolbengeometrien sowie zweier Brennverfahren getestet werden.
Das Ziel dabei ist es, eine Bauvariante zu finden, die einen möglichst hohen effektiven Wirkungsgrad bei Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Schadstoffgrenzwerte besitzt.
Als Versuchsträger dient ein 12 Zylinder 4-Takt-Gas-Otto-Motor der Baureihe Deutz TBG 620.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
2.Der Gasmotor3
2.1Allgemeines und Historisches3
2.2Arbeitsprozeß des Hubkolbenmotors3
2.3Arbeitsverfahren des […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 5930
Stumpf, Markus: Einfluss der Steuerzeiten, der Brennraumgeometrie und des Brennverfahrens
auf den Wirkungsgrad eines Gasmotors
Hamburg: Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Kaiserslautern, Universität, Diplomarbeit, 2000
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2002
Printed in Germany
Vorwort
Die
vorliegende
Arbeit
entstand
während
meiner
Diplomandentätigkeit
in
der
Versuchs-
abteilung
für
Gasmotoren
der
Deutz
AG
Werk
Mannheim.
Mein
Dank
für
das
Entstehen
und
Ermöglichen
dieser
Arbeit
sowie
für
die
Korrektur
und
viele
Anregungen
zur
Thematik
gilt
Herrn
Dipl.-Ing.
Karl
Stellwagen.
Herrn
Dipl.-Ing.
Christian
Drexel
danke
ich
für
die
Unterstützung
bei
der
notwendigen
Kreisprozeßrechnung
und
für
seine
Hilfe
und
Anregungen
bei
der
Auswertung
der
Meßdaten.
Des
weiteren
möchte
ich
den
Kollegen
am
Versuchsprüfstand
danken,
die
den
Umbau
des
Motors
ermöglichten.
Besonderer
Dank
gilt
Herrn
Dipl.-Ing.
Olaf
Berger,
der
diese
Arbeit
wissenschaftlich
und
praktisch
begleitete
und
mir
mit
seiner
Unterstützung
immer
hilfreich
zur
Seite
stand.
Besonderer
Dank
gilt
auch
Herrn
Prof.
Dr.-Ing.
habil.
Werner
Müller,
der
bereitwillig
die
Betreuung
dieser
Diplomarbeit
übernahm.
I. Inhaltsverzeichnis
I
I.
Inhaltsverzeichnis
II. Abbildungsverzeichnis
...IV
1. Einleitung
... 1
2. Der Gasmotor
... 3
2.1.
Allgemeines und Historisches [1, 2]
... 3
2.2.
Arbeitsprozeß des Hubkolbenmotors [1, 3]
... 3
2.3.
Arbeitsverfahren des Gasmotors
... 5
2.4.
Aufladung
... 6
2.5.
Regelung und Gemischaufbereitung
... 7
2.6.
Kraftstoffe für Gasmotoren [2, 4]
... 8
2.7.
Klopfen
... 9
2.8.
Abgasemissionen [1, 4, 5]
... 10
2.8.1.
Schadstoffarten
... 10
2.8.2.
Schadstoffgrenzwerte
... 13
2.9.
Kenngrößen des Verbrennungsmotors
... 14
2.9.1.
Indizierter Mitteldruck
... 14
2.9.2.
Leistungen
... 14
2.9.3.
Wirkungsgrade
... 16
2.9.4.
Spezielle Gleichungen für den Gasmotor
... 18
3. Der Versuchsmotor TBG 620
... 20
3.1.
Typenbezeichnung und Benennungen [1, 7]
... 20
3.2.
Technische Daten des Serienmotors [7]
... 22
3.3.
Konstruktiver Aufbau [7]
... 23
3.4.
Gas-Luft-Mischer zur Gemischbildung [4, 7]
... 24
3.5.
Zündung [6, 7]
... 26
3.6.
Die Regelung des Motors [6, 7]
... 26
I. Inhaltsverzeichnis
II
4. Prüfstand und Meßtechnik [5, 8, 9, 10]
... 29
4.1.
Aufbau des Prüfstands
... 29
4.2.
Leistungsbremse [8]
... 30
4.3.
Temperaturmeßeinrichtungen [5, 9, 10]
... 31
4.4.
Druckmeßeinrichtungen [9]
... 32
4.5.
Gasmengenmessung [11]
... 33
4.6.
Schadstoffmeßeinrichtungen [2, 9]
... 35
4.7.
Auswertung der Meßdaten
... 36
4.7.1.
Druckindizierung
... 36
4.7.2.
Meßwertverarbeitung
... 36
4.7.3.
Kreisprozeßrechnung
... 37
5. Veränderungen am Versuchsmotor im Gegensatz zur Serie
... 39
5.1.
Hintergründe [12]
... 39
5.2.
Das Miller-Verfahren [12, 13, 14]
... 40
5.3.
Änderungen am Versuchsmotor [3, 5]
... 41
5.3.1.
Steuerzeiten/Nockenwelle
... 41
5.3.2.
Kolben/Verdichtungsverhältnis [3, 5]
... 46
5.3.2.1.
Allgemeines
... 46
5.3.2.2.
Kolbenformen
... 48
5.3.3.
Turbolader [5, 15]
... 49
5.3.4.
Ventilstößel [15, 16]
... 52
5.3.5.
Zündkerzen [3, 17]
... 53
6. Versuchsdurchführung, Auswertung und Ergebnisse
... 56
6.1.
Versuchsprogramm
... 56
6.2.
Versuchsziel und Durchführung
... 57
6.2.1.
Miller-Steuerzeiten (Schritt 1)
... 57
6.2.2.
Verdichtungsverhältnis
14 (Schritt 2)
... 58
6.2.3.
Kolbenformen (Schritt 3)
... 59
6.3.
Randbedingungen zu den Versuchen
... 59
6.4.
Voruntersuchung
... 61
6.5.
Auswertung und Ergebnisse
... 63
I. Inhaltsverzeichnis
III
7.
Zusammenfassung und Ausblick
... 74
8. Anhang
... 76
9
Literaturverzeichnis
... 101
II. Abbildungsverzeichnis
IV
II.
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2-1:
Vier-Takt-Verfahren...
Abb. 2-2:
Motorischer Arbeitsprozeß ...
Abb. 2-3:
Gleichraumprozeß...
Abb. 2-4:
Gas-Luft-Gemischaufbereitung ...
Abb. 2-5:
Lambda-Einfluß auf die Abgasemissionen...
Abb. 2-6:
Indizierter Mitteldruck ...
Tab. 2-1:
Daten der wichtigsten Brenngas ...
Tab. 2-2:
Schadstoffgrenzwerte nach TA-Luft bezogen auf Normbedingungen
(0° C, 1013 mbar), trockenes Abgas und 5% Sauerstoff im Abgas...
Abb. 3-1:
Benennung der Motorseiten und Zylinder ...
Abb. 3-2:
Schnittzeichnung des Versuchmotors ...
Abb. 3-3:
Zylinderkopf ...
Abb. 3-4:
Multi-Gas-Mischer ...
Abb. 3-5:
Schematische Darstellung des TEM-Systems ...
Abb. 3-6:
Sensoren und Anschlüsse am Motor ...
Abb. 3-7:
Sensoren und Anschlüsse am Motor ...
Tab. 3-1:
Typenbezeichnung...
Tab. 3-2:
Technische Daten TBG 620 V12 ...
Abb. 4-1:
Schematische Darstellung des Prüfstands...
Abb. 4-2:
Darstellung der Wasserbremse SCHENK DYNABAR...
Abb. 4-3:
Mantelthermoelement ...
Abb. 4-4:
Schema eines Quarzdrucksensors ...
Abb. 4-5:
Darstellung eines Turbinenradgaszählers...
II. Abbildungsverzeichnis
V
Abb. 5-1:
Darstellung der Einlaß-Schließzeitpunkte bei verschiedenen
Ventilspielen, jeweils mit Kipphebelverhältnis 1,59 ...
Abb. 5-2:
Ventilhubkurven der beiden Nockenvarianten...
Abb. 5-3:
gerechnete Temperaturverläufe im Zylinder bei beiden
Nockenvarianten ...
Abb. 5-4:
Kompressionsendtemperatur als Funktion von Verdichtungsverhältnis
und Ansaugtemperatur...
Abb. 5-5:
Kolbenformen...
Abb. 5-6:
Darstellung eines Abgasturboladers mit Radialturbine...
Abb. 5-7:
Vergleich der Verdichterkennfelder von Miller- (TPS 52) und
Serienmotor (TPS 50) ...
Abb. 5-8:
Kreisbogennocken mit Flach- und Rollenstößel (konvexe bzw.
konkave Anlaufflanke)...
Abb. 5-9:
Darstellung von Flach- und Rollenstößel ...
Abb. 5-10:
Champion Hakenkerze...
Abb. 5-11:
Vorkammerkerze...
Abb. 5-12:
Vorkammerzündprozeß...
Tab. 5-1:
Steuerzeiten des Einlaßventils beim Serien- und
beim Millernocken ...
Abb. 6-1:
Effektiver Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Zündzeitpunktes...
Abb. 6-2:
Wirkungsgradvergleich Haken- und Kammerkerze
12 ...
Abb. 6-3:
Wirkungsgradvergleich Haken- und Kammerkerze
14 ...
Abb. 6-4:
Versuchsprogramm am TBG 620 V12 K Miller ...
Abb. 7-1:
Generatorkurven Gesamtmaschine ...
Abb. 7-2:
Druckverläufe Schritte 1 und 2 ...
Abb. 7-3:
Brennverläufe Schritte 1 und 2...
Abb. 7-4:
durchschnittliche Brennraumtemperaturwerte für Schritt 3a) und 3b) ..
Abb. 7-5:
Wirkungsgrade aller Varianten nach der Kreisprozeßrechnung ...
II. Abbildungsverzeichnis
VI
Abb. 7-6:
Druckverläufe Schritte 2 und 3 ...
Abb. 7-7:
Brennverläufe Schritte 2 und 3...
Abb. 7-8:
Durchbrennfunktion Schritte 2 und 3...
Abb. 7-9:
Temperaturverläufe Schritte 2 und 3...
Tab. 7-1:
Meßwerte Epsilon 12, gesamte Maschine ...
Tab. 7-2:
Meßwerte Epsilon 14, gesamte Maschine ...
II. Abbildungsverzeichnis
1
1.
Einleitung
Die Bedeutung des Gasmotors als Stationärantrieb unterlag in den letzten Jahrzehnten
deutlichen Veränderungen.
Während des zweiten Weltkrieges kam es in Deutschland, aber auch in anderen euro-
päischen Ländern verstärkt zu Umstellungen von Dieselmotoren auf Gasbetrieb. Die
mangelnde Verfügbarkeit von Destillatkraftstoffen und ihre Substitution durch heimische
Brenngase waren die eigentlichen Gründe zu dieser Entwicklung. Zum Einsatz kamen
vor allem Generatorgas aus Anthrazit, Koks oder Holz, daneben noch Flüssiggas,
Leuchtgas, Erdgas und Klärgas.
Als Anfang der fünfziger Jahre kein Mangel an billigen Kraftstoffen auf Erdölbasis mehr
bestand, büßten die Gasmotoren an Bedeutung ein. Erst mit der Verteuerung des Erd-
öles, verstärkt durch den Energieschock des Winters 1973/74, wurden Gasmotorenanla-
gen im Bereich der dezentralen Energieversorgung mit Kraftwärmekopplung auch in der
Bundesrepublik Deutschland wirtschaftlich wieder interessant, zumal hier ein gut ausge-
bautes Erdgasversorgungsnetz vorhanden ist.
Vorteil dieser meist aus Nutzfahrzeug- oder Schiffsdieselmotoren hergeleiteten Gasmo-
toren gegenüber konventionellen Dieselaggregaten ist die geringere Geräusch- und
günstigere Abgasemission und in vielen Fällen auch ein kostengünstigerer Kraftstoff.
Neben dem Erdgas werden heute verstärkt Klär-, Bio-, Deponie- und Kokereigase ver-
wendet um Gasmotorenanlagen zu betreiben.
Mit Verabschiedung der TA-Luft im Frühjahr 1986 sind erstmals in der Bundesrepublik
Deutschland strenge Grenzwerte für die Abgasemission von stationären Verbrennungs-
motorenanlagen in Kraft getreten. Damit ist ein günstiges Schadstoffverhalten bei wirt-
schaftlichem Motorbetrieb zu einem der wichtigsten Entwicklungsziele der Motorenfor-
schung und -entwicklung geworden.
II. Abbildungsverzeichnis
2
In der vorliegenden Arbeit soll insbesondere die Wirtschaftlichkeit eines Gasmotors unter
Einsatz besonderer Einlaß-Steuerzeiten, verschiedener Verdichtungsverhältnisse und
Kolbengeometrien sowie zweier Brennverfahren getestet werden.
Das Ziel dabei ist es, eine Bauvariante zu finden, die einen möglichst hohen effektiven
Wirkungsgrad bei Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Schadstoffgrenz-
werte besitzt.
Als Versuchsträger dient ein 12 Zylinder 4-Takt-Gas-Otto-Motor der Baureihe Deutz TBG
620.
2. Der Gasmotor
3
2.
Der Gasmotor
2.1. Allgemeines und Historisches [1, 2]
Gasmotoren waren die ersten Verbrennungskraftmaschinen überhaupt. Entscheidende
Impulse für deren Durchbruch gaben Ende des 19. Jahrhunderts die beiden Motoren-
bauer NIKOLAUS AUGUST OTTO, der 1886 die Gasmotoren-Fabrik Deutz AG gründete
und CARL BENZ, Gründer der Benz & Co, Rheinische Gasmotorenfabrik, die 1922 zur
Motoren-Werke Mannheim AG wurde. Die ersten Motorenbrennstoffe waren, wegen der
leichten Gemischaufbereitung, Stadt-, Leucht- und Generatorgase.
Durch die Entwicklung der mit flüssigen Brennstoffen betreibbaren Otto- und Dieselmoto-
ren verlor der Gasmotor im Laufe der Zeit an Bedeutung.
In Energiemangelzeiten wie z.B. in den Jahren vor, während und kurz nach dem zweiten
Weltkrieg und insbesondere während der Ölkrise 1982 erlebte der Gasmotor jedoch im-
mer wieder eine Belebung, vor allem als stationär betriebener Motor.
Neue Aufgaben und Anforderungen haben den Gasmotor heute zur eigenständigen Ma-
schine mit wachsender Verbreitung gemacht. In der allgemeinen Energieversorgung,
z.B. in Blockheizkraftwerksanlagen und unter dem besonderen Aspekt des Umwelt-
schutzes hat er eine führende Rolle übernommen.
2.2. Arbeitsprozeß des Hubkolbenmotors [1, 3]
Beim Otto-Gasmotor wird, wie beim Viertakt-Otto-Benzin-Motor, Kraftstoff-Luft-Gemisch
·
bei geöffnetem Einlaßventil angesaugt (1. Takt),
·
das Gemisch bei geschlossenem Ein- und Auslaßventil verdichtet (2. Takt),
·
mit Hilfe einer Zündkerze entzündet, womit die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-
Gemisches eingeleitet wird. Aufgrund der durch die Verbrennung entstehenden
Druck- und Temperaturerhöhung im Arbeitsraum wird der Kolben im Zylinder nach
2. Der Gasmotor
4
unten geschoben, wobei er über die Pleuelstange Arbeit am Kurbeltrieb verrichtet
(3.Takt).
·
Ausschieben des verbrannten Gemisches bei geöffnetem Auslaßventil in die Ab-
gasleitung (4.Takt).
Als thermodynamischer Vergleichsprozeß dient für Hubkolbenmotoren mit innerer
Verbrennung der Gleichraumprozeß (Abb. 2-3). Dieser Prozeß besteht aus
·
einer isentropen Verdichtung
(von 1 nach 2),
·
einer isochoren Wärmezufuhr
(von 2 nach 3),
·
einer isentropen Expansion
(von 3 nach 4) und
·
einer isochoren Wärmeabgabe
(von 4 nach 1),
wobei als Prozeßrandbedingungen folgende Punkte vorausgesetzt werden:
·
keine Wärme- und Gasverluste, kein Restgas,
·
ideales Gas,
·
unendlich schnelle Wärmezu- und Wärmeabfuhr,
·
keine Strömungsverluste.
Abb. 2-1: Vier-Takt-Verfahren
2. Der Gasmotor
5
2.3. Arbeitsverfahren des Gasmotors
Grundsätzlich ist der Gasbetrieb eines Motors sowohl nach dem Otto- als auch nach
dem Dieselverfahren möglich. Bei beiden Varianten wird das brennbare Gas-Luft-
Gemisch angesaugt und kurz vor Ende der Verdichtung gezündet.
Abb. 2-2: Motorischer Arbeitsprozeß
Abb. 2-3: Gleichraumprozeß
2. Der Gasmotor
6
Man unterscheidet grundsätzlich drei Verfahren:
1) Otto-Gasmotor:
mit Fremdzündung der Gas-Luftladung im Zylinder durch elektrischen Funken an ei-
ner Zündkerze;
2) Diesel-Gasmotor (Zündstrahlverfahren):
mit Selbstzündung eines Zündstrahls aus Dieselkraftstoff in der Gas-Luftladung im
Zylinder;
3) Gas-Dieselmotor:
mit Selbstzündung der unter Hochdruck zum Zündzeitpunkt in die Luftladung einge-
blasenen Gasmenge.
Allgemein kann man sagen, daß beim Gasmotor der größte Teil oder aber der gesamte
flüssige Kraftstoff durch brennbares Gas ersetzt wird.
Beim Zündstrahlverfahren werden bis zu 99% des Dieselkraftstoffes durch Gas ersetzt,
was bedeutet, daß mit dem restlichen eingespritzten Kraftstoff lediglich das Gemisch
gezündet wird. Je nach Bedarf kann mit Hilfe einer separaten Einspritzdüse (aufgrund
der NO
x
-Bildung ist ein zweites getrenntes System notwendig) jederzeit auf reinen Die-
selbetrieb umgeschaltet werden.
Beim Zweistoffbetrieb wird der Dieselkraftstoff nur teilweise ersetzt, d.h. bei Vollast ca.
30% Gasanteil. Dieses Verfahren ist besonders geeignet an Orten mit schwankender
Gasqualität.
Im reinen Gasbetrieb erfolgt eine völlige Ersetzung des flüssigen Kraftstoffes durch das
Brenngas, was eine Reihe an Umbaumaßnahmen im Gegensatz zum Dieselmotor mit
sich zieht. Es erfordert den Anbau einer Gasmischanlage, eine Veränderung der Kol-
benform und des Verdichtungsverhältnisses, eine Änderung der Ventilsteuerzeiten und
den Anbau von Zündanlage, Steuer- und Regeleinrichtungen.
2.4. Aufladung
Zur Leistungssteigerung und zur Wirkungsgradverbesserung werden Gasmotoren im
Leistungsbereich über 50 kW mit Abgasturboladern ausgerüstet. Dabei wird Luft bzw.
2. Der Gasmotor
7
Gas-Luftladung in den Zylinder ,geblasen'. Die dazu notwendige Energie gewinnt man
aus den Abgasen über eine Turbine, die über eine Welle direkt mit dem Verdichter ver-
bunden ist. Nach der Verdichtung im Turbolader muß die Ladung abgekühlt werden,
damit die Zylinderladung (Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder) erhöht
werden kann. Dies erfolgt im Ladeluft- oder Gemischkühler, der bei der Einkreiskühlung
vom Motorwasser durchflossen wird und bei der Zweikreiskühlung über einen zusätzli-
chen Kaltwasserkreislauf verfügt.
2.5. Regelung und Gemischaufbereitung
Bei Gasmotoren wird die Quantitäts- oder Mengenregelung mittels Drosselklappe oder
Drehschieber im Ansaugkanal angewandt. Im sogenannten Gasmischer (siehe Kap.
3.4.) wird ein homogenes Gas-Luft-Gemisch hergestellt, dessen Qualität sich innerhalb
der Zündgrenzen befinden muß.
Abb. 2-4: Gas-Luft-Gemischaufbereitung
2. Der Gasmotor
8
2.6
Kraftstoffe für Gasmotoren [2, 4]
Um einen Gasmotor zu betreiben, kommen mehrere gasförmige Kraftstoffe in Betracht,
die sich als Gemische aus mehreren Gasen zusammensetzen. Zu den brennbaren
Komponenten gehören größtenteils reiner Wasserstoff (H
2
), die Kohlenwasserstoffe
(C
n
H
m
) und Kohlenmonoxid CO. Aus den Heizwerten der Einzelkomponenten und de-
ren Massenanteilen kann der Gesamtheizwert des Brenngases ermittelt werden.
Als typische Vertreter für Motorengase sind Erdgas und Flüssiggas zu nennen, wobei
Erdgas aufgrund der fortschreitenden Erschließung und Versorgung vor allem für stati-
onäre Anlagen eine besondere Bedeutung hat.
Aber auch Gase die als ,Abfallprodukte` bei Produktions- und Verarbeitungsverfahren,
bzw. aufgrund von Fäulnisprozessen entstehen, können als Brennstoffe für Gasmotoren
genutzt werden und somit die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse erhöhen. Hier wären
als typische Vertreter Klärgas, Deponiegas, Biogas, Kokereigas, Erdölbegleitgase und
selten Holzgas zu nennen.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH
4
), enthält aber auch geringe Anteile an-
derer Kohlenwasserstoffe wie Ethan (C
2
H
6
) und Propan (C
3
H
8
). Des weiteren sind klei-
ne Mengen inerter Gase enthalten wie Kohlendioxid (CO
2
) und Stickstoff (N
2
), die ei-
nerseits heizwertmindernd sind, andererseits aber auch durch die Erhöhung der Me-
thanzahl (siehe 2.7.) die Klopffestigkeit des Erdgases verbessern.
Klär-, Bio- und Deponiegase enthalten hauptsächlich Methan und Kohlendioxid, in ge-
ringen Mengen auch Stickstoff und Sauerstoff. Diese Gase besitzen aufgrund des ho-
hen Anteils an CO
2
Methanzahlen zwischen 120 und 150 und sind somit sehr klopffest.
Allerdings wird entsprechend der Heizwert des Gasgemisches im Gegensatz zum Erd-
gas drastisch gesenkt. Er beträgt nur ungefähr 4-6 kWh/m
3
im Gegensatz zu 9,5-10
kWh/m
3
beim Erdgas. Probleme bereiten bei Klärgasen der Schwefel, bei Deponiega-
sen oft Chlor- und Fluorverbindungen, die überwiegend aus Kältemitteln und Sprühdo-
sen herrühren, und Siloxane, die aus Siliziumverbindungen bestehen und Ablagerungen
im Brennraum verursachen.
Tabelle 2-1 zeigt die wichtigsten Brenngase, deren Zusammensetzung und Heizwerte.
2. Der Gasmotor
9
2.7. Klopfen
Bei normal verlaufender Verbrennung wird das Gas-Luft-Gemisch an der Zündkerze
gezündet, und die Flamme breitet sich in Form einer Kugelwelle mit einer mittleren Ge-
schwindigkeit von etwa 20 m/s im Brennraum aus. Auch bei klopfender Verbrennung
zündet die Zündkerze das Gemisch. Es steigen dann Temperatur und Druck des bren-
nenden Gases, und Druckwellen laufen durch den Brennraum. Im noch nicht brennen-
den Gemisch erhöhen sich ebenfalls Temperatur und Druck. Wird dabei die Selbstzün-
dungstemperatur an einigen Stellen überschritten, so bilden sich Zündnester, die eine
schlagartige Verbrennung des Restgemischs einleiten. Es entstehen starke Druckwel-
len, die beim Auftreffen auf die Wände das hell tönende Klopfgeräusch hervorrufen.
Beim Betrieb eines Gasmotors ist zu beachten, daß eine klopfende Verbrennung auf
jeden Fall auszuschließen ist, da es dadurch zu gravierenden Schäden am Motor kom-
men kann.
Tab. 2-1: Daten der wichtigsten Brenngase
Brennstoff
Bestandteile/
Bezeichnung
Dichte
Rg in
[kg/m
n
3
]
unterer Heizwert
H
u
in [kJ/kg]
unterer Heizwert
H
u
in [kJ/mn
3
]
Methanzahl
MZ
Wasserstoff
H
2
0,089
119.970
10677
0
Methan
CH
4
0,717
50.000
35850
100
Propan
C
3
H
8
2,02
46.000
92920
33
CH
4
=88,5%
C
2
H
6
=4,7%
C
3
H
8
=1,6%
C
4
H
10
=0,2%
N
2
=5%
CH
4
=65%
CO
2
=35%
CH
4
=57%
CO
2
=40%
N
2
=3%
CH
4
=56%
CO
2
=37%
N
2
=1%
O
2
=1,2%
80-90
Klärgas
1,158
20.000
23160
134
Erdgas
0,8
45.000
36000
136
Biogas
1,14
14.500
16530
---
Deponiegas
1,24
16.500
20460
2. Der Gasmotor
10
während des Betriebs
im Vorfeld
Dem Klopfen kann durch folgende Maßnahmen entgegengewirkt werden:
·
später Zündzeitpunkt,
·
größeres
,
·
Rücknahme der Last,
·
gute Kühlung der Ladung,
·
Wahl eines Gases mit höherer Klopffestigkeit,
·
Verringerung des Verdichtungsverhältnisses,
·
angepaßte Brennraumgeometrie, Lage der Zündkerze,
Oberflächentemperaturen.
Die Klopffestigkeit von Brenngasen wird durch die Methanzahl beschrieben, die das
Pendant zur Oktanzahl bei flüssigen Kraftstoffen ist.
Zur Bestimmung der Methanzahl eines Gases geht man von den fest definierten Werten
für Methan (MZ=100, klopffest) und Wasserstoff (MZ=0, klopffreudig) aus. Bei Gasge-
mischen werden Diagramme und iterative Berechnungsverfahren zur Bestimmung der
Methanzahl verwendet.
2.8. Abgasemissionen [1, 4, 5]
2.8.1. Schadstoffarten
Bei einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes (C
n
H
m
) in einem Verbrennungs-
motor würden lediglich Kohlendioxid und Wasser entstehen.
Im realen Motorbetrieb allerdings entstehen neben diesen Bestandteilen auch noch an-
dere Produkte. Die drei wichtigsten, in der TA-Luft (siehe Abschnitt 2.7.2.) limitierten
Bestandteile sind Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und die
Stickoxide (NO
X
), die sich aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO
2
) zu-
sammensetzen.
2. Der Gasmotor
11
Kohlenmonoxid CO
Kohlenmonoxid entsteht i.A. im Luftmangelgebiet durch unvollkommene Verbrennung.
Da in der Realität niemals ein völlig homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt, kommt
es auch bei Luftüberschuß, also bei
>1, aufgrund von Dissoziation von CO
2
zur Bil-
dung von CO. Schlechte geometrische, motorische und chemische Voraussetzungen
der Verbrennung vergrößern die Konzentration an CO im Abgas. Im Magerbetrieb liegt
ein
vor, das weitaus höher ist als 1. Hier entstehen die CO-Emissionen dann aufgrund
von Löscheffekten an den Brennraumwänden und in teiloxidierten Bereichen hinter der
Flammenfront.
Kohlenwasserstoffe HC
Werden Kohlenwasserstoffe unter idealen Bedingungen verbrannt, so treten hinter der
Flammenfront keine meßbaren HC Emissionen auf. Im realen Motor gibt es aber eine
Vielzahl von ,kalten Zonen` (,kalte` Brennraumwände), in denen die Flamme erlischt und
die Verbrennung abbricht (Quench-Effekt). Somit bleibt ein geringer Teil der Kohlen-
wasserstoffe un- bzw. teilverbrannt. Weiterhin werden während der Expansionsphase
durch Desorption aus dem Schmierfilm an der Zylinderwand Kohlenwasserstoffe freige-
setzt.
Unter der Voraussetzung, daß genügend Sauerstoff vorhanden ist und die Brennraum-
temperatur ausreichend hoch ist, kommt es bei der Expansion und beim Ausschiebe-
vorgang noch zu einer Nachverbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe. Bei
sehr hohem Luftüberschuß ist aber auch die Verbrennung schlechter (die Flammen-
ausbreitungsgeschwindigkeit wird geringer, wodurch der Quench-Effekt gefördert wird,
was zu einem Anstieg der Kohlenwasserstoffe bei ungefähr
>1,2 führt.
Das Konzentrationsminimum von HC im Abgas liegt z.B. für Benzin bei
=1,2.
Stickoxide NO
X
Die Bildung von Stickoxiden ist sehr stark abhängig von der Temperatur. Sie entstehen
an den heißesten Stellen im Brennraum. Ihre Bildung setzt ab einer Temperatur von ca.
T > 1600 K ein. Den Höchstwert erreichen die NO
X
-Emissionen zwischen einem Luft-
verhältnis von
=1,1 und
=1,2. Wird das Gemisch fetter oder magerer, ist ein Abfallen
der Emissionen zu beobachten. Der Grund hierfür ist in den sinkenden Brennraumtem-
peraturen zu finden. Die Abgaskomponente NO
X
ist unmittelbar ein Maß für die
Verbrennungsgüte.
2. Der Gasmotor
12
Je höher die Verbrennungstemperatur ist, um so größer ist die eigenkatalytische Wir-
kung auf die chemische Verbrennung der Luft. Stickstoff und Sauerstoff reagieren zu-
nächst zu NO und dann zu NO
2
außerhalb oder innerhalb der Verbrennung.
Es zeigt sich, daß sich die Emissionen von NO
X
zu CO und HC gegenläufig und zum
Wirkungsgrad gleichsinnig verhalten, d.h. NO
X
steigt zusammen mit dem Wirkungsgrad,
während CO und HC abnehmen.
Für die Reduktion der oben genannten Schadstoffe ergeben sich für Gasmotoren nach
heutiger Kenntnis drei erfolgreiche Verfahren:
·
=1-Verbrennung mit 3-Weg-Katalysator,
·
Magergemisch-Verbrennung,
·
für Diesel-Gasmotoren die Abgasnachbehandlung mit Ammoniak-Eindüsung, SCR-
und Oxidationskatalysator.
Abb. 2-5: Lambda-Einfluß auf die Abgasemissionen
2. Der Gasmotor
13
2.8.2. Schadstoffgrenzwerte
Die Menge der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Schadstoffe wurde aufgrund
der fortschreitenden Umweltverschmutzung vom Gesetzgeber limitiert. Daher wurde in
Deutschland 1986 die TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) einge-
führt. In der TA-Luft sind Schadstoff-Grenzwerte für stationäre Anlagen festgelegt. Au-
ßerdem ist ein Verfahren zur Berechnung der zusätzlichen Schadstoffbelastung der Luft
(Immission) durch die betrachtete Schadstoffquelle und der erforderlichen Schornstein-
höhe angegeben. Der TA-Luft unterliegen sowohl ganze Kraftwerke zur Strom- und
Wärmegewinnung wie auch stationäre Anlagen mit Verbrennungsmotoren und auch
spezielle Anlagen (z.B. zum Kaffeerösten, Kunststoffherstellung etc.). Die Emissionen
sind bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Anlage zu ermitteln.
TA-Luft Grenzwerte
[g/m³]
Technische Maßnahmen zur Realisierung
der Grenzwerte
NO
X
< 0,5 (5% O
2
)
Lambda=1 geregelte Verbrennung und
CO < 0,65 (5% O
2
)
3-Weg-Katalysator, Magerverbrennung,
HC < 0,15 (real)
Gemischaufladung
NO
X
< 0,8 (5% O
2
)
CO < 0,65 (5% O
2
)
HC < 0,15 (real)
NO
X
< 0,5 (5% O
2
)
CO < 0,65 (5% O
2
)
HC < 0,15 (real)
Staub/Ruß < 0,05 (real)
ggf. Rußfilter
SCR- und Oxidationskatalysator
SCR- und Oxidationskatalysator
Motorbauart
Diesel-Gasmotor 4-
Takt
Otto-
Gasmotor
4-Takt
2Takt
Tab. 2-2: Schadstoffgrenzwerte nach TA-Luft bezogen auf Normbedingungen (0° C, 1013 mbar),
trockenes Abgas und 5% Sauerstoff im Abgas
2. Der Gasmotor
14
2.9. Kenngrößen des Verbrennungsmotors
2.9.1. Indizierter Mitteldruck
Die durch ein Indikatordiagramm umschlossene Fläche entspricht im p-V-Diagramm der
in einem Zylinder je Arbeitsspiel geleisteten Arbeit. Die Nutzarbeit W
ASP
ergibt sich aus
der Fläche der gewonnenen Arbeit pro Arbeitsspiel abzüglich der Gasarbeit (Abb. 2-6).
Führt man nun ein der Nutzarbeit flächengleiches Rechteck mit der Länge l=V
h
und der
Höhe h ein, so entspricht diese Höhe h definitionsgemäß dem indizierten Mitteldruck
p
m,i
.
Damit gilt für die in einem Zylinder pro Arbeitsspiel gewonnene Nutzarbeit:
2.9.2. Leistungen
Bei Verbrennungsmotoren unterscheidet man verschiedene Leistungen:
1.
Innenleistung P
i
:
Die Innenleistung, oder indizierte Leistung, wird aus dem Indikatordiagramm er-
mittelt. Sie ist die Leistung, die vom Arbeitsgas an den Kolben übertragen wird.
Für die Innenleistung gilt:
)
1
2
(
,
-
=
h
i
m
ASP
V
p
W
)
2
2
(
,
-
=
i
n
z
V
p
P
h
i
m
i
Abb. 2-6: Indizierter Mitteldruck
2. Der Gasmotor
15
2.
Effektive Leistung P
e
und effektiver Mitteldruck
Die effektive Leistung oder Nutzleistung ist die an der Kupplung des Motors ver-
fügbare Leistung. Die effektive Leistung berechnet sich aus:
Außerdem gilt:
Damit folgt für den effektiven Mitteldruck:
3.
Reibleistung P
R
:
Die Reibleistung ist die Differenz zwischen innerer Leistung und effektiver Leis-
tung. Sie setzt sich zusammen aus der Reibleistung an Kolben, Kolbenringen,
sowie in den Lagern und anderen Triebwerksteilen und beinhaltet auch die Leis-
tung, die zum Betrieb der notwendigen Nebenaggregate erforderlich ist.
Es gilt:
4.
Hubraumleistung P
l
:
Die Hubraumleistung ist die auf das Gesamthubvolumen V
H
bezogene effektive
Leistung des Motors:
mit dem Gesamthubvolumen:
)
3
2
(
2
-
=
=
d
d
e
M
n
M
P
)
4
2
(
,
-
=
i
n
z
V
p
P
h
e
m
e
)
5
2
(
2
,
-
=
i
z
V
M
p
h
d
e
m
)
6
2
(
-
-
=
e
i
R
P
P
P
)
8
2
(
-
=
h
H
V
z
V
)
7
2
(
-
=
H
e
l
V
P
P
2. Der Gasmotor
16
2.9.3. Wirkungsgrade
Allgemein gilt für den Wirkungsgrad:
In der Motorentechnik sind jedoch zur Beurteilung eines Motors verschiedene Wir-
kungsgrade bekannt, welche ganz unterschiedliche Merkmale eines Motors beschrei-
ben. Entsprechend den verschiedenen Leistungsbegriffen unterscheidet man:
1.
Innerer Wirkungsgrad
i
:
Der Innenwirkungsgrad oder indizierte Wirkungsgrad, ist das Verhältnis von In-
nenleistung (Nutzen) zur maximalen Arbeit (Aufwand):
Für Gase gilt in guter Näherung:
und damit:
2.
Thermischer Wirkungsgrad
th
:
Der thermische Wirkungsgrad ist direkt abhängig vom Verdichtungsverhältnis:
mit
als gleichem Adiabatenexponenten für Kompression und Expansion. Man
beachte allerdings, daß die Gleichung sich auf den idealen Kreisprozeß bezieht.
=
Nutzen
Aufwand
)
9
2
(
w
P
max
i
i
-
=
)
10
2
(
.
max
-
·
u
norm
Gas
H
V
w
)
11
2
(
.
-
=
·
u
norm
Gas
i
i
H
V
P
)
12
2
(
1
1
-
-
=
-
th
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2000
- ISBN (eBook)
- 9783832459307
- ISBN (Paperback)
- 9783838659305
- DOI
- 10.3239/9783832459307
- Dateigröße
- 4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau – unbekannt
- Erscheinungsdatum
- 2002 (Oktober)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- verbrennungsmotor miller-steuerzahlen kolbenformen erdgas
