Hubkolbenmotor und System mit einem Hubkolbenmotor sowie Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einem solchen Hubkolbenmotor. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.

Im Bereich der Energieversorgung ist eine Möglichkeit durch Verbrennung eines Brenngases die darin chemisch gebundene Energie in elektrische Energie oder Wärme umzuwandeln. Dabei kann das Brenngas ein synthetisches Gas sein, das beispielsweise bei einem

Vergasungsprozess von Kohle oder organischem Material wie Holz, Biomasse oder landwirtschaftlichen Produkten anfällt. Das synthetische Gas wird beispielsweise als Brennstoff einer Energieversorgungsanlage zugeführt, bei der ein Hubkolbenmotor einen elektrischen Generator antreibt. Je nach Art der Energieversorgungsanlage wird entweder nur die im elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie verwendet, beispielsweise in ein elektrisches Netz eingespeist, oder gleichzeitig noch die im Hubkolbenmotor entstehende Wärme zum Heizen oder Kühlen, beispielsweise von Gebäuden, verwendet. Das durch den Vergasungsprozess gewonnene synthetische Gas enthält üblicherweise Teere und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe als Begleitstoffe. Die Teere und/oder langkettigen

Kohlenwasserstoffe sind zusammengefasst auch als Teerfracht bekannt. Diese Begleitstoffe neigen dazu im Betrieb des Hubkolbenmotors an dessen brenngas- oder

brenngasluftführenden Bauteilen, beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile, zu kondensieren und/oder sich darauf abzulagern. Über eine gewisse Zeitdauer können sich so beispielsweise Schichten aus Teer, sogenannte Verharzungen, auf den Verdichterrädern oder Einlassventilen bilden, die zu deren Versagen oder Fehlfunktionen führen können. Für einen Betreiber einer Energieversorgungsanlage kann eine Reparatur oder ein Ersatz eines

Hubkolbenmotors einen hohen finanziellen Aufwand bedeuten. Um diese Nachteile zu umgehen wird üblicherweise das im Vergasungsprozess gewonnene Brenngas einem Verfahren zur Gaskonditionierung unterzogen, bevor es dem

Hubkolbenmotor zugeführt wird. Bekannte Verfahren zur Gaskonditionierung, d.h.

Reduzierung der Teere und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffe im Brenngas, sind das Auswaschen dieser Begleitstoffe beispielsweise mit Wasser oder Biodiesel. Ein anderes Verfahren ist die thermische Oxidation. Dabei wird das Brenngas auf eine Temperatur von über 1000 °C erhitzt und unter zusätzlicher Sauerstoff- oder Luftzufuhr teilweise unter Energiefreisetzung oxidiert. Als weitere Verfahren zur Gaskonditionierung sind

Filterverfahren und Kondensationsverfahren bekannt.

Von den o.g. Verfahren zur Gaskonditionierung hat die thermische Oxidation den Nachteil, dass durch die teilweise Oxidation des Brenngases der Heizwert des Brenngases reduziert wird, was im weiteren Verlauf negativen Einfluss auf die Leistung des Hubkolbenmotors hat. Zusätzlich ist ein hoher technischer und energetischer Aufwand zur Kühlung des Brenngases notwendig, bevor es dem Hubkolbenmotor zugeführt wird. Die anderen genannten Verfahren - Auswaschen, Filterverfahren und Kondensationsverfahren -, haben den Nachteil, dass sie oft versagen oder Fehlfunktionen aufweisen. Dadurch kommen die Teere und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffe in den Hubkolbenmotor und können die o.g. Schäden verursachen. Alle Verfahren zur Gaskonditionierung haben den gemeinsamen weiteren Nachteil, dass sie einen großen zusätzlichen baulichen Aufwand für eine Energieversorgungsanlage bedeuten. Dies ist nicht wünschenswert.

Eine bekannte Möglichkeit ist auch, das Brenngas keiner Gaskonditionierung zu unterziehen, sondern direkt dem Hubkolbenmotor zuzuführen. Dabei verfügt ein Brenngasluftgemisch, das Anteile aus Luft und dem Brenngas aufweist, über eine so hohe Brenngasluftgemisch- Temperatur, die weit über den üblichen Brenngasluftgemisch-Temperaturen für

Brenngasluftgemische bei Gasmotoren liegt. Auf diese Weise kann eine Kondensation der Begleitstoffe im Brenngas vermieden werden. Nachteilig ist dabei, dass bei der hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur die Verbrennung sehr stark zum Klopfen neigt, verglichen mit einer Verbrennung bei üblichen Brenngasluftgemisch-Temperaturen. Um das Klopfen zu vermeiden, und damit Schäden am Hubkolbenmotor zu verhindern, muss als ungünstige Konsequenz die Leistung des Hubkolbenmotors reduziert werden, mit der Folge einer verminderten Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der

Energieerzeugungsanlage. Dies ist ebenso nicht wünschenswert.

Daher ist die Aufgabe der Erfindung einen Hubkolbenmotor bereit zu stellen, der mit einem Brenngas betrieben werden kann, ohne die genannten Nachteile aufzuweisen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des

Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen zum Hubkolbenmotor der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung ist ein Hubkolbenmotor vorgesehen, mit einem Brennraum zum

Verbrennen eines Brenngasluftgemisches, das Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, das Begleitstoffe enthält. Der Brennraum weist ein Einlassventil und einen Kolben auf, und der Hubkolbenmotor weist weiter eine Ventilsteuerung zum Steuern des Einlassventils auf. Darüber hinaus ist zur Bildung des Brenngasluftgemisches ein Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases zur Luft vorhanden, wobei das Brenngas eine solche Brenngastemperatur aufweist und das Brenngasluftgemisch eine solche Brenngasluftgemisch-Temperatur aufweist, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind, und

die Ventilsteuerung so ausgestaltet ist, dass sie ein Schließen des Einlassventils veranlasst, wenn der Kolben eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt.

Vorteilhafterweise kann auf diese Weise dem Hubkolbenmotor, und damit letztendlich einer Energieversorgungsanlage, ein Brenngas, insbesondere ein synthetisches Gas, zugeführt werden, das beispielsweise bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsverfahren oder in der Prozessindustrie anfällt, ohne dass das Brenngas einer Gaskonditionierung unterzogen werden muss, bei gleichbleibender Leistung des Hubkolbenmotors im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor mit Brenngas nach einer Gaskonditionierung. Als Brenngas ist auch Kokereigas oder ein Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder

Kohlegewinnung anfällt.

Der Hubkolbenmotor kann in einer ersten Ausführung einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft aufweisen. Der Lufteinlass und der Brenngaseinlass sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Die Gasmischstelle ist über eine Brenngasluftleitung und das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors strömungstechnisch verbunden. In der Brenngasluftleitung kann eine Aufladeeinheit, mit beispielsweise einem Verdichterrad und einem

Verdichtergehäuse, und/oder ein Brenngasluftkühler angeordnet sein.

Über die Brenngasluftleitung ist das Brenngasluftgemisch über das Einlassventil in den Brennraum einströmbar. Dabei verfügt das Brenngas über eine so hohe Brenngastemperatur und verfügt das Brenngasluftgemisch über eine so hohe Brenngasluftgemisch-Temperatur, die jeweils ausreicht, dass an brenngas- und brenngas luftführenden Bauteilen des

Hubkolbenmotors keine Kondensation der Begleitstoffe, insbesondere von Teeren und/oder langkettigen Kohlenwasserstoffen, stattfinden kann.

Zu den brenngasführenden Bauteilen gehört beispielsweise die Brenngasleitung, zu den brenngasluftführenden Bauteilen gehören die Brenngasluftleitung, sowie beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p- Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2-Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol. Langkettige Kohlenwasserstoffe können eine Molekülstruktur mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen aufweisen.

Eine Kondensation der Begleitstoffe kann vermieden werden, wenn die Brenngastemperatur und/oder die Brenngasluftgemisch-Temperatur über den üblichen Brenngastemperaturen und/oder Brenngasluftgemisch-Temperaturen von ca. 40 °C bis ca. 50 °C für

Hubkolbenmotoren, insbesondere Gasmotoren, liegt. Dies kann durch eine solche

Lufttemperatur und/oder Brenngastemperatur erreicht werden, bei der die sich einstellende Brenngasluftgemisch-Temperatur über der Kondensationstemperatur der Begleitstoffe liegt. Trotz der zur Vermeidung von Kondensation notwendigen hohen Brenngastemperatur von über 50 °C und hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur folgt gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise keine zum Klopfen neigende Verbrennung im Hubkolbenmotor, die Schäden am Hubkolbenmotor verursachen kann. Je nachdem bei welcher Stellung des Kolbens das Einlassventil schließt, liegt ein Grund der nicht zum Klopfen neigenden

Verbrennung im sogenannten„Miller-Brennverfahren", bei dem die Ventilsteuerung so ausgelegt ist, dass das Einlassventil schließt, bevor der Kolben in einem Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt.

Ein anderer Grund für die nicht zum Klopfen neigende Verbrennung liegt im sogenannten „Atkinson- Brennverfahren", bei dem das Einlassventil schließt, nachdem der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt durchschritten hat und im Verdichtungstakt eine Lage kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts einnimmt.

Beiden Brennverfahren ist gemein, dass in einem sich anschließenden Verdichtungstakt eine sich im Brennraum einstellende Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches geringer ist als bei einem Brennverfahren, bei dem das Einlassventil üblicherweise schließt.

Üblicherweise schließt das Einlassventil bei einem Hubkolbenmotor, der einen elektrischen Generator antreibt und überwiegend bei einer konstanten Drehzahl läuft, bei einem

Kurbelwellen winkel von ca. 609°. Somit schließt das Einlassventil erst, obwohl sich der Kolben bereits Richtung oberen Totpunkt bewegt. Auf diese Weise wird ein Nachladeffekt ausgenutzt, der zu einer höheren Masse an Brennstoffluftgemisch im Zylinder führt als theoretisch aufgrund des Zylindervolumens möglich ist. Ursache für den Nachladeeffekt ist die Trägheit des in den Zylinder strömenden Brenngasluftgemisches, wodurch in einem gewissen Kurbelwellenwinkelbereich nach dem unteren Totpunkt des Kolbens noch zusätzlich Brennstoffluftgemisch in den Zylinder strömt, obwohl sich der Kolben bereits Richtung oberen Totpunkt bewegt. Erst bei einem Kurbelwellenwinkel größer als ca. 609° ist der Druck im Zylinder so groß, dass er die Trägheit des in den Zylinder strömenden

Brenngasluftgemisches abbremst und ein weiteres Einströmen von Brenngasluftgemisch versiegt. Aus diesem Grund ist die Ventilsteuerung so ausgelegt, dass das Einlassventil beim Kurbelwellenwinkel von ca. 609° schließt und so ein Ausströmen von Brenngasluftgemisch aus dem Zylinder verhindert wird.

Im anschließenden Verdichtungstakt verdichtet der Kolben das Brenngasluftgemisch wodurch sich die Verdichtungsendtemperatur einstellt. Einflussgrößen auf die

Verdichtungsendtemperatur sind u.a. die Masse an Brenngas luftgemisch im Zylinder, sowie die Brenngasluftgemisch-Temperatur.

Die Verdichtungsendtemperatur hat Einfluss auf das Klopfen des Hubkolbenmotors. Bei einer hohen Verdichtungsendtemperatur, d.h. hohen Masse an Brenngasluftgemisch und/oder hohen Brenngasluftgemisch-Temperatur neigt der Hubkolbenmotor verstärkt zum Klopfen. Um eine hohe Leistungsausbeute und damit Effizienz des Hubkolbenmotors zu erhalten wird dieser auf eine hohe Masse an Brenngasluftgemisch ausgelegt, bei einer niedrigen Brenngasluftgemisch- Temperatur, so dass die sich einstellende Verdichtungsendtemperatur gerade noch unterhalb einer maximalen Verdichtungsendtemperatur liegt, oberhalb der der Hubkolbenmotor zum Klopfen neigt.

Die vorliegende Erfindung nutzt durch das o.g. Miller- oder Atkinson-Brennverfahren vorteilhafterweise den Effekt der resultierenden geringeren Verdichtungsendtemperatur. Aus der geringeren Verdichtungsendtemperatur erschließt die Erfindung das Potenzial die Brenngasluftgemisch-Temperatur soweit zu erhöhen, dass vorteilhafterweise dann die resultierende Verdichtungsendtemperatur wieder auf dem üblichen Niveau ist, bei dem die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Daraus folgt vorteilhafterweise in Verbindung mit einer Erhöhung eines Ladedrucks des Brenngasluftgemisches, dass ein effektiver Mitteldruck am Hubkolbenmotor auf einem üblichen Niveau von ca. 12 bar wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren verbleiben kann, die mit einem synthetischen Gas betrieben werden, das vorher beispielsweise einer Gaskonditionierung unterzogen wurde. Als Konsequenz aus dem üblichem Niveau des effektiven Mitteldrucks folgt, dass eine Leistung des Hubkolbenmotors, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, ebenfalls auf einem üblichen Niveau verbleibt. Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Brenngas- und/oder Brenngasluftgemisch- Temperatur ist, dass die Begleitstoffe gasförmig sind und nicht an brenngasluftführenden Bauteilen kondensieren oder sich ablagern. Vorteilhafterweise verlagert sich die

Kondensation der Begleitstoffe in den Brennraum. Dies ist unproblematisch, weil in dem Zeitraum vom Beginn des Ansaugtakts bis zum Beginn des Verdichtungstakts, die Zeitspanne in der Kondensation der Begleitstoffe stattfinden kann sehr kurz ist. Im anschließenden Verdichtungstakt verdampfen die kondensierten Begleitstoffe gleich wieder. Mit der folgenden Zündung und Verbrennung des Brenngasluftgemisches samt der Begleitstoffe verbleibt in einem vollständigen Arbeitsspiel im Endeffekt keine Zeit für eine Ablagerung der Begleitstoffe im Brennraum, beispielsweise am Kolben, Zylinderwand oder Zylinderkopf. Als Vorteil ergeben sich brenngasluftführende Bauteile, die frei von Ablagerungen sind. Besonders vorteilhaft ergibt sich daraus eine Steigerung des Anteils der Begleitstoffe, insbesondere der Teere, der sogenannten Teerfracht, im Brenngas von üblicherweise ca. 200 mg/Nm ³ (Milligramm pro Normkubikmeter) bei einer Brenngastemperatur und/oder

Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C auf ca. 600 mg/Nm ³ bei einer

Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch den Entfall der Gaskonditionierung der Heizwert des Brenngases von der Erzeugung des Brenngases bis zu dessen Verbrennung im Hubkolbenmotor gleich bleibt. Damit steht die in den Begleitstoffen chemisch gebundene Energie, insbesondere der Teere und langkettigen Kohlenwasserstoffe, in der

Energieerzeugungsanlage zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme zur Verfügung. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der Energieerzeugungsanlage, weil eine Vorrichtung zur Gaskonditionierung entfallen, oder kleiner als bei einer konventionellen Energieerzeugungsanlage mit synthetischem Gas ausgelegt werden, kann. Die Effizienz der Energieerzeugungsanlage wird durch die vorliegende Erfindung erhöht, bei gleichzeitig reduzierten Investitions- und Betriebskosten durch verlängerte Wartungsintervalle und einen verringerten Verbrauch an Betriebs- und Brennstoffen.

In einer zweiten Ausführung kann der Hubkolbenmotor den Lufteinlass und eine Luftleitung aufweisen, die über das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors

strömungstechnisch verbunden ist. In der Luftleitung kann die Aufladeeinheit und/oder ein Luftkühler angeordnet sein. Der Brenngaseinlass kann im Zylinder und/oder einer Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, angeordnet sein. Dadurch ist über den Brenngaseinlass, der ein eigenes Einlassventil in den Zylinder aufweisen kann, beispielsweise ein

Brenngaseinlassventil, das Brenngas direkt in den Zylinder/ in den Brennraum einströmbar. Dadurch kann sich vorteilhafterweise aus Luft und dem Brenngas das Brenngasluftgemisch im Zylinder/Brennraum bilden, wodurch eine Kondensation oder Ablagerung der

Begleitstoffe in luftführenden Bauteilen, beispielsweise der Aufladeeinheit, verhindert wird. In einer dritten Ausführung sind Kombinationen aus der ersten und der zweiten Ausführung möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet, das eine Brenngastemperatur größer als 60 °C aufweist.

Vorteilhafterweise liegen bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C die Begleitstoffe, wie Teere und Kohlenwasserstoffe, gasförmig vor. Bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C kondensieren die Begleitstoffe auch nach einem Zumischen des Brenngases zur Luft im Brenngasluftgemisch nicht. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenngaseinlass zum Zuführen des Brenngases ausgestaltet, das eine Brenngastemperatur zwischen 65 °C und 75 °C aufweist. Vorteilhafterweise liegen übliche Begleitstoffe wie Teere und langkettige Kohlenwasserstoffe in einem solchen Temperaturbereich gasförmig vor. Bei einer

Brenngastemperatur zwischen 65 °C und 75 °C kondensieren die Begleitstoffe auch nach einem Zumischen des Brenngases zur Luft im Brenngasluftgemisch nicht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brenngastemperatur höher als eine Kondensationstemperatur eines Begleitstoffs, der von allen Begleitstoffen eine höchste Kondensationstemperatur aufweist. Die Brenngastemperatur kann 30 °C höher sein als die höchste Kondensationstemperatur, insbesondere 20 °C höher, gegebenenfalls 15 °C höher, beispielsweise auch 10 °C höher. Brenngase unterschiedlicher Herkunft haben üblicherweise eine unterschiedliche Zusammensetzung auch der Begleitgase.

Vorteilhafterweise kann mit der vorliegenden Erfindung die Brenngastemperatur an die höchste Kondensationstemperatur flexibel angepasst werden. Demzufolge kann dann auch das Schließen des Einlassventils flexibel an die Brenngastemperatur angepasst werden. Für verschiedene Anwendungen des Hubkolbenmotors oder einer Energieerzeugungsanlage mit dem Hubkolbenmotor können so Ventilsteuerungen mit unterschiedlichen Nockenwellen zum Schließen des Einlassventils bereitgestellt werden. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich beispielsweise mit einer variablen Ventilsteuerung, anhand der während des Betriebs des Hubkolbenmotors das Schließen des Einlassventils zu unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer sich sehr schnell ändernden Zusammensetzung des Brenngases sehr spontan Randbedingungen für den Betrieb des Hubkolbenmotors anzupassen. Zu diesen Randbedingungen gehören die Brenngastemperatur aufgrund der Kondensationstemperatur des Begleitgase und das Schließen des Einlassventils.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt und so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem

Kurbelwellenwinkel kleiner als 540 Grad schließt. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor umstreicht die Kurbelwelle während eines vollständigen Arbeitsspiels 720 Grad. Beim Schließen des Einlassventils bei einem Kurbelwellenwinkel kleiner als 540 Grad nimmt der Kolben eine Stellung oberhalb des unteren Totpunkts im Ansaugtakt ein. Vorteilhafterweise bleibt so eine Masse des in den Zylinder eingeströmten Brenngasluftgemischs bis zum Zünden im Zylinder. Es strömt vor einer einsetzenden Verbrennung kein unverbranntes Brenngasluftgemisch aus dem Zylinder. Demzufolge muss vorteilhafterweise eine

Aufladeeinheit, beispielsweise ein Turbolader, nur so ausgelegt werden, dass in den Grad Kurbelwinkel, in denen das Einlassventil geöffnet ist, auch nur die Masse an

Brenngasluftgemisch in den Zylinder einströmt, die für die Verbrennung notwendig ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Schließen des Einlassventils vor dem unteren Totpunkt des Kolbens, dass bis zum Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens das

Brenngasluftgemisch expandiert, dabei das Brenngasluftgemisch abkühlt und sich beim Verdichten wieder erhitzt, sobald sich der Kolben zum oberen Totpunkt eines

Verdichtungstaktes bewegt. Aufgrund dessen, dass mit dem Schließen des Einlassventils eine Masse an Brenngasluftgemisch im Zylinder sehr genau eingestellt werden kann, ergibt sich vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Zündung eine definierte Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemischs, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Durch die genau eingestellte Masse an Brenngasluftgemisch und die definierte Verdichtungsendtemperatur sind zyklische Schwankungen der Verbrennung im Betrieb des Hubkolbenmotors geringer. Vorteilhafterweise ist es somit möglich die Verdichtungsendtemperatur näher an eine Klopfgrenze der Verbrennung zu legen. Daraus resultiert ein höherer effektiver Mitteldruck und eine höhere Leistung des Hubkolbenmotors als bei einer Auslegung der Verbrennung mit einem Sicherheitsabstand der Verdichtungsendtemperatur zur Klopfgrenze. Somit kann die in der vorliegenden Erfindung zur Vermeidung der Kondensation der Begleitstoffe im Brenngas höher als übliche Brenngastemperatur durch eine entsprechende Auslegung der Verbrennung so kompensiert werden, dass der Hubkolbenmotor keine Einbußen in der Leistung erfährt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem Kurbel wellenwinkel zwischen 510 Grad und 535 Grad schließt. Für die Brenngastemperatur, bei der die Begleitstoffe gasförmig sind, ergibt sich beim Schließen des Einlassventils bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen 510 Grad und 535 Grad vorteilhafterweise eine Verdichtungsendtemperatur, bei der die

Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilsteuerung mit einer Kurbelwelle gekoppelt und so ausgestaltet, dass das Einlassventil bei einem

Kurbelwellenwinkel größer als 610 Grad schließt. Auf dem Weg zum oberen Totpunkt schiebt der Kolben im Verdichtungstakt einen Teil des im Ansaugtakt angesaugten

Brenngasluftgemischs wieder zurück in einen Einlasskanal, bis das Einlassventil schließt. Das im Brennraum verbliebene Brenngasluftgemisch wird vom Kolben weiter verdichtet.

Dadurch, dass nicht das gesamte angesaugte Brenngasluftgemisch verdichtet wird, erreicht es, trotz erhöhter Brenngastemperatur, vorteilhafterweise eine solche

Verdichtungsendtemperatur, die nicht zum Klopfen neigt. Im Ansaugtakt erwärmt sich das Brenngasluftgemisch beim Einströmen in den Zylinder. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Zurückschieben eines Teils des Brenngasluftgemisches dadurch, dass das erwärmte Brenngasluftgemisch beispielsweise den Einlasskanal und das Einlassventil erwärmt und Kondensation von, sowie Ablagerungen durch, Begleitstoffe verhindert. Weiter wird das Brenngasluftgemisch das im nächsten Ansaugtakt einströmt zusätzlich erwärmt und so Kondensation von Begleitstoffen zusätzlich verhindert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Brenngas ein synthetisches Gas, das Teere und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe als Begleitstoffe enthält. Ein synthetisches Gas ist beispielsweise ein Gas, das bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsprozess oder bei der Prozessindustrie anfällt. Als Brenngas ist auch ein

Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder Kohlegewinnung anfällt. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p-Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2- Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol.

Langkettige Kohlenwasserstoffe weisen eine Molekülstruktur mit mehr als zwei

Kohlenstoffatomen auf.

Eine weitere Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem System mit einem Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen zum System der Erfindung ist dem abhängigen Anspruch 9 zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung ist ein System vorgesehen mit einem Hubkolbenmotor und einer Heiz- /Kühlvorrichtung zum Einstellen des Brenngases auf eine Brenngastemperatur, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig bleiben, wobei die Heiz-/Kühlvorrichtung

strömungstechnisch mit dem Brenngaseinlass verbunden ist. Vorteilhafterweise ist so das Brenngas unabhängig von seiner Eintrittstemperatur, die das Brenngas aufweist, bevor es durch eine Brenngasleitung zum Brenngaseinlass strömt, auf eine Brenngastemperatur heiz- oder kühlbar, bei der die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind. Die

Brenngastemperatur des Brenngases kann auch günstigerweise so eingestellt werden, dass sich nach einem Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngasluftgemisch, eine Brenngasluftgemisch-Temperatur des Brenngasluftgemisches so einstellt, dass die

Begleitstoffe des Brenngases gasförmig bleiben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Heiz -/Kühlvorrichtung so ausgestaltet, dass sie das Brenngas auf eine solche Brenngastemperatur einstellt, die in einem Bereich von 1 °C bis 20 °C, insbesondere in einem Bereich von 1 °C bis 10 °C, über einer Kondensationstemperatur eines der Begleitstoffe liegt, der die höchste

Kondensationstemperatur der Begleitstoffe aufweist. Brenngase unterschiedlicher Herkunft haben üblicherweise eine unterschiedliche Zusammensetzung auch der Begleitgase.

Vorteilhafterweise kann mit der vorliegenden Erfindung die Brenngastemperatur an die höchste Kondensationstemperatur flexibel angepasst werden.

Dabei wird optimalerweise nur eine solche Heiz-/Kühlleistung aufgewendet, die zum

Gewährleisten eines gasförmigen Zustands der Begleitstoffe notwendig ist. Plus einem Sicherheitsbereich in der Temperatur, um unvorhersehbare Temperatureinflüsse auf das Brenngas oder das Brenngasluftgemisch zu kompensieren.

Eine zusätzliche Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hubkolbenmotors

mit den folgenden Verfahrensschritten vorgesehen: Verbrennen eines Brenngasluftgemisches in einem Brennraum, wobei das Brenngasluftgemisch Anteile aus Luft und einem Brenngas aufweist, und das Brenngas Begleitstoffe enthält, und

Steuern eines Einlassventils des Brennraums mittels einer Ventilsteuerung. Dabei wird über einen Brenngaseinlass dem Hubkolbenmotor ein Brenngas zugeführt, das eine solche Temperatur aufweist, dass die Begleitstoffe des Brenngases gasförmig sind. Weiter wird das Einlassventil mittels der Ventilsteuerung geschlossen, wenn ein Kolben des Brennraums eine Stellung vor oder nach seinem unteren Totpunkt einnimmt. Der Hubkolbenmotor kann auch ein Gasmotor sein.

Vorteilhafterweise kann auf diese Weise einer Energieerzeugungsanlage, und damit letztendlich dem Hubkolbenmotor, ein Brenngas, insbesondere ein synthetisches Gas, zugeführt werden, das beispielsweise bei einem Vergasungsprozess, Reformierungsprozess oder bei der Prozessindustrie anfällt, ohne dass das Brenngas einer Gaskonditionierung unterzogen werden muss. Als Brenngas ist auch Kokerei gas oder ein Begleitgas möglich, das beispielsweise bei der Erdöl- oder Kohlegewinnung anfällt.

Je nach Ausführung eines Hubkolbenmotors kann dieser in einer ersten Ausführung einen Lufteinlass zum Zuführen von Luft und den Brenngaseinlass aufweisen. Der Lufteinlass und der Brenngaseinlass sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Das Brenngasluftgemisch weist Anteile aus Luft und dem Brenngas auf. Die Gasmischstelle ist über eine Brenngasluftleitung und das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors strömungstechnisch verbunden. In der Brenngasluftleitung kann eine Aufladeeinheit, mit beispielsweise einem Verdichterrad und einem Verdichtergehäuse, und/oder ein Brenngasluftkühler angeordnet sein. Über die Brenngasluftleitung ist das Brenngasluftgemisch über das Einlassventil in den Brennraum einströmbar. Dabei verfügt das Brenngas und/oder das Brenngasluftgemisch über eine so hohe Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur, die ausreicht, dass an brenngas- und/oder brenngasluftführenden Bauteilen des Hubkolbenmotors keine

Kondensation der Begleitstoffe, insbesondere von Teeren und/oder langkettigen

Kohlenwasserstoffen, stattfinden kann. Zu den brenngasführenden Bauteilen gehört beispielsweise die Brenngasleitung, zu den brenngasluftführenden Bauteilen gehören die Brenngasluftleitung, sowie beispielsweise Verdichterräder oder Einlassventile. Teere sind beispielsweise Benzene, Toluene, m/p-Xylene, o-Xylene, Indan, Indene, Naphtalene, 2- Methylnaphtalene, 1-Methylnaphtalene, Biphenyl, Acenaphthylene, Acenaphtene, Fluerene, Phenanthrene, Anthracene, Fluorantene, Pyrene, Oktane, Nonane, Dekane und Phenol.

Langkettige Kohlenwasserstoffe können eine Molekülstruktur mit mehr als zwei

Kohlenstoffatomen aufweisen. Es kommt nur dann zu keiner Kondensation der Begleitstoffe, wenn die Brenngastemperatur und/oder die Brenngasluftgemisch-Temperatur über den üblichen Brenngastemperaturen von ca. 40 °C bis ca. 50 °C und/oder Brenngasluftgemisch- Temperaturen für Hubkolbenmotoren, insbesondere Gasmotoren, liegt. Dies kann durch eine solche Lufttemperatur und/oder Brenngastemperatur an der Gasmischstelle erreicht werden, bei der die sich einstellende Brenngasluftgemisch-Temperatur über der

Kondensationstemperatur der Begleitstoffe liegt. Trotz der zur Vermeidung von Kondensation notwendigen hohen Brenngastemperatur von über 50 °C und/oder hohen

Brenngasluftgemisch-Temperatur folgt in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise keine zum Klopfen neigende Verbrennung im Hubkolbenmotor, die Schäden am

Hubkolbenmotor verursachen kann. Je nachdem bei welcher Stellung des Kolbens das Einlassventil schließt, liegt ein Grund in der nicht zum Klopfen neigenden Verbrennung im sogenannten„Miller-Brennverfahren", bei dem die Ventilsteuerung so ausgelegt ist, dass das Einlassventil schließt bevor der Kolben in einem Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Ein anderer Grund in der nicht zum Klopfen neigenden Verbrennung liegt im sogenannten „Atkinson- Brennverfahren", das ein Schließen des Einlassventils darstellt, nachdem der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Dabei wird das Einlassventil von der Ventilsteuerung so gesteuert, dass es deutlich nach einem Kurbelwellenwinkel von beispielsweise 609 Grad schließt, der üblicherweise für eine optimale Zylinderfüllung mit dem Brenngasluftgemisch eingestellt ist. Beiden Brennverfahren ist gemein, dass in einem sich anschließenden Verdichtungstakt eine sich im Brennraum einstellende

Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches geringer ist als bei einem

Brennverfahren, bei dem das Einlassventil so schließt, dass daraus die optimale

Zylinderfüllung mit dem Brenngasluftgemisch resultiert. Die vorliegende Erfindung nutzt vorteilhafterweise diesen Effekt der resultierenden geringeren Verdichtungsendtemperatur. Dadurch ist es möglich die Brenngasluftgemisch-Temperatur soweit zu erhöhen, dass vorteilhafterweise dann die resultierende Verdichtungsendtemperatur wieder auf dem üblichen Niveau ist, bei dem die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt. Daraus folgt vorteilhafterweise in Verbindung mit einer Erhöhung eines Ladedrucks des

Brenngasluftgemisches, dass ein effektiver Mitteldruck am Hubkolbenmotor auf einem üblichen Niveau von ca. 12 bar wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren verbleiben kann, die mit einem synthetischen Gas betrieben werden, das vorher beispielsweise einer

Gaskonditionierung unterzogen wurde. Als Konsequenz aus dem üblichem Niveau des effektiven Mitteldrucks folgt, dass eine Leistung des Hubkolbenmotors, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, ebenfalls auf einem üblichen Niveau verbleibt. Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Brenngas- und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur ist, dass die Begleitstoffe gasförmig sind und nicht an brenngasluftführenden Bauteilen kondensieren oder sich ablagern. Vorteilhafterweise verlagert sich die Kondensation der Begleitstoffe in den Brennraum. Dies ist unproblematisch, weil in dem Zeitraum vom Beginn des Ansaugtakts bis zum Beginn des Verdichtungstakts, die Zeitspanne in der Kondensation der Begleitstoffe stattfinden kann sehr kurz ist. Im anschließenden Verdichtungstakt verdampfen die kondensierten Begleitstoffe gleich wieder. Mit der folgenden Zündung und Verbrennung des Brenngasluftgemisches samt der Begleitstoffe verbleibt in einem

vollständigen Arbeitsspiel im Endeffekt keine Zeit für eine Ablagerung der Begleitstoffe im Brennraum, beispielsweise am Kolben, Zylinderwand oder Zylinderkopf. Als Vorteil ergeben sich brenngasluftführende Bauteile, die frei von Ablagerungen sind. Besonders vorteilhaft ergibt sich daraus eine Steigerung des Anteils der Begleitstoffe, insbesondere der Teere, der sogenannten Teerfracht, im Brenngas von üblicherweise ca. 200 mg/Nm ³ (Milligramm pro Normkubikmeter) bei einer Brenngastemperatur und/oder Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C auf ca. 600 mg/Nm ³ bei einer Brenngastemperatur und/oder

Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch den Entfall der Gaskonditionierung der Heizwert des Brenngases von der Erzeugung des Brenngases bis zu dessen Verbrennung im

Hubkolbenmotor gleich bleibt. Damit steht die in den Begleitstoffen chemisch gebundene Energie, insbesondere der Teere und langkettigen Kohlenwasserstoffe, in der

Energieerzeugungsanlage zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme zur Verfügung. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit des Hubkolbenmotors und damit der Energieerzeugungsanlage, weil eine Vorrichtung zur Gaskonditionierung entfallen, oder kleiner als bei einer konventionellen Energieerzeugungsanlage mit synthetischem Gas ausgelegt werden, kann. Die Effizienz der Energieerzeugungsanlage wird durch die vorliegende Erfindung erhöht, bei gleichzeitig reduzierten Investitions- und Betriebskosten durch verlängerte Wartungsintervalle und einen verringerten Verbrauch an Betriebs- und Brennstoffen.

In einer zweiten Ausführung kann der Hubkolbenmotor den Lufteinlass und eine Luftleitung aufweisen, die über das Einlassventil mit dem Brennraum des Hubkolbenmotors

strömungstechnisch verbunden ist. In der Luftleitung kann die Aufiadeeinheit und/oder ein Luftkühler angeordnet sein. Der Brenngaseinlass kann im Zylinder und/oder einer Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, angeordnet sein. Dadurch ist über den Brenngaseinlass, der ein eigenes Einlassventil aufweisen kann, beispielsweise ein Brenngaseinlassventil, das Brenngas direkt in den Zylinder/ in den Brennraum einströmbar. Dadurch kann sich vorteilhafterweise aus Luft und dem Brenngas das Brenngasluftgemisch im

Zylinder/Brennraum bilden, wodurch eine Kondensation oder Ablagerung der Begleitstoffe in luftführenden Bauteilen, beispielsweise der Aufladeeinheit, verhindert wird. In einer dritten Ausführung sind Kombinationen aus der ersten und der zweiten Ausführung möglich.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erläutert.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Hubkolbenmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Tabelle zeigt eine Beispielrechnung zur Erhöhung einer Teerfracht im Brenngas anhand der vorliegenden Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Zylinder 20 ist ein Kolben 30 beweglich gelagert. Der Kolben 30 ist mit einer Kurbelwelle 40 beweglich verbunden. Die Kurbelwelle 40 ist um ihre Längsachse 50 drehbar gelagert. Eine Drehrichtung 60 der Kurbelwelle ist anhand eines Pfeils dargestellt. Bei einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle 40 umstreicht diese einen Kurbelwellenwinkel von 360 Grad. Der Kolben 30, eine Zylinderwand 70 des Zylinders 20, ein am Zylinder 20 angeordneter Zylinderkopf 80, ein Einlassventil 90 und ein Auslassventil 100 sind Teile eines Brennraums 110. Das

Einlassventil 90 und das Auslassventil 100 sind über eine Ventilsteuerung 105 steuerbar. Die Ventilsteuerung 105 ist mit der Kurbelwelle 40 beweglich gekoppelt. Ein Lufteinlass 120 und ein Brenngaseinlass 130 sind strömungstechnisch mit einer Gasmischstelle 140 zum Mischen von Luft und Brenngas zum Brenngasluftgemisch verbunden. Das Brenngasluftgemisch weist Anteile aus Luft und dem Brenngas auf. Die Gasmischstelle 140 ist über eine

Brenngasluftleitung 150 und das Einlassventil 90 strömungstechnisch mit dem Brennraum 110 des Hubkolbenmotors verbunden. In der Brenngas luftleitung 150 ist eine Aufladeeinheit 160 mit einem Verdichter 170 und ein Brenngasluftkühler 180 angeordnet. Der Verdichter 170 weist ein nicht dargestelltes Verdichterrad und ein Verdichtergehäuse auf. Eine

Abgasleitung 190 ist strömungstechnisch über das Auslassventil 100 mit dem Brennraum 110 verbunden. In der Abgasleitung 190 ist eine Turbine 200 der Aufladeeinheit 160 angeordnet. Das in der Gasmischstelle 140 gebildete Brenngas luftgemisch strömt durch die

Brenngasluftleitung 150 zum Verdichter 170, wo es auf einen Ladedruck von ca. 4,1 bar verdichtet wird. Der Ladedruck ist als Überdruck über dem Atmosphärendruck zu verstehen. Vom Verdichter 170 strömt das Brenngasluftgemisch weiter durch den Brenngasluftkühler 180, wo es auf eine Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C abgekühlt wird, über das Einlassventil 90 in den Brennraum 110. Im Brennraum 110 verbrennt das

Brenngasluftgemisch, die dabei entstehenden Abgase strömen durch die Abgasleitung 190 und über die Turbine 200 in die Atmosphäre.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 210 mit einem

Hubkolbenmotor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Figur 2 entspricht im Wesentlichen der Figur 1. Ein Unterschied zum Hubkolbenmotor 10 aus Figur 1 besteht darin, dass ein System 210 dargestellt wird, bei dem der Hubkolbenmotor 10 ein Teil davon ist. Ein weiterer Teil des Systems 210 ist eine Heiz-/Kühlvorrichtung 220, die strömungstechnisch mit dem Brenngaseinlass 130 verbunden ist. Mit der Heiz- /Kühlvorrichtung 220 kann das Brenngas auf eine solche Brenngastemperatur eingestellt werden, bei der die Begleitstoffe des Brenngases bis zur Gasmischstelle 140 und im

Brenngasluftgemisch in der Brenngasluftleitung 150 gasförmig bleiben.

Die Tabelle zeigt das Potenzial einer Erhöhung eines Teergehalts im Brenngas durch die vorliegende Erfindung auf.

In einer ersten übergeordneten Spalte der Tabelle wird die Erhöhung des Teergehalts im Brenngas eines Gasmotors in Schritten 1 bis 4 dargestellt, bei gleichbleibendem Mitteldruck von ca. 12 bar. Die dazu am Gasmotor bzw. im Brenngas von Schritt zu Schritt

vorgenommenen Veränderungen sind in Zeilen dargestellt. Die einzelnen Schritte werden weiter unten noch detailliert beschrieben. In einer zweiten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngases wird hier dessen

Brenngastemperatur, Brenngasdruck, Teergehalt und relative Teerfeuchte im Brenngas verstanden.

In einer dritten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngasluftgemisches wird hier dessen Ladedruck, Brenngasluftgemisch-Temperatur und relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch verstanden.

In einer vierten übergeordneten Spalte der Tabelle ist der Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während des Ansaugtaktes beschrieben. Unter dem Zustand des Brenngasluftgemisches wird hier die relative Teerfeuchte im

Brenngasluftgemisch und die Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches verstanden.

Nachfolgend werden die Schritte 1 bis 4 erläutert. Ausgehend von einem ersten Schritt mit einem Gasmotor mit einer Standardkonfiguration und nach jedem weiteren Schritt mit einer Veränderung des Gasmotors oder des Brenngases im Vergleich zum vorhergehenden Schritt, stellt sich jeweils ein Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle, ein Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit und ein Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während des Ansaugtaktes ein

Schritt 1

Es wird beispielhaft von einem konventionellen Gasmotor mit üblichen

Standardbetriebswerten und einem effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar ausgegangen. Dabei ist der Aufbau des konventionellen Gasmotors mit dem in Figur 1 beschriebenen

Hubkolbenmotor insoweit vergleichbar, als dass die Bildung des Brenngasluftgemisches strömungstechnisch vor der Aufladeeinheit erfolgt.

Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:

Als Standardbetriebswerte beim konventionellen Gasmotor weist das Brenngas eine

Brenngastemperatur von üblicherweise ca. 50 °C und einen Brenngasdruck von ca. 0,2 bar auf. Der Brenngasdruck, sowie alle folgend genannten Drücke sind als Überdrücke über dem Atmosphärendruck zu verstehen. Das Brenngas weist beispielsweise einen Teergehalt von ca. 200 mg/Nm ³ auf. Dabei stellt sich im Brenngas eine relative Teerfeuchte von ca. 95 % ein.

Eine Teerfeuchte bezeichnet den Anteil des gasförmigen Teergehalts in einem Gasgemisch, hier in dem Brenngas.

Die relative Teerfeuchte gibt für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck das Verhältnis des momentanen gasförmigen Teergehalts zum maximal möglichen gasförmigen Teergehalt im Gasgemisch, hier dem Brenngas, an.

Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit:

Stromabwärts der Aufladeeinheit des Gasmotors weist das Brenngasluftgemisch als

Standardbetriebswerte für einen Ladedruck ca. 2,1 bar und für eine Brenngasluftgemisch- Temperatur ca. 50 °C auf. Dabei stellt sich im Brenngasluftgemisch eine relative Teerfeuchte von ca. 50 % ein. Mit einer relativen Teerfeuchte von ca. 50 % ist noch ein Abstand zu einer Sättigungsgrenze von 100 % des Brenngasluftgemisches mit Teer vorhanden, daher findet noch keine Kondensation von Teer beispielsweise in den brenngasluftführenden Bauteilen statt.

Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:

Im Betrieb des konventionellen Gasmotors stellt sich während des Ansaugtakts am unteren Totpunkt des Kolbens im Zylinder eine Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 43 °C ein.

Die Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches im Zylinder ist die Temperatur, die sich einstellt, wenn sich der Kolben im Ansaugtakt am unteren Totpunkt befindet. Ausgehend von der Referenztemperatur stellt sich im folgenden Verdichtungstakt des konventionellen Gasmotors eine solche Verdichtungsendtemperatur des Brenngasluftgemisches ein, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.

Aus der Referenztemperatur von ca. 43 °C resultiert im Brenngasluftgemisch im Zylinder eine relative Teerfeuchte von ca. 50 %. Damit liegt die relative Teerfeuchte über der Sättigungsgrenze von 100 %. Eine Überschreitung der Sättigungsgrenze führt zu einer Kondensation von Teeren im Zylinder. Wobei eine Kondensation von Teeren im Zylinder nicht schädlich ist, weil durch den sich sofort anschließenden Verdichtungs- und

Verbrennungstakt nicht ausreichend Zeit für die kondensierten Teere bleibt, um sich an Bauteilen, beispielsweise Ventile, Kolben oder Zylinderwände, anzulagern.

Im Gegensatz zu einer Kondensation von Teeren in brenngas- und/oder

brenngasluftführenden Bauteilen, was, wie eingangs schon beschrieben, zu erheblichen Schäden am Gasmotor führen kann.

Schritt 2:

In einem zweiten Schritt wird am oben beschriebenen konventionellen Gasmotor das„Miller- Brennverfahren" eingesetzt. Dabei ist die Ventilsteuerung so ausgelegt, dass das Einlassventil schließt, bevor der Kolben im Ansaugtakt den unteren Totpunkt einnimmt. Im vorliegenden Fall schließt das Einlassventil bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 530 Grad. Im Vergleich dazu schließt das Einlassventil bei einem konventionellen Gasmotor bei einem

Kurbelwellenwinkel von ca. 609 Grad.

Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:

Die Brenngastemperatur, der Brenngasdruck, der Teergehalt und die relative Teerfeuchte vor der Gasmischstelle entsprechen den Werten wie in Schritt 1 vor der Gasmischstelle des konventionellen Gasmotors.

Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit:

Um im Betrieb des Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" einen dem konventionellen Gasmotor entsprechenden effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar sicherzustellen, muss sich zu dem Zeitpunkt, an dem das Einlassventil schließt, dieselbe Masse an Brenngasluftgemisch im Zylinder befinden wie beim konventionellen Gasmotor. Um dies zu gewährleisten ist im Vergleich zum konventionellen Gasmotor der Ladedruck auf ca. 4,1 bar erhöht. Bei gleichbleibender Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 50 °C resultiert im

Brenngasluftgemisch eine relative Teerfeuchte von ca. 90 %. Dies ist von der

Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasluftführenden Bauteilen kondensiert. Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:

Im Betrieb eines Gasmotors mit dem oben beschriebenen„Miller-Brennverfahren" stellt sich während des Ansaugtakts am unteren Totpunkt des Kolbens im Zylinder die

Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 35 °C ein. Daraus resultiert eine relative Teerfeuchte von ca. 110 % in dem sich im Zylinder befindenden

Brenngasluftgemisch. Damit liegt die relative Teerfeuchte über der Sättigungsgrenze von 100 %. Eine Überschreitung der Sättigungsgrenze führt zu einer Kondensation von Teeren im Zylinder. Wie unter Schritt 1 schon beschrieben, ist eine Kondensation von Teeren im Zylinder nicht schädlich, weil durch den sich sofort anschließenden Verdichtungs- und Verbrennungstakt nicht ausreichend Zeit für die kondensierten Teere bleibt, um sich an Bauteilen anzulagern.

Mit der Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches von ca. 35 °C im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens im Ansaugtakt ergibt sich im folgenden Verdichtungstakt des

Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" eine Verdichtungsendtemperatur, die deutlich entfernt ist von der oben beschriebenen Verdichtungsendtemperatur beim konventionellen Gasmotor, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.

Schritt 3:

Um ein Kondensieren von Teer - aufgrund des in Schritt 2 vorgenommenen„Miller- Brennverfahrens" - in brenngasführenden Bauteilen zu vermeiden, werden in einem dritten Schritt die im Schritt 2 dargestellten Zustände bei erhöhter Brenngastemperatur bzw. die Brenngasluftgemisch-Temperatur aufgezeigt.

Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:

Die Brenngastemperatur liegt bei ca. 70 °C. Bei gleichbleibendem Brenngasdruck von 0,2 bar und gleichbleibendem Teergehalt im Brenngas von ca. 200 mg/Nm ³ , wie beim Gasmotor mit „Miller-Brennverfahren" aus Schritt 2, sinkt die relative Teerfeuchte im Brenngas auf ca. 30 %. Dies ist deutlich von der Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasführenden Bauteilen kondensiert.

Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit: Ebenso wie die Brenngastemperatur liegt auch die Brenngasluftgemisch-Temperatur bei ca. 70 °C. Bei gleichbleibendem Ladedruck von ca. 4,1 bar, wie beim Gasmotor mit„Miller- Brennverfahren" aus Schritt 2, sinkt die relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch auf ca. 30 %. Dies ist deutlich von der Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in den brenngasluftführenden Bauteilen kondensiert.

Zustand des Brenngasluftgemisches im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens während eines Ansaugtakts:

Mit der Brenngasluftgemisch-Temperatur von ca. 70 °C nach der Aufladeeinheit ergibt sich im Zylinder am unteren Totpunkt des Kolbens im Ansaugtakt eine Referenztemperatur des Brenngasluftgemisches im Zylinder von 60 °C. Daraus ergibt sich eine

Verdichtungsendtemperatur, die der Verdichtungsendtemperatur des konventionellen Gasmotors entspricht, bei der die Verbrennung nicht zum Klopfen neigt.

Aus der Referenztemperatur von 60 °C resultiert eine relative Teerfeuchte von ca. 35 % in dem sich im Zylinder befindenden Brenngasluftgemisch. Damit liegt die relative Teerfeuchte deutlich unterhalb der Sättigungsgrenze von 100 %, so dass kein Teer in den

brenngasluftführenden Bauteilen und im Zylinder kondensiert.

Schritt 4:

Ausgehend von der sich in Schritt 3 ergebenden relativen Teerfeuchte von 30 % im

Brenngasluftgemisch nach der Aufladeeinheit wird im Schritt 4 gezeigt, bei welchem Wert der Teergehalt im Brenngas liegen kann, so dass sich im Brenngasluftgemisch nach der Aufladeeinheit wieder eine relative Teerfeuchte von 90 % ergibt, die

der relativen Teerfeuchte nach der Aufladeeinheit des konventionellen Gasmotors entspricht. Zustand des Brenngases vor der Gasmischstelle:

Der Teergehalt im Brenngas liegt bei ca. 600 mg/Nm ³ . Im Vergleich zu Schritt 3 bleiben die Brenngastemperatur von ca. 70 °C und der Brenngasdruck von ca. 0,2 bar gleich. Daraus ergibt sich eine relative Teerfeuchte im Brenngas von ca. 95 %. Dies ist von der

Sättigungsgrenze von 100 % entfernt, so dass kein Teer in der Brenngasleitung kondensiert.

Zustand des Brenngasluftgemisches nach der Aufladeeinheit: Durch den Teergehalt im Brenngas von ca. 600 mg/Nm ³ und ansonsten zu Schritt 3 gleichbleibendem Ladedruck von ca. 4,1 bar und gleichbleibender Brenngasluftgemisch- Temperatur von ca. 70 °C, erhöht sich die relative Teerfeuchte im Brenngasluftgemisch auf ca. 90 % im Vergleich zu Schritt 3.

Damit liegt die relative Teerfeuchte von ca. 90 % des Gasmotors mit„Miller-Brennverfahren" über der relativen Teerfeuchte von ca. 50 % des konventionellen Gasmotors. Somit ist noch ein Abstand zu der Sättigungsgrenze von 100 % des Brenngasluftgemisches mit Teer vorhanden und es findet noch keine Kondensation von Teer beispielsweise in den

brenngasluftführenden Bauteilen statt.

Bei einer relativen Teerfeuchte von 90 % im Brenngasluftgemisch liegt eine ausreichende Sicherheitsreserve zur Sättigungsgrenze von 100 % vor. Somit führen eventuell sich kurzfristig erhöhende Teerfrachten im Brenngas zu keiner Kondensation in

brenngasluftführenden Bauteilen des Hubkolbenmotors oder im System mit Hubkolbenmotor.

Mit der Erfindung ist ein Teergehalt im Brenngas möglich, der über dem Teergehalt bei konventionellen Gasmotoren liegt. Insbesondere liegt der Teergehalt in einem Bereich von 200 mg/Nm ³ bis 950 mg/Nm ³ , bevorzugt zwischen 300 mg/Nm ³ und 700 mg/Nm ³ , besonders bevorzugt zwischen 400 mg/Nm ³ und 650 mg/Nm ³ . Damit ist der mögliche Teergehalt im Brenngas so hoch, dass keine bzw. nur noch eine geringe Gaskonditionierung zum Entfernen der Begleitstoffe aus dem synthetischen Gas nötig ist.

Mit der Erfindung ist bei einer Brenngastemperatur größer als 60 °C, insbesondere zwischen 65 °C und 75 °C, eine relative Teerfeuchte im Brenngas in einem Bereich von 50 % bis 95 %, bevorzugt zwischen 55 % und 95 %, besonders bevorzugt zwischen 60 % und 95 %, möglich. Dabei kann die Leistung des erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors gleich bleiben im

Vergleich zu einem konventionellen Hubkolbenmotor. Gleichzeitig findet keine Kondensation oder Ablagerung der Begleitstoffe an brenngas- bzw. brenngasluftführenden Bauteilen statt.

Vorteilhafterweise weist ein gemäß der Erfindung ausgeführter Hubkolbenmotor einen effektiven Mitteldruck von ca. 12 bar auf, wodurch dasselbe Leistungsniveau von einem konventionellen Gasmotor erreicht wird. Allgemein ist die Erfindung ebenso anwendbar für Hubkolbenmotoren mit effektiven Mitteldrücken in einem Bereich von 8 bis 15 bar. Beispielsweise wahlweise mit effektiven Mitteldrücken mit ungefähren Werten von 9, 10, 11, 13 oder 14 bar. In Verbindung mit der nicht mehr nötigen bzw. konstruktiv kleiner ausführbaren Gaskonditionierung lässt sich auf diese Weise die Effizienz einer

Energieerzeugungsanlage erhöhen.