DE19802643C2 - Verbrennungsmotor des Dieseltyps sowie Verfahren zur Versorgung eines derartigen Motors mit Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von auf Gas basierendem Brennstoff sowie ein Verfahren zur Versorgung eines derartigen Motors mit Brennstoff.

Dualkraftstoff-Zweitakt-Kreuzkopfmotoren dieses Typs sind bekannt, bei welchen flüssiger Kraftstoff in Form von Kraftstofföl eingespritzt wird, welches typischerweise als Zündungshilfe für das eingespritzte Gas wirkt. Das Gas bei den bekannten Motoren mit Hochdruck-Einspritzung ist Naturgas, welches bei seiner Einspritzung in die Verbrennungskammer gasförmig ist. Ein Motor dieses Typs wird zum Beispiel beschrieben in der Broschüre des Anmelders "Große Dieselmotoren, welche Hochdruck- Gaseinspritzungs-Technologie verwenden" von 1991 und in dem technischen Artikel "Entwicklung des weltweit ersten Gaseinspritzmotors mit großer Bohrung" von T. Fukuda, P. Sunn Pedersen u. a., Papier D51, CIMAC 1995 in Interlaken, CH. Bei diesen Motoren wird Naturgas über ein Rohrsystem zugeführt, welches eine genau definierte Gasqualität, normalerweise Methangas, liefert. Die Hochdruck-Einspritzung des gasförmigen Naturgases bietet den Vorteil, daß der Motor verschiedene Zusammensetzungen des Naturgases verwenden kann. Das Gas kann daher aus reinem Methan, oder zum Beispiel aus Methan und Ethan sein, wenn sie zusammen fraktioniert wurden.

Motoren des Dieseltyps mit Zufuhr von auf Gas basierendem Kraftstoff sind ferner in einer Anzahl von verschiedenen Ausführungen bekannt, alle mit dem gemeinsamen Merkmal, daß das Gas eingespritzt wird oder bei einem niedrigen Druck von zum Beispiel ungefähr 1-5 bar der Ansaugluft des Motors zugeführt wird, und daher einen Teil des Kraftstofföls ersetzt, was Vorteile in Bezug auf die Umwelt haben kann in Form von niedrigeren Feststoffausstössen im Abgas. Als Beispiele solcher Motoren kann auf die EP 0049721 A1, welche die Zufuhr von verflüssigtem Erdölgas (LPG) (Propan/Butan) in die Ansaugluft erwähnt, auf die EP 0102119 A1, welche die Zufuhr von LPG oder Methan erwähnt, und auf die EP 0 133 777 A3 verwiesen werden, bei welcher komprimiertes Naturgas oder LPG der Ansaugluft hinzugefügt wird. In den Fällen, wo das Gas dem Motor als ein flüssiger Kraftstoff zugeführt wird, finden Verdampfung und Vermischung des Gases mit der Ansaugluft vor der Einführung in den Zylinder statt, während in den Fällen der Zufuhr von gasförmigem Gas nur eine Vermischung stattfindet.

Das Verhältnis des Gases aus dem Gesamtvolumen des Kraftstoffes darf nicht zu groß werden, wenn das Gas mit der Ansaugluft in einem Motor des Dieseltyps gemischt wird, da sonst eine Selbstzündung des Gases während des Kompressionshubes auftreten kann. Im bekannten Stand der Technik wurde es als wichtig beschrieben, daß eine Gaszündung nur in einer gesteuerten Art und Weise mit Hilfe von Kraftstofföl-Einspritzung stattfinden kann. Die Einspritzung von Öl kann auf die übliche Weise gesteuert werden mit einem geeigneten genauen Timing zur Erreichung der gewünschten Betriebseigenschaften des Motors.

Bei den bekannten Motoren, welche, wie oben erwähnt, Hochdruck- Einspritzung von gasförmigem Gas direkt in die Verbrennungskammer verwenden können oder die Zufuhr von gasförmigem oder flüssigem Gas in die Ansaugluft des Motors verwenden können, ist es eine Bedingung für den Gasbetrieb, daß das Gas rafiniert wurde oder auf eine andere Weise in einer vorherbestimmten und stabilisierten Zusammensetzung mit einem vorhersagbaren Verhalten als Kraftstoff im Dieselmotor erhalten wurde, so daß der tatsächliche Motor in seiner baulichen Ausführung an den speziellen Kraftstoff angepaßt werden kann. Wenn einem der bekannten Motoren, welcher für die Zufuhr von Gas mit einer speziellen Zündempfindlichkeit ausgelegt ist, plötzlich Gas zugeführt wird, welches beträchtlich zündfähiger ist, kann eine Selbstzündung während des Kompressionshubes auftreten mit nachfolgenden schweren Betriebsstörungen des Motors.

Der teilweise Gasbetrieb der bekannten Motoren kann zu einem beträchtlichen Umweltvorteil führen, insofern, daß der Motor weniger Öl verbrennt, welches bei der Verbrennung umweltschädliche Verbindungen bildet, welche bei der Verbrennung von Gas nicht im gleichen Ausmaß auftreten.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor oben genannter Art zu schaffen, bei dem eine wesentlich geringere Emission von umweltschädlichen Verbindungen erreicht wird, als dies bei den bekannten Zweistoffmotoren durch eine Verbrennung von Gas anstelle von Öl erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Dieser enthält einen Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von aus flüchtigen organischen Verbindungen gewonnenem Brennstoff mit einem Einspritzsystem, das zumindest Flüssigkeitsinjektoren zur Hochdruckeinspritzung von komprimiertem, aus den flüchtigen organischen Verbindungen gewonnenem Flüssiggas aufweist.

Diese Maßnahmen ermöglichen in vorteilhafter Weise die Verwendung von unter anderem aus Rohöl abdampfenden, flüchtigen organischen Verbindungen. Auf die Tatsache, dass diese organischen Verbindungen Zündeigenschaften, Heizwert und/oder verdampfte Mengen haben, welche über der Zeit variieren, braucht hier in vorteilhafter Weise keine Rücksicht genommen zu werden.

Seit einigen Jahren wurde erkannt, daß die Verdampfung von flüchtigen organischen Verbindungen (FOV) unter anderem aus Rohöl eine ernste Umweltbelastung darstellt, aber trotz verschiedener Versuche dies zu überwinden und Vereinbarungen zwischen den Regierungen zu ihrer Reduzierung, nimmt die Emission flüchtiger organischer Verbindungen (FOV) ständig zu. Die flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus Rohöl verdampfen, haben keine genau definierte Zusammensetzung, sondern variieren bei Öl, welches aus einem speziellen Ölfeld gewonnen wurde, ziemlich während eines Zeitraumes und variieren auch zwischen Ölen, welche von verschiedenen Feldern gewonnen wurden.

Durch Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen als Hochdruck- Einspritzkraftstoff in einem Verbrennungsmotor des Dieseltyps wird die FOV-Emission an die Atmosphäre vermieden, was zu einem beträchtlichen Nutzen zugunsten der Umwelt führt, und zur gleichen Zeit wird die an und für sich bekannte Wirkung erzielt, daß die Abgase reiner sind, wenn Gas anstelle von Öl verbrannt wird. Es wird auch ein ökonomischer Vorteil erzielt, indem daß gekaufter raffinierter Brennstoff zumindest teilweise durch Gasverbindungen ersetzt wird, welche früher weggeworfen wurden und für welche in den letzten Jahren bezahlt werden mußte, um sie los zu werden. Die Verwendung von FOV als Kraftstoff in einem Motor des Dieseltyps bedeutet jedoch, daß die Verbrennungseigenschaften des Kraftstoffes innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalles variieren können.

Wenn das Rohöl beim Laden in einen Tank hinüberfließt, spritzt das Öl in den Tank hinunter und wird starken Bewegungen und Umwälzungen ausgesetzt, was zur Freisetzung von relativ großen Mengen flüchtiger organischer Verbindungen (FOV) in der Form von verdampften Alkanen einer sehr gemischten Zusammensetzung führt, welche vom Typ des Rohöls abhängt. Diese Alkane enthalten typischerweise relativ große Mengen jeder der Verbindungen Methan, Ethan, Propan und Butan in normalen und verzweigten Verbindungen, sowie einige Mengen höherer Alkane C₅ und C₆₊. Bei der nachfolgenden Lagerung im Tank verdampfen die flüchtigen organischen Verbindungen mit nicht ganz solch einer Spanne bei den Alkanen, da diese Verdampfung hauptsächlich durch die Teildrücke der Bestandteile des Rohöls im Tankraum über dem Öl gesteuert werden. Die Flüssigkeitsphase jeder Komponente sucht daher nach einem Gleichgewicht mit der zugehörigen Dampfphase, aber zur gleichen Zeit neigen die Dämpfe im Tankraum auch dazu, höhere Konzentrationen der schwereren Komponenten nahe der Oberfläche des Rohöls zu erreichen, was die Verdampfung der höheren Alkane verlangsamt. Wenn der Rohöltank sich auf einem Schiff befindet, können die Bewegungen des Schiffes während Schlechtwetterreisen solch ein Spritzen des Rohöls veranlassen, daß die Gase im Tankraum gleichmäßiger verteilt werden, was zu einer höheren Verdampfung der schweren Komponenten führt, als wenn das Schiff unter ruhigeren Bedingungen fährt.

Daher können über einige Tage langsame Variationen in der Alkanzusammensetzung der flüchtigen organischen Verbindungen (FOV) auftreten und über einige Minuten oder Stunden schnelle Variationen, welche radikal die Zündungseigenschaften etc. des Kraftstoffes ändern. Diese Variationen machen die Verwendung des Kraftstoffes als einen vorgemischten Zusatz zur Ansaugluft des Verbrennungsmotors unmöglich. Bei Anwendung der Hochdruck-Einspritzung des Kraftstoffes wird eine vorzeitige Zündung vermieden, und deshalb können die schnell variierenden Kraftstoffeigenschaften nur die Geschwindigkeit beeinflussen, mit welcher der Kraftstoff verbrannt wird.

Es ist auch ein wesentlicher Vorteil, daß der Kraftstoff bei der Einspritzung in die Verbrennungskammer flüssig ist. Zuerst kann das Flüssiggas auf einen Druck komprimiert werden, welcher für die Einspritzung geeignet hoch ist, zum Beispiel im Bereich von 200 bis 1000 bar, bei einem wesentlich geringeren Energieverbrauch als bei der Kompression von gasförmigem Gas. Zweitens macht das Flüssiggas es möglich, während eines kurzen Zeitraumes ein Gasvolumen mit einem großen Energiegehalt einzuspritzen, und der ganze Ablauf der Einspritzung mit Variationen in der Einspritzungsgeschwindigkeit, falls vorhanden, kann mit Mitteln, welche von der Öleinspritzung bekannt sind, gesteuert werden. Drittens kann der Hauptteil des Gesamt­ energiegehaltes der flüchtigen organischen Verbindungen, welche aus dem Rohöl verdampft sind, durch in vorteilhafter Weise einfache und energie­ ökonomische Mittel verflüssigt werden, wie durch Kompression auf einen höheren Druck als die Kondensationsgrenze der gewünschten Alkane und/oder durch Kühlen. Vor der Einspritzung muß das Kondensat dann nur auf den Druck der Einspritzung komprimiert werden.

Die Methan- und Ethan-Komponenten der FOV können in keiner geeigneteren Weise verflüssigt werden. Es ist möglich, die Methan- und Ethangase zeitweise durch Wiedereinführen dieser Gase in das Rohöl zu speichern, aber dies ruft eine erhöhte Verdampfung der FOV zu einer späteren Zeit hervor, so ist dies nur ein Verfahren, welches das Problem verschiebt. Die Methan- und Ethangase können auch zur Atmosphäre entlüftet werden, wie es früher mit allen FOV bewerkstelligt wurde. Unter allen Umständen schließt die Verbrennung der flüssigen C₃₊-Alkane einen beträchtlichen Gewinn im Vergleich zu früheren Zeiten ein.

Bei einer Ausführungsform enthält das Einspritzsystem des Verbrennungsmotors sekundäre Injektoren zur Hochdruck-Einspritzung von gasförmigen Gemischen, welche mindestens teilweise Gas enthalten, welches aus Rohöltanks verdampft ist, sowie auch Inertgas, falls vorhanden, welches als Detonationen verhinderndes Gas in die Rohöltanks gefüllt wurde. Die sekundären Injektoren können die Methan- und Ethangase etc., welche nicht durch Verarbeitung der verdampften FOV verflüssigt wurden, einspritzen. Wenn Rohöltanks geleert werden, ist es normal, dem Tank Inertgas hinzuzufügen, um Gasexplosionen im Tank zu vermeiden. Dieses Inertgas ist eine sauerstoffarme Mischung von Gasen, wie Stickstoff oder Kohlendioxid und bis zu ungefähr 7 Prozent Sauerstoff. Wenn Rohöl in den Tank geladen wird, verdrängt das Öl das Inertgas beim Laden schrittweise, aber gleichzeitig mischen sich die freigesetzten FOV-Gase mit dem Inertgas. Die gasförmigen Mischungen, welche den sekundären Injektoren zugeführt werden, enthalten deshalb während und gleich nach einer Tankbeladung große Mengen Inertgas, welches im Motor nicht verbrannt werden kann. Wenn nur das Verhältnis der brennbaren Gase ausreichend hoch ist, um einen Energiegehalt zu haben, welcher mehr als dem Doppelten der Kompressionsarbeit entspricht, welche erforderlich ist, um die gasförmige Mischung in eine Form umzuwandeln, welche zur Einspritzung geeignet ist, kann es sich bezahlt machen, die gasförmige Mischung in die Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen. Umweltmäßig ist es ein Vorteil, die gasförmigen Mischungen in die Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen, selbst wenn der Energiegehalt der brennbaren Gase nicht die Kompressionsarbeit deckt.

Das Einspritzsystem enthält vorzugsweise Zünd-Injektoren zur Einspritzung zündfähigen Zündkraftstoffes, welcher einen Verbrennungsprozess bei der Einspritzung auslöst. Der Zündkraftstoff kann Öl oder ein anderer sehr leicht zündfähiger Kraftstoff sein. Wenn das komprimierte Flüssiggas eine Qualität hat, welche eine Zündungshilfe unnötig macht, können Zünd-Injektoren bei den Zylindern, welche Flüssigkeits-Injektoren aufweisen, weggelassen werden. Nichtsdestotrotz kann es vorteilhaft sein, mindestens einen Zünd-Injektor an jedem Zylinder anzubringen. Wenn die Produktion flüchtiger organischer Verbindungen (FOV) unzureichend ist, das Gesamtkraftstoffbedürfnis des Motors über einen langen Zeitraum zu decken, kann der Motor in Intervallen nur durch Öl betrieben werden, welches über die Zünd- Injektoren eingespritzt wird.

Bei einer Ausführungsform sind eine Anzahl der Flüssigkeits-Injektoren und der sekundären Injektoren in einer entsprechenden Anzahl von Dual- Kraftstoff-Injektoren kombiniert, welche in der Lage sind, das Flüssiggas und die gasförmigen gashaltigen Mischungen einzuspritzen. Der Dualkraftstoff-Injektor benötigt weniger Raum in der Zylinderdeckel als ein Flüssigkeits-Injektor und ein sekundärer Injektor und ist deshalb leichter zu positionieren, insbesondere wenn der gleiche Zylinder schon mit Injektoren zur Einspritzung von Öl versehen ist.

Die Zuverlässigkeit der Gaseinspritzung kann durch das Einspritzungssystem verbessert werden in Intervallen, in welchen der sekundäre Injektor ausgelöst wird, auch wenn kein gasförmiger Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder eingespritzt werden muß. Die Betätigung kann zum Beispiel mindestens einmal alle zehn Minuten stattfinden, und bei der Betätigung werden die Düsenlöcher von jeglichen Ablagerungen freigeblasen. Wenn bei der Betätigung keine gashaltige Mischung verfügbar ist, kann stattdessen Druckluft oder jedes verfügbare Gas, wie Inertgas, verwendet werden. Das Intervall zwischen jeder Sauberblas- Betätigung braucht nicht zehn Minuten zu sein, sondern kann zwischen einmal pro Motortakt und einmal pro Tag liegen. Das Intervall wird unter Berücksichtigung des verbrannten Kraftstoffes ausgewählt, wenn kein Gas eingespritzt wird. Wenn der Kraftstoff eine starke Bildung von Teilchen und Ruß hervorruft, wird ein kurzes Intervall gewählt.

Wenn der Motor über einen langen Zeitraum mit gasförmigem und Flüssiggas in bestimmten Verhältnissen versorgt wird, ist es möglich, eine Vereinfachung des Einspritzsystems zu erhalten, indem nur einige der Motorzylinder mit sekundären Injektoren versehen werden, während andere der Zylinder mit Flüssigkeits-Injektoren versehen werden, wobei alle der Zylinder wahlweise auch Zünd- und/oder Kraftstofföl-Injektoren aufweisen. Die Vereinfachung liegt in der Tatsache, daß drei verschiedene Arten von Kraftstoff nicht allen Zylindern des Motors zugeführt werden müssen. Wenn zum Beispiel die FOV-Zusammensetzung so ist, daß nur 10-15 Prozent des Heizwertes der flüchtigen organischen Verbindungen von Methan und Ethan stammt, können ein oder zwei der Zylinder des Motors alles gasförmige Gas verbrennen, so daß es keinen Bedarf an Verteilungs- und Einspritzsystemen für gasförmigen Kraftstoff bei den anderen Zylindern gibt.

Der Motor ist vorzugsweise der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks, wie einem Pendeltanker oder einem Rohöl-Transporter, und flüchtige organische Verbindungen, welche von diesen Tanks verdampfen, mit Zündeigenschaften, Heizwerten und/oder verdampften Mengen, welche über die Zeit variieren, stellen einen wesentlichen Anteil des Kraftstoffverbrauchs des Hauptmotors dar. Eine sehr große Menge der FOV, welche heute in die Atmosphäre entlüftet werden, werden beim Laden von Rohöl an Offshore-Gewinnungsorten oder an Küstenölterminals und während der anschließenden Reise zu Raffinerie- oder anderen Abladeorten freigesetzt. Durch Verwendung der FOV als Kraftstoff im Hauptmotor des Schiffes werden die flüchtigen Verbindungen in geeigneter Weise schnell nach ihrer Freisetzung aus dem Rohöl entfernt.

Der Motor kann eine elektronische Steuereinheit haben, welche auf der Basis der Überwachung der laufenden Zylinderdrücke mindestens den Einspritzdruck für das gasförmige Kraftstoffgas steuert. Bei einer ständigen Überwachung des Druckverlaufes eines Zylinders kann die Verbrennung im Zylinder durch die elektronische Steuereinheit analysiert werden, die Energieentwicklung bei der Verbrennung und die Verbrennungsgeschwindigkeit kann bestimmt werden, und auf dieser Basis kann die Steuereinheit Kraftstoffparameter definieren zur Verwendung bei nachfolgenden Einspritzsequenzen. Wenn der Motor mit gasförmigen Gasmischungen, welche aus Rohöltanks aufgefangen wurden, versorgt wird, kann das Gas variierende Mengen Inertgas enthalten. Das nicht-brennbare Inertgas beeinflußt die Verbrennung der brennbaren FOV so, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit höher ist, wenn der Inertgasgehalt höher ist. Um eine homogenere Verbrennung zu erzielen, stellt die Steuereinheit vorzugsweise den Einspritzdruck in einer Abwärtsrichtung ein, wenn der Inertgasgehalt des Gases hoch ist. Dies schafft auch den Vorteil, daß die Kompressionsarbeit für die Hochdruck- Kompression des Gases verringert wird.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Kraftstoffversorgung eines Verbrennungsmotors oben genannter Art zu schaffen, bei dem eine wesentlich geringere Emission umweltschädlicher Verbindungen gewährleistet ist, als dies bei den bekannten Zweistoffmotoren durch eine Verbrennung von Gas anstelle von Öl erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 10 gelöst. Dieser enthält ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors des Dieseltyps mit auf Gas basierendem Brennstoff, wobei als Brennstoff aus flüchtigen organischen Verbindungen, vorzugsweise aus aus Rohöltanks verdampfenden, flüchtigen organischen Verbindungen, bestehendes Gas verwendet wird, das auf einen hohen Druck von mindestens 60 bar komprimiert und dem zumindest Flüssigkeitsinjektoren aufweisenden Einspritzsystem des Verbrennungsmotors zugeführt wird.

Hierdurch wird erreicht, dass die Umwelt von der Entlüftung mindestens eines Teils der FOV verschont wird und gleichzeitig der Motor einen reineren Kraftstoff als Öl verwendet, und der Schiffseigentümer durch Verwendung eines Abfallproduktes als Kraftstoff anstelle von gekauftem Bunkeröl einen ökonomischen Nutzen erzielt.

Bei einer umweltmäßig optimalen weiteren Entwicklung des Verfahrens enthalten die verdampften und komprimierten Verbindungen eine gasförmige und eine flüssige Phase, welche im wesentlichen bei der Zufuhr zum Motor voneinander getrennt sind. Indem die flüssige und gasförmige Phase als Kraftstoff verwendet werden, kann weitgehend die ganze verdampfte Menge der FOV verbrannt werden. Für den Motor ist es wesentlich, daß die zwei Phasen bei der Zufuhr zum Motor gegenseitig getrennt gehalten werden, da ungeeignet große Variationen im Heizwert des Kraftstoffes, welcher zu einer Verbrennung zugeführt wird, auftreten würden, wenn während der Einspritzung von zum Beispiel einer Gasphase ein Tropfen einer Flüssigkeitsphase plötzlich durch den gleichen Injektor käme.

Mit der Absicht, die Ausscheidung von Flüssigkeitsphase in der Gasphase zu vermeiden, wird die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoff und Einspritzsystem des Motors vorzugsweise höher gehalten als die Temperatur der gasförmigen Phase nach der Kompression auf den Druck, bei welchem sie dem Kraftstoffsystem des Motors zugeführt wurde. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoffsystem so gesteuert, daß sie zum Motor hin steigt, so daß jedes Risiko einer Kondensation ausgeschaltet wird. Als eine Alternative dazu kann am Einlaß für die gasförmige Phase zum Kraftstoffsystem des Motors eine Gefrierfalle zur Trennung von Kondensat von der Gasphase sein.

Die flüssigen und die gasförmigen Phasen werden vorzugsweise allen Zylindern des Motors zugeführt, wobei die Injektoren für die Gasphase so bei allen Zylindern in Betrieb gehalten werden, ebenso wie die Zylinder einheitlich gesteuert werden können.

Wenn der Motor der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks ist, aus welchen Verdampfung von flüchtigen organischen Verbindungen stattfindet, wird der Motor vorzugsweise nur in dem Ausmaß mit Kraftstofföl versorgt, wie als Zündungshilfe nötig oder erforderlich ist, da das augenblickliche Kraftstoffbedürfnis des Motors die Zufuhr von Kraftstoffgas zum Motor übersteigt. Dies liefert die optimale Einsparung an gebunkertem Kraftstofföl. Die Steuerung der Zufuhr von Kraftstoffgas zum Motor muß nicht durch das Kraftstoffbedürfnis des Motors oder durch die augenblickliche FOV-Produktion diktiert werden, sondern kann sehr wohl einem Gesamtsteuerziel unterworfen werden, um so weit wie möglich, das umweltfreundliche Kraftstoffgas in den Küstengebieten zu verbrennen, wo es erwünscht ist, umweltschädliche Emissionsprodukte zu vermeiden. Die Zufuhr des gasförmigen und des flüssigen Kraftstoffgases kann auch individuell gesteuert werden, zum Beispiel so, daß das gasförmige Kraftstoffgas dem Motor schrittweise mit seiner Produktion zugeführt wird, um eine Lagerung zu vermeiden, während das flüssige Kraftstoffgas vorläufig, wenn nötig im Schiff gelagert wird und zu den Zeiten zugeführt wird, wenn der Umweltnutzen am größten ist.

Der Motor kann mit einem Wellengenerator in einem Pendeltanker oder in einem Schiff zum Auffangen von Kohlenwasserstoffen aus einem Bohr- oder Produktionsschacht verbunden sein, und in diesem Fall werden mindestens ein Teil der flüchtigen organischen Verbindungen, welche beim Ölladen verdampft sind, vorzugsweise im Motor, welcher den Wellengenerator zur Energieerzeugung für die Antriebseinheiten im dynamischen Positionierungssystem des Tankers oder Schiffes antreibt, verbrannt. Da die größte Menge der FOV beim Laden des Rohöls gebildet wird, ist es besonders vorteilhaft, den Motor mit einem Wellengenerator so einer Dimension zu versehen, daß der Energiebedarf für die Bugpropeller etc., welche bei der dynamischen Positionierung des Schiffes verwendet werden, durch den Wellengenerator gedeckt werden kann, und dann den Hauptmotor während des Beladens durch FOV zu betreiben.

Aus der oben bereits genannten Broschüre des Anmelders "Große Dieselmotoren . . . ." ergibt sich ein Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas, welches auf einen hohen Druck von mindestens 200 bar komprimiert ist, wobei der Motor auf einen Ladungsdruck von mindestens 3 bar absolut vorverdichtet wird und ein volumetrisches Kompressionsverhältnis von mindestens 1 : 14 und einen mittleren Wirkdruck von mindestens 15 bar sowie ein Einspritzsystem aufweist, das zumindest Flüssigkeitsinjektoren enthält, wobei der flüssige Kraftstoff wobei der flüssige Kraftstoff Zündöl ist, und das Gas gasförmiges Naturgas ist, welches vorkomprimiert wurde auf einen Zufuhrdruck von ungefähr 250 bar, bevor es dem Motor zugeführt wird. Das Gas wird bei diesem Druck eingespritzt, nachdem Steueröl den Injektor geöffnet hat. Das verwendete Naturgas besteht hauptsächlich aus Methan.

Der Stand der Technik offenbart auch alte Viertaktmotoren, bei denen verflüssigtes Erdölgas (LPG) als Kraftstoff verwendet wurde; siehe zum Beispiel die oben genannten Veröffentlichungen, wo LPG in der Ansaugluft des Motors verdampft wird. Diese alten Motoren waren relativ klein, Hochgeschwindigkeitsmotoren mit Kompressionsverhältnissen von maximal 1 : 13. Es ist auch bekannt, daß das Bedürfnis nach einer geeignet hohen Methanzahl stark mit dem Kompressionsverhältnis des Motors, seinem Zylinderdurchmesser, seinem mittleren Druck und mit geringeren Geschwindigkeiten ansteigt.

Die Methanzahl ist ein Ausdruck der Zündungseigenschaften des Gases, ungefähr wie die Oktanzahl für Benzin, und ein Gas mit einer Methanzahl von 100 entzündet sich selbst wie reines Methan, während ein Gas mit einer Methanzahl von 0 sich selbst entzündet wie reiner Wasserstoff. Die Zündungseigenschaften sind wichtig, um eine gute Ausnutzung des Heizwertes des Kraftstoffes zu erzielen. Es ist nicht wünschenswert, daß die Zündung eine Detonation ist, da dies zu einem steilen Druckanstieg und einem sehr hohen Verbrennungsdruck führt, was gewöhnlich zu einem Schaden an den Verbrennungskammer-Komponenten führt mit einem Risiko eines kompletten Ausfalls des Motors.

Es ist deshalb normalerweise ein Gas mit einer hohen Methanzahl wünschenswert. Gewöhnliches weitverbreitetes Naturgas hat eine Methanzahl von ungefähr 90, wenn das Gas rein ist, und wenn es mit Kohlendioxid oder Stickstoff gemischt ist, kann die Methanzahl zwischen 90 und 130 variieren, d. h. die Methanzahl kann höher sein, was durch den Motor als eine positive Variation wahrgenommen wird. Das hohe volumetrische Kompressionsverhältnis von mindestens 1 : 14 in Kombination mit den hohen mittleren Wirkdrücken von mindestens 16 bar in den neuereren Dieselmotoren führt zu einer Annahme, daß der Gasbetrieb bei einer vollen Beladung nur bei gasförmigem Naturgas möglich ist, welches eine Methanzahl von mindestens 80 aufweist. Das hohe Kompressionsverhältnis bringt den Nachteil, daß das Naturgas hochdruck-komprimiert werden muß, um in der Lage zu sein, bei einem geeignet hohen Druck in die Verbrennungskammer am Ende des Kompressionshubes eingespritzt zu werden, was einen beträchtlichen Energieverbrauch von ungefähr 5 Prozent der Wellenenergie des Motors für die Gaskompressoren erfordert.

Hiervon ausgehend ist es eine zusätzliche, dem Umweltschutz und der Wirtschaftlichkeit dienende Aufgabe, den Energieverbrauch für die Hochdruck-Kompression des Gases möglichst gering zu halten.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 20 gelöst.

Es ist eine Bedingung für das Einspritzen von Flüssiggas, daß das Gas Propan, Butan und/oder C₅₊-Kohlenwasserstoffe enthält. Reines Propan hat eine Methanzahl von 35, Butan eine Methanzahl von nur 10, und die höheren Kohlenwasserstoffe haben wesentlich niedrigere Methanzahlen. Wenn trotz der Erwartung des Gegenteils es nichtsdestotrotz möglich ist, Flüssiggas mit solch niedrigen Methanzahlen in einer gesteuerten Art und Weise in einem hochkompressions-vorverdichteten Motor zu verbrennen, dann geschieht dies wahrscheinlich aufgrund der Tatsache, daß die Verbrennung des Gases einen gewissen Sauerstoffgehalt erfordert. Das eingespritzte Gas verdampft sofort nach der Einspritzung, aber obwohl die Temperatur in der Verbrennungskammer sehr hoch ist, kann das Gas nicht verbrennen bis es mit der Luft in der Verbrennungskammer in geeigneter Weise vermischt wurde. Der entscheidende Schritt für die Verbrennung ist daher die Vermischung und nicht die Methanzahl selbst, wie bisher angenommen wurde.

Das Flüssiggas kann bei einem sehr kleinen Energieverbrauch auf sehr hohe Drücke komprimiert werden. Die Kompression kann entweder unabhängig von der Einspritzung selbst in Form eines common rail- Systems stattfinden, wo die Injektoren durch Steueröl gesteuert werden, oder die Kompression kann durch Kolbenpumpen auf die gleiche Weise durchgeführt werden, wie es herkömmlicherweise bei Kraftstofföl für Dieselmotoren durchgeführt wurde, nämlich wird der Kolben der Pumpe betätigt und setzt das Flüssiggas unter Druck, wenn die Einspritzung stattfinden soll. Im letzteren Fall wird der Gasinjektor durch den Druckanstieg im Flüssiggas geöffnet, aus welchem Grund Steueröl weggelassen werden kann.

Es werden nun unten Beispiele der Erfindung detaillierter mit Bezug auf die sehr schematische Zeichnung beschrieben, in welcher

Fig. 1 eine Aufzeichnung eines Systems zur Aufnahme von FOV aus Rohöltanks in einem Schiff zeigt,

Fig. 2 eine Aufzeichnung eines Einspritzsystems für Gas und Flüssiggas bzw. Kraftstofföl für einen Verbrennungsmotor eines Öltransporters ist,

Fig. 3 eine Aufzeichnung eines Kraftstoff-Teilsystems für Flüssiggas für einen Verbrennungsmotor ist, und

Fig. 4 eine Aufzeichnung eines Kraftstoff-Teilsystems für gasförmiges Gas für einen Verbrennungs­ motor ist.

Hochdruck-Gaseinspritzmotoren des Dieseltyps und mit Vorverdichtung können Viertaktmotoren des mittleren Geschwindigkeitstyps sein oder große Zweitakt-Kreuzkopfmotoren, welche bei den heutigen Motoren des Typs MC-GI des Anmelders eine Leistung pro Zylinder im Bereich von 250 bis 5800 kW bei Geschwindigkeiten im Bereich von 75 bis 250 U/min. mit einem Hub/Bohrungs-Verhältnis im Bereich von 2,45 bis 4,20 haben können, und mit volumetrischen Kompressionsverhältnissen von zum Beispiel 1 : 14, 1 : 15, 1 : 16, 1 : 17, 1 : 18 oder höher. Volumetrisches Kompressionsverhältnis bedeutet das klassische Kompressionsverhältnis bezogen auf die Volumen über dem Kolben, wenn der letztere sich in seinen oberen oder unteren Totlagen befindet.

Fig. 1 zeigt einen Rohöltank 1 in einem Schiff während der Beladung. Das Schiff kann zum Beispiel ein Rohöl-Transportschiff oder ein Pendeltanker sein. Durch eine Tankverbindung 2 wird Rohöl von einer Festlandshafenanlage oder von einer Offshore-Anlage, wie einer Beladungsboje an einer Produktionsplattform oder an einem schwimmenden Produktionsspeicher-Entladungs-(FPSO)-Schiff zugeführt. Das Schiff kann auch solch ein FPSO-Schiff sein, welches Rohöl von einem Produktionsschacht am Meeresboden aufnimmt.

Wenn der Tank mit Rohöl 3 beladen wird, werden jegliches Inertgas im Tank und flüchtige organische Verbindungen (FOV) 4, welche aus dem Rohöl verdampft sind, durch ein Abzugsrohr 5 herausgedrückt, welches zu einem Kompressor 6 führt, welcher über ein Zwischenrohr 7 mit einem Kühler 8 FOV an einen Kondensator 9 liefert. Das kondensierte Gas wird vom Kondensator abgezogen und durch ein Rohr 10 zu einem isolierten Tank 11 geleitet, in welchem das Flüssiggas, welches typischerweise Propan und höhere Alkane enthält, vorläufig bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von ungefähr -42°C gespeichert werden kann. Wenn das Flüssiggas als Kraftstoff verwendet werden soll, wird es über ein Saugrohr 12 an einen Kompressor 13 geleitet, welcher in Fig. 3 dargestellt ist, welcher das Gas auf einen Zufuhrdruck von typischerweise 400 bar in einem common-rail-system und auf 20 bar komprimiert, wenn die Schlußkompression auf den Einspritzdruck mit Hilfe von Kolbenpumpen bei jedem Zylinder stattfindet.

Vom oberen Ende des Kondensators 9 leitet ein Rohr 14 die nicht­ kondensierten Komponenten, Methan und Ethan, zu einem Mehrstufenkompressor 15, welcher in Fig. 4 dargestellt ist, welcher die gasförmige Gasphase auf einen Einspritzdruck von typischerweise ungefähr 250 bar komprimiert, und von diesem Kompressor verteilt ein common-rail-system das Gas zu den einzelnen Zylindern des Motors.

Während der Beladung des Schiffes ist das Kondensationssystem in ständigem Betrieb, aber während der nachfolgenden Reise ist ein periodischer Betrieb des Systems ausreichend, welcher auf der Basis von Druckmessungen im Tank 1 gesteuert wird, so daß das Kondensationssystem zum Beispiel gestartet wird, wenn die Gase im Tank 1 einen Hochdruck von 0,14 bar aufweisen, und gestoppt wird, wenn die Gase einen Niederdruck von 0,05 bar aufweisen. Im Hinblick auf weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung in der WO 98/33026, welche zur gleichen Zeit eingereicht wurde wie die vorliegende Erfindung, verwiesen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Einspritzsystems für einen einzelnen Motorzylinder, welcher einen sekundären Injektor 16 für die Einspritzung von gasförmigem Gas und einen Flüssigkeits-Injektor 17 für die Einspritzung von Flüssiggas und einen Zünd-Injektor 18 für die Einspritzung von Öl aufweist. Die drei Injektoren können getrennt in jeweiligen Gehäusen in der zugehörigen Zylinderabdeckung befestigt sein. Es ist auch möglich, zwei der Injektoren in einem gemeinsamen Gehäuse in einen sogenannten Dualkraftstoff-Injektor zu integrieren. Obwohl der Zünd-Injektor natürlich einen Teil solch eines Dualkraftstoff-Injektors bilden kann, wird es in den Fällen, wo alle drei Injektortypen bei einem einzigen Zylinder vorgefunden werden, vorgezogen, daß der sekundäre Injektor 16 und der Flüssigkeits-Injektor 17 in den Dualkraftstoff-Injektor integriert werden, wobei die Gase so zum gleichen Injektorgehäuse geleitet werden, was die Einkapselung des gasführenden Systems erleichtert. Dualkraftstoff-Injektoren werden zum Beispiel in den dänischen Patenten 153240 und 155757 des Anmelders detailliert beschrieben, und die Veröffentlichung WO 95/24551 des Anmelders enthält eine detaillierte Beschreibung eines Injektors für gasförmiges Gas.

Einige Injektoren jedes Typs können an dem gleichen Zylinder befestigt werden, um u. a. eine bessere Verteilung des Kraftstoffes im Zylinder zu erhalten.

Die folgende Beschreibung erörtert die Einspritzung von Gas, egal ob es flüssig oder gasförmig ist. Einspritzung bedeutet, daß das Gas entweder eingespritzt und zerstäubt oder eingeblasen wird, und beide Handlungen finden bei einem geeignet hohen Druck im Verhältnis zum vorherrschenden Druck in der Verbrennungskammer statt.

Wenn der betreffende Zylinder Kraftstofföl benötigt, entweder als Zündungshilfe oder weil die Gase nicht alleine den Kraftstoffbedarf decken können, kann das Öl in Intervallen zu der gewünschten Zeit im Motortakt dem Zünd-Injektor 18 von einer Kraftstoffölquelle 19 zugeführt werden, welche verschiedene Ausgestaltungen haben kann. Die Kraftstoffölquelle kann eine gewöhnliche Kraftstoffpumpe sein, welche mit Öl von einem Niederdruck-Zufuhrrohr, welches allen Pumpen gemeinsam ist, versorgt wird, und einen Pumpenkolben hat, welcher durch einen Nocken auf einer Nockenwelle angetrieben wird. Ein Regler, nicht dargestellt, kann den Pumpenkolben in der üblichen Weise zur Einstellung des Ölvolumens, welches von der Pumpe bei einem Hochdruck von bis zu zum Beispiel 800 bar zugeführt wird, drehen. Alternativ kann die Kraftstoffölquelle eine elektronisch betätigte Kraftstoffpumpe sein, welche mit. Öl von einem gemeinsamen Niederdruck-Zufuhrrohr versorgt und im Hinblick auf das Volumen eingestellt wird und im Hinblick auf die Zeit mit Hilfe von Stellsignalen einer elektronischen Steuereinheit gesteuert wird. Eine dritte Möglichkeit ist das sogenannte common-rail-system, wo die Kraftstoffölquelle ein Hochdruckreservoir für Öl enthält, welches mit einer Einlaßöffnung eines elektronisch betätigten Steuerventils verbunden ist, welches ferner mindestens zwei Öffnungen hat, nämlich eine Ausgangsöffnung zu einem Rohr 20, welches zum Öleinlaß des Ventils 18 führt, und eine Öffnung, welche mit einem Abzug verbunden ist. Auf der Basis von Steuersignalen, welche von einer elektronischen Steuereinheit empfangen werden, kann das Steuerventil das Rohr 20 entweder zu der Öleinlaßöffnung oder zu der Abzugsöffnung umschalten.

Wenn die Kraftstoffölquelle 19 die Zufuhr von Hochdrucköl zum Rohr 20 zu dem Zeitpunkt des Motortaktes beginnt, welcher in bezug auf das Timing der Verbrennung gewünscht ist, steigt der Druck schnell über den Öffnungsdruck des Ölventils 18, worauf Öl eingespritzt wird.

Das flüssige Kraftstoffgas wird von einer Kraftstoff-Gasquelle 25 zugeführt, welche auf die gleiche Weise gebildet sein kann, wie die Kraftstoffölquelle 19. Um der Einfachheit willen, wird nur die Ausführungsform des common-rail-typs beschrieben, gemäß welcher die Quelle 25 die Niederdruck-Zufuhr vom Tank 11 und die Hochdruck- Kompression im Kompressor 13 enthält, von wo ein Rohrsystem 26 die Flüssigkeits-Injektoren 17 im Motor parallel miteinander verbindet. Als Antwort auf Steuersignale, welche von einer elektronischen Steuereinheit empfangen werden, kann ein Steuerventil 27 den Kraftstoffeinlaß des Injektors 17 mit dem Hochdruck-Gasrohr 26 oder mit einem Abzug verbinden. Wenn das Steuerventil 27 zur Zufuhr von Flüssiggas zu dem Zeitpunkt des Motortaktes öffnet, welcher in bezug auf das Timing der Verbrennung gewünscht ist, öffnet sich der Flüssigkeits-Injektor 17 zur Einspritzung und Zerstäubung des Gases in der Verbrennungskammer.

Die Einspritzung von gasförmigem Gas durch den Injektor 16 kann nur stattfinden, wenn flüssiger Kraftstoff für die gleiche Verbrennungssequenz zur Auslösung der Verbrennung eingespritzt wurde. Dieser flüssige Kraftstoff kann entweder Kraftstofföl vom Injektor 18 oder Kraftstoffgas vom Injektor 17 sein. Unten ist eine Ausführungsform beschrieben, bei welcher die Verbrennung mit Zündöl ausgelöst wird, aber es sollte verstanden werden, daß der Flüssigkeits-Injektor 17 den Zünd-Injektor 18 im beschriebenen Sicherheitssystem ersetzen kann.

Wenn der Zünd-Injektor 18 öffnet, löst gleichzeitig der Öldruck eine Sicherheitsvorrichtung 21 aus, um eine Anwendung des Steueröldrucks am sekundären Injektor 16 zu ermöglichen. Die Sicherheitsvorrichtung 21 kann zum Beispiel eines bekannten mechanischen Typs sein, mit einem Kolben, welcher eine Abzugsöffnung in einem Steuerölrohr 22 offen hält bis der Kraftstofföldruck den Kolben zum Verschluß der Abzugsöffnung durch Übersteigen des Öffnungsdruckes verschiebt. Die Abzugsöffnung ist durch ein Rohr 23 mit einem Reservoir 24 für Steueröl verbunden. Alternativ kann die Sicherheitsvorrichtung eines elektronischen Typs sein, welcher in einer elektronischen Steuereinheit bestimmt, ob das Kraftstofföl oder das flüssige Kraftstoffgas eingespritzt wird, und diese Information als eine Bedingung zur Auslösung des sekundären Injektors 16 verwendet. In diesem Fall kann die Steuereinheit die Einspritzung auf der Basis eines Drucksensors im Rohr 20 oder durch einen Positionssensor im Ventil 18 zur Erfassung der tatsächlichen Ventilöffnung feststellen.

Bei der dargestellten Ausführungsform kann der sekundäre Injektor 16 in eine offene Position ausgelöst werden durch Anwendung des Steueröldrucks an der Verbindung des Gasventils mit dem Rohr 22. Der Injektor kann ferner eine Verbindung 28 für Dichtöl haben und eine Verbindung 29, welche zu einer Hochdruck-Gasquelle führt. Der Dichtöldruck kann zum Beispiel 40 bar höher sein als der Gasdruck in der Verbindung 29. Alternativ kann der Injektor 16 durch den Steueröldruck geschlossen gehalten werden und durch seine Beseitigung geöffnet werden und beseitigt dadurch das Bedürfnis nach Dichtöl. Dies ist im Detail in WO 95/24551 beschrieben.

Ein elektronisch betätigtes Steuerventil 30 hat eine Eingangsöffnung, welche mit einem Rohr 31 mit Hochdrucköl verbunden ist, welches von einer Pumpe 32 zugeführt wird, welche über ein Rohr 33 vom Reservoir 24 versorgt wird. Das Steuerventil 30 hat ferner mindestens zwei Öffnungen, nämlich eine Auslaßöffnung zum Rohr 22 und eine Abzugsöffnung, welche mit dem Reservoir 24 verbunden ist. Auf der Basis von Steuersignalen, welche von einer elektronischen Steuereinheit 34 empfangen werden, kann das Steuerventil das Rohr 22 entweder mit dem Öldruckrohr 31 oder mit der Abzugsöffnung verbinden. Das Steuerventil kann zum Beispiel ein Magnetventil sein, ein elektronisch gesteuertes hydraulisches Ventil oder ein Magnetventil mit sogenanntem Magnetverschluß, was zu extrem kurzen Schaltzeiten führen kann.

Die elektronische Steuereinheit 34 wird in bekannter Weise mit Information über die gegenwärtige Winkelposition der Motorkurbelwelle versorgt und steuert die drei Injektoren 16-18 zur Einspritzung der am meisten erwünschten Kombination von Kraftstoffen für die in Frage kommende Verbrennung.

Nun wird ein Beispiel des Gassystems in einem Rohöl-Transporter mit einem Antriebsmotor gemäß der Erfindung detaillierter beschrieben mit Bezug auf Fig. 3, welche das System für das Flüssiggas zeigt, und mit Bezug auf Fig. 4 mit dem System für das gasförmige Gas. Die Zeichnung zeigt nur zwei Zylinder 35, aber der Motor hat natürlich mehr. Abblasventile 36, 36' können die Gassysteme des Zylinders von Gas durch ein gemeinsames Abzugsrohr 37 entleeren, falls erforderlich. Ein Entlüftungsventil 38 kann das Zweigrohr 26 entleeren, wenn der Motor nicht mit Flüssiggas während eines Zeitraumes betrieben werden soll. Das gesamte Zufuhrrohr 26 kann von Flüssiggas entleert werden durch Verschließen des Hauptventils 39 und Öffnen der Abzugsventile und eines Zufuhrventils 40, welches mit einer Inertgasquelle 41 verbunden ist. In einer völlig entsprechenden Art und Weise kann ein Entlüftungsventil 38' (Fig. 4) ein Hochdruck-Gasreservoir 42 entleeren, dessen Volumen gasförmiges Gas für zum Beispiel 20 Einspritzsequenzen enthalten kann, und ein Abschaltventil 43 kann die Gaszufuhr schließen, wenn der Druck, der sich bei einer Einspritzung absenkt, so groß ist, daß angenommen werden muß, daß der sekundäre Injektor nicht richtig geschlossen ist nach Beendigung der Einspritzung. Das gesamte Rohr 29 kann mit Inertgas gespült werden durch Schließen eines Hauptventils 44 und Öffnen eines Abschaltventils 45 in einem Abzugsrohr 46 gleichzeitig mit der Öffnung des Ventils 40' zur Inertgasquelle 41.

Die gasführenden Elemente im Motorraum sind durch einen Mantel 47 eingekapselt, welcher mit Belüftungsluft am Auslaß des Abzugsrohres 37 versorgt wird, wie durch den Pfeil 48 gezeigt, wobei mindestens ein Gebläse 49 Luft aus dem Mantel 47 am Durchgang des Zufuhrrohres in den Motorraum absaugt. Gasdetektoren 50 sind an geeigneten Stellen im System zur Überwachung von Gasverlusten angebracht.

Bevor das Flüssiggas in den Motorraum geleitet wird, kann es in einer Einheit 51 auf zum Beispiel 45°C erwärmt werden, um jegliche Eisbildungen innerhalb des Mantels 47 zu vermeiden.

Das gasförmige Gas, welches mit dem Rohr 14 zugeführt wird, wird in dem allgemein mit 15 bezeichneten Kompressor komprimiert, zumindest in einem Niederdruck-Kompressor 15a, welcher das Gas auf ungefähr 25 bar komprimiert, und in einem Hochdruck-Kompressor 15b, welcher das Gas bei einem Druck von zum Beispiel 250 bar an das Rohr 29 liefert, welches in den Motorraum geleitet wurde. Die Antriebsmotoren für den Kompressor sind in einer gasdichten Umhüllung angeordnet, und die letztere und der Kompressorraum werden durch entsprechende Gebläse belüftet.

Der Ausgangsdruck des Hochdruck-Kompressors 15b kann mit der Zusammensetzung der gasförmigen Mischung, welche komprimiert wird, variieren. Der Druck kann niedriger sein, als 175 bar, wenn der Inertgasgehalt hoch ist, und höher, wenn das Gasgemisch hauptsächlich aus brennbarem Gas besteht. Es wurde oben erwähnt, daß der Druck mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit des Motors auf der Basis von Druckmessungen von Verbrennungssequenzen und zugehörige Berechnung der Energieentwicklung bei der Verbrennung, welche durch Vergleich mit der Dauer der Einspritzung ein Maß des Inertgasgehaltes des Gasgemisches liefert, gesteuert werden kann. Daher können bei einer Feedback-Steuerung Daten für eine Verbrennung regelmäßig zur Einstellung des Ausgangsdruckes des Hochdruck-Kompressors für den nachfolgenden Motorbetrieb verwendet werden. Es ist oft so, daß ein Schiff mit Rohöltanks zwischen festgelegten Bestimmungsorten hin- und herfährt und Rohöl einer einheitlichen Qualität in die Rohöltanks lädt. Dies macht es möglich, bei der ersten Beladung aufzuzeichnen, wie der Inertgasgehalt des Gasgemisches während und nach der Tankbeladung variiert. Diese Daten können dann bei nachfolgenden Beladungen als eine empirische Basis zur Einstellung des Ausgangsdruckes des Kompressors bei einer Optimalwertsteuerung verwendet werden.

Wenn der Motor ein Hochkompressions-Dieselmotor ist, kann Flüssiggas auch in Form von LPG oder eines LPG-Gemisches, welches raffiniert, fraktioniert oder in irgendeiner anderen Weise zu einer stabileren Zusammensetzung vorbearbeitet sein kann als Flüssiggas, welches durch die Kondensation von FOV erzeugt wurde, zugeführt werden. Der Hochkompressions-Dieselmotor gemäß der Erfindung kann ein Viertaktmotor sein, welcher zum Beispiel eine maximale Geschwindigkeit von 700 U/min aufweist. Der Motor ist vorzugsweise ein Zweitakt- Kreuzkopf-Motor, welcher eine Zylinderbohrung von mindestens 200 mm, geeigneterweise mindestens 250 mm, und eine Geschwindigkeit von maximal 250 U/min aufweist. Der Motor kann einen mittleren Druck von mindestens 16 bar haben und kann auf mindestens 3 bar absolut bei voller Beladung vorverdichtet sein. Der mittlere Druck kann auch höher sein, wie 17 oder 18 bar, und die Vorverdichtung kann auch höher sein. Als Kraftstoff kann der Motor auch mit komprimiertem Flüssiggas mit Methanzahlen von höchstens 15 versorgt werden, aber kann natürlich auch Kraftstoff mit höherer Methanzahl verwenden.

Es kann günstig sein, den Hochkompressionsmotor mit Hilfe des Dualkraftstoffsystems zu betreiben, welches Flüssiggas und Kraftstofföl entweder separat oder zusammen verwendet. Das Öl kann wahlweise als zündungsunterstützender Zündkraftstoff verwendet werden.

Das Flüssiggas wird bei einem Druck, welcher höher ist als der Druck in der Verbrennungskammer, eingespritzt. Der Einspritzdruck liegt gewöhnlich im Bereich von 200 bis 1200 bar, typischerweise im Bereich von 350 bis 900 bar. Beim Einspritzen wird der Kraftstoff in Wolken von Flüssigkeitströpfchen zerstäubt, welche sofort verdampfen, worauf eine Vermischung mit den anderen Gasen in der Verbrennungskammer stattfindet. Die Einspritzung von Flüssiggas geschieht während einer oder mehrerer Perioden, welche möglicherweise unmittelbar bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt am Ende des Kompressionshubes erreicht, zum Beispiel 6° CA vor dem oberen Totpunkt, beginnen, ansonsten geschieht sie während des Expansionshubes. Das Gas kann verbrennen, wenn es in geeigneter Weise mit der sauerstoffhaltigen Luft vermischt wurde.

Jeder Flüssigkeits-Injektor 17 zur Einspritzung von Flüssiggas ist mit dem zugehörigen Gaszufuhrrohr 26 verbunden, welches von einer geeigneten externen Gasquelle zugeführt wird, welche vom oben genannten Typ auf einem Rohöltransporter sein kann, oder mit einer Dauerhauptleitung verbunden sein kann, wenn der Motor ein stationärer Energieerzeuger ist. Das Rohr 26 leitet das Flüssiggas an den Flüssigkeits-Injektor und wird durch den Mantel 47 eingekapselt. Das Gebläse 49 hält einen Luftstrom im Raum zwischen der inneren Oberfläche des Mantels und der äußeren Oberfläche des Rohres aufrecht. Die Belüftungsluft wurde vorzugsweise mit Hilfe frei verfügbarer Abwärme vorerwärmt bevor sie zwischen den Mantel und das Rohr geleitet wird. Dies kann beispielsweise durch Erwärmen der Luft in einem Wärmeaustauscher mit dem Kühlmittel des Motors bewirkt werden. Die heiße Luft kann dem Mantel in einem Gegenstrom mit dem einströmenden Gas zugeführt werden. Dies kann zum Beispiel durch Anordnen des Lufteinlasses in der Nähe des Motors bewirkt werden, aber dies macht es seinerseits bei zwei Gebläsen notwendig. Das Ergebnis des Erhitzens ist, daß keine Eisbildungen in oder an den Rohren im Falle von undichten Stellen und vollständiger oder teilweiser Entlüftung des Gases an die Atmosphäre auftreten. Bei solch einer Entlüftung wird der Druck zuerst auf Atmosphärendruck entlastet. Dann verdampft das Flüssiggas durch stoßartiges Kochen innerhalb der Rohre, welche so gekühlt werden. Die heiße Gebläseluft wirkt einer völligen Abkühlung des gasführenden Systems entgegen. Die gasführenden Rohre können auch in einer gesteuerten Weise ohne irgendwelche wesentlichen Mengen an Gas, welches in den Rohren kocht, entleert werden, indem das Flüssiggas durch ein anderes Fluid ersetzt wird, welches auf die gasführenden Rohre bei einem geeignet hohen Druck angewendet wird, zum Beispiel Kraftstofföl oder ein Gas, wie Inertgas.

Wenn der Motor ein Schiffsmotor ist, kann das Flüssiggas in einem unter Druck stehenden und/oder gekühlten Tank gespeichert werden.

Claims (23)

1. Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von aus flüchtigen organischen Verbindungen gewonnenem Brennstoff mit einem Einspritzsystem, das zumindest Flüssigkeitsinjektoren (17) zur Hochdruckeinspritzung von komprimiertem, aus den flüchtigen organischen Verbindungen gewonnenem Flüssiggas aufweist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem zumindest Flüssigkeitsinjektoren (17) zur Hochdruckeinspritzung von komprimiertem, aus dem Abdampf von Rohöltanks (1) gewonnenem Flüssiggas aufweist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennnzeichnet, dass das Einspritzsystem sekundäre Injektoren (16) zur Hochdruck-Einspritzung von gasförmigen Gemischen enthält, welche mindestens teilweise Gas enthalten, welches aus Rohöltanks (1) verdampft ist sowie Inertgas, falls vorhanden, welches als ein Detonation-verhinderndes Gas in die Rohöltanks gefüllt wurde.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem Zünd- Injektoren (18) zur Einspritzung von zündfähigem Zündkraftstoff enthält, welcher bei der Einspritzung einen Verbrennungsprozess auslöst.

5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Flüssigkeits- Injektoren (17) und der sekundären Injektoren (16) in einer entsprechenden Anzahl von Dualkraftstoff-Injektoren kombiniert sind, welche in der Lage sind, das Flüssiggas und die gasförmigen gashaltigen Gemische einzuspritzen.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem den sekundären Injektor (16) in Intervallen auslöst, auch wenn kein gasförmiger Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder (35) eingespritzt werden soll.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nur einige der Motorzylinder (35) mit sekundären Injektoren (16) versehen sind, während andere der Zylinder (35) mit Flüssigkeits-Injektoren (17) versehen sind, wobei alle Zylinder auch wahlweise Zünd- und/oder Kraftstofföl-Injektoren (18) aufweisen.

8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Motor der Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks (1) ist, wie eines Pendeltankers oder ein Rohöltransporter, und dass flüchtige organische Verbindungen, welche aus diesen Tanks verdampft sind, mit Zündungseigenschaften, Heizwerten und/oder verdampften Mengen, welche über die Zeit variieren, einen wesentlichen Anteil des Kraftstoffverbrauches des Hauptmotors darstellen.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das der Motor eine elektronische Steuereinheit (34) aufweist, welche auf der Basis der Überwachung der gegenwärtigen Zylinderdrücke mindestens den Einspritzdruck für das gasförmige Kraftstoffgas steuert, vorzugsweise so, dass der Einspritzdruck niedriger ist, wenn der Inertgasgehalt des Gases höher ist.

10. Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors des Dieseltyps mit auf Gas basierendem Brennstoff, wobei als Brennstoff aus flüchtigen organischen Verbindungen bestehendes Gas verwendet wird, das auf einen hohen Druck von mindestens 60 bar komprimiert und dem zumindest Flüssigkeitsinjektoren (17) aufweisenden Einspritzsystem des Verbrennungsmotors zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff aus flüchtigen organischen Verbindungen, die aus Rohöltanks verdampfen, bestehendes Gas verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die verdampften und komprimierten Verbindungen eine gasförmige und eine flüssige Phase enthalten, welche bei der Zufuhr zum Motor im wesentlichen voneinander getrennt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzdruck der gasförmigen Phase so gesteuert wird, dass der Einspritzdruck verringert wird, wenn der Inertgasgehalt in der gasförmigen Phase ansteigt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoff und Einspritzsystem des Motors höher gehalten wird als die Temperatur der gasförmigen Phase nach der Kompression auf den Druck, bei welchem sie dem Kraftstoffsystem des Motors zugeführt wurde.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der gasförmigen Phase im Kraftstoffsystem so gesteuert wird, dass sie zum Motor hin steigt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigen und gasförmigen Phasen allen Zylindern (35) des Motors zugeführt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase einigen der Motorzylinder (35) zugeführt wird, während die gasförmige Phase den anderen der Motorzylinder (35) zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Hauptmotor eines Schiffes mit Rohöltanks (1) ist, aus welchen Verdampfung der flüchtigen organischen Verbindungen auftritt, und dass der Motor nur mit Kraftstofföl in dem Ausmaß versorgt wird, wie als Zündungshilfe nötig ist oder wie erforderlich ist, weil der gegenwärtige Kraftstoffbedarf des Motors die Zufuhr von Kraftstoffgas zum Motor übersteigt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Wellengenerator in einem Pendeltanker oder in einem Schiff zur Aufnahme von Kohlenwasserstoffen aus einem Bohr- oder Produktionsschacht verbunden ist, und dass mindestens ein Teil der flüchtigen organischen Verbindungen, welche bei der Ölbeladung verdampft sind, im Motor verbrannt werden und den Wellengenerator zur Energieerzeugung für die Antriebseinheiten im dynamischen Positionierungssystem des Tankers oder Schiffes antreiben.

20. Verbrennungsmotor des Dieseltyps zur Verbrennung von Gas, welches auf einen hohen Druck von mindestens 200 bar komprimiert ist, wobei der Motor auf einen Ladungsdruck von mindestens 3 bar absolut vorverdichtet wird und ein volumetrisches Kompressionsverhältnis von mindestens 1 : 14 und einen mittleren Wirkdruck von mindestens 15 bar sowie ein Einspritzsystem aufweist, das zumindest Flüssigkeitsinjektoren (17) zur Hochdruckeinspritzung des komprimierten Gases als Flüssiggas enthält.

21. Verbrennungsmotor nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Motor welcher vorzugsweise ein Zweitakt- Kreuzkopf-Motor ist, eine Zylinderbohrung von mindestens 200 mm und eine Geschwindigkeit von höchstens 700 U/min, geeigneterweise eine Zylinderbohrung von mindestens 250 mm und eine Geschwindigkeit von höchstens 250 U/min. aufweist.

22. Verbrennungsmotor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Flüssiggas eine Methanzahl von maximal 15 hat.

23. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flüssigkeits-Injektor zur Einspritzung von Flüssiggas mit einem Gaszufuhrrohr verbunden ist, welches das Flüssiggas von einer externen Gasquelle zum Flüssigkeits-Injektor leitet, dass das Gaszufuhrrohr durch einen Mantel eingekapselt ist, dass ein Gebläse einen Luftstrom in dem Raum zwischen der inneren Oberfläche des Mantels und der äußeren Oberfläche des Rohres aufrechterhält, und dass die Gebläseluft vorerwärmt wird.