[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb, von Hubkolbenbrennkraftmaschinen gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 6.
[0002] Durch das Einspritzen von Wasser nach dem Verdichter steigt der Ladedruck und damit auch der im Zylinder bei Verbrennung des Kraftstoffs entstehende Spitzendruck an. Steigert man die Wassermenge so weit, bis die Luft gesättigt ist, beträgt der Ladedruckanstieg mehrere 100 mbar. Dies ist in der Teillast kein Problem, bei Volllast kann das jedoch in der Regel nicht hingenommen werden, da je nach den Reserven der betreffenden Hubkolbenbrennmaschine zum einen diese Maschine und zum anderen der Turbolader die resultierenden hohen Drücke nicht verkraften.
[0003] Der Ladedruck kann generell durch andere Auslegung des Turboladers abgesenkt werden, so dass auf diese Weise bei Volllast keine zu hohen Drücke auftreten. Dies ist speziell bei Schiffsmotoren kein gangbarer Weg, da dadurch auch bei Teillast der Ladedruck zu niedrig ist, was zu einer erhöhten Russemission führt. Ausserdem besteht die Gefahr zu hoher thermischer Belastung der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das eine zu hohe Belastung der Hubkolbenbrennkraftmaschine und des Abgasturboladers im oberen Lastbereich vermeidet. Weiterhin werden zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen geschaffen.
[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im oberen Lastbereich zur Reduzierung des Spitzendrucks der Ladedruck um einen bestimmten Betrag abgesenkt wird.
[0006] Nach einer Ausführung der Erfindung wird im oberen Lastbereich die Wasserzufuhr verringert. Durch diese Verringerung der Wasserzufuhr wird ein verminderter Ladedruck erreicht.
[0007] Gemäss einer anderen Ausführung der Erfindung wird im oberen Lastbereich ein Teil der Ladeluft abgeblasen. Auch hierdurch wird eine Verminderung des Ladedrucks erreicht.
[0008] Gemäss einer weiteren Ausführung der Erfindung wird im oberen Lastbereich ein Teil des Abgases vor dem Abgasturbolader abgeblasen. Hierdurch wird die Leistung der Turbine des Abgasturboladers und damit auch die Leistung des Verdichters vermindert, so dass auch hierdurch der Ladedruck abgesenkt wird.
[0009] Gemäss einer Ausführung der Erfindung wird bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen einstellbaren Einlassdüsenring aufweist, im oberen Lastbereich der Einlassdüsenring geöffnet. Auch hierdurch wird die Leistung der Turbine des Abgasladers und damit auch die Leistung des Verdichters vermindert.
[0010] Alternativ kann der Beginn der Kraftstoffeinspritzung bzw. der Zündung des Kraftstoffluftgemisches in Relation zum üblichen Betrieb später gelegt werden. Auch hierdurch lässt sich der Spitzendruck absenken.
[0011] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den zusätzlichen abhängigen Ansprüchen und einer Beschreibung verschiedener Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Diese zeigt schematisch eine Mehrzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit verschiedenen Eingriffsmöglichkeiten zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
[0012] Die dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine weist mehrere Zylinder 1 auf, die ihr Abgas in die Abgasleitung 2 ausstossen. Diese führt das Abgas zur Turbine 3 des Turboladers. Die Turbine 3 weist einen durch den Pfeil 4 schematisch angedeuteten einstellbaren Einlassdüsenring auf. Der mit der Turbine 3 gekuppelte Verdichter 5 saugt Luft an und drückt sie über eine Verbindungsleitung 6 in den Ladeluftkühler 7. Von dort gelangt sie über die Ladeluftleitung 8 zu den Zylindern 1.
[0013] Durch Öffnen des Einlassdüsenringes gibt das Abgas weniger Leistung an die Turbine 3 ab, so dass auch der Verdichter 5 weniger Luft fördert. Dadurch sinkt der Ladeluftdruck und damit auch der Spitzendruck in den Zylindern 1.
[0014] Das Wasser wird der vom Verdichter 5 kommenden Luft mittels einer Pumpe 9 und einer Düse 10 oder mehreren Düsen der Verbindungsleitung 6 zugeführt. Alternativ kann das Wasser auch in den Ladeluftkühler 7 eingesprüht werden. Wie durch den Pfeil 11 angedeutet ist, kann die Förderpumpe 9 derart regelbar sein, dass sie variable Fördermengen liefert. Durch Zurücknahme der geförderten Wassermenge steigt der Ladedruck und damit auch der Spitzendruck weniger an.
[0015] Eine weitere Ausführung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass zwischen dem Ladeluftkühler 7 und dem ersten Zylinder 1 eine ein regelbares Absperrorgan 12 aufnehmende Abblasleitung 13 vorgesehen ist. Durch das Abblasen von Luft kann ebenfalls der Ladeluftdruck und damit der Spitzendruck abgesenkt werden. Die Abblasleitung kann auch zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmetauscher 7 angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass, wenn die Abblasleitung zwischen dem Verdichter 5 und der Wasserzuführung angeordnet ist, dann nur Luft abgeblasen wird. Dadurch wird der Wasserverbrauch geringer.
[0016] Eine weitere Verringerung des Ladedrucks kann dadurch erreicht werden, dass von der Abgasleitung 2 zwischen dem letzten Zylinder 1 und der Turbine 3 eine Abblasleitung 14, die ein regelbares Absperrorgan 15 aufnimmt, abzweigt. Auch durch Abblasen von Abgas wird dieselbe Wirkung erreicht wie durch den regelbaren Einlassdüsenring der Turbine 3, nämlich eine Verringerung des Ladedrucks.
[0017] Die Absperrorgane können als Ventile oder Klappen ausgeführt sein.
[0018] Die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird über eine oder mehrere Einspritzpumpen 16 und nachgeschaltete Einspritzdüsen 17, von denen nur eine am obersten Zylinder 1 dargestellt ist, mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzpumpen 16 oder die Einspritzdüsen 17 sind so ausgeführt, dass sie es ermöglichen, den Einspritzbeginn im Betrieb zu variieren. Die Variationsmöglichkeit der Einspritzpumpe 16 ist durch den Pfeil 18 angedeutet. Durch eine verzögerte Einspritzung wird ein späterer Zündbeginn und damit eine Verminderung des Spitzendruckes erreicht. Wenn es sich um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung handelt, so kann das Zündsystem so ausgeführt werden, dass der Zündzeitpunkt im Betrieb variiert wird. Mit diesen Massnahmen kann der Spitzendruck auch bei konstantem Ladedruck reduziert werden.
[0019] Wenngleich eines der vorstehend beschriebenen Verfahren zur Reduzierung des Spitzendruckes ausreichen kann, so besteht darüber hinaus doch auch die Möglichkeit, im Rahmen der Patentansprüche zwei oder mehrere der vorstehend beschriebenen Verfahren zur Senkung des Spitzendrucks miteinander zu kombinieren.
The invention relates to methods of operation of reciprocating internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim. 6
By injecting water after the compressor, the boost pressure and thus also increases in the cylinder resulting in combustion of the fuel peak pressure. Increasing the amount of water until the air is saturated, the boost pressure is several 100 mbar. This is not a problem in the partial load, but at full load that can not be tolerated, since depending on the reserves of the reciprocating combustion engine concerned on the one hand this machine and on the other hand, the turbocharger not cope with the resulting high pressures.
The boost pressure can generally be lowered by other design of the turbocharger, so that no excessive pressures occur in this way at full load. This is not a viable option, especially with marine engines, because it means that the boost pressure is too low even at partial load, which leads to increased soot emissions. In addition, there is a risk of high thermal load of reciprocating internal combustion engine.
The invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which avoids excessive load on the reciprocating internal combustion engine and the exhaust gas turbocharger in the upper load range. Furthermore, suitable devices are provided for carrying out the method.
The object is achieved by the fact that in the upper load range to reduce the peak pressure of the boost pressure is lowered by a certain amount.
According to one embodiment of the invention, the water supply is reduced in the upper load range. By reducing the supply of water, a reduced charge pressure is achieved.
According to another embodiment of the invention, a portion of the charge air is blown off in the upper load range. This also achieves a reduction of the boost pressure.
According to a further embodiment of the invention, a portion of the exhaust gas is blown off in front of the exhaust gas turbocharger in the upper load range. As a result, the power of the turbine of the exhaust gas turbocharger and thus also the power of the compressor is reduced, so that thereby the boost pressure is lowered.
According to one embodiment of the invention is opened in a reciprocating internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger having an adjustable inlet nozzle ring, in the upper load range of the inlet nozzle ring. This also reduces the performance of the turbocharger of the exhaust gas charger and thus also the performance of the compressor.
Alternatively, the beginning of the fuel injection or the ignition of the fuel-air mixture in relation to the usual operation can be set later. This also reduces the peak pressure.
Further features of the invention will become apparent from the additional dependent claims and a description of various embodiments with reference to the drawing. This shows schematically a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine with various intervention options for carrying out the inventive method.
The reciprocating internal combustion engine shown has a plurality of cylinders 1, which emit their exhaust gas into the exhaust pipe 2. This leads the exhaust gas to the turbine 3 of the turbocharger. The turbine 3 has an adjustable inlet nozzle ring schematically indicated by the arrow 4. The compressor 5 coupled to the turbine 3 sucks in air and presses it via a connecting line 6 into the intercooler 7. From there it passes via the charge air line 8 to the cylinders 1.
By opening the inlet nozzle ring, the exhaust gas gives less power to the turbine 3, so that the compressor 5 promotes less air. As a result, the charge air pressure and thus also the peak pressure in the cylinders 1 drops.
The water is supplied to the coming of the compressor 5 air by means of a pump 9 and a nozzle 10 or more nozzles of the connecting line 6. Alternatively, the water can also be sprayed into the intercooler 7. As indicated by the arrow 11, the feed pump 9 can be regulated so that it delivers variable flow rates. By reducing the amount of water delivered, the boost pressure and thus also the peak pressure increases less.
A further embodiment for carrying out the inventive method is that between the charge air cooler 7 and the first cylinder 1, a controllable obturator 12 receiving exhaust line 13 is provided. By blowing off air, the charge air pressure and thus the peak pressure can also be lowered. The discharge line can also be arranged between the compressor 5 and the heat exchanger 7. This has the advantage that when the discharge line between the compressor 5 and the water supply is arranged, then only air is blown off. This will reduce the water consumption.
A further reduction of the boost pressure can be achieved, that branches off from the exhaust pipe 2 between the last cylinder 1 and the turbine 3, a discharge line 14 which receives a controllable obturator 15. Also by blowing off exhaust gas, the same effect is achieved as through the controllable inlet nozzle ring of the turbine 3, namely a reduction of the boost pressure.
The shut-off devices can be designed as valves or flaps.
The reciprocating internal combustion engine is supplied with fuel via one or more injection pumps 16 and downstream injection nozzles 17, of which only one is shown on the topmost cylinder 1. The injection pumps 16 or the injection nozzles 17 are designed so that they make it possible to vary the start of injection during operation. The possibility of variation of the injection pump 16 is indicated by the arrow 18. Due to a delayed injection, a later start of ignition and thus a reduction of the peak pressure is achieved. If it is a spark-ignition internal combustion engine, the ignition system may be designed to vary the ignition timing during operation. With these measures, the peak pressure can be reduced even with constant boost pressure.
Although one of the above-described methods for reducing the peak pressure may be sufficient, there is moreover the possibility of combining two or more of the methods described above for reducing the peak pressure within the scope of the patent claims.