DE10045280C1 - Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Für eine schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine mit Hochdruck-Speicher-Einspritzung wird eine Montage des rohrförmigen Kraftstoffspeichers in einem der mittleren Temperatur des aufgeheizten Schweröles entsprechenden Ausdehnungszustand vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine schwerölbetriebene Großkolben- Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1.

Für mit Hochdruck-Speicher-Einspritzung arbeitende Brennkraft­ maschinen mit einem gemeinsamen, in Längsrichtung eine Zylin­ derreihe einer Brennkraftmaschine überspannenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher und von diesem ausgehend versorgten, auf die jeweiligen Zylinder einspritzenden Einspritzdüsen ist es aus der JP 11351095 AA bekannt, den rohrförmigen Kraftstoffspeicher im Bereich seiner Verbindungen zu den Einspritzdüsen besonders auszusteifen, um negative Auswirkungen unterschiedlicher ther­ mischer und/oder druckabhängiger Lage- bzw. Längenänderungen zwischen dem Kraftstoffspeicher und der Brennkraftmaschine auf die Dichtheit der Anschlussverbindungen zu den Einspritzdüsen zu vermeiden. In Verbindung mit dieser Aussteifung ist zur Auf­ nahme der diesbezüglichen Kräfte jeweils eine abstützende Ver­ schraubung des Kraftstoffspeichers gegen die Brennkraftmaschine im Bereich der Verbindung zu den Einspritzdüsen vorgesehen, wo­ bei eine solche Verschraubung der Abstützung einen erheblichen Aufwand bedeutet und in ihrer Wirkung in Bezug auf die Größe der abzufangenden Kräfte auch beschränkt ist.

Ferner ist es zum Ausgleich unterschiedlicher Lage- bzw. Längen­ änderungen zwischen rohrförmigem Kraftstoffspeicher und Brenn­ kraftmaschine und deren Auswirkungen auf die Dichtheit der Ver­ bindung des Kraftstoffspeichers zu den Einspritzdüsen aus der JP 00120504 AA bekannt, den Kraftstoffspeicher in mehrere, ela­ stisch miteinander verbundene Längenbereiche zu unterteilen, um durch die Aufteilung der Gesamtlänge auf die einzelnen Längenbereiche die für diese Bereiche sich ergebenden Lage- bzw. Län­ genänderungen in beherrschbaren Grenzen zu halten. Auch diese Lösung ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden und in Anbe­ tracht der hohen zu beherrschenden Drücke insbesondere bezüg­ lich der elastischen Verbindung der Längenbereiche kritisch.

Großkolben-Brennkraftmaschinen finden insbesondere für Schiffs­ antriebe Verwendung, wobei als Brennstoff häufig Schweröl ein­ gesetzt wird. Dieses weist im Vergleich zu Dieselöl eine sehr zähe Konsistenz auf und muß verhältnismäßig hoch erhitzt wer­ den, um für die Verarbeitung in Einspritzanlagen hinreichend dünnflüssig zur Verfügung zu stehen.

Als Einspritzanlagen kommen auch für Großkolben-Brennkraft­ maschinen die im Prinzip bekannten Einspritzsysteme in Frage, wobei sich allerdings, verglichen mit Fahrzeugmotoren und deren Einspritzsystemen, völlig andere Größenverhältnisse ergeben, da Großkolben-Brennkraftmaschinen mit Leistungen bis in die Grö­ ßenordnung von 40000 KW und auch erheblichen Zylinderzahlen Baulängen bis in die Größenordnung von 10 m erreichen.

Hieraus resultieren bislang Einschränkungen im Hinblick auf die Verwendung von Hochdruck-Speicher-Einspritzsystemen, obwohl diese wegen der zum Einsatz kommenden, außerordentlich hohen Arbeitsdrücke bis in die Größenordnung von 2000 bar durchaus vorteilhaft sein könnten.

Durch die Erfindung soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, solche Hochdruck-Speicher-Einspritzsysteme in einer wirtschaft­ lich besonders interessanten Bauform für schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschinen in Anwendung zu bringen.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, demzu­ folge die in Reihe angeordneten Zylinder über Einspritzdüsen versorgt werden sollen, die jeweils an einen gemeinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher angeschlossen sind, dessen Einsatz dadurch ermöglicht wird, dass er gegenüber der Brennkraftmaschine in einem thermisch mittleren Ausdehnungszustand befestigt wird, der, bezogen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine zwischen Anfahren und Volllast, einer mittleren Temperatur des Schweröles entspricht.

Großkolben-Brennkraftmaschinen mit Längen bis in die Größenord­ nung von 10 m bedingen bei Verwendung eines für eine Zylinder­ reihe gemeinsamen, rohrförmigen Kraftstoffspeichers für diesen entsprechende Baulängen. Ungeachtet dessen müssen die An­ schlussmaße für die aus dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher ge­ speisten, auf die Zylinder einspritzenden Einspritzdüsen sehr genau eingehalten werden, da die zu beherrschenden hohen Drücke sehr starre Leitungsverbindungen und entsprechende Verschrau­ bungen bedingen. Sind schon derartige Toleranzen bei einstücki­ gen oder auch segmentiert aufgebauten rohrförmigen Kraft­ stoffspeichern nur schwer einzuhalten, so ergibt sich noch eine wesentliche Verschärfung dieser Problematik durch die gegebenen Temperaturverhältnisse. Ausgehend von einer etwa Raumtemperatur entsprechenden Umgebungstemperatur bei nicht betriebener Brenn­ kraftmaschine und einer Aufheiztemperatur des Schweröles bis in die Größenordnung von 150° und mehr ergeben sich für den Rohr­ speicher entsprechende Temperaturschwankungen mit entsprechen­ den Längenveränderungen. Solche sind aber nur in geringem Um­ fang zulässig und zu beherrschen, und dies sowohl unter Monta­ gegesichtspunkten wie auch im Hinblick auf damit verbundene Be­ lastungen für zur Brennkraftmaschine führende Anschlüsse, da die bezüglich des Gehäuses der Brennkraftmaschine auftretenden Temperaturunterschiede deutlich geringer sind und diesbezügli­ che mittlere Temperaturen allenfalls bei 80 bis 90° liegen.

Diesen der Anwendung eines gemeinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, rohrförmigen Kraftstoffspeichers auf Großkolben-Brennkraftmaschinen an sich entgegenstehenden Gesichtspunkten wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung Rechnung getragen. Durch Rückgriff auf einen mittleren Ausdeh­ nungszustand des rohrförmigen Kraftstoffspeichers lassen sich die temperaturbedingten Schwankungen bezüglich dessen Länge in einem beherrschbaren Rahmen halten.

In besonderem Maße gilt dies, wenn der rohrförmige Kraft­ stoffspeicher seinerseits in seinem längsmittleren Bereich ge­ gen die Brennkraftmaschine fixiert wird, so dass ausgehend von der eine Einspannstelle bildenden Befestigung jeweils nur die halbe Rohrlänge zu berücksichtigen ist, die abzufangenden Tole­ ranzen der Längenausdehnung also nochmals halbiert werden. Er­ gänzt wird diese Art der Einspannung im längsmittleren Bereich zweckmäßigerweise durch seitlich hierzu liegende Abstützungen, die den rohrförmigen Kraftstoffspeicher zumindest unterfangen oder insgesamt gleitend führen, so dass mit der Art der Anbin­ dung gegenüber der Brennkraftmaschine keine unzulässigen Biege­ momente verbunden sind und auch ein vibrationsbedingtes Auf­ schwingen zu vermeiden ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer schwerölbetriebenen Großkolben-Brennkraftmaschine ist auch verfahrensmäßig gut be­ herrschbar, wobei es zweckmäßig ist, wenn der rohrförmige Kraftstoffspeicher - im Rahmen des Aufbaus der Brennkraftma­ schine - bei Umgebungstemperatur, etwa Raumtemperatur vormon­ tiert wird und nach erfolgter Wärmebeaufschlagung bis auf eine seiner mittleren Dehnlänge entsprechende Temperatur, also eine seinem mittleren Ausdehnungszustand entsprechende Temperatur, endmontiert wird.

Hierfür kann auf einen entsprechenden flüssigen Wärmeträger, bevorzugt entsprechend aufgeheiztes Schweröl zurückgegriffen werden, das für diesen Montageprozess beispielsweise im Kreis­ lauf durch den rohrförmigen Kraftstoffspeicher bei entsprechen­ der Temperatur durchgeleitet wird, so dass auf gebräuchliche und vorhandene Materialien und Hilfsmittel zurückgegriffen wer­ den kann. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung, womit sich eine besonders einfache Lösung ergibt, auch möglich, die Endfixierung in der Probelaufphase vorzunehmen, wenn man davon ausgeht, das aufgrund der im längsmittleren Bereich liegenden Einspann- bzw. Befestigungsstelle diesbezüglich im Regelfall ein Nachstellvorgang kaum nötig sein wird.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend an­ hand eines stark schematisierten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines rohrförmigen Kraftstoffspeichers mit Anschlüssen für Einspritzdü­ sen und beispielsweise Anordnung von zugeordneten Druckpumpen, wobei eine längsmittige axial und radial Abstützung angedeutet ist, und

Fig. 2 eine der Fig. 1 weitgehend entsprechende Darstellung im Schnitt, wobei sowohl in Fig. 1 wie auch in Fig. 2 die weitere Verbindung zur Brennkraftmaschine eben­ sowenig veranschaulicht ist wie die Brennkraftmaschi­ ne selbst, deren Zylinderreihe von dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher in Längsrichtung überspannt wird und auf deren den Zylindern zugeordnete Brennräume die Einspritzdüsen einspritzen.

In Fig. 1 ist im Umriss eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, die als schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine ausge­ staltet ist, welche mit Brennstoffeinspritzung arbeitet und hierfür ein Hochdruck-Speicher-Einspritzsystem aufweist, das einen sich über die Länge der Zylinderreihe erstreckenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher 3 umfasst. Speicherdruck- Systeme dieser Art sind auch als Common-Rail-Systeme bekannt.

Großkolben-Brennkraftmaschinen der vorbesprochenen Art weisen beachtliche Abmessungen auf. Eine Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1, die entsprechend den angedeuteten sieben Einspritzdüsen 2 sieben Zylinder aufweist, erreichen eine Baulänge von 5 und mehr Metern. Entsprechend ist die Länge des rohrförmigen Kraft­ stoffspeichers 3, der in starrer Verrohrung 4 mit den Ein­ spritzdüsen 2 verbunden ist.

In Fig. 1 und 2 ist desweiteren angedeutet, dass dem rohr­ förmigen Kraftstoffspeicher 3 auch unmittelbar Pumpen 5 zuge­ ordnet sein können, über die die Brennstoffzuführung auf den Kraftstoffspeicher 3 erfolgt. Die Anordnung der Pumpen 5 ist nur beispielsweise, und es kann abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine anderweitige Druckversorgung stattfinden.

Für den hier vorgesehenen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Schweröl ist davon auszugehen, dass dieses auf Temperaturen von 150° und mehr aufgeheizt werden muß, um die für den Einspritz­ betrieb erforderliche Dünnflüssigkeit zu erreichen. Entspre­ chende Temperaturen stellen sich an den mit dem aufgeheizten Schweröl in Berührung kommenden Teilen, so insbesondere auch am Kraftstoffspeicher im Verlauf des Betriebes ein und liegen da­ mit erheblich über den Temperaturen, die bei nicht in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine gegeben sind und die, wie auch bei der Montage der Brennkraftmaschine, in der Größenordnung üblicher Raumtemperaturen, also im Bereich um etwa 20° liegen. Die Brennkraftmaschine 1 selbst erreicht mittlere Gehäusetempe­ raturen in der Größenordnung um etwa 80°.

Der rohrförmige Kraftstoffspeicher 3 ist damit erheblichen Tem­ peraturschwankungen ausgesetzt, mit der Folge, dass sich mit steigender Temperatur entsprechend der jeweils gegebenen, be­ achtlichen Länge auch entsprechende Wärmedehnungen ergeben, die durchaus den Zentimeterbereich erreichen können und die bezüg­ lich der Anschlüsse der Verrohrungen 4 sowie auch sonstiger An­ schlüsse entsprechende Bewegungstoleranzen bedingen, ungeachtet dessen, dass entsprechend den zu beherrschenden, sehr hohen Drücken bis hin zu 2000 bar sowohl der rohrförmige Kraft­ stoffspeicher 3 wie auch die Verrohrungen 4 und sonstigen An­ schlüsse und Leitungen massiv ausgebildet sein müssen und, bei­ spielsweise in der Montagephase, kaum die Möglichkeiten bieten, entsprechende Anpassungen vorzunehmen.

Um die durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen bedingten To­ leranzen so klein wie möglich halten zu können, erfolgt die Montage des rohrförmigen Kraftstoffspeichers 3 bei einem bezo­ gen auf den abzudeckenden Temperaturbereich mittleren Ausdeh­ nungszustand, d. h. bei einer Temperatur, die bezogen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine zwischen Anfahren und Volllast der mittleren Temperatur des Schweröles entspricht, also bei einer Temperatur des Kraftstoffspeichers 3 in der Grö­ ßenordnung von etwa 80 bis 100°C. Die Aufheizung auf eine in dieser Größenordnung liegende Temperatur ist beispielsweise da­ durch möglich, dass eine entsprechend aufgeheizte Flüssigkeit, so beispielsweise Schweröl als Spül- und Wärmeträger durch den Kraftstoffspeicher 3 geleitet wird. In diesem aufgeheizten und somit mittleren Ausdehnungszustand erfolgt die Fixierung des Kraftstoffspeichers 3 gegenüber der Brennkraftmaschine 1, wobei Ausgangspunkt für eine solche Fixierung als Endmontage eine Verbindung des Kraftstoffspeichers 3 mit der Brennkraftmaschine 1 im Rahmen einer Vormontage ist, die in der Aufheizphase ent­ sprechende Dehnungen zulässt.

Um die bezogen auf die Gesamtlänge des rohrförmigen Kraft­ stoffspeichers 3 temperaturbedingten Dehnungen in ihrer Auswir­ kung möglichst klein zu halten, erfolgt die Fixierung des Kraftstoffspeichers 3 gegenüber der Brennkraftmaschine 1 im längsmittleren Bereich des Kraftstoffspeichers, wie in Fig. 1 und 2 schematisiert bei 6 angedeutet, wobei im Hinblick auf eine symmetrische Fixierung im Ausführungsbeispiel eine Abstüt­ zung zu beiden Seiten des Anschlusses 7 der Verrohrung 4 des längsmittleren Einspritzventiles 2 angedeutet ist. Anderweitige Zylinderzahlen vorausgesetzt, so beispielsweise bei einer acht­ zylindrigen Brennkraftmaschine könnte eine entsprechende Fixie­ rung im Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden Verroh­ rungsanschlüssen erfolgen, so dass sich keine Aufteilung ergä­ be.

Über die Fixierung 6 im längsmittleren Bereich ist die notwen­ dige Längsabstützung des Kraftstoffspeichers 3 erreicht, so dass es sich als ausreichend und zweckmäßig erweist, diesen im Bereich gegen seine Enden über Abstützungen 8 bzw. 9 längsver­ schieblich zu führen.

Aus der der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, das der rohrförmige Kraftstoffspeicher 3 im Ausführungsbeispiel als einstückiges Rohr ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Kraftstoffspeicher 3 aus Rohrelementen zusammenzusetzen, zwischen denen beispielsweise die Anschlüsse 7 für die zu den Einspritzventilen 2 führenden Verrohrungen als Verbindungsele­ mente liegen.

Claims (7)

1. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine mit zumin­ dest einer Zylinderreihe, Hochdruck-Speicher-Einspritzung und Aufheizung res Schweröles, das auf die jeweiligen Zylinder über Einspritzdüsen (2) eingespritzt wird, die jeweils an einen ge­ meinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher (3) angeschlossen sind, der ge­ gen die Brennkraftmaschine (1) in seinem mittleren, einer bezo­ gen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine (1) zwischen Anfahren und Volllast mittleren Temperatur des Schweröles ent­ sprechenden Ausdehnungszustand befestigt ist.

2. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Kraftstoffspeicher (3) in seinem längs­ mittleren Bereich gegen die Brennkraftmaschine (1) fixiert ist.

3. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Kraftstoffspeicher (3) in seinen zur Längsmitte versetzten seitlichen Bereichen längsverschieblich gegen die Brennkraftmaschine (1) abgestützt ist.

4. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher (3) in seinen zur Längsmitte versetzten seitlichen Bereichen Stützauflagen (Abstützungen 8, 9) zugeordnet sind.

5. Montageverfahren für einen rohrförmigen, eine Zylinderreihe einer schwerölbetriebenen Großkolben-Brennkraftmaschine über­ spannenden, gegen die Brennkraftmaschine abzustützenden und in Abhängigkeit von der Temperatur des Schweröles in seinem Aus­ dehnungszustand veränderlichen rohrförmigen Kraftstoffspeicher, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffspeicher (3) bei Umgebungstemperatur, ins­ besondere Raumtemperatur vormontiert, durch Wärmebeaufschlagung auf eine einem mittleren Ausdehnungszustand entsprechende Tem­ peratur aufgeheizt und bei mittlerem Ausdehnungszustand endmon­ tiert wird.

6. Montageverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung über einen flüssigen Wärmeträger erfolgt.

7. Montageverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung über den Kraftstoffspeicher durchströmende Flüssigkeit, insbesondere Schweröl erfolgt.