DE10045280C2 - Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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

Für mit Hochdruck-Speicher-Einspritzung arbei­ tende Brennkraftmaschinen mit einem gemeinsamen, in Längsrichtung eine Zylinderreihe 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 Kraftstoffspei­ cher im Bereich seiner Verbindungen zu den Einspritzdüsen besonders auszusteifen, um negative Auswirkungen unter­ schiedlicher thermischer und/oder druckabhängiger Lage- bzw. Längenänderungen zwischen dem Kraftstoffspeicher und der Brennkraftmaschine auf die Dichtheit der An­ schlussverbindungen zu den Einspritzdüsen zu vermeiden. In Verbindung mit dieser Aussteifung ist zur Aufnahme der diesbezüglichen Kräfte jeweils eine abstützende Verschrau­ bung des Kraftstoffspeichers gegen die Brennkraftmaschine im Bereich der Verbindung zu den Einspritzdüsen vorgese­ hen, wobei eine solche Verschraubung der Abstützung einen erheblichen Aufwand bedeutet und in ihrer Wirkung in Be­ zug auf die Größe der abzufangenden Kräfte auch be­ schränkt ist.

Ferner ist es zum Ausgleich unterschiedlicher Lage- bzw. Längenänderungen zwischen rohrförmigem Kraftstoffspeicher und Brennkraftmaschine und deren Aus­ wirkungen auf die Dichtheit der Verbindung des Kraftstoff­ speichers zu den Einspritzdüsen aus der JP 00120504 AA bekannt, den Kraftstoffspeicher in mehrere, elastisch mit­ einander verbundene Längenbereiche zu unterteilen, um durch die Aufteilung der Gesamtlänge auf die einzelnen Längenbereiche die für diese Bereiche sich ergebenden Lage- bzw. Längenänderungen in beherrschbaren Grenzen zu halten. Auch diese Lösung ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden und in Anbetracht der hohen zu beherr­ schenden Drücke insbesondere bezüglich der elastischen Verbindung der Längenbereiche kritisch.

Großkolben-Brennkraftmaschinen finden insbe­ sondere für Schiffsantriebe Verwendung, wobei als Brenn­ stoff häufig Schweröl eingesetzt wird. Dieses weist im Ver­ gleich zu Dieselöl eine sehr zähe Konsistenz auf und muß verhältnismäßig hoch erhitzt werden, um für die Verarbei­ tung in Einspritzanlagen hinreichend dünnflüssig zur Verfü­ gung zu stehen.

Für solche Großkolben-Brennkraftmaschinen ist es aus der MAN- Firmenschrift: "Elektronische Einspritzung sicher bei zukünfti­ gen Kraftstoffqualitäten", Kurzbeschreibung, Stand April 1980, bekannt, diese mit Speicherdruckeinspritzung bei Aufheizung des Schweröles zu betreiben und hierzu einen Kraftstoffdruckspei­ cher vorzusehen, von dem aus die Einspritzdüsen über ange­ schraubte Verrohrungen versorgt werden.

Problematisch sind bei solchen Großkolben-Brennkraftmaschinen die Größenverhältnisse in Bezug auf Kraftstoffspeicher, die sich über die Länge der Brennkraftmaschine bzw. einer Zylinder­ reihe derselben erstrecken, da bei Leistungen bis in die Grö­ ßenordnung von 40 000 kW und auch erheblichen Zylinderzahlen Baulängen bis in die Größe von 10 m erreicht werden, und dies bei unterschiedlichen Temperaturen seitens der Brennkraftma­ schine und des Kraftstoffspeichers, da die für die Fließfähig­ keit erforderlichen Schweröltemperaturen die Temperatur der Brennkraftmaschine im benachbarten Außenbereich deutlich über­ steigen.

Durch die Erfindung soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, Hochdruck-Speicher-Einspritzsysteme in einer wirtschaftlich be­ sonders interessanten Bauform für schwerölbetriebene Großkol­ ben-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, die über starre Verrohrungen jeweils an einen gemeinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher angeschlossen sind, was unter Berücksichtigung zulässiger Materialbeanspruchungen und der ge­ forderten Dichtheit der Anschlüsse dadurch ermöglicht wird, dass der Kraftstoffspeicher über die Verrohrungen gegenüber der Brennkraftmaschine in einem thermisch mittleren Ausdehnungszu­ stand befestigt wird, der, bezogen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine zwischen Anfahren und Volllast, einer mitt­ leren Temperatur des Schweröles entspricht.

Großkolben-Brennkraftmaschinen mit Längen bis in die Größenordnung von 10 m bedingen bei Verwendung eines für eine Zylinderreihe gemeinsamen, rohrförmigen Kraftstoffspeichers für diesen entsprechende Baulängen. Ungeachtet dessen müssen die Anschlussmaße für die aus dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher gespeisten, auf die Zy­ linder einspritzenden Einspritzdüsen sehr genau eingehalten werden, da die zu beherrschenden hohen Drücke sehr starre Leitungsverbindungen und entsprechende Verschraubungen bedingen. Sind schon derartige Toleranzen bei einstückigen oder auch segmentiert aufgebauten rohrförmigen Kraftstoff­ speichern nur schwer einzuhalten, so ergibt sich noch eine wesentliche Verschärfung dieser Problematik durch die ge­ gebenen Temperaturverhältnisse. Ausgehend von einer etwa Raumtemperatur entsprechenden Umgebungstemperatur bei nicht betriebener Brennkraftmaschine und einer Auf­ heiztemperatur des Schweröles bis in die Größenordnung von 150° und mehr ergeben sich für den Rohrspeicher ent­ sprechende Temperaturschwankungen mit entsprechenden Längenveränderungen. Solche sind aber nur in geringem Umfang zulässig und zu beherrschen, und dies sowohl unter Montagegesichtspunkten wie auch im Hinblick auf damit verbundene Belastungen für zur Brennkraftmaschine füh­ rende Anschlüsse, da die bezüglich des Gehäuses der Brenn­ kraftmaschine auftretenden Temperaturunterschiede deut­ lich geringer sind und diesbezügliche mittlere Temperaturen allenfalls bei 80 bis 90° liegen.

Diesen der Anwendung eines gemeinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, rohrförmi­ gen Kraftstoffspeichers auf Großkolben-Brennkraftmaschi­ nen an sich entgegenstehenden Gesichtspunkten wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung Rechnung getragen. Durch Rückgriff auf einen mittleren Ausdehnungszustand des rohrförmigen Kraftstoffspeichers lassen sich die tempe­ raturbedingten Schwankungen bezüglich dessen Länge in einem beherrschbaren Rahmen halten.

In besonderem Maße gilt dies, wenn der rohrför­ mige Kraftstoffspeicher seinerseits in seinem längsmittleren Bereich gegen die Brennkraftmaschine fixiert wird, so dass ausgehend von der eine Einspannstelle bildenden Befesti­ gung jeweils nur die halbe Rohrlänge zu berücksichtigen ist, die abzufangenden Toleranzen der Längenausdehnung also nochmals halbiert werden. Ergänzt wird diese Art der Ein­ spannung im längsmittleren Bereich zweckmäßigerweise durch seitlich hierzu liegende Abstützungen, die den rohr­ förmigen Kraftstoffspeicher zumindest unterfangen oder insgesamt gleitend führen, so dass mit der Art der Anbin­ dung gegenüber der Brennkraftmaschine keine unzulässigen Biegemomente verbunden sind und auch ein vibrationsbe­ dingtes Aufschwingen zu vermeiden ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer schwerölbetriebenen Großkolben-Brennkraftmaschine ist auch verfahrensmäßig gut beherrschbar, wobei es zweckmä­ ßig ist, wenn der rohrförmige Kraftstoffspeicher - im Rah­ men des Aufbaus der Brennkraftmaschine - bei Umge­ bungstemperatur, etwa Raumtemperatur vormontiert wird und nach erfolgter Wärmebeaufschlagung bis auf eine sei­ ner 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 Montage­ prozess beispielsweise im Kreislauf durch den rohrförmigen Kraftstoffspeicher bei entsprechender Temperatur durchge­ leitet wird, so dass auf gebräuchliche und vorhandene Mate­ rialien und Hilfsmittel zurückgegriffen werden 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 Be­ reich liegenden Einspann- bzw. Befestigungsstelle diesbe­ züglich im Regelfall ein Nachstellvorgang kaum nötig sein wird.

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

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines rohr­ förmigen Kraftstoffspeichers mit Anschlüssen für Einspritz­ düsen und beispielsweise Anordnung von zugeordneten Druckpumpen, wobei eine längsmittige axial und radial Ab­ stützung 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 ebensowenig veranschaulicht ist wie die Brennkraftma­ schine selbst, deren Zylinderreihe von dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher in Längsrichtung überspannt wird und auf deren den Zylindern zugeordnete Brennräume die Ein­ spritzdüsen einspritzen.

In Fig. 1 ist im Umriss eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, die als schwerölbetriebene Großkolben-Brenn­ kraftmaschine ausgestaltet ist, welche mit Brennstoffein­ spritzung arbeitet und hierfür ein Hochdruck-Speicher-Ein­ spritzsystem aufweist, das einen sich über die Länge der Zy­ linderreihe erstreckenden, rohrförmigen Kraftstoffspeicher 3 umfasst. Speicherdruck-Systeme dieser Art sind auch als Common-Rail-Systeme bekannt.

Großkolben-Brennkraftmaschinen der vorbespro­ chenen Art weisen beachtliche Abmessungen auf. Eine Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1, die entsprechend den an­ gedeuteten sieben Einspritzdüsen 2 sieben Zylinder auf­ weist, erreichen eine Baulänge von 5 und mehr Metern. Ent­ sprechend ist die Länge des rohrförmigen Kraftstoffspei­ chers 3, der in starrer Verrohrung 4 mit den Einspritzdüsen 2 verbunden ist.

In Fig. 1 und 2 ist desweiteren angedeutet, dass dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher 3 auch unmittelbar Pumpen 5 zugeordnet sein können, über die die Brennstoff­ zuführung auf den Kraftstoffspeicher 3 erfolgt. Die Anord­ nung der Pumpen 5 ist nur beispielsweise, und es kann ab­ weichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine anderweitige Druckversorgung stattfinden.

Für den hier vorgesehenen Betrieb der Brennkraft­ maschine 1 mit Schweröl ist davon auszugehen, dass dieses auf Temperaturen von 150° und mehr aufgeheizt werden muß, um die für den Einspritzbetrieb erforderliche Dünn­ flüssigkeit zu erreichen. Entsprechende Temperaturen stel­ len sich an den mit dem aufgeheizten Schweröl in Berüh­ rung kommenden Teilen, so insbesondere auch am Kraft­ stoffspeicher im Verlauf des Betriebes ein und liegen damit erheblich über den Temperaturen, die bei nicht in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine gegeben sind und die, wie auch bei der Montage der Brennkraftmaschine, in der Grö­ ßenordnung üblicher Raumtemperaturen, also im Bereich um etwa 20° liegen. Die Brennkraftmaschine 1 selbst er­ reicht mittlere Gehäusetemperaturen in der Größenordnung um etwa 80°.

Der rohrförmige Kraftstoffspeicher 3 ist damit er­ heblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt, mit der Folge, dass sich mit steigender Temperatur entsprechend der jeweils gegebenen, beachtlichen Länge auch entsprechende Wärmedehnungen ergeben, die durchaus den Zentimeterbe­ reich erreichen können und die bezüglich der Anschlüsse der Verrohrungen 4 sowie auch sonstiger Anschlüsse ent­ sprechende Bewegungstoleranzen bedingen, ungeachtet dessen, dass entsprechend den zu beherrschenden, sehr ho­ hen Drücken bis hin zu 2000 bar sowohl der rohrförmige Kraftstoffspeicher 3 wie auch die Verrohrungen 4 und son­ stigen Anschlüsse und Leitungen massiv ausgebildet sein müssen und, beispielsweise in der Montagephase, kaum die Möglichkeiten bieten, entsprechende Anpassungen vorzu­ nehmen.

Um die durch die unterschiedlichen Wärmedeh­ nungen bedingten Toleranzen so klein wie möglich halten zu können, erfolgt die Montage des rohrförmigen Kraftstoff­ speichers 3 bei einem bezogen auf den abzudeckenden Tem­ peraturbereich mittleren Ausdehnungszustand, d. h. bei ei­ ner Temperatur, die bezogen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine zwischen Anfahren und Volllast der mittleren Temperatur des Schweröles entspricht, also bei ei­ ner Temperatur des Kraftstoffspeichers 3 in der Größenord­ nung von etwa 80 bis 100°C. Die Aufheizung auf eine in dieser Größenordnung liegende Temperatur ist beispiels­ weise dadurch möglich, dass eine entsprechend aufgeheizte Flüssigkeit, so beispielsweise Schweröl als Spül- und Wär­ meträger durch den Kraftstoffspeicher 3 geleitet wird. In diesem aufgeheizten und somit mittleren Ausdehnungszu­ stand erfolgt die Fixierung des Kraftstoffspeichers 3 gegen­ über der Brennkraftmaschine 1, wobei Ausgangspunkt für eine solche Fixierung als Endmontage eine Verbindung des Kraftstoffspeichers 3 mit der Brennkraftmaschine 1 im Rah­ men einer Vormontage ist, die in der Aufheizphase entspre­ chende Dehnungen zulässt.

Um die bezogen auf die Gesamtlänge des rohrför­ migen Kraftstoffspeichers 3 temperaturbedingten Dehnun­ gen in ihrer Auswirkung möglichst klein zu halten, erfolgt die Fixierung des Kraftstoffspeichers 3 gegenüber der Brennkraftmaschine 1 im längsmittleren Bereich des Kraft­ stoffspeichers, wie in Fig. 1 und 2 schematisiert bei 6 ange­ deutet, wobei im Hinblick auf eine symmetrische Fixierung im Ausführungsbeispiel eine Abstützung zu beiden Seiten des Anschlusses 7 der Verrohrung 4 des längsmittleren Ein­ spritzventiles 2 angedeutet ist. Anderweitige Zylinderzahlen vorausgesetzt, so beispielsweise bei einer achtzylindrigen Brennkraftmaschine könnte eine entsprechende Fixierung im Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden Verroh­ rungsanschlüssen erfolgen, so dass sich keine Aufteilung er­ gäbe.

Über die Fixierung 6 im längsmittleren Bereich ist die notwendige Längsabstützung des Kraftstoffspeichers 3 erreicht, so dass es sich als ausreichend und zweckmäßig er­ weist, diesen im Bereich gegen seine Enden über Abstützun­ gen 8 bzw. 9 längsverschieblich zu führen.

Aus der der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstel­ lung gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, das der rohrförmige Kraft­ stoffspeicher 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 bei­ spielsweise die Anschlüsse 7 für die zu den Einspritzventi­ len 2 führenden Verrohrungen als Verbindungselemente lie­ gen.

Claims (7)

1. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftmaschine mit zumin­ dest einer Zylinderreihe, Hochdruck-Speicher-Einspritzung mit Aufheizung des Schweröles, das auf die jeweiligen Zylinder über Einspritzdüsen (2) eingespritzt wird, die jeweils über eine starre, verschraubte Verrohrung (4) an einen gemeinsamen, die Zylinderreihe in Längsrichtung überspannenden, massiv ausgebil­ deten, einstückig oder segmentiert aufgebauten rohrförmigen Kraftstoffspeicher angeschlossen sind, der gegen die Brenn­ kraftmaschine (1) in seinem mittleren, einer bezogen auf die Arbeitsbereiche der Brennkraftmaschine (1) zwischen Anfahren und Volllast mittleren Temperatur des Schweröles entsprechenden Ausdehnungszustand befestigt ist.

2. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftma­ schine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Kraftstoffspeicher (3) in seinem längs­ mittleren Bereich gegen die Brennkraftmaschine (1) fi­ xiert ist.

3. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftma­ schine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Kraftstoffspeicher (3) in seinen zur Längsmitte versetzten seitlichen Bereichen längsver­ schieblich gegen die Brennkraftmaschine (1) abge­ stützt ist.

4. Schwerölbetriebene Großkolben-Brennkraftma­ schine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem rohrförmigen Kraftstoffspeicher (3) in seinen zur Längsmitte versetzten seitlichen Bereichen Stützaufla­ gen (Abstützungen 8, 9) zugeordnet sind.

5. Montageverfahren für einen rohrförmigen, eine Zylinderreihe einer schwerölbetriebenen Großkolben-Brennkraftmaschine über­ spannenden, gegen die Brennkraftmaschine abzustützenden, in Ab­ hängigkeit von der Temperatur des Schweröles in seinem Ausdeh­ nungszustand veränderlichen und über verschraubte Verrohrungen mit Einspritzdüsen verbundenen, rohrförmigen Kraftstoffspei­ cher, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffspeicher (3) mit seinen starren Verrohrungen (4) bei Umgebungstemperatur, insbesondere Raumtemperatur vor­ montiert, durch Wärmebeaufschlagung auf eine einem mittleren Ausdehnungszustand entsprechende Temperatur aufgeheizt und bei mittlerem Ausdehnungszustand endmontiert wird.

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

7. Montageverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung über den Kraft­ stoffspeicher durchströmende Flüssigkeit, insbeson­ dere Schweröl erfolgt.