DE10129976B4

DE10129976B4 - Verfahren zum Betrieb einer Hubkolben-Brennkraftmaschine sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignete Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10129976B4
Application number: DE10129976A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schroll
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: DE10129976A1

Abstract

Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Turbolader, der Mittel zugeordnet sind, so dass zur Beschleunigung der Lastaufschaltung zusätzlich zur Ladeluft des Turboladers Druckluft einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erinbringung der Druckluft in jeden Zylinder (1) jeweils ein Druckeinlassventil (5) vorgesehen ist, das mittels eines Steuergerätes (16) in Abhängigkeit von der Kolbenstellung im jeweiligen Zylinder (1) auf- und zusteuerbar ist, jedes Druckeinlassventil (5) in jeweils einer Leitung (6) eines Anlassdruckluftspeichers (17) zum jeweiligen Zylinder (1) angeordnet ist und jeweils in der Leitung (6) zwischen dem Anlassdruckluftspeicher (17) und dem Druckeinlassventil (5) ein mittels des Steuergerätes (16) betätigbares Absperrelement (7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer vorzugsweise selbstzündenden Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Turbolader sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Hubkolben-Brennkraftmaschine.
Wenn die Leistung einer derartigen Hubkolben-Brennkraftmaschine schnell gesteigert werden muss, weil z.B. ein angetriebener Generator plötzlich stark belastet wird, ergibt sich das Problem, dass der Turbolader zunächst nicht genug Ladeluft fördert, um die zur Leistungserhöhung benötigte Brennstoffmenge zu verbrennen.

Um bei einer für die vorliegende Anmeldung gattungsbildenden selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader gemäß der DE 37 37 743 A1 ein Zurückschlagen der Rauchgase bei einer Unterversorgung mit Verbrennungsluft entgegenzuwirken, wird von einer fremden Druckluftquelle dem Ansaugteil der Brennkraftmaschine Druckluft zugeführt. Dazu wird die Differenz zwischen dem Ladeluftdruck und dem Abgasdruck gemessen und die Zufuhr der Fremdluft wird veranlasst, wenn der Ladedruck auf einen Wert sinkt, der gleich oder kleiner ist als der Abgasdruck.

Die WO 97/41346 A1 befasst sich zwar ebenfalls mit der Zuführung zusätzlicher Druckluft, beschränkt sich allerdings auf die spezielle Ausbildung einer Ventilanordnung, bei der das eigentliche Druckeinlassventil zur Zuführung der zusätzlichen Druckluft coaxial von einem Einlassventil ummantelt ist. Diese mehrteilige Anordnung erfordert zudem eine Kontrolleinheit, die die jeweilige Stellung der Ventilkörper zueinander steuert, um eine kontrollierte zusätzliche Druckluftzuführung zu gewährleisten.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Hubkolben-Brennkraftmaschine eingangs erwähnter Art zu schaffen, mit denen eine schnelle Leistungssteigerung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird dies verfahrensmäßig dadurch erreicht, dass zur Beschleunigung der Lastaufschaltung zusätzlich zur Ladeluft des Turboladers am Anfang des Kompressionsweges jedes Kolbens Druckluft in den Zylinder eingebracht wird, bis der Kompressionsdruck im Zylinder den Druck der Druckluft erreicht.

Hierdurch kann in dem Zeitraum, in dem der Turbolader beim Übergang des Betriebes der Brennkraftmaschine von geringer Leistung zu hoher Leistung noch keine ausreichende Luftmenge zur Verbrennung der für hohe Leistung benötigten Kraftstoffmenge liefert, zusätzliche Luft zur Verbrennung zugeführt werden, die den Vorgang der Lastaufschaltung verkürzt und eine ordentliche Verbrennung sicherstellt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens so ausgebildet, dass zur Einbringung der Druckluft in den Zylinder ein Druckeinlassventil vorgesehen ist, das mittels eines Steuergerätes in Abhängigkeit von der Kolbenstellung auf- und zusteuerbar ist.

Vorzugsweise sind das Druckeinlassventil mittels eines Druckfluids betätigbar und in der Zuströmleitung des Druckfluids eine mittels des Steuergerätes steuerbare Absperreinrichtung vorgesehen. Als Druckeinlassventil findet gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Anlassventil Verwendung. Dies führt zu einem einfachen Aufbau, da kein zusätzliches Bauteil am Zylinder erforderlich ist.

Vorteilhaft ist jedes Druckeinlassventil in einer Leitung vom Anlassdruckluftspeicher zum Zylinder angeordnet. Hierdurch kann die ohnehin vorhandene Anlassdruckluft zur Einbringung in den Zylinder während der Lastaufschaltung Verwendung finden, so dass kein besonderer Druckluftspeicher zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung und den zusätzlichen Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine und
2 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise der Anordnung gemäß 1.
In der 1 sind die für die Erfindung wesentlichen Teile einer Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, die zum Antrieb eines Schiffes bestimmt ist, gezeigt. Die Brennkraftmaschine weist mehrere Zylinder 1 auf, von denen nur einer dargestellt ist und in denen je ein Kolben 2 geführt ist. Im Zylinderkopf sind Gaswechselorgane in Form von mindestens je einem Einlassventil 3 und einem Auslassventil 4 angeordnet. Zusätzlich nimmt der Kopf ein Druckeinlassventil 5 auf. Dieses Druckeinlassventil 5 übernimmt hier auch die Funktion eines Anlassventiles. Hierzu führt vom Druckeinlassventil 5 eine Leitung 6 zu einem Anlassdruckluftspeicher 17. Die Leitung 6 nimmt dabei ein Absperrelement 7 auf, das zweckmäßig als Magnetventil ausgebildet ist.
Das Druckeinlassventil 5 weist am einen Ende einen Kolben 8 auf, der in einen Zylinder 9 geführt ist. Am Druckeinlassventil 5 greift weiterhin eine Druckfeder 10 an, die das Ventil in der Schließstellung hält. Das Druckeinlassventil 5 kann mittels eines Druckfluids unter Überwindung der Kraft der Druckfeder 10 geöffnet werden. Hierzu ist ein Druckfluid-Kreislauf 11 vorgesehen, der hier einen offenen Flüssigkeitsbehälter 12 und eine mittels eines Elektromotors 13 angetriebene Hochdruckpumpe 14 aufweist. Zwischen dem Druckfluid-Kreislauf 11 und dem Zylinder 9 des Druckeinlassventiles 5 ist eine Absperreinrichtung 15 angeordnet mit der eine Zuströmleitung 20 des Druckfluid-Kreislaufes 11 an den Zylinder 9 angeschlossen werden kann. Diese Absperreinrichtung kann als Magnetventil oder in Form eines elektromagnetischen Stellantriebes (Torque-Motor) ausgebildet sein und wird über eine Signalleitung 22 von einem Steuergerät 16 angesteuert.
Die Absperreinrichtung 15 steht während des Betriebes der Brennkraftmaschine normalerweise in der Stellung, in der die Verbindung zwischen der Zuströmleitung 20 und dem Zylinder 9 unterbrochen ist. Sie kann jedoch mittels des elektronischen Steuergerätes 16 in die Offen-Stellung überführt werden. Das Steuergerät 16 kann über einen Schalter 21 aktiviert werden. Es nimmt dann über nicht dargestellte Geber die Stellung der Nockenwelle oder der Kurbelwelle auf, die ihrerseits von der Stellung des Kolbens 2 im Zylinder 3 abhängig sind. Beim Kompressionshub ist diese Kolbenstellung proportional zum Druck, der im Zylinder 1 herrscht. Alternativ könnte auch dieser Druck als Steuergröße verwendet werden. Das Steuergerät 16 steht weiterhin über eine Signalleitung 18 mit dem Absperrelement 7 in Verbindung. Dieses Absperrelement steht in der Ruhelage in der Sperrstellung und kann durch das Steuergerät 16 in die Offenlage überführt werden.
Das Steuergerät 16 kann weiterhin über eine Signalleitung 19 den Motor 13 und damit die Hochdruckpumpe 14 an- und abschalten.
Wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise bei einer Fahrt in einem Hafen zu einer Anlegestelle nur gering belastet ist und abzusehen ist, dass für das Anlegemanöver ein Querstrahlruder einzuschalten ist, das die Belastung der Brennkraftmaschine über einen zum Antrieb benötigten Generator erheblich erhöht, wird der Schalter 21 geschlossen. Dann schaltet das Steuergerät 16 aufgrund seiner Programmierung einerseits den Motor 13 mit der Hochdruckpumpe 14 an, so dass das Druckfluid unter Druck an der Absperreinrichtung 15 ansteht. Andererseits überführt es das Absperrelement 7 in die Offenstellung.
Nunmehr steht Druckluft aus dem Anlassdruckluftspeicher 17 am Druckeinlassventil 5 an. Dieser Druck reicht jedoch nicht aus um die Kraft der Druckfeder 10 zu überwinden, so dass das Druckeinlassventil 5 zunächst noch geschlossen bleibt. Nach einer kurzen vorprogrammierten Zeitspanne schaltet dann das Stuergerät 16 die Absperreinrichtung 15 in die Offenstellung. Nunmehr tritt Druckfluid vom Druckfluidkreislauf 11 in den Zylinder 9 und öffnet das Druckeinlassventil 5.
Dieser Öffnungszeitpunkt liegt, wie 2 zeigt, kurz nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 2. Im Verlauf des Kompressionshubes des Kolbens 2 komprimiert dieser die im Zylinder 1 befindliche Luft auf einem Druck, der etwa dem Druck der Luft im Anlassdruckluftspeicher 17 entspricht. Diese Stellung des Kolbens kann von den Gebern an der Nockenwelle bzw. der Kurbelwelle erfasst und dann zum Steuergerät 16 gegeben werden. Dieses schaltet daraufhin die Absperreinrichtung 15 und das Absperrelement 7 wieder in die Schließstellung zurück. Die Dauer der Verdichtungsphase ist in 2 durch den nicht schraffierten Teilkreisbogen V angedeutet. Die Dauer der Zuführung von zusätzlicher Druckluft in den Zylinder 1 ist in 2 durch den schraffierten Teilkreisbogen Z angedeutet.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann auch bei Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen angewendet werden. Das Druckeinlaßventil wird in diesem Fall geöffnet, sobald die Gaswechselorgane – die Ein- und Auslassschlitze oder der Einlassschlitz und das Auslassventil – geschlossen sind. Das Zuströmen der Druckluft wird dann beendet, wenn der Kompressionsdruck im Zylinder einen durch die Lage des Kolbens und damit die Stellung der Kurbelwelle vorbestimmten Wert erreicht. Weiterhin kann anstelle des Druckfluidkreislaufes 11 auch ein Druckspeicher in Form einer Druckluftflasche Verwendung finden. Ferner kann das Steuergerät 16 auch die Steuerung des an sich bekannten Anlassvorganges übernehmen.

Claims

Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem Turbolader, der Mittel zugeordnet sind, so dass zur Beschleunigung der Lastaufschaltung zusätzlich zur Ladeluft des Turboladers Druckluft einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erinbringung der Druckluft in jeden Zylinder (1) jeweils ein Druckeinlassventil (5) vorgesehen ist, das mittels eines Steuergerätes (16) in Abhängigkeit von der Kolbenstellung im jeweiligen Zylinder (1) auf- und zusteuerbar ist, jedes Druckeinlassventil (5) in jeweils einer Leitung (6) eines Anlassdruckluftspeichers (17) zum jeweiligen Zylinder (1) angeordnet ist und jeweils in der Leitung (6) zwischen dem Anlassdruckluftspeicher (17) und dem Druckeinlassventil (5) ein mittels des Steuergerätes (16) betätigbares Absperrelement (7) vorgesehen ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckeinlassventil (5) mittels eines Druckfluids betätigbar ist und in der Zuströmleitung (20) des Druckfluids eine mittels des Steuergerätes (16) steuerbare Absperreinrichtung (15) vorgesehen ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckeinlassventil (5) ein Anlassventil Verwendung findet.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (15) und das Absperrelement (7) als elektrisch ansteuerbare Magnetventile ausgebildet sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckeinlassventil (5) unter der Wirkung einer Druckfeder (10) steht, deren Schließkraft stärker als die in Öffnungsrichtung wirkende Druckluft des Anlassdruckluftspeichers (17) bemessen ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Druckfluids eine Hochdruckpumpe (14) vorgesehen ist.
Verfahren zum Beschleunigen der Lastaufschaltung einer selbstzündenden Hubkolben-Brennkraftmaschine, die nach Anspruch 1 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei erheblicher Erhöhung der Belastung der Brennkraftmaschine das Steuergerät (16) veranlasst wird, jedes Absperrelement (7) und in Abhängigkeit der Kolbenstellung im jeweiligen Zylinder (1) jedes Druckeinlassventil (5) zu öffnen, bis im Verlauf des Kompressionshubes des entsprechenden Kolbens (2) die im jeweiligen Zylinder (1) befindliche Luft auf einen Druck, der etwa dem Druck der Luft im Anlassdruckluftspeicher (17) entspricht, woraufhin das Steuergerät (16) zuerst das Druckeinlassventil (5) und dann das Absperrelement (7) wieder schließt, so dass zusätzlich zur Ladeluft des Turboladers am Anfang des Kompressionsweges jedes Kolbens (2) Druckluft in den Zylinder (1) eingebracht wird.