DE102017220112A1

DE102017220112A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und Schifffahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017220112A1
Application number: DE102017220112.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bernhard; Eugen Pflug
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (3), wobei die Brennkraftmaschine (3) im Betrieb auf das Auftreten einer Schubbetriebsart hin überwacht wird, wobei, wenn eine Schubbetriebsart festgestellt wird, in einem Schubbetriebsmodus eine Brennstoffzufuhr in Brennräume (5) der Brennkraftmaschine (3) unterbunden, und ein Ladedruck in einem Ladepfad (7) der Brennkraftmaschine (3) auf einen von Null verschiedenen Minimaldruckwert (p_s,s) begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und ein Schifffahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine kann eine sogenannte Schubbetriebsart auftreten, bei welcher nicht mehr die Brennkraftmaschine selbst ein Antriebs-Drehmoment in ihre Umgebung einleitet, sondern vielmehr durch externe Einflüsse aus der Umgebung angetrieben wird. In diesem Fall soll nach Möglichkeit die Brennstoffzufuhr in Brennräume der Brennkraftmaschine unterbunden werden, um zu vermeiden, dass die Brennkraftmaschine zusätzlich zu dem extern angreifenden Drehmoment ein eigenes, gleichsinniges Drehmoment aufbringt und somit in unerwünschter Weise beschleunigt wird, oder - im Falle eines Fahrzeugs - einen zusätzlichen Vortrieb bereitstellt. Endet die Schubbetriebsart und soll in einen Normalbetrieb der Brennkraftmaschine gewechselt werden, muss möglichst rasch wieder die volle Leistung der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen. Hierzu ist es insbesondere erforderlich, einen Ladedruck in einem Ladepfad der Brennkraftmaschine schnell aufbauen zu können. Insbesondere wenn die Brennstoffzufuhr komplett gestoppt wird, besteht die Gefahr, dass der Ladedruck in der Schubbetriebsart übermäßig absinkt, was einen raschen Aufbau des Ladedrucks beim Beenden der Schubbetriebsart behindert.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 060 218 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters hervor, der eine ihm ausgangsseitig zugeordnete Brennkraftmaschine mit auf einen Ladedruck verdichteter Luft versorgt. Dabei ist vorgesehen, dass während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine verdichtete Luft zumindest teilweise über ein Druckablassventil abgelassen wird, wobei die über das Druckablassventil abgelassene Luft dazu verwendet wird, ein Verdichterrad des Verdichters anzutreiben. Auf diese Weise kann die Drehzahl des Verdichterrads aufrechterhalten oder wenigstens ein übermäßiges Absinken der Verdichterdrehzahl verhindert werden. Nach einem positiven Lastwechsel ist dann ein sehr schneller Aufbau des Ladedrucks wieder möglich, weil das Verdichterrad zu keiner Zeit eine Drehzahl annimmt, die wesentlich unter seiner Nenndrehzahl liegt. Der Ladedruck wird dabei über das Druckablassventil abgelassen, also abgebaut. Dabei ist ausdrücklich erwünscht, dass ein geeignetes Drosselmittel, beispielsweise eine Drosselklappe, möglichst vollständig geschlossen wird, um zu gewährleisten, dass die aus der verdichteten abgelassenen Luft erhaltene Energie nur zur Beschleunigung des Verdichterrads verwendet und nicht zusätzlich noch zur Verdichtung eines eingangsseitig zugeführten unnötig großen Luftmassenstroms genutzt wird. Während also die Drehzahl des Verdichterrads aufrechterhalten oder zumindest deren Absinken vermieden wird, wird der Ladedruck soweit wie möglich abgebaut. Somit wird mit einer vergleichsweise komplexen und teuren Technologie zwar eine Option geschaffen, den Ladedruck schneller wieder aufbauen zu können, wobei dies jedoch durch den vollständigen Abbau des Ladedrucks nur eingeschränkt möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und ein Schifffahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem die Brennkraftmaschine im Betrieb auf ein Auftreten einer Schubbetriebsart hin überwacht wird. Wird eine Schubbetriebsart festgestellt, wird in einem Schubbetriebsmodus eine Brennstoffzufuhr in Brennräume der Brennkraftmaschine unterbunden, und ein Ladedruck in einem Ladepfad der Brennkraftmaschine wird auf einen von Null verschiedenen Minimaldruckwert begrenzt. Auf diese Weise kann zum einen ein zusätzliches Beschleunigen der Brennkraftmaschine durch Stoppen der Brennstoffzufuhr verhindert werden, zum anderen kann durch die Begrenzung des Ladedrucks auf den Minimaldruckwert ein Basis-Ladedruck bereitgestellt werden, ausgehend von dem der Ladedruck nach dem Ende der Schubbetriebsart und insbesondere nach dem Umschalten von dem Schubbetriebsmodus in einen Normalbetriebsmodus sehr rasch wieder aufgebaut werden kann, insbesondere da ein übermäßiges Absinken des Ladedrucks vermieden wird. Die Begrenzung des Ladedrucks ist dabei technisch sehr einfach und kostengünstig durchführbar.
Der Minimaldruckwert wird insbesondere so gewählt, dass er größer ist als 0 bar absolut.
Unter einer Schubbetriebsart wird insbesondere eine Betriebsweise der Brennkraftmaschine bezeichnet, bei welcher die Brennkraftmaschine selbst durch von außen angreifende Kräfte oder Momente angetrieben wird. Diese kann beispielsweise bei einer Bergabfahrt eines Fahrzeugs auftreten, wenn dieses allein gravitationsbedingt beschleunigt wird, wobei eine dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienende Brennkraftmaschine durch die Räder vermittelt über den Antriebsstrang angetrieben wird. Eine solche Schubbetriebsart kann auch bei einem Schifffahrzeug dann auftreten, wenn dieses geschleppt wird, beispielsweise wenn ein als Schlepper ausgebildetes Schifffahrzeug durch einen Schlepper-Geschlepptschiff-Verbund durch das Wasser gezogen wird. Wird beispielsweise ein großes Schiff, beispielsweise ein Containerschiff, durch eine Mehrzahl von Schlepper in einen Hafen geschleppt, sind typischerweise bugseitig und heckseitig Schlepper mit dem Containerschiff, das insoweit als Geschlepptschiff bezeichnet wird, verbunden. Wird das Geschlepptschiff durch die bugseitigen Schlepper geschleppt, werden zugleich die heckseitigen Schlepper mitgeschleppt, wobei diese durch das Wasser gezogen werden. Die an den Propellern der heckseitigen Schlepper auftretende Wasserströmung treibt diese Propeller an, wobei zugleich ein Drehmoment in die dem Antrieb der Schlepper dienenden Brennkraftmaschinen eingeleitet wird. Die heckseitigen Schlepper dürfen dann nicht zusätzlich durch Brennstoffzufuhr in deren Brennkraftmaschinen beschleunigt werden; zugleich soll ein möglichst rascher Ladedruck-Aufbau nach Beendigen der Schubbetriebsart gewährleistet sein.
Unter einem Schubbetriebsmodus wird demgegenüber insbesondere eine bestimmte Art der Ansteuerung der Brennkraftmaschine bezeichnet, die - insbesondere in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine - gewählt wird, um die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb anzusteuern.
Wird dementsprechend eine - von außen vorgegebene - Schubbetriebsart der Brennkraftmaschine festgestellt, wird bevorzugt - intern in der Steuerung der Brennkraftmaschine - in den Schubbetriebsmodus geschaltet.
Vorzugsweise wird die Brennstoffzufuhr in alle Brennräume der Brennkraftmaschine unterbunden, sodass der Brennkraftmaschine kein Brennstoff mehr zugeführt wird. Die Brennstoffzufuhr wird insbesondere abgeschaltet und/oder beendet.
Der Ladedruck wird insbesondere nach unten auf den von Null verschiedenen Minimaldruckwert begrenzt.
Das Verfahren wird besonders bevorzugt in einem Schifffahrzeug, insbesondere in einem Schlepper, ganz besonders in einem Hafenschlepper, durchgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladedruck in einem Normalbetriebsmodus in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten Leistungsvorgabeparameter gewählt wird. Der Normalbetriebsmodus entspricht dabei insbesondere einer Art der Ansteuerung der Brennkraftmaschine - insbesondere in deren Steuergerät - die für eine Normalbetriebsart gewählt wird, bei welcher die Brennkraftmaschine ein Drehmoment erzeugt und in ihre Umgebung einleitet. Der Normalbetriebsmodus wird insbesondere für eine Normalbetriebsart gewählt, in welcher beispielsweise im Fall eines Schifffahrzeugs die Brennkraftmaschine ein Drehmoment in eine Propellerwelle und einen Propeller einleitet, wobei dieser wiederum das Drehmoment in Wasser einleitet, um das Schiff anzutreiben.
Unter einem Leistungsvorgabeparameter wird hier insbesondere ein Parameter verstanden, welcher für eine - insbesondere von einem Betreiber der Brennkraftmaschine - momentan gewünschte Leistung oder ein momentan gewünschtes Drehmoment der Brennkraftmaschine kennzeichnend ist. Der Ladedruck wird bevorzugt als Funktion des wenigstens einen ersten Leistungsvorgabeparameters ermittelt und/oder abhängig von dem wenigstens einen Leistungsvorgabeparameter aus einem Kennfeld ausgelesen. Als der wenigstens eine erste Leistungsvorgabeparameter wird bevorzugt ein Soll-Drehmoment gewählt.
Im Unterschied zu dem Normalbetriebsmodus wird in dem Schubbetriebsmodus der Ladedruck nicht in Abhängigkeit von einem Leistungsvorgabeparameter gewählt oder eingestellt, sondern vielmehr lediglich auf den Minimaldruckwert begrenzt; es wird also insbesondere lediglich verhindert, dass der Ladedruck unter den Minimaldruckwert absinkt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schubbetriebsart festgestellt - und die Brennkraftmaschine insbesondere in den Schubbetriebsmodus geschaltet - wird, wenn eine momentane Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine größer ist als eine momentane Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine. Diese Bedingung kann charakteristisch sein für das Vorliegen eines Schubbetriebs, weil die Brennkraftmaschine durch ein von außen angreifendes Drehmoment angetrieben und so über die momentane Soll-Drehzahl hinaus beschleunigt wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schubbetriebsart festgestellt wird, wenn die momentane Ist-Drehzahl um eine vorbestimmte Drehzahl-Differenz größer ist als die momentane Soll-Drehzahl. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nicht jede noch so kleine Abweichung von der Soll-Drehzahl nach oben zur Feststellung der Schubbetriebsart führt. Insbesondere kann so verhindert werden, dass Überschwinger über die Soll-Drehzahl im Rahmen einer Drehzahlregelung fälschlich als Schubbetriebsart identifiziert werden. Die vorbestimmte Drehzahl-Differenz wird bevorzugt zu 30 U/min gewählt. Als momentane Soll-Drehzahl wird vorzugsweise eine vorbestimmte Leerlauf-Drehzahl der Brennkraftmaschine verwendet. Die Schubbetriebsart wird also insbesondere dann festgestellt, wenn die momentane Ist-Drehzahl die Leerlauf-Drehzahl als momentane Soll-Drehzahl - vorzugsweise um die vorbestimmte Drehzahl-Differenz - überschreitet. Auch auf diese Weise kann ausgeschlossen werden, dass Überschwinger beim Einregeln einer bestimmten, von der Leerlauf-Drehzahl verschiedenen Drehzahl fälschlich als Schubbetriebsart identifiziert werden. Insbesondere ist es möglich, dass auf die vorliegende Schubbetriebsart nur dann geprüft wird, wenn als momentane Soll-Drehzahl die Leerlauf-Drehzahl eingestellt ist.
Alternativ oder zusätzlich ist möglich, dass die Schubbetriebsart festgestellt - und vorzugsweise in den Schubbetriebsmodus geschaltet - wird, wenn ein momentanes Drehmoment der Brennkraftmaschine kleiner ist als ein erster Drehmoment-Grenzwert. Auch dies kann dazu beitragen zu verhindern, dass gegebenenfalls Drehzahl-Überschwinger als Schubbetriebsart identifiziert werden. Der erste Drehmoment-Grenzwert ist bevorzugt negativ.
Das momentane Drehmoment wird bevorzugt als Differenz zwischen einem momentanen Verbrennungsmoment, also einem aus der Verbrennung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine resultierenden Moment, und wenigstens einem Verlustmoment, insbesondere einem Reibmoment und einem Ladungswechsel-Verlustmoment, definiert. Ist - insbesondere im Schubbetrieb - das Verbrennungsmoment kleiner als das wenigstens eine Verlustmoment oder gleich null, ergibt sich somit bei von Null verschiedener Drehzahl ein negatives momentanes Drehmoment aus dem wenigstens einen Verlustmoment.
Das momentane Drehmoment wird bevorzugt in Abhängigkeit von einem Brennraumdrucksignal, insbesondere einem Brennraumdruck oder einem Brennraumdruckverlauf, berechnet oder aus einem Kennfeld ausgelesen. Das wenigstens eine Verlustmoment, insbesondere das Reibmoment und das Ladungswechsel-Verlustmoment, ist/sind bevorzugt in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl und bevorzugt dem momentanen Drehmoment selbst, in einem Kennfeld hinterlegt, vorzugsweise in demselben Kennfeld, aus dem auch das momentane Drehmomentsignal in Abhängigkeit von dem Brennraumdrucksignal ausgelesen wird.
Der erste Drehmoment-Grenzwert wird bevorzugt zwischen mindestens -150 Nm und höchstens -75 Nm, vorzugsweise zu -100 Nm, gewählt.
Alternativ oder zusätzlich wird die Schubbetriebsart bevorzugt festgestellt - und vorzugsweise in den Schubbetriebsmodus geschaltet - wenn ein zweiter Leistungsvorgabeparameter kleiner ist als ein erster Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert. Dies kann insbesondere zusätzlich als Hinweis darauf dienen, dass zumindest keine relevante Leistungserbringung durch die Brennkraftmaschine gewünscht ist, was auf eine Schubbetriebsart schließen lässt. Der zweite Leistungsvorgabeparameter kann mit dem ersten Leistungsvorgabeparameter identisch oder von dem ersten Leistungsvorgabeparameter verschieden gewählt werden. Insbesondere ist es möglich, dass als zweiter Leistungsvorgabeparameter ein Soll-Ladedruck für die Brennkraftmaschine gewählt wird. Dieser ist insbesondere dann charakteristisch für eine momentan gewünschte Leistung der Brennkraftmaschine, wenn der Soll-Ladedruck in Abhängigkeit von dem ersten Leistungsvorgabeparameter eingestellt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schubbetriebsart festgestellt - und vorzugsweise in den Schubbetriebsmodus geschaltet - wird, wenn die momentane Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine - vorzugsweise um die vorbestimmte Drehzahl-Differenz - für eine vorbestimmte Zeitdauer größer ist als die momentane Soll-Drehzahl, und/oder wenn das momentane Drehmoment der Brennkraftmaschine für die vorbestimmte Zeitdauer kleiner ist als der erste Drehmoment-Grenzwert. Dabei muss die wenigstens eine zuvor genannte Bedingung vorzugsweise ununterbrochen während der vorbestimmten Zeitdauer vorliegen. Auch dies kann verhindern, dass ein kurzzeitiges Eintreten einer solchen Bedingung, beispielsweise im Rahmen eines Drehzahl-Überschwingers, fälschlich als Schubbetriebsart interpretiert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Normalbetriebsmodus - insbesondere aus dem Schubbetriebsmodus - geschaltet wird, wenn wenigstens ein dritter Leistungsvorgabeparameter größer ist als ein zweiter Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert. Der dritte Leistungsvorgabeparameter kann dabei identisch gewählt werden zu dem ersten Leistungsvorgabeparameter und/oder zu dem zweiten Leistungsvorgabeparameter. Er kann aber auch sowohl von dem ersten Leistungsvorgabeparameter als auch von dem zweiten Leistungsvorgabeparameter verschieden gewählt werden. Insbesondere ist es möglich, dass als dritter Leistungsvorgabeparameter der Soll-Ladedruck der Brennkraftmaschine gewählt wird. Als der zweite Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert wird bevorzugt der Minimaldruckwert verwendet. Das Ende der Schubbetriebsart und die Anforderung zum Umschalten in den Normalbetriebsmodus kann somit insbesondere festgestellt werden, wenn der Soll-Ladedruck größer wird als der Minimaldruckwert, auf welchen der Ladedruck in dem Schubbetriebsmodus begrenzt wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in den Normalbetriebsmodus - insbesondere aus dem Schubbetriebsmodus - geschaltet wird, wenn das momentane Drehmoment größer ist als ein zweiter Drehmoment-Grenzwert. Der zweite Drehmoment-Grenzwert kann grundsätzlich gleich dem ersten Drehmoment-Grenzwert gewählt werden. Bevorzugt wird er allerdings ungleich dem ersten Drehmoment-Grenzwert gewählt, wobei er insbesondere bevorzugt größer gewählt wird als der erste Drehmoment-Grenzwert. Dies bedingt eine Hysterese zwischen dem Schalten von dem Normalbetriebsmodus in den Schubbetriebsmodus einerseits, und dem Zurückschalten von dem Schubbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus andererseits. Somit wird ein zu schnelles Hin- und Herschalten zwischen den verschiedenen Modi vermieden. Der zweite Drehmoment-Grenzwert wird bevorzugt zwischen mindestens -75 Nm und höchstens -25 Nm, bevorzugt zu - 50 Nm, gewählt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladedruck in dem Schubbetriebsmodus auf den Minimaldruckwert geregelt wird. In diesem Fall wird in einer Ladedruckregelung der Brennkraftmaschine der Minimaldruckwert zeitweise als Soll-Ladedruck verwendet. Bevorzugt wird in dem Schubbetriebsmodus ein Begrenzer in der Ladedruckregelung verwendet, welcher den Soll-Ladedruck nach unten auf den Minimaldruckwert begrenzt. Auf diese Weise kann der Ladedruck sehr einfach auf den Minimaldruckwert begrenzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladedruck geregelt wird, indem ein Drosselmittel, insbesondere eine Drosselklappe, im Ladepfad der Brennkraftmaschine als Stellglied angesteuert wird. Der Ladedruck hängt dabei von der Stellung des Drosselmittels ab, insbesondere da die durch extern angreifende Drehmomente angetriebene Brennkraftmaschine quasi als Luftpumpe wirkt und Umgebungsluft durch die Brennräume und somit auch durch den Ladepfad fördert. Das Drosselmittel wirkt als stauendes Element, wobei insbesondere der Ladedruck stromabwärts desselben, also hinter dem Drosselmittel, stark abfallen kann, wenn das Drosselmittel zu weit geschlossen ist. Die hier vorgeschlagene Begrenzung des Ladedrucks auf den Minimaldruckwert bewirkt somit, dass das Drosselmittel in dem Schubbetriebsmodus weiter geöffnet wird, als wenn die Begrenzung nicht vorgesehen wäre, sodass ein zu starkes Absinken des Ladedrucks verhindert wird. Der Ladedruck wird bevorzugt mittels eines Drucksensors gemessen, der stromabwärts des Drosselmittels in dem Ladepfad angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Minimaldruckwert zwischen mindestens 0,1 bar bis höchstens 0,5 bar, vorzugsweise zu 0,3 bar, jeweils absolut, gewählt wird. Diese Werte haben sich als geeignet erwiesen, um einen raschen Aufbau des Ladedrucks beim Umschalten von dem Schubbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus zu gewährleisten, wobei typischerweise ab 0,3 bar Ladedruck eine Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine möglich ist.
Insbesondere wird im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens durch die Begrenzung des Ladedrucks nach unten sichergestellt, das beim Wiedereinsetzen der Brennstoffzufuhr in die Brennräume der Brennkraftmaschine eine stabile Verbrennung garantiert wird und somit Zündaussetzer vermieden werden. Damit kann zugleich vermieden werden, dass sich ein explosionsfähiges Gemisch in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine bildet.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise in ihrem Ladepfad ein Drosselmittel, insbesondere eine Drosselklappe auf, das zur Durchführung des Verfahrens als Stellglied zur Regelung des Ladedrucks ansteuerbar ist, wobei ein Drucksensor zur Messung des Ladedrucks bevorzugt in dem Ladepfad stromabwärts des Drosselmittels angeordnet ist.
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens. Besonders bevorzugt ist das Verfahren in das zentrale Steuergerät der Brennkraftmaschine implementiert.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen, insbesondere Schleppern. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Schifffahrzeug geschaffen wird, welches eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. In Zusammenhang mit dem Schifffahrzeug ergeben sich dabei insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Brennkraftmaschine beschrieben wurden.
Das Schifffahrzeug ist bevorzugt als Schlepper, insbesondere als Hafenschlepper, ausgebildet. Insbesondere bei dieser Anwendung ergeben sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schifffahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, und
3 eine schematische Detaildarstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schifffahrzeugs 1, das bevorzugt als Schlepper, insbesondere als Hafenschlepper, ausgebildet ist. Das Schifffahrzeug 1 weist eine Brennkraftmaschine 3 auf, die eingerichtet ist zur Durchführung eines im Folgenden noch näher beschriebenen Verfahrens. Die Brennkraftmaschine 3 ist bevorzugt als Hubkolbenmaschine ausgebildet und weist wenigstens einen Brennraum, hier eine Mehrzahl von Brennräumen 5 auf, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet ist.
Die Brennkraftmaschine 3 weist außerdem einen Ladepfad 7 auf, über den den Brennräumen 5 Verbrennungsluft, die auch als Ladeluft bezeichnet wird, zuführbar ist. In dem Ladepfad 7 ist bevorzugt ein Drosselmittel 9, hier insbesondere eine Drosselklappe, angeordnet, außerdem ein Drucksensor 11 zur Messung eines Ladedrucks in dem Ladepfad 7, wobei der Drucksensor 11 stromabwärts des Drosselmittels 9 angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 3 weist außerdem ein Steuergerät 13 auf, das eingerichtet ist zur Durchführung des im Folgenden noch näher beschriebenen Verfahrens. Das Steuergerät 13 ist vorzugsweise mit dem Drucksensor 11 und bevorzugt mit dem Drosselmittel 9 wirkverbunden, um einerseits den Drucksensor 11 auszulesen und andererseits das Drosselmittel 9 anzusteuern.
Die Brennkraftmaschine 3 ist hier außerdem mit einer Abtriebswelle 15 wirkverbunden, die ihrerseits mit einem Propeller 17 antriebswirkverbunden ist. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine 3 an dem Propeller 17 ein Drehmoment erzeugen, welches letztlich zu einem Antrieb des Schifffahrzeugs 1 führt.
Im Betrieb des Schifffahrzeugs 1 kann eine sogenannte Schubbetriebsart auftreten, bei welcher das Schifffahrzeug 1 nicht durch eigene Kraft, also nicht mittels eines durch die Brennkraftmaschine 3 aufgebrachten Drehmoments, sondern vielmehr durch externe Kräfte oder Momente bewegt wird. Insbesondere ist es möglich, dass das Schifffahrzeug 1 geschoben oder gezogen wird. Durch die sich im Bereich des Propellers 17 ergebende Wasserströmung wird in diesem Fall ein externes Drehmoment über den Propeller 17 in die Abtriebswelle 15 und letztlich in die Brennkraftmaschine 3 eingeleitet. In diesem Fall soll eine Brennstoffzufuhr zu den Brennräumen 5 unterbrochen werden, sodass die Brennkraftmaschine 3 nicht zusätzlich beschleunigt wird und keinen zusätzlichen Vortrieb für das Schifffahrzeug 1 erzeugt.
Um rasch von einem für die Schubbetriebsart gewählten Schubbetriebsmodus in einen Normalbetriebsmodus umschalten zu können, dabei eine stabile Verbrennung zu gewährleisten und insbesondere Zündaussetzer zu vermeiden, ist vorgesehen, ein zu starkes Absinken des Ladedrucks in dem Schubbetriebsmodus zu verhindern.
Es wird daher hier ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 3 vorgeschlagen, bei dem die Brennkraftmaschine 3 in ihrem Betrieb auf das Auftreten der Schubbetriebsart hin überwacht wird, wobei dann, wenn die Schubbetriebsart festgestellt wird, in den Schubbetriebsmodus geschaltet wird, und wobei in dem Schubbetriebsmodus die Brennstoffzufuhr zu den Brennräumen 5 der Brennkraftmaschine 3 unterbunden wird, und wobei der Ladedruck in dem Ladepfad 7 der Brennkraftmaschine 3 nach unten auf einen von Null verschiedenen Minimaldruckwert begrenzt wird.
In dem Normalbetriebsmodus wird der Ladedruck dagegen in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten Leistungsvorgabeparameter, insbesondere in Abhängigkeit von einem Soll-Drehmoment, gewählt und insbesondere eingestellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 3.
Im Rahmen des Verfahrens wird in einem ersten Schritt S1 - vorzugsweise fortlaufend - geprüft, ob die Schubbetriebsart vorliegt. Die Schubbetriebsart wird insbesondere festgestellt, wenn eine momentane Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine 3, vorzugsweise um eine vorbestimmte Drehzahl-Differenz von besonders bevorzugt 30 U/min - größer ist als eine momentane Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 3, und/oder - vorzugsweise und - wenn ein momentanes Drehmoment der Brennkraftmaschine 3 kleiner ist als ein erster, vorzugsweise negativer, Drehmoment-Grenzwert. Der erste Drehmoment-Grenzwert wird bevorzugt zwischen -150 Nm und -75 Nm gewählt, besonders bevorzugt wird er zu -100 Nm gewählt. Das momentane Drehmoment kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Brennraumdruck oder Brennraum druckverlauf berechnet oder aus einem Kennfeld ausgelesen werden. Das momentane Drehmoment kann grundsätzlich auch auf jede andere geeignete Weise festgestellt werden.
Es ist möglich, dass die Schubbetriebsart zusätzlich oder alternativ festgestellt wird, wenn ein zweiter Leistungsvorgabeparameter, beispielsweise das Soll-Drehmoment für die Brennkraftmaschine, ein Soll-Ladedruck, oder ein anderer geeigneter, für eine Leistungsvorgabe für die Brennkraftmaschine 3 charakteristischer Parameter, kleiner ist als ein erster Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert. Die Schubbetriebsart wird insbesondere festgestellt, wenn die momentane Soll-Drehzahl die Leerlauf-Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 ist, und zugleich die momentane Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine größer ist als diese.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schubbetriebsart festgestellt wird, wenn zumindest eine der vorgenannten Bedingungen für eine vorbestimmte Zeitdauer - insbesondere ununterbrochen - erfüllt ist.
Wird in dem ersten Schritt S1 die Schubbetriebsart festgestellt, wird in einem zweiten Schritt S2 in den Schubbetriebsmodus geschaltet. Die Brennstoffzufuhr in die Brennräume 5 der Brennkraftmaschine 3 wird dann unterbunden, und der Ladedruck wird auf den Minimal druckwert begrenzt. Wird dagegen in dem ersten Schritt S1 festgestellt, dass die Schubbetriebsart momentan nicht gegeben ist, wird die Brennkraftmaschine 3 in einem dritten Schritt S3 in dem Normalbetriebsmodus betrieben.
In einem vierten Schritt S4 wird - vorzugsweise fortlaufend und dauerhaft - in dem Schubbetriebsmodus geprüft, ob die Schubbetriebsart noch vorliegt. Dabei wird insbesondere geprüft, ob ein dritter Leistungsvorgabeparameter größer ist als ein zweiter Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert. Insbesondere wird bevorzugt geprüft, ob der Soll-Ladedruck für die Brennkraftmaschine als dritter Leistungsvorgabeparameter größer ist als ein Soll-Ladedruckgrenzwert als zweiter Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert. Dabei wird als zweiter Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert besonders bevorzugt der Minimaldruckwert verwendet.
Alternativ oder zusätzlich - vorzugsweise zusätzlich - wird in dem vierten Schritt S4 bevorzugt geprüft, ob das momentane Drehmoment größer ist als ein zweiter Drehmoment-Grenzwert. Dieser zweite Drehmoment-Grenzwert wird bevorzugt von dem ersten Drehmoment-Grenzwert verschieden gewählt, insbesondere größer als der erste Drehmoment-Grenzwert. Besonders bevorzugt wird der zweite Drehmoment-Grenzwert zwischen -75 Nm und -25 Nm, vorzugsweise zu -50 Nm, gewählt. Auf diese Weise kann eine Hysterese zwischen dem Umschalten aus dem Normalbetriebsmodus in den Schubbetriebsmodus einerseits und dem Rückschalten aus dem Schubbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus andererseits gewährleistet werden.
Wird in dem vierten Schritt S4 festgestellt, dass die Schubbetriebsart noch vorliegt, wird das Verfahren in dem zweiten Schritt S2 fortgesetzt und der Schubbetriebsmodus beibehalten. Wird dagegen festgestellt, dass die Schubbetriebsart nicht mehr vorliegt, wird bevorzugt in dem dritten Schritt S3 der Betrieb der Brennkraftmaschine 3 in den Normalbetriebsmodus umgeschaltet.
Das in 2 skizzierte Verfahren wird vorzugsweise fortwährend und dauerhaft während des Betriebs der Brennkraftmaschine 3 durchgeführt.
3 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 3. Dabei wird hier insbesondere dargestellt, auf welche Weise bevorzugt der Ladedruck in dem Ladepfad 7 der Brennkraftmaschine 3 nach unten auf den Minimaldruckwert begrenzt wird.
Dargestellt ist insbesondere eine Regelungsstrategie zur Regelung des Ladedrucks, der durch einen ersten Regler 19 geregelt wird. Ein Sollwert für den ersten Regler 19 wird bestimmt, indem zunächst eine Drehzahldifferenz Δn zwischen einer momentanen Ist-Drehzahl n_i und einer momentanen Soll-Drehzahl n_s , die vorzugsweise die Leerlauf-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 3 ist, gebildet wird. Diese Drehzahldifferenz Δn geht in einen zweiten Regler 21 ein, der als Ausgangsgröße ein Soll-Drehmoment M_s aufweist. Dieses wird in dem zweiten Regler 21 bevorzugt auf Null begrenzt, sodass kein negatives Soll-Drehmoment erzeugt wird.
In einem Berechnungsglied 23 wird in Abhängigkeit von dem Soll-Drehmoment ein Soll-Ladedruck p_s berechnet, der an einen Begrenzer 25 ausgegeben wird. In dem Begrenzer 25 wird der Soll-Ladedruck p_s mit einem vorbestimmten Minimaldruckwert p_s,s für den Schubbetriebsmodus verglichen, wobei der Begrenzer 25 als Ausgangswert jeweils den größeren Wert, ausgewählt aus dem Soll-Ladedruck p_s und dem Minimaldruckwert p_s,s aufweist. Dieser Ausgangswert des Begrenzers 25 wird anschließend mit einem mittels des Drucksensors 11 gemessenen Ist-Ladedruck p_i verglichen, und hieraus wird ein Differenz-Ladedruck Δp berechnet, der als Eingangsgröße in den ersten Regler 19 eingeht.
Der erste Regler 19 weist als Ausgangsgröße ein Stellsignal 27 auf, mit dem hier zur Regelung des Ladedrucks das Drosselmittel 9, insbesondere also die Drosselklappe, angesteuert wird.
Insbesondere der Begrenzer 25 ist in dem Schubbetriebsmodus vorgesehen und kann gegebenenfalls im Normalbetriebsmodus entfallen. Im Normalbetriebsmodus wird der Ladedruck dann in Abhängigkeit von dem Soll-Drehmoment M_s als Leistungsvorgabeparameter bestimmt.
Ohne den Begrenzer 25 würde dann, wenn die Ist-Drehzahl n_i größer ist als die Soll-Drehzahl n_s , das Soll-Drehmoment M_s durch die Begrenzung in dem zweiten Regler 21 auf Null gesetzt, wodurch letztlich in dem Berechnungsglied 23 auch der Soll-Ladedruck p_s zu Null berechnet würde. Dies würde dazu führen, dass im Ergebnis das Drosselmittel 9 vollständig oder zumindest weitgehend geschlossen wird, sodass der Ladedruck unter den Minimaldruckwert absinken könnte.
Durch den Begrenzer 25 wird statt eines kleineren Soll-Ladedrucks p_s stets der Minimaldruckwert p_s,s gesetzt, wobei dieser besonders bevorzugt zu 0,3 bar (absolut) gewählt wird. Dies führt im Ergebnis dazu, dass das Drosselmittel 9 weiter geöffnet bleibt, als wenn der Begrenzer 25 nicht vorhanden wäre, sodass auch der Ladedruck in dem Ladepfad 7 weniger stark absinkt.
Der Ladedruck wird also in dem Schubbetriebsmodus insbesondere auf den Minimaldruckwert p_s,s geregelt. Dies geschieht insbesondere, indem das Drosselmittel 9 in dem Ladepfad 7 der Brennkraftmaschine 3 als Stellglied angesteuert wird.
Es ist auch möglich, dass der Minimaldruckwert zwischen 0,1 bar und 0,5 bar gewählt wird.
Es ist auch möglich, dass der Begrenzer 25 im Normalbetriebsmodus nicht entfällt, sondern vielmehr bestehen bleibt, insbesondere da er in diesem Betriebsmodus funktionslos sein sollte, da der Soll-Ladedruck p_s im Normalbetriebsmodus typischerweise einen größeren Wert aufweisen sollte, als der Minimaldruckwert p_s,s .
Insgesamt kann mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren, der Brennkraftmaschine 3 und dem Schifffahrzeug 1 ein schneller Aufbau des Ladedrucks beim Umschalten von dem Schubbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus erreicht werden, wobei eine zuverlässige Verbrennung gewährleistet und die Bildung eines explosionsfähigen Gemischs im Abgasstrang der Brennkraftmaschine 3 vermieden werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060218 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (3), wobei - die Brennkraftmaschine (3) im Betrieb auf das Auftreten einer Schubbetriebsart hin überwacht wird, wobei - wenn eine Schubbetriebsart festgestellt wird, in einem Schubbetriebsmodus - eine Brennstoffzufuhr in Brennräume (5) der Brennkraftmaschine (3) unterbunden, und - ein Ladedruck in einem Ladepfad (7) der Brennkraftmaschine (3) auf einen von Null verschiedenen Minimaldruckwert (p_s,s) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck in einem Normalbetriebsmodus in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten Leistungsvorgabeparameter gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubbetriebsart festgestellt wird, wenn a) eine momentane Ist-Drehzahl (n_i) der Brennkraftmaschine (3) - vorzugsweise um eine vorbestimmte Drehzahl-Differenz - größer ist als eine momentane Soll-Drehzahl (n_s) für die Brennkraftmaschine (3), und/oder b) ein momentanes Drehmoment der Brennkraftmaschine (3) kleiner ist als ein erster Drehmoment-Grenzwert, und/oder c) ein zweiter Leistungsvorgabeparameter kleiner ist als ein erster Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubbetriebsart festgestellt wird, wenn die momentane Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine (3) - vorzugsweise um die vorbestimmte Drehzahl-Differenz - für eine vorbestimmte Zeitdauer größer ist als die momentane Soll-Drehzahl (n_s) für die Brennkraftmaschine (3), und/oder wenn das momentane Drehmoment der Brennkraftmaschine (3) für die vorbestimmte Zeitdauer kleiner ist als der erste Drehmoment-Grenzwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Normalbetriebsmodus geschaltet wird, wenn a) ein dritter Leistungsvorgabeparameter größer ist als ein zweiter Leistungsvorgabeparameter-Grenzwert, und/oder b) das momentane Drehmoment größer ist als ein zweiter Drehmoment-Grenzwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck in dem Schubbetriebsmodus auf den Minimaldruckwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck geregelt wird, indem ein Drosselmittel (9) im Ladepfad (7) der Brennkraftmaschine (3) als Stellglied angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimal druckwert von mindestens 0,1 bar bis höchstens 0,5 bar, vorzugsweise zu 0,3 bar, gewählt wird.
Brennkraftmaschine (3), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Schifffahrzeug, insbesondere Schlepper, mit einer Brennkraftmaschine (3) nach Anspruch 9.