DE2318925C3 - Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine zum Betrieb mit einer Sauerstoff-Abgasmischung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine zum Betrieb mit einer Sauerstoff-Abgasmischung, mit einer die Abgasleitung mit der Ansaugleitung verbindenden Kreislaufleitung für Abgas, einem in dieser angeordneten Abgaskühler, einem über eine Zweigleitung mit der Kreislaufleitung verbundenen Abgaskompressor, einer mit dessen Druckseite verbundenen Abführleitung für verdichtetes Abgas, Ventilvorrichtüngen zur Regelung des Kreislaufgasdruckes, einer mit der Ansaugleitung verbundenen Sauerstoffzuleiüung sowie einem darin angeordneten, in Abhängigkeit von einem Parameter des Kreislaufgases betätigten Sauerstoff-Regelventil.

Die aus der Zeitschrift »MTZ«, 1954, S. 33 bis 35, bekannte Regeleinrichtung der vorgenannten Art verwendet zur Steuerung des Druckes im Kreislauf ein in der zur Saugseite des Abgaskompressors führenden Zweigleitung angeordnetes Druckregelventil, das in Abhängigkeit von einem barometrisch gesteuerten Abgas-Druckregler betätigt wird. Bei der vorbekannten Konstruktion wird ferner das Sauerstoff-Regelventil durch einen Differenzdruckregler gesteuert, welcher den Sauerstoffdruck und den Abgasdruck auf die gleiche Höhe einstellt Bei der bekannten Vorrichtung wird jedoch der Abgaskompressor je nach der Stellung des vorgeschalteten Auslaßventils sehr ungleichmäßig belastet und eine Korrektur des Kreislaufdruckes erst nach Auftreten einer erheblichen Abweichung verhältnismäßig langsam bewirkt Darüber hinaus ergibt die dabei angewendete Steuerung der Sauerstoffzufuhr durch einen Differenzdruckregler zur Einstellung gleicher Gasdrücke in der Kreislaufleitung und in der Sauerstoffleitung bei Veränderungen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine erhebliche Abweichungen im Sauerstoffgehalt des Ansauggases.
Aus der deutschen Patentschrift 8 26 988 ist ferner eine Regeleinrichtung ähnlicher Art bekannt, bei welcher das zugeführte Brennstoffvolumen durch einen Durchflußmengenmesser und die zugeführte Sauerstoffmenge durch einen Druckmesser gemessen wird, wobei die Brennstoffpumpe über ein Stellgestänge mit

(o ei' er Druckmimdervorrichtung mechanisch zusammenwirkt. Die deutsche Patentschrift 9 46 396 beschreibt schließlich eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Sauerstoffzufuhr bei unter Luftabschluß betriebenen Brennkraftmaschinen, bei welcher die Brennstoffzufuhr

('S durch eine Druckdifferenz ermittelt wird, worauf der gemessene Wert in einen hydraulischen Druck umgewandelt wird, der direkt das Sauerstoff-Regelventil betätigt. Auch bei diesen bekannten Konstruktionen erge-

ben sich bei Veränderungen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine unerwünschte Abweichungen im Sauerstoffgehalt des Ansauggases.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, weiche eine einfache, rasch wirkende und zuverlässige Steuerung des Kreislaufgasvolumens und der Sauerstoffzufuhr unter allen vorkommenden Betriebsbedingungen ermöglicht

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Regeleinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet daß die Druckseite des Abgaskompressors mit der Kreishufleitung durch eine mindestens ein Druckregelventil enthaltende Rückführleitung für einen zur Konstanthaltung des Kreislaufgasdruckes erforderlichen Teil des verdichteten Abgases in den Kreislauf verbunden ist an der Ansauggas-Zuleitung ein Sauerstoff-Istwertmesser zur Bestimmung der den Parameter bildenden Sauerstoffkonzentration im Aniauggas angeordnet ist und ein von diesem und einem Sauerstoff-Sollwertgeber beeinflußtes Steuergerät zur lollwertgemäßen Steuerung des Sauerstoff-Regelventils vorgesehen ist

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich eine Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens vorgesehen, wobei diese mit einer Vorrichtung zur Umwandlung des Eingangswertes für das zugeführte Brennstoffvolumen in einen Ausgangswert für das zu dessen Verbrennung theoretisch ei forderliche Sauerstoffvolumen verbunden ist und das Steuergerät diesen Ausgangswert entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert des Sauerstoff-Sollwertgebers und dem Istwert des Sauerstoff-Istwertmessers korrigiert Die Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens kann dabei vorteilhaft einen Drehzahlmesser, ein Meßgerät für die Stellung des Fördervolumen-Stellorgans der Brennstoffpumpe und einen Multiplikationsrechner aufweisen, der die Meßwerte des Drehzahlmessers und des Meßgerätes zu einem dem zugeführten Brennstoffvolumen äquivalenten Meßwert multipliziert. Statt dessen kann die Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens auch einen Brennstoff-Strömungsmesser aufweisen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Sauerstoff-Istwertmesser in einer Zweigleitung angeordnet sein, die eine in einer Ansauggas-Zuführleitung angeordnete Düse umgeht. Dabei ist vorteilhaft in der Zweigleitung in Strömungsrichtung vor dem Sauerstoff-Istwertmesser ein Kühler und ein Wasserabscheider angeordnet

An der Abgassammelleitung kann nahe dem Auslaß der Saugleitung ein Abgas-Überströmventil angeordnet sein, daß bei niedriger Belastung öffnet und zum Ausgleich einer verringerten Ansauggas-Vorwärmung einen Teil des Abgases direkt in die Ansauggas-Zuleitung überströmen läßt

In weiterer Ausgestaltung kann die Kreislaufleitung einen Sauerstoff-Mischbehälter, ein in Strömungsrichtung vor diesem angeordnetes Absperrventil, ein in Strömungsrichtung vor diesem angeordnetes Sicherheitsventil und eine zwischen dem Absperrventil und dem Sauerstoff-Mischbehälter mündende Zuleitung für Preßluft oder Inertgas aufweisen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Regelvorrichtungen für die Sauerstoffzufuhr.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine ί in einem Maschinenraum 2 angeordnet. Das Abgas der Maschine 1 strömt durch eine Abgassammelleitung 3 in einen Abgaskühler 4 und wird in diesem auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei durch die Verbrennung entstandener Wasserdampf kondensiert Das abgekühlte Abgas wird durch eine Abgasleitung in einen Wasserabscheider 6 geleitet, in welchem das kondensierte Wasser abgetrennt wird. Ein dem bei der Verbrennung erzeugten Kohlendioxidgas entsprechender Anteil des entwässerten Abgases wird durch eine Kreislaufleitung 7 und eine Kompressor-Ansaugleitung 8 einem Abgaskompressor 9 zugeführt und nach seiner Verdichtung durch eine Kompressor-Druckleitung 10 und ein Rückschlagventil 11 gegen einen der Wassertiefe entsprechenden äußeren Wasserdruck aus dem Kühlraum 2 nach außen abgeführt. Das verbleibende entwässerte Abgas wird als Kreislaufgas durch die Kreislaufleitungen 7 und 12 in einen Sauerstoff-Mischbehälter 13 eingeführt und in diesem mit Sauerstoff vermischt, der aus einem Sauerstoffbehälter 15 über eine Sauerstoffzuleitung 29 und ein in dieser angeordnetes Sauerstoff-Regelventil 14 zugeführt wird. Das auf diese Weise erzeugte sauerstoffhaltige Ansauggas wird über eine Ansauggas-Zuleitung 16, einen Ansauggas-Vorwärmer 17 und eine Ansaugleitung 18 in die Brennkraftmaschine gesaugt und zur Verbrennung eines Brennstoffes benutzt, der aus einem Brennstofftank 19 über eine Brennstoffzuleitung 34 und eine Brennstoffpumpe 20 zugeführt wird. Die in der Maschine erzeugte Kraft treibt eine mit einer Antriebswelle 21 verbundene Lastvorrichtung 22 und über Riemenscheiben 23 und 24 auch den Abgaskompressor 9 an.

Die Ansauggas-Zuleitung 16 ist weiterhin durch eine Luftansaugleitung 31 mit einem Lufteinlaßventil 25 verbunden. Von der Kompressor-Ansaugleitung 8 führt eine Auspuffleitung 32 zu einem Auspuffventil 26. Zwischen den Kreislaufleitungen 7 und 12 ist ein Umschaltventil 28 angeordnet. In der Sauerstoffzuleitung 29 ist ein absperrbares Sauerstoff-Einlaßventil 30 vorgesehen. Durch einen Schwimmerschalter 27 werden jeweils das Lufteinlaßventil 25 und das Auspuffventil 26 automatisch geöffnet und das Umschaltventil 28 und das Sauerstoff-Einlaßventil 30 geschlossen, wenn der Maschinenraum an der Wasseroberfläche auftauch;. Bei dem sich anschließenden atmosphärischen Betrieb wird durch die Luftansaugleitung 31 Luft angesaugt und das Abgas durch die Auspuffleitung 32 abgeführt. Durch Schließen eines in der Brennstoffzuleitung 34 angeordneten Brennstoffventils 22 kann die Maschine 1 stillgesetzt werden.

Die vorstehend beschriebene Brennkraftmaschine zum Betrieb mit einer Sauerstoff-Abgasmischung besitzt Regelvorrichtungen für das Kreislaufgasvolumen und die Sauerstoffzufuhr.

Zur Regelung des K.reislaufgasvolumens wird eine dem bei der Verbrennung des Brennstoffes in der Maschine 1 erzeugten Kohlendioxidgas entsprechende Abgasmenge aus dem Gaskreislauf (Abgas, Kreislaufgas, Ansauggas) abgeführt, so daß der Gasdruck im Kreislauf zur Erzielung eines stabilen Belriebszustandes auf einem vorbestimmten Wert konstant gehalten wird. Hierzu wird ein Anteil des Abgases verdichtet, der etwas größer ist als die bei Maximalbelastung der

Maschine 1 überschüssige Abgasmenge. Jeweils ein Teil des verdichteten Abgases wird über ein Abgas-Druckregelventil 35 und ein Konstantdruck-Regelventil 37 in das Kreislaufgas-System zurückgeführt. Dies kann über eine beliebige von der Abgasleitung zur Ansaugleitung führende Verbindungsleitung erfolgen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist diese mit dem oberen Teil des Wasserabscheiders 6 verbunden. Das Konstantdruck-Regelventil 37 arbeitet auf der Grundlage des absoluten Druckes innerhalb eines thermostatischen Luftbehälters 36, so daß der Gasdruck an dieser Stelle, bezogen auf den Absolutdruck, konstant gehalten wird. Das restliche (d.h. überschüssige), verdichtete Abgas wird aus der Kompressor-Druckleitung 10 über das Rückschlagventil 11 aus dem Maschinenraum 2 nach außen abgeführt. Da der vom Abgaskompressor 9 erzeugte Gasdruck selbst bei geringen Wassertiefen höher sein muß als der Druck des Kreislaufgases, muß der Schließdruck des Rückschlagventils 11 entsprechend eingestellt werden. Da bei geringen Wassertiefen der Abgabedruck des Abgaskompressors 9 niedrig ist, kann dabei auf die vorstehend beschriebene zweistufige Druckregelung, d. h. das Abgasdruckregelventil 35, verzichtet werden. Die Verwendung der vorgeschlagenen Regelvorrichtungen macht die Anwendung der bisher verwendeten komplizierten Mechanismen, wie eine Drehzahlregelung und eine Abgas-Strömungsregelung für den Abgaskompressor überflüssig, so daß die aus diesen herrührenden Schwierigkeiten vermieden werden und mit geringem Aufwand eine sehr verläßliche Regelung erzielt wird.

Zur Regelung der Sauerstoffzufuhr wird der Sauerstoff mittels eines in der Sauerstoffzuleitung 29 angeordneten Sauerstoff-Druckregelventils mit konstantem Druck dem Sauerstoff-Strömungsregelventil 14 zugeführt, welches das zugeführte Sauerstoffvolumen in Abhängigkeit von einer in F i g. 2 dargestellten Steueranordnung regelt.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung wird die in der Ansauggas-Zuleitung 16 vorliegende Sauerstoffkonzentration durch einen elektrisch arbeitenden Sauerstoff-Istwertmesser 39 ermittelt, dessen elektrischer Meßwert einem Steuergerät 40 zugeführt wird, das seinerseits mit einem Sauerstoff-Sollwertgeber 41 verbunden ist, an dem ein vorbestimmter Sollwert für die Sauerstoffkonzentration in der Ansauggas-Zuleitung 16 eingestellt wird. Das Ausgangssigna! des Steuergerätes 40 wird jeweils so korrigiert, daß sich die Sauerstoffkonzentration in der Ansauggas-Zuleitung 16 dem Sollwert nähert Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangssignal in einem Umwandler 42 in einen Strömungsmitteldruck umgesetzt, welcher das Sauerstoff-Regelventil steuert und damit die Zufuhr des vorbestimmten Sauerstoffvolumens sicherstellt Obgleich die Sauerstoffkonzentration durch den Sauerstoff-Istwertmesser 39 elektrisch abgetastet und des Meß-Signal und das Ausgangssignal des Sauerstoff-Sollwertgebers 41 im Steuergerät 40 elektrisch umgesetzt und dessen Ausgangssignal in einen Strömungsmitteldruck umgewandelt wird, können alle Regelvor- f>o gänge oder beliebige derselben durch ein Druckmedium oder durch mechanische Mittel bewirkt werden. Durch die Anwendung dieser Regelvorrichtungen kann die Sauerstoffkonzentration im Ansauggas auf einfache Weise zuverlässig auf dem vorbestimmten Sollwert gehalten werden.

Zusätzlich zu den vorstehend erläuterten Vorrichtungen besitzt die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform weitere Regelvorrichtungen, um Verzögerungen der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Sauerstoff-Istwertmesser auszuschalten. Wenn in der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration erhebliche Verzögerungen eintreten, führt dies bei plötzlichen Veränderungen im Betriebszustand der Maschine 1 infolge der Verzögerung in der Nachregelung der Sauerstoffzufuhr dazu, daß die tatsächliche Sauerstoffkonzentration vorübergehend zu hoch oder zu tief liegt, was einen zuverlässigen und stabilen Betrieb erschwert Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist daher ein elektrisch arbeitender Drehzahlmesser 43 und ein Brennstoffzufuhr-Meßgerät 44 vorgesehen, welches die Stellung eines mit der Brennstoffpumpe 20 verbundenen Versteilorgans, beispielsweise einer Zahnstange, abtastet. Der Drehzahlmesser 43 und das Meßgerät 44 sind am Ende der Antriebswelle 21 der Maschine 1 angeordnet und mit einem Multiplikationsrechner 45 verbunden, welcher ihre Ausgangssignale zur indirekten Bestimmung des zugeführten Sauerstoffvolumens multipliziert. Das Ergebnis wird dem Steuergerät 40 zur Durchführung einer Eingang-Ausgang-Umwandlung entsprechend dem zum vollständigen Verbrennen des zugeführten Brennstoffvolumens theoretisch erforderlichen Sauerstoffvolumen zugeführt, wobei ein dem zugeführten Brennstoffvolumen entsprechendes elektrisches Signal erhalten wird, das durch den Umwandler 42 in den Druck eines Druckmediums umgewandelt wird, welcher das Sauerstoff-Regelventil 14 im Sinne einer dem zugeführten Brennstoffvolumen entsprechenden Sauerstoffzufuhr regelt.

Durch Verwendung dieser Regelvorrichtungen treten selbst bei plötzlichen Änderungen im Betriebszustand der Maschine 1 nur geringe Verzögerungen auf jedoch können Fehler in der Drehzahlmessung und der Bestimmung der Stellung der das Fördervolumen regelnden Zahnstange der Brennstoffpumpe 20 und det Anpassung der Eingang-Ausgang-Umwandlung irr Multiplikationsrechner und dem Steuergerät sich während einer langen Betriebsdauer so summieren, daß die Sauerstoffkonzentration im Ansauggas zu hoch oder zi tief werden kann. Deshalb wird die tatsächliche Sauer Stoffkonzentration im Ansauggas durch den an der An sauggas-Zuleitung 16 angeordneten Sauerstoff-Istwert messer 39 gemessen und der Meßwert ebenfalls in da: Steuergerät 40 eingespeist Hierdurch wird die Ein gang-Ausgang-Umwandlung im Steuergerät 40 so an gepaßt daß die Sauerstoffkonzentration dem durcl den Sauerstoff-Sollwertgeber 41 eingestellten Sollwer entspricht. Durch diese Einstellung wird eine KontrolK des Sauerstoff-Regelventils erzielt und durch die Kon trolle der Sauerstoffkonzentration im Ansauggas dii Gefahr ausgeschaltet, daß die Sauerstoffkonzentratioi im Ansauggas bei langer Betriebsdauer zu hoch an steigt oder zu weit abfällt Dies gewährleistet eine ver besserte Regelung.

Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Re gelvorrichtungen wird das zugeführte Brennstoffvölu men indirekt auf der Basis der Drehzahl der Maschini und der Stellung des das Fördervolumen der Brenn stoffpumpe steuernden Verstellorgans ermittelt. Stat dessen kann in der in F i g. 1 dargestellten Weise zu direkten Messung des zugeführten Brennstoffvolumen auch in der Brennstoffzuleitung 34 ein Brennstoff-Strö mungsmesser 46 angeordnet werden, dessen Meßwer direkt in das Steuergerät 40 eingespeist wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsforr wird das zugeführte Brennstoffvolumen elektrisch er

mittelt, die Meßdaten auf elektrischem Wege umgewandelt und das Ausgangssignal durch den Umwandler 42 in einen Druck umgewandelt, welcher das Sauerstoff-Regelventil 14 steuert. Statt dessen können jedoch auch alle Arbeitsgänge elektrisch oder einzelne s oder mehrere von ihnen durch ein Druckmedium oder mechanische Mittel durchgeführt werden.

Der Sauerstoff-Istwertmesser 39 kann mit seinem Meßkopf zur direkten Berührung mit dem Ansauggas in die Ansauggas-Zuleitung 16 eingebaut werden, wobei jedoch durch Ablagerung von Wasserdampf und Kohlenstoffschlamm aus dem Ansauggas und durch den Einfluß der Temperatur des Ansauggases Meßfehler entstehen können. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform wird daher in der Ansauggas-Zuleitung 16 eine Düse 47 angeordnet und der durch diese im Ansauggas erzeugte Druckabfall dazu ausgenutzt, einen Teil des Ansauggases durch eine oberhalb der Düse 47 angeordnete Zweigleitung 48 über einen Kühler 49 und einen Wasserabscheider 50 dem Meßkopf des Sauerstoff-Istwertmessers 39 zuzuführen und von dort über eine Rückleitung 51 in die Ansauggas-Zuleitung zurückzuleiten. Auf diese Weise können Meßfehlerquellen ausgeschaltet werden.

Da das im Sauerstoff-Mischbehälter 13 erzeugte Ansauggas im wesentlichen aus dem als Verbrennungsprodukt anfallenden Kohlendioxidgas in Mischung mit gesättigtem Wasserdampf und dem zur Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen Minimalvolumen Sauerstoff besteht, ist das Verhältnis der spezifischen Wärme gering, so daß die Kompressionstemperatur in der Maschine abfällt und eine zufriedenstellende Zündung und Verbrennung des Brennstoffes beeinträchtigt wird. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit kann die Kompressionstemperatur des Ansauggases durch Vorwärmen erhöht werden. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform wird daher der Ansauggas-Vorwärmer 17 benutzt, der die mit den Abgaszweigleitungen 52 der Maschine 1 verbundene Abgassammelleitung 3, eine Mehrzahl von auf dessen Umfangsfläche angeordneten Rippen 53 und einen diese umschließenden, gleichzeitig als Windkessel dienenden Ansaugbehälter

54 aufweist. Das Ansauggas wird daher beim Durchströmen des Ansaugbehälters 54 im Kontakt mit den zahlreichen Rippen 53 durch das heiße Abgas mit hohem Wirkungsgrad vorgewärmt, so daß seine Temperatur rasch ansteigt und die vorgenannten Schwierigkeiten beseitigt werden. Dadurch wird darüber hinaus ein unerwünschter Temperaturanstieg im Maschinenraum 2 durch die von der Abgassammeileitung 3 bei hoher Temperatur ausgehende Strahlungswärme verhindert und die Haltbarkeit der Teile verbessert. Zur weiteren Steigerung dieser Wirkung kann der Ansaugbehälter 54 auch die Abgaszweigleitungen 52 umschließen. Die Wärmeübergangsfläche des Ansauggas-Vorwärmers muß so bestimmt werden, daß bei Maximalbelastung der Maschine 1 im Ansauggas die vorbestimmte Temperatur erreicht wird. Da bei niedriger Belastung die Temperatur des Abgases sinkt, wird auch die Temperatur des Ansauggases verringert. Bei niedriger Belastung sind daher die Verbrennungsbedingungen ungünstiger als bei hoher Belastung. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit kann das Ansaug-Auslaßteil

55 des Ansaugbehälters 54 mit einem Abgas-Überströmventil 56 versehen sein, das bei einem Temperaturabfall im Ansauggas während niedriger Belastung öffnet und zum Ausgleich der verringerten Ansauggas-Vorwärmung einen Teil des Abgases direkt in das Ansauggas überströmen läßt, so daß auf diese Weise die Temperatur des Ansauggases erhöht wird. Zur Steuerung des Abgas-Überströmventils 56 können hauptsächlich drei Methoden verwendet werden.

Einerseits kann die Temperatur des Ansauggases in dem Teil der Ansaugleitung 18, der der Maschine 1 näherliegt als dem Abgas-Überströmventil 56, gemessen und zur Steuerung des Öffnungsgrades des Abgas-Überströmventils verwendet werden, um die Temperatur des Ansauggases konstant zu halten.

Andererseits kann das Abgas-Überströmventil 56 bei Vollast der Maschine 1 in seiner Schließstellung, bei niedriger Belastung in seiner Offenstellung und bei Teillast in einer mittleren Öffnungsstellung gehalten oder alternierend geöffnet und geschlossen werden. In diesem Falle muß die Stellung bei Teillast unter Berücksichtigung der zulässigen Maximaltemperatur des Ansauggases bei voller öffnung und der zulässigen Minimaltemperatur des Ansauggases bei vollständiger Schließung des Abgas-Überströmventils 56 bestimmt werden. In einigen Fällen ist es dabei notwendig, eine zweistufige Regelung zwischen einer vollständigen Schließstellung, einer mittleren Öffnungsstellung und einer vollen Öffnungsstellung anzuwenden. Die Belastung der Maschine 1 kann dabei durch die Stellung des Fördervolumen-Stellorgans der Brennstoffpumpe 20 oder durch ein Produkt aus diesem Meßwert und der Maschinendrehzahl bestimmt werden.

Schließlich kann das Abgas-Überströmventil 56 auch unter Ausnutzung des Umstandes gesteuert werden, daß sich die Abgassammelleitung 3 mit zunehmender Belastung infolge des Anstieges der Temperatur des Abgases mehr oder weniger stark thermisch ausdehnt.

Durch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Ansauggas-Vorwärmers 17 ist das Ansauggas speziell während der Phase hoher Belastung frei von durch Überströmung eingespeistem Abgas, und zum Erreichen der Ansaugtemperatur braucht nicht wie bisher die gesamte Wärme durch Überströmen von Abgas zugeführt zu werden. Hierdurch können die beim Überströmen von Abgas durch Ablagerungen von Schwefeloxiden, verbrannten Kohlenstoffresten usw. verursachten Schaden an der Maschine und dem Kreislaufgas-System weitgehend verringert werden.

Selbst bei Verwendung des vorstehend beschriebenen Ansauggas-Vorwärmers 17 steigt die Temperatur des Ansauggases während des Anlassens oder nach dem Anlassen der Maschine 1 nicht hinreichend an, da die Ansaugleitung 18 eine große Wärmekapazität besitzt. Da dabei die Drehzahl der Maschine noch gering ist, wird der Brennstoff wegen der niedrigen Kompression nur schlecht gezündet und verbrannt, so daß es sehr schwierig ist, die Maschine 1 unter Kreislaufbedingungen anzulassen. Bei der in F i g. 1 dargestellten Aus führungsform sind daher Vorrichtungen zum Einbläser von Preßluft in das Kreislaufgas-System vorgesehen um die Kohlendioxidkonzentration im Ansauggas zi verringern und die vorgenannten Schwierigkeiten aus zuschalten. Hierzu wird aus einem Preßlufttank 51 Preßluft zugeführt, die nach Druckminderung übei Preßluft-Druckregelventile 59 und 60 in das Kreislauf gas-System eingespeist wird, um die Kohlendioxidkon zentration im Kreislaufgas zu verringern. Das Einbla sen von Preßluft kann grundsätzlich an einer beliebigei Stelle des Kreislaufgas-Systems zwischen der Abgaslei tung 5 und der Ansaugleitung 18 erfolgen. Bei der dar gestellten Ausführungsform wird die Preßluft in di Kreislaufleitung 12 eingespeist und so die vorstehen

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erwähnte Schwierigkeit beseitigt.

Zur Verbesserung dieser Wirkung kann nahe dem Einlaß der Ansaugleitung 18 ein Sicherheitsventil 61 angeordnet sein und Preßluft in der vorstehend beschriebenen Weise eingeblasen werden, um das Kreislaufgas durch das Sicherheitsventil 61 auszublasen und so das Kreislaufgas im System durch Luft zu ersetzen. In diesem Falle wird die Mündung 62 der Preßluftzuführleitung soweit wie möglich vom Sicherheitsventil 61 entfernt, d. h. näher zur Abgasleitung 5 hin angeordnet oder das Abgas-Überströmventil 56 geöffnet, so daß das Kreislaufgas aus dem Abgaskühler 4, der Abgasleitung 5 und dem Wasserabscheider 6 über das Abgas-Überströmventil 56 zum Sicherheitsventil 61 strömen kann.

Während diese Methoden wirksam sind, um die Maschine nach Verringerung der Kohlendioxidgas-Konzentration im Kreislaufgas-System oder Ersatz des Kreislaufgases durch Luft zu starten, können diese Maßnahmen auch während des Startens der Maschine durchgeführt werden. Da in diesem Fall der Abgaskompressor 9 zusammen mit der Maschine 1 rotiert, kann der Arbeitsgasdruck durch Verringerung des Kreislaufgasvolumens und Vergrößerung des Abgasvolumens konstant gehalten werden, wenn das eingeblasene Luftvolumen geringer ist als die überschüssige Kompressionskapazität des Abgaskompressors 9. Die Differenz der Kompressionskapazität des Kompressors und des restlichen Abgasvolumens ist dabei gleich dem durch das Abgas-Druckregelventil 35 und das Konstantdruck-Regelventil 37 zurückgeführten Kreislaufgasvolumen, das bei dem zum Zeitpunkt des Anlassens der Maschine gegebenen Leerlauf relativ groß ist. Wenn das eingeblasene Luftvolumen größer ist als die überschüssige Kompressionskapazität, wird die Startfähigkeit ebenfalls verbessert, jedoch steigt der Arbeitsgasdruck an bis zum Ausblasen in den Maschinenraum 2 über das Sicherheitsventil 61.

Die Maschine kann zwar nach den vorstehend beschriebenen Methoden gestartet werden, jedoch steigt die Kohlendioxidkonzentration im Ansauggas nach Beendigung des Einblasens von Preßluft zunehmend an, und die Verzögerung in der Vorwärmung durch den Ansauggas-Vorwärmer 17 führt zu einer niedrigen Ansaugtemperatur, so daß keine stabile Verbrennung erreicht wird und in extremen Fällen die Maschine stoppt. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, daß nach dem Start bis zu einem für eine stabile Verbrennung hinreichenden Anstieg der Ansaugtemperatur über eine mit einem Absperrventil 63 und einer Düse versehene Überströmleitung 64 durch öffnen des Absperrventils 63 geringe Mengen Preßluft innerhalb des Bereiches der überschüssigen Kompressionskapazität des Abgaskompressors 9 in das Kreislaufgas-System eingeblasen werden, um die Konzentration an Kohlendioxidgas im Ansauggas zu verringern. Auf diese Weise kann die vorstehende Schwierigkeit überwunden werden.

Alle vorstehend beschriebenen Betriebsmaßnahmen werden unter Kreislaufbedingungen, d. h. bei geöffnetem Umschaltventil 28 durchgeführt, während über das Sauerstoff-Regelventil 14 entsprechend geregelte Mengen Sauerstoff eingespeist werden.

Außer den vorstehend beschriebenen Methoden, das Anlassen der Maschine unter Kreislaufbedingungen durch Einblasen von Preßluft zu erleichtern, kann die Startfähigkeit auch dadurch verbessert werden, daß man während des Anlassens der Maschine unter Druck stehende Inertgase mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme, beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon in das Kreislaufgas-System einbläst, um auf diese Weise die Konzentration an Kohlendioxidgas im Arbeitsgas zu verringern und d>e Startschwierigkeiten ;;u beseitigen.

Dazu kann beim Anlassen der Maschine 1 das zwischen dem Wasserabscheider 6 und dem Sauerstoff-Mischbehälter 13 angeordnete Umschaltventil 28 geschlossen werden, um die Verbindung zwischen den Kreislaufleitungen 7 und 12 zu unterbrechen, wobei gleichzeitig zwischen dem Umschaltventil 28 und dem Sauerstoff-Mischbehälter 13 über das Absperrventil 57 ein aus dem Druckbehälter 58 über die Druckregelventile 59 und 60 mit reduziertem Druck zugeführtes Inertgas mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme eingespeist wird. Das zugeführte Inertgas wird im Sauerstoff-Mischbehälter 13 mit Sauerstoff vermischt, der aus dem Sauerstoff-Behälter 15 über das Sauerstoff-Einlaßventil 30 und das Sauerstoff-Druckregelventil 38 mit konstantem Druck dem Sauerstoff-Regelventil 14 zuströmt. Die Mischung aus Inertgas und Sauerstoff wird dann in die Ansauggas-Zuleitung eingespeist. Das aus der Maschine 1 ausströmende Abgas erwärmt das

Ansauggas im Ansauggas-Vorwärmer und wird dann im Abgaskühler 4 gekühlt, im Wasserabscheider 6 entwässert und über die Kompressor-Ansaugleitung 8 dem Abgaskompressor 9 zugeführt. Das verdichtete Abgas wird dann über die Auspuffleitung 32 und das Rück-

schlagventil 11 gegen den Außendruck aus dem Maschinenraum 2 abgeführt. Da jedoch die Kompressionskapazität des Abgaskompressors 9 erheblich geringer ist als das Volumen des aus der Maschine 1 austretenden Abgases, wird das nicht über den Abgaskompres-

sor 9 abgeführte Abgas durch ein an der Kompressor-Ansaugleitung 8 angeordnetes Sicherheitsventil 65 in den Maschinenraum 2 abgeblasen.

Die Maschine 1 kann auch bei geöffnetem Umschaltventil 28, d.h. in dessen Kreislaufstellung, gestartet

werden, wobei geregelte Mengen Sauerstoff zugeführt und zur Verringerung der Konzentration an Kohlendioxidgas im Ansauggas ein Inertgas mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme in das Kreislaufgas-System eingeblasen wird. Wenn in diesem Fall das VoIumen des zugeführten Inertgases mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme geringer ist als die Überschüssige Kompressionskapazität des Abgaskompressors 9 (wobei die Kompressionskapazität des Abgaskompressors nach Abzug des überschüssigen Abgasvolumens

dem durch das Abgas-Druckregelventil 35 und das Konstantdruck-Regelventil 37 zurückgeführten, bei dem im Start vorliegenden Leerlauf erheblichen Gasvolumen entspricht) kann der Arbeitsgasdruck durch Erhöhung des zurückgeführten Kreislaufgasvolumens

und eine Erhöhung des Abgasvolumens auf dem durch das Konstantdruck-Regelventil 37 bestimmten Druck gehalten werden. Wenn dagegen das Inertgasvolumen die Überschüssige Kompressionskapazität des Abgaskompressors 9 übersteigt, kann die Startfähigkeit durch

Verringerung der Konzentration an Kohlendioxidgas und eine Erhöhung der Konzentration des Inertgases mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme verbessert werden, wobei jedoch der Arbeitsgasdruck an steigt bis das Arbeitsgas über das Sicherheitsventil 65

in den Maschinenraum 2 ausströmt.

Da auch bei der vorstehend beschriebenen Arbeits weise zwar der Start der Maschine erleichtert wird aber ebenso wie bei der Verwendung von Preßluft nach

Beendigung des Einblascns die Konzentration an Kohlendioxidgas im Ansauggas langsam ansteigt und die Temperatur des Ansauggases infolge der nur langsamen Aufheizung des Ansauggas-Vorwärmers 17 niedrig ist, wird auch in diesem Falle nur Erzielung einer stabilen Verbrennung und zur Vermeidung eines unerwünschten Stillstandes der Maschine empfohlen, nach dem Start der Maschine in der bereits weiter oben beschriebenen Weise bis zu einem hinreichenden Anstieg der Temperatur des Ansauggases über das Überstrom- ι ο ventil 63 ein innerhalb des Bereiches der überschüssigen Kompressionskapazität des Abgaskompressors liegendes, geringes Volumen an Inertgas durch die Überströmleitung 64 einzuspeisen, um die Konzentration an Kohlendioxidgas im Ansauggas zu verringern.

Durch das aus den Sicherheitsventilen 61 oder 65 ausströmende Gas wird der Druck im Maschinenraum 2 erhöht. Wenn die Maschine 1 jedoch ihren normalen Betriebszustand erreicht hat und der Arbeitsgasdruck auf den durch das Konstantdruck-Regelventil 37 festgelegten Wert eingestellt ist, wird durch das Rückschlagventil 66 Gas aus dem Maschinenraum 2 in das Kreislaufgas-System zurückströmen, soweit der Gasdruck im Maschinenraum 2 höher liegt als der durch das Konstantdruck-Regelventil 37 eingestellte Druck. Auf diese Weise wird der Druck im Maschinenraum auf einen etwas über dem Druck des Konstantdruck-Regelventils liegenden Wert eingestellt.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist weiterhin das Kurbelgehäuse 68 der Maschine 1 über eine mit einem Rückschlagventil 67 versehene Leitung mit der Ansa igleitung verbunden. In ähnlicher Weise kann außerdem oder statt dessen das Kurbelgehäuse des Abgaskompressors 9 über ein Rückschlagventil mit der Ansaugleitung verbunden sein. In beiden Fällen wird dadurch das an den Kolbenringen ausgetretene Gas in das Arbeitsgas zurückgeführt. Die das Rückschlagventil 67 enthaltende Leitung kann in Strömungsrichtung hinter dem mit dem Maschinenraum 2 verbindenden Rückschlagventil 66, beispielsweise in der dargestellten Weise am Eingang der Ansaugleitung angeordnet sein. Selbst wenn die das Rückschlagventil 67 enthaltende Leitung an der gleichen Stelle mündet wie das Rückschlagventil 66, soll der öffnungsdruck des Rückschlagventils 67 zweckmäßig auf einen geringeren Wert eingestellt werden als derjenige des Rückschlagventils 66, da auf diese Weise der Druck im Kurbelgehäuse geringer ist als im Maschinenraum 2, so daß der Schmierölnebel im Kurbelgehäuse nicht in den Maschinenraum 2 austreten kann.

Bei Verwendung dieses Rückführungssystems kann weiterhin durch geeignete Festlegung des Öffnungsdruckes des Rückschiagventiis 66 zuverlässig sichergestellt werden, daß der Arbeitsgasdruck unter dem Druck im Maschinenraum 2 liegt, so daß nicht die Gefahr eines Austretens des Arbeitsgases in den Maschinenraum 2 besteht. Dies ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft.

Der Brennstofftank 19 kann weiterhin zweckmäßig über eine Leitung mit einem Druckminderventil 69 verbunden sein, um in den Brennstofftank ein den Brennstoff ersetzendes Gas einzuleiten.

Der Maschinenraum 2 kann als vollständig geschlossener Behälter ausgebildet werden, wenn ein Startsystem angewendet wird, bei welchem unter Kreislaufbedingungen bei geöffnetem Umschaltventil 28 und Starten der Maschine unter Einblasen von Preßluft oder einem Inertgas mit hohem Verhältnis der spezifischen Wärme und geregelter Sauerstoffzufuhr die Sicherheitsventile 61 und 65 weggelassen werden und die Konzentration an Kohlendioxidgas im Ansauggas verringert wird, wenn dabei durch die das Rückschlagventil 67 enthaltende Verbindungsleitung eine Verbindung zwischen dem Kurbelgehäuse 68 der Maschine 1 und/oder dem Kurbelgehäuse des Abgaskompressors 9 einerseits und dem Kreislaufgas-System andererseits geschaffen und das aus den Zylindern der Maschine 1 und/oder des Abgaskompressors 9 austretende Gas aus dem Kurbelgehäuse ins Arbeitsgas zurückgeführt wird. Aus Sicherheitsgründen ist es sehr vorteilhaft, wenn ein Inertgas, wie Stickstoff im Maschinenraum 2 hermetisch eingeschlossen ist, da selbst bei einer Beschädigung der Brennstoffzuführung ein Verspritzen des Brennstoffes im Maschinenraum 2 nicht zu einer Explosion führen kann.

In das aus der Maschine ί abströmende Abgas wire im Abgaskühler 4 mittels einer Sprühvorrichtung 7C kaltes Wasser eingespritzt, um das Abgas im wesentlichen auf Raumtemperatur abzukühlen und die bei dei Verbrennung erzeugten Dämpfe zu kondensieren. Da! Kühlwasser und das Kondensationswasser werden in Wasserabscheider 6 abgetrennt und fließen in der Wassertank 71 ab, während das entwässerte Abgas al: Kreislaufgas dem Sauerstoff-Mischbehälter 13 und da: überschüssige Abgas dem Abgaskompressor 9 züge führt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine zum Betrieb mit einer Sauerstoff-Abgasmischung, mit einer die Abgasleitung mit der Ansaugleitung verbindenden Kreislaufleitung für Abgas, einem in dieser angeordneten Abgaskühler, einem über eine Zweigleitung mit der Kreislaufleitung verbundenen Abgaskompressor, einer mit dessen Druckseite verbundenen Abführleitung für verdichtetes Abgas, Ventilvorrichtungen zur Regelung des Kreislaufgasdruckes, einer mit der Ansaugleitung verbundenen Sauerstoffzuleitung sowie einem darin angeordneten, in Abhängigkeit von einem Parameter des Kreislaufgases betätigten Sauerstoff-Regelventil, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite des Abgaskompressors (9) mit der Kreislaufleitung durch eine mindestens ein Druckregelventil (35, 37) enthaltende Rückführleitung für einen zur Konstanthaltung des Kreislaufgasdruckes erforderlichen Teil des verdichteten Abgases in den Kreislauf verbunden ist, an der Ansauggas-Zuleitung (16) ein Sauerstoff-Istwertmesser (39) zur Bestimmung der den Parameter bildenden Sauerstoffkonzentration im Ansauggas angeordnet ist und ein von diesem und einem Sauerstoff-Sollwertgeber (41) beeinflußtes Steuergerät (40) zur sollwertgemäßen Steuerung des Sauerstoff-Regelventils (14) vorgesehen ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens vorgesehen ist, diese mit einer Vorrichtung zur Umwandlung des Eingangswertes für das zugeführte Brennstoffvolumen in einen Ausgangswert für das zu dessen Verbrennung theoretisch erforderliche Sauerstoffvolumen verbunden ist und das Steuergerät (40) diesen Ausgangswert entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert des Sauerstoff-Sollwertgebers (41) und dem Istwert des Sauerstoff-Istwertmessers (39) korrigiert.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens einen Drehzahlmesser (43), ein Meßgerät (44) für die Stellung des Fördervolumen-Stellorgans der Brennstoffpumpe (20) und einen Multiplikationsrechner (45) aufweist, der die Meßwerte des Drehzahlmessers (43) und des Meßgerätes (44) zu einem dem zugeführten Brennstoffvolumen äquivalenten Meßwert multipliziert.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Messung des zugeführten Brennstoffvolumens einen Brennstoff-Strömungsmesser aufweist.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Istwertmesser (39) in einer Zweigleitung (48,51) angeordnet ist, die eine in einer Ansauggas-Zuführleitung (16) angeordnete Düse (47) umgeht.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zweigleitung (48, 51) in Strömungsrichtung vor dem Sauerstoff-Istwertmesser (39) ein Kühler (49) und ein Wasserabscheider (50) angeordnet sind.

7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein an einer Abgassammelleitung (3) angeordnetes Abgas-Überströmventil (56), das bei niedriger Belastung öffnet und zum Ausgleich einer verringerten Ansauggas-Vorwärmung einen Teil des Abgases direkt in die Ansauggaszuleitung überströmen läßt.

8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisteufleitung einen Sauerstoff-Mischbehälter (13), ein in Strömungsrichtung vor diesem angeordnetes Absperrventil (28), ein in Strömungsrichtung vor diesem angeordnetes Sicherheitsventil (65) und eine zwischen dem Absperrventil (28) und dem Sauerstoff-Mischbehälter (13) mündende Zuleitung (62) für Preßluft oder Inertgas aufweist.