EP3613961A1 - Zylinder für einen längsgespülten grossmotor und verfahren zur überwachung der verbrennung in einem zylinder eines längsgespülten grossmotors - Google Patents

Zylinder für einen längsgespülten grossmotor und verfahren zur überwachung der verbrennung in einem zylinder eines längsgespülten grossmotors Download PDF

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Publication number
EP3613961A1
EP3613961A1 EP18190028.3A EP18190028A EP3613961A1 EP 3613961 A1 EP3613961 A1 EP 3613961A1 EP 18190028 A EP18190028 A EP 18190028A EP 3613961 A1 EP3613961 A1 EP 3613961A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
combustion chamber
pressure sensors
fuel
combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18190028.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Wenig
Timo Hanz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Winterthur Gas and Diesel AG
Original Assignee
Winterthur Gas and Diesel AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Winterthur Gas and Diesel AG filed Critical Winterthur Gas and Diesel AG
Priority to EP18190028.3A priority Critical patent/EP3613961A1/de
Publication of EP3613961A1 publication Critical patent/EP3613961A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2400/00—Control systems adapted for specific engine types; Special features of engine control systems not otherwise provided for; Power supply, connectors or cabling for engine control systems
    • F02D2400/08—Redundant elements, e.g. two sensors for measuring the same parameter

Definitions

  • the invention relates to a cylinder for a longitudinally flushed large engine, a method for monitoring the combustion in a cylinder and a longitudinally flushed large motor according to the preamble of the independent claim of the respective category.
  • Large engines which can be configured as two-stroke or four-stroke machines, for example as longitudinally flushed two-stroke large diesel engines, are often used as drive units for ships or in stationary operation, e.g. used to drive large generators for generating electrical energy.
  • the motors usually run for a considerable period of time in continuous operation, which places high demands on operational reliability and availability. Therefore, long maintenance intervals, low wear and economical handling of the operating materials are central criteria for the operator.
  • Large engines typically have cylinders with an inside diameter (bore) of at least 200 mm.
  • large motors with a bore of up to 960 mm or even more are used.
  • liquid fuels as known alternatives to heavy oil are other heavy hydrocarbons, which are left in particular as residues in the oil refinery, alcohols, in particular methanol or ethanol, gasoline, diesel, or else emulsions or suspensions. So it is z. B. known to use the emulsions designated as MSAR (Multiphase Superfine Atomized Residue) as fuel.
  • MSAR Multiphase Superfine Atomized Residue
  • a known suspension is that of coal dust and water, which is also used as fuel for large engines.
  • natural gases such as LNG (liquefied natural gas) are known as gaseous fuels.
  • Another known alternative to pure operation with heavy oil is to design large engines in such a way that they can be operated with two or more different fuels, the engine being operated either with one fuel or with the other fuel depending on the operating situation or environment.
  • Such a large engine which is also referred to as a multi-fuel large engine, can be switched during operation from a first mode in which a first fuel is burned to a second mode in which a second fuel is burned and vice versa.
  • a known embodiment of a large engine that can be operated with two different fuels is the engine type for which the term "dual-fuel engine” is used today.
  • These engines can be operated on the one hand in a gas mode, in which a gaseous fuel, for example natural gas or methane, is introduced into the combustion chamber for combustion, and on the other hand in a liquid mode, in which a liquid fuel such as heavy fuel oil or another liquid fuel can be burned in the same engine.
  • These large engines can be both two-stroke and four-stroke engines, in particular also longitudinally flushed two-stroke large diesel engines.
  • the combustion process is particularly sensitive to changes in the ambient conditions, such as the temperature or humidity of the purge or charge air, especially when the large engine is operated with spark ignition in accordance with regulations, e.g. in the case of a dual-fuel engine that is operated in gas mode , or the boost pressure with which the purge air is made available.
  • Such changes can cause changes in the composition of the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the air-fuel ratio for example the air-gas ratio
  • Such undesirable changes in the air-fuel ratio can lead to disadvantageous changes in the combustion process, because the correct setting of the air-gas ratio is of crucial importance for the most pollutant-free, efficient and economical operation of the engine.
  • the fuel-air mixture in the combustion chamber may ignite or ignite undesirably. This means that the fuel that is actually intended for spark ignition ignites too early due to auto-ignition. This can lead to high mechanical loads, engine knocking and a significant increase in emissions in the exhaust gas. Since the combustion process is then no longer correctly matched to the piston movement in the cylinder, this also means that the combustion partly works against the movement of the piston.
  • spark ignition process Even in the event of an intended spark ignition of the fuel-air mixture, it may be desirable to monitor the spark ignition process, for example in order to determine or control where the combustion process begins in the combustion chamber.
  • a cylinder for a longitudinally flushed large engine with a cylinder wall, with a piston which is arranged to move back and forth along a cylinder axis between a lower and an upper reversal point, with a cylinder cover which, together with the piston, delimits a combustion chamber , and with at least one injection nozzle for introducing fuel into the combustion chamber, an outlet valve being arranged in the cylinder cover, through which combustion gases can be removed from the combustion chamber, at least three pressure sensors being provided for determining the pressure in the combustion chamber, and all pressure sensors being arranged in this way are that each pressure sensor is at a crank angle of 300 °, preferably at a crank angle of 330 °, and particularly preferably at a crank angle of 350 °, above the piston.
  • the combustion process in the combustion chamber can be reliably monitored using the three pressure sensors. If combustion begins at any location in the combustion chamber, this initially leads to a local and significant increase in pressure at this location. From this location, the pressure increase spreads in all directions and thus also reaches the at least three pressure sensors, so that they register the pressure increase. The time at which the pressure increase takes to get from its origin, i.e. the place where the combustion started to the various pressure sensors, can then be localized, for example by means of a trigonometric method, where the combustion takes place has begun.
  • the location at which the combustion started can thus be located both for regular ignitions in the combustion chamber and for pre-ignitions or other undesirable ignitions in the combustion chamber.
  • pre-ignition the occurrence of pre-ignition can be detected and the location at which the combustion started can be located. Countermeasures can then be taken, for example a change in the boost pressure, a change in the quantity of fuel introduced or a change in the time at which the fuel is introduced into the combustion chamber, in order to avoid, or at least significantly reduce, early ignition or other undesirable ignition processes in the combustion chamber in the subsequent working cycles ,
  • the cylinder according to the invention with the at least three pressure sensors thus advantageously makes it possible to utilize the full potential of the combustion system, for example by dynamically adapting the operating parameters during the operation of the large engine in order to make the efficiency or the output of the engine dependent on the respective operating conditions to optimize.
  • These operating conditions can e.g. B. be: environmental conditions, such as air temperature or humidity, the quality of the fuel used, for example the gas quality, or the operating state of the charging system with which the purge or charge air is provided for the cylinder.
  • the charging system typically includes at least one exhaust manifold, a turbocharger, a charge air cooler and an intake storage device (intake receiver) from which the charge air flows into the cylinder.
  • all pressure sensors are arranged such that each pressure sensor is at a crank angle of 0 ° or 360 ° above the piston.
  • the crank angle 0 ° is the crank angle at which the piston is at its upper turning point, which is also referred to as top dead center.
  • the volume of the combustion chamber is minimal and the piston begins its downward movement (expansion stroke).
  • one working cycle of the piston corresponds to a crank angle range of 360 °.
  • the piston begins the working cycle at the top turning point at the crank angle 0 ° with its expansion stroke, moves downwards until it reaches the bottom turning point at the crank angle 180 °, which is also referred to as bottom dead center.
  • the piston then moves up again (compression stroke) and reaches the upper turning point again at the crank angle of 360 °.
  • the crank angle 0 ° is equivalent to the crank angle 360 °.
  • a working cycle of the piston corresponds to a crank angle range of 720 °, because the piston has to move twice up and twice down during a working cycle.
  • the piston is at the top reversal point, and at 180 ° and 540 ° crank angles, the piston is at the bottom reversal point.
  • all pressure sensors are arranged in such a way that each pressure sensor is at a crank angle of 0 ° or 360 ° above the piston, all pressure sensors are thus arranged such that they are at all times of the piston movement, that is to say for everyone any crank angle are always arranged above the piston. This means that none of the pressure sensors is covered by the piston for any crank angle.
  • At least one prechamber connected to the combustion chamber is provided for igniting the fuel in the combustion chamber.
  • This version is particularly suitable when the large engine is operated in gasoline mode, in which the fuel-gas mixture is spark-ignited in the combustion chamber, for example for a dual-fuel engine that is operated in gas mode.
  • the prechamber is connected to the combustion chamber in a manner known per se via an outlet opening.
  • a small amount of a liquid, self-igniting fuel for example heavy oil or diesel, is then introduced into the prechamber, where this fuel ignites automatically.
  • the resulting flame reaches the combustion chamber through the outlet opening of the pre-chamber and ignites the fuel-gas mixture there.
  • each pressure sensor is arranged in the cylinder cover or in the cylinder wall.
  • holes can be provided in the cylinder cover or in the cylinder wall, each of which extends into the combustion chamber. The pressure sensors can then be arranged in these holes so that they are as close as possible to the combustion chamber.
  • the pressure sensors are at other locations, for example in the exhaust valve, in particular in the valve plate of the exhaust valve facing the combustion chamber, or in the piston, in particular in the region of the surface of the piston facing the combustion chamber.
  • the pressure sensors In order to achieve the best possible spatial resolution, i.e. In order to localize the location at which the combustion begins as precisely as possible, it is advantageous to arrange the pressure sensors in such a way that they are as far apart as possible, although it must of course be taken into account that other components must also be arranged in the cylinder.
  • the exhaust valve or at least one but typically several injection nozzle (s) for introducing the fuel into the combustion chamber, or start air valves or the prechamber.
  • the pressure sensors are arranged at least two different heights with respect to an axial direction defined by the cylinder axis.
  • All pressure sensors are preferably arranged at different heights.
  • the pressure sensors are arranged with respect to the circumferential direction such that the angular distance between two adjacent pressure sensors is at least 45 ° in the circumferential direction.
  • each pressure sensor has a measuring frequency of at least 20 kHz.
  • the measurement frequency of the pressure sensor means the number of individual pressure measurements which the pressure sensor can carry out in a time interval, for example in a second. The measurement frequency thus determines the rate at which a pressure change is sensed by the pressure sensor.
  • the time interval between two individual pressure measurements of a pressure sensor is 50 microseconds. It has been shown that, taking into account the typical dimensions of the combustion chamber of a large engine and the speed of sound in the combustion chamber at a typical combustion temperature, a measurement frequency of 20 kHz is sufficient for many applications in order to achieve a good localization of the location at which a combustion process begins.
  • each pressure sensor can also be advantageous for each pressure sensor to have a measuring frequency of at least 50 kHz.
  • the time interval between two individual pressure measurements of the pressure sensor is only 20 microseconds, which further increases the accuracy of the location determination. If one assumes a typical mean mass temperature in the cylinder of about 700 K, then using the speed of sound in air at about 700 K results in a rate of propagation of the pressure change that is a path length of corresponds to approximately one centimeter in 20 microseconds, ie the pressure change can spread by approximately one centimeter in the period between two individual pressure measurements of the pressure sensor. With this high measurement frequency of 50 kHz, for example, a particularly precise localization of the location at which a combustion process begins can be achieved.
  • the invention also proposes a method for monitoring the combustion in a cylinder of a large engine that has been flushed lengthways.
  • the method is characterized in that the cylinder is configured in accordance with the invention and that measurement signals are detected by means of the pressure sensors, a location in the combustion chamber at which a combustion process begins being determined on the basis of the measurement signals.
  • the measurement signals from the pressure sensors are fed to an evaluation unit.
  • the location in the combustion chamber at which a combustion process has started can then be determined in this, for example by means of a trigonometric method, on the basis of the measurement signals obtained from the various pressure sensors.
  • a further possibility of assigning a crank angle to the measurement signals of the pressure sensors consists in comparing the measurement signals for each pressure sensor in the evaluation unit with a compression curve of the cylinder.
  • the compression curve of a cylinder describes the Pressure curve in the combustion chamber of the cylinder depending on the crank angle.
  • Such compression curves can be stored, for example, in electronic form in the evaluation unit, or they can be determined using other parameters, which are recorded when the large engine is in operation.
  • the invention proposes a longitudinally flushed large engine, which is characterized in that the large engine has a cylinder which is designed according to the invention, or that the combustion is monitored using a method according to the invention.
  • the large engine is designed, for example, as a longitudinally flushed two-stroke large diesel engine and in particular as a dual-fuel large diesel engine that can be operated in a liquid mode, in which a liquid fuel is introduced into the combustion chamber for combustion, and which can also be operated in a gas mode, in which a Gas is introduced into the combustion chamber as fuel.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a cylinder according to the invention for a longitudinally rinsed large engine, not shown.
  • the cylinder is complete with the Reference number 1 denotes.
  • the cylinder 1 comprises a cylinder wall 2, which is preferably designed as a cylinder liner, a cylinder cover 3, which forms the upper end of the cylinder 1 as shown, and a piston 4, which is located along a cylinder axis Z between an upper reversal point OT and a lower reversal point (not shown) is arranged movable back and forth.
  • Fig. 1 shows the piston 4 in the upper turning point OT.
  • FIG. 2 another schematic sectional view of the cylinder 1 in a section perpendicular to the cylinder axis Z, wherein in Fig. 2 the viewing direction is in the direction of the cylinder cover 3.
  • the section line II is shown, along which the section for the Fig. 1 he follows.
  • An axial direction A is defined by the cylinder axis Z.
  • large engine means such engines as are usually used as main propulsion units for ships or in stationary operation, e.g. are used to drive large generators for generating electrical energy.
  • the cylinders of a large engine each have an inside diameter (bore) that is at least about 200 mm.
  • longitudinally flushed means that the flushing or charge air is introduced into the cylinder 1 in the region of the end facing away from the cylinder cover 3.
  • the large engine can be designed as a four-stroke or two-stroke engine.
  • the large engine can be designed as a large diesel engine, especially as a longitudinally flushed two-stroke large diesel engine.
  • the term "large diesel engine” means large engines which can be operated in a diesel mode in which the fuel is usually burned on the principle of auto-ignition.
  • the term “large diesel engine” also refers to those large engines which, in addition to diesel operation, can alternatively also be operated in gasoline operation. In gasoline operation, combustion typically takes place on the principle of spark ignition of the fuel. Also it is possible that the large diesel engine can be operated in mixed forms from diesel operation and gasoline operation.
  • a “liquid fuel” is a fuel that is introduced into the cylinder in the liquid state.
  • a “gaseous fuel” is a fuel which is introduced into the cylinder in the gaseous state.
  • spark-ignited fuel also refers to a fuel which, as intended, burns in the cylinder 1 by spark ignition, in which case it is intended to avoid self-ignition
  • a “self-igniting fuel” is used to denote such a fuel that, as intended, burns by self-ignition in cylinder 1, for example heavy oil or diesel fuel.
  • This large diesel engine is preferably designed as a dual-fuel large diesel engine, so that it can be operated with two different fuels, namely with a liquid fuel such as heavy oil or marine diesel, and with a gaseous fuel, e.g. B. natural gas.
  • the dual-fuel large diesel engine can be switched from burning the first fuel to burning the second fuel and vice versa during operation.
  • the dual-fuel engine is preferably operated using a low-pressure process.
  • the spark ignition of the air-gas mixture in cylinder 1 is preferably carried out in gas mode by the injection of a small amount of self-igniting Fuel, e.g. B. heavy oil or diesel, which then spark ignites the air-gas mixture.
  • the invention is not restricted to this type of large motor and to this use, but rather relates to large motors in general.
  • the large engine can be designed only for the combustion of a single fuel, for example heavy oil, marine diesel or diesel, or for a gas such as natural gas.
  • the large engine can also be designed as a gas engine.
  • the large engine can be designed as a multi-fuel large engine that can be operated with a first fuel and that can be operated with at least one second fuel that is different from the first fuel.
  • the large engine can also be designed for the combustion of more than two fuels.
  • a piston 4 is provided in each of the usually several cylinders 1 of the large diesel engine, the upper side of which, together with the cylinder cover 3, delimits a combustion chamber 9.
  • the piston 4 is connected in a manner known per se via a piston rod to a crosshead, which is connected to a crankshaft via a push rod, so that the movement of the piston 4 is transmitted to the crankshaft via the piston rod, the crosshead and the push rod to turn.
  • a fuel can be injected into the combustion chamber 9 by means of at least one injection nozzle 7.
  • a plurality of injection nozzles 7 can also be provided on each cylinder. If the large engine can be operated with different fuels, different injection nozzles 7 or injection devices can also be provided for the different fuels.
  • two injection nozzles 7 are provided in the cylinder cover 3. These injectors 7 are used in Liquid mode to inject the self-igniting liquid fuel, for example heavy oil, marine diesel or diesel into the combustion chamber 9.
  • the self-igniting liquid fuel for example heavy oil, marine diesel or diesel
  • the injection nozzles 7 are typically not used for the gas mode. At least one injection device for the gaseous fuel that is different from the injection nozzles 7 is provided. This injection device comprises at least one gas inlet nozzle, not shown, through which the gaseous fuel can be introduced into the combustion chamber 9. The gas inlet nozzle is preferably arranged in the cylinder wall 2, so that the gaseous fuel can be introduced into the combustion chamber 9 at a low pressure.
  • a starting air valve 8 is also arranged in the cylinder cover 3 and is used in a manner known per se to start the large engine. In order to start the large engine, compressed air is blown into the combustion chamber 9 through the start air valve 8 in order to move the piston 4.
  • a mostly centrally arranged exhaust valve 5 is provided in the cylinder cover 3, through which the combustion gases can be discharged from the cylinder 1 into an exhaust system (not shown) after the combustion process.
  • At least one prechamber 6 ( Fig. 2 ) is provided, which is connected to the combustion chamber 9.
  • the antechambers 6 are used for spark ignition of the gaseous fuel, more precisely the fuel-gas mixture, when the large engine is operated in gas mode or in gasoline mode.
  • Each antechamber 6 is connected to the combustion chamber 9 in a manner known per se via an outlet opening.
  • a small amount of a liquid, self-igniting fuel for example heavy oil or diesel, is then introduced into the respective pre-chamber 6, where this fuel ignites automatically.
  • the flame that emerges passes through the outlet opening of the respective pre-chamber 6 into the combustion chamber 9 and ignites the fuel-gas mixture there.
  • the further structure and the individual components of the large diesel engine such as details of the injection system, the gas exchange system, the exhaust system or the turbocharger system for the provision of the purge or charge air, as well as the control and control system for a large diesel engine, are known to the person skilled in the art both for the design and Two-stroke engine as well as for the design as a four-stroke engine are well known and therefore do not require further explanation here.
  • 1 purge air openings (not shown), for example designed as purge air slots, are usually provided in the lower region of each cylinder for supplying purge air into the cylinder 1, the purge air openings being periodically closed and by the movement of the piston 4 in the cylinder be opened so that the purge air provided by the turbocharger under a boost pressure can flow through the purge air slots into the cylinder 1 as long as they are open.
  • the gas inlet nozzle (s) (not shown) for introducing the gaseous fuel into the combustion chamber 9 are arranged, for example, with respect to the axial direction A between the scavenging air slots and the cylinder cover 3 in the cylinder wall 2.
  • the control system in modern large engines is an electronic system with which all engine or cylinder functions, in particular the injection (beginning and end of injection) and the actuation of the exhaust valve, can usually be set or controlled.
  • the cylinder 1 comprises at least three pressure sensors 10 for detecting the pressure in the combustion chamber 9. All pressure sensors known per se are suitable as pressure sensors 10, in particular resistive pressure sensors 10 or piezoelectric pressure sensors 10.
  • the pressure sensors 10 serve to locate the location in the combustion chamber 9 at which a combustion process begins. If combustion begins somewhere in the combustion chamber 9, this leads to a local, significant increase in pressure at this location. This pressure change propagates at the speed of sound in the combustion chamber 9 and thus also reaches the at least three pressure sensors 10, so that each of these pressure sensors 10 registers the pressure increase. Depending on how far the respective pressure sensor 10 is from the place of origin at which the combustion process started, the pressure change takes more or less time to reach this pressure sensor 10.
  • the original location at which the combustion process began can then be determined from the runtime differences or from the respective times at which the three pressure sensors 10 have detected the pressure change , This can be done, for example, using a trigonometric method.
  • the three pressure sensors 10 for each combustion process can determine the location in the combustion chamber 9 at which the combustion process started, regardless of whether it is a desired combustion or an undesired combustion.
  • Desired burns include the auto-ignition of a fuel that is intended to be a self-igniting fuel, such as heavy oil or diesel, and the spark ignition of a fuel that is intended to be a spark-ignited fuel, such as an air-gas mixture.
  • Unwanted burns include, in particular, pre-ignition in the combustion chamber 9, in which a Fuel that is intended to be a spark-ignited fuel starts to burn too early due to self-ignition.
  • the invention is therefore particularly suitable for the detection and localization of pre-ignition in the combustion chamber 9. Since such pre-ignition usually occurs before the piston 4 reaches the upper reversal point OT, one or more of the pressure sensors 10 can also be arranged at those locations where they are covered by the piston 4 during part of the piston movement.
  • the position of the piston 4 in the cylinder 1 is usually described by the crank angle, that is, the angular position of the crankshaft.
  • the crank angle 0 ° the piston is in the upper turning point OT ( Fig. 1 ).
  • the combustion chamber 9 has its minimum volume.
  • the piston 4 initially moves downward (expansion stroke) from the upper reversal point and reaches the lower reversal point at the crank angle 180 °.
  • the piston then moves up again (compression stroke) and reaches the upper turning point TDC again at the crank angle of 360 °, which means that a work cycle is complete for the two-stroke engine.
  • the crank angles 0 ° and 360 ° are therefore identical.
  • one or more of the pressure sensors 10 can also be arranged at those locations at which they are covered by the piston 4 during part of the piston movement.
  • all pressure sensors 10 are arranged such that each pressure sensor 10 is still above the piston 4 at a crank angle of 300 °, so that none of the pressure sensors 10 is covered by the piston 4 at a crank angle of 300 °.
  • All pressure sensors 10 are preferably arranged such that each pressure sensor 10 is still above the piston 4 at a crank angle of 330 °, so that none of the pressure sensors 10 is covered by the piston 4 at a crank angle of 330 °.
  • each pressure sensor 10 is still above the piston 4 at a crank angle of 350 °, so that none of the pressure sensors 10 is covered by the piston 4 at a crank angle of 350 ° ,
  • All pressure sensors 10 are particularly preferably arranged such that each pressure sensor 10 is still above the piston 4 even at a crank angle of 360 ° or 0 °. All pressure sensors 10 are consequently arranged such that they are still above the piston 4 when the piston 4 is in the upper turning point TDC. Such a particularly preferred arrangement is in Fig. 1 shown. For any position of the piston 4, that is to say for every crank angle, none of the pressure sensors 10 is covered by the piston 4.
  • Each pressure sensor 10 is preferably provided in the cylinder cover 3 or in the cylinder wall 2 designed as a cylinder liner.
  • the pressure sensors 10 are arranged at other locations, for example in the exhaust valve 5, in particular in the valve plate of the exhaust valve 5 facing the combustion chamber 9, or in the piston 4, in particular in the region of the surface of the piston 4 facing the combustion chamber 9 is that all pressure sensors are arranged so that they can detect a pressure change in the combustion chamber 9.
  • all pressure sensors 10 are arranged in the cylinder cover 3.
  • a continuous bore is provided in the cylinder cover 3 for each pressure sensor 10, which extends from the outside of the cylinder cover 3 through the cylinder cover 3 and opens into the combustion chamber 9.
  • the respective pressure sensor 10 is then arranged and fixed in this bore, for example by screwing into the bore or by a press fit, the respective pressure sensor 10 being placed in such a way that it is as close as possible to the combustion chamber 9.
  • the determination of the location in the combustion chamber 9 at which a combustion process begins is preferably based on a trigonometric method, in which from the running times which the pressure change requires from the location of the start of the combustion until the respective pressure sensor 10 is reached It is determined where the combustion, for example the early ignition, has started or has occurred.
  • the pressure sensors 10 can be arranged at different heights H1, H2, H3 with respect to the axial direction A, as shown in FIG Fig. 1 is shown. It is preferred that all pressure sensors 10 are arranged at different heights H1, H2, H3 with respect to the axial direction A. That is, in Fig. 1 H1 and H2 and H3 each denote different height levels, so that the height H1 is different from the height H2 and the height H3, the height H2 also being different from the height H3.
  • the pressure sensors 10 are also an advantageous measure to arrange the pressure sensors 10 at different positions with respect to the circumferential direction of the cylinder 1 or the cylinder cover 3, so that two adjacent pressure sensors 10 each have an angular distance with respect to the circumferential direction , This angular distance between adjacent pressure sensors is preferably at least 45 ° in each case.
  • pressure sensors In order to achieve the highest possible spatial resolution, i.e. In order to determine the location at which a combustion process begins in cylinder 1 as precisely as possible, pressure sensors with a high measuring frequency are preferably used.
  • the measurement frequency of the pressure sensor 10 indicates how many individual measurements the pressure sensor 10 can carry out in a time interval, for example in one second.
  • Pressure sensors 10 which have a measurement frequency of at least 20 kHz or very fast pressure sensors 10 which have a measurement frequency of 50 kHz or even greater are preferably used. At a measuring frequency of 50 kHz, the time interval between two individual measurements is twenty microseconds.
  • the measurement signal of the fourth pressure sensor 1 can be used for validation or for checking the position determination in a trigonometric evaluation of the measurement signals from three of the pressure sensors 10.
  • the measurement signals of all pressure sensors 10 are fed to an evaluation unit (not shown).
  • the location in the combustion chamber 9 at which a combustion process has started can then be determined in this, for example by means of a trigonometric method, on the basis of the measurement signals obtained from the various pressure sensors 10.
  • the measurement signals of the pressure sensors 10 are compared with a compression curve for the cylinder 1.
  • the compression curve of the cylinder 1 indicates the course of the pressure in the combustion chamber 9 of the cylinder 1 as a function of the crank angle.

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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Es wird ein Zylinder für einen längsgespülten Grossmotor vorgeschlagen, mit einer Zylinderwandung (2), mit einem Kolben (4), welcher entlang einer Zylinderachse (Z) zwischen einem unteren und einem oberen Umkehrpunkt (OT) hin- und her bewegbar angeordnet ist, mit einem Zylinderdeckel (3), welcher gemeinsam mit dem Kolben (4) einen Brennraum (9) begrenzt, und mit mindestens einer Einspritzdüse (7) zum Einbringen eines Brennstoffs in den Brennraum (9), wobei im Zylinderdeckel (3) ein Auslassventil (5) angeordnet ist, durch welches Verbrennungsgase aus dem Brennraum (9) abführbar sind, wobei mindestens drei Drucksensoren (10) zum Bestimmen des Drucks im Brennraum (9) vorgesehen sind, und wobei alle Drucksensoren (10) so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor (10) bei einem Kurbelwinkel von 300°, vorzugsweise bei einem Kurbelwinkel von 330°, oberhalb des Kolbens (4) befindet. Ferner werden ein Verfahren zur Überwachung der Verbrennung in einem Zylinder eines längsgespülten Grossmotors sowie ein längsgespülter Grossmotor vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinder für einen längsgespülten Grossmotor, ein Verfahren zur Überwachung der Verbrennung in einem Zylinder sowie einen längsgespülten Grossmotor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs der jeweiligen Kategorie.
  • Grossmotoren, die als Zweitakt- oder als Viertakt-Maschinen ausgestaltet sein können, beispielsweise als längsgespülte Zweitakt-Grossdieselmotoren, werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betreib, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit den Betriebsstoffen zentrale Kriterien. Grossmotoren haben typischerweise Zylinder, deren Innendurchmesser (Bohrung) mindestens 200 mm beträgt. Heutzutage werden Grossmotoren mit einer Bohrung von bis zu 960 mm oder sogar noch mehr eingesetzt.
  • Es sind verschiedene Arten von Grossmotoren bekannt, die jeweils als Zweitakt- oder als Viertakt-Motoren ausgestaltet sein können. Unter den Aspekten des wirtschaftlichen und effizienten Betriebs, der Einhaltung von Abgasgrenzwerten und der Verfügbarkeit von Ressourcen sucht man auch nach Alternativen zum klassischerweise als Brennstoff für Grossmotoren verwendeten Schweröl. Dabei werden sowohl flüssige Brennstoffe eingesetzt, also Brennstoffe, die im flüssigen Zustand in den Brennraum eingebracht werden, als auch gasförmige Brennstoffe, also Brennstoffe, die im gasförmigen Zustand in den Brennraum eingebracht werden.
  • Beispiele für flüssige Brennstoffe als bekannte Alternativen zum Schweröl sind andere schwere Kohlenwasserstoffe, die insbesondere als Rückstände bei der Raffinerie von Erdöl übrig bleiben, Alkohole, insbesondere Methanol oder Ethanol, Benzin, Diesel, oder auch Emulsionen oder Suspensionen. So ist es z. B. bekannt, die als MSAR (Multiphase Superfine Atomised Residue) bezeichneten Emulsionen als Brennstoff zu verwenden. Eine bekannte Suspension ist diejenige aus Kohlenstaub und Wasser, die ebenfalls als Brennstoff für Grossmotoren eingesetzt wird. Als gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise Erdgase wie LNG (liquefied natural gas) bekannt.
  • Eine ebenfalls bekannte Alternative zum reinen Betrieb mit Schweröl ist es, Grossmotoren so auszugestalten, dass sie mit zwei oder noch mehr unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden können, wobei der Motor je nach Betriebssituation oder Umgebung entweder mit dem einen Brennstoff oder mit dem anderen Brennstoff betrieben wird. Ein solcher Grossmotor, der auch als Multi-Fuel Grossmotor bezeichnet wird, kann während des Betriebs von einem ersten Modus, in welchem ein erster Brennstoff verbrannt wird, in einen zweiten Modus, in welchem ein zweiter Brennstoff verbrannt wird, umgeschaltet werden und umgekehrt.
  • Eine bekannte Ausgestaltung eines Grossmotors, der mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden kann, ist der Motorentyp, für den heutzutage der Begriff "Dual-Fuel Motor" gebräuchlich ist. Diese Motoren sind einerseits in einem Gasmodus betreibbar, in welchem ein gasförmiger Brennstoff, z.B. Erdgas oder Methan, zur Verbrennung in den Brennraum eingebracht wird, und andererseits in einem Flüssigmodus, in welchem ein flüssiger Brennstoff wie Schweröl oder ein anderer flüssiger Brennstoff in demselben Motor verbrannt werden können. Diese Grossmotoren können dabei sowohl Zweitakt- als auch Viertaktmotoren sein, insbesondere auch längsgespülte Zweitakt-Grossdieselmotoren.
  • Grossmotoren, die mit mindestens zwei oder auch mehr verschiedenen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden können, werden häufig, je nach aktuell verwendetem Brennstoff in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben. In dem häufig als Dieselbetrieb bezeichneten Betriebsmodus erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs in der Regel nach dem Prinzip der Kompressionszündung oder Selbstzündung des Brennstoffs. In dem häufig als Ottobetrieb bezeichneten Modus erfolgt die Verbrennung durch die Fremdzündung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches. Diese Fremdzündung kann beispielsweise durch einen elektrischen Funken erfolgen, z. B. mit einer Zündkerze, oder auch durch die Selbstzündung einer kleinen eingespritzten Brennstoffmenge, welche dann die Fremdzündung eines anderen Brennstoffs bewirkt. Häufig wird dabei die für die Selbstzündung vorgesehene kleine Brennstoffmenge in eine mit dem Brennraum verbundene Vorkammer eingespritzt.
  • Bei den oben genannten Dual-Fuel Motoren ist es beispielsweise für den Gasmodus bekannt, das Gas im gasförmigen Zustand mit der Spülluft zu vermischen, um so im Brennraum des Zylinders ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen. Bei diesem Niederdruckverfahren erfolgt dann die Zündung des Gemisches im Zylinder üblicherweise, indem im richtigen Moment eine kleine Menge flüssiger, selbstzündender Brennstoff in den Brennraum des Zylinders bzw. in die Vorkammer eingespritzt wird, die dann zur Zündung des Luft-Gas-Gemisches führt.
  • Ferner sind auch Mischformen aus dem Ottobetrieb und dem Dieselbetrieb bekannt.
  • Für den effizienten und schadstoffarmen Betrieb eines Grossmotors ist es wichtig, den Verbrennungsprozess zu kontrollieren und optimal zu gestalten. Insbesondere wenn der Grossmotor im Ottobetrieb mit bestimmungsgemässer Fremdzündung betrieben wird, also beispielsweise im Falle eines Dual-Fuel-Motors, der im Gasmodus betrieben wird, reagiert der Verbrennungsprozess empfindlich auf Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur oder der Feuchtigkeit der Spül- oder Ladeluft, oder des Ladedrucks, mit welchem die Spülluft zur Verfügung gestellt wird. Solche Änderungen können Änderungen in der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum verursachen. Im Speziellen kann sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis, beispielsweise das Luft-Gas-Verhältnis, ändern. Solche unerwünschten Änderungen im Luft-Brennstoff-Verhältnis können zu nachteiligen Änderungen im Verbrennungsprozess führen, denn die korrekte Einstellung des Luft-Gas-Verhältnisses ist von entscheidender Bedeutung für einen möglichst schadstoffarmen, effizienten und wirtschaftlichen Betrieb des Motors.
  • So kann es beispielsweise bei einem nicht optimalen Luft-Gas-Verhältnis zu einer Frühzündung bzw. zu einer unerwünschten Selbstzündung des Brennstoff-Luft Gemisches im Brennraum kommen Das heisst, der eigentlich für eine Fremdzündung vorgesehene Brennstoff entzündet sich durch Selbstzündung zu früh. Dies kann zu hohen mechanischen Belastungen, zum Klopfen des Motors und zu einer signifikanten Schadstofferhöhung im Abgas führen. Da der Verbrennungsprozess dann nicht mehr korrekt auf die Kolbenbewegung im Zylinder abgestimmt ist, führt dies unter anderem auch dazu, dass die Verbrennung teilweise gegen die Bewegung des Kolbens arbeitet.
  • Es besteht daher das Bedürfnis, den Verbrennungsprozess im Zylinder möglichst gut zu überwachen, damit beispielsweise das Auftreten solcher Frühzündungen durch die Selbstentzündung des Brennstoffs, der bestimmungsgemäss fremdgezündet werden sollte, detektiert werden kann.
  • Auch im Falle einer bestimmungsgemässen Fremdzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches kann es wünschenswert sein, den Prozess der Fremdzündung zu überwachen, beispielsweise um festzustellen oder zu kontrollieren, wo im Brennraum der Verbrennungsprozess beginnt.
  • Aber auch im Dieselbetrieb mit bestimmungsgemässer Selbstzündung des Brennstoffes, beispielsweise Schweröl, ist es oft wünschenswert, den Verbrennungsprozess im Brennraum zu überwachen, beispielsweise um festzustellen oder zu kontrollieren, wo im Brennraum der Verbrennungsprozess beginnt.
  • Um den Verbrennungsprozess im Brennraum zu überprüfen, beispielsweise, um den Ort des Beginns des Verbrennungsprozesses im Brennraum zu detektieren, sind komplexe optische Messanordnungen bekannt, mit denen der Verbrennungsprozess aufgezeichnet bzw. untersucht werden kann. Diese optischen Messanordnungen sind jedoch in der Regel sehr aufwendig und kostenintensiv und eignen sich häufig nur für den Einsatz auf Testständen oder in der Entwicklung von Grossmotoren, nicht aber für den normalen Einsatzbetrieb des Grossmotors.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Zylinder für einen längsgespülten Grossmotor vorzuschlagen, bei welchem der Verbrennungsprozess im Brennraum in einfacher Weise und mit möglichst geringem apparativen Aufwand überwacht werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Überwachung der Verbrennung in einem Zylinder eines längsgespülten Grossmotors vorzuschlagen. Auch ist es eine Aufgabe der Erfindung einen entsprechenden längsgespülten Grossmotor vorzuschlagen.
  • Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
  • Erfindungsgemäss wird also ein Zylinder für einen längsgespülten Grossmotor vorgeschlagen, mit einer Zylinderwandung, mit einem Kolben, welcher entlang einer Zylinderachse zwischen einem unteren und einem oberen Umkehrpunkt hin- und her bewegbar angeordnet ist, mit einem Zylinderdeckel, welcher gemeinsam mit dem Kolben einen Brennraum begrenzt, und mit mindestens einer Einspritzdüse zum Einbringen eines Brennstoffs in den Brennraum, wobei im Zylinderdeckel ein Auslassventil angeordnet ist, durch welches Verbrennungsgase aus dem Brennraum abführbar sind, wobei mindestens drei Drucksensoren zum Bestimmen des Drucks im Brennraum vorgesehen sind, und wobei alle Drucksensoren so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor bei einem Kurbelwinkel von 300°, vorzugsweise bei einem Kurbelwinkel von 330°, und besonders bevorzugt bei einem Kurbelwinkel von 350°, oberhalb des Kolbens befindet.
  • Mittels der drei Drucksensoren lässt sich der Verbrennungsprozess im Brennraum zuverlässig überwachen. Wenn an irgendeinem Ort im Brennraum eine Verbrennung beginnt, so führt dies zunächst an diesem Ort zu einem lokalen und deutlichen Druckanstieg. Von diesem Ort breitet sich der Druckanstieg in alle Richtungen aus und erreicht so auch die mindestens drei Drucksensoren, sodass diese den Druckanstieg registrieren. Aus den Laufzeitunterschieden, welche der Druckanstieg benötigt, um von seinem Ursprung, also dem Ort, an welchem die Verbrennung begonnen hat, zu den verschiedenen Drucksensoren zu gelangen, lässt sich dann, beispielsweise mittels einer trigonometrischen Methode, der Ort lokalisieren, an welchem die Verbrennung begonnen hat.
  • Dies gilt natürlich sowohl im Falle einer regulären Zündung, also einer gewünschten Selbstzündung des Brennstoffs oder einer gewünschten Fremdzündung des Brennstoffs, als auch im Falle einer unerwünschten Zündung, beispielsweise bei einer Frühzündung, bei welcher ein für die Fremdzündung bestimmter Brennstoff durch Selbstzündung zu einem zu frühen Zeitpunkt - bezogen auf den Kurbelwinkel - zu brennen beginnt.
  • Mittels der drei Drucksensoren lässt sich somit sowohl für reguläre Zündungen im Brennraum als auch für Frühzündungen oder andere unerwünschte Zündungen im Brennraum der Ort lokalisieren, an welchem die Verbrennung begonnen hat.
  • Im Falle von Frühzündungen kann also das Auftreten der Frühzündung detektiert werden, und es lässt sich der Ort lokalisieren, an welchem die Verbrennung begonnen hat. Somit können dann Gegenmassnahmen getroffen werden, beispielsweise eine Änderung des Ladedrucks, eine Änderung der eingebrachten Brennstoffmenge oder eine Änderung des Zeitpunkts der Einbringung des Brennstoffs in den Brennraum, um in den folgenden Arbeitszyklen Frühzündungen oder andere unerwünschte Zündvorgänge im Brennraum zu vermeiden oder zumindest deutlich zu reduzieren.
  • Der erfindungsgemässe Zylinder mit den mindestens drei Drucksensoren ermöglicht es somit in vorteilhafter Weise, das volle Potential des Verbrennungssystems auszunutzen, beispielsweise indem während des Betriebs des Grossmotors die Betriebsparameter dynamisch angepasst werden, um die Effizienz bzw. die Leistung des Motors in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen zu optimieren. Diese Betriebsbedingungen können z. B. sein: Umgebungsbedingungen, wie Lufttemperatur oder Luftfeuchtigkeit, die Qualität des verwendeten Brennstoffs, beispielsweise die Gasqualität, oder der Betriebszustand des Ladesystems, mit welchem die Spül- oder Ladeluft für den Zylinder bereitgestellt wird. Das Ladesystem umfasst typischerweise mindestens ein Abgassammler, einen Turbolader, einen Ladeluftkühler und einen Einlassspeicher (Einlassreceiver), aus welchem die Ladeluft in den Zylinder einströmt.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Drucksensoren so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor bei einem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° oberhalb des Kolbens befindet. Wie dies allgemein üblich ist, wird mit dem Kurbelwinkel 0° derjenige Kurbelwinkel bezeichnet, bei welchem sich der Kolben in seinem oberen Umkehrpunkt befindet, der auch als oberer Totpunkt bezeichnet wird. Bei dem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° ist somit das Volumen des Brennraums minimal und der Kolben beginnt mit seiner Abwärtsbewegung (Expansionshub).
  • Bei einem Zweitakt-Motor entspricht ein Arbeitszyklus des Kolbens einem Kurbelwinkelbereich von 360°. Der Kolben beginnt den Arbeitszyklus im oberen Umkehrpunkt bei dem Kurbelwinkel 0° mit seinem Expansionshub, bewegt sich dabei abwärts bis er bei dem Kurbelwinkel 180° den unteren Umkehrpunkt erreicht, der auch als unterer Totpunkt bezeichnet wird. Anschliessend bewegt sich der Kolben wieder aufwärts (Kompressionshub) und erreicht bei dem Kurbelwinkel von 360° wieder den oberen Umkehrpunkt. Der Kurbelwinkel 0° ist gleichbedeutend mit dem Kurbelwinkel 360°.
  • Bei einem Viertakt-Motor entspricht bekanntermassen ein Arbeitszyklus des Kolbens einem Kurbelwinkelbereich von 720°, weil sich der Kolben während eines Arbeitszyklus zweimal aufwärts und zweimal abwärts bewegen muss. Bei den Kurbelwinkeln 0°, 360° und 720° befindet sich der Kolben jeweils im oberen Umkehrpunkt, und bei den Kurbelwinkeln 180° und 540° befindet sich der Kolben jeweils im unteren Umkehrpunkt.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher alle Drucksensoren so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor bei einem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° oberhalb des Kolbens befindet, sind alle Drucksensoren also derart angeordnet, dass sie zu jedem Zeitpunkt der Kolbenbewegung, also für jeden beliebigen Kurbelwinkel immer oberhalb des Kolbens angeordnet sind. Das heisst, keiner der Drucksensoren ist für irgendeinen Kurbelwinkel durch den Kolben verdeckt.
  • Auch wenn dies eine bevorzugte Ausführungsform ist, so ist es keinesfalls notwendig, die Drucksensoren alle so anzuordnen, dass sie sich stets -also für jeden Kurbelwinkel - oberhalb des Kolbens befinden. Insbesondere im Hinblick auf Frühzündungen im Zylinder, beispielsweise durch Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches, hat die Praxis nämlich gezeigt, dass diese Frühzündungen typischerweise in einem Kurbelwinkelbereich auftreten, bei welchem der Kolben den oberen Umkehrpunkt noch nicht erreicht hat, beispielsweise in einem Kurbelwinkelbereich von 30° vor dem oberen Umkehrpunkt, also in dem Kurbelwinkelbereich von 330° bis 360°. Besonders häufig beobachtet man Frühzündungen im Bereich von 10° bis 15° vor dem oberen Umkehrpunkt, also in dem Kurbelwinkelbereich von 345°- 350°. Insbesondere zur Detektion von Frühzündungen sind daher auch solche Ausführungsformen möglich, bei welchen einer oder auch mehrere der Drucksensoren während eines Teils der Kolbenbewegung, beispielsweise im Kurbelwinkelbereich von 330° bis 360°, von dem Kolben verdeckt bzw. überdeckt ist/sind.
  • Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist mindestens eine mit dem Brennraum verbundene Vorkammer zum Zünden des Brennstoffs im Brennraum vorgesehen. Diese Ausführung ist insbesondere geeignet, wenn der Grossmotor im Ottobetrieb betrieben wird, bei welchem das Brennstoff-Gas-Gemisch im Brennraum fremdgezündet wird, also beispielsweise für einen Dual-Fuel Motor, der im Gasbetrieb betrieben wird. Die Vorkammer ist in an sich bekannter Weise über eine Austrittsöffnung mit dem Brennraum verbunden. Zur Fremdzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum wird dann eine kleine Menge eines flüssigen, selbstzündenden Brennstoffs, beispielsweise Schweröl oder Diesel, in die Vorkammer eingebracht, wo sich dieser Brennstoff selbstzündet. Die hierdurch entstehende Flamme gelangt durch die Austrittsöffnung der Vorkammer in den Brennraum und zündet dort das Brennstoff-Gas-Gemisch.
  • Aus herstellungstechnischen und apparativen Gründen ist es bevorzugt, dass jeder Drucksensor im Zylinderdeckel oder in der Zylinderwandung angeordnet ist. Dazu können im Zylinderdeckel bzw. in der Zylinderwandung Bohrungen vorgesehen sein, die sich jeweils bis in den Brennraum erstrecken. In diesen Bohrungen können dann die Drucksensoren angeordnet werden, sodass sich diese möglichst nahe am Brennraum befinden.
  • Es ist aber auch möglich, die Drucksensoren an anderen Stellen anzuordnen, beispielsweise im Auslassventil, insbesondere in dem dem Brennraum zugewandten Ventilteller des Auslassventils, oder im Kolben, insbesondere im Bereich der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Kolbens.
  • Um eine möglichst gute räumliche Auflösung zu erzielen, d.h. um den Ort, an welchem die Verbrennung beginnt, möglichst genau zu lokalisieren, ist es vorteilhaft, die Drucksensoren derart anzuordnen, dass sie einen möglichst grossen Abstand voneinander haben, wobei natürlich zu berücksichtigen ist, dass im Zylinder auch noch andere Komponenten angeordnet werden müssen, beispielsweise das Auslassventil, oder zumindest eine aber typischerweise mehrere Einspritzdüse(n) für das Einbringen des Brennstoffs in den Brennraum, oder Startluftventile oder die Vorkammer.
  • Im Hinblick auf eine möglichst gute, das heisst hohe, räumliche Auflösung ist es daher vorteilhaft, wenn die Drucksensoren bezüglich einer durch die Zylinderachse definierten axialen Richtung auf mindestens zwei verschiedenen Höhen angeordnet sind.
  • Vorzugsweise sind alle Drucksensoren auf jeweils verschiedenen Höhen angeordnet.
  • Um den Abstand zwischen den Drucksensoren möglichst gross zu gestalten, ist es ferner vorteilhaft, wenn die Drucksensoren bezüglich der Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Drucksensoren in Umfangsrichtung gesehen jeweils mindestens 45° ist.
  • Um die Zuverlässigkeit der Ortsbestimmung des Verbrennungsprozesses zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn mindestens vier Drucksensoren vorgesehen sind. Hierdurch lässt sich das Ergebnis der beispielsweise mittels Trigonometrie durchgeführten Ortsbestimmung überprüfen bzw. validieren.
  • Um eine möglichst gute räumliche Auflösung und damit eine möglichst genaue Bestimmung desjenigen Ortes zu erzielen, an welchem ein Verbrennungsprozess beginnt, ist es vorteilhaft, wenn jeder Drucksensor eine Messfrequenz von mindestens 20 kHz aufweist. Mit der Messfrequenz des Drucksensors ist dabei die Anzahl der individuellen Druckmessungen gemeint, welche der Drucksensor in einem Zeitintervall, also beispielsweise in einer Sekunde, durchführen kann. Die Messfrequenz legt somit die Rate fest, mit welcher eine Druckänderung von dem Drucksensor abgetastet wird.
  • Bei einer Messfrequenz von 20 kHz beträgt der zeitliche Abstand zwischen zwei individuellen Druckmessungen eines Drucksensors 50 Mikrosekunden. Es hat sich gezeigt, dass unter Berücksichtigung der typischen Dimensionen des Brennraums eines Grossmotors und der Schallgeschwindigkeit im Brennraum bei einer typischen Verbrennungstemperatur eine Messfrequenz von 20 kHz für viele Anwendungen ausreichend ist, um eine gute Lokalisierung des Ortes zu erreichen, an welchem ein Verbrennungsprozess beginnt.
  • Je nach Anwendung kann es aber auch vorteilhaft sein, dass jeder Drucksensor eine Messfrequenz von mindestens 50 kHz aufweist. Bei der Verwendung von sehr schnellen Drucksensoren mit einer Messfrequenz von beispielsweise 50 kHz beträgt der zeitliche Abstand zwischen zwei individuellen Druckmessungen des Drucksensors nur noch 20 Mikrosekunden, wodurch sich die Genauigkeit der Ortsbestimmung noch erhöhen lässt. Geht man von einer typischen Massenmitteltemperatur im Zylinder von etwa 700 K aus, so ergibt sich bei Verwendung der Schallgeschwindigkeit in Luft bei etwa 700 K eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckänderung, die einer Weglänge von ungefähr einem Zentimeter in 20 Mikrosekunden entspricht, d.h. die Druckänderung kann sich in der Zeitspanne zwischen zwei individuellen Druckmessungen des Drucksensors um etwa einen Zentimeter ausbreiten. Mit dieser hohen Messfrequenz von beispielsweise 50 kHz lässt sich daher eine besonders genaue Lokalisierung desjenigen Ortes erzielen, an welchem ein Verbrennungsprozess beginnt.
  • Durch die Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Überwachung der Verbrennung in einem Zylinder eines längsgespülten Grossmotors vorgeschlagen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder erfindungsgemäss ausgestaltet ist, und dass mittels der Drucksensoren Messsignale erfasst werden, wobei anhand der Messsignale ein Ort im Brennraum ermittelt wird, an welchem ein Verbrennungsvorgang beginnt.
  • Die Messsignale der Drucksensoren werden einer Auswerteeinheit zugeführt. In dieser kann dann, beispielsweise mittels einer trigonometrischen Methode, anhand der von den verschiedenen Drucksensoren erhaltenen Messsignale der Ort im Brennraum bestimmt werden, an welchem ein Verbrennungsprozess begonnen hat. Um den Zeitpunkt des Beginns des Verbrennungsprozesses relativ zum Arbeitszyklus des Kolbens zu ermitteln, ist es beispielsweise möglich, den Zeitpunkt der Erfassung eines Messsignals auf den Kurbelwinkel zu normieren, sodass den erfassten Messsignalen ein Kurbelwinkel zugeordnet wird, bei welchen sie erfasst wurden.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn alle Drucksensoren synchron getaktet werden. Das heisst, die verschiedenen Drucksensoren werden so angesteuert, dass sie alle jeweils zum gleichen Zeitpunkt eine individuelle Druckmessung durchführen.
  • Eine weitere Möglichkeit, den Messsignalen der Drucksensoren einem Kurbelwinkel zuzuordnen, besteht darin, in der Auswerteeinheit für jeden Drucksensor die Messsignale mit einer Kompressionskurve des Zylinders zu vergleichen. Die Kompressionskurve eines Zylinders beschreibt den Druckverlauf im Brennraum des Zylinders in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. Solche Kompressionskurven können beispielsweise in elektronischer Form in der Auswerteeinheit hinterlegt sein oder sie lassen sich anhand anderer Parameter ermitteln, welche beim Betrieb des Grossmotors erfasst werden.
  • Weiterhin wird durch die Erfindung ein längsgespülter Grossmotor vorgeschlagen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Grossmotor einen Zylinder aufweist, welcher gemäss der Erfindung ausgestaltet ist, oder dass die Verbrennung mit einem erfindungsgemässen Verfahren überwacht wird.
  • Der Grossmotor ist beispielsweise als längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor ausgestaltet und insbesondere als Dual-Fuel Grossdieselmotor, der in einem Flüssigmodus betreibbar ist, in welchem ein flüssiger Brennstoff zur Verbrennung in den Brennraum eingebracht wird, und der ferner in einem Gasmodus betreibbar ist, in welchem ein Gas als Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird.
  • Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung sowohl in apparativer als auch in verfahrenstechnischer Hinsicht anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Zylinders in einem Schnitt entlang der Zylinderachse, und
    Fig. 2:
    eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 in einem Schnitt senkrecht zur Zylinderachse.
  • Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Zylinders für einen nicht näher dargestellten längsgespülten Grossmotor. Der Zylinder ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Zylinder 1 umfasst eine Zylinderwandung 2, die vorzugsweise als Zylinderliner ausgestaltet ist, einen Zylinderdeckel 3, welcher den darstellungsgemäss oberen Abschluss des Zylinders 1 bildet, sowie einen Kolben 4, welcher entlang einer Zylinderachse Z zwischen einem oberen Umkehrpunt OT und einem unteren Umkehrpunkt (nicht dargestellt) hin und her bewegbar angeordnet ist. Fig. 1 zeigt den Kolben 4 im oberen Umkehrpunkt OT. Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2 noch eine schematische Schnittdarstellung des Zylinders 1 in einem Schnitt senkrecht zur Zylinderachse Z, wobei in Fig. 2 die Blickrichtung in Richtung des Zylinderdeckels 3 ist. In Fig. 2 ist die Schnittlinie I-I dargestellt, entlang welcher der Schnitt für die Fig. 1 erfolgt. Durch die Zylinderachse Z wird eine axiale Richtung A festgelegt.
  • Mit dem Begriff "Grossmotor" sind solche Motoren gemeint, wie sie üblicherweise als Hauptantriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Typischerweise haben die Zylinder eines Grossmotors jeweils einen Innendurchmesser (Bohrung), der mindestens etwa 200 mm beträgt. Mit dem Begriff "längsgespült" ist gemeint, dass die Spül- oder Ladeluft im Bereich des dem Zylinderdeckel 3 abgewandten Endes in den Zylinder 1 eingebracht wird.
  • Der Grossmotor kann als Viertakt- oder als Zweitakt-Motor ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Grossmotor als Grossdieselmotor ausgestaltet sein, speziell als längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor. Mit dem Begriff "Grossdieselmotor" sind dabei solche Grossmotoren gemeint, die in einem Dieselbetrieb betreibbar sind, bei welchem die Verbrennung des Brennstoffs üblicherweise nach dem Prinzip der Selbstzündung erfolgt. Im Rahmen dieser Anmeldung sind mit dem Begriff "Grossdieselmotor" auch solche Grossmotoren gemeint, die ausser im Dieselbetrieb, alternativ auch in einem Ottobetrieb betrieben werden können. Im Ottobetrieb erfolgt die Verbrennung typischerweise nach dem Prinzip der Fremdzündung des Brennstoffs. Auch ist es möglich, dass der Grossdieselmotor in Mischformen aus dem Dieselbetrieb und dem Ottobetrieb betrieben werden kann.
  • Als "flüssiger Brennstoff" wird ein Brennstoff bezeichnet, der im flüssigen Zustand in den Zylinder eingebracht wird. Als "gasförmiger Brennstoff' wird ein Brennstoff bezeichnet, der im gasförmigen Zustand in den Zylinder eingebracht wird. Ferner wird mit dem Begriff "fremdgezündeter Brennstoff" ein solcher Brennstoff bezeichnet, der bestimmungsgemäss durch Fremdzündung im Zylinder 1 verbrennt, bei welchem also bestimmungsgemäss eine Selbstzündung vermieden werden soll. Im Unterschied dazu wird mit einem "selbstzündenden Brennstoff" ein solcher Brennstoff bezeichnet, der bestimmungsgemäss durch Selbstzündung im Zylinder 1 verbrennt, also beispielsweise Schweröl oder Dieselbrennstoff.
  • Bei der folgenden Beschreibung der Erfindung wird mit beispielhaftem Charakter auf den für die Praxis wichtigen Fall eines Grossmotors Bezug genommen, der als längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor ausgestaltet ist, und der als Hauptantriebsaggregat eines Schiffes verwendet wird. Dieser Grossdieselmotor ist vorzugsweise als Dual-Fuel Grossdieselmotor ausgestaltet, sodass er mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist, nämlich mit einem flüssigen Brennstoff wie Schweröl oder Marinediesel, und mit einem gasförmigen Brennstoff, z. B. Erdgas. Der Dual-Fuel Grossdieselmotor kann während des Betriebs vom Verbrennen des ersten Brennstoffs auf das Verbrennen des zweiten Brennstoffs umgeschaltet werden und umgekehrt. Er ist also in einem Flüssigmodus betreibbar, in welchem ein flüssiger Brennstoff zur Verbrennung in den Brennraum eingebracht wird, und ferner in einem Gasmodus, in welchem ein Gas als Brennstoff in den Brennraum eingebracht wir. Im Gasmodus wird der Dual-Fuel-Motor vorzugsweise nach einem Niederdruckverfahren betrieben. Die Fremdzündung des Luft-Gas-Gemisches im Zylinder 1 erfolgt im Gasmodus vorzugsweise durch die Einspritzung einer kleinen Menge selbstzündenden Brennstoffs, z. B. Schweröl oder Diesel, welche dann das Luft-Gas-Gemisch fremdzündet.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diesen Typ von Grossmotor und auf diese Verwendung beschränkt ist, sondern Grossmotoren im Allgemeinen betrifft. Dabei ist es auch möglich, dass der Grossmotor nur für die Verbrennung eines einzigen Brennstoffs, beispielsweise Schweröl, Marinediesel oder Diesel, oder eines Gases wie Erdgas ausgestaltet ist. Der Grossmotor kann also auch als Gasmotor ausgestaltet sein. Auch ist es möglich, dass der Grossmotor als Multi-Fuel Grossmotor ausgestaltet ist, der mit einem ersten Brennstoff betrieben werden kann, und der mit mindestens einem zweiten Brennstoff betrieben werden kann, der von dem ersten Brennstoff verschieden ist. Natürlich kann der Grossmotor auch für die Verbrennung von mehr als zwei Brennstoffen ausgestaltet sein.
  • In jedem der üblicherweise mehreren Zylinder 1 des Grossdieselmotors ist jeweils ein Kolben 4 vorgesehen, dessen Oberseite gemeinsam mit dem Zylinderdeckel 3 einen Brennraum 9 begrenzt. Der Kolben 4 ist in an sich bekannter Weise über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden, welcher über eine Schubstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, sodass die Bewegung des Kolbens 4 über die Kolbenstange, den Kreuzkopf und die Schubstange auf die Kurbelwelle übertragen wird, um diese zu drehen.
  • In den Brennraum 9 kann mittels mindestens einer Einspritzdüse 7 ein Brennstoff eingespritzt werden. Es können natürlich auch an jedem Zylinder mehrere Einspritzdüsen 7 vorgesehen sein. Falls der Grossmotor mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist, können für die unterschiedlichen Brennstoffe auch unterschiedliche Einspritzdüsen 7 bzw. Einspritzvorrichtungen vorgesehen sein.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Zylinderdeckel 3 zwei Einspritzdüsen 7 vorgesehen. Diese Einspritzdüsen 7 dienen dazu, im Flüssigmodus den selbstzündenden flüssigen Brennstoff, beispielsweise Schweröl, Marinediesel oder Diesel in den Brennraum 9 einzuspritzen.
  • Für den Gasmodus werden typischerweise die Einspritzdüsen 7 nicht verwendet. Es ist mindestens eine von den Einspritzdüsen 7 verschiedene Einspritzvorrichtung für den gasförmigen Brennstoff vorgesehen. Diese Einspritzvorrichtung umfasst mindestens eine nicht dargestellte Gaseinlassdüse, durch welche der gasförmige Brennstoff in den Brennraum 9 eingebracht werden kann. Die Gaseinlassdüse ist vorzugsweise in der Zylinderwandung 2 angeordnet, sodass der gasförmige Brennstoff bei einem niedrigen Druck in den Brennraum 9 eingebracht werden kann.
  • Im Zylinderdeckel 3 ist weiterhin ein Startluftventil 8 angeordnet, welches in an sich bekannter Weise zum Starten des Grossmotors genutzt wird. Um den Grossmotor zu starten, wird durch das Startluftventil 8 Druckluft in den Brennraum 9 eingeblasen, um den Kolben 4 zu bewegen.
  • Im Zylinderdeckel 3 ist zudem ein meistens zentral angeordnetes Auslassventil 5 vorgesehen, durch welches die Verbrennungsgase nach dem Verbrennungsprozess aus dem Zylinder 1 in ein Abgassystem (nicht dargestellt) ausgetragen werden können.
  • Ferner ist im Zylinderdeckel 3 mindestens eine Vorkammer 6 (Fig. 2) vorgesehen, welche mit dem Brennraum 9 verbunden ist. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei Vorkammern 6 vorgesehen. Die Vorkammern 6 dienen der Fremdzündung des gasförmigen Brennstoffs, genauer gesagt des Brennstoff-Gas-Gemisches, wenn der Grossmotor im Gasmodus bzw. im Ottobetrieb betrieben wird. Jede Vorkammer 6 in an sich bekannter Weise über eine Austrittsöffnung mit dem Brennraum 9 verbunden. Zur Fremdzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 9 wird dann eine kleine Menge eines flüssigen, selbstzündenden Brennstoffs, beispielsweise Schweröl oder Diesel, in die jeweilige Vorkammer 6 eingebracht, wo sich dieser Brennstoff selbstzündet. Die hierdurch entstehende Flamme gelangt durch die Austrittsöffnung der jeweiligen Vorkammer 6 in den Brennraum 9 und zündet dort das Brennstoff-Gas-Gemisch.
  • Der weitere Aufbau und die einzelnen Komponenten des Grossdieselmotors wie beispielsweise Einzelheiten des Einspritzsystems, das Gaswechselsystem, das Abgassystem oder das Turboladersystem für die Bereitstellung der Spül- bzw. Ladeluft, sowie das Kontroll- und Steuerungssystem für einen Grossdieselmotor sind dem Fachmann sowohl für die Ausgestaltung als Zweitaktmotor als auch für die Ausgestaltung als Viertaktmotor hinlänglich bekannt und bedürfen daher hier keiner weiteren Erläuterung.
  • Bei dem längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor sind üblicherweise im unteren Bereich eines jeden Zylinders 1 Spülluftöffnungen (nicht dargestellt), beispielsweise ausgestaltet als Spülluftschlitze, zum Zuführen von Spülluft in den Zylinder 1 vorgesehen, wobei die Spülluftöffnungen durch die Bewegung des Kolbens 4 im Zylinder periodisch verschlossen und geöffnet werden, sodass die von dem Turbolader unter einem Ladedruck bereitgestellte Spülluft durch die Spülluftschlitze in den Zylinder 1 einströmen kann, solange diese geöffnet sind.
  • Die nicht dargestellte(n) Gaseinlassdüse(n) für das Einbringen des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum 9 sind beispielsweise bezüglich der axialen Richtung A zwischen den Spülluftschlitzen und dem Zylinderdeckel 3 in der Zylinderwandung 2 angeordnet.
  • Das Kontroll- und Steuerungssystem ist in modernen Grossmotoren ein elektronisches System, mit welchem sich üblicherweise alle Motor- oder Zylinderfunktionen, insbesondere die Einspritzung (Beginn und Ende der Einspritzung) und die Betätigung des Auslassventils, einstellen oder steuern bzw. regeln lassen.
  • Erfindungsgemäss umfasst der Zylinder 1 mindestens drei Drucksensoren 10 zur Erfassung des Drucks im Brennraum 9. Als Drucksensoren 10 sind alle an sich bekannten Drucksensoren geeignet, insbesondere resistive Drucksensoren 10 oder piezoelektrischer Drucksensoren 10.
  • Die Drucksensoren 10 dienen dazu, den Ort im Brennraum 9 zu lokalisieren, an welchem ein Verbrennungsprozess beginnt. Wenn irgendwo im Brennraum 9 eine Verbrennung beginnt, so führt dies an diesem Ort zu einem lokalen, deutlichen Druckanstieg. Diese Druckänderung breitet sich mit Schallgeschwindigkeit im Brennraum 9 aus und erreicht so auch die mindestens drei Drucksensoren 10, sodass jeder dieser Drucksensoren 10 den Druckanstieg registriert. Je nachdem, wie weit der jeweilige Drucksensor 10 vom Ursprungsort entfernt ist, an welchem der Verbrennungsprozess begonnen hat, benötigt die Druckänderung mehr oder weniger Zeit, um diesen Drucksensor 10 zu erreichen. Durch Vergleich der Messsignale, die von den mindestens drei Drucksensoren 10 erfasst werden, kann dann aus den Laufzeitunterschieden bzw. aus den jeweiligen Zeitpunkten, an denen die drei Drucksensoren 10 die Druckänderung detektiert haben, der ursprüngliche Ort ermittelt werden, an welchem der Verbrennungsprozess begonnen hat. Dies kann beispielsweise mittels einer trigonometrischen Methode erfolgen.
  • Prinzipiell lässt sich mit den drei Drucksensoren 10 für jeden Verbrennungsprozess derjenige Ort im Brennraum 9 ermitteln, an welchem der Verbrennungsprozess begonnen hat, unabhängig davon ob es sich um eine gewünschte Verbrennung oder um eine unerwünschte Verbrennung handelt. Gewünschte Verbrennungen umfassen dabei die Selbstzündung eines Brennstoffs, der bestimmungsgemäss ein selbstzündender Brennstoff ist, beispielsweise Schweröl oder Diesel, und die Fremdzündung eines Brennstoffs, der bestimmungsgemäss ein fremdgezündeter Brennstoff ist, beispielsweise ein Luft-Gas-Gemisch. Ungewünschte Verbrennungen umfassen insbesondere Frühzündungen im Brennraum 9, bei denen ein Brennstoff, der bestimmungsgemäss ein fremdgezündeter Brennstoff ist, durch Selbstzündung zu früh zu brennen beginnt.
  • Die Erfindung eignet sich somit insbesondere zur Detektion und zur Lokalisierung von Frühzündungen im Brennraum 9. Da solche Frühzündungen üblicherweise auftreten, bevor der Kolben 4 den oberen Umkehrpunkt OT erreicht, können einer oder mehrere der Drucksensoren 10 auch an solchen Orten angeordnet werden, an denen sie während eines Teils der Kolbenbewegung vom Kolben 4 überdeckt werden.
  • Die Position des Kolbens 4 im Zylinder 1 wird üblicherweise durch den Kurbelwinkel beschrieben, also die Winkelstellung der Kurbelwelle. Bei dem Kurbelwinkel 0° befindet sich der Kolben im oberen Umkehrpunkt OT (Fig. 1). Der Brennraum 9 hat sein minimales Volumen. Vom oberen Umkehrpunkt bewegt sich der Kolben 4 während eines Arbeitszyklus zunächst abwärts (Expansionshub) und erreicht bei dem Kurbelwinkel 180° den unteren Umkehrpunkt. Anschliessend bewegt sich der Kolben wieder aufwärts (Kompressionshub) und erreicht bei dem Kurbelwinkel von 360° wieder den oberen Umkehrpunkt OT, wodurch beim Zweitakt-Motor ein Arbeitszyklus komplett ist. Die Kurbelwinkel 0° und 360° sind somit identisch.
  • Wie bereits erwähnt, können einer oder mehrere der Drucksensoren 10 auch an solchen Orten angeordnet werden, an denen sie während eines Teils der Kolbenbewegung vom Kolben 4 überdeckt werden. Jedenfalls sind alle Drucksensoren 10 so angeordnet, dass sich jeder Drucksensor 10 bei einem Kurbelwinkel von 300° noch oberhalb des Kolbens 4 befindet, dass also bei einem Kurbelwinkel von 300° keiner der Drucksensoren 10 von dem Kolben 4 überdeckt wird. Vorzugsweise sind alle Drucksensoren 10 so angeordnet, dass sich jeder Drucksensor 10 bei einem Kurbelwinkel von 330° noch oberhalb des Kolbens 4 befindet, dass also bei einem Kurbelwinkel von 330° keiner der Drucksensoren 10 von dem Kolben 4 überdeckt wird.
  • Noch mehr bevorzugt ist es, wenn alle Drucksensoren 10 so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor 10 bei einem Kurbelwinkel von 350° noch oberhalb des Kolbens 4 befindet, dass also bei einem Kurbelwinkel von 350° keiner der Drucksensoren 10 von dem Kolben 4 überdeckt wird.
  • Besonders bevorzugt sind alle Drucksensoren 10 so angeordnet, dass sich jeder Drucksensor 10 auch bei einem Kurbelwinkel von 360° bzw. 0° noch oberhalb des Kolbens 4 befindet. Alle Drucksensoren 10 sind folglich so angeordnet, dass sie sich auch dann noch oberhalb des Kolbens 4 befinden, wenn der Kolben 4 im oberen Umkehrpunkt OT ist. Eine solche besonders bevorzugte Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Für jede beliebige Position des Kolbens 4, das heisst für jeden Kurbelwinkel, wird keiner der Drucksensoren 10 von dem Kolben 4 überdeckt.
  • Vorzugsweise ist jeder Drucksensor 10 im Zylinderdeckel 3 oder in der als Zylinderliner ausgestalteten Zylinderwandung 2 vorgesehen.
  • Es ist aber auch möglich, die Drucksensoren 10 an anderen Stellen anzuordnen, beispielsweise im Auslassventil 5, insbesondere in dem dem Brennraum 9 zugewandten Ventilteller des Auslassventils 5, oder im Kolben 4, insbesondere im Bereich der dem Brennraum 9 zugewandten Oberfläche des Kolbens 4. Wesentlich ist, dass alle Drucksensoren so angeordnet sind, dass sie eine Druckänderung im Brennraum 9 detektieren können.
  • Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind alle Drucksensoren 10 im Zylinderdeckel 3 angeordnet. Dazu ist im Zylinderdeckel 3 für jeden Drucksensor 10 jeweils eine durchgängige Bohrung vorgesehen, welche sich von der Aussenseite des Zylinderdeckels 3 durch den Zylinderdeckel 3 hindurch erstreckt und in den Brennraum 9 einmündet. In dieser Bohrung wird dann der jeweilige Drucksensor 10 angeordnet und fixiert, beispielsweise durch Einschrauben in die Bohrung oder durch einen Presssitz, wobei der jeweilige Drucksensor 10 so platziert wird, dass es sich möglichst nahe am Brennraum 9 befindet.
  • Wie bereits erwähnt, basiert die Bestimmung des Ortes im Brennraum 9, an welchem ein Verbrennungsprozess beginnt, vorzugsweise auf einer trigonometrischen Methode, bei der aus den Laufzeiten, welche die Druckänderung vom Ort des Beginns der Verbrennung bis zum Erreichen des jeweiligen Drucksensors 10 benötigt, der Ort bestimmt wird, an welchem die Verbrennung, also beispielsweise die Frühzündung, begonnen hat bzw. aufgetreten ist.
  • Um eine möglichst hohe Ortsauflösung, das heisst eine möglichst genaue Bestimmung des Orts der Verbrennung zu erzielen, ist es eine vorteilhafte Massnahme, den gegenseitigen Abstand zwischen den Drucksensoren 10 möglichst gross zu wählen. Dabei ist natürlich zu berücksichtigen, dass im Zylinderdeckel 3 auch noch andere Komponenten angeordnet sind, wie beispielsweise das Auslassventil 5, die Vorkammern 6, die Einspritzdüsen 7 oder das Startluftventil 8.
  • Um einen möglichst grossen Abstand der Drucksensoren 10 untereinander zu realisieren, können die Drucksensoren 10 bezüglich der axialen Richtung A auf unterschiedlichen Höhen H1, H2, H3 angeordnet werden, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Dabei ist es bevorzugt, dass alle Drucksensoren 10 auf jeweils verschiedenen Höhen H1, H2, H3 bezüglich der axialen Richtung A angeordnet sind. Das heisst, in Fig. 1 bezeichnen H1 und H2 und H3 jeweils verschiedene Höhenniveaus, sodass die Höhe H1 verschieden von der Höhe H2 und der Höhe H3 ist, wobei die Höhe H2 auch verschieden von der Höhe H3 ist.
  • Um einen möglichst grossen Abstand der Drucksensoren 10 untereinander zu realisieren, ist es ferner eine vorteilhafte Massnahme, die Drucksensoren 10 bezüglich der Umfangsrichtung des Zylinders 1 bzw. des Zylinderdeckels 3 an unterschiedlichen Positionen anzuordnen, sodass jeweils zwei benachbarte Drucksensoren 10 bezüglich der Umfangsrichtung einen Winkelabstand haben. Dieser Winkelabstand zwischen benachbarten Drucksensoren ist vorzugsweise jeweils mindestens 45°.
  • Um eine möglichst hohe Ortsauflösung zu erzielen, d.h. um den Ort, an welchem ein Verbrennungsprozess im Zylinder 1 beginnt, möglichst genau zu bestimmen, werden vorzugsweise Drucksensoren mit einer hohen Messfrequenz verwendet. Die Messfrequenz des Drucksensors 10 gibt an, wie viele individuelle Messungen der Drucksensor 10 in einem Zeitintervall, beispielsweise in einer Sekunde, durchführen kann. Bevorzugt werden Drucksensoren 10 eingesetzt, die eine Messfrequenz von mindestens 20 kHz haben oder sehr schnelle Drucksensoren 10, die eine Messfrequenz von 50 kHz oder noch grösser haben. Bei einer Messfrequenz von 50 kHz beträgt der Zeitabstand zwischen zwei individuellen Messungen zwanzig Mikrosekunden.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, vier oder noch mehr Drucksensoren 10 vorzusehen, wobei mit jedem Drucksensor 10 der Druck im Brennraum 9 ermittelt werden kann. Mit mindestens einem zusätzlichen Drucksensor zu den drei Drucksensoren 10 kann das Ergebnis der Messung überprüft werden oder beispielsweise ein Fehler in einem der drei Drucksensoren 10 detektiert werden. Natürlich kann es je nach Anwendungsfall auch vorteilhaft sein, fünf oder auch noch mehr Drucksensoren 10 im Brennraum 9 anzuordnen.
  • Bei der Verwendung von vier Drucksensoren kann bei einer trigonometrischen Auswertung der Messsignale von drei der Drucksensoren 10 das Messsignal des vierten Drucksensors 1 zur Validierung bzw. zur Überprüfung der Ortsbestimmung herangezogen werden.
  • Die Messsignale aller Drucksensoren 10 werden einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) zugeführt. In dieser kann dann, beispielsweise mittels einer trigonometrischen Methode, anhand der von den verschiedenen Drucksensoren 10 erhaltenen Messsignale der Ort im Brennraum 9 bestimmt werden, an welchem ein Verbrennungsprozess begonnen hat.
  • Zur Vereinfachung der Auswertung in der Auswerteeinheit kann es vorteilhaft sein, wenn alle Drucksensoren 10 synchron getaktet werden, sodass die individuellen Druckmessungen der verschiedenen Drucksensoren 10 jeweils für alle Drucksensoren 10 zum gleichen Zeitpunkt stattfinden.
  • Im Hinblick auf die Auswertung der Messsignale der Drucksensoren 10 kann es vorteilhaft sein, wenn die Messsignale der Drucksensoren 10 mit einer Kompressionskurve für den Zylinder 1 verglichen werden. Die Kompressionskurve des Zylinders 1 gibt den Verlauf des Drucks im Brennraum 9 des Zylinders 1 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel an.

Claims (15)

  1. Zylinder für einen längsgespülten Grossmotor mit einer Zylinderwandung (2), mit einem Kolben (4), welcher entlang einer Zylinderachse (Z) zwischen einem unteren und einem oberen Umkehrpunkt (OT) hin- und her bewegbar angeordnet ist, mit einem Zylinderdeckel (3), welcher gemeinsam mit dem Kolben (4) einen Brennraum (9) begrenzt, und mit mindestens einer Einspritzdüse (7) zum Einbringen eines Brennstoffs in den Brennraum (9), wobei im Zylinderdeckel (3) ein Auslassventil (5) angeordnet ist, durch welches Verbrennungsgase aus dem Brennraum (9) abführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Drucksensoren (10) zum Bestimmen des Drucks im Brennraum (9) vorgesehen sind, wobei alle Drucksensoren (10) so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor (10) bei einem Kurbelwinkel von 300°, vorzugsweise bei einem Kurbelwinkel von 330°, und besonders bevorzugt bei einem Kurbelwinkel von 350°, oberhalb des Kolbens (4) befindet.
  2. Zylinder nach Anspruch 1, wobei alle Drucksensoren (10) so angeordnet sind, dass sich jeder Drucksensor (10) bei einem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° oberhalb des Kolbens (4) befindet.
  3. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine mit dem Brennraum (9) verbundene Vorkammer (6) zum Zünden des Brennstoffs im Brennraum (9) vorgesehen ist.
  4. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Drucksensor (10) im Zylinderdeckel (3) oder in der Zylinderwandung (2) angeordnet ist.
  5. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drucksensoren (10) bezüglich einer durch die Zylinderachse (Z) definierten axialen Richtung (A) auf mindestens zwei verschiedenen Höhen (H1, H2, H3) angeordnet sind.
  6. Zylinder nach Anspruch 5, wobei alle Drucksensoren (10) auf jeweils verschiedenen Höhen (H1, H2, H3) angeordnet sind.
  7. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drucksensoren (10) bezüglich der Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Drucksensoren (10) in Umfangsrichtung gesehen jeweils mindestens 45° ist.
  8. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens vier Drucksensoren (10) vorgesehen sind.
  9. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Drucksensor (10) eine Messfrequenz von mindestens 20 kHz aufweist.
  10. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Drucksensor (10) eine Messfrequenz von mindestens 50 kHz aufweist.
  11. Verfahren zur Überwachung der Verbrennung in einem Zylinder eines längsgespülten Grossmotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist, und dass mittels der Drucksensoren (10) Messsignale erfasst werden, wobei anhand der Messsignale ein Ort im Brennraum (9) ermittelt wird, an welchem ein Verbrennungsvorgang beginnt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei alle Drucksensoren (10) synchron getaktet werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-12, wobei in einer Auswerteeinheit für jeden Drucksensor (10) die Messsignale mit einer Kompressionskurve des Zylinders (1) verglichen werden.
  14. Längsgespülter Grossmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Grossmotor einen Zylinder (1) aufweist, welcher gemäss einem der Ansprüche 1-10 ausgestaltet ist, oder dass die Verbrennung mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 11-13 überwacht wird.
  15. Grossmotor nach Anspruch 14, ausgestaltet als längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor, insbesondere als Dual-Fuel Grossdieselmotor, der in einem Flüssigmodus betreibbar ist, in welchem ein flüssiger Brennstoff zur Verbrennung in den Brennraum (9) eingebracht wird, und der ferner in einem Gasmodus betreibbar ist, in welchem ein Gas als Brennstoff in den Brennraum (9) eingebracht wird.
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