DE2221567C2 - Regeleinrichtung an einer aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader und mit einer Druckluftstartanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung an einer aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader und mit einer Druckluftstartanlage, die ein Steuerventil enthält, das zur Zufuhr von Startluft aus einer Speicheranlage im Takt der KolbenbewegungT in den einzelnen Zylindern über in den τ Zylindern befindliche Einlaßventile dient.

Bei aufgeladenen Diesclbrennkraftmaschinen besteht bei raschem Lastanstieg die Schwierigkeit, daß die Maschine nicht ausreichend Luft zur Verfügung hat. Es ist nämlich bei einem Lastanstieg eine Erhöhung der Drehzahl der Turboladegruppe erforderlich, welche nur auf dem Umweg über die Brenngase möglich ist und einen verhältnismäßig langen Zeitraum beansprucht. Aus diesem Grunde hat man bisher bei Maschinen dieser Art, die für eine plötzliche Lastaufnahme geeignet sein sollten, wie z. B. Notstromaggregate, auf die Aufladung verzichtet. Unaufgeladene Maschinen gleicher Leistung sind jedoch schwerer und teurer als aufgeladene Maschinen.

Andererseits war man beim Start von Dieselbrennkraftmaschinen mit Druckluft bestrebt, die Druckluft möglichst beim Eintreten der ersten Zündungen, somit bei einer sehr niedrigen Drehzahl, die tief unter 50 °/o der Vollastdrehzahl lag, abzuschalten, da man sonst eine Beschädigung der Maschine befürchtete.

Das gilt auch für die Anlage nach der schweizerischen Patentschrift 174 167, bei welcher vorübergehend nachgeholfen wird, wenn Zündungen ausbleiben. Das Ausbleiben von Zündungen ist nämlich eine für den Anlaßvorgai._b typische Erscheinung.

Zur Verbesserung der Beschleunigung von aufgeladenen Dieselmaschinen mit Abgasturboladern wurde es bereits vorgeschlagen, aus einem Behälter Druckluft entweder in die vom Motor zur Abgasturbine führende Leitung oder direkt in die Turbine einzuführen. Derartige Anlagen sind z. B. aus der deutschen Auslegeschrift I 626 425 oder der deutschen Patentschrift 490 850 bekannt. Dabei wird jedoch die Druckluft schlecht ausgenützt, da sie nur mit der in ihr enthaltenen Druckenergie wirkt und nicht an der Verbrennung teilnehmen kann.

Das gleiche gilt auch für die Brennkraftmaschine nach der deutschen Patentschrift 684 760 bzw. für das Verfahren nach der dieser Patentschrift entsprechenden österreichischen Patentschrift 158 567. Nach diesen Patentschriften wird vorgeschlagen, die beim Bremsen von der letzten Stufe einer mehrstufigen Brennkraftmaschine komprimierte Luft in einem Behälter zu speisen und bei einer beabsichtigten Beschleunigung der Maschine wieder dieser letzten Stufe zuzuführen. Nach der österreichischen Patentschrift 158 567 kann die letzte Stufe eine Rotationsmaschine sein. Eine derartige Anlage entspricht jedoch im wesentlichen den bereits erwähnten Maschinen nach der deutschen Auslegeschrift 1 626 425 oder deutschen Patentschrift 490 850.

Die Erfindung hat die Schaffung einer Regeleinrichtung zum Ziel, welche 7. B. bei einer Nolstromgruppe das Aufschalten der vollen Last entweder aus einem Stillstand der Maschine oder bei einer im Leerlauf mitlaufenden Maschine mit wesentlich kleineren Verzögerungen als bisher ermöglicht. Bei Maschinen, die unter Belastung gestartet werden, wie z. B. Maschinen, die direkt mit Pumpen, Gebläsen oder Schiffspropellern gekuppelt sind, soll die Betriebsdrehzahl in wesentlich kürzerer Zeit als bisher erreicht werden können.

Die erfindungsgemäße Einrichtung, durch welche dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Startluft ζ.τ Verbesserung der Beschleunigung der Maschine und/oder zur Verminderung der Drehzahlsenkung bei plötzlicher Lastaufnahme der mit Brennstoff laufenden Maschine auch im Bereich von über 50 °/o der Vollastdrehzahl erfolgt.

Es hat sich trotz dem bestehenden Vorurteil erwiesen, daß einer mit Brennstoff laufenden Maschine zusätzlich Startluft zugeführt werden kann, ohne daß eine Beschädigung der Maschine entsteht. Überraschend ist auch die Erkenntnis, daß bei einer im Teillastbereich oder mit niedriger Drehzahl laufenden Maschine die zusätzliche Zufuhr von Startluft zu einer Erhöhung des Drehmoments der Maschine führt. Diese Wirkung entsteht einerseits durch eine Erhöhung des Druckes im Zylinder gegen Ende des Expansionshubes, andererseits durch eine Erhöhung des Zünddruckes. Es scheint noch zusätzlich zur primären Einwirkung der Druckluft auf den Kolben eine Rolle zu spielen, daß im Zylinder nach dem Ende des Auslaßvorganges ein größerer Anteil an reiner Luft verbleibt als im Normalbetrieb der Maschine. Außerdem hat die Zufuhr kalter Anlaßluft zur Folge, daß die im Zylinder befindliche Luft kühler ist, so daß sich im Zylinder vor dem Beginn des jeweils nächsten Kompressionshubes mehr Luft befindet als ohne die erfindungsgemäße Maßnahme. Die zugeführte kalte Druckluft bewirkt noch eine zusätzliche Kühlung des Zylinders. Das alles wird dabei ohne wesentliche Veränderungen an der Maschine selbst erreicht.

Bei einer Maschine mit einem elektrischen Genera-

tor mit konstanter Beiriebsdrehzahl kann die Regeleinrichtung die Zufuhr von Stariluft in die Zylinder bei einer unter einen gegebenen Grenzwert sinkenden Drehzahl im Bereich von 50 bis 100 °/o der Vollastdrehzahl einschalten.

In Fällen, wo die plötzliche Aufschaltung der Last vorauszusehen ist, ist die Ausbildung einer Regeleinrichtung möglich, welche die Zufuhr von Druckluft aufschaltet, bevor es überhaupt zu einer Drehzahlsenkung kommt.

Wenn es sich um eine Brennkraftmaschine handelt, die möglichst rasch, unter Umständen sogar unter Last gestartet werden soll, kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche die Zufuhr von Druckluft erst nach dem Überschreiten einer Drehzahl von mindestens 50 °/o der Betricbsdrehzalil abschaltet. Das bedeutet, daß während eines Teiles des Startvorganges der Motor gleichzeitig mit Brennstoff und mit Zufuhr von Slartluft arbeitet. Das führt zu einer wesentlichen Beschleunigung des Motors, und zwar aus den gleichcn Gründen, wie sie bereits erläutert wurden.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Bs zeigt

1- i g. 1 eine als Stromaggregat dienende Gruppe mit einem elektrischen Generator und einer aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine und

F i g. 2 ein Indikatordiagramm der nach dem Verfahren betriebenen Maschine.

Die in der F i g. 1 dargestellte Anlage enthält eine Dicselbrennkraftmaschine 1, die über eine Welle mit einem Schwungrad 2 mit einem elektrischen Generator 3 verbunden ist, der seine elektrische Leistung iu eine Dieiphasenleitung 4 liefert. Die Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasleitung S versehen, an welehe eine Abgasturbine 6 angeschlossen ist, die ein Gebläse 7 antreibt. Die Abgasturbine 6 mit dem Gebläse 7 bilden in bekannter Weise einen freilaufenden Abgasturbolader. An die Förderleitung des Gebläses 7 ist über einen I adelufikühler 8 die Ladeluftleitung 9 der Maschine angeschlossen.

In den einzelnen Zylindern der Maschine sind Anlaßventile 10 für Druckluft angeordnet, die über eine Anlaßluftleitung 11 an einen Anlaßluftbehälter 12 angeschlossen sind. In der Anlaßluftleitung 11 befindet sich ein Rückschlagventil 13 und ein elektromagnetisches Ventil 14.

Außerdem ist die Maschine mit einem Steuerventil 15 versehen, das von der Kurbelwelle der Maschine angetrieben wird und zur Steuerung der Anlaßventile 10 im Takt der Kolbenbewegungcn in den einzelnen Zylindern dient. Zu diesem Zweck ist das Steuerventil 15 durch Steuerleitungeu 16 mit den einzelnen Ventilen 10 verbunden. Das Steuerventil 15 selbst ist seinerseits durch eine Leitung 17 an die Luftleitung 11 nach dem elektromagnetischen Ventil 14 angeschlossen.

Bei der dargestellten Anlage ist eine Regelvorrichtung 18 vorgesehen, welche an mindestens einen der Leitung der Dreiphasenleitung 4 angeschlossen ist und ihrerseits über eine Leitung 19 das elektromagnetische Ventil 14 steuert. Außerdem ist die Regelvorrichtung 18 mit einer Steuerleitung 20 versehen, welche die Zufuhr von Steuersignalen von außen gestattet.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage ist in den meisten Fällen, mit Ausnahme der Regelvorrichtung 18, gleich wie eine bekannte Anlage ausgebildet. Die Regelvorrichtung 18 sorgt jedoch dafür, daß im Betrieb während Zeiträumen, in denen eine schlagartige Leistungserhöhung der Maschine erforderlich ist und die Maschine mit Brennstoff läuft, die zusätzliche Zufuhr von Starüuft in die Zylinder ermöglicht wird. Wenn sich die Maschine im Stillstand befindet, so kann durch die Signalleitung 20 der Regelvorrichtung 18 ein Signal gegeben werden, worauf diese das Ventil 14 öffnet. Die Regelvorrichtung selbst sorgt dafür, daß das Ventil 14 nicht wie bisher möglichst rasch nach den ersten Zündungen in den Zylindern geschlossen wird, sondern weiter offen bleibt, bis die Maschine z. B. ungefähr 50 "Ό ihrer Betriebsdrehzahl erreicht

Wenn andererseits die Maschine bereits läuft, wie z. B. ein im Leerlauf mit der Betriebsdrehzahl befindliches Stromaggregat, so kann die Regelvorrichtung 18 so ausgebildet sein, daß bei einem plötzlichen Absinken der Drehzahl von z. B. 4 °/o unter die gegebene Beiriebsdrehzahl das Ventil 14 geöffnet wird und zusätzlich Luft in die Zylinder eingeblasen wird. Die Regelvorrichtung kann dabei entweder durch die Drehzahl der Maschine oder auch durch andere Betriebsgrößen, wie z. B. die elektrische Frequenz oder die Last, d. h. in diesem Falle die Stromintensität usw. gesteuert werden.

Die F i g. 2 zeigt ein Indikationsdiagramm eines Viertaktdieselmotors bei Betrieb mit Brennstoff ohne Zufuhr von Startluft in die Zylinder sowie mit Zufuhr von Startluft. Die vertikale Achse entspricht in bekannter Weise dem im Zylinder herrschenden Druck /;, die horizontale Achse dem Hub bzw. Hubvolumen V.

Die mit voller Linie dargestellte Kurve α gilt für Betrieb mit Brennstoff bei einer kleinen Teillast ohne die Zufuhr von Startluft. Bei der Einspritzung der entsprechenden Brennstoffmenge ergibt sich ein Zünddruck p_a.

Bei der Zufuhr von Startluft und gleichzeitiger Erhöhung der Brennstoffmenge erhält das Diagramm die mit der gestrichelten Linie b dargestellte Form. Einerseits bewirkt die Anlaßluft gegen Ende des Expansionsvorganges im Zylinder, d. h. im Abschnitt b' der Kurve b eine Erhöhung des auf den Kolben wirkenden Druckes, andererseits wird gleichzeitig auch der Zünddruck bis um ungefähr 25 °/o vom Wert p„ auf den Wertp₆ erhöht. Diese Erhöhung kann dadurch erklärt werden, daß sich jeweils vor dem nächsten Kompressionshub ein größerer Anteil von reiner Luft im Zylinder befindet, die zudem kühl ist, so daß die Zylinderfüllung ein größeres Luftgewicht enthält. Dadurch wird die Verbrennung von größeren Brennstoffmengen ermöglicht. Die während des Auslaßvorganges direkt aus den Zylindern in die Abgasleitung entweichende Luft stellt ebenfalls keinen Nachteil dar, da sie in der Abgasturbine entspannt wird und somit der Aufladung zugute kommt.

Obwohl die erfindungsgemäße Maßnahme in erster Reihe zur Anwendung bei den in der Regel für den Antrieb von Notstromgruppen dienenden Viertakt-Dieselmotoren bestimmt ist, ist sie auch bei Zweitakt-Dieselmotoren anwendbar. Ebenso treten die erzielten Wirkungen zwar besonders bei Maschinen mit pneumalisch gesteuerten Startventilen in Erscheinung, die üblicherweise bei mit Druckluft gestarteten Dieselmotoren verwendet werden. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist jedoch trotzdem auch bei Motoren mit mechanisch gesteuerten Startventilen anwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung an einer aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader und mit einer Druckluftstartanlage, die ein Steuerventil enthält, das zur Zufuhr von Startluft aus einer Speicheranlage im Takt der Kolbenbewegungen in den einzelnen Zylindern über in den Zylindern befindliche Einlaßventile dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Startluft zur Verbesserung der Beschleunigung der Maschine und/oder zur Verminderung der Drehzahlsenkung bei plötzlicher Lastaufnahme der mit Brennstoff laufenden Maschine auch im Bereich von über 50 °/o der Vollastdrehzahl erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit einem elektrischen Generator mit konstanter Betriebsdrehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Zufuhr von Startluft in die Zylinder bei einer unter einen gegebenen Grenzwert sinkenden Drehzahl im Bereich von 50 bis 100% der Vollastdrehzahl einschaltet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie beim Start die Zufuhr von Druckluft erst nach dem Erreichen einer Drehzahl von mehr als 50°/o der Betriebsdrehzahl abschaltet.

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