[0001] Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor, insbesondere einen Zweitakt-Dieselmotor, mit mehreren, gemäss einer vorgegebenen Zündfolge phasenverschoben arbeitenden Zylindern, die jeweils einen durch einen mit einer Kurbelwelle zusammenwirkenden Kolben begrenzten, mit einer Verbrennungslufteinlasseinrichtung, einer Abgasauslasseinrichtung, einer Brennstoffeinspritzeinrichtung und einer Anlasslufteinlasseinrichtung versehenen Arbeitsraum aufweisen und die beim Anlassen des Motors mittels einer bei Erreichen einer Umschaltdrehzahl auslösbaren Umschalteinrichtung von einer Anlassbetriebsweise auf eine Einspritzbetriebswiese umschaltbar sind,
wobei in der Anlassbetriebsweise zumindest bei einem Teil der Zylinder bei jedem Arbeitszyklus ein durch Anlassluft bewerkstelligter Arbeitshub und in der Einspritzbetriebsweise bei allen Zylindern bei jedem Arbeitszyklus ein durch Kraftstoffverbrennung bewerkstelligter Arbeitshub stattfinden.
[0002] Bei den bekannten Motoren dieser Art sind die Öffnungs- und Schliesszeitpunkte der Abgasauslasseinrichtung für beide Betriebsweisen gleich. Es erfolgt daher auch in der Anlassbetriebsweise eine Verdichtung, die der Expansion der Anlassluft und bei der Umschaltung von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise der Massenträgheit der bewegten Organe entgegenwirkt. Sobald in der Anlassbetriebsweise eine vorgegebene Umschaltdrehzahl der Kurbelwelle erreicht ist, werden bisher alle Zylinder gleichzeitig von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise umgeschaltet.
Infolge der nicht vermeidbaren Totzeiten der am Umschaltvorgang beteiligten Organe erfolgt die tatsächliche Umschaltung der einzelnen Organe jedoch mit entsprechendem Verzug gegenüber der Auslösung der Umschalteinrichtung, d.h. gegenüber dem Umschaltbefehl. Dies kann u.U. dazu führen, dass die Kraftstoffeinspritzung im Arbeitszyklus der Umschaltung unterbleibt. Bisher ist dabei aufgrund der oben beschriebenen Bremswirkung der Verdichtung ein Absinken der Drehzahl zu befürchten, was dazu führen kann, dass es zu keiner ordnungsgemässen Zündung und Verbrennung mehr kommt. Es besteht daher die Gefahr eines Fehlstarts, was insbesondere bei der Durchführung von Manövriervorgängen in einem Hafen etc. katastrophale Folgen haben kann. Ausserdem besteht die Gefahr, dass es zu Explosionen im Abgaskanal kommt.
Um derartigen Nachteilen vorzubeugen, muss eine hohe Umschaltdrehzahl vorgegeben werden. Dies ergibt jedoch einen hohen Verbrauch an Anlassluft und erfordert daher grosse Anlassluftflaschen mit grossen zugeordneten Kompressoren, was zu einem hohen Bedarf an Bauraum führt, der bei Schiffen knapp ist. Der Verbrauch an Anlassluft kann auch durch Totzeit des Anlasslufteinlassventils noch weiter erhöht werden.
Die bekannten Anordnungen erweisen sich daher als nicht einfach, kompakt, sicher und zuverlässig genug.
[0003] Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie ein sparsamer Verbrauch von Anlassluft erreicht werden.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Abgasauslasseinrichtung in der Anlassbetriebsweise länger geöffnet ist als in der Einspritzbetriebsweise und dass die Umschalteinrichtung die Zylinder in Abhängigkeit vom ihrem Kolben jeweils zugeordneten Kurbelwinkel der Kurbelwelle phasenverschoben von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise umschaltet, wobei die Umschaltung der Zylinder jeweils erfolgt, bevor ihr Kolben die Position,
bei der in der Einspritzbetriebsweise die Abgasauslasseinrichtung schliesst, passiert.
[0005] Diese Massnahmen stellen sicher, dass Verdichtungsvorgänge während der Anlassbetriebsweise verhindert werden können. Dennoch ist sichergestellt, dass jeder Zylinder nach seiner Umschaltung von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise noch einen vollständigen Verdichtungshub ausführen kann, so dass die anschliessende, erste Einspritzung auch zu einer Zündung und Verbrennung und damit zu einer tatsächlichen Energiezufuhr führt.
Zylinder, die zum Zeitpunkt der Auslösung der Umschalteinrichtung keine Möglichkeit mehr haben, innerhalb des dabei begonnenen Arbeitszyklusses noch einen vollständigen Verdichtungshub auszuführen, also die Position, bei der in der Einspritzbetriebsweise die Abgasauslasseinrichtung schliesst, bereits passiert haben, werden erst beim nächsten Arbeitszyklus umgeschaltet und können daher zunächst nochmals Anlassluft bekommen. Die erfindungsgemässen Massnahmen führen dementsprechend zu einem Umschaltmodus, bei dem bereits in einem Teil der Zylinder eine Verbrennung stattfindet, während andere Zylinder noch mit Anlassluft beaufschlagt werden, was eine hohe Energiezufuhr beim Umschaltvorgang ergibt und ein Absinken der Drehzahl vermeidet.
Der Umschaltvorgang kann daher in vorteilhafter Weise bereits bei einer vergleichsweise niedrigen Umschaltdrehzahl eingeleitet werden, was sich vorteilhaft auf den Verbrauch von Anlassluft auswirkt. Man kommt daher in vorteilhafter Weise mit vergleichsweise kleinen Anlassluftflaschen aus. Dasselbe gilt für die diesen zugeordneten Kompressoren. Dennoch gewährleisten die erfindungsgemässen Massnahmen ein sehr stabiles Startverhalten, sodass Fehlstarts zuverlässig vermieden werden. Mit den erfindungsgemässen Massnahmen werden daher die eingangs geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig vermieden.
[0006] Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den abhängigen <Unteransprüchen angegeben.
So können die Zylinder zur Erzielung einer besonders hohen Zuverlässigkeit von der Umschalteinrichtung zweckmässig einzeln von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise umgeschaltet werden.
[0007] Vorteilhaft kann die Umschalteinrichtung so ausgebildet sein, dass die Umschaltung jedes zur Umschaltung kommenden Zylinders erst erfolgt, nachdem sein Kolben die Position, bei der in der Einspritzbetriebsweise die Einspritzung beendet ist, passiert hat. Hierdurch werden Fehleinspritzungen zuverlässig vermieden.
[0008] Eine weitere zweckmässige Massnahme kann darin bestehen, dass bei einer Umschaltung eines Zylinders von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise im Kurbelwinkelbereich zwischen Öffnen und Schliessen der Anlasslufteinlasseinrichtung diese bis zu ihrer in der Anlassbetriebsweise regulären Schliessposition geöffnet bleibt.
Hierdurch wird sichergestellt, dass die Anlassluftenergie soweit wie möglich genutzt wird.
[0009] Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der übergeordneten Massnahmen kann darin bestehen, dass solche Zylinder, deren Kolben innerhalb des Arbeitszyklusses, in den die Auslösung der Umschalteinrichtung fällt, bei der Auslösung der Umschalteinrichtung die Position, bei der in der Einspritzbetriebsweise die Abgasauslasseinrichtung schliesst, noch nicht passiert haben, innerhalb dieses Arbeitszyklusses umgeschaltet werden und die anderen Zylinder innerhalb des jeweils nächsten Zyklusses. Hierdurch verkürzt sich der Umschaltvorgang auf wenige Arbeitszyklen, in der Regel zwei Arbeitszyklen.
[0010] Vorteilhaft kann die Abgasauslasseinrichtung in der Anlassbetriebsweise erst kurz vor dem oberen Totpunkt schliessen. Hierdurch wird auch eine leichte Verdichtung vermieden.
Vorteilhaft kann die Abgasauslasseinrichtung in der Anlassbetriebsweise ferner erst später geöffnet werden als in der Einspritzbetriebsweise. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise der Arbeitshub der Anlassluft vergrössern.
[0011] Eine weitere vorteilhafte Massnahme kann darin bestehen, dass der Abstand zwischen der Position, bei der die Anlasslufteinlasseinrichtung schliesst und der Position, bei der die Abgasauslasseinrichtung öffnet, so gewählt ist, dass die in den Arbeitsraum eingebrachte Anlassluft bis auf den Druck der vor der Verdichtung in den Arbeitsraum eintretenden Luft expandieren kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass keine Anlassluftenergie verloren geht.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Abgasauslasseinrichtung in der Anlassbetriebsweise schliesst bevor die Anlasslufteinlasseinrichtung öffnet.
[0012] In weiterer Fortbildung der Erfindung ist ein elektronisch gesteuerter Motor vorgesehen. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Verwirklichung einer frei wählbaren, von einem mechanischen Antrieb unabhängigen Steuerung der Organe der Einspritzeinrichtung, der Abgasauslasseinrichtung und der Anlasslufteinlasseinrichtung, so dass deren Einsatzbeginn- und -endzeitpunkte auf höchst einfache Weise entsprechend den Bedürfnissen der Erfindung verschiebbar sind.
Diese Massnahmen bieten zudem den Vorteil, Totzeiten der steuerbaren Organe auf einfache Weise auszugleichen.
[0013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den restlichen abhängigen Ansprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
[0014] In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Dieselmotors,
<tb>Fig. 2<sep>einen Zylinder der Anordnung gemäss Fig. 1 mit einem Zyklus der Einspritzbetriebsweise und
<tb>Fig. 3<sep>einen Zylinder der Anordnung gemäss Fig. 1 mit einem Zyklus der Anlassbetriebsweise.
[0015] Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind Zweitakt-Grossdieselmotoren, wie sie beispielweise für Schiffsantriebe Verwendung finden. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind an sich bekannt.
[0016] Der in Fig. 1 dargestellte Zweitakt-Grossdieselmotor enthält mehrere, hier vier in Reihe nebeneinander angeordnete Zylinder 1, die jeweils einen durch einen auf- und abgehend bewegbaren Kolben 2 begrenzten Arbeitsraum 3 aufweisen. Die Kolben 2 wirken jeweils über eine Kraftübertragungseinrichtung mit einer Kurbelwelle 4 zusammen. Die Kraftübertragungseinrichtung ist hier als Pleuelverbindung 5 angedeutet.
Bei Grossdieselmotoren enthält die Kraftübertragungseinrichtung in der Praxis jedoch einen hier nicht näher dargestellten Kreuzkopf, der über eine Kolbenstange mit dem zugeordneten Kolben verbunden ist und über eine Pleuelverbindung mit der Kurbelwelle zusammenwirkt.
[0017] Die Kurbelwelle 4 ist direkt oder indirekt mit einem anzutreibenden Aggregat gekoppelt. Im dargestellten Beispiel ist die Kurbelwelle 4 direkt mit einem Schiffspropeller 6 verbunden. Dieser kann, wie in Fig. 1 angedeutet, als Festpropeller, das heisst als Propeller mit feststehenden Schaufeln, ausgebildet sein.
[0018] Im normalen Betrieb werden die Arbeitsräume 3 der Zylinder 1 mit aus der Umgebung entnommener, zur Verbrennung benötigter Luft, d.h. mit Verbrennungsluft, versorgt, die durch den jeweils zugeordneten Kolben 2 soweit verdichtet wird, dass anschliessend eingespritzter Brennstoff zündet.
Infolge der anschliessenden Verbrennung des Brennstoffs wird der Kolben 2 nach unten bewegt. Nach der Verbrennung werden die dabei entstandenen Abgase ausgestossen.
[0019] Es finden daher bei jedem Arbeitszyklus ein Verdichtungshub des Kolbens 2, eine Kraftstoffeinspritzung, ein Arbeitshub des Kolbens 2 sowie ein Auspuff- und Füllungsvorgang statt. Diese Betriebsweise wird nachstehend als Einspritzbetriebsweise bezeichnet.
[0020] Jeder Zylinder besitzt eine Verbrennungslufteinlasseinrichtung, hier in Form von im unteren Zylinderbereich angeordneten, vom jeweils zugeordneten Kolben 2 steuerbaren Lufteinlasschlitzen 7, über die der jeweils zugeordnete Arbeitsraum 3 mit Verbrennungsluft versorgt, d.h. gefüllt wird.
Zur Einspritzung von Brennstoff besitzt jeder Zylinder 1 wenigstens eine Brennstoffeinspritzeinrichtung, hier in Form einer Einspritzdüse 8, die an eine Brennstoffversorgungsleitung 9 angeschlossen ist. Ferner enthält jeder Zylinder 1 eine Abgasauslasseinrichtung hier in Form wenigstens eines Auslassventils 10, das einem vom Arbeitsraum 3 abgehenden Abgasauslass 11 zugeordnet ist, an den ein Auslasskanal 12 anschliesst.
[0021] Zum Anlassen d.h. Starten des Motors wird der Arbeitsraum 3 aller oder ausgewählter Zylinder 1 bei der Abwärtsbewegung des jeweils zugeordneten Kolbens 2 mit Anlassluft beaufschlagt. Dabei handelt es sich um Pressluft, die in hier nicht näher dargestellten Anlassluftflaschen bereitgehalten wird, denen ebenfalls nicht näher dargestellte Kompressoren zugeordnet sind.
Mit Hilfe dieser Kompressoren werden die Anlassluftflaschen im normalen Betrieb aufgeladen. Eine Vorschrift besagt, dass die Anlassluftflaschen so dimensioniert sein müssen, dass mindestens zwölf Starts durchführbar sind. Beim Anlassen findet bei jedem Arbeitszyklus zunächst ein durch die komprimierte Anlassluft bewerkstelligter Arbeitshub und danach ein Auspuffvorgang statt. Diese Betriebsweise wird nachstehend als Anlassbetriebsweise bezeichnet.
[0022] Zur Einleitung der Anlassluft sind die Zylinder 1 jeweils mit einer Anlasslufteinlasseinrichtung versehen.
Hierbei handelt es sich um ein Einlassventil 13, das eine im oberen Zylinderbereich vorgesehene Einlassöffnung kontrolliert, die über eine Verbindungsleitung 14 mit einer hier nicht näher dargestellten Anlassluftflasche verbunden ist.
[0023] Den Auslassventilen 10 ist jeweils eine Betätigungseinrichtung 15, beispielsweise in Form eines Hydraulikzylinders, zugeordnet, der seinerseits mittels elektrisch oder elektronisch betätigbarer Organe steuerbar ist. Ebenso sind den Einspritzventilen 8 und den Anlassluft-Einlassventilen 13 elektrisch oder elektronisch betätigbare Organe zugeordnet. Diese elektrisch oder elektronisch betätigbaren Organe sind hier mittels einer zugeordneten, elektronischen Steuereinrichtung 16 steuerbar, wie durch von dieser abgehende Signalleitungen 17, 18, 19 angedeutet ist.
Der Steuereinrichtung 16 ist ein die Winkelstellung der Kurbelwelle 4 abtastender Sensor 20 zugeordnet. Zur Verarbeitung der Sensorsignale enthält die Steuereinrichtung 16 einen Rechner 21, der über eine Signalleitung 24 mit dem Sensor 20 verbunden ist.
[0024] Der Motor kann aber auch insgesamt als elektronisch steuerbarer Motor ausgebildet sein, der mit einem die Winkelstellung der Kurbelwelle 4 abtastenden Sensor 20 zusammenwirkenden Zentralrechner zur elektronischen Steuerung aller elektronisch steuerbaren Organe versehen ist. In jedem Fall macht die Elektronik einen mechanischen Steuerantrieb der oben genannten Organe entbehrlich und stellt auf einfache Weise sicher, dass diese unabhängig voneinander einzeln gesteuert werden können und Verschiebungen der Steuerpunkte möglich sind.
Ebenso ist es dabei auf einfache Weise möglich, die zu steuernden Organe, hier zumindest der Abgasauslasseinrichtung, der Brennstoffeinspritzeinrichtung und der Anlasslufteinlasseinrichtung, mit einem der Totzeit dieser Organe entsprechenden Vorlauf anzusteuern, so dass der tatsächlich erwünschte Kurbelwinkel für die Schaltung erreicht wird. Der durch die Totzeit bewirkte Kurbelwinkelversatz der Schaltpunkte ist geschwindigkeitsabhängig, was jedoch rechnerisch leicht erfassbar ist.
[0025] Dem Motor ist eine Umschalteinrichtung 22 zugeordnet, durch welche beim Anlassen des Motors eine Umschaltung von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise bewerkstelligt wird. Die Umschalteinrichtung 22 ist der elektronischen Steuereinrichtung 16 zugeordnet bzw. in dieser enthalten.
Die Umschalteinrichtung 22 wird ausgelöst, sobald beim Anlassvorgang eine vorgegebene Drehzahl der Kurbelwelle 4 erreicht ist. Der Auslösebefehl kann mit Hilfe des Rechners 21 automatisch gegeben werden. Der erste Startbefehl kann auch manuell ausgelöst werden, wie durch eine Eingabeeinrichtung 23 angedeutet ist.
[0026] Die Einspritzbetriebsweise, die dem Normalbetrieb entspricht, und die Anlassbetriebsweise, die nur zum Starten des Motors verwendet wird, ergeben sich anschaulich aus den Fig. 2 und 3. Dabei ist jeweils die von der Kurbelwelle 4 durchgeführte Drehbewegung als Kurbelwinkelkreis angedeutet. Ein Arbeitszyklus umfasst bei einem Zweitaktmotor eine Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 2 und damit eine Drehung der Kurbelwelle 4 um 360 .
Jeder Punkt des Kurbelwinkelkreises entspricht dementsprechend einer entsprechenden Stellung des Kolbens 2 während des eine auf- und abgehende Bewegung des Kolbens 2 umfassenden Arbeitszyklusses. Der obere Totpunkt ist jeweils mit OT, der untere Totpunkt jeweils mit UT bezeichnet.
[0027] In der Einspritzbetriebsweise wird das Auslassventil 10 in einem Kurbelwinkelbereich vor UT geöffnet und in einem Kurbelwinkelbereich nach UT geschlossen. Der vor UT liegende Öffnungszeitpunkt ist in Fig. 2 durch die Position 30, der nach UT liegende Schliesszeitpunkt durch die Position 31 angedeutet. Der Winkelabstand zwischen den Positionen 30 und 31 soll im dargestellten Beispiel etwa 60 deg. betragen. Je nach Bauweise sind hiervon jedoch Abweichungen selbstverständlich möglich. Im Bereich des oberen Totpunkts erfolgt die Brennstoffeinspritzung.
Diese kann zweckmässig kurz vor OT beginnen und etwas nach OT enden. Der Beginn der Einspritzung ist in Fig. 2 durch die Position 32, das Ende der Einspritzung durch die Position 33 angedeutet. Der Abstand zwischen den Positionen 32 und 33 beträgt im dargestellten Beispiel etwa 30 . Selbstverständlich sind auch hier Abweichungen möglich.
[0028] In der Anlassbetriebsweise ist die Abgasauslassöffnung 11 wesentlich länger geöffnet als in der Einspritzbetriebsweise, um sicherzustellen, dass beim Aufwärtshub des Kolbens 2 keine Verdichtung erfolgt und somit dem Kolben 2 keine Kraft entgegenwirkt. Der Schliesszeitpunkt des Auslassventils 10 ist daher, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, von der Position 31 in Fig. 2 auf eine kurz vor OT sich befindende Position 31a verlegt.
Die Position 30 für das Öffnen des Auslassventils 10 kann unverändert bleiben oder vorteilhaft mehr an UT angenähert werden. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung ist in der Anlassbetriebsweise passiviert, d.h. abgeschaltet.
[0029] Zur Bewerkstelligung einer Drehung der Kurbelwelle 4 werden die Arbeitsräume 3 aller oder ausgewählter Zylinder 1 mit Anlassluft beaufschlagt. Hierzu wird die jeweils zugeordnete Anlasslufteinlasseinrichtung entsprechend betätigt. Das der Anlasslufteinlasseinrichtung zugeordnete Einlassventil 13 öffnet gemäss Fig. 3 im Bereich des oberen Totpunkts, vorzugsweise kurz vor OT. Der Öffnungszeitpunkt ist in Fig. 3 durch die Position 35 angedeutet. In jedem Fall öffnet das Einlassventil 13 erst, nachdem das Auslassventil 10 geschlossen hat. Die Position 35 ist daher der Position 31a in Drehrichtung nachgeordnet.
Das Einlassventil 13 schliesst bei der Position 36, die weit nach OT liegt, jedoch der Position 30, bei der das Auslassventil 10 öffnet, in Drehrichtung vorgeordnet ist.
[0030] Zweckmässig ist der Abstand zwischen der Position 36, bei der die Anlasslufteinlasseinrichtung 13 schliesst und der Position 30, bei der die Abgasauslasseinrichtung 10 öffnet, so gewählt, dass die in den Arbeitsraum 3 eingebrachte Anlassluft bis auf den Druck der vor der Verdichtung in den Arbeitsraum 3 eintretenden Luft expandieren kann. Dies ermöglicht eine vollständige Ausnutzung der Energie der Anlassluft.
Zur Verlängerung des durch die Anlassluft bewerkstelligten Arbeitshubs kann dabei die Position 30, bei der das Auslassventil 10 öffnet, gegenüber dem Einspritzbetrieb mehr in Richtung UT verschoben werden, so dass das Auslassventil 10 in der Anlassbetriebsweise später öffnet als in der Einspritzbetriebsweise.
[0031] Beim Übergang von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise, der wie oben bereits erwähnt wurde, eingeleitet wird, wenn in der Anlassbetriebsweise eine vorgegebene Geschwindigkeit der Kurbelwelle 4 erreicht worden ist, werden erfindungsgemäss nicht alle Zylinder 1 gleichzeitig umgeschaltet, sondern in Abhängigkeit von der Kolbenstellung, d.h. von dem ihrem Kolben 2 jeweils zugeordneten Kurbelwinkel der Kurbelwelle 4 phasenverschoben und zwar derart, dass der bzw. die Zylinder 1, deren bzw.
dessen Kolben 2 bei Auslösung der Umschalteinrichtung 22 noch die Möglichkeit haben, innerhalb des Arbeitszyklusses, in den die Auslösung der Umschalteinrichtung 22 fällt, einen vollständigen Verdichtungshub durchzuführen, das heisst die Position 31, bei welcher das Auslassventil 10 in der Einspritzbetriebsweise schliesst, noch nicht überschritten haben, innerhalb des Arbeitszyklusses umgeschaltet werden, in den die Auslösung der Umschalteinrichtung 22 fällt. Die anderen Zylinder 1 werden erst beim nächsten Arbeitszyklus umgeschaltet und bekommen daher zunächst noch Anlassluft.
Die phasenverschobene Umschaltung der Zylinder kann gruppenweise oder vorzugsweise einzeln erfolgen.
[0032] Es ergibt sich somit ein Umschaltmodus, bei dem manche Zylinder 1 noch mit Anlassluft beaufschlagt werden und andere bereits eine Brennstoffeinspritzung bekommen, die zu einer Zündung und Verbrennung führt. Auf diese Weise wird daher die Einbringung von Energie in den Motor während der Umschaltung optimiert, was zu sehr stabilen Umschaltverhältnissen beträgt und Fehlstarts vermeidet. Die Umschaltung kann hier auch schon bei einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit durchgeführt werden, was Anlassluft einspart und dazu beiträgt, dass man mit vergleichsweise geringem Druck der Anlassluft auskommt. Insgesamt sind die erfindungsgemässen Massnahmen einer platzsparenden Bauweise der Anlassluftbereitstellungseinrichtung sehr förderlich.
Die hohe Energieeinbringung während des Umschaltvorgangs erweist sich insbesondere auch dort als besonders vorteilhaft, wo mit dem Motor eine vergleichsweise grosse Last verbunden ist, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form des Festpropellers 6.
[0033] Um die Energie der Anlassluft voll auszunutzen, kann vorgesehen sein, dass bei einer Umschaltung eines Zylinders 1 von der Anlassbetriebsweise auf die Einspritzbetriebsweise im Kurbelwinkelbereich zwischen Öffnen und Schliessen der Anlasslufteinlasseinrichtung 13 diese bis zu ihrer in der Anlassbetriebsweise regulären Schliessposition 36 geöffnet bleibt.
Es wäre aber auch denkbar, die Umschaltung der Zylinder 1 erst dann erfolgen zu lassen, wenn der betreffende Kolben 2 die Position 36, bei der in der Anlassbetriebsweise das Einlassventil 13 schliesst, bereits passiert hat Um eine Fehleinspritzung vom Brennstoff zu vermeiden, erfolgt die Umschaltung des Zylinders bzw. der Zylinder, der bzw. die während des Arbeitszyklusses umgeschaltet werden, in den die Auslösung der Umschalteinrichtung 22 fällt, in jedem Fall erst dann, wenn der betreffende Kolben 2 die Position 33 passiert hat, bei der in der Einspritzbetriebsweise die Einspritzung beendet ist.
[0034] Die Umschalteinrichtung 22 ist zweckmässig als in der Recheneinrichtung, hier im Rechner 21, abgelegtes Programm ausgebildet.
Eine Anpassung an die Verhältnisse des Einzelfalls kann daher in vorteilhafter Weise softwaremässig erfolgen.
[0035] Die Anzahl der beim Starten des Motors mit Anlassluft beaufschlagten Zylinder 1 kann in Abhängigkeit von der zu erwartenden Belastung bestimmt werden. Hierzu kann in der Recheneinrichtung, hier im Rechner 21, ein entsprechendes Programm abgelegt sein. Die nichtbeteiligten Zylinder 1 laufen dabei leer mit. An der Umschaltung auf die Einspritzbetriebsweise sind jedoch alle Zylinder 1 beteiligt. Dabei gilt in jedem Fall, dass die Zylinder 1 erst dann Brennstoff bekommen, das heisst dass die Einspritzdüse 8 erst dann aktiviert wird, wenn der Kolben 2 des betreffenden Zylinders 1 zwischen Auslösung der Umschalteinrichtung 22 und Einspritzung noch die Möglichkeit hatte, einen vollständigen Verdichtungshub auszuführen.
The invention relates to a diesel engine, in particular a two-stroke diesel engine, with multiple, according to a predetermined firing order out of phase working cylinders, each limited by a cooperating with a crankshaft piston, with a combustion air inlet device, an exhaust gas outlet, a fuel injector and a starting air intake device have provided working space and are switchable when starting the engine by means of a releasable upon reaching a switching speed switching means of a starting operation mode on a Einspritzbetriebswiese,
wherein in the cranking operation, at least a portion of the cylinders at each duty cycle, a working stroke accomplished by cranking air and in the injection mode at all cylinders at each stroke, a power stroke performed by fuel combustion.
In the known engines of this type, the opening and closing of the exhaust gas outlet device for both modes are the same. There is therefore also in the starting mode of operation, a compression, which counteracts the expansion of the starting air and the switching of the starting mode of operation on the injection mode of inertia of the moving organs. Once in the starting mode, a predetermined switching speed of the crankshaft is reached, all cylinders are switched simultaneously from the starting mode to the injection mode.
Due to the unavoidable dead times of the organs involved in the switching operation, however, the actual switching of the individual organs takes place with a corresponding delay in relation to the triggering of the switching device, i. opposite to the switching command. This may u.U. cause the fuel injection to fail in the switching duty cycle. So far, it is due to the above-described braking effect of the compression to fear a decrease in the speed, which can lead to the fact that there is no longer proper ignition and combustion. There is therefore the risk of a false start, which can have catastrophic consequences, in particular when carrying out maneuvering operations in a port. There is also the danger of explosions in the exhaust duct.
To prevent such disadvantages, a high switching speed must be specified. However, this results in a high consumption of starting air and therefore requires large starting air cylinders with large associated compressors, which leads to a high demand for space, which is scarce in ships. The consumption of starting air can also be further increased by dead time of the starting air intake valve.
The known arrangements therefore prove not to be simple, compact, safe and reliable enough.
On this basis, it is therefore the object of the present invention to improve a diesel engine of the type mentioned with simple and inexpensive means so that a high level of safety and reliability and economical consumption of starting air can be achieved.
This object is achieved according to the invention that the exhaust gas outlet is opened in the start mode longer than in the Einspritzbetriebsweise and that the switching means the cylinder in response to their piston respectively associated crank angle of the crankshaft phase-shifted from the starting mode switches to the injection mode, the Switching the cylinders respectively takes place before their pistons position,
in which closes in the injection mode, the exhaust gas outlet, happens.
These measures ensure that compression operations can be prevented during the cranking operation. Nevertheless, it is ensured that each cylinder can still perform a complete compression stroke after its switchover from the starting mode to the injection mode, so that the subsequent, first injection also leads to ignition and combustion and thus to an actual energy supply.
Cylinders, which at the time of triggering the switching device no longer have the possibility to carry out a complete compression stroke within the work cycle that has begun, ie the position at which the exhaust gas outlet device closes in the injection mode, have already passed, can only be switched over during the next work cycle and can Therefore, first get air again. Accordingly, the measures according to the invention lead to a switching mode in which combustion already takes place in one part of the cylinder, while other cylinders are still subjected to starting air, which results in a high energy input during the switching process and avoids a decrease in the rotational speed.
The switching operation can therefore be initiated advantageously already at a comparatively low switching speed, which has an advantageous effect on the consumption of starting air. It is therefore advantageous to use comparatively small starting air cylinders. The same applies to the associated compressors. Nevertheless, the measures according to the invention ensure a very stable starting behavior, so that false starts are reliably avoided. The measures according to the invention therefore completely avoid the disadvantages of the known arrangements described at the outset.
Advantageous embodiments and expedient developments of the higher-level measures are given in the dependent <subclaims.
Thus, the cylinders can be suitably switched individually from the starting mode to the injection mode to achieve a particularly high reliability of the switching device.
Advantageously, the switching means may be configured so that the switching of each coming to switch cylinder only after his piston has passed the position at which the injection is terminated in the injection mode. As a result, incorrect injections are reliably avoided.
A further expedient measure may consist in that when switching a cylinder from the starting mode to the injection mode in the crank angle range between opening and closing of the starting air inlet device this remains open until its normal in the starting mode closing position.
This ensures that the starting air energy is used as much as possible.
A particularly preferred embodiment of the parent measures may consist in that such cylinders whose pistons fall within the working cycle, in which the triggering of the switching device, when triggering the switching means the position in which closes in the injection mode, the exhaust gas outlet, yet have not changed within this Arbeitszyklusses and the other cylinders within the next cycle. This shortens the switching process to a few working cycles, usually two working cycles.
Advantageously, the exhaust gas outlet in the starting mode only close shortly before top dead center. As a result, a slight compression is avoided.
Advantageously, the exhaust gas outlet device can also be opened later in the starting mode of operation than in the injection mode. As a result, the working stroke of the starting air can advantageously be increased.
A further advantageous measure may be that the distance between the position at which the starting air inlet closes and the position at which opens the exhaust gas outlet, is selected so that the introduced into the working space starting air to the pressure of before the compression can expand into the working space entering air. This ensures that no starting air energy is lost.
In this context, it is also advantageous if the exhaust gas outlet device closes in the starting mode before the starting air inlet device opens.
In a further development of the invention, an electronically controlled motor is provided. This easily enables the realization of a freely selectable, independent from a mechanical drive control of the organs of the injector, the Abgasauslasseinrichtung and the starting air inlet device, so that their Einsatzbeginn- and -Endzeitpunkte are highly easily displaced according to the needs of the invention.
These measures also offer the advantage of easily compensating dead times of the controllable organs.
Further advantageous embodiments and expedient developments of the parent measures are given in the remaining dependent claims and from the following description of the example with reference to the drawing closer.
In the drawing described below:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of a diesel engine according to the invention,
<Tb> FIG. 2 <sep> a cylinder of the arrangement according to FIG. 1 with a cycle of the injection mode and
<Tb> FIG. 3 <sep> a cylinder of the arrangement according to FIG. 1 with one cycle of the starting mode of operation.
Main field of application of the present invention are two-stroke large diesel engines, such as those used for marine propulsion. The basic structure and operation of such engines are known per se.
The illustrated in Fig. 1 two-stroke large diesel engine contains several, here four in series juxtaposed cylinder 1, each having a limited by an up and down movable piston 2 working space 3. The pistons 2 each cooperate with a crankshaft 4 via a power transmission device. The power transmission device is indicated here as a connecting rod connection 5.
In large diesel engines, the power transmission device in practice, however, contains a crosshead not shown here, which is connected via a piston rod with the associated piston and cooperates via a connecting rod connection with the crankshaft.
The crankshaft 4 is coupled directly or indirectly with a driven unit. In the example shown, the crankshaft 4 is connected directly to a ship's propeller 6. This can, as indicated in Fig. 1, as a fixed propeller, that is as a propeller with fixed blades, be formed.
In normal operation, the working spaces 3 of the cylinders 1 are removed with air taken from the environment and required for combustion, i. supplied with combustion air, which is compressed by the respective associated piston 2 so far that subsequently ignited fuel injected.
As a result of the subsequent combustion of the fuel, the piston 2 is moved downwards. After combustion, the resulting exhaust gases are ejected.
There are therefore at each cycle a compression stroke of the piston 2, a fuel injection, a working stroke of the piston 2 and an exhaust and filling process instead. This operation will be referred to as injection mode hereinafter.
Each cylinder has a combustion air inlet device, here in the form of arranged in the lower cylinder region, controllable by the respective associated piston 2 air intake slots 7 through which the respective associated working space 3 is supplied with combustion air, i. is filled.
For injecting fuel, each cylinder 1 has at least one fuel injection device, here in the form of an injection nozzle 8, which is connected to a fuel supply line 9. Furthermore, each cylinder 1 contains an exhaust gas outlet device here in the form of at least one exhaust valve 10, which is assigned to an exhaust gas outlet 11 that leads away from the working chamber 3 and to which an exhaust duct 12 adjoins.
For starting, i. Starting the engine, the working chamber 3 of all or selected cylinder 1 is acted upon in the downward movement of the respectively associated piston 2 with starting air. This is compressed air, which is kept ready in this case not shown in detail, which are also not shown compressors assigned.
With the help of these compressors, the starting air cylinders are charged during normal operation. A regulation states that the starting air cylinders must be dimensioned so that at least twelve launches are feasible. When starting, at each work cycle, there is first a working stroke accomplished by the compressed starting air and then an exhaust process. This operation will hereinafter be referred to as a cranking operation.
To initiate the starting air, the cylinders 1 are each provided with a starting air intake device.
This is an inlet valve 13, which controls an inlet opening provided in the upper cylinder area, which is connected via a connecting line 14 to a starter air bottle (not illustrated here).
The exhaust valves 10 each have an actuating device 15, for example in the form of a hydraulic cylinder, assigned, which in turn is controllable by means of electrically or electronically actuated organs. Similarly, the injectors 8 and the starting air intake valves 13 are assigned electrically or electronically actuated organs. These electrically or electronically operable members are here controlled by means of an associated electronic control device 16, as indicated by outgoing from this signal lines 17, 18, 19.
The control device 16 is assigned a sensor 20 scanning the angular position of the crankshaft 4. For processing the sensor signals, the control device 16 includes a computer 21, which is connected via a signal line 24 to the sensor 20.
The engine can also be designed as a total electronically controllable engine, which is provided with a scanning the angular position of the crankshaft 4 sensor 20 cooperating central computer for electronic control of all electronically controllable organs. In any case, the electronics dispenses with the need for a mechanical control drive of the above-mentioned devices and ensures in a simple manner that these can be controlled independently of one another and displacements of the control points are possible.
Likewise, it is possible in a simple manner to control the organs to be controlled, in this case at least the exhaust gas outlet device, the fuel injection device and the starting air inlet device, with a feed corresponding to the dead time of these devices, so that the actual desired crank angle for the circuit is achieved. The caused by the dead time crank angle offset of the switching points is speed-dependent, but this is mathematically easily detectable.
The engine is associated with a switching device 22, by means of which, when starting the engine, a changeover from the starting mode to the injection mode is accomplished. The switching device 22 is assigned to the electronic control device 16 or contained therein.
The switching device 22 is triggered when a predetermined speed of the crankshaft 4 is reached during the starting process. The trigger command can be given automatically by means of the computer 21. The first start command can also be triggered manually, as indicated by an input device 23.
The injection mode, which corresponds to the normal operation, and the starting mode, which is used only for starting the engine, are apparent from FIGS. 2 and 3. In each case, the performed by the crankshaft 4 rotational movement is indicated as a crank angle circle. A duty cycle comprises in a two-stroke engine an up and down movement of the piston 2 and thus a rotation of the crankshaft 4 by 360.
Each point of the crank angle circle accordingly corresponds to a corresponding position of the piston 2 during the one up and down movement of the piston 2 comprehensive work cycle. The top dead center is in each case labeled with TDC, the bottom dead center in each case with UT.
In the injection mode, the exhaust valve 10 is opened in a crank angle range before UT and closed in a crank angle range to UT. The opening time before UT is indicated in FIG. 2 by the position 30, the closing time lying after UT by the position 31. The angular distance between the positions 30 and 31 should in the example shown about 60 deg. be. Depending on the design, however, deviations are of course possible. In the area of top dead center, the fuel injection takes place.
This can conveniently begin shortly before OT and end a bit after OT. The beginning of the injection is indicated in FIG. 2 by the position 32, the end of the injection by the position 33. The distance between positions 32 and 33 is about 30 in the illustrated example. Of course, deviations are possible here as well.
In the starting mode, the exhaust outlet 11 is opened much longer than in the injection mode to ensure that no compression occurs during the upward stroke of the piston 2 and thus the piston 2 counteracts no force. The closing time of the outlet valve 10 is therefore, as can be seen from FIG. 3, moved from the position 31 in FIG. 2 to a position 31 a shortly before TDC.
The position 30 for the opening of the outlet valve 10 may remain unchanged or advantageously more approximated to UT. The fuel injector is passivated in the cranking mode, i. off.
To accomplish a rotation of the crankshaft 4, the working chambers 3 of all or selected cylinders 1 are subjected to starting air. For this purpose, the respectively assigned starting air intake device is actuated accordingly. The inlet valve 13 assigned to the starting air inlet device opens according to FIG. 3 in the region of top dead center, preferably shortly before TDC. The opening time is indicated in Fig. 3 by the position 35. In any case, the intake valve 13 opens only after the exhaust valve 10 has closed. The position 35 is therefore downstream of the position 31a in the direction of rotation.
The inlet valve 13 closes at the position 36, which is far to the TDC, but upstream of the position 30, at which the outlet valve 10 opens, in the direction of rotation.
Conveniently, the distance between the position 36, in which the starting air inlet 13 closes and the position 30 at which the exhaust gas outlet opens 10, selected so that the introduced into the working space 3 tempering air to the pressure before the compression in can expand the working space 3 incoming air. This allows full utilization of the energy of the starting air.
In order to extend the working stroke accomplished by the starting air, the position 30 at which the outlet valve 10 opens can be displaced more towards UT in the injection mode so that the outlet valve 10 opens later in the starting mode than in the injection mode.
When the transition from the starting mode to the injection mode, which was already mentioned above, is initiated when in the starting mode, a predetermined speed of the crankshaft 4 has been reached, not all cylinders 1 are switched simultaneously, but in dependence on the Piston position, ie of the piston 2 respectively associated crank angle of the crankshaft 4 phase-shifted in such a way that the or the cylinder 1, their or
whose pistons 2 when triggering the switching device 22 still have the opportunity within the working cycle, in which the triggering of the switching device 22 falls to perform a complete Verdichtungshub, that is, the position 31, in which the exhaust valve 10 closes in the injection mode, not yet exceeded have, be switched within the Arbeitszyklusses, in which the triggering of the switching device 22 falls. The other cylinders 1 are switched over only at the next working cycle and therefore initially get starting air.
The phase-shifted switching of the cylinders can be done in groups or preferably individually.
This results in a switching mode in which some cylinders 1 are still charged with starting air and others already get a fuel injection, which leads to an ignition and combustion. In this way, therefore, the introduction of energy into the engine during the switching is optimized, which is very stable switching ratios and avoids false starts. The switchover can also be carried out at a comparatively low speed, which saves starting air and helps to ensure that the starting air is handled with comparatively low pressure. Overall, the inventive measures of a space-saving design of the starting air supply device are very conducive.
The high energy input during the switching operation proves to be particularly advantageous even where a comparatively large load is connected to the motor, as in the illustrated embodiment in the form of the fixed propeller. 6
In order to make full use of the energy of the starting air, it can be provided that when the cylinder 1 is switched over from the starting mode to the injection mode in the crank angle range between opening and closing of the starting air inlet device 13, this remains open until its normal closing position 36 in the starting mode.
It would also be conceivable, however, to allow the switching of the cylinders 1 to take place only when the relevant piston 2 has already passed the position 36 at which the intake valve 13 closes in the starting mode of operation. In order to prevent incorrect injection of the fuel, the change takes place the cylinder or cylinder, which are switched during the working cycle, in which the triggering of the switching device 22 falls, in each case only when the relevant piston 2 has passed the position 33, in the injection mode in the injection finished.
The switching device 22 is expediently designed as in the computing device, here in the computer 21, stored program.
An adaptation to the circumstances of the individual case can therefore be carried out by software in an advantageous manner.
The number of acted upon starting the engine with starting air cylinder 1 can be determined depending on the expected load. For this purpose, a corresponding program can be stored in the computer, here in the computer 21. The non-involved cylinder 1 run while empty. At the switching to the injection mode, however, all cylinders 1 are involved. In each case, the cylinders 1 only then receive fuel, which means that the injection nozzle 8 is activated only when the piston 2 of the relevant cylinder 1 between triggering of the switching device 22 and injection still had the opportunity to perform a complete compression stroke ,