DE2221567B1 - CONTROL DEVICE ON A CHARGED DIESEL COMBUSTION ENGINE WITH EXHAUST GAS TURBOCHARGER AND WITH A COMPRESSED AIR STARTING SYSTEM - 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 Kolbenbewegungen in den einzelnen Zylindern über in den Zylindern befindliche Einlaßventile dient.The invention relates to a control device on a charged diesel internal combustion engine Exhaust gas turbocharger and with a compressed air starting system that contains a control valve that is used to supply starting air from a storage system in time with the piston movements in the individual cylinders via into the Inlet valves located in cylinders are used.

Bei aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen 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.In the case of supercharged diesel internal combustion engines, when the load increases rapidly, there is the problem that the machine does not have enough air available. This is because it is an increase when the load increases the speed of the turbocharger group required, which only by way of the combustion gases is possible and takes a relatively long period of time. For this reason one has so far in machines of this type, which should be suitable for a sudden load pick-up, such as B. emergency power generators, refrained from charging. However, uncharged machines are of the same power heavier and more expensive than supercharged machines.

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.On the other hand, when starting diesel internal combustion engines with compressed air, efforts were made to use compressed air if possible when the first ignitions occur, thus at a very low speed, which is deep below 50% of the full load speed was to be switched off, otherwise there was a risk of damage to the machine.

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 Anlaßvorgang typische Erscheinung.This also applies to the system according to Swiss patent specification 174 167, in which temporarily help is provided when ignitions fail. The failure of ignitions is namely a phenomenon typical of the starting process.

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 1 626 425 oder der deutsehen 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.To improve the acceleration of charged diesel engines with exhaust gas turbochargers it has already been proposed to either transfer compressed air from a container to that from the engine to the exhaust gas turbine leading line or directly into the turbine. Such systems are e.g. from the German Auslegeschrift 1 626 425 or German Patent 490 850 known. In doing so, however the compressed air is poorly used because it only works with the pressure energy contained in it and cannot take part in the incineration.

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 RotationsmaschineThe same also applies to the internal combustion engine according to German patent specification 684 760 or for the method according to the Austrian patent specification 158 567 corresponding to this patent specification These patents suggest that braking from the last stage to a multi-stage Internal combustion engine to feed compressed air in a container and at an intended acceleration to feed the machine back to this last stage. According to the Austrian patent specification 158 567 the last stage can be a rotary machine

ao 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 Regelein-ao be. However, such a system essentially corresponds to the already mentioned machines according to German Auslegeschrift 1 626 425 or German Patent 490 850.
The invention has the creation of a rule

a5 richtung zum Ziel, welche z. B. bei einer Notstromgruppe 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.a5 direction to the goal, which z. B. with an emergency power group switching on the full load either from a standstill of the machine or when the machine is idling running machine with significantly smaller delays than before. For machines, which are started under load, such as B. Machines that work directly with pumps, fans or Ship propellers are coupled, the operating speed should be reached in a much shorter time than before can be.

Die erfindungsgemäße Einrichtung, durch welche dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Startluft zur Verbesserung der Beschleunigung der Maschine und/oder zur Verminderung der Drehzahlsenkung bei plötzlicher Lastaufnähme der mit Brennstoff laufenden Maschine auch im Bereich von über 50 % der Vollastdrehzahl erfolgt. The device according to the invention, by means of which this aim is achieved, is characterized in that the supply of starting air to improve the acceleration of the machine and / or to reduce it the speed reduction in the event of a sudden increase in load on the fuel-powered machine takes place in the range of over 50% of the full load speed.

Es hat sich trotz dem bestehenden Vorurteil erwiesen, daß einer mit Brennstoff laufenden Maschine zusätzüch 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 zusätzliehe Kühlung des Zylinders. Das alles wird dabei ohne wesentliche Veränderungen an der Maschine selbst erreicht.In spite of the existing prejudice, it has been shown that an engine that runs on fuel additional starting air can be supplied without damaging the machine. Surprised is also the knowledge that with one running in the partial load range or at low speed Machine the additional supply of starting air leads to an increase in the torque of the machine. This effect is created on the one hand by an increase in the pressure in the cylinder towards the end of the Expansion stroke, on the other hand by increasing the ignition pressure. It seems in addition to primary action of compressed air on the piston to play a role that in the cylinder after the At the end of the exhaust process, a greater proportion of clean air remains than in normal operation of the machine. In addition, the supply of cold starting air has the consequence that the air in the cylinder is cooler so that there is more air in the cylinder before the start of the next compression stroke than without the measure according to the invention. The supplied cold compressed air causes an additional one Cooling of the cylinder. All of this is done without any major changes to the machine achieved himself.

Bei einer Maschine mit einem elektrischen Genera-In the case of a machine with an electrical generator

tor mit konstanter Betriebsdrehzahl kann die Regeleinrichtung die Zufuhr von Startluft in die Zylinder bei einer unter einen gegebenen Grenzwert sinkenden Drehzahl im Bereich von 50 bis 100 °/o der Vollastdrehzahl einschalten.Tor with constant operating speed, the control device can supply starting air into the cylinders at a speed falling below a given limit value in the range of 50 to 100% of the full load speed turn on.

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. ίοIn cases where the sudden connection of the load is to be foreseen, the design of a control device is necessary possible, which switches on the supply of compressed air before there is even a reduction in speed comes. ίο

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 Betriebsdrehzahl abschaltet. Das bedeutet, daß während eines Teiles des Startvorganges der Motor gleichzeitig mit Brennstoff und mit Zufuhr von Startluft arbeitet. Das führt zu einer wesentlichen Beschleunigung des Motors, und zwar aus den gleichen Gründen, wie sie bereits erläutert wurden.If it is an internal combustion engine, • as quickly as possible, possibly even below If the load is to be started, a control device can be provided which controls the supply of compressed air only switches off after a speed of at least 50% of the operating speed has been exceeded. That means that during a part of the starting process the engine is fueled and fed at the same time of starting air works. This leads to a substantial acceleration of the engine, and from the same Reasons as they have already been explained.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigtThe invention is explained using an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. It shows

Fig. 1 eine als Stromaggregat dienende Gruppe mit einem elektrischen Generator und einer aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschine und1 shows a group serving as a power unit with an electric generator and a charged one Diesel internal combustion engine and

F i g. 2 ein Indikatordiagramm der nach dem Verfahren betriebenen Maschine.F i g. 2 shows an indicator diagram of the machine operated according to the method.

Die in der F i g. 1 dargestellte Anlage enthält eine Dieselbrennkraftmaschine 1, die über eine Welle mit einem Schwungrad 2 mit einem elektrischen Generator 3 verbunden ist, der seine elektrische Leistung in eine Dreiphasenleitung 4 liefert. Die Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasleitung 5 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 Ladeluftkühler 8 die Ladeluftleitung 9 der Maschine angeschlossen.The in the F i g. 1 system shown contains a diesel engine 1, which has a shaft a flywheel 2 is connected to an electrical generator 3, which its electrical power in a three-phase line 4 supplies. The internal combustion engine is provided with an exhaust pipe 5, on welehe an exhaust gas turbine 6 is connected, which drives a fan 7. The exhaust gas turbine 6 with the fan 7 form a free-running exhaust gas turbocharger in a known manner. To the delivery line of the blower 7 the charge air line 9 of the machine is connected via a charge air cooler 8.

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.In the individual cylinders of the machine start valves 10 are arranged for compressed air, which over a starting air line 11 are connected to a starting air tank 12. In the starting air line 11 there is a check valve 13 and an electromagnetic valve 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 Kolbenbewegungen in den einzelnen Zylindern dient. Zu diesem Zweck ist das Steuerventil 15 durch Steuerleitungen 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. In addition, the machine is provided with a control valve 15 which is connected to the crankshaft of the machine is driven and to control the starting valves 10 in time with the piston movements in the individual Cylinders is used. For this purpose, the control valve 15 is through control lines 16 with the individual Valves 10 connected. The control valve 15 itself is in turn connected to the air line 11 through a line 17 connected to the electromagnetic valve 14.

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. In the system shown, a control device 18 is provided which is connected to at least one of the Line of the three-phase line 4 is connected and in turn via a line 19 the electromagnetic Valve 14 controls. In addition, the control device 18 is provided with a control line 20, which allows the supply of control signals from outside.

Die in der F i g. 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 Startluft in die Zylinder ermöglicht wird.The in the F i g. 1 is shown in most cases, with the exception of the control device 18, designed in the same way as a known system. The control device 18 ensures, however, that in operation during periods in which a sudden increase in the performance of the machine is required and the engine is running on fuel, which allows additional starting air to be supplied to the cylinders.

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 % ihrer Betriebsdrehzahl erreicht hat.When the machine is at a standstill, the signal line 20 of the control device 18 a signal can be given, whereupon the valve 14 opens. The control device itself ensures that the valve 14 is not closed as quickly as possible after the first ignitions in the cylinders, as before is, but remains open until the machine z. B. reaches approximately 50% of its operating speed Has.

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 % unter die gegebene Betriebsdrehzahl 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.On the other hand, if the machine is already running, e.g. B. an idle at the operating speed Generator set, the control device 18 can be designed so that in the event of a sudden drop the speed of z. B. 4% below the given operating speed, the valve 14 is opened and additional air is blown into the cylinder. The control device can either by the Speed of the machine or by other operating variables, such as B. the electrical frequency or the load, d. H. in this case, the current intensity, etc. can be controlled.

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 p, die horizontale Achse dem Hub bzw. Hubvolumen V. The F i g. 2 shows an indication diagram of a four-stroke diesel engine in operation with fuel without supply of starting air to the cylinders and with supply of starting air. The vertical axis corresponds in a known manner to the pressure p prevailing in the cylinder, the horizontal axis to the stroke or stroke volume 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. The curve α shown with a full line applies to operation with fuel at a low partial load without the supply of starting air. When the corresponding amount of fuel is injected, an ignition pressure p _a results.

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 %" vom Wert p_a 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.When starting air is supplied and the amount of fuel is increased at the same time, the diagram is given the form shown by the dashed line b . On the one hand causes the starting air towards the end of the expansion process in the cylinder, that is, b in the section 'of the curve b, an increase of the pressure acting on the piston pressure, on the other hand, the ignition pressure up to about 25% "at the same time the value p _a increased to the value P. ₆ This increase can be explained by the fact that before the next compression stroke there is a larger proportion of pure air in the cylinder, which is also cool, so that the cylinder charge contains a greater air weight During the exhaust process, air escaping directly from the cylinders into the exhaust pipe is also not a disadvantage, since it is relaxed in the exhaust gas turbine and thus benefits the supercharging.

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 pneumatisch 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.Although the measure according to the invention is primarily intended for use in the generally for the Drive of four-stroke diesel engines serving emergency power groups is intended, it is also used in two-stroke diesel engines applicable. Likewise, the effects achieved occur especially in machines with pneumatic controlled start valves appear, which are usually the case with diesel engines started with compressed air be used. The measure according to the invention is, however, also with engines mechanically controlled start valves applicable.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY1 sheet of COPY drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 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 % der Vollastdrehzahl erfolgt.1. Control device on a charged diesel internal combustion engine with exhaust gas turbocharger and with a compressed air starting system that contains a control valve that is used to supply starting air from a storage system in time with the piston movements in the individual cylinders via in Inlet valves located in the cylinders are used, characterized in that the supply of starting air to improve the acceleration of the machine and / or to reduce it the reduction in speed in the event of a sudden load pick-up on the fuel-powered machine also takes place in the range of over 50% of the full load speed. 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.2. Device according to claim 1 with an electric generator with constant operating speed, characterized in that it the Supply of starting air into the cylinders at a speed falling below a given limit value switches on in the range from 50 to 100% of full load speed. 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. 3. Device according to claim 1, characterized in that it starts the supply of Compressed air only switches off after a speed of more than 50% of the operating speed has been reached.