DE3633405A1 - Verfahren zum betreiben einer abgas-truboaufgeladenen, niedrigverdichtenden mehrzylinder-dieselbrennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum betreiben einer abgas-truboaufgeladenen, niedrigverdichtenden mehrzylinder-dieselbrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben
einer abgas-turboaufgeladenen, niedrigverdichtenden Mehr
zylinder-Dieselbrennkraftmaschine mit einer ersten Zylinder
gruppe, die im ganzen Betriebsbereich arbeitet, und einer
zweiten Zylindergruppe, die beim Start bzw. im Leerlauf- und
Teillastbereich abgeschaltet und im übrigen Lastbereich zuge
schaltet ist, wobei die Abschaltung bzw. Zuschaltung der Zy
lindergruppe durch Abschaltung bzw. Zuschaltung der Kraftstoff
zufuhr bewirkt wird, wobei jeder Zylindergruppe ein Abgas
turbolader mit zugehöriger Ladeluftleitung zugeordnet ist und
die Ladeluftleitungen durch einen sogenannten Druckausgleich
miteinander in Verbindung stehen.
Ein Nachteil der Aufladung besteht darin, daß der Zünddruck
anwächst und dadurch die mechanische und thermische Bean
spruchung des Triebwerkes (Kolben usw.) steigt. Zur Ver
hinderung dieses Effektes muß die Aufladung mit einer ent
sprechenden Verringerung des Kompressionsverhältnisses des
Motors einhergehen. Die daraus resultierende Absenkung der
Kompressionsendtemperatur verschlechtert die Zündbedingungen
im Zylinder und beeinflußt das Start- und Leerlaufverhalten
einschließlich den Betrieb im Schwachlastgebiet. Die Folge
ist die übermäßige Erzeugung von weißem Rauch.
Weißer Rauch enthält unverbrannte Kohlenwasserstoffe (also
Kraftstofftröpfchen), welche mit den Auspuffgasen aus den
Zylindern austreten. Er ist das Ergebnis einer unvoll
ständigen Verbrennung in den Zylindern und tritt auf, wenn
die Verdichtungs-Temperatur in den Zylindern des Motors
nicht ausreicht, um den gesamten eingespritzten Kraftstoff zu
verbrennen, wie dies zum Beispiel der Fall ist, wenn der
Motor angelassen wird.
Weißer
Rauch unterscheidet sich somit von seiner Substanz her vom
schwarzen Rauch, der Kohlenstoffteilchen enthält und dann auf
tritt, wenn die Verdichtungstemperatur zwar ausreichend ist, um
die Verbrennung zu gewährleisten, die Sauerstoffversorgung je
doch nicht ausreicht, um den gesamten Kohlenstoff im Kraft
stoff zu oxydieren.
Zur Verbesserung dieses kritischen Start- und Teillastverhaltens
ist es bekannt, eine bestimmte Anzahl von Zylindern abzuschalten
(d. h. es erfolgt keine Einspritzung in diese). Dieses Verfahren
ist allgemein bekannt. Es wird bei Ottomotoren zur Verringerung
des Kraftstoffverbrauchs im Teillastgebiet angewendet. Die Be
deutung dieses Verfahrens für den aufgeladenen Dieselmotor liegt
darin, daß durch die Abschaltung von Zylindern den restlichen
befeuerten Zylindern zusätzliche Leistung abverlangt wird. Das
bedeutet größere Füllung, Erhöhung der eingespritzen Kraftstoff
menge, bessere Zerstäubung bzw. Gemischbildung und ein höheres
Temperaturniveau in den Arbeitszylindern. Das Ergebnis ist eine
erhebliche Verringerung der Kohlenwasserstoff-Emission.
Die (reine) Zylinderabschaltung wird bei Dieselmotoren - soweit
bekannt - nur im Leerlaufbetrieb und in der Übergangsphase zu
kleinen Mitteldrücken angewendet. Dazu sind sowohl für Motoren
mit Block- als auch Einzeleinspritzpumpen Abschaltsteuersysteme
entwickelt worden (vergleiche zum Beispiel DE-PS 28 21 161
Stichwort: geteilte Regelstange).
Sofern man eine weitere Absenkung der Verdichtungsverhältnisse
wünscht, wird dieses Problem durch Kombination der Zylinderab
schaltung mit dem Nachladen gefeuerter Zylinder durch vorver
dichtete Luft aus den nicht befeuerten Zylindern gelöst (ver
gleiche zum Beispiel Patentschriften 33 22 168 und 33 23 337).
Dieses Verfahren erfordert einen erheblichen Steueraufwand an
Ventilen, Luftspeichern sowie Ab- und Zuschaltvorrichtungen der
betroffenen Turbolader.
Die Erfindung macht deshalb nur von der an sich bekannten reinen
Zylinderabschaltung Gebrauch. Diese hat jedoch bei der gattungs
gemäßen Brennkraftmaschine mit zwei getrennten Turboladern bzw.
zwei Ladeluftleitungen, die über einen Druckausgleich in Ver
bindung stehen, den gravierenden Nachteil schlechter Beschleuni
gung und erhöhten Schwarzrauches im abgeschalteten Betrieb, weil
sich der durch die befeuerten Zylinder von den betreffenden
Turboladern aufgebaute Ladedruck sofort über den Druckausgleich
in die unbefeuerte Zylinderreihe entspannt, dadurch in der be
feuerten absinkt und somit bei der Verbrennung fehlt. Dies hat
zur Folge, daß ein an der Einspritzpumpe befindlicher Rauchbe
grenzer (LDA = ladedruckabhängiger Vollastanschlag, der den
Regelstangenweg an der Einspritzpumpe und damit die Einspritz
menge bei niedrigen Ladedrücken begrenzt), die zur schnellen
Beschleunigung benötigte Einspritzmenge nur so träge freigibt,
wie sich der erforderliche Ladedruck neu aufbaut oder beim
Fehlen eines LDA zu erheblichen Mengen von Schwarzrauch führt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer
gattungsgemäßen Brennkraftmaschine die bei Start und Teillast
mangelhafte Aufladung der Abgasturbolader in einfacher Weise
auszugleichen und in den befeuerten Motorzylindern trotz des
niedrigen Verdichtungsverhältnisses eine für die Zündung des
einzuspritzenden Kraftstoffes ausreichend hohe Temperatur beim
Starten bzw. eine bessere Verbrennung des Kraftstoffes mit
geringerer Schadstoffemission des Abgases bei Teillastbetrieb
zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während
der Zylinderabschaltung - beim Start sowie im unteren Last-
und Drehzahlbereich - der Druckausgleich zwischen den beiden
Ladeluftleitungen gesperrt ist und im oberen Lastbereich durch
eine lastgesteuerte Vorrichtung wieder hergestellt wird, und
daß zugleich während der Zylinderabschaltung die Einlaßluft
der befeuerten Zylinder durch bekannte Mittel, wie mit Diesel
kraftstoff betriebene Flammglühkerzen oder elektrisch be
heizte Glühkerzen, vorgewärmt wird.
Durch die Absperrung des Druckausgleichs während der Zylinderab
schaltung geht keine Ladeluft in die nichtbefeuerten Zylinder
verloren. Bei entsprechender Last erfolgt dann wieder die Zu
schaltung des Druckausgleichs (verbunden mit der Zuschaltung der
übrigen Zylinder), um beide Zylinderreihen mit gleichem Lade
druck zu versorgen, da sonst durch unterschiedliche, toleranz
bedingte Ladedrücke infolge Fertigungsstreuungen im Ventiltrieb
bei den gas- und luftführenden Kanälen, hinsichtlich Einspritz
mengen und Einspritzzeitpunkt sowie Turbinen- und Verdichter
rädern, stark divergierende Zylinder-Spitzendrücke auftreten
könnten mit der Folge unerwünscht hoher Wechseldrehmomente, die
den Triebstrang belasten und zum Schütteln in der Motoraufhängung
führen würden.
Als begleitende Maßnahme wird zugleich die Einlaßluft in die be
feuerten Zylinder vorgewärmt. Dies kann elektronisch gesteuert
und getaktet mittels Temperaturfühler (Temperaturmessung der Ein
laßluft) geschehen, die sich automatisch ein- und ausschalten.
Es wäre aber auch jederzeit eine Steuerung in Abhängigkeit der
Last denkbar.
Sofern eine Ladeluftkühlung vorliegt, ist es in weiterer Aus
bildung der Erfindung zur Lösung der Aufgabe förderlich,
während der Zylinderabschaltung den Durchfluß des Kühlmediums
durch den Ladeluftkühler zu unterbrechen, damit die durch den
Ladeluftkühler geführte Ladeluft keinerlei Kühlung erfährt.
Für die Kraftstoffeinspritzung kommt eine einfache Einspritz
pumpe mit nur einer einzigen Regelstange zur Anwendung. Die Zu-
und Abschaltung des Kraftstoffes wird bei dieser lastabhängig
durch spezielle Nuten in den Elementen der Einspritzpumpe be
wirkt. Eine derartige Einspritzpumpe wurde - soweit bekannt -
bisher nur für die Kraftstoffunterbrechung im Leerlauf bzw.
Schwachlastbetrieb angewendet. Als weiteres Merkmal der Er
findung soll eine derartige Einspritzpumpe nun auch zur Kraft
stoffunterbrechung beim Kaltstart sowie bei der freien Be
schleunigung zur Anwendung kommen (um bei letzterem das
kurzzeitige Einspritzen von Kraftstoff in die abgeschalteten
Zylinder zu unterbinden).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar
gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Diesel-V-Motors
mit 12 Zylindern, zwei Abgasturboladern und einer
Ladeluftkühlung (von oben gesehen),
Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in der
Fig. 1.
Die Figuren zeigen eine aufgeladene Dieselbrennkraftmaschine
mit den Zylinderbänken 1 und 2, bestehend aus jeweils sechs
Zylindern. Die Aufladung der Zylinderbank 1 wird durch den
Abgasturbolader 3, und die Aufladung der Zylinderbank 2 durch
den Abgasturbolader 4 bewirkt. Dabei vereinigen sich die
von den Abgasladern abgehenden Ladeluftleitungen 12 und 13 in
einem diffusorartigen Eintrittsgehäuse 5, welches einer Lade
luftkühleinrichtung 6 vorgeschaltet ist. Die Vereinigung in dem
Eintrittsgehäuse 5 würde normalerweise den Druckausgleich dar
stellen. Erfindungsgemäß liegt nun im Eintrittsgehäuse 5, im
Ladeluftkühler 6 sowie im Ladeluftkühlerausgang 7 eine durch
gehende Trennwand 19 vor, die im Bereich des Eintrittsgehäuses 5
ein Steuerorgan 20 aufweist. Durch die Trennwand 19 werden
praktisch für jede Zylinderbank 1 bzw. 2 ein getrennter Ladeluft
kreis mit getrennten Eingängen 5 a bzw. 5 b, getrennten Wärme
tauscherblöcken 6 a bzw. 6 b und getrennten Ausgängen 7 a bzw. 7 b
geschaffen, wobei nun ein gesteuerter Druckausgleich mit Hilfe
des Steuerorgans 20 (beispielsweise Ventil oder Drehschieber)
stattfindet. Das Steuerorgan 20 wird lastabhängig gesteuert.
Es ist im abgeschalteten Zylinderbetrieb (es erfolgt die Abschal
tung mindestens der halben Zylinderzahl, also einer Zylinder
bank des V-Motors) geschlossen und ist bei Betrieb sämtlicher
Zylinder geöffnet. Dadurch ergibt sich ein gutes Beschleunigungs
verhalten aus dem unteren Leerlauf auf Nennleistung. Anderer
seits liegt im oberen Lastbereich gleicher Ladedruck an allen
Zylindereinlässen vor, wodurch ausreichender Zünddruck und
gleicher Luftüberschuß sichergestellt wird.
Wir aus den Figuren weiter ersichtlich, strömt von den Aus
gängen 7 a bzw. 7 b die Ladeluft über die jeweiligen Einlaß
eingänge 14 bzw. 15 den nicht näher bezeichneten Einlaß
kanälen der Zylinderköpfe zu, wobei stromabwärts am Eingang
der Rohre 14 bzw. 15 je eine Heizeinrichtung 8 bzw. 9 vorgesehen
ist. Je nachdem, welche der beiden Zylinderreihen anfänglich
befeuert werden soll, wird entweder die Heizeinrichtung 8 oder
die Heizeinrichtung 9 in Betrieb sein. Bezüglich Heizeinrich
tungen können mit Dieselkraftstoff betriebene Flammglüh
kerzen oder elektrisch beheizte Glühkerzen verwendet werden, die
über ein Steuergerät - temperatur- oder lastgesteuert - sich
automatisch ein- und ausschalten. Dadurch wird auf einfache
Weise die Ansaugluft (zwecks Anhebung der Verdichtungsend
temperatur) vorgeheizt.
Es ist noch zu erwähnen, daß die Abgasturbinen der Turbolader 3
und 4 in üblicher Weise über die Abgasrohre 17 bzw. 18 gespeist
werden und daß über die skizzierte Einspritzpumpe 10 der Kraft
stoff über nicht gezeigte Einspritzleitungen zu den einzelnen
Einspritzdüsen 11 im jeweiligen Zylinderkopf in die jeweils
befeuerten Zylinder (wie vorstehend beschrieben) eingebracht
wird.
Claims (3)
1. Verfahren zum Betreiben einer abgas- turboaufgeladenen,
niedrigverdichtenden Mehrzylinder-Dieselbrennkraftmaschine
mit einer ersten Zylindergruppe, die im ganzen Betriebsbe
reich arbeitet, und einer zweiten Zylindergruppe, die beim
Start bzw. im Leerlauf- und Teillastbereich abgeschaltet
und im übrigen Lastbereich zugeschaltet ist, wobei die Ab
schaltung bzw. Zuschaltung der Zylindergruppe durch Ab
schaltung bzw. Zuschaltung der Kraftstoffzufuhr bewirkt
wird, wobei jeder Zylindergruppe ein Abgasturbolader mit
zugehöriger Ladeluftleitung zugeordnet ist, und die Lade
luftleitungen durch einen sogenannten Druckausgleich mitein
ander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Zylinderabschaltung - beim Start sowie im
unteren Last- und Drehzahlbereich - der Druckausgleich
zwischen den beiden Ladeluftleitungen (12, 13) gesperrt
ist (Trennwand 19) und im oberen Lastbereich durch eine
lastgesteuerte Vorrichtung (20) wieder hergestellt wird,
und daß zugleich während der Zylinderabschaltung die
Einlaßluft der befeuerten Zylinder durch bekannte Mittel,
wie mit Dieselkraftstoff betriebene Flammglühkerzen oder
elektrisch beheizte Glühkerzen (8 oder 9), vorgewärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 bei einer Brennkraftmaschine mit
Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebsbe
reich mit Zylinderabschaltung und Luftvorwärmung der
Durchfluß des Kühlmediums durch den Ladeluftkühler (6)
unterbrochen ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine einfache Einspritzpumpe (10) mit
nur einer einzigen Regelstange zur Anwendung kommt, bei
der durch spezielle Nuten in den Elementen der Einspritz
pumpe das Einspritzen von Kraftstoff in die abgeschalteten
Zylinder beim Kaltstart bzw. im unbelasteten Zustand, ins
besondere bei der sogenannten freien Beschleunigung, ver
hindert wird.
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