DE3633405A1 - Verfahren zum betreiben einer abgas-truboaufgeladenen, niedrigverdichtenden mehrzylinder-dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

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.