Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff

Abstract

 Beim Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff (14a,14b) in den Brennraum eines Zylinders (11) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) der Dieselbauart bei Teillastbetrieb sind jedem Brennraum zumindest zwei Einspritzdüsen (12a, 12b, 12c) zugeordnet, wobei der Brennstoff (14a, 14b) derart abwechslungsweise eingespritzt wird, dass während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen mit zumindest einer der Einspritzdüsen (12a, 12b, 12c) kein Brennstoff eingespritzt wird, und dass danach während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen von der weiteren Einspritzdüse (12a, 12b, 12c) kein Brennstoff (14a, 14b) eingespritzt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart bei Teillastbetrieb gemäss dem Obergebriff von Anspruch 1.

[0002] Aus der Druckschrift EP 0 775 821 ist ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum eines Zylinders einer langsam laufenden Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart bekannt. Der Brennstoff wird mit zwei bis vier Brennstoffeinspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt, wobei die Einspritzdüsen über dem ganzen Lastbereich ständig in Betrieb sind. Insbesondere während dem Teillastbetrieb wird die für einen Arbeitstakt bestimmte Brennstoffmenge mittels nur einer Einspritzdüse eingespritzt, und im nächstfolgenden Arbeitstakt die Brennstoffmenge durch die zweite Einspritzdüse eingespritzt, sodass durch jede Einspritzdüse abwechslungsweise während je einem Arbeitstakt die erforderliche Brennstoffmenge eingespritzt wird.

[0003] Nachteilig an diesem Einspritzverfahren ist die Tatsache, dass insbesondere bei Teillastbetrieb im Brennraum eine unvollständige Verbrennung entsteht, sodass die Verbrennungsabgase einen hohen Anteil an sichtbarem Rauch, in Englisch als "visible smoke" bezeichnet, aufweisen.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart derart zu betreiben, dass sie ein vorteilhafteres Laufverhalten aufweist.

[0005] Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 9 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte.

[0006] Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart bei Teillastbetrieb, wobei jedem Brennraum zumindest zwei Einspritzdüsen zugeordnet sind, indem der Brennstoff derart abwechslungsweise eingespritzt wird, dass während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen mit zumindest einer der Einspritzdüsen kein Brennstoff eingespritzt wird, und dass danach während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen von der weiteren Einspritzdüse kein Brennstoff eingespritzt wird.

[0007] Dieses Verfahren erlaubt im Verbrennungsraum eine Zone mit höherer Temperatur zu erzeugen. In einem bevorzugten Verfahren wird der Brennstoff während einer Zeitdauer von zumindest drei Minuten, vorzugsweise zwischen 10 und 30 Minuten, von derselben Einspritzdüse oder von denselben Einspritzdüsen asymmetrisch eingespritzt, um dadurch längerfristig eine höhere Temperatur in der Verbrennungszone zu erzeugen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Anzahl thermischer Lastwechsel, im Vergleich zu dem in der Druckschrift EP 0 775 821 offenbarten Verfahren, reduziert wird, was sich günstig auf die Materialermüdung auswirkt. Die lokal höhere Temperatur in und um die Verbrennungszone bewirkt eine Reduktion des sichtbaren Rauchs. Das Einspritzen des Brennstoffs mit nur einer Düse weist den Vorteil auf, dass der Brennstoff zeitlich länger über diese Düse eingespritzt wird, wodurch sich eine stabile, reproduzierbare Einspritzung ergibt. Ein ständiges Wechseln zwischen den einzelnen Düse während dem Einspritzen weist den Nachteil einer höheren Anzahl thermischer Lastwechsel auf.

[0008] Dem Fachmann ist allgemein bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 775 821, dass eine ungleichmässige Temperaturverteilung im Verbrennungsraum nachteilig ist, weil beispielsweise in heissen Zonen Hochtemperaturkorrosion auftreten kann. Zudem ist dem Fachmann bekannt, dass die ungeleichmässige Temperaturverteilung hohe Spannungen am Zylinder und am Kolben bewirkt, was zudem die Materialermüdung erhöht. Ein Fachmann ist daher auf Grund seines Fachwissens bestrebt eine ungleichmässige Temperaturverteilung im Brennraum nach Möglichkeit zu vermeiden.

[0009] Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass sich durch das Öffnen von insbesondere nur einer Düse während dem Teillastbetrieb folgende Vorteile ergeben:

• Die Verbrennung findet am gleichen Ort statt, sodass sich eine lokal heissere Zone mit einer höheren Temperatur in der Verbrennungszone ausbildet. Dies bewirkt eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffs und somit geringere Anteile an sichtbarem Rauch in den Verbrennungsabgasen.
• Trotz der ungleichmässigen Temperaturverteilung tritt keine kritische Hochtemperaturkorrosion am Kolben auf, da das Temperaturniveau insgesamt tiefer ist bei Teillast.
• Die Lebensdauer der Brennraumbauteile wie Kolben, Zylinderdeckel und Auslassventile wird gegenüber einem Wechsel der Düse bei jedem Arbeitszyklus erhöht, weil durch das erfindungsgemässe Einspritzverfahren die Anzahl thermischer Lastwechsel reduziert wird, was die Materialermüdung reduziert.

[0010] Vorzugsweise wird der Brennstoff jeweils über eine einzige Düse eingespritzt.

[0011] Der Teillastbetrieb führt zu einem tieferen Gesamttemperaturniveau im Verbrennungsraum und an den Brennraumbauteilen. Deshalb sind die durch die ungleichmässige Temperaturverteilung bewirkten höheren Spannungen der Brennraumbauteilen begrenzt, sodass an den Brennraumbauteilen keine übermässige oder kritische Spannungen auftreten. Auch das Auftreten von Hochtemperaturkorrosion durch eine lokal höhere Brennraumtemperatur ist aufgrund des tieferen Gesamttemperaturniveaus ausgeschlossen.

[0012] Das erfindungsgemässe Verfahren ist besonders für sehr tiefe Teillastbetriebe von weniger als 15% der Volllast geeignet, insbesondere für Teillasten zwischen 1% und 3% der Volllast.

[0013] Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine umweltfreundliche Verbrennung im Teillastbetrieb, und weist den entscheidenden Vorteil auf, dass die optisch störenden, grauen oder schwarzen Abgaswolken vermieden werden. Dies ist insbesondere für Schiffsdieselmotoren von Vorteil.

[0014] Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich zum Betrieb von stationären und beweglichen Zweitakt- und Viertakt-Dieselmotoren, insbesondere für Viertakt-Dieselmotoren mit einer Zylinderbohrung von mehr als 150 mm beziehungsweise für Zweitakt-Dieselmotoren mit einer Zylinderbohrung von mehr als 300 mm Durchmesser.

[0015] Einem Brennraum sind beispielsweise drei oder vier Einspritzdüsen zugeordnet. Der Dieselmotor kann in Funktion der Last beispielsweise mit folgenden Betriebsarten betrieben werden:

Bei Volllastbetrieb wird über alle drei oder vier Einspritzdüsen Brennstoff dem Brennraum zugeführt.

In einem ersten Teillastbereich, zwischen 25 % und 15% der Volllast, wird über 2 Einspritzdüsen Brennstoff in den Brennraum eingespritzt.

In einem zweiten Teillastbereich von weniger als 15% Volllast, wird über eine einzige der drei oder vier Einspritzdüsen Brennstoff in den Brennraum eingespritzt.

[0016] Das Zu- und Abschalten einer Einspritzdüse beim Umschalten auf eine der drei genannten Betriebsarten erfolgt vorteilhafterweise mit einer Schaltfunktion, welche eine Hysterese aufweist. So könnte beispielsweise derart zwischen dem ersten und zweiten Teillastbereich umgeschaltet werden, dass, ausgehend vom ersten Teillastbereich, bei einer Teillast von 12,5 % der Volllast in die Betriebsart gemäss dem zweiten Teillastbereich umgeschaltet wird, wogegen, ausgehend vom zweiten Teillastbereich, bei einer Teillast von 17,5% der Volllast in die Betriebsart gemäss dem ersten Teillastbereich umgeschaltet wird.

[0017] Das Umschalten von einer zur anderen Betriebsart kann beispielsweise auch derart erfolgen, dass eine Zeitsteuerung verwendet wird, sodass nach einer gewissen Zeit, beispielsweise 20 Sekunden nach dem unter- bzw. überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes, auf eine andere Betriebsart umgeschaltet wird. Das Umschalten von einer zur anderen Betriebsart kann auch schlagartig erfolgen, sodass bei einer grösseren Veränderung der Last von beispielsweise 5%, sofort auf eine andere Betriebsart umgeschaltet wird.

[0018] Nachfolgend wird das Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Zweitakt-Dieselmotors;

Fig. 2a

eine Aufsicht des Brennraums mit einer aktiven Einspritzdüse;

Fig. 2b

eine Aufsicht des Brennraumes mit zwei aktiven Einspritzdüsen.

[0019] Unter einem Arbeitszyklus wird nachfolgend der beim Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine stattfindende Prozess verstanden, welcher unter anderem das Betätigen der Ventile, das Einspritzen von Brennstoff, das Verbrennen, und das Ausstossen der Verbrennungsabgase umfasst. Bei einer 2-Takt-Maschine ist ein Arbeitszyklus üblicherweise nach einer Umdrehung abgeschlossen, wogegen der Arbeitszyklus bei einer 4-Takt-Maschine nach zwei Umdrehungen abgeschlossen ist.

[0020] Fig. 1 zeigt einen Zweitakt-Dieselmotor 1 mit mehreren Zylindern 11 und Kolben 10, bei welchem das Zusammenspiel zwischen der Kurbelwelle 2, der Brennstoffzufuhr und der Bewegung des Auslassventils 13 elektronisch gesteuert ist. Mit einer Hochdruckpumpe 4 wird der Brennstoff über die Rohrleitung 6 und den Akkumulator 5 der Einspritzdüse 12 zugeführt. Ein hydraulisches System umfassend die Druckpumpe 7, die Rohrleitung 9 und den Akkumulator 8 erlaubt die Stellung des Auslassventils 13 zu betätigten. Der längs gespülte Zweitakt-Dieselmotor 1 weist ein zentral angeordnetes Auslassventil 13 sowie eine Mehrzahl am Zylinderdeckel peripher angeordneter Einspritzdüsen 12 auf. Üblicherweise weist ein derartiger Zweitakt-Dieselmotor 1 zwei bis vier Einspritzdüsen 12 für Brennstoff auf.

[0021] Fig. 2a zeigt schematisch den Brennraum des Zylinders 11 mit drei peripher und regelmässig beabstandet angeordneten Einspritzdüsen 12a, 12b, 12c. Dieses Verfahrensbeispiel zeigt einen Teillastbetrieb mit jeweils einer einzigen aktiven Einspritzdüse 12a. Über die Einspritzdüse 12a wird somit Brennstoff 14a eingespritzt, wogegen über die Einspritzdüsen 12b und 12c im dargestellten Zeitpunkt kein Brennstoff 14a eingespritzt wird. Während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen wird einzig über die Einspritzdüse 12a Brennstoff 14a eingespritzt, um danach während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen Brennstoff 14a einzig über die Einspritzdüse 12b und danach während mindestens weiterer zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen einzig über die Einspritzdüse 12c einzuspritzen. In einem besonders vorteilhaften Verfahren wird während wesentlich mehr als zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen, beispielsweise während 10 bis 30 Minuten, Brennstoff von einer einzigen Einspritzdüse 12a zugeführt. Danach wird während derselben Zeitdauer einzig über die Einspritzdüse 12b und danach einzig über die Einspritzdüse 12c Brennstoff zugeführt. Dieses Verfahren bewirkt eine ungleichmässige Temperatur im Verbrennungsraum und daher eine Verbrennungszone mit hoher Temperatur, was eine Verbrennung mit wenig Rauch zur Folge hat. Der Brennstoff kann zuerst über die Einspritzdüse 12a, nachfolgend über die Einspritzdüse 12b und nachfolgend über die Einspritzdüse 12c eingespritzt werden. Die Reihenfolge der Einspritzdüsen kann auch vertauscht werden, sodass diese in der Reihenfolge Einspritzdüse 12c, Einspritzdüse 12b, Einspritzdüse 12a betätigt werden.

[0022] Fig. 2b zeigt ein Verfahrensbeispiel im Teillastbetrieb mit jeweils zwei gleichzeitig aktiven Einspritzdüsen 12a, 12b. Analog zum Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2a wird der Brennstoff 14a, 14b ebenfalls während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen einzig über die Einspritzdüsen 12a, 12b zugeführt, danach während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen einzig über die Einspritzdüsen 12b, 12c, und danach über die beiden Einspritzdüsen 12c, 12a. Dieses Verfahren wird ständig wiederholt. Wie mit Fig. 2a beschrieben, ist es besonders vorteilhaft den Brennstoff 14a, 14b während 5 bis 60 Minuten, insbesondere 10 bis 30 Minuten über dieselben zwei Einspritzdüsen 12a, 12b einzuspritzen, bevor auf ein anderes Paar Einspritzdüsen 12b, 12c, gewechselt wird.

[0023] Die beiden in Fig. 2a und Fig. 2b dargestellten Verfahrensbeispiele zeigen nur zwei Beispiele einer Vielzahl von Möglichkeiten, wie in einem Zweitakt- oder Viertakt-Dieselmotor mit jeweils zwei bis 4 Brennstoffeinspritzdüsen 12 pro Zylinder 11 durch Öffnen nur eines Teils der vorhandenen Düsen der Brennstoff 14a, 14b asymmetrisch eingespritzt werden kann, um dadurch eine längere und stabilere Einspritzdauer und eine temporär ungleichmässige Temperaturverteilung im Verbrennungsraum, beziehungsweise eine Verbrennungszone mit höherer Temperatur während einem Teillastbetrieb zu erzielen.

[0024] Bei sehr geringen Teillasten von 1% bis 15% der Volllast ist das in Fig. 2a dargestellte Verfahren mit jeweils einer einzigen aktiven Einspritzdüse 12a, 12b, 12c besonders vorteilhaft. Die Einspritzdüsen 12a, 12b, 12c sind für einen Betrieb bei Nennlast dimensioniert. Um ein vorteilhaftes Spritzverhalten zu erlangen ist es daher vorteilhaft bei tiefen Teillasten die relativ geringe Brennstoffmenge über eine einzige Einspritzdüse 12a, 12b, 12c dem Brennraum zuzuführen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff (14a,14b) in den Brennraum eines Zylinders (11) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) der Dieselbauart bei Teillastbetrieb, wobei jedem Brennraum zumindest zwei Einspritzdüsen (12a, 12b, 12c) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (14a, 14b) derart abwechslungsweise eingespritzt wird, dass während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen mit zumindest einer der Einspritzdüsen (12a, 12b, 12c) kein Brennstoff eingespritzt wird, und dass danach während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen von der weiteren Einspritzdüse (12a, 12b, 12c) kein Brennstoff (14a, 14b) eingespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Brennraum zwei, drei oder vier Einspritzdüsen zugeordnet sind, durch welche Brennstoff eingespritzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff von derselben Einspritzdüse zumindest zwei mal nacheinanderfolgend eingespritzt wird, und dass danach der Brennstoff von einer weiteren Einspritzdüse zumindest zwei mal nacheinanderfolgend eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff abwechslungsweise von jeweils einer der Einspritzdüsen eingespritzt wird, und dass der Brennstoff während zumindest zwei nacheinanderfolgenden Arbeitszyklen von derselben Einspritzdüse eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff während einer Zeitdauer von zumindest drei Minuten ständig von derselben Einspritzdüse eingespritzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff während einer Zeitdauer zwischen 5 bis 60 Minuten, insbesondere zwischen 10 bis 30 Minuten von derselben Einspritzdüse eingespritzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Teillast von weniger als 10 % der Volllast betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine als Viertakt- oder als Zweitakt-Dieselmotor betrieben wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in einem Teillastbetrieb von einer einzigen oder von zwei oder von drei Einspritzdüsen eingespritzt wird.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine betrieben mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung