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EP3015663B1 - Steuerverfahren zum schnellen umsteuern einer hubkolbenbrennkraft-maschine - Google Patents

Steuerverfahren zum schnellen umsteuern einer hubkolbenbrennkraft-maschine Download PDF

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Publication number
EP3015663B1
EP3015663B1 EP15184261.4A EP15184261A EP3015663B1 EP 3015663 B1 EP3015663 B1 EP 3015663B1 EP 15184261 A EP15184261 A EP 15184261A EP 3015663 B1 EP3015663 B1 EP 3015663B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crank angle
cylinder
rotation
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP15184261.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3015663A1 (de
Inventor
Axel HÄUSSLER
Edwin Fullagar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Winterthur Gas and Diesel AG
Original Assignee
Winterthur Gas and Diesel AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Winterthur Gas and Diesel AG filed Critical Winterthur Gas and Diesel AG
Priority to EP15184261.4A priority Critical patent/EP3015663B1/de
Publication of EP3015663A1 publication Critical patent/EP3015663A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3015663B1 publication Critical patent/EP3015663B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/02—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for reversing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/028—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation for two-stroke engines
    • F02D13/0284—Variable control of exhaust valves only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/06—Reverse rotation of engine

Definitions

  • the invention relates to a control method for quickly reversing or braking a rotation in a first direction of rotation of a crankshaft of a reciprocating internal combustion engine, in particular slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine according to the preamble of independent claim 1.
  • the construction of the drive is much simpler compared to a drive in which between the propeller and engine nor a transmission is provided.
  • the disadvantage of such a construction without gear and clutch is, however, that the propeller is always, that is in any operating condition rotatably connected to the engine and at least in the operating condition of the engine, that is, as long as it has not come to a halt completely, not from this can be separated. That is, in an operating condition in which the engine is stopped to decelerate the ship, which in practice means essentially that the fuel supply to the engine is interrupted, the ship does not immediately stop in place, but is due to his enormous Continue inertia initially and gradually lose speed gradually.
  • the propeller is now no longer driven by the engine; But now, driven by the continuing relative speed between propeller and water by driving through the water.
  • the propeller is rotatably connected to the engine and this can not be separated from the engine, in such an operating state, the engine is now driven by the propeller. That is, in a considerable period of time after stopping the fuel supply to the engine, this will still continue to turn in the original direction because it is now driven by the propeller.
  • An acceleration of the deceleration of the ship or a reversal of the direction of travel of the ship can only be achieved by restarting the engine in the reverse direction.
  • This can only be achieved in most known marine engines, and in particular in the giant two-stroke, longitudinally-scavenged diesel engines, by providing, at an appropriate time, i. at a suitable crank angle compressed air, also known in the trade as starting air, is pressed under a sufficiently high pressure into the cylinder liner, so that the engine is restarted by the starting air acting on the pistons in the desired reverse direction of rotation.
  • the propeller via the crankshaft to the pistons in the cylinder liners of the engine exerts such that the engine rotates in spite of inhibited fuel supply further in the original direction, the engine can then be restarted in the opposite direction at the earliest if the maximum available pressure of the starting air is sufficient to compensate for the forces acting on the piston by the propeller, that the engine can be offset by the starting air in a sufficiently fast rotation in the opposite direction, so that when reactivating the fuel supply, the engine can finally restart independently in the reverse direction.
  • the marine propeller connected to the engine will also be propelled in the opposite direction by the engine, causing the vessel to decelerate progressively until the ship finally stops or, if desired, the vessel can record travel in the opposite direction.
  • the object of the invention is therefore to provide a method by which a motor, in particular a slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine can be redirected more efficiently and faster in an opposite direction of rotation, the problems described in the prior art are largely avoided, especially from The fatal safety problems known from the state of the art can be circumvented and the reversing of the motor can be carried out more economically and energy-saving.
  • the invention thus relates to a control method for quickly reversing or braking a rotation in a first rotational direction of a crankshaft of a reciprocating internal combustion engine, in particular slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine, comprising a cylinder in which a piston between a top dead center corresponding to a crank angle of 180 ° and a Bottom dead center according to a crank angle of 0 ° or 360 ° is arranged to move back and forth, as well as with an outlet valve, which is hydraulically actuated by means of a standing under a predetermined opening pressure hydraulic medium, preferably hydraulic oil via a valve hydraulics.
  • a fuel supply to the reciprocating internal combustion engine is interrupted in a deceleration phase and the hydraulic medium is supplied at a first maximum opening pressure of a valve hydraulics of a first exhaust valve of a first cylinder at a first crank angle in the region of the top dead center of the first cylinder associated with the first cylinder, so that the first exhaust valve, at the earliest when passing through the first piston through its top dead center position, is automatically opened by the valve hydraulics at a second crank angle.
  • a method for the first time, with which a motor, in particular a slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine can be reversed more efficiently and faster in an opposite direction of rotation, while at the same time valuable starting air can be saved.
  • a restart in the opposite direction of rotation can be initiated even without starting air, for example by utilizing the braking energy transmitted to the engine by the propeller, which of course is not only an economic improvement that should not be underestimated , But especially if the inventive method for reversing or deceleration an engine of a ship is used, also represents an enormous progress from a safety point of view.
  • the reciprocating internal combustion engine is a slow-running longitudinally-flushed two-stroke large diesel engine of a ship, such as a container ship with a huge engine, for example, up to twelve cylinders or more and has an output of up to 10,000KW per cylinder, or even greater benefits.
  • a piston reciprocates between top dead center and bottom dead center in a cylinder liner and drives via a crankshaft which is operatively connected to the piston and a propeller Ship propeller.
  • An outlet valve on a cylinder cover of the cylinder liner is hydraulically actuated via valve hydraulics by means of a programmable control device, which may in practice comprise a hydraulic device and an electronic device.
  • a crank angle in which the exhaust valve is actuated, can be predetermined in principle as desired by the programmable control device.
  • crank angle of 0 ° or 360 ° is identified with the bottom dead center UT and a crank angle of 180 ° with the top dead center OT.
  • the piston Starting from bottom dead center, corresponding to a crank angle of 0 °, the piston initially moves in the operating state in the direction of TDC, corresponding to a crank angle of 180 °.
  • the scavenging slots in the lower region of the cylinder liner are released in the normal operating state and the outlet valve 5 is opened.
  • the scavenging slots are released from the piston fresh air is supplied to the combustion chamber of the cylinder liner through the scavenging slots and simultaneously combustion residues are flushed out of the combustion chamber by the movement of the piston in the direction of top dead center through the exhaust valve.
  • the exhaust valve is closed at a predetermined crank angle by means of the control device as the crank angle increases.
  • fuel is supplied through an injection valve to the combustion chamber of the engine, which is formed from the upper cylinder region, the cylinder cover located above and the piston crown, which ignites in the air heated by the compression in the region of top dead center, subsequently burned and by this energy release leads to pressure increase in the combustion chamber of the engine.
  • the piston After passing through the top dead center, the piston moves back toward the bottom dead center corresponding to a crank angle of 360 °.
  • the outlet valve is then opened again at a crank angle which is significantly greater than 180 °, and a new working stroke of the cylinder is initiated.
  • the reciprocating internal combustion engine was also in the already known method from the normal operating condition as follows Braking or reversing put into another operating state.
  • a first step it is known to interrupt the supply of fuel into the cylinder liner of the reciprocating internal combustion engine.
  • the speed of the engine initially drops, resulting in a first moderate slowdown of the ship. If no further measures are taken, the speed of the ship is reduced substantially due to the friction of the ship in the water. This friction is generally comparatively low, so that the speed of the ship is reduced only very slowly.
  • the propeller which is no longer driven by the Hubkolbenbrennmaschine after interrupted fuel supply, now works, driven by the remaining kinetic energy of the ship as a turbine and now drives the engine, with which it is rotatably connected via the crankshaft.
  • the second crank angle is in a range between the top dead center and the bottom dead center of the first piston at a value between 180 ° and 360 °, preferably at a value between 180 ° and 225 °, or between 180 ° and 200 °, more preferably at a second crank angle, which is between 180 ° and 190 ° after top dead center of the first piston.
  • the first exhaust valve is closed again at a third crank angle in the range between the second crank angle and the bottom dead center of the first piston to generate a predetermined negative pressure in the first cylinder.
  • the third crank angle is selected so that by closing the first exhaust valve at Third crank angle, a negative pressure in the first cylinder is constructed such that a restart in a second cylinder by a fuel supply restart of the reciprocating internal combustion engine in a direction opposite to the first direction of rotation second rotational direction, supported by the structure of the negative pressure in the first cylinder.
  • a further additional or alternative measure of an inventive method is that the first exhaust valve is closed at a fourth crank angle between the bottom dead center and top dead center, preferably at a fourth crank angle, which is reached after stopping the supply of purging air into the cylinder ,
  • the fourth crank angle is selected so that the closure of the first exhaust valve at the fourth crank angle, an overpressure in the first cylinder is constructed, braking the rotation of the reciprocating internal combustion engine in the first direction of rotation by the structure be supported by the overpressure.
  • the fourth crank angle is selected so that by closing the first exhaust valve at the fourth crank angle, an overpressure in the first cylinder is constructed such that the building up in the first cylinder pressure with one in a second Cylinder by a fuel supply initiated restart of the reciprocating internal combustion engine is suitably coordinated in a direction opposite to the first direction of rotation second direction of rotation, can be effectively supported by the structure of the pressure in the first cylinder restart in the opposite direction.
  • the opposite to the first rotational direction of the second rotational direction are additionally supported by introducing a predetermined minimum amount of starting air in at least one cylinder of the reciprocating internal combustion engine, whereby the reversing in the second direction of rotation or braking from the first direction of rotation can be additionally accelerated.
  • the starting air is sequentially introduced only in a part of the cylinder of the reciprocating internal combustion engine, preferably even only in a single selected cylinder and is not introduced into any other cylinder.
  • the reciprocating internal combustion engine has a plurality of cylinders, which are in a conventional manner at least partially each at different crank angles, so that the measures mentioned here for accelerating the deceleration or reversal of the engine can be taken simultaneously, so that there is a cumulative effect of the different measures.

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zum schnellen Umsteuern oder Abbremsen einer Drehung in eine erste Drehrichtung einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufender längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
  • Grossdieselmotoren werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit Brenn- und Betriebsstoffen zentrale Kriterien für den Betrieb der Maschinen. Unter anderem ist das Kolbenlaufverhalten solcher grossbohrigen langsam laufenden Dieselmotoren ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle, die Verfügbarkeit und über den Schmiermittelverbrauch auch unmittelbar für die Betriebskosten und damit für die Wirtschaftlichkeit. Ein Beispiel für ein Antriebsaggregat dieser Art wird im Stand der Technik GB 722 568 bereitgestellt.
  • In der Hochseeschifffahrt besteht seit jeher der Wunsch und die Notwendigkeit, Schiffe in möglichst kurzer Zeit und damit auf möglichst kurze Distanz in einer Notsituation aus voller Fahrt abzubremsen bzw. den Motor möglichst schnell umzusteuern, so dass die Schiffsschraube möglichst schnell in die entgegengesetzte Richtung dreht, so dass das Schiff möglichst umgehend in die entgegengesetzte Richtung weiterfahren kann. Während dazu für relativ kleine Motorschiffe oder Motorboote seit langem verschiedene erprobte Verfahren zur Verfügung stehen und häufig einfach über Getriebe das Umsteuern bewerkstelligt werden kann, ist die "Notbremsung", d.h. das schnelle Abbremsen aus voller Fahrt bei grossen Schiffen, die mit grossen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, wie z.B. mit langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren ausgestattet sind ein bisher weitestgehend ungelöstes Problem. Das betrifft neben dem Abbremsen der Schiffe das damit eng verknüpfte Problem des schnellen Umsteuern der Maschine von einer Drehrichtung in die entgegengesetzte Drehrichtung.
  • Das ist insbesondere bei den langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren ein nicht zu unterschätzendes Problem, da bei diesen Motoren aufgrund ihrer enormen Grösse und Leistung die sinnvolle Verwendung eines Getriebes und / oder einer Kupplung zwischen Motor und Schiffsschraube praktisch ausgeschlossen ist, weshalb bei Schiffen mit solchen Motoren die Schiffschraube über ein Welle drehfest mit der Kurbelwelle des Grossdieselmotors verbunden ist.
  • Damit ist zwar die Konstruktion des Antriebs wesentlich einfacher im Vergleich zu einem Antrieb bei welchem zwischen Schiffsschraube und Motor noch ein Getriebe vorgesehen ist. Der Nachteil einer solchen Konstruktion ohne Getriebe und ohne Kupplung ist jedoch, dass die Schiffschraube immer, das heisst in jedem Betriebszustand drehfest mit dem Motor verbunden ist und zumindest im Betriebszustand des Motors, das heisst solange dieser nicht völlig zum Stillstand gekommen ist, von diesem nicht getrennt werden kann. Das heisst, in einem Betriebszustand, in dem der Motor zum Abbremsen des Schiffs abgestellt wird, was in der Praxis im Wesentlichen bedeutet, dass die Treibstoffzufuhr zum Motor unterbrochen wird, hält das Schiff nicht sofort einfach an Ort und Stelle an, sondern wird aufgrund seiner enormen Massenträgheit zunächst weiterfahren und nur allmählich nach und nach an Geschwindigkeit verlieren.
  • Die Schiffsschraube wird dabei nun zwar nicht mehr durch den Motor angetrieben; wird jetzt aber, durch die fortdauernde Relativgeschwindigkeit zwischen Schiffschraube und Wasser durch die Fahrt durch das Wasser angetrieben. Da die Schiffsschraube aber drehfest mit dem Motor verbunden ist und diese vom Motor auch nicht getrennt werden kann, wird in einem solchen Betriebszustand jetzt auch der Motor von der Schiffsschraube angetrieben. Das heisst, in einem beträchtlichen Zeitraum nach dem Abstellen der Treibstoffzufuhr zum Motor wird dieser trotzdem weiter in der ursprünglichen Richtung drehen, weil er jetzt von der Schiffsschraube angetrieben wird.
  • Eine Beschleunigung des Abbremsens des Schiffes bzw. eine Umkehrung der Fahrtrichtung des Schiffes kann nur dadurch erreicht werden, dass der Motor in umgekehrter Drehrichtung neu gestartet wird. Das kann bei den meisten bekannten Schiffsmotoren und insbesondere bei den riesigen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren nur dadurch erreicht werden, dass zu einem geeigneten Zeitpunkt, d.h. bei einem geeigneten Kurbelwinkel Pressluft, in der Fachsprache auch Startluft genannt, unter einem genügend hohen Druck in den Zylinderliner gepresst wird, so dass der Motor durch die auf die Kolben wirkende Startluft in die gewünschte umgekehrte Drehrichtung neu gestartet wird.
  • Aufgrund der enormen Kräfte, die wie oben erläutert die Schiffsschraube über die Kurbelwelle auf die Kolben in den Zylinderlinern des Motors derart ausübt, dass der Motor trotz unterbundener Treibstoffzufuhr weiter in der ursprüngliche Richtung dreht, kann der Motor frühestens dann in die entgegengesetzte Richtung neu gestartet werden, wenn der maximal zur Verfügung stehende Druck der Startluft ausreicht um die von der Schiffsschraube auf die Kolben wirkenden Kräfte soweit zu kompensieren, dass der Motor durch die Startluft in eine ausreichend schnelle Drehung in die entgegengesetzte Richtung versetzt werden kann, so dass bei Reaktivierung der Treibstoffzufuhr der Motor schliesslich selbstständig in die umgekehrte Richtung neu starten kann. Wenn der Motor in die entgegengesetzte Richtung Drehrichtung neu gestartet ist, wird selbstverständlich die drehfest mit dem Motor verbundene Schiffschraube vom Motor ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung angetrieben, wodurch dann das Abbremsen des Schiffes zunehmend beschleunigt werden kann, bis die Fahrt des Schiffes schliesslich zum Stillstand klommt oder, falls gewünscht, das Schiff Fahrt in die entgegengesetzte Richtung aufnehmen kann.
  • Die Nachteile des oben geschilderten und bisher üblichen Verfahrens zum Abbremsen bzw. Umsteuern eines Schiffes liegen auf der Hand. Einerseits benötigt das Abbremsen eines Schiffes, insbesondere eine Schiffes mit einem langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor sehr viel Zeit, weil, bevor der Motor in die entgegengesetzte Richtung neu gestartet werden kann, zunächst solange zugewartet werden muss, bis das Schiff ausreichend an Fahrt verloren hat und genügend langsam geworden ist, so dass der Antrieb des Motors über die Schiffschraube durch die Startluft kompensiert werden kann. Das nimmt bis heute beträchtlich viel Zeit in Anspruch, was insbesondere dann von grossem Nachteil ist, wenn das Schiff sehr schnell abgebremst werden muss, z.B. um in einer Notsituation eine Kollision mit einem anderen Schiff, mit einem Eisberg oder mit einem anderen Hindernis zuverlässig und rechtzeitig zu verhindern. Die Katastrophe mit der berühmten Titanic, bei welcher es unter anderem nicht mehr gelungen ist das Schiff rechtzeitig abzubremsen, ist bis heute im öffentlichen Bewusstsein präsent. Auch wenn die Titanic nicht von einem langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor angetrieben wurde, ist die Problematik im Grundsatz dieselbe.
  • Damit die vom Schiff zurückgelegte Strecke beim Abbremsen bzw. beim Umsteuern in die entgegengesetzte Fahrtrichtung minimiert wird, wird häufig versucht den Motor zum frühest möglichen Zeitpunkt durch Zuführung der Startluft in die Zylinderliner umzusteuern. Je schneller der Motor, angetrieben durch die Schiffsschraube, jedoch noch in die alte Richtung läuft, umso mehr Startluft bzw. Startluftenergie wird benötigt um das Umsteuern in die entgegengesetzte Richtung einleiten zu können. Das ist nicht nur teuer und energieintensiv, weil die Startluft zunächst mit entsprechenden Kompressoren erzeugt und in Druckspeichern gespeichert werden muss. Sondern das Verfahren birgt auch das Risiko, dass mehr oder weniger der gesamte Vorrat an Startluft verbraucht wird und es trotzdem nicht gelingt, dass der Motor in die entgegengesetzte Richtung startet. Das verzögert das Abbremsen nicht nur noch weiter, sondern kann sogar zum Sicherheitsrisiko werden, weil in einer solchen Situation neue Startluft zunächst wieder bereitgestellt werden muss und in der Zwischenzeit der Motor somit überhaupt nicht mehr gestartet werden kann, was unter Umständen fatale Konsequenzen haben kann, da das Schiff in einer solchen Situation antriebslos ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem ein Motor, insbesondere ein langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor effizienter und schneller in eine entgegengesetzte Drehrichtung umgesteuert werden kann, wobei die aus dem Stand der Technik beschriebenen Probleme weitestgehend vermieden werden, insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten fatalen Sicherheitsprobleme umgangen werden können und das Umsteuern des Motors zusätzlich ökonomischer und energiesparender vorgenommen werden kann.
  • Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.
  • Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft somit ein Steuerverfahren zum schnellen Umsteuern oder Abbremsen einer Drehung in eine erste Drehrichtung einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder, in welchem ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt entsprechend einem Kurbelwinkel von 180° und einem unteren Totpunkt entsprechend einem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° hin- und herbewegbar angeordnet ist, sowie mit einem Ausslassventil, das hydraulisch mittels eines unter einem vorgegebenen Öffnungsdruck stehenden Hydraulikmediums, bevorzugt Hydrauliköl über eine Ventilhydraulik betätigbar ist. Erfindungsgemäss wird in einer Abbremsphase eine Treibstoffzufuhr zur Hubkolbenbrennkraftmaschine unterbrochen und das Hydraulikmedium unter einem vorgegebenen maximalen Öffnungsdruck einer Ventilhydraulik eines ersten Auslassventils eines ersten Zylinders bei einem ersten Kurbelwinkel im Bereich der oberen Totpunktposition des dem ersten Zylinder zugeordneten ersten Kolbens bereitgestellt, so dass das erste Auslassventil, frühestens beim Durchlaufen des ersten Kolbens durch seine obere Totpunktpunktposition, bei einem zweiten Kurbelwinkel durch die Ventilhydraulik automatisch geöffnet wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem ein Motor, insbesondere ein langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor effizienter und schneller in eine entgegengesetzte Drehrichtung umgesteuert werden kann, wobei gleichzeitig zusätzlich wertvolle Startluft eingespart werden kann. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens kann ein Neustart in die entgegengesetzte Drehrichtung sogar ganz ohne Startluft, bei einem Schiff beispielsweise unter Ausnützung der durch die Schiffsschraube dem Motor vermittelte Bremsenergie initiiert werden, was nicht nur unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten selbstverständlich einen nicht zu unterschätzende Verbesserung darstellt, sondern insbesondere auch dann, wenn das erfindungsgemässe Verfahren zum Umsteuern oder Abbremsen eines Motors eines Schiffes eingesetzt wird, auch unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten einen enormen Fortschritt darstellt.
  • Bei einem für die Praxis besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Hubkolbenbrennkraftmaschine ein langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor eines Schiffes, beispielsweise eines Containerschiffs mit einem enorm grossen Motor, der beispielweise bis zu zwölf Zylinder oder mehr hat und eine Leistung von bis zu 10.000KW pro Zylinder, oder sogar noch grössere Leistungen haben kann.
  • Wie dem Fachmann an sich bekannt ist, bewegt sich in einem normalen Betriebszustand der Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in einem Zylinderliner hin und her und treibt über eine Kurbelwelle, die wirkfest mit dem Kolben und einer Schiffsschraube verbunden ist, die Schiffsschraube an. Ein Ausslassventil an einem Zylinderdeckel des Zylinderliners wird mittels einer programmierbaren Kontrolleinrichtung, die in der Praxis eine hydraulische Einrichtung und eine elektronische Einrichtung umfassen kann, über eine Ventilhydraulik hydraulisch betätigt. Dabei kann ein Kurbelwinkel, bei welchem das Auslassventil betätigt wird, durch die programmierbare Kontrolleinrichtung prinzipiell beliebig vorgegeben werden. Durch Betätigung eines Startluftventils kann der Motor entweder aus dem Stillstand gestartet werden oder, bei genügend kleiner Drehzahl, kann die Drehrichtung des Motors geändert werden.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im Folgenden schematisch die an sich bekannte allgemeine Funktionsweise einer längsgespülten Hubkolbenbrennkraftmaschine im normalen Betriebszustand nochmals kurz in Erinnerung gerufen. Im Rahmen dieser Anmeldung wird ein Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° mit dem unteren Totpunkt UT und ein Kurbelwinkel von 180° mit dem oberen Totpunkt OT identifiziert.
  • Ausgehend vom unteren Totpunkt, entsprechend einem Kurbelwinkel von 0° bewegt sich der Kolben im Betriebszustand zunächst in Richtung OT, entsprechend einem Kurbelwinkel von 180°. Wenn sich der Kolben in einer Stellung nahe dem unteren Totpunkt befindet sind im normalen Betriebszustand die Spülschlitze im unteren Bereich des Zylinderliners freigegeben sowie das Ausslassventil 5 geöffnet. Solange die Spülschlitze vom Kolben freigegeben sind wird dem Brennraum des Zylinderliners durch die Spülschlitze Frischluft zugeführt und gleichzeitig werden Verbrennungsrückstände durch die Bewegung des Kolbens in Richtung zum oberen Totpunkt durch das Auslassventil aus dem Brennraum ausgespült. Wenn der Kolben die Spülschlitze vollständig passiert hat, so dass keine Verbindung mehr zwischen Brennraum und Spülschlitzen besteht, wird bei zunehmendem Kurbelwinkel auch das Auslassventil bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel mittels der Kontrolleinrichtung geschlossen. Im weiteren Verlauf wird durch ein Einspritzventil dem Brennraum des Motors, welcher sich aus dem oberen Zylinderbereich, dem darüber befindlichen Zylinderdeckel und dem Kolbenboden bildet, Kraftstoff zugeführt, welcher sich in der durch die Kompression erhitzten Luft im Bereich des oberen Totpunktes entzündet, nachfolgend verbrennt und durch diese Energiefreisetzung zur Drucksteigerung im Brennraum des Motors führt.
  • Nach Durchlaufen des oberen Totpunkts bewegt sich der Kolben bewegt sich wieder in Richtung zum unteren Totpunkt entsprechend einem Kurbelwinkel von 360°. Im normalen Betriebs-und Fahrzustand des Schiffes wird dann bei einem Kurbelwinkel, der deutlich grösser als 180° ist, das Ausslassventil wieder geöffnet und ein neuer Arbeitstakt des Zylinders eingeleitet.
  • Für den Fall, dass das Schiff abgebremst werden soll, insbesondere, wenn es in einem Notfall innerhalb einer möglichst kurzen Distanz abgebremst werden soll, wurde die Hubkolben-Brennkraftmaschine auch bei den bereits bekannten Verfahren aus dem normalen Betriebszustand wie folgt zum Bremsen oder Umsteuern in einen anderen Betriebszustand versetzt. In einem ersten Schritt ist es bekannt die Treibstoffzufuhr in die Zylinderliner der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu unterbrechen. Durch die Unterbrechung der Treibstoffzufuhr wird erreicht, dass die Drehzahl des Motors zunächst abfällt, was zu einer ersten moderaten Verlangsamung des Schiffes führt. Werden keine weiteren Massnahmen ergriffen, verringert sich die Geschwindigkeit des Schiffes im Wesentlichen aufgrund der Reibung des Schiffes im Wasser. Diese Reibung ist im allgemeinen vergleichsweise gering, sodass sich die Geschwindigkeit des Schiffes nur sehr langsam verringert. Die Schiffsschraube, die nach unterbrochener Treibstoffzufuhr von der Hubkolbenbrennmaschine nicht mehr angetrieben wird, arbeitet jetzt, angetrieben durch die noch vorhandene Bewegungsenergie des Schiffes als Turbine und treibt jetzt den Motor an, mit dem sie über die Kurbelwelle drehfest verbunden ist.
  • Wird die Steuerung des Auslassventils wie im normalen Betrieb und im Stand der Technik bisher praktiziert unverändert beibehalten, wird zwar zunächst ein Teil der Bewegungsenergie des Schiffes im Zylinder im Kurbelwinkelbereich zwischen 0° und 180° in Kompressionsenergie umgewandelt; allerdings wird diese Kompressionsenergie bei der anschliessenden Expansion der im Zylinderliner eingeschlossenen Spülluft während der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt dem Schiff fast vollständig in Form von Bewegungsenergie über die Schiffsschraube wieder zurückgeführt.
  • Hier setzt nun die Erfindung an, der die Erkenntnis zugrunde liegt, dass im Wesentlichen allein durch eine geeignete Steuerung des Auslassventils eine schnelle Umsteuerung bzw. Abbremsung des Motors möglich ist und dieser im Speziellen sogar ohne Startluft, zumindest mit weniger Startluft als bisher im Stand der Technik notwendig in die entgegensetzte Drehrichtung neu gestartet werden kann, sofern die über die Schiffschraube dem Motor vermittelte Bremsenergie gemäss der Erfindung geschickt genutzt wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Steuerverfahrens wird der zweite Kurbelwinkel in einem Bereich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des ersten Kolbens bei einem Wert zwischen 180° und 360°, bevorzugt bei einem Wert zwischen 180° und 225°, oder zwischen 180° und 200° gewählt, besonders bevorzugt bei einem zweiten Kurbelwinkel, der zwischen 180° und 190° nach dem oberen Totpunkt des ersten Kolbens liegt.
  • Um eine weitere Verbesserung der Bremswirkung beim Umsteuern zu erzielen wird zur Erzeugung eines vorgegebenen Unterdrucks im ersten Zylinder das erste Auslassventil bei einem dritten Kurbelwinkel im Bereich zwischen dem zweiten Kurbelwinkel und dem unteren Totpunkt des ersten Kolbens wieder geschlossen wird.
  • Je nachdem in welcher Phase der Umsteuerung des Motors diese Massnahme ergriffen wird können im Wesentlichen zwei positive Effekte bewirkt werden.
  • Wird die Erzeugung des Unterdrucks im ersten Zylinder in der Abbremsphase der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung vorgenommen und der dritte Kurbelwinkel entsprechend gewählt, kann durch das Schliessen des Auslassventils bei geeigneter Wahl des dritten Kurbelwinkels derart ein Unterdruck im ersten Zylinder aufgebaut werden, dass das Abbremsen der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung durch den Aufbau des Unterdrucks unterstützt wird. Es entsteht dadurch also eine zumindest leichte Sogwirkung auf den Kolben, so dass eine entsprechende Bremsung der Kolbenbewegung bewirkt wird, die dem Motor zusätzlich Bewegungsenergie entzieht und so das Abbremsen beschleunigt.
  • Andererseits ist es auch möglich, dass in einer der Abbremsphase folgenden Umsteuerphase der Hubkolbenbrennkraftmaschine der dritte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim dritten Kurbelwinkel ein Unterdruck im ersten Zylinder derart aufgebaut wird, dass ein in einem zweiten Zylinder durch eine Treibstoffzufuhr initiierter Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung, durch den Aufbau des Unterdrucks im ersten Zylinder unterstützt wird. Das heisst, dadurch dass im ersten Zylinder eine bremsende Sogwirkung in Bezug auf die erste Drehrichtung des Motors erzeugt wird, wird ein Neustart des Motors, also eine Umsteuerung des Motors in die neue der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung des Motors erleichtert bzw. unterstützt, so dass ein früheres Umsteuern möglich wird, bzw. eventuell noch notwendige Startluft minimiert oder sogar ganz eingespart werden kann.
  • Eine weitere zusätzliche oder alternative Massnahme eines erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass das erste Auslassventil bei einem vierten Kurbelwinkel zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt, bevorzugt bei einem vierten Kurbelwinkel geschlossen wird, der nach einem Beenden der Zufuhr von Spülluft in den Zylinder erreicht wird.
  • Auch bei der zuletzt genannten Massnahme ist es so, dass je nachdem in welcher Phase der Umsteuerung des Motors das Schliessen des Auslassventils beim vierten Kurbelwinkel vorgenommen wird, im Wesentlichen zwei zusätzliche positive Effekte bewirkt werden können.
  • Einerseits kann dann, wenn in der Abbremsphase der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine der vierte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim vierten Kurbelwinkel ein Überdruck im ersten Zylinder aufgebaut wird, das Abbremsen der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung durch den Aufbau des Überdrucks unterstützt werden. Und zwar, weil durch den sich im Zylinder aufbauenden Druck dem Motor Bewegungsenergie entzogen wird, indem die Bewegungsenergie in Druckenergie umgewandelt wird, wodurch das Abbremsen der Drehbewegung des Motors in die erste Drehrichtung sehr wirksam unterstützt wird.
  • Anderseits, wenn in der der Abbremsphase folgenden Umsteuerphase der Hubkolbenbrennkraftmaschine der vierte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim vierten Kurbelwinkel ein Überdruck im ersten Zylinder derart aufgebaut wird, dass der sich im ersten Zylinder aufbauende Überdruck mit einem in einem zweiten Zylinder durch eine Treibstoffzufuhr initiierten Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung geeignet koordiniert wird, kann durch den Aufbau des Überdrucks im ersten Zylinder der Neustart in die entgegengesetzte Drehrichtung wirksam unterstützt werden.
  • Das heisst, dadurch dass im ersten Zylinder eine bremsende Druckwirkung in Bezug auf die erste Drehrichtung des Motors erzeugt wird, wird ein Neustart des Motors, also eine Umsteuerung des Motors in die neue der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung des Motors erleichtert bzw. unterstützt, so dass ein früheres Umsteuern möglich wird, bzw. eventuell noch notwendige Startluft minimiert oder sogar ganz eingespart werden kann.
  • Insbesondere dann, wenn die Umsteuerung besonders schnell vonstatten gehen soll bzw. dann, wenn z.B. eine Notwendig zur Notbremsung des Schiffes besteht, oder eine andere Notwendigkeit zur sehr schnellen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geboten ist, kann selbstverständlich der während der Umsteuerphase initiierte Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung durch Einbringen einer vorgegebenen minimalen Menge an Startluft in mindestens einen Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine zusätzlich unterstützt werden, wodurch das Umsteuern in die zweite Drehrichtung bzw. das Abbremsen aus der ersten Drehrichtung zusätzlich beschleunigt werden kann.
  • Insbesondere dann, aber nicht nur, wenn keine Notwendigkeit für ein notfallmässiges sehr schnelles Vorgehen geboten ist, kann zur Unterstützung des Neustarts in die zweite Drehrichtung während der Umsteuerphase die Startluft sequentiell auch nur in einen Teil der Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine eingebracht wird, bevorzugt sogar nur in einen einzigen ausgewählten Zylinder und in keinen anderen Zylinder eingebracht wird.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es wie oben bereits erwähnt sogar, dass der während der Umsteuerphase initiierte Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung ganz ohne Verwendung von Startluft erfolgen kann, indem das Auslassventil so geschickt gesteuert wird, dass die Bewegungsenergie, die durch die Schiffsschraube in den Motor zurückgespeist wird, optimal ausgenutzt wird.
  • In der Praxis hat die Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern, die sich in an sich bekannter Weise zum gleichen Zeitpunkt zumindest teilweise jeweils bei verschiedenen Kurbelwinkeln befinden, so dass die hier genannten Massnahmen zur Beschleunigung des Abbremsen bzw. Umsteuerns des Motors gleichzeitig ergriffen werden können, so dass sich ein kumulativer Effekt der verschiedenen Massnahmen ergibt.
  • Es versteht sich, dass die in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung je nach Anwendung auch in jeder geeigneten Weise kombinierbar sind und die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele lediglich exemplarisch zu verstehen sind. Der Fachmann erkennt sofort einfache vorteilhafte Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung und versteht, dass auch solche einfachen Weiterbildungen selbstverständlich von der Erfindung erfasst sind.

Claims (10)

  1. Steuerverfahren zum schnellen Umsteuern oder Abbremsen einer Drehung in eine erste Drehrichtung einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder, in welchem ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt entsprechend einem Kurbelwinkel von 180° und einem unteren Totpunkt entsprechend einem Kurbelwinkel von 0° bzw. 360° hin- und herbewegbar angeordnet ist, sowie mit einem Ausslassventil, das hydraulisch mittels eines unter einem vorgegebenen Öffnungsdruck stehenden Hydraulikmediums, bevorzugt Hydrauliköl über eine Ventilhydraulik betätigbar ist, wobei in einer Abbremsphase eine Treibstoffzufuhr zur Hubkolbenbrennkraftmaschine unterbrochen wird und das Hydraulikmedium unter einem vorgegebenen maximalen Öffnungsdruck einer Ventilhydraulik eines ersten Auslassventils eines ersten Zylinders bei einem ersten Kurbelwinkel im Bereich der oberen Totpunktposition des dem ersten Zylinder zugeordneten ersten Kolbens bereitgestellt wird, so dass das erste Auslassventil, frühestens beim Durchlaufen des ersten Kolbens durch seine obere Totpunktpunktposition, bei einem zweiten Kurbelwinkel durch die Ventilhydraulik automatisch geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines vorgegebenen Unterdrucks im ersten Zylinder das erste Auslassventil bei einem dritten Kurbelwinkel im Bereich zwischen dem zweiten Kurbelwinkel und dem unteren Totpunkt des ersten Kolbens wieder geschlossen wird, wobei in der Abbremsphase der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung der dritte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim dritten Kurbelwinkel derart ein Unterdruck im ersten Zylinder aufgebaut wird, dass das Abbremsen der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung durch den Aufbau des Unterdrucks unterstützt wird..
  2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Kurbelwinkel in einem Bereich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des ersten Kolbens bei einem Wert zwischen 180° und 360°, bevorzugt bei einem Wert zwischen 180° und 225°, oder zwischen 180° und 200°, besonders bevorzugt bei einem zweiten Kurbelwinkel zwischen 180° und 190° nach dem oberen Totpunkt des ersten Kolbens liegt.
  3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einer der Abbremsphase folgenden Umsteuerphase der Hubkolbenbrennkraftmaschine der dritte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim dritten Kurbelwinkel ein Unterdruck im ersten Zylinder derart aufgebaut wird, dass ein in einem zweiten Zylinder durch eine Treibstoffzufuhr initiierter Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung, durch den Aufbau des Unterdrucks im ersten Zylinder unterstützt wird.
  4. Steuerverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Auslassventil bei einem vierten Kurbelwinkel zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt, bevorzugt bei einem vierten Kurbelwinkel geschlossen wird, der nach einem Beenden der Zufuhr von Spülluft in den Zylinder erreicht wird.
  5. Steuerverfahren nach Anspruch 4, wobei in der Abbremsphase der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine der vierte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim vierten Kurbelwinkel derart ein Überdruck im ersten Zylinder aufgebaut wird, dass das Abbremsen der Drehung der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die erste Drehrichtung durch den Aufbau des Überdrucks unterstützt wird.
  6. Steuerverfahren nach Anspruch 4, wobei in der der Abbremsphase folgenden Umsteuerphase der Hubkolbenbrennkraftmaschine der vierte Kurbelwinkel so gewählt wird, dass durch das Schliessen des ersten Auslassventils beim vierten Kurbelwinkel ein Überdruck im ersten Zylinder derart aufgebaut wird, dass ein in einem zweiten Zylinder durch eine Treibstoffzufuhr initiierter Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung, durch den Aufbau des Überdrucks im ersten Zylinder unterstützt wird.
  7. Steuerverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der während der Umsteuerphase initiierte Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung durch Einbringen einer vorgegebenen minimalen Menge an Startluft in mindestens einen Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine unterstützt wird.
  8. Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei zur Unterstützung des Neustarts in die zweite Drehrichtung während der Umsteuerphase die Startluft sequentiell nur in einen Teil der Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine eingebracht wird, bevorzugt nur in einen einzigen ausgewählten Zylinder und in keinen anderen Zylinder eingebracht wird.
  9. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der während der Umsteuerphase initiierte Neustart der Hubkolbenbrennkraftmaschine in die zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung ohne Verwendung von Startluft erfolgt.
  10. Steuerverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine das Antriebsaggregat eines Schiffes ist.
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