AT506475B1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SEVERAL CYLINDERS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (2), mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), wobei zumindest ein Zylinder (2a) ungefeuert und als Verdichter betreibbar und in den ungefeuerten Zylinder (2a) Abgas rückführbar ist. Um mit möglichst geringem Aufwand hohe Abgasrückführmengen in beliebigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (1) zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Einlassseite (13) des ungefeuerten Zylinders (2a) mit dem Auslasssystem, vorzugsweise zwischen Auslasssammler (10) und einer Abgasturbine (12), und die Auslassseite (15) des ungefeuerten Zylinders (2a) mit dem Einlasssystem (3), vorzugsweise zwischen einem Verdichter (5) und einem Einlasssammler (8), verbunden ist.The invention relates to an internal combustion engine (1) having a plurality of cylinders (2), an intake system (3) and an exhaust system (4), wherein at least one cylinder (2a) is unsurfaced and operable as a compressor and exhaust gas is traceable in the unfired cylinder (2a) is. In order to enable high exhaust gas recirculation quantities at any operating points of the internal combustion engine (1) with the least possible expense, it is provided that the inlet side (13) of the unfired cylinder (2a) with the exhaust system, preferably between outlet collector (10) and an exhaust gas turbine (12), and the outlet side (15) of the unfired cylinder (2a) is connected to the inlet system (3), preferably between a compressor (5) and an inlet header (8).
Description
österreichisches Patentamt AT506 475B1 2010-12-15Austrian Patent Office AT506 475B1 2010-12-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, wobei zumindest ein Zylinder ungefeuert und als Verdichter betreibbar und in den ungefeuerten Zylinder Abgas rückführbar ist, wobei die Einlassseite des ungefeuerten Zylinders mit dem Auslasssystem, vorzugsweise zwischen Auslasssammler und einer Abgasturbine, und die Auslassseite des ungefeuerten Zylinders mit dem Einlasssystem, vorzugsweise zwischen einem Verdichter und einem Einlasssammler, verbunden ist.The invention relates to an internal combustion engine with a plurality of cylinders, with an intake system and an exhaust system, wherein at least one cylinder is unfired and operable as a compressor and traceable in the unfired cylinder exhaust gas, wherein the inlet side of the unfired cylinder with the exhaust system, preferably between Outlet collector and an exhaust gas turbine, and the outlet side of the non-rooted cylinder with the inlet system, preferably between a compressor and an intake manifold, is connected.
[0002] Brennkraftmaschinen, insbesondere Großmotoren, haben in der Regel ein positives Druckgefälle, wobei die Ladedrücke höher sind, als die Abgasgegendrücke. Um Abgas der Ladeluft zuzumischen, bedarf es einer speziellen Architektur im Abgasrückführsystem. Häufig werden dazu Fremdförderer, wie extern angetriebene Gebläse oder Verdichter, verwendet. Gebläse haben dabei den Nachteil, dass sie sehr groß bauen oder auch die notwendigen Druckverhältnisse nicht aufbringen können. Turboverdichter sind zwar von der Baugröße eher kleingehalten, erheben jedoch den Anspruch sehr hoher Drehzahlen, womit oft ein Zwischengetriebe notwendig ist. Auch sind die Baugrößen der notwendigen Elektromotoren mit einzurechnen. Entsprechend zusätzlich benötigte Bauteile erhöhen darüber hinaus die Herstellkosten der Motoren. Man ist also bestrebt, eine Abgasrückführung zu finden, die möglichst wenig Zusatz benötigt, die kostengünstig und wartungsarm ist und die in der Abgasrückführmenge leicht variierbar ist.Internal combustion engines, especially large engines, usually have a positive pressure gradient, the boost pressures are higher than the exhaust back pressures. In order to mix exhaust gas with the charge air, a special architecture is required in the exhaust gas recirculation system. Frequently, external conveyors, such as externally driven blowers or compressors, are used. Blowers have the disadvantage that they can build very large or can not afford the necessary pressure conditions. Although turbocompressors are rather small in size, they nevertheless claim very high speeds, which often requires an intermediate gearbox. Also, the sizes of the necessary electric motors are to be included. Correspondingly additionally required components also increase the manufacturing costs of the motors. It is therefore anxious to find an exhaust gas recirculation, which requires as little additive, which is inexpensive and low maintenance and which is easily varied in the exhaust gas recirculation amount.
[0003] Aus der DE 36 31 284 C1 ist eine mehrzylindrige Dieselbrennkraftmaschine mit niedrigem Verdichtungsverhältnis bekannt, welche beim Anlassen und gegebenenfalls bei Teillast im sogenannten geteilten Betrieb arbeitet, wobei einige Zylinder ohne Kraftstoffzufuhr als Verdichter arbeiten und den als Motor arbeitenden Zylindern verdichtete Luft zuführen. Der Verdichterzylinder ist dabei mit dem Motorzylinder über eine von den üblichen Ansaug- und Auspuffleitungen unabhängige Leitung verbunden, die an ihrem einen Ende in der Nähe des Verdichterzylinders ein im geteilten Betrieb aufsteuerbares Spenderventil und an ihrem anderen Ende in der Nähe des Motorzylinders ein Empfängerventil aufweist. Jedes der Empfängerventile ist mit einer Vorrichtung zum willkürlichen Öffnen der jeweils zugehörigen Leitung in Richtung des Verdichterzylinders kombiniert, wobei das Aufsteuern der Leitungen durch die Vorrichtungen beim Ausschubhub des zugeordneten Motorzylinders erfolgt. Dadurch wird eine Abgasrückführung aus den Motorzylindern in die Verdichterzylinder erreicht und bei geteiltem Betrieb der Dieselbrennkraftmaschine eine Temperaturanhebung in den Verdichterzylindern erreicht.From DE 36 31 284 C1, a multi-cylinder diesel engine with low compression ratio is known, which operates during startup and optionally at part load in so-called split operation, with some cylinders operate without fuel supply as a compressor and working as a cylinder cylinders perform compressed air. The compressor cylinder is connected to the engine cylinder via a line independent of the usual intake and exhaust pipes, which has at its one end in the vicinity of the compressor cylinder a aufsteuerbares in split operation donor valve and at its other end in the vicinity of the engine cylinder a receiver valve. Each of the receiver valves is combined with a device for random opening of the respective associated line in the direction of the compressor cylinder, wherein the control of the lines by the devices takes place during Ausschubhub the associated engine cylinder. As a result, an exhaust gas recirculation is achieved from the engine cylinders in the compressor cylinder and reaches a temperature increase in the compressor cylinders in shared operation of the diesel engine.
[0004] Nachteilig ist, dass sich dieses bekannte System nur für relativ geringe rückgeführte Abgasmengen während des Anlassens und im unteren Teillastbereich eignet. Höhere Mengen an rückgeführtem Abgas sind auf diese Weise nicht realisierbar. Weiters ist beim bekannten System durch die zwischen Motorzylinder und Verdichterzylinder vorgesehene vom Ansaug-und Auspuffleitungen unabhängige Leitung ein erheblicher konstruktiver Aufwand erforderlich.The disadvantage is that this known system is suitable only for relatively small amounts of recirculated exhaust gas during cranking and in the lower part load range. Higher amounts of recirculated exhaust gas are not feasible in this way. Furthermore, in the known system by the provided between the engine cylinder and compressor cylinder independent of the intake and exhaust pipes a considerable design effort required.
[0005] Die DE 74 38 621 U offenbart eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, von denen ein Zylinder ungefeuert und als Verdichter betreibbar ist, wobei in diesem ungefeuerten Zylinder Abgas von anderen Zylindern rückgeführt wird, indem die Einlassseite des ungefeuerten Zylinders mit dem Auslasssystem und die Auslassseite des ungefeuerten Zylinders mit dem Einlasssystem der Brennkraftmaschine verbunden ist.DE 74 38 621 U discloses an internal combustion engine having a plurality of cylinders, one cylinder of which is unserviced and operable as a compressor, wherein in this unburned cylinder, exhaust gas from other cylinders is recirculated by the inlet side of the unfired cylinder with the exhaust system and the Outlet side of the unfired cylinder is connected to the intake system of the internal combustion engine.
[0006] Die US 5,517,976 A zeigt eine ähnliche Brennkraftmaschine, wobei der ungefeuerte Zylinder über eine Kühleinrichtung verdichtete Gase dem Einlasssystem zuführt.US 5,517,976 A shows a similar internal combustion engine, wherein the unfired cylinder via a cooling device supplies compressed gases to the intake system.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art in allen Motorbetriebspunkten eine hohe Menge an rückgeführtem Abgas zu ermöglichen.The object of the invention is to allow the simplest possible way in an internal combustion engine of the type mentioned in all engine operating points, a high amount of recirculated exhaust gas.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zwischen der Auslassseite des ungefeuerten Zylinders und dem Einlasssystem ein Abgasrückführkühler angeordnet ist, und dass die Auslassseite des ungefeuert betriebenen Zylinders, vorzugsweise stromabwärts des Abgasrückführkühlers, über eine Bypassleitung mit der Einlassseite verbindbar ist. 1/4 österreichisches Patentamt AT506 475B1 2010-12-15 [0009] Alternativ zum 4-Taktverfahren können die Steuerzeiten der Ventile des ungefeuert betriebenen Zylinders nach dem 2-Takt-Prinzip betrieben werden. Dadurch können besonders hohe rückgeführte Abgasmengen erzielt werden. Es wird somit pro Kurbelwellendrehung einmal angesaugt und verdichtetes Gas abgegeben.According to the invention, this is achieved in that an exhaust gas recirculation cooler is arranged between the outlet side of the unfired cylinder and the intake system, and that the outlet side of the unfired operated cylinder, preferably downstream of the exhaust gas recirculation cooler, via a bypass line to the inlet side is connectable. As an alternative to the 4-stroke method, the control times of the valves of the unspent operated cylinder can be operated according to the 2-stroke principle. As a result, particularly high amounts of recirculated exhaust gas can be achieved. It is thus sucked once per crankshaft rotation and discharged compressed gas.
[0010] Um den Liefergrad zu erhöhen, kann ein dem ungefeuerten Zylinder vorgeschalteter zweiter Abgasrückführkühler angeordnet sein.In order to increase the degree of delivery, an upstream of the unfired cylinder second exhaust gas recirculation cooler may be arranged.
[0011] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIG.
[0012] Die Fig. zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2, welche ein Einlasssystem 3 und ein Auslasssystem 4 aufweist. Im Einlasssystem 3 ist der Verdichter 5 eines Abgasturboladers 6, ein Ladeluftkühler 7 und ein Einlasssammler 8 vorgesehen, von welchem zu den Zylindern 2 führende Einlasskanäle 9 abzweigen. Von den Zylindern 2 gehen zu einem Auslasssammler 10 des Auslasssystems 4 führende Auslasskanäle 11 aus. Im Auslasssystem 4 ist stromabwärts des Auslasssammlers 10 eine Abgasturbine 12 des Abgasturboladers 6 angeordnet.The figure shows schematically an inventive internal combustion engine 1 with a plurality of cylinders 2, which has an inlet system 3 and an exhaust system 4. In the intake system 3, the compressor 5 of an exhaust gas turbocharger 6, a charge air cooler 7 and an intake manifold 8 is provided, from which branch off to the cylinders 2 inlet channels 9. From the cylinders 2 go to an outlet header 10 of the exhaust system 4 leading outlet channels 11. In the exhaust system 4, an exhaust gas turbine 12 of the exhaust gas turbocharger 6 is arranged downstream of the exhaust manifold 10.
[0013] Zumindest einer der Zylinder 2, welcher in der Fig. mit 2a bezeichnet ist, wird ungefeuert betrieben, um zwischen Auslasssystem 4 und Einlasssystem 3 rückzuführendes Abgas zu komprimieren. Die Einlassseite 13 des ungefeuerten Zylinders 2a steht dabei über eine erste Abgasrückführleitung 14 mit dem Auslasssystem 4 in Verbindung, wobei die erste Abgasrückführleitung 14 zwischen dem Auslasssammler 10 und der Abgasturbine 12 vom Auslasssystem 4 abzweigt. Von der Auslassseite 15 geht eine zweite Abgasrückführleitung 16 aus, welche über einen Ladeluftkühler 7 zwischen dem Verdichter 5 und dem Einlasssammler 8 in das Einlasssystem 3 einmündet. Zur Steuerung der rückgeführten Abgasmenge kann in der zweiten Abgasrückführleitung 16 vor Einmündung in das Einlasssystem 3 ein Abgasrückführventil 18, sowie eine von der zweiten Abgasrückführleitung 16 abzweigende und zur Einlassseite 13 des ungefeuerten Zylinders 2a führende Bypassleitung 19 vorgesehen sein. Zusätzlich kann auch in der ersten Abgasrückführleitung 14 ein Abgasrückführventil 21 vorgesehen sein. Mit Bezugszeichen 20 ist eine Kurbelwelle angedeutet.At least one of the cylinders 2, which is designated in the Fig. 2a, is operated unfrozen to compress exhaust gas to be recirculated between exhaust system 4 and inlet system 3. The inlet side 13 of the unfired cylinder 2 a is connected to the exhaust system 4 via a first exhaust gas recirculation line 14, wherein the first exhaust gas recirculation line 14 branches off from the exhaust system 4 between the exhaust collector 10 and the exhaust gas turbine 12. From the outlet side 15 is a second exhaust gas recirculation line 16, which opens via a charge air cooler 7 between the compressor 5 and the intake manifold 8 in the intake system 3. In order to control the recirculated exhaust gas quantity, an exhaust gas recirculation valve 18 may be provided in the second exhaust gas recirculation line 16 before entering the intake system 3 and a bypass line 19 branching off from the second exhaust gas recirculation line 16 and leading to the inlet side 13 of the unfired cylinder 2a. In addition, an exhaust gas recirculation valve 21 may also be provided in the first exhaust gas recirculation line 14. With reference numeral 20, a crankshaft is indicated.
[0014] Ein Teil des Abgasmassenstromes wird dem Auslasssystem 4 zwischen dem Auslasssammler 10 und der Abgasturbine 12 entnommen und einem oder mehreren ungefeuerten Zylindern 2a zugeführt, dort verdichtet und danach über zumindest einen Abgasrückführkühler 17 geleitet. Das gekühlte Abgas wird sodann dem Luftmassenstrom des Einlasssystems 3 beigemischt. Der ungefeuerte Zylinder 2a wird von der Kurbelwelle 20 angetrieben. Die Steuerzeiten des ungefeuerten Zylinders 2a sind so angepasst, dass möglichst hohe Abgasmengen rückgeführt werden können. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn während zweier Kurbelwellenumdrehungen zwei Ansaugtakte und zwei Auspufftakte des ungefeuerten Zylinders 2a stattfinden, der ungefeuerte Zylinder 2a somit im Zweitakt-Verfahren betrieben wird. Die Abgaszufuhr und -abfuhr erfolgt über bestehende Kanalführungen.A portion of the exhaust gas mass flow is taken from the exhaust system 4 between the exhaust manifold 10 and the exhaust gas turbine 12 and fed to one or more unfired cylinders 2a, compressed there and then passed through at least one exhaust gas recirculation cooler 17. The cooled exhaust gas is then admixed with the air mass flow of the intake system 3. The unfired cylinder 2a is driven by the crankshaft 20. The control times of the unfired cylinder 2a are adjusted so that the highest possible amounts of exhaust gas can be recycled. It is particularly advantageous if, during two crankshaft revolutions, two intake strokes and two exhaust strokes of the unfired cylinder 2a take place, the unfired cylinder 2a thus being operated in a two-stroke process. The exhaust gas is supplied and discharged via existing ducts.
[0015] Ergänzend zu dem Abgasrückführkühler 17 in der zweiten Rückführleitung 16 kann auch in der ersten Abgasrückführleitung 14 zwischen der Abzweigung aus dem Abgassystem und der Einlassseite 13 ein nicht dargestellter weiterer Abgasrückführkühler angeordnet sein, um die Kühlung des rückgeführten Abgases zu steigern und somit den Füllungsgrad zu verbessern. Gegebenenfalls kann der ungefeuerte Zylinder 2a mit anderem Hub- und/oder Verdichtungsverhältnis ausgeführt sein, als die gefeuerten Zylinder 2. Die Aufladung der Brennkraftmaschine 1 kann ein- oder mehrstufig erfolgen. Auch der Einsatz von Abgas- und Speicherelementen ist möglich.In addition to the exhaust gas recirculation cooler 17 in the second return line 16 may also be arranged in the first exhaust gas recirculation line 14 between the junction of the exhaust system and the inlet side 13, not shown further exhaust gas recirculation cooler to increase the cooling of the recirculated exhaust gas and thus the degree of filling to improve. Optionally, the unfired cylinder 2 a may be designed with a different lifting and / or compression ratio than the fired cylinders 2. The charging of the internal combustion engine 1 may take place in one or more stages. The use of exhaust and storage elements is possible.
[0016] Dadurch, dass keine zusätzlichen Verdichter, Getriebe oder Elektromotoren erforderlich sind, kann die Anzahl an benötigten Komponenten klein gehalten werden. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Kosten, den Platzbedarf und die Dauerhaltbarkeit der Brennkraftmaschine 1 aus. Das System ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Abgasrückführrate, wobei der Abgasrückführbetrieb durch die Abgasrückführventile 18 und 21 und die Bypassleitung 19 leicht gesteuert werden können. 2/4The fact that no additional compressors, gear or electric motors are required, the number of required components can be kept small. This has a particularly advantageous effect on the cost, space requirements and durability of the internal combustion engine 1. The system allows a high flexibility in the exhaust gas recirculation rate, whereby the exhaust gas recirculation operation by the exhaust gas recirculation valves 18 and 21 and the bypass line 19 can be easily controlled. 2.4
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM01 | Lapse because of not paying annual fees |
Effective date: 20230604 |