DE10116643A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents
HubkolbenbrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (1), dem ein Abgassammler (7) nachgeordnet und ein Ladeluftspeicher (10) vorgeordnet sind, und mit wenigstens einem Abgasturbolader (13), dessen Turbine (14) mit Abgas beaufschlagbar und dessen Kompressor (12) den Ladeluftspeicher (10), dem ein Ladeluftkühler (16) vorgeordnet ist, mit Ladeluft beaufschlagt, bei der eine Einrichtung zur Rezirkulation von Abgas vorgesehen ist, das der Ladeluft bezüglich des Kompressors (12) druckseitig beigemischt wird, lassen sich dadurch eine hohe Beimischrate erreichen und Leistungsverluste weitestgehend vermeiden, dass die Beimischung von Abgas zur Ladeluft stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16) vorgesehen ist.
Description
Die Erindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine,
insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem
Zylinder, dem ein Abgassammler nachgeordnet und ein Ladeluftspüler
vorgeordnet sind und mit wenigstens einem Abgasturbolader, dessen
Turbine mit Abgas aus dem Abgassammler beaufschlagbar ist und
dessen Kompressor den Ladeluftspeicher, dem ein Ladeluftspeicher
vorgeordnet ist, mit Ladeluft beaufschlagt, wobei eine Einrichtung zur
Rezirkulation von Abgas vorgesehen ist, das der Ladeluft bezüglich des
Kompressors druckseitig beimischbar ist.
Durch die Rezirkulation eines Teils des Abgases ist es möglich, den
NOx-Ausstoß zu reduzieren, was erwünscht ist. Eine bezüglich des
Kompressors des Abgasturboladers druckseitige Beimischung des
Abgases zur Ladeluft hat dabei den Vorteil, dass der Kompressor und
mit diesem der ganze Abgasturbolader vergleichsweise klein sein
können. Außerdem wird hierdurch sichergestellt, dass das empfindliche
Kompressorrad nicht mit Abgas in Berührung kommt.
Bei einer aus der US-A 5 611 204 bekannten Anordnung eingangs
erwähnter Art ist zur Beimischung des Abgases zur Ladeluft eine dem
Ladeluftkühler nachgeordnete Injektoreinrichtung vorgesehen. Im dem
Ladeluftkühler nachgeordneten Bereich besitzt die Ladeluft jedoch nur
noch einen vergleichsweise geringen, dynamischen Druck. Zur
Bewerkstelligung der Beimischung des Abgases zur Ladeluft muss die
Injektoreinrichtung daher eine starke Beschleunigung der Ladeluft
bewerkstelligen, was zu Energieverlusten führt. Die erreichbare
Beimischrate ist daher nach oben stark begrenzt.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erindung,
eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und
kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass nicht nur eine hohe
Beimischrate erreichbar ist, sondern auch Energieverluste ganz oder
weitgehend unterbleiben.
Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit einer Anordnung
gattungsgemäßer Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Beimischung von Abgas zur Ladeluft stromaufwärts vom Ladeluftkühler
vorgesehen ist.
Stromaufwärts vom Ladeluftkühler bewegt sich die Ladeluft mit
vergleichsweise hoher Geschwindigkeit inform einer spiralförmigen
Bewegung. Es liegt daher ein vergleichsweise hoher, dynamischer
Druck der Ladeluft vor. Der statische Druck ist dagegen vergleichsweise
gering. Andererseits liegt im Abgassammler nur statischer Druck vor.
Es ergibt sich daher ein ausreichend großes Druckgefälle, um ohne
nennenswerte zusätzliche Unterstützung vergleichsweise viel Abgas
beimischen zu können, wodurch die eingangs erwähnten,
grundsätzlichen Vorteile besonders stark zum Tragen kommen können
und der bauliche Aufwand dennoch vergleichsweise gering bleibt. Mit
den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden daher die eingangs
geschilderten Nachteile der bekannten Anordnung vermieden und ihre
Vorteile beibehalten. Es ergibt sich daher eine ausgezeichnete
Wirtschaftlichkeit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der
übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
So kann die Beimischung von Abgas zur Ladeluft zweckmäßig
zumindest teilweise im Bereich des Abströmgehäuses des Kompressors
vorgesehen sein. Dort ist der dynamische Druck der Ladeluft am
höchsten.
Dabei bietet es sich an, den Ansaugstutzen und das Abströmgehäuse
des Kompressors des Abgasturboladers durch eine umlaufende Rippe
zu verbinden. Auf diese Weise ergibt sich ein umlaufender Raum, der
als mit Abgas beaufschlagbarer, mit dem Innenraum des
Abströmgehäuses kommunizierender Vorlageraum fungieren kann. Die
Verbindung zwischen Vorlageraum und dem Innenraum des
Abströmgehäuses kann dabei einfach durch die gemeinsame Wandung
durchsetzende Bohrungen bewerkstelligt werden. Diese Maßnahmen
ermöglichen somit in vorteilhafter Weise eine Integration der
Beimischanordnung in das Kompressorgehäuse. Es ergibt sich daher
eine höchst einfache, kostengünstige und kompakte Anordnung, die
praktisch ohne zusätzliche Bauteile verwirklicht werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführung kann eine den Ansaugstutzen des
Kompressors umgreifender, an die Rezirkulationsleitung anschließbare
Ringleitung vorgesehen sein, die über von ihr abgehende Stichleitungen
mit den im Bereich der Wand des Abströmgehäuses vorgesehenen
Beimischöffnungen versehen ist. Bei dieser Ausführung kann auf eine
Rippe zwischen Abströmgehäuse und Ansaugstutzen verzichtet werden,
was vielfach erwünscht ist.
Eine andere, zusätzlich oder alternativ einsetzbare Möglichkeit kann
darin bestehen, dass die Beimischung von Abgas zur Ladeluft
zumindest teilweise im Bereich eines vom Abströmgehäuse des
Kompressors zum Ladeluftkühler führenden Abschnitts der
Ladeluftleitung vorgesehen ist. Sofern diese einen Diffusor enthält,
erfolgt die Beimischung zweckmäßig stromaufwärts vom Diffusor. Die
genannten Maßnahmen ergeben eine gute Zugänglichkeit der
Beimischeinrichtung und ermöglichen daher in vorteilhafter Weise eine
einfache Nachrüstung.
Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass im
Bereich der mit Abgas beaufschlagbaren Rezirkulationsleitung eine
Regulierungseinrichtung vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich,
die gewünschte Beimischrate einzustellen.
Eine andere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass der
Ladeluftkühler als mit Sprühdüsen zum Einspritzen von Kühlwasser
versehener Direktkühler ausgebildet ist. Dieser ist in vorteilhafter Weise
besonders unanfällig gegen innere Verschmutzung, so dass eine
Beaufschlagung mit Abgas und damit eine Beimischung des Abgases
zur Ladeluft stromaufwärts vom Ladeluftkühler völlig unproblematisch
ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen
Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden
Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zweitakt-
Großdieselmotors mit zum Kompressor des
Abgasturboladers führender Rezirkulationsleitung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführung mit in das
Kompressorgehäuse integrierter Beimischanordnung,
Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2
Fig. 4 einen schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Zweitakt-Großdieselmotors mit in die Ladeluftleitung
einmündender Rezirkulationsleitung und
Fig. 5 einen Schnitt durch die Einspeisungseinrichtung der
Anordnung gemäß Fig. 4.
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Dieselmotoren,
insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, wie Schiffsmotoren. Der
grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind
bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner
näheren Erläuterung mehr.
In den Fig. 1 und 4 ist ein Zylinder 1 eines derartigen Zweitakt-
Großdieselmotors angedeutet, in dem ein Kolben 2 aufgenommen ist,
der einen Brennraum 3 begrenzt. Im Bereich des Zylinderkopfes ist ein
durch ein Ventil 4 steuerbarer Abgasausgang 5 vorgesehen, der über
einen Auslaßstutzen 6 mit einem Abgassammler 7 verbunden ist. Dem
Abgassammler 7 sind alle Zylinder 1 oder jedenfalls eine Gruppe von
Zylindern 1 des vorliegenden Motors zugeordnet.
Der Brennraum 3 wird über im Bereich der Zylinderbuchse
vorgesehene, durch den Kolben 2 steuerbare Spülschlitze 8 mit
Ladeluft beaufschlagt. Die Spülschlitze 8 kommunizieren mit einem
Ringraum, der über einen Versorgungsstutzen 9 mit einem
Ladeluftspeicher 10 verbunden ist. Dieser erstreckt sich wie der
Abgassammler 7 über alle oder jedenfalls eine Gruppe von Zylindern 1
des vorliegenden Motors. Der Ladeluftspeicher 10 ist über eine
Ladeluftleitung 11 mit dem Ausgang des Kompressors 12 eines
Abgasturboladers 13 verbunden, dessen Turbine 14 mit Abgas
beaufschlagbar ist und hierzu mittels einer Abgasleitung 15 mit dem
Abgassammler 7 verbunden ist.
In der Ladeluftleitung 11 ist ein Ladeluftkühler 16 angeordnet, durch
den die mittels des Kompressors 12 verdichtete Ladeluft gekühlt wird.
Der Ladeluftkühler 16 kann als Luft/Wasser-Wärmetauscher
ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel ist er in vorteilhafter Weise
als Direktkühler ausgebildet, der mit mit Wasser beaufschlagbaren
Sprühdüsen 17 zum Einspritzen von Kühlwasser versehen ist. Die
Wasserversorgung der Sprühdüsen 17 ist nicht näher dargestellt.
Zur Reduktion des NOx-Austoßes wird ein Teil des Abgases rezirkuliert,
das heißt ein Teil des Abgases wird der den Spülschlitzen 8 zugeführten
Ladeluft beigemischt. Hierzu ist eine vom Abgassammler 7 oder, wie im
dargestellten Beispiel, von der Abgasleitung 15 abzweigende
Rezirkulationsleitung 18 vorgesehen. Diese ist mit einer als
einstellbares Absperrventil ausgebildeten Regulierungseinrichtung 19
versehen. Durch Betätigung der Regulierungseinrichtung 19 können
der Volumendurchsatz durch die Rezirkulationsleitung 18 und damit
die Beimischrate eingestellt werden, so dass stets optimale Verhältnisse
erreicht werden können. Die Beimischung des Abgases zur Ladeluft
erfolgt bei sämtlichen Ausführungen erfindungsgemäßer Art bezüglich
des Kompressors 12 druckseitig, das heißt stromabwärts vom Laufrad
des Kompressors 12, und stromaufwärts vom Ladeluftkühler 16.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 führt die mit ununterbrochenen
Linien gezeichnete Rezirkulationsleitung 18 direkt zum Kompressor 12.
Dieser besitzt, wie aus Fig. 2, 3 entnehmbar ist, ein mit der Turbine
14 antriebsmäßig verbundenes Laufrad 20, einen dem Laufrad 20
vorgeordneten an einen nicht näher bezeichneten Schalldämpfer
angesetzten Luftansaugstutzen 21, sowie ein dem Laufrad 20
nachgeordnetes, den Luftansaugstutzen 21 umgreifendes,
spiralförmiges Abströmgehäuse 22, welches den Ansaugstutzen 21
umgreift.
Bei dem der Fig. 2 zugrunde liegenden Beispiel ist die Einrichtung zur
Beimischung des Abgases zur Ladeluft in den Kompressor 12
integriert. Das Abströmgehäuse 22 ist dabei durch eine umlaufende
Rippe 23 auf dem zentralen Luftansaugstuzten 21 abgestützt. Auf diese
Weise ergibt sich ein geschlossener Ringraum 24. Dieser ist an die
Rezirkulationsleitung 18 angeschlossen und über vorzugsweise als
Bohrungen augsbildete Beimischöffnungen 25 des ihn begrenzenden
Wandbereichs des Abströmgehäuses 22 mit dem im Inneren des
Abströmgehäuses 22 verlaufenden Strömungskanal verbunden. Der
Ringraum 24 fungiert dementsprechend als mit Abgas
beaufschlagbarer, dem Abströmgehäuse 22 zugeordneter, umlaufender
Vorlageraum. Der Anschluss der Rezirkulationsleitung 18 ist
zweckmäßig im Bereich der Rippe 23 vorgesehen. Im dargestellten
Beispiel ist die Rippe 23 mit einem Anschlußstutzen 26 versehen, an
den die Rezirkulationsleitung 18 angeflanscht ist.
Bei dem der Fig. 3 zugrunde liegenden Beispiel ist eine den
Luftansaugstutzen 21 umgreifende, dem Abströmgehäuse 22
benachbarte Ringleitung 33 vorgesehen, die an die
Rezirkulationsleitung 18 angeschlossen ist. Im dargestellten Beispiel ist
die Ringleitung 33 mit einem Anschlussstutzen 34 versehen, an den die
Rezirkulationleitung 18 angeflanscht ist. Auch bei dieser Ausführung
ist das Abströmgehäuse 22 mit Beimischöffnungen 25 versehen. Diese
befinden sich im der Ringleitung 33 benachbarten Wandbereich des
Abströmgehäuses 22. Die Beimischöffnungen 25, die zweckmäßig
ebenfalls als Bohrungen ausgebildet sein können, sind über von der
Ringleitung 33 abgehende Stichleitungen 35 an die Ringleitung 33
angeschlossen. Bei dieser Ausführung kann auf eine Rippe zwischen
Ansaugstutzen 21 und Abströmgehäuse 22 ganz oder teilweise
verzichtet werden. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist die Rippe 23
nur auf einem Teil des Umfangs vorgesehen.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 erfolgt die Beimischung von Abgas
zur Ladeluft nicht direkt im Bereich des Kompressors 12, sondern im
Bereich eines an das Abströmgehäuse 22 des Kompressors 12 sich
anschließenden Abschnitts der Ladeluftleitung 11. Diese ist in der Regel
mit einem in Fig. 5 angedeuteten, in den Ladeluftkühler 16
einmündenden Diffusor 11a versehen. Die Beimischung von Abgas zur
Ladeluft erfolgt zweckmäßig stromaufwärts vom Diffusor 11a, wo die
Ladeluft praktisch denselben dynamischen Druck aufweist wie beim
Verlassen des Abströmgehäuses 22 des Kompressors 12.
Bei dem der Fig. 5 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel ist die
Ladeluftleitung 11 im Bereich zwischen dem Abströmgehäuse 22 des
Kompressors 12 und dem Diffusor 11a mit einem an das Ende des
Abströmgehäuses 22 und den Eingang des Diffusors 11a
angeflanschten Einsatz 27 versehen, der einen die Distanz zwischen
Abströmgehäuse 22 und Diffusor 11a überbrückenden
Leitungsabschnitt 11b aufweist, der zur Bildung von
Beimischöffnungen 28 mit radialen Bohrungen versehen ist und einen
einen vorzugsweise als Ringraum ausgebildeten Vorlageraum 29
enthaltenden Kasten 30 durchgreift. Dieser ist mit einem
Anschlußstutzen 31 versehen, an den die Beimischleitung 18
angeflanscht ist. Selbstverständlich könnte auch hier an Stelle des
ringförmigen Vorlageraums 29 ähnlich Fig. 3 eine Ringleitung
vorgesehen sein, die über Stichleitungen mit den Beimischöffnungen 28
verbunden ist. In der Regel reicht der dynamische Druck der Ladeluft
aus, um eine ausreichende Beimischung von Abgas zu bewerkstelligen.
In diesen Fällen kann der Leitungsabschnitt 11b als Rohrabschnitt mit
auf seiner ganzen Länge gleichbleibendem Durchmesser ausgebildet
sein. Im dargestellten Beispiel ist der Leitungsabschnitt 11b mit einer
den Beimischöffnungen zugeordneten Verengung 32 versehen, die zu
einer Beschleunigung der Ladeluft, das heißt zu einer Erhöhung des
dynamischen Drucks und dementsprechend zu einem Absenken des
statischen Drucks führt.
Bei Bedarf können selbstverständlich mehrere Anordnungen etwa der
der Fig. 5 zugrundeliegenden Art hintereinander angeordnet sein, wie
in Fig. 4 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Ebenso wäre es
denkbar, eine oder mehrere derartige Anordnungen in Kombination mit
einer Beimischung von Abgas direkt in das Abströmgehäuse des
Kompressors 12 etwa der der Fig. 2 oder 3 zugrundeliegenden Art
vorzusehen. Dies ist in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien angedeutet.
Hieraus ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Claims (12)
1. Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-
Großdieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder (1), dem ein
Abgassammler (7) nachgeordnet und ein Ladeluftspeicher (10)
vorgeordnet sind, und mit wenigstens einem Abgasturbolader
(13), dessen Turbine (14) mit Abgas beaufschlagbar und dessen
Kompressor (12) den Ladeluftspeicher (10), dem ein
Ladeluftkühler (16) vorgeordnet ist, mit Ladeluft beaufschlagt,
wobei eine Einrichtung zur Rezirkulation von Abgas vorgesehen
ist, das der Ladeluft bezüglich des Kompressors (12) druckseitig
beimischbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung
von Abgas zur Ladeluft stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16)
vorgesehen ist.
2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beimischung von Abgas zur Ladeluft
zumindest teilweise im Bereich des Abströmgehäuses (22) des
Kompressors (12) vorgesehen ist.
3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen dem Abströmgehäuse
(22) und einem von diesem umfassten Ansaugstutzen (21) des
Kompressors (12) ein ringförmiger Vorlageraum (24) vorgesehen
ist, der mit einem an eine mit Abgas beaufschlagbare
Rezirkulationsleitung (18) anschließbaren Abgaseingang und mit
in den Innenraum des Abströmgehäuses (22) einmündenden
Beimischöffnungen (25) versehen ist.
4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Vorlageraum (24) durch eine das
Abströmgehäuse (22) und den Ansaugstutzen (21) des
Kompressors (12) miteinander verbindende Rippe (23) gebildet ist,
die den Abgaseingang enthält, und dass die Beimischöffnungen
(25) als Bohrungen des den Vorlageraum (24) begrenzenden
Wandbereichs des Abströmgehäuses (22) ausgebildet sind.
5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass eine dem Abströmgehäuse (22) des
Kompressors (12) benachbarte, vorzugsweise den
kompressorseitigen Ansaugstutzen (21) umgreifende Ringleitung
(33) vorgesehen ist, die an eine mit Abgas beaufschlagbare
Rezirkulationsleitung (18) anschließbar ist und über von ihr
abgehende Stichleitungen (35) mit im Bereich der Wand des
Abströmgehäuses (22) vorgesehenen, in den Innenraum des
Abströmgehäuses (22) einmündenden Beimischöffnungen (25)
versehen ist.
6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung
von Abgas zur Ladeluft zumindest teilweise im Bereich eines vom
Abströmgehäuse (22) des Kompressors (12) zum Ladeluftkühler
(16) führenden Leitungsabschnitts der Ladeluftleitung (11)
vorgesehen ist.
7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung (11) mit einem dem
Ladeluftkühler (16) vorgeordneten Diffusor (11a) versehen ist und
dass die Beimischung von Abgas zur Ladeluft stromaufwärts vom
Diffusor (11a) vorgesehen ist.
8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem an eine mit Abgas
beaufschlagbare Rezirkulationsleitung (18) anschließbaren,
vorzugsweise als Ringkammer ausgebildeten Vorlageraum (29)
umfasster Leitungsabschnitt (11b) der Ladeluftleitung (11) mit
vorzugsweise als Bohrungen ausgebildeten Beimischöffnungen
(28) versehen ist.
9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass ein mit Beimischöffnungen (28) versehener
Leitungsabschnitt (11b) der Ladeluftleitung (11) von einer an eine
mit Abgas beaufshlagbare Rezirkulationsleitung (18)
anschließbaren Ringleitung umfasst ist, die über Stichleitungen
mit den Beimischöffnungen (28) verbunden ist.
10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11b) im Bereich
der Beimischöffnungen (28) eine Verengung (32) aufweist.
11. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mit
Abgas beaufschlagbaren Rezirkulationsleitung (18) eine
Regulierungseinrichtung (19) vorgesehen ist.
12. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler
(16) als mit Sprühdüsen (17) zum Einspritzen von Kühlmittel
versehener Direktkühler ausgebildet ist.
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