DE10116643C2 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1, 3, 4, 5.

Durch die Rezirkulation eines Teils des Abgases ist es möglich, den NO_x-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.

Die DE 43 12 078 C2 zeigt einen Abgasturbolader für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei zwischen der Einströmseite der Turbine und dem Abströmgehäuse des Kompressors des Abgasturboladers eine Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, die ein Steuerventil und eine Fördereinrichtung aufweist. Die Beimischeinrichtung enthält einen in die turbinenseitige Wand des Kompressorgehäuses eingeschnittenen Ringkanal, der über Bohrungen mit dem Diffusorkanal des Kompressors verbunden ist. Dies erfordert eine zweiteilige Ausbildung des Kompressorgehäuses.

Die DE 32 44 927 A1 zeigt einen aufgeladenen Zweitakt- Großdieselmotor mit Abgasrückführung, bei dem ein vom Kompressor zum Ladeluftkühler führender Abschnitt der Ladeluftleitung über eine vom Abgassammler abgehende Rezirkulationsleitung mit Abgas beaufschlagbar ist. Der Anschluss der Rezirkulationsleitung an die Ladeluftleitung ist hierbei als rechtwinkliger Anschlussstutzen ausgebildet. Dies erfordert einen sehr hohen Abgasdruck.

Die US 56 57 630 A der Anmelderin zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der zur Erhöhung des Abgasdrucks in der Rezirkulationsleitung ein vom Motor angetriebener, zweiter Kompressor vorgesehen ist. Dies erfordert einen hohen Aufwand und wirkt sich ungünstig auf die Energiebilanz aus.

Die DE 35 44 247 A1 zeigt eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, bei der die Ladeluftleitung über eine Umluftleitung mit der Abgasleitung stromaufwärts von der Turbine des Abgasturboladers verbunden ist und bei der dem Abgas Luft beigemischt werden soll, um eine Nachverbrennung im Abgassystem und damit eine Steigerung der Leistung des Abgasturboladers zu erreichen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung gattungsgemäßer 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 durch die Kennzeichen der Ansprüche 1, 3, 4, 5 gelöst.

Die Lösung gemäß Anspruch 1 ergibt in vorteilhafter Weise eine Integration der Beimischeinrichtung in das Kompressorgehäuse und ermöglicht damit auf einfache und kostengünstige Weise eine kompakte Anordnung, die ohne zusätzliche Anbauteile auskommt. Der ringförmige Vorlageraum wird hier einfach durch eine bereits beim Gießen des Kompressorgehäuses vorsehbare Rippe hergestellt. Die Lösung gemäß Anspruch 3 erfordert keine derartige Rippe und ist daher für eine nachträgliche Nachrüstung gut geeignet. In beiden Fällen ergibt sich eine Beimischung des Abgases im Bereich des Abströmgehäuses des Kompressors, also im Bereich der höchsten Geschwindigkeit der Ladeluft. Bei der Lösung gemäß Anspruch 4 oder 5 wird das Abgas im Bereich eines Abschnitts der Ladeluftleitung beigemischt. Dies ergibt eine gute Zugänglichkeit der Beimischeinrichtung. Die dort vorgesehene Verengung der Ladeluftleitung führt zu einem erwünschten Venturieffekt. In beiden Fällen kann die Beimischeinrichtung als Baugruppe komplett vorbereitet werden und in eine entsprechende Lücke der Ladeluftleitung eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den 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 NO_X-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 (8)

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 und stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16) beimischbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen einem 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.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige 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 ringförmigen Vorlageraum (24) begrenzenden Wandbereichs des Abströmgehäuses (22) ausgebildet sind.

3. 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 und stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16) beimischbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine einem Abströmgehäuse (22) des Kompressors (12) benachbarte, eine einem kompressorseitigen Ansaug­ stutzen (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 Beimisch­ öffnungen (25) versehen ist.

4. 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 und stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16) beimischbar ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem an eine mit Abgas beaufschlagbare Rezirkulationsleitung (18) anschließbaren, als Ringkammer ausgebildeten Vorlageraum (29) umfasster, mit einer Verengung (32) versehener Leitungsabschnitt (11b) einer Ladeluftleitung (11) im Bereich der Verengung (32) mit Beimischöffnungen (28) versehen ist.

5. 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 und stromaufwärts vom Ladeluftkühler (16) beimischbar ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Verengung (32) aufweisender und im Bereich der Verengung (32) mit Beimischöffnungen (28) versehener Leitungsabschnitt (11b) einer Ladeluftleitung (11) von einer an eine mit Abgas beaufschlagbare Rezirkulationsleitung (18) anschließbaren Ringleitung umfasst ist, die über Stichleitungen mit den Beimischöffnungen (28) verbunden ist.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, 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.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mit Abgas beaufschlagbaren Rezirkulationsleitung (18) eine Regulierungseinrichtung (19) vorgesehen ist.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (16) als mit Sprühdüsen (17) zum Einspritzen von Kühlmittel versehener Direktkühler ausgebildet ist.