DE102006048269B4

DE102006048269B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006048269B4
Application number: DE102006048269A
Authority: DE
Inventors: Thomas Seidl
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: FI124647B; KR20080033844A; CN101165330A; DE102006048269A1; CN101165330B; FI20070588A; KR101345827B1; FI20070588A0; JP2008095683A

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer turboaufgeladenen, mit Schweröl betriebenen Diesel-4-Takt-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ein Teilstrom entnommen, derselbe in einem Abgaskühler gekühlt und zur Schadstoffreduzierung unmittelbar in den oder die Zylinder der Brennkraftmaschine geführt wird, wobei der gekühlte Teilstrom während eines Ansaugtaktes eines jeden Zylinders eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Ansaugtaktes eines 4-Takt-Zyklus eines jeden Zylinders, in welchem ein Kolben desselben bei mindestens einem geöffneten Verbrennungsluft-Einlassventil von einem oberen Totpunkt (6) in Richtung auf einen unteren Totpunkt (1) bewegt wird, das oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventil des jeweiligen Zylinders vor Erreichen des unteren Totpunkts (7) geschlossen wird, nach dem Schließen des oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventils während des Ansaugtaktes des 4-Takt-Zyklus der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms in den jeweiligen Zylinder eingeführt wird, wobei hierzu während dieses Ansaugtakts mindestens ein, dem jeweiligen Zylinder zugeordnetes Abgaseinlassventil geöffnet wird, und zwar unmittelbar bei oder zeitlich nach Absinken des Drucks im Zylinder unterhalb des...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, insbesondere einer turboaufgeladenen, mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Praxis sind bereits turboaufgeladene Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung bekannt. So wird bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine in einer Turbine eines Abgasturboladers entspannt, wobei die Turbine des Abgasturboladers einen Verdichter antreibt, welcher der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft verdichtet. Stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers wird dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ein Teilstrom entnommen, der in die verdichtete Verbrennungsluft rückgeführt und mit derselben vermischt wird. Die Mischung von Ladeluft und Abgasteilstrom erfolgt stromaufwärts der Brennkraftmaschine und damit stromaufwärts von Zylindern derselben. Das rückgeführte Abgas wirkt als Inertgas, senkt die Spitzentemperatur der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine und reduziert so die Bildung von Schadstoffen.
Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschinen ist diese aus der Praxis bekannte Art der Abgasrückführung problematisch, da im Schweröl erhebliche Anteile an Asphalten, Asche und Schwefel enthalten sind, so dass bei der Verbrennung von Schweröl Rückstände entstehen, die sich nach Mischung des rückzuführenden Teilstroms des Abgasstroms mit der verdichteten Verbrennungsluft an den die Verbrennungsluft führenden Bauteilen ablagern können, wodurch die Funktion derselben beeinträchtigt wird. Die DE 195 41 362 C1 und die US 6,880,500 B2 zeigen bereits jeweils eine Abgasrückführung eines gekühlten Teilstroms unmittelbar im Zylinder einer Brennkraftmaschine.
Dies kann zu einer kontinuierlichen, inakzeptablen Verschlechterung des Betriebs der Brennkraftmaschine führen und aufwendige Wartungsarbeiten, insbesondere Reinigungsarbeiten, an der Brennkraftmaschine verursachen.
Die DE 195 41 362 C1 und die US 6,880,500 B2 zeigen bereits jeweils eine Abgasrückführung eines gekühlten Teilstroms unmittelbar im Zylinder einer Brennkraftmaschine.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere zum Betrieb von mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschinen geeignet ist, wird der im Sinne einer Abgasrückführung zurückzuführende Teilstrom des Abgasstroms unmittelbar bzw. direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingeleitet. Eine Vermischung des Abgases mit der verdichteten Verbrennungsluft stromaufwärts der Zylinder der Brennkraftmaschine entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, so dass die Verbrennungsluft führende Bauteile nicht verschmutzen können.
Es wird der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms während eines Ansaugtakts derart in Zylinder einer Viertakt-Brennkraftmaschine eingeführt, dass in einem Ansaugtakt eines jeden Zylinders der Brennkraftmaschine, in welchem ein Kolben desselben bei mindestens einem geöffneten Verbrennungsluft-Einlassventil von einem oberen Totpunkt in Richtung auf einen unteren Totpunkt bewegt wird, das oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventil des jeweiligen Zylinders vor Erreichen des unteren Totpunkts geschlossen wird, wobei nach dem Schließen des oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventils während des Ansaugtakts der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms in den jeweiligen Zylinder eingeführt wird, nämlich dann, wenn bedingt durch eine Expansion der Verbrennungsluft im Zylinder der Druck im Zylinder das Druckniveau in der Abgasrückführung erreicht hat oder unterhalb des Druckniveaus in der Abgasrückführung gefallen ist.
Die Rückführung des gekühlten Teilstroms des Abgasstroms in den jeweiligen Zylinder wird dann beendet, wenn der Druck im Zylinder das Druckniveau in der Abgasrückführung erreicht hat.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert, Dabei zeigt:
1: ein p-V-Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer turboaufgeladenen, mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschine, die eine Abgasrückführung aufweist. Bei einer solchen Brennkraftmaschine wird ein Abgasstrom derselben einem Turbolader zugeführt, wobei der Abgasstrom in einer Turbine des Turboladers entspannt wird. Die Turbine des Abgasturboladers treibt einen Verdichter desselben an, der die der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft bzw. Reinluft verdichtet. Bei einer Abgasrückführung wird dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers ein Teilstrom entnommen, wobei der Teilstrom in einem Abgaskühler gekühlt und zur Schadstoffreduzierung der Brennkraftmaschine rückgeführt wird. Dabei erfolgt erfindungsgemäß die Abgasrückführung des gekühlten Teilstroms des Abgasstroms unmittelbar in die Zylinder der Brennkraftmaschine.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 am Beispiel einer Viertakt-Brennkraftmaschine in größerem Detail beschrieben, wobei 1 ein sogenanntes p (Druck)-V (Volumen)-Diagramm für einen Zylinder einer Viertakt-Brennkraftmaschine zeigt. Das Arbeitsspiel eines Zylinders einer Viertakt-Brennkraftmaschine untergliedert sich in vier Takte, nämlich den sogenannten Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausstoßtakt.
Das p-V-Diagramm der 1 untergliedert sich prinzipiell in zwei Bereiche, nämlich einen sogenannten Hochdruckteil 10 und einen sogenannten Ladungswechselteil 11. Der Hochdruckteil 10 umfasst den Verdichtungstakt, der sich zwischen den Arbeitspunkten 1 und 2 erstreckt, sowie den Arbeitstakt, der sich zwischen den Arbeitspunkten 2 und 3, 3 und 3', 3' und 4 sowie 4 und 1 erstreckt. Der Ladungswechselteil 11 umfasst den Ausstoßtakt und den Ansaugtakt, wobei sich der Ausstoßtakt zwischen dem Arbeitspunkt 1 und dem Arbeitspunkt 5 und der Ansaugtakt zwischen dem Arbeitspunkt 6 und dem Arbeitspunkt 1 erstreckt.
Die erfindungsgemäße Abgasrückführung unmittelbar in die Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine während des Ansaugtakts eines jeden Zylinders der Brennkraftmaschine, wobei sich im Ansaugtakt ein Kolben des jeweiligen Zylinders bei mindestens einem geöffneten Verbrennungsluft-Einlassventil von einem oberen Totpunkt OT (Arbeitspunkt 6) in Richtung auf einen unteren Totpunkt UT (Arbeitspunkt 1) bewegt. Während des Ansaugtakts wird vor Erreichen des unteren Totpunkts UT das oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventil des jeweiligen Zylinders in einem Arbeitspunkt 7 geschlossen.
Nach dem Schließen des oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventils im Arbeitspunkt 7 bewegt sich der Kolben des jeweiligen Zylinders weiter in Richtung auf den unteren Totpunkt UT, wobei hierbei die in den Zylinder angesaugte Verbrennungsluft einer Expansion unterliegt, so dass der im Zylinder herrschende Druck ausgehend vom Druck pL der angesaugten Verbrennungsluft abnimmt.
In einem Arbeitspunkt 8 des Ansaugtakts erreicht der im Zylinder herrschende Druck das Druckniveau pA der Abgasrückführung, wobei dann, wenn der Druck im Zylinder das Druckniveau pA der Abgasrückführung erreicht hat oder unterhalb des Druckniveaus pA der Abgasrückführung gefallen ist, der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms unmittelbar bzw. direkt in den jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
Hierzu wird während des Ansaugtakts mindestens ein dem jeweiligen Zylinder zugeordnetes Abgas-Einlassventil geöffnet, und zwar entweder unmittelbar dann, wenn der im Zylinder herrschende Druck das Druckniveau pA der Abgasrückführung erreicht hat, oder zeitlich nach dem Absenken des im Zylinder herrschenden Drucks unter das Druckniveau pA der Abgasrückführung.
Die Rückführung des Abgases unmittelbar bzw. direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine wird dann beendet, wenn der Druck im jeweiligen Zylinder das Druckniveau pA der Abgasrückführung wieder erreicht hat, wobei dies entweder im Ansaugtakt vor dem Erreichen des unteren Totpunkts UT, mit Erreichen des unteren Totpunkts UT oder auch nach dem Erreichen des unteren Totpunkts UT und damit während des Verdichtungstakts erfolgen kann. Hierzu wird dann das oder jedes dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Abgas-Einlassventil geschlossen.
Da es im Bereich eines Zylinders nahezu keine örtlichen Druckunterschiede gibt, kann die Abgasrückführung unmittelbar bzw. direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine entweder im Bereich eines Zylinderkopfs oder im Bereich einer Zylinderbuchse der jeweiligen Zylinder erfolgen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung wird der vom Abgasstrom abgeleitete Teilstrom vor Einleitung desselben in den Abgaskühler einem Abgaswäscher zugeführt, um so die Gefahr von Verschmutzungen des Abgaskühlers zu reduzieren.
Obwohl die Erfindung in erster Linie zum Betrieb von mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschinen geeignet ist, kann die Erfindung auch bei Otto, Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Das Verfahren ist unabhängig von der zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffart.
Wie bereits ausgeführt, ist zur direkten bzw. unmittelbaren Einleitung des Abgases in die Zylinder der Brennkraftmaschine jedem Zylinder mindestens ein Abgas-Einlassventil zugeordnet. Die Abgas-Einlassventile können entweder mechanisch über einen Nocken oder elektrisch bzw. elektronisch angesteuert werden, um dieselben im Sinne der hier vorliegenden Erfindung zu öffnen und zu schließen.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitspunkt
2: Arbeitspunkt
3, 3': Arbeitspunkt
4: Arbeitspunkt
5: Arbeitspunkt
6: Arbeitspunkt
7: Arbeitspunkt
8: Arbeitspunkt
10: Hochdruckteil
11: Ladungswechselteil

Claims

Verfahren zum Betreiben einer turboaufgeladenen, mit Schweröl betriebenen Diesel-4-Takt-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ein Teilstrom entnommen, derselbe in einem Abgaskühler gekühlt und zur Schadstoffreduzierung unmittelbar in den oder die Zylinder der Brennkraftmaschine geführt wird, wobei der gekühlte Teilstrom während eines Ansaugtaktes eines jeden Zylinders eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Ansaugtaktes eines 4-Takt-Zyklus eines jeden Zylinders, in welchem ein Kolben desselben bei mindestens einem geöffneten Verbrennungsluft-Einlassventil von einem oberen Totpunkt (6) in Richtung auf einen unteren Totpunkt (1) bewegt wird, das oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventil des jeweiligen Zylinders vor Erreichen des unteren Totpunkts (7) geschlossen wird, nach dem Schließen des oder jedes Verbrennungsluft-Einlassventils während des Ansaugtaktes des 4-Takt-Zyklus der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms in den jeweiligen Zylinder eingeführt wird, wobei hierzu während dieses Ansaugtakts mindestens ein, dem jeweiligen Zylinder zugeordnetes Abgaseinlassventil geöffnet wird, und zwar unmittelbar bei oder zeitlich nach Absinken des Drucks im Zylinder unterhalb des Druckniveaus in der Abgasrückführung und die Rückführung des gekühlten Teilstroms in den jeweiligen Zylinder beendet wird, wenn der Druck im Zylinder das Druckniveau in der Abgasrückführung wieder erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu nach dem Erreichen des unteren Totpunkts des Ansaugtakts und damit während des Verdichtungstakts das oder jedes dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Abgas-Einlassventil geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu vor dem Erreichen oder bei Erreichen des unteren Totpunkts des Ansaugtakts das oder jedes dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Abgas-Einlassventil geschlossen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms in die Zylinder der Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinderkopfs eingeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Teilstrom des Abgasstroms in die Zylinder der Brennkraftmaschine im Bereich einer Zylinderbuchse eingeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom vor Einleitung desselben in den Abgaskühler zugeführt und in demselben gereinigt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers entnommen wird.