-
Die Erfindung betrifft einen Zweitakt-Großdieselmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 13 und 19 ein Auslassventil und einen Zylinderkopf für einen solchen Zweitakt-Großdieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 26 eine Verwendung eines solchen Verbrennungsmotors und gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 27 ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Zweitakt-Großdieselmotors.
-
Bei gattungsgemäßen Verbrennungsmotoren ist eine Brenngas-Rezirkulation bekannt, um die der Brennkammer bzw. den Brennkammern des Verbrennungsmotors zugeführte Ladeluft mit rezirkuliertem Brenngas zu beaufschlagen. Dadurch soll die Stickoxyd (NOx)-Emission reduziert werden. Die Ladeluft soll also neben reiner Spülluft aus der Umgebung, welche vorverdichtet und gegebenenfalls vorbehandelt, wie z.B. getrocknet, gefiltert oder temperiert vorliegt, auch eine Komponente an einem anderem Spülgas enthalten können, beispielsweise einem Gemisch aus Spülluft und rezirkuliertem Brenngas. Die Ladeluft kann dann neben Spülgas und/oder reiner Spülluft auch noch weitere Komponenten enthalten, beispielsweise ausgedampftes Erdgas.
-
Um das Brenngas in die Brennkammer Rückzuleiten ist es dabei beispielsweise bekannt, der Spülluft das rezirkulierte Brenngas beizumischen und die Brennkammer mit diesem Gemisch über einen oder mehrere gemeinsame Einlässe, beispielsweise Einlassschlitze zu spülen. Weiterhin bekannt ist es, das rezirkulierte Brenngas der Brennkammer einerseits und den restlichen Ladeluftanteil andererseits über separate Einlässe in die Brennkammer einzuleiten, so dass sich das die Ladeluft bildende Gemisch erst in der Brennkammer bildet. Die vorliegende Erfindung kann dabei mit allen bekannten Arten der Brenngas-Rückeinleitung in die Brennkammer kombiniert werden.
-
Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2005 057 207 A1 ist hierzu schon ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor bekannt, bei dem neben einem Auslassventil, welches die Brennkammer mit dem Auslasskanal verbindet oder trennt, ein separates, zweites Auslassventil vorgesehen ist, welches die Brennkammer mit der Rezirkulationsleitung verbindet oder davon trennt. Dieser Aufbau ist relativ aufwendig.
-
Weiterhin ist aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP H06- 241 127 A ein Viertaktmotor bekannt, bei dem im dem Auslassventil nachgeordneten Auslasskanal eine Rezirkulationsleitung abzweigt, welche über ein separates Ventil geöffnet und geschlossen wird, wobei dieses Ventil gleichzeitig als Drosselklappe für den Auslasskanal ausgebildet ist und somit bei Öffnung der Rezirkulationsleitung die Durchströmung durch den Auslasskanal drosselt. Die Rezirkulationsventil-Auslassleitungsdrosselklappe bleibt dabei während des gesamten Spülhubs in der den Auslasskanal drosselnden und die Rezirkulationsleitung öffnenden Stellung.
-
Ferner ist aus der
DE 10 2008 058 612 A1 ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem eine Rezirkulationsleitung erst in dem dem Auslassventil strömungsmäßig nachgeordneten Auslasskanal abzweigt, welche auch hier mit einem separaten Ventil geöffnet und geschlossen wird. In einer Ausführungsform ist im Auslasskanal in einem dem der Rezirkulationsleitung vorgeschalteten Ventil nachgeordneten Bereich eine Drosseleinrichtung vorgesehen, welche eine auslenkbare Klappe aufweist. Die Klappe wird von einem Druckstoß geöffnet, welcher sich beim Öffnen des Hauptauslassventils ergibt und über eine Vorspannfeder geschlossen, wenn der Druck weit genug absinkt. Auch diese Lösung ist hinsichtlich der Taktung des Auslassventils, der Drosseleinrichtung und des der Rezirkulationsleitung vorgeschalteten Ventils und vom gesamten Aufbau her relativ aufwendig, auch bezüglich der Einstellung der Vorspannkraft der Feder, über welche die Drosseleinrichtung geschlossen wird.
-
Die internationale Patentanmeldung
WO 99/ 35 391 A1 offenbart einen Viertakt-Dieselmotor mit Brenngasrückführung, bei dem der Auslasskanal vollständig geschlossen wird, wenn Brenngas für die Rückführung entnommen werden soll.
-
Die US-Patentschrift
US 3 579 981 A offenbart ebenfalls Viertaktmotoren mit Brenngasrückführung, wobei die Einströmung des Abgases in den Auslasskanal gedrosselt wird, solange das Auslassventil vollständig geöffnet ist, so dass in dieser Phase das Abgas in ein zusätzliches, zur Brenngasrückführung führendes Rohr strömen soll.
-
Schließlich zeigt die europäische Patentanmeldung
EP 2 151 569 A1 einen Verbrennungsmotor, bei dem im dem Auslassventil strömungsmäßig nachgeordneten Auslasskanal eine Rezirkulationsleitung abzweigt, welche über eine am Ventilschaft des Auslassventils vorgesehene, zweite Ventilanordnung und eine zugeordnete Ventilaufnahme in dem Auslasskanal geöffnet oder geschlossen werden kann. Beispielsweise ist dazu eine am Ventilschaft des Auslasskanals vorgesehene Hülse mit umfangsseitigen Schlitzen vorgesehen. Die feststehend in dem Auslasskanal angeordnete Ventilaufnahme weist ebenfalls eine den Abzweig zur Rezirkulationsleitung überdeckende Hülse mit Schlitzen auf. Dadurch, dass das Auslassventil und damit der Ventilschaft über einen Verdrehmechanismus ständig verdreht werden, um ein ungleichmäßiges Einlaufen der Ventilsitze zu vermindern, kann der Abzweig in die Rezirkulationsleitung geöffnet und geschlossen werden. Auch wenn hier kein zweites, separates Ventil zum Öffnen und Schließen der Rezirkulationsleitung nötig ist, so erscheint doch die Taktung der durch den Verdrehmechanismus bestimmten Öffnungsfrequenz und -phase auf den Motorarbeitszyklus und die für die Rezirkulationsphase geeignete Phase während des Motorzyklus schwierig.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zweitakt-Großdieselmotor, ein Auslassventil sowie einen Zylinderkopf dafür, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Motors zu schaffen, mit denen ein möglichst wenig mit Frischluft vermischtes Brenngas auf einem hohen Druckniveau zur Rezirkulation oder für andere Zwecke abgezapft werden kann. Ferner soll eine innovative Verwendung und ein Herstellungsverfahren für den gefundenen Zweitakt-Großdieselmotor angegeben werden.
-
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Zweitakt-Großdieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich des Auslassventils mit den Merkmalen des Anspruchs 13, hinsichtlich des Zylinderkopfs mit den Merkmalen des Anspruchs 19, hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 20, hinsichtlich der Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 26, und hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb des Zweitakt-Großdieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 27.
-
Erfindungsgemäß ist dazu eine an dem Auslassventil befestigte oder einstückig mit dem Auslassventil ausgebildete Drosseleinrichtung vorgesehen, welche in einem von der geschlossenen Stellung des Auslassventils bis zu einem gewünschten Öffnungsgrad reichenden Brenngasabzapföffnungsbereich des Auslassventils das Einströmen von Brenngas in den Auslasskanal zwar nicht verhindert, aber stärker drosselt als in einem von einem größeren Öffnungsgrad als dem gewünschten Öffnungsgrad bis zur geöffneten Stellung reichenden Abgasabfuhröffnungsbereich des Auslassventils, in dem die Drosseleinrichtung das Einströmen von Brenngas in den Auslasskanal gar nicht oder zumindest weniger stark drosselt als in dem Brenngasabzapföffnungsbereich des Auslassventils. Die Drosseleinrichtung und ein auslassseitiger bzw. in der Nähe des über das Auslassventil gesteuerten Brennkammerauslasses befindlicher Abzweig des Brenngasabzapfkanals sind dabei zueinander so angeordnet, dass die Drosseleinrichtung in dem Brenngasabzapföffnungsbereich das Einströmen von Brenngas in den Brenngasabzapfkanal gar nicht oder zumindest nicht wesentlich drosselt.
-
In dem Brenngasabzapföffnungsbereich gibt das Auslassventil einen relativ schmalen Ringspalt frei und blockiert mit seiner Drosselanordnung die letztlich in die Umgebung führende Auslassleitung oder verengt sie zumindest im Durchmesser bzw. Strömungsquerschnitt. Der Brenngasabzapfkanal ist dagegen freigegeben. Dadurch wird der zu Beginn des Öffnungsvorgangs des Auslassventils noch sehr hohe Druck des Brenngases in der Brennkammer zunächst in eine mit hoher Geschwindigkeit und damit mit einem hohen dynamischen Druck durch den Ringspalt am Auslassventil tretende Strömung umgewandelt. Diese Strömung wird dann wiederum durch die den Auslasskanal verschließende oder zumindest strömungsquerschnittsreduzierende bzw. drosselnde Drosseleinrichtung in einen Staudruck umgewandelt, so dass das Brenngas mit hohem Druck in den gleichzeitig nicht von der Drosseleinrichtung blockierten oder zumindest nur unwesentlich behinderten Brenngasabzapfkanal strömt.
-
Gleichzeitig befindet sich im Zeitraum des initialen Brenngasabzapföffnungsbereichs des Auslassventils (beim Öffnen des Auslassventils) reines oder zumindest weitgehend von Spülluft freies Brenngas in der Brennkammer, und nicht ein Gemisch aus Brenngas und Ladeluft, wie es im Zeitraum des Abgasabfuhröffnungbereichs des Auslassventils vorliegen kann. Dabei kommt es auf die initiale Öffnungsperiode des Auslassventils besonders an und nicht so sehr auf die Phase am Ende des Schließvorgangs, da nur während des Kolbenhubs nach unten der Druck des Brenngases überhaupt hoch genug ist, um das Brenngas im Falle einer Rezirkulation des abgezapften Brenngases zur Brennkammereinlassseite ohne zwischengeschaltete Pumpe zum Ladelufteinlass zurückzuführen.
-
In Abhängigkeit von der Taktung des Auslassventils gelangt somit nur vollständig oder doch zumindest relativ reines Brenngas in den Brenngasabzapfkanal, welcher im Falle der Abzapfung des Brenngases für eine Brenngasrezirkulation in die Brennkammer die Rezirkulationsleitung sein kann.Das während des Zeitraums des Abgasabfuhröffnungsbereichs des Auslassventils (bei einem größeren Öffnungsgrad des Auslassventils) vorliegende Brenngas-Ladeluft-Gemisch wird dagegen vollständig oder zumindest zum größten Teil in den dann ungedrosselten oder zumindest nur schwächer gedrosselten Auslasskanal abgeführt und gelangt gar nicht oder nur zu einem geringen Teil in den Brenngasabzapfkanal bzw., im Falle der Brenngasrezirkulation, in die Rezirkulationsleitung.
-
Besonders vorteilhaft im Sinne einer technisch einfachen, weil immer synchron zum Auslassventil erfolgenden Taktung der Brenngasabzapfung für die Rezirkulation des Brenngases auf die Einlassseite der Brennkammer oder für andere Zwecke und auch im Sinne eines einfachen Aufbaus und einer leichten Umrüstbarkeit bestehender Motoren und Motorenkonzepte ist es dabei, dass die Drosseleinrichtung einstückig mit dem Auslassventil oder zumindest am Auslassventil montiert bzw. befestigt ausgebildet ist. Auch kann der gewünschte Öffnungsgrad des Auslassventils, bis zu dem der Brenngasabzapföffnungsbereich reichen soll, durch die Formgebung des Auslassventils bzw. der daran angeformten oder daran befestigten Drosseleinrichtung beeinflusst werden und ist nicht an den beim Öffnen des Auslassventils auftretenden Druckstoß gebunden.
-
Hat man ein erfindungsgemäß ausgebildetes Auslassventil, so reicht es bei bestehenden Motoren in vielen Fällen aus, lediglich das Auslassventil bzw. die Auslassventile auszutauschen, um Brenngas gemäß der Erfindung abzapfen zu können. Falls im am Motor verbauten Zylinderkopf kein Brenngasabzapfkanal vorhanden ist, kann der Austausch des gesamten vorhandenen Zylinderkopfs durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Zylinderkopf vorteilhaft sein. Insbesondere in diesen Fällen, in denen ein bestehender Verbrennungsmotor auf Brenngasabzapfung oder Brenngasrezirkulation umgerüstet werden soll, ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren vorteilhaft.
-
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Abzapfen von Brenngas an einem laufenden Zweitakt-Großdieselmotor, und insbesondere zu Zwecken der Brenngasrezirkulation vorgesehen, wobei der Zweitakt-Großdieselmotor wenigstens eine durch einen Zylinder und einen mit einer Kurbelwelle zusammenwirkenden Kolben begrenzten Brennkammer aufweist, die zumindest einen jeweils zwischen einem Ventilteller eines Auslassventils und einem zugeordneten Tellersitz gebildeten Brenngas-Auslass und zumindest einen Ladeluft-Einlass hat. Der Brenngas-Auslass ist dabei mit zumindest einem Auslasskanal und mit zumindest einem Brenngasabzapfkanal verbunden, beispielsweise um einen Teil eines bei der Verbrennung entstehenden Brenngases zum Ladeluft-Einlass zurückzuführen. Dabei wird das Auslassventil zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung betätigt, wobei in dem Brenngasabzapföffnungsbereich des Auslassventils ein Einströmen von Brenngas in den Auslasskanal über eine an dem Auslassventil befestigte oder einstückig mit dem Auslassventil ausgeformte Drosseleinrichtung zwar nicht verhindert aber zumindest stärker gedrosselt wird als in einem von einem größeren Öffnungsgrad bis zur geöffneten Stellung reichenden Abgasabfuhröffnungsbereich des Auslassventils. In dem Brenngasabzapföffnungsbereich wird das Einströmen von Brenngas in den Brenngasabzapfkanal durch die Drosseleinrichtung dagegen gar nicht oder zumindest nicht wesentlich gedrosselt.
-
Die erfindungsgemäß an dem Auslassventil befestigte oder einstückig mit dem Auslassventil ausgeformte Drosseleinrichtung hat dabei insbesondere bei einem Zweitaktmotor mit Brenngasrezirkulation Vorteile. So können Arbeitsverluste dadurch vermieden werden, dass das Auslassventil später öffnen kann als bei gängigen Zweitaktmotoren mit Brenngasrezirkulation, bei denen meist schon relativ weit vor Überfahren der Einlassluftschlitze das Auslassventil (oder das separate Rezirkulationsauslassventil) geöffnet werden muss, um ein Vermischen des zurückzuführenden Brenngases mit der neu einströmenden Ladeluft zu verhindern. Um ein Einströmen von Brenngas in den Brenngasabzapfkanal zuzulassen ist es gemäß der Erfindung nicht nötig, das Auslassventil zu öffnen, bevor eine Kolbenposition im Abwärtshub erreicht ist, welche max. 40° Kurbelwellenwinkel oberhalb derjenigen Kolbenposition ist, an der die Öffnung des Einlasses bzw. der Einlässe (Einlassluftschlitze) einsetzt. In manchen Fällen kann dabei auch ein späteres Öffnen des Auslassventils vorteilhaft sein, jedoch in jedem Fall vor einem Einsetzen der Spülung der Brennkammer über den Einlass bzw. die Einlässe (Einlassluftschlitze). Auch der hohe Druck des Rezirkulationsgases ist hier besonders wichtig, weil auch der Ladeluftdruck relativ hoch sein muss. Ist der Rezirkulationsdruck hoch genug, kann auf eine Pumpe verzichtet werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein in dem Brenngasabzapfkanal vorgesehenes Rückschlagventil das Einströmen von bei im Abgasabfuhröffnungsbereich befindlichem Auslassventil in den ungedrosselten Auslasskanal strömenden Brenngas-Ladeluft-Gemisch verhindert, indem der auf der Brenngasabzapfseite herrschende, höhere Druck das Rückschlagventil gegen das anströmende Brenngas-Ladeluft-Gemisch geschlossen hält. Das Rückschlagventil in dem Brenngasabzapfkanal kann dabei insbesondere bei einem nockenwellenbetätigtem Auslassventil auch ein aktiv gesteuertes Rückschlagventil sein, um die abgezapfte Brenngasmenge besser steuern zu können. Bei einem elektronisch gesteuerten und nicht über die Nockenwelle, sondern über einen eigenen Antrieb betätigten Auslassventil können die Steuerzeiten des Auslassventils entsprechend eingestellt werden, um die abgezapfte Brenngasmenge zu steuern.
-
Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Maßnahmen kann die Drosseleinrichtung auch so ausgebildet sein bzw. die Drosseleinrichtung und der auslassseitige Abzweig der Rezirkulationsleitung zueinander so angeordnet sein, dass die Drosseleinrichtung in dem Abgasabfuhröffnungsbereich des Auslassventils das Einströmen von Brenngas in den Brenngasabzapfkanal verhindert oder zumindest drosselt, wodurch derselbe Effekt erzielt wird, nämlich ein Einströmen des im Zeitraum des Abgasabfuhröffnungsbereichs vorliegenden Brenngas-Ladeluft-Gemischs in den Brenngasabzapfkanal zu verhindern.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Drosseleinrichtung einen von einem Ventilschaft des Auslassventils in Radialrichtung vorspringenden, vorzugsweise umlaufenden Drosselvorsprung auf, wobei der Drosselvorsprung in einem Bereich des Ventilschafts vorgesehen ist, der sich bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffneten Auslassventil in einem dem auslassseitigen Abzweig des Brenngasabzapfkanals strömungsmäßig nachgeordneten Bereich des Auslasskanals befindet. Während sich das Auslassventil in dem Brenngasabzapföffnungsbereich befindet wird somit die Durchströmung des Auslasskanals gedrosselt und aufgrund des an dem Drosselvorsprung entstehenden Staudrucks in den Brenngasabzapfkanal gepumpt bzw. umgeleitet.
-
Insbesondere wenn dabei der Drosselvorsprung nach Art eines beweglichen Kolbens in einem als Auslasszylinder gestalteten Abschnitt des Auslasskanals an dem Innenumfang des Auslasskanals zumindest lose anliegt gelangt das Brenngas bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil ohne große Mengen- oder Druckverluste in den Brenngasabzapfkanal. Auf eine zusätzliche Pumpe in der zur Einlassseite zurückführenden Rezirkulationsleitung, welche im Falle eines zu Rezirkulationszwecken abgezapften Brenngases als Brenngasabzapfkanal dient, kann damit verzichtet werden. Ist der Auslasszylinder in dem dem auslassseitigen Abzweig des Brenngasabzapfkanals strömungsmäßig nachgeordneten Bereich, in dem sich der Drosselvorsprung bei im Brenngasabzapföffnungsbereich befindlichen Auslassventil befindet, kreiszylindrisch ausgebildet, so kann der bei gattungsgemäßen Zweitakt-Großdieselmotoren üblicherweise vorgesehene Ventildrehmechanismus, der oft mit Umschaftpropellergestaltung die intermittierende Drehungsbewegung des Ventils sichert, auf gewohnte Art beibehalten werden.
-
Bei der vorstehend genannten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Brenngasabzapfkanal vom Brenngasauslass beabstandet im Auslasskanal abzweigen. Der Drosselvorsprung kann dabei in einem Bereich des Ventilschafts vorgesehen sein, der sich bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil in etwa auf Höhe des Abzweigs des Brenngasabzapfkanals in dem Auslasskanal befindet. Der Auslasskanal kann dann im Bereich des Abzweigs des Brenngasabzapfkanals eine insbesondere kreisringförmige Durchmesseraufweitung aufweisen, so dass das in den Auslasskanal einströmende Brenngas den Drosselvorsprung in seiner auf Höhe des Abzweigs des Brenngasabzapfkanals befindlichen Stellung bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil umströmen kann. Dabei ist die Durchmesseraufweitung vorzugsweise so groß, dass das Einströmen von Brenngas in den Auslasskanal bevorzugt gar nicht gedrosselt wird, zumindest aber so groß, dass das Einströmen von Brenngas weniger stark gedrosselt wird als bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil bzw. bei in dem Abzweig des Brenngasabzapfkanals strömungsmäßig nachgeordneten Bereich befindlichem Drosselvorsprung.
-
Andererseits wäre es ebenfalls denkbar, den Drosselvorsprung im nahe des Ventiltellers befindlichen Bereich des Ventilschafts anzuordnen, der sich bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil in der Brennkammer befindet, so dass dann eine Einströmung in den Auslasskanal durch den zwischen dem Drosselvorsprung und dem Tellersitz gebildeten Ringkanal möglich ist. In diesem Fall ist der Abzweig der Rezirkulationsleitung bevorzugt am Tellersitz selbst oder in einem unmittelbar an den Tellersitz anschließenden Bereich des Auslasskanals angeordnet.Ein allzugroßer Hub des Auslassventils ist dann nicht nötig, um gleichzeitig bei in der Brennkammer befindlichem Drosselvorsprung einen für die Abfuhr des Brenngas-Luft-Gemischs genügend großen Öffnungsgrad des Auslassventils zu gewährleisten und bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil den Drosselvorsprung in dem dem Abzweig des Brenngasabzapfkanals strömungsmäßig nachgeordneten Bereich des Auslasskanals verschieben zu können.
-
Es versteht sich, dass der Drosselvorsprung zumindest bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffneten Auslassventil umströmt und bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil die Strömung in den Brenngasabzapfkanal umleiten soll. Vorteilhaft weist der Drosselvorsprung daher keine für die Strömungsverhältnisse ungünstigen Kanten auf, sondern - zumindest auf seiner Vorderseite, also auf der Seite, mit der er im Brenngasabzapföffnungsbereich dem Abzweig der Rezirkulationsleitung zugewandt ist - eine hyperbelförmig gekrümmte Oberfläche, um bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil die in den Bereich des Auslasskanals vor dem Drosselvorsprung einströmenden Brenngase in den seitlich von diesem Bereich des Auslasskanals abzweigenden Brenngasabzapfkanal umzuleiten.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Auslasskanal einen dem Brenngasauslass strömungsmäßig nachgeordneten Auslasszylinder auf, an dessen Außenumfang zumindest eine Auslassleitung und zumindest ein Brenngasabzapfkanal abzweigt. Dabei ist die Abzweigung der Auslassleitung stromab der Abzweigung des Brenngasabzapfkanals vorgesehen. Die Drosseleinrichtung kann dabei ferner einen in dem Auslasszylinder überwiegend axial gleitbeweglich aufgenommenen Schieber aufweisen, welcher so ausgeformt und mit dem Auslassventil verbunden ist, dass er bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil die Abzweigung der Auslassleitung zumindest abschnittsweise abdeckt und bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffneten Auslassventil die Abzweigung des Brenngasabzapfkanals.
-
Vorteilhaft dabei ist zum einen, dass nicht nur die Einströmung in die Auslassleitung bei im Brenngasabzapföffnungsbereich befindlichem Auslassventil ver- oder zumindest behindert wird, sondern auch die Einströmung von Brenngas-Luft-Gemisch in den Brenngasabzapfkanal bzw. die Rückströmung von dort gesammeltem Brenngas in den Auslasszylinder bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil.
-
Wie schon zuvor erwähnt muss der Schieber dabei nicht unbedingt vollständig dicht an dem Innenumfang des Auslasszylinders arbeiten. Es macht nichts, wenn zwischen Schieber und Auslasszylinderwand etwas Gas durchleckt, solange die wesentliche Wirkung des Schiebers als Drossel im Auslasskanal bei im Brenngasabzapföffnungsbereich befindlichem Auslassventil und vorteilhaft als Drossel am Abzweig des Brenngasabzapfkanals bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil erfüllt ist.
-
Im Sinne der schon vorstehend erwähnten Funktionsfähigkeit des üblicherweise vorgesehenen Ventildrehmechanismus ist es dabei vorteilhaft, wenn der Schieber als kreiszylindrische Schiebehülse ausgebildet ist und der Auslasszylinder ebenfalls kreiszylindrisch ist. Es sei jedoch angemerkt, dass bei Auslassventilen ohne einen solchen Ventildrehmechanismus auch ganz andere Geometrien denkbar wären.
-
Der Schieber bzw. die Schiebehülse kann dabei beispielsweise über Radialstreben mit dem Ventilschaft des Auslassventils verbunden sein. Es wäre jedoch ebenfalls denkbar, die Schiebehülse als von der der Brennkammer abgewandten Seite des Ventiltellers ausgehenden Tubus zu gestalten, welcher im Bereich nahe des Ventiltellers mit Durchtrittsöffnungen für die Strömung versehen ist.
-
Bevorzugt können dabei mehrere von dem Auslasszylinder abzweigende Auslassleitungen bzw. eine Auslassleitung mit mehreren, über den Umfang des Auslasszylinders verteilten Abzweigungen vorgesehen sein, um die Einströmung des Brenngas-Ladeluft-Gemischs bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil zu befördern. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Auslassleitung sich auch ringförmig um den Auslasszylinder herum erstrecken und sich ringförmig zum Auslasszylinder hin öffnen bzw. eine sich ringförmig zum Auslasszylinder hin öffnende Abzweigung aufweisen.
-
Ebenso wie bei der Weiterbildung mit einem Drosselvorsprung, welcher sich bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil im Auslasskanal befindet, wobei dort dann eine Durchmessererweiterung vorgesehen ist, um eine Umströmung des Drosselvorsprungs zu ermöglichen, kann bei der vorteilhaften Weiterbildung mit der per Schieber bzw. Schiebehülse drossel- bzw. verschliessbaren Auslassleitung/Brenngasabzapfleitung die Drosseleinrichtung, nämlich der Drosselvorsprung bzw. der Schieber oder die Schieberhülse relativ weit von der Brennkammer entfernt im Auslasskanal angeordnet sein. Die Drosseleinrichtung ist dann keiner hohen thermischen Belastung ausgesetzt und kann daher relativ billig ausgebildet sein, im Fall des Drosselvorsprungs beispielsweise hohl. Auch die Abzweigung des Brenngasabzapfkanals befindet sich in diesem Fall relativ weit von der Brennkammer entfernt, so dass kein thermisch hoch belasteter, dünner Materialsteg zwischen dem Abzweig des Brenngasabzapfkanals und der Brennkammer-Innenwand existiert.
-
Andererseits muss dabei eine bestimmte Baugröße für den Auslasszylinder vorgesehen sein, innerhalb dem der Abzweig des Brenngasabzapfkanals und der Verschiebebereich der Drosseleinrichtung untergebracht sind. Daher kann auch die Weiterbildung mit einem im Abgasabfuhrbereich in der Brennkammer befindlichen Drosselvorsprung und einem in der Nähe des Brennkammer-Auslasses bzw. Tellersitzes abzweigenden Brenngasabzapfkanal vorteilhaft sein. Außerdem kann damit eine direktere und damit verlustfreiere Einströmung des Brenngases in den Brenngasabzapfkanal erreicht werden.
-
Noch weiter in diese Richtung geht eine dritte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Auslasskanal zwar ebenfalls einen dem Brenngas-Auslass strömungsmäßig nachgeordneten, vorzugsweise kreiszylindrischen Auslasszylinder ausweist, welcher jedoch viel kürzer sein kann, als bei den zuvor besprochenen Weiterbildungen mit einem solchen Auslasszylinder. Denn der Auslasszylinder muss hier lediglich eine auf der der Brennkammer abgewandten Seite des Ventiltellers in Axialrichtung des Ventilschafts vorspringende Stufe in Form des Querschnitts des Auslasszylinders aufnehmen, sofern das Auslassventil geschlossen oder im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnet ist, so dass dann der Auslasskanal verschlossen oder zumindest die Einströmung in den Auslasskanal gedrosselt ist. Der Brenngasabzapfkanal zweigt dabei in einem radial außerhalb der Stufe gelegenen Abzweigungsbereich ab (also im Bereich des Tellersitzes des Ventiltellers), welcher bei geschlossenem Auslassventil von der der Brennkammer abgewandten Seite des Ventiltellers bedeckt ist. Der Brenngasabzapfkanal ist somit von der Brennkammer getrennt, wenn das Auslassventil geschlossen ist.
-
Vorzugsweise befindet sich der Abzweigungsbereich jedoch im radial außen an die Stufe angrenzenden Bereich oder zumindest in der Nähe des Außenumfangs der Stufe, so dass der Tellersitz, an dem die der Brennkammer abgewandten Seite des Ventiltellers bei geschlossenem Auslassventil aufsitzt, sich radial weiter nach außen erstreckt als der Abzweigungsbereich und somit ein zuverlässiges Verschließen des Brennkammer-Auslasses bei geschlossenem Auslassventil gewährleistet ist.
-
Vorteilhaft an dieser Weiterausbildung ist insbesondere, dass der bauliche Aufwand für die Drosseleinrichtung besonders gering ist. Lediglich die Rückseite des Ventiltellers muss durch die Stufe etwas verlängert werden und, falls eine Anlage der Stufe am Außenumfang des Auslasszylinders vorgesehen ist, die Innenumfangsoberfläche des Auslasszylinders entsprechend fein bearbeitet und gut fluchtend zur Ventilschaftachse ausgeführt sein. Auch die Vor- bzw. Nebenordnung des Einlaufs bzw. des Abzweigs der Rezirkulationsleitung gegenüber dem Abzweig bzw. des Einlaufs des Auslasskanals, wobei sich der Abzweig des Brenngasabzapfkanals direkt zur Brennkammer hin öffnet, erweist sich unter dem Gesichtspunkt einer optimierten Brenngaseinströmung in den Brenngasabzapfkanal als vorteilhaft. Andererseits tritt im Bereich des Abzweigs des Brenngasabzapfkanals hier eine hohe Wärmebelastung auf, insbesondere in einem dünnen Materialsteg der Brennkammerwand zwischen der Brennkammer und dem Brenngasabzapfkanal. Um hier eine ausreichende Kühlung sicher zu stellen, ist daher im Bereich des Brenngas-Auslasses eine im Material der Brennkammerwand, insbesondere im Material zwischen dem Tellersitz und dem Brenngasabzapfkanal vorgesehene Kühlmittelleitung vorteilhaft.
-
Weitet sich der Brenngasabzapfkanal dabei ringförmig zur Brennkammer hin auf bzw. zweigt er über einen sich ringförmig zu dem Auslasszylinder hin öffnenden Abzweig vom Brenngas-Auslass ab, so ist die Kühlmittelleitung bevorzugt zumindest abschnittsweise umlaufend. Der ringförmig sich öffnende Abzweig ist dabei zum Sammeln des in den Brenngasabzapfkanal zu befördernden Brenngases vorteilhaft, wozu sich der Abzweig bevorzugt wulstartig in das Material der Brennkammerwand hinein öffnen kann.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaubild eines Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Teilschnittansicht des Brennkammerauslasses des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors bei geschlossenem Auslassventil;
- 3 eine der 2 entsprechende Ansicht bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffneten Auslassventil;
- 4 eine skizzierte Ansicht des Bereichs des Brennkammer-Auslasses gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil;
- 5 eine der 4 entsprechende Ansicht bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffneten Auslassventil;
- 6 eine schematisierte Ansicht, welche den Bereich des Brennkammer-Auslasses bei geschlossenem Auslassventil an einem nicht von der Erfindung erfassten Zylinderkopf eines nicht von der Erfindung erfassten Verbrennungsmotor zu Erläuterungszwecken zeigt;
- 7 eine der 6 entsprechende Ansicht bei im Brenngasabzapföffnungsbereich geöffnetem Auslassventil;
- 8 eine den 6 und 7 entsprechende Ansicht bei im Abgasabfuhröffnungsbereich geöffnetem Auslassventil;
- 9 eine schematisierte Ansicht eines gegenüber der in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsform geringfügig abgewandelten Brennkammerauslassbereichs;
- 10 ein Diagramm mit über dem Kurbelwinkel aufgetragenen Druckverläufen; und
- 11 ein Diagramm mit über dem Kurbelwinkel aufgetragenen Strömungsquerschnitten.
-
Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind Zweitakt-Großdieselmotoren, wie sie beispielsweise als Schiffsantriebe Verwendung finden. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Anordnungen sind an sich bekannt. Häufig soll dabei ein Teil des Abgases zur Reduzierung des NOx -Ausstoßes in den Arbeitsraum 2 zurückgeführt, d.h. rezirkuliert werden. Bei diesem sog. Rezirkulationsgas soll es sich zur Vereinfachung der Steuerung und Gewährleistung einer exakten Dosierung um möglichst reines Brenngas, d.h. nicht durch Spülgas verdünntes Abgas handeln.
-
Der 1 ist beispielhaft ein Verbrennungsmotor mit Brenngas-Rezirkulation zu entnehmen, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weitergebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den in 1 rein beispielhaft dargestellten Aufbau der Rezirkulationseinrichtung beschränkt. Auch können unterschiedliche, gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltete Auslassventile und Zylinderköpfe eingesetzt werden, wie aus den weiteren 2 bis 9 beispielhaft hervorgeht.
-
Die Erfindung ist ferner auch nicht auf Motoren mit Brenngas-Rezirkulation beschränkt, sondern kann auch eingesetzt werden, um Brenngas für andere Zwecke abzuzapfen. Wenn daher im folgenden von einem „Rezirkulationsöffnungsbereich“ des Auslassventils die Rede ist, so ist damit zwar der „Brenngasabzapföffnungsbereich“ bei einem Verbrennungsmotor mit Brenngasrezirkulation gemeint und die Angabe „Rezirkulationsleitung“ ersetzt die allgemeinere Angabe „Brenngasabzapfkanal“. Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch ebenso eingesetzt werden, wenn das Brenngas zu anderen Zwecken als zur Brenngasrezirkulation abgezapft, bzw. entnommen werden soll.
-
In der 1 ist ein Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors angedeutet, der mehrere in Reihe angeordnete Zylinder haben kann. Jeder Zylinder 1 enthält eine Brennkammer 2, die nach unten durch einen in nicht näher dargestellter Weise über eine Kolbenstange, einen Kreuzkopf und eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle zusammenwirkenden, auf- und abbewegbaren Kolben 3 begrenzt wird. Im unteren Bereich des Zylinders 1 sind Lufteinlassschlitze 4 vorgesehen, die vom Kolben 3 überfahren und auf diese Weise auf- und abgesteuert werden. Die Lufteinlassschlitze 4 jedes Zylinders 1 kommunizieren mit einem zugeordneten Versorgungskanal 5, der an ein über alle Zylinder durchgehendes, mit Ladeluft beaufschlagbares Verteilerrohr 6 angeschlossen ist. Die Einlassschlitze 4 fungieren dementsprechend als Lufteinlässe, über welche die Brennkammer 2 mit Verbrennungsluft beaufschlagbar ist.
-
Im Bereich des die Brennkammer 2 nach oben begrenzenden Zylinderdeckels ist ein Auslassventil 9 vorgesehen, über welches ein Brenngasauslass 20 geöffnet und geschlossen werden kann. Dort kann ferner eine nicht näher dargestellte Brennstoffeinspritzeinrichtung vorgesehen sein.
-
Der Brenngasauslass 20 ist mit einem Auslasskanal 11 verbunden. Die Auslasskanäle 11 aller Zylinder sind normalerweise an ein gemeinsames Abgassammelrohr 12 für alle Zylinder angeschlossen. Von diesem geht eine Abgasleitung 13 ab, welche die Turbine 14 eines Abgasturboladers 14, 15 mit Abgas versorgt. Die Turbine 14 treibt einen Kompressor 15 an, der über eine Spülluftleitung 16 verdichtete Spülluft in das Ladeluftverteilerrohr 6 einspeist. In der Spülluftleitung 16 kann ein Spülluftkühler 17 angeordnet sein.
-
Das die Turbine 14 verlassende Abgas wird in die Umgebung ausgestoßen. Um den NOx-Gehalt dieses Abgases möglichst gering zu halten, wird ein Teil des bei der Verbrennung in den Brennkammern 2 entstehenden Gases direkt oder indirekt wieder zu den Brennkammern 2 zurückgeführt (rezirkuliert). Hierzu ist eine Rezirkulationsleitung 18 vorgesehen, die im Bereich des Brenngasauslasses 20 abzweigt und in einen über alle Zylinder 1 durchgehenden Rezirkulationsgas-Sammelraum 19 mündet, welcher wiederum über ein optionales Behandlungsaggregat 21 zur Kühlung und/oder Reinigung und/oder Filterung des entnommenen Rezirkulationsgases mit einem Leitungsabschnitt der Rezirkulationsleitung 18 an dem Ladeluftverteilerrohr 6 angeschlossen ist. Die Rezirkulationsleitung 18 ist letztlich also mit den als Ladeluft-Einlässe fungierenden Einlassschlitzen 4 verbunden.
-
Bei der der 1 zugrunde liegenden Anordnung wird das Rezirkulationsgas der Spülluft bzw. dem Spülgas beigemischt und den Brennkammern 2 als Ladeluft, d.h. indirekt zugeführt. Hierzu mündet die Rezirkulationsleitung 18 in das Ladeluftverteilerrohr 6. Die Einmündung der Rezirkulationsleitung 18 könnte auch dem Kühler 17 vorgeordnet sein, wie in 1 durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. In einem derartigen Fall könnte eine eigene Kühlung des Rezirkulationsgases entfallen.
-
Der Druck des aus den Brennkammern 2 entnommenen und in die Rezirkulationsleitung 18 hineingespeisten Rezirkulationsgases ist höher als der Spülluftdruck in der Spülluftleitung 16, so dass eine selbsttätige Strömung vorliegt und ein zusätzliches Aggregat zur Druckerhöhung in der Rezirkulationsleitung 18 nicht erforderlich ist. Um im Falle kurzzeitiger Druckspitzen in der Ladeluft einen Rückschlag in die Rezirkulationsleitung 18 zuverlässig zu verhindern, kann beispielsweise im Bereich zwischen dem Ladeluftverteilerrohr 6 und dem Rezirkulationsgas-Sammelraum 19 jeweils ein Rückschlagventil in der Rezirkulationsleitung 18 vorgesehen sein, das zur Brennkammer-Einlassseite hin öffnet.
-
Ferner kann beispielsweise im Bereich zwischen dem Rezirkulationsgas-Sammelraum 19 und der jeweiligen Brennkammer 2 jeweils ein Rückschlagventil 23 in der Rezirkulationsleitung 18 vorgesehen sein, das zur Brennkammer-Einlassseite hin öffnet. Dadurch kann gleichzeitig sichergestellt werden, dass nur dann Brenngas durch die Rezirkulationsleitung 18 strömen kann, wenn der Druck auf Seiten des Brenngas-Auslasses 20 höher ist als auf Seiten des Rezirkulationsgas-Sammelraums 19 und dass kein dort als Rezirkulationsgas gesammeltes Brenngas zurückströmt, wenn der Druck auf Seiten des Brenngas-Auslasses 20 niedriger ist als auf Seiten des Rezirkulationsgas-Sammelraums 19.
-
Wie bereits angesprochen ist der Druck des aus den Brennkammern 2 entnommenen und rezirkulierten Brenngases höher als der Ladeluftdruck, so dass ein zusätzliches Aggregat, wie z.B. eine Pumpe oder ein Kompressor nicht erforderlich ist. Dazu trägt die erfindungsgemäß vorgesehene Drosseleinrichtung wesentlich bei.
-
Es sind verschiedene Varianten von Brenngasrezirkulationssystemen bekannt, wobei das in 1 gezeigte Brenngasrezirkulationssystem hier nur rein beispielhaft aufgeführt ist. Beispielsweise können einige mit den erwähnten Elementen vergleichbare Elemente mehrfach vorhanden sein, um einen Parallelbetrieb zu gewährleisten. Auch können einige der gezeigten Elemente in funktional getrennte, in Serie angeordnete Einheiten aufgeteilt sein, um die gewünschte Funktionalität beim Betrieb des in Rede stehenden Motors zu erzielen. Ferner kann ein solches System den Kern eines ausgedehnten Systems bilden, welches beispielsweise weitere Elemente stromab oder stromauf der Turbine 14 aufweist, um in dem Abgas enthaltene Energie noch weiter auszunutzen oder um das Abgas vor seinem endgültigen Austritt in die Umwelt zu reinigen. Auch der Luftstrom stromauf/stromab eines Elements wie dem Kompressor 15 kann einer weiteren Behandlung durch in 1 nicht dargestellte Vorrichtungen unterzogen werden. Diesem Luftstrom kann auch ein Inhaltsstoff beigemischt werden, der sich von reiner Umgebungsluft unterscheidet, so dass anstatt reiner Spülluft ein Spülgas mit einem weiteren gasförmigen, brennbaren oder nicht brennbaren Inhaltsstoff vorliegt, bevor das rezirkulierte Brenngas dem zum Spülen des Zylinders vorgesehenen Gasstrom ebenfalls beigesetzt wird. Das am Ende vorliegende, zum Spülen des Zylinders vorgesehene Gasgemisch kann ein sehr breites Spektrum an Zusammensetzungen aufweisen und wird als „Ladeluft“ bezeichnet. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung bei allen derartigen Brenngasrezirkulationssystemen eingesetzt werden.
-
Den 2 und 3 ist dabei eine erste Ausführungsform eines Brenngasauslasses mit einer Drosseleinrichtung 10 der vorstehend beschriebenen Art zu entnehmen. 2 zeigt die Brennkammer 2 in einem durch das geschlossene Auslassventil 9 von dem Auslasskanal 11 getrennten Zustand. Mit gestrichelter Linie ist dagegen eine voll geöffnete Stellung des Auslassventils 9 angedeutet. Das Auslassventil 9 bewegt sich also mit auf die Bewegung des Kolbens 3 getakteten Steuerzeiten auf und ab, wie durch den dicken Pfeil mit Doppelspitze angedeutet ist.
-
Das Auslassventil 9 hat dabei einen Ventilteller 8, welcher in der geschlossenen Stellung auf einem Tellersitz aufliegt und somit den Brenngasauslass 20 verschließt und bei Abwärtsbewegung des Ventils 9 den Brenngasauslass 20 freigibt. Der Ventilteller 8 ist dabei an einem Ventilschaft 7 befestigt, welcher wiederum im Zylinderkopf auf bekannte Weise gelagert ist und üblicherweise über eine - hier nicht dargestellte - Nockenwelle angetrieben wird, wobei auch andere Ventilbetätigungseinrichtungen denkbar wären, insbesondere nach dem sogenannten elektronischen Ventilsteurungsprinzip ohne mechanische Kupplung zwischen Kurbelwelle und Ventilschaft, wie zB. die in letzter Zeit aufkommende, elektronische Ventildirektsteuerung mit einer Ventilbetätigung per Elektromagneten oder dergleichen.
-
An dem Ventilschaft 7 ist dabei ein drehsymmetrisch aufgebauter Drosselvorsprung 10 vorgesehen, und zwar an einer Stelle, an der der Drosselvorsprung 10 bei geschlossenem Auslassventil 9 (2) und bis zu einem gewissen gewünschten Öffnungsgrad (3) in einem einem Abzweig der Rezirkulationsleitung 18 vom Auslasskanal 11 strömungsmäßig nachgeordneten Bereich angeordnet ist. In diesem Bereich zwischen der in der 2 und in der 3 gezeigten Stellung des Auslassventils 9, welcher dem Rezirkulationsöffnungsbereich des Auslassventils 9 entspricht, liegt der Drosselvorsprung 10 mit seinem Außenumfang an einem Innenumfang eines kreiszylindrischen Abschnitts des Auslasskanals 11 an und verschließt den Auslasskanal 11 dadurch zumindest im wesentlich für das aus der Brennkammer 2 ausströmende Brenngas, wobei dieser Verschluss nicht zwingend absolut sein muss, solange die für die Erfindung wesentliche Drosselwirkung erzielt wird.
-
Das aus der Brennkammer 2 in dieser Phase ausströmende Brenngas wird daher, wie in 3 durch die Pfeile angedeutet, in Richtung zur Rezirkulationsleitung 18 hin gelenkt, wozu auch die hyperbelförmige bzw. abgerundete Oberfläche auf der der Brennkammer 2 zugewandten Seite des Drosselvorsprungs 10 und eine kreisringförmige um den Auslasskanal 11 im Bereich des Abzweigs der Rezirkulationsleitung 18 umlaufende Durchmesseraufweitung 22 mit ebenfalls abgerundeten Flanken beitragen.
-
Wandert das Auslassventil 9 dann aus der in 3 gezeigten Stellung des gewünschten Öffnungsgrads, welcher die Obergrenze des Rezirkulationsöffnungsbereichs definiert, weiter nach unten in seine vollständig geöffnete Stellung (in 2 mit unterbrochener Linie angedeutet), so gelangt der Drosselvorsprung 10 in den Bereich des Abzweigs der Rezirkulationsleitung 18 und damit der Durchmesseraufweitung 22 und kann dort von dem aus der Brennkammer 2 durch den dann vollständig geöffneten Brenngasauslass 20 ausströmenden Gas umströmt werden, welches somit durch den Auslasskanal 11 abgeführt werden kann.
-
Die gezeigte Ausführungsform ist dabei gleich in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. So ist während der initialen Öffnungsphase zwischen der in 2 und der in 3 dargestellten Stellung des Auslassventils 9, also im Rezirkulations- bzw. Brenngasabzapföffnungsbereich, in der Brennkammer 2 reines oder nahezu reines Brenngas vorhanden, da in dieser Phase die Lufteinlassschlitze 4 nicht oder zumindest noch nicht weit überfahren worden sind, wobei dieses Brenngas zudem einen hohen Druck aufweist. Das in die Rezirkulationsleitung 18 einströmende Brenngas weist somit die zur Rezirkulation gewünschten Eigenschaften auf, nämlich einen Überdruck gegenüber dem Druck des im Spülsystem befindlichen Gases, nämlich des Spülgases bzw. der Spülluft, der das in die Rezirkulationsleitung 18 einströmende Brenngas beigemischt werden soll, so dass das Rückschlagventil 23 in der Rezirkulationsleitung 18 öffnet, wie in 3 angedeutet. Zum anderen weist das Brenngas auch die gewünschte niedrige Sauerstoffkonzentration auf, die erst nach Öffnung der Lufteinlassschlitze 4 und der Ladeluft erhöht wird.
-
In der anschließenden Abgasabfuhröffnungsphase, also bei weiter geöffnetem Auslassventil 9, wie in 2 durch gestrichelte Linie angedeutet, hat der Kolben 3 dagegen die Ladelufteinlassschlitze 4 bereits überfahren, so dass in der Brennkammer 2 ein Gasgemisch mit einem für die Rezirkulation ungünstigen, niedrigen Druck vorliegt. Dieses Gasgemisch gelangt nun durch den weit geöffneten Brenngasauslass 20 in den Eingangsbereich des Auslasskanals 11 und dort in den Bereich der Durchmesseraufweitung 22, in dem sich dann auch der Drosselvorsprung 10 befindet. Eine Umströmung des Drosselvorsprungs 10 ist somit möglich, ohne dass dabei ein wesentlicher Staudruck auf das aus der Brennkammer 2 ausströmende Gas ausgeübt wird. Das Gas strömt überhaupt erst aus der Brennkammer aus, weil der Druck im Abgassammelrohr 12 prinzipiell niedriger ist als der Ladeluftdruck. Das Gasgemisch kann somit während der Abgasabfuhröffnungsphase nicht in die Rezirkulationsleitung 18 eintreten bzw. das Rückschlagventil 23 nicht öffnen, sondern umströmt den Drosselvorsprung bzw. -körper 10 in Richtung zum Abgassammelrohr 12 hin und wird somit von der Rezirkulation ausgeschlossen.
-
Die 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein etwas modifiziertes Auslassventil 109 und ein veränderter Abzweigungsbereich von Rezirkulationsleitungen 118a, 118b aus dem Auslasskanal 11 zum Einsatz kommen, die Brennkammer 2 jedoch an sich gegenüber der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform unverändert sein kann, was im Übrigen auch für die weiteren, in 1 dargestellten Motorkomponenten gilt.
-
Hierbei ist an dem Ventilschaft 107 ebenfalls ein umlaufender Drosselvorsprung 110 vorgesehen. Dieser ist jedoch direkt dem Ventilteller 108 nachgeordnet. Gleichzeitig befindet sich die Abzweigung der Rezirkulationsleitung bzw. im Fall der vorliegenden Ausführungsform die Abzweigungen der Rezirkulationsleitungen 118a, 118b direkt im Anschlussbereich an den Brenngasauslass 120. Der Brenngasauslass 120 wird dabei in der in 4 gezeigten Rezirkulationsöffnungsstellung des Auslassventils 109 durch die Rückseite des Ventiltellers 108 und den Ventiltellersitz an der Brennkammerwand gebildet, wohingegen der Brenngasauslass 120 in der in 5 gezeigten Abgasabfuhröffnungsstellung des Auslassventils 109 zwischen der Rück- und radialen Außenseite des Drosselvorsprungs bzw. der Drosselscheibe 110 und dem Ventiltellersitz gebildet ist.
-
Wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verschließt auch hier der Drosselvorsprung 110 bei im Rezirkulationsöffnungsbereich befindlichem Auslassventil 109 einen den Abzweigungen 118a, 118b der Rezirkulationsleitung strömungsmäßig nachgeordneten Bereich des Auslasskanals 11 zumindest weitgehend, so dass das aus der Brennkammer 2 ausströmende Brenngas im Rezirkulationsöffnungsbereich des Auslassventils in die Rezirkulationsleitungen 118a, 118b geleitet wird, wie in 4 durch Pfeile angedeutet. In den einzelnen Rezirkulationsleitungen oder in einem Rezirkulationsleitungsabschnitt, in den die einzelnen Rezirkulationsleitungen 118a, 118b münden, kann dabei jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen sein, wie in den 4 und 5 eingezeichnet, wobei dieses Rückschlagventil in 4 in der Rezirkulationsleitung 118b lediglich aus Platzgründen nicht dargestellt ist. Die Rückschlagventile lassen nur dann eine Einströmung von Rezirkulationsgas bzw. Brenngas in den Rezirkulationssammelbehälter 19 zu, wenn dieses Brenngas einen höheren Druck als das im Sammelbehälter 19 gesammelte Rezirkulationsgas aufweist.
-
Hat das Auslassventil 108 dagegen einen größeren Öffnungsgrad bzw. befindet es sich in dem Abgasabfuhröffnungsbereich, so verschließt der umlaufende Drosselvorsprung 110 den Auslasskanal 11 nicht mehr, so dass das dann vorliegende Gas in den Auslasskanal 11 und von dort weiter in das Abgassammelrohr 12 strömt, wie in 5 durch Pfeile angedeutet. Es sei bemerkt, dass im Sinne einer verbesserten Einströmung des Brenngases in die Rezirkulationsseite nicht nur zwei Rezirkulationsleitungen 118a, 118b vorgesehen sein können, sondern vielmehr auch mehrere, über den Umfang des an dieser Stelle kreiszylindrischen Auslasskanals 11 verteilte Rezirkulationsleitungen. Daher kann auch eine umlaufende, innenwandige Umfangsaussparung vorgesehen sein, von der diese Rezirkulationsleitungen 118 abgehen.
-
Die 6 bis 8 zeigen schließlich eine weitere Ausführungsform der Erfindung bei geschlossenem Auslassventil 308 (6), bei im Rezirkulationsbereich geöffnetem Auslassventil (7), sowie bei im Abgasabfuhrbereich geöffnetem Auslassventil (8).
-
In dieser Ausführungsform besteht die Drosseleinrichtung aus einer von der Rückseite des Ventiltellers 308 vorspringenden Stufe 310, welche im von der in 6 gezeigten, geschlossenen Stellung des Auslassventils 309 bis zur in 7 gezeigten Stellung des Auslassventils mit dem gewünschten Öffnungsgrad reichenden Rezirkulationsöffnungsbereich den Auslasskanal 11 verschließt, jedoch die Rezirkulationsleitung 318, bzw. deren ringförmig um den Auslasskanal 11 umlaufende Abzweigung 318a bzw. deren ringförmig um den Auslasskanal 11 umlaufenden Einlauf 318a für die Einströmung von aus der Brennkammer 2 durch den Brenngasauslass 320 ausströmenden Brenngas freigibt. Im in 8 dargestellten Abgasabfuhrbereich ist das Auslassventil 307 dagegen soweit in die Brennkammer hinein verschoben, dass die Stufe 310 nicht mehr an der an der dem Rezirkulationsöffnungsbereich entsprechenden Stelle zylindrischen Wand des Auslasskanals 11 anliegt, sondern den Auslasskanal 11 freigibt. Wie vorstehend erläutert kann auch hier ein Rückschlagventil in der Rezirkulationsleitung 318 vorgesehen sein.
-
Da bei der vorliegenden Ausführungsform der Einlauf bzw. der Abzweig 318a in die Rezirkulationsleitung 318 direkt am Auslass 320 der Brennkammer 2 angeordnet ist, ist das zwischen der Brennkammerwand und der Rezirkulationsleitung 318 bzw. dem Abzweig 318a befindliche Material einer großen Hitzebelastung ausgesetzt, wobei hier gleichzeitig ein recht dünner Materialsteg steht. Um diesen Nachteil zu vermindern, kann die in den 6 bis 8 gezeigte Ausführungsform der Erfindung etwas modifiziert werden, wie 9 zeigt.
-
Hierbei ist in dem zwischen der brennkammerseitigen Oberfläche und dem Einlauf 418a der Rezirkulationsleitung 418 stehenden Materialsteg ein Kühlmittelkanal 24 vorgesehen, welcher ebenfalls um den Auslasskanal 11 herumführt. Gleichzeitig ist das sich ins Material hinein öffnende Sammelvolumen des Rezirkulationseinlaufs 418a und auch der Eingangsbereich der Rezirkulationsleitung 418 etwas weiter nach hinten von der Brennkammer weg ins Material hinein verlegt, so dass hier ein breiterer Materialsteg der hohen Hitzebelastung besser standhält als bei der in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsform der Erfindung. Zusätzlich ist hier am Ventilschaft 307 ein fachnotorisch bekannter Drehschaufelkranz mit 25 bezeichnet, welcher über die vorbei strömenden Gase zu einer Ventildrehbewegung führt, welche einen vorzeitigen Verschleiß des Auslassventils 309 und des Tellersitzes verhindern soll.
-
Beispielhaft und rein quantitativ für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 11 in Abhängigkeit von der in °KW nach OT (Grad Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt) angegebenen Bewegung des Kolbens 3 durch die Kurve b der Verlauf des freien Strömungsquerschnitts im Bereich der die Spülgaseinlässe 4 bildenden Einlassschlitze dargestellt. Die Kurve a gibt dagegen den Verlauf des freien Strömungsquerschnitts im Bereich des Brenngas-Auslasses 20 wieder. Mit durchgezogener Linie ist dabei der Verlauf bei einem nockenwellengetriebenen Auslassventil 9 eingezeichnet, wohingegen mit gestrichelter Linie mögliche Verläufe des freien Strömungsquerschnitts bei einem elektronisch angesteuerten und ohne mechanische Kopplung zwischen Kurbelwelle und Ventilschaft betätigten Auslassventil angedeutet sind.
-
Die Öffnung des nockenwellenbetätigten Auslassventils 9 erfolgt gemäß Kurve a beispielsweise bei ca. 115° KW nach OT, d.h. 65° über dem unteren Totpunkt während des Abwärtshubs. Bei einem elektronisch angesteuerten und betätigten Auslassventil kann das Öffnen schon etwas früher, z.B. bei ca. 110° KW nach OT beginnen und dann unterbrochen werden, um den Brenngasabzapföffnungsbereich zu verlängern, bevor dann vollständig geöffnet wird und das Auslassventil in den Abgasabfuhrbereich fährt.
-
Die Spülgaseinlässe 4 werden gemäß Kurve b bei ca. 135° KW nach OT (d.h. 45° über dem unteren Totpunkt während des Abwärtshubs) geöffnet. Vorausgesetzt dass das aus Kolben 3 und Kurbelwelle gebildete Triebwerk im Wesentlichen symmetrisch ist, werden die Spülgaseinlässe 6 dabei beim Aufwärtshub des Kolbens 3 bei etwa 135° KW vor OT wieder geschlossen. Die Schließung des Auslassventils 9, die oft nicht symmetrisch zum oberen Totpunkt gesteuert ist, erfolgt etwas später im Aufwärtshub, so dass der Arbeitsraum 2 bei geöffnetem Auslassventil 9 zuverlässig gespült wird. Hier wird kein Brenngas mehr entnommen, es gibt also keinen Brenngasabzapföffnungsbereich beim Aufwärtshub des Kolbens, so dass die Ansteuerung des elektronisch gesteuerten und betätigten Auslassventils entsprechend dem normalen, nockenwellenbetätigten Auslassventil erfolgen kann.
-
Beim Öffnen des Auslassventils 9 verursacht das entweichende Abgas eine Druckerhöhung im Auslasskanal 11. In 10 ist in der Kurve c der Verlauf des Drucks im Auslasskanal 11 in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung, d.h. über dem Kurbelwinkel, aufgetragen. Hieraus ist ersichtlich, dass sich beim Öffnen des Auslassventils 9 der Druck im Auslasskanal 11 schlagartig erhöht. Dies führt zu einem eine oder mehrere Spitzen aufweisenden, bei etwa 115° KW nach OT beginnenden Druckstoß e. Der Druckstoß e ist von vergleichsweise kurzer Dauer und erstreckt sich lediglich über etwa 20° KW. Der Druckstoß e ist dementsprechend noch vor dem Öffnen der Einlassschlitze 4 beendet. Die Öffnung der Spülgaseinlässe 4 würde in jedem Fall zu einer endgültigen Beendigung des Druckstoßes e führen.
-
In der weiteren in 10 angegebenen Kurve d ist der Druckverlauf in der Brennkammer 2 über dem Kurbelwinkel aufgetragen. Da der Druck in der Brennkammer 2 relativ hoch wird, gilt hier auf der dem Druck zugeordneten Abzisse für Kurve d ein anderer Maßstab als für Kurve c. In 10 schneiden sich zwar die Kurven c und d. Dies beruht jedoch nur auf dem unterschiedlichen Maßstab. Bei Verwendung gleicher Maßstäbe würden sich die Kurven c und d nicht oder allenfalls im Bereich des Druckstoßes e schneiden. Gemäß Kurve a (11) ist das Auslassventil 9 ab etwa 130°KW nach OT ganz offen. Deshalb ist der Druck in der Brennkammer 2 und im Auslasskanal 11 nach Beendigung des Druckstoßes e von etwa 150°KW nach OT bis 180°KW nach OT ungefähr gleich. Ab etwa 160°KW nach OT sind gemäß Kurve b die Spülgaseinlässe 4 ganz geöffnet.
-
Dementsprechend ist der Druck in der Brennkammer 2 und im Auslasskanal 11 nur wenig geringer als der Spülgasdruck, was in 10 durch die Kurve f erläutert wird, welche den Druck im Spülsystem darstellt und im selben Maßstab wie die Kurve c eingezeichnet wurde. Bei e ist dabei klar zu erkennen, dass der Druck im Auslasskanal schon kurz nach dem Öffnen des Auslassventils 9 den Druck f im Spülsystem wesentlich überschreitet, wodurch eine positive Druckdifferenz erzielt wird, die gemäß der Erfindung dazu genutzt wird, das Brenngas in das Brenngasabzapfkanalsystem und weiter in den mit einem Einlass irgendwo im Spülgassystem endenden Brenngasrezirkulationskreis zu drängen. Hierbei sei bemerkt, dass aufgrund eines größeren Volumens, welches direkt stromab des Auslassventils unmittelbar nach der Auslassventilbetätigung verdichtet würde, die Form der Kurve c bei e wesentlich flacher wäre und nur ein geringerer Maximaldruckwert erzielbar wäre, wenn die erfinderische Drosselvorrichtung nicht vorhanden wäre.
-
Bei g ist hier deutlich herausgestellt, dass der Spülgasdruck f für die Spülung über dem Ist-Druck im Auslasskanal und im folgenden Abgasabfuhrsystem liegt. Während dieser Phase, wenn die Spüleinlässe zur Brennkammer hin offen sind, existiert daher eine zwischen dem Spülsystem und dem Abgasabfuhrsystem über das Zylindervolumen übertragene, positive Druckdifferenz, so dass das Spülen zu einem Eintritt von Spülgas in das Zylindervolumen durch die Einlässe führt und zu einem gleichzeitigen Herausdrängen von Brenngas durch das geöffnete Auslassventil.
-
Abwandlungen und Modifikationen der gezeigten Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
So ist beispielsweise der Ventilverdrehmechanismus für die Funktion der Rezirkulationssteuerung nicht zwingend, kann jedoch ebenfalls in den in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsformen vorgesehen sein. Fehlt hingegen ein solcher Verdrehmechanismus, so kann die Drosseleinrichtung, sei es in Form einer Drosselscheibe, einer Schiebehülse oder der von dem Ventilteller vorspringenden Stufe und der zugeordnete Abschnitt des Auslasskanals auch eine ganz andere Geometrie aufweisen. Bei den dargestellten Ausführungsformen ist die Drosselscheibe, Schiebehülse oder der von dem Ventilteller vorspringende Stufe ebenso wie der zugeordnete Abschnitt des Auslasskanals jedoch in jeder Radialrichtung zur Ventilachse symmetrisch ausgebildet.
-
Selbstverständlich können die Auslassventile gemäß der Erfindung aus einem Stück, also einstückig oder aus mehreren Stücken montiert sein, wobei auch weitere Bauteile daran befestigt werden können, wie z.B. der Drehschaufelkranz 25 oder weitere Bauteile. Entscheidend ist, dass das Auslassventil immer als eine Gesamteinheit gesteuert und bewegt wird. Auch der Zylinderkopf kann aus einzelnen Bauteilen zu einer Baugruppe zusammengesetzt sein, wobei die Bauteile speziell darauf angepasst sein können, ihre jeweilige Funktion und/oder Innenräume zu realisieren, beispielsweise die Wasserkühlringleitung 24. Ferner können bei allen Ausführungsformen aktiv gesteuerte oder passive Rückschlagventile in dem Brenngasabzapfkanal bzw. der Rezirkulationsleitung vorgesehen sein.
-
Bezugszeichenliste
-
| Zylinder |
(1) |
| Brennkammer |
(2) |
| Kolben |
(3) |
| Einlassschlitze |
(4) |
| Versorgungskanal |
(5) |
| Verteilerrohr |
(6) |
| Ventilschaft |
(7; 107; 307) |
| Ventilteller |
(8; 108; 308) |
| Auslassventil |
(9; 109; 309) |
| Drosseleinrichtung |
(10; 110; 310) |
| Drosselvorsprung |
(10; 110) |
| Drosselabsatz |
(310) |
| Auslasskanal |
(11) |
| Abgassammelrohr |
(12) |
| Abgasleitung |
(13) |
| Turbine |
(14) |
| Kompressor |
(15) |
| Abgasturbolader |
(14, 15) |
| Ladeluftleitung |
(16) |
| Ladeluftkühler |
(17) |
| Brenngasabzapfkanal |
(18; 118a, 118b; 318, 318a; 418, 418a) |
| Rezirkulationsgas-Sammelraum |
(19) |
| Brenngas-Auslass |
(20) |
| Rezirkulationsgas-Behandlungsaggregat |
(21) |
| Durchmesseraufweitung |
(22) |
| Rückschlagventil |
(23) |
| Wasserkühlringleitung |
(24) |
| Ventildrehschaufelkranz |
(25) |
