DE10210202C1

DE10210202C1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10210202C1
Application number: DE10210202A
Authority: DE
Inventors: Peter Eilts; Guenther Heider
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: CH696366A5; KR100817383B1; FI20030203A0; FI20030203A; FI123028B; KR20030074249A

Abstract

Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Turbolader, der über ein Ladeluft-Leitungssystem Ladeluft mit einem den mittleren Druck in der Abgassammelleitung übersteigenden Druck zu den Zylindern liefert, ist eine Abgasrückführung zur Verminderung der Schadstoffemission dadurch erreichbar, dass zwischen dem Abgasauslass jedes Zylinders und der Abgassammelleitung ein in eine zur Abgassammelleitung in eine den Durchtrittsquerschnitt verengende Düse auslaufender Auslasskanal vorgesehen ist, von dem Auslasskanal zwischen der Düse und dem Abgasauslass eine Umgehungsleitung zum Ladeluft-Leitungssystem abzweigt und die Umgehungsleitung ein bei Übersteigen des Abgasdrucks vor der Düse über den Ladeluftdruck öffnendes Rückschlagventil aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Turbolader, der über ein Ladeluft-Leitungssystem Ladeluft mit einem den mittleren Druck in einer Abgassammelleitung übersteigenden Druck zu den Zylindern liefert, dargelegt im eintei ligen Patentanspruch 1.

Derartige Hubkolbenbrennkraftmaschinen weisen häufig eine positive Ladungswechselschleife und ein im Mittel positives Spüldruckgefälle auf. Dieses positive Spüldruckgefälle wird benötigt, um eine gute Spülung des Brennraumes und damit eine Verringerung der Bauteiltemperaturen im Brennraum zu erreichen. Gleichzeitig wird eine Rückspülung von Abgas in den Ansaugtrakt und damit eine Verschmutzung durch Verbrennungsrückstände vermieden. Bei Verwendung von Schweröl als Kraftstoff wird hierdurch auch die Einhaltung einer maximal zulässigen Abgastemperatur vor der Turbine zur Vermeidung von Heißkorrosion erreicht. Letztlich ist eine positive Ladungswechselschleife auch angesichts eines möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauchs anzustreben.

Aus der EP 0 531 277 A2 ist bereits eine wie einleitend beschriebene Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der in der Abgassammelleitung eine Stauklappe vorgesehen ist und von der Abgassammelleitung zwischen der Stauklappe und einem Abgasauslass eine in das Ladeluft-Leitungssystem mündende Umgehungsleitung abzweigt und die Umgehungsleitung ein bei Übersteigen des Druckes des Abgases vor der Stauklappe über den Ladeluftdruck öffnendes Rückschlagventil aufnimmt. Durch das Schliessen der Stauklappe kann der Druck im Abgassysten erhöht werden.

Weiterhin ist aus der DE 296 23 498 U1 ebenfalls eine einleitend beschriebene Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer in das Ladeluft-Leitungssystem integrierten Umgehungsleitung bekannt, derart, dass am Auslasskanal jedes Zylinders zur Abgasleitung eine in das Ladeluft-Leitungssystem mündender Zweigkanal angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung mit einfachen Mitteln eine partielle Abgasrückführung zur Reduzierung von Stickoxyd- und Kohlenwasserstoffemissionen vorzusehen, bei der die Zuströmung zum Turbolader verbessert und der Druck in dem stromaufwärts liegenden Teil der Abgassammelleitung abgesenkt ist, so dass den stromaufwärts liegenden Zylindern das Ausschieben des Abgases erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des einteiligen Patentanspruch 1 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zwischen dem Abgasauslass jedes Zylinders und einer Abgassammelleitung ein in eine zur Abgassammelleitung in eine den Durchtrittsquerschnitt verengende Düse auslaufender Auslasskanal vorgesehen ist, von dem Auslasskanal zwischen der Düse und dem Abgasauslass eine in das Ladeluft-Leitungssystem mündende Umgehungsleitung abzweigt sowie die Umgehungsleitung ein bei Übersteigen des Drucks des Abgases vor der Düse über den Ladeluftdruck öffnendes Rückschlagventil aufnimmt. Da sich nach Öffnen des Abgasauslasses vor der Düse ein erhöhter Druck einstellt, kann dieser das Rückschlagventil kurzfristig öffnen. Dann kann über die Umgehungsleitung eine Teilmenge des Abgases der Ladeluft zugesetzt werden. Weiterhin ist jede Düse derart schräg zur Abgassammelleitung angeordnet, dass das durch die Düse tretende Abgas zur Erzielung einer Injektorwirkung etwa tangential zur Strömungsrichtung in der Abgassammelleitung austritt. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass die in dem Abgas enthaltene Energie als kinetische Energie an den Inhalt der Abgasleitung übertragen wird, so dass sie die Zuströmung zum Turbolader fördert. Weiterhin führt die Injektorwirkung dazu, das der Druck in dem stromaufwärts liegendem Teil der Abgassammelleitung abgesenkt wird. Damit wird den stromaufwärts liegenden Zylindern das Ausschieben des Abgases erleichtert.

Vorteilhaft ist das Rückschlagventil nahe der Abzweigung der Umgehungsleitung in den Auslasskanal angeordnet. Damit lässt sich die Rückführung einer maximalen Abgasteilmenge erreichen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mündet jede Umgehungsleitung einzeln in das Ladeluft-Leitungssystem. Dabei mündet zweckmäßig jede Umgehungsleitung von einem Auslasskanal in den Einlasskanal des zugeordneten Zylinders.

Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung münden die Auslasskanäle in eine für alle Zylinder gemeinsame Umgehungsleitung.

Vorzugsweise ist die Umgehungsleitung durch einen Kühler geführt. Eine derartige Kühlung des rückgeführten Abgases vermeidet eine Aufheizung der Zylinderladung und verstärkt damit das Potential der NOx - Reduktion.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und einer Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung der wesentlichen Teile der Erfindung

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist lediglich ein Zylinder 1 dargestellt. Wenn die Hubkolbenbrennkraftmaschine mehrere Zylinder aufweist, sind in diese in gleicher Weise wie der Zylinder 1 ausgebildet.

Der Zylinder 1 weist einen hier durch ein Ventil gebildeten Abgasauslass 2 auf, der zu einem Auslasskanal 3 führt. Dabei kann der Abgasauslass 2 auch durch zwei Ventile gebildet sein. An dem Auslasskanal 3 schließt sich eine sich in Richtung zur Mündung in eine Abgassammelleitung 5 verengende Düse 4 an. Die Abgassammelleitung 5 führt zu einer Turbine 6 eines ein Verdichterrad 7 aufweisenden Turboladers.

Von dem Auslasskanal 3 zweigt eine Umgehungsleitung 8 ab, die zu einem mit einer Ladeluftleitung 9 in Verbindung stehenden Einlasskanal 11 führt. Der Einlasskanal 11 führt zu einem durch ein oder mehrere Ventile gebildeten Einlass 10. Die Umgehungsleitung 8 nimmt, möglichst nahe an ihrer Einmündung in den Auslasskanal 3 ein Rückschlagventil 13 auf, das hier durch eine Ventilkugel 14 und eine Schließfeder 15 angedeutet ist. Das Rückschlagventil 13 kann jedoch auch als Flatter- oder Membranventil ausgeführt sein. Das Rückschlagventil 13 öffnet sobald der Druck in dem Auslasskanal 3 den Druck in der Ladeluftleitung 9 übersteigt. Die Umgehungsleitung 8 führt anschließend durch einen Kühler 12. Der Kühler 12 kann in einen Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine oder einen eigenen Kühlwasserkreislauf integriert sein.

Dabei bilden die Ladeluftleitung 9 und der Einlasskanal 11 ein Ladeluft-Leitungssystem. Dieses System versorgt gegebenenfalls auch weitere nicht dargestellte Zylinder 1.

In der Umgehungsleitung 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin ein den Durchtrittsquerschnitt variierendes Organ 16 vorgesehen, mit den die Menge des rückgeführten Abgases eingestellt werden kann. Das Organ 16 ist zweckmäßig durch mindestens einen Betriebsparameter der Hubkolbenbrennkraft maschine, wie Ladeluftdruck oder Drehzahl, gesteuert. So kann beispielsweise bei einem Schiffsmotor, der nach der Propellerkurve gefahren wird, das Organ 16 erst bei einer Last von 40% geöffnet und dann kontinuierlich weitergeöffnet werden. Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zum Antrieb eines Generators wird dagegen bei geringerer Leistung relativ viel Abgas rückgeführt, so dass das Organ 16 frühzeitig voll geöffnet werden kann. In manchen Fällen wird es ausreichen, anstelle des Organes 16 eine Blende mit konstantem Durchflussquerschnitt anzuordnen.

Die Umgehungsleitung 8 ist zweckmäßig zusammen mit dem Kühler 12, dem Rückschlagventil 13 und dem Organ 16 bzw. der Blende in den Zylinderkopf integriert.

Wird der Abgasauslass 2 geöffnet, strömt Abgas durch den Auslasskanal 3 und die Düse 4. Vor der Düse 4 wird das Abgas gestaut und erhöht dadurch kurzzeitig seinen Druck. Diese Druckerhöhung führt dazu, dass das Rückschlagventil 13 für den Zeitraum öffnet, in dem der Druck vor der Düse 4 größer als der Druck in der Ladeluftleitung 9 ist. Dann kann Abgas durch die Umgehungsleitung 8 in den Einlasskanal 11 eintreten. Sobald der Druck vor der Düse 4 abfällt, schließt das Rückschlagventil 13. Wenn das Einlassventil öffnet, tritt das rückgeführte Abgas und dann Ladeluft in den Zylinder 1 ein.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 geht von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit vier je einen Kolben aufnehmenden Zylindern 20 bis 23 aus. Jeder Zylinder, z. B. 20, steht über einen Einlasskanal, z. B. 24, mit einer Ladeluftleitung 25 in Verbindung. Alle Einlasskanäle, z. B. 24, und die Ladeluftleitung 25, bilden ein Ladeluft-Leitungssystem. Jeder Zylinder, z. B. 20, weist einen Auslasskanal 26 auf, der zu einer Abgassammelleitung 27 führt. Die Abgassammelleitung 27, deren Durchmesser zweckmäßig etwas 60% des Zylinderdurchmessers entspricht, führt zu einem Turbolader 28, von dem die verdichtete Luft über einen Kühler 29 zur Ladeluftleitung 25 geführt wird.

Der Auslasskanal 26 läuft in eine Düse 30 mit sich verengenden Querschnitt aus. Der engste Durchschnittsquerschnitt jeder Düse 30 beträgt hier etwa 10% der Kolbenoberfläche.

Von dem Auslasskanal 26 zweigt ein Abströmkrümmer 31 einer Umgehungsleitung 32 ab. Im Abströmkrümmer 31 ist, möglichst nahe am Auslasskanal 26, ein Rückschlagventil 33 angeordnet, das als Flatter- oder Membranventil ausgeführt sein kann. Die Umgehungsleitung 32 erstreckt sich entlang der Zylinder 20 bis 23 und führt durch einen Kühler 34 zur Ladeluftleitung 25. Der Kühler 34 führt zu einer Verminderung der thermischen Belastung der Teile der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Wenn er weggelassen wird, kann ein etwas größerer Anteil von Abgas rückgeführt werden.

Jede Düse 30 mündet derart schräg in die Abgassammelleitung 27, dass das durchtretende Abgas etwa tangential in Richtung der Strömung in der Abgassammelleitung 27 eintritt. Hierdurch wir eine Injektorwirkung erreicht, mittels der im Abgas enthaltende Energie als kinetische Energie an den Inhalt der Abgassammelleitung 27 übertragen und auf diese Weise der Turbine des Abgasturboladers 28 zugeführt werden kann. Weiterhin führt die Ejektorwirkung dazu, dass der Druck im stromaufwärts liegenden Teil der Abgassammelleitung 27 abgesenkt wird. Damit wird den stromaufwärts liegenden Zylindern das Abgasausschieben erleichtert.

Öffnet der Auslass des Zylinders 20, so stellt sich hinter der Düse 30 eine Druckspitze ein, die dazu führt, dass das Rückschlagventil 33 kurzfristig öffnet. Die durch das Rückschlagventil 33 austretende Abgasmenge gelangt in die Umgehungsleitung 32 und von dort über den Kühler 34 in die Ladeluftleitung 25. Sie wird in diesem Fall zusammen mit der Ladeluft den Zylindern 20 bis 23 zugeführt.

Wie die vorstehenden Ausführungen erkennen lassen, ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So könnten beispielsweise die Düsen 30 nach Fig. 2 auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angewendet werden. Die Erfindung ist bei mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Selbst- oder Fremdzündung anwendbar.

Claims

1. Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einem Turbolader, der über ein Ladeluft- Leitungssystem Ladeluft mit einem den mittleren Druck in einer Abgassammelleitung (5, 27) übersteigenden Druck zu den Zylindern liefert, bei der zwischen einem Abgasauslass (2) jedes Zylinders (1, 20 bis 23) und der Abgassammelleitung (5, 27) ein in eine zur Abgassammelleitung (5, 27) in eine den Durchtrittsquerschnitt verengende Düse (4, 30) auslaufender Auslasskanal (3, 26) vorgesehen ist, wobei von dem Auslasskanal (3, 26) zwischen der Düse (4, 30) und dem Abgasauslass (2) eine in das Ladeluft-Leitungssystem mündende Umgehungsleitung (8, 32) abzweigt, die Umgehungsleitung (8, 32) ein bei Übersteigen des Druckes des Abgases vor der Düse (4, 30) über den Ladeluftdruck öffnendes Rückschlagventil (13, 33) aufnimmt und jede Düse (4, 30) derart schräg zur Abgassammelleitung (5, 27) angeordnet ist, dass das durch die Düse (4, 30) tretende Abgas zur Erzielung einer Injektorwirkung etwa tangential zur Strömungsrichtung in der Abgassammelleitung (27) austritt.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (13, 33) nahe der Abzweigung der Umgehungsleitung (8, 32) von dem Auslasskanal (3, 26) angeordnet ist.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Umgehungsleitung (8) einzeln in das Ladeluft- Leitungssystem mündet.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Umgehungsleitung (8) von einem Auslasskanal (3) in einen Einlasskanal (11) des zugeordneten Zylinders (1) mündet.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskanäle (26) in eine für alle Zylinder (20 bis 23) gemeinsame Umgehungsleitung (32) münden.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Abgassammelleitung (27) etwa 60% eines Durchmessers des Zylinders (20) beträgt.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der engste Durchtrittsquerschnitt der Düse (30) etwa 10% der Kolbenoberfläche beträgt.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (8, 32) durch einen Kühler (12, 34) geführt ist.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (8) eine Blende aufnimmt.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (8) ein den Durchtrittsquerschnitt variierendes Organ (16) aufnimmt.

11. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ (16) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Hubkolbenbrennkraftmaschine, wie Ladeluftdruck, Drehzahl, gesteuert ist.

12. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließkraft des Rückschlagventiles (13, 33) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Hubkolbenbrennkraftmaschine, wie Ladedruck, Drehzahl, variierbar ist.

13. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitungen (8, 32) in einem Zylinderkopf (17) oder Zylinderköpfen (17) der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

14. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (12) in einem Kühlwasserkreis der Brennkraftmaschine eingeschaltet ist.