DE10210202C1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents
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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 (14)
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.
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