DE19809618C2 - Two-stroke engine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor, insbesondere einen Zweitakt- Großdieselmotor mit Turbolader, mit wenigstens einem Zylinder, der mit einer durch den zugeordneten Kolben steuerbaren Einlaß-Schlitzanord nung zum Zuführen des Füllungsmediums und mit einer für eine über ei nen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich sich erstreckende Öffnungszeit spanne geöffneten Auslaß Anordnung zum Abführen des Abgases verse hen ist.The invention relates to a two-stroke engine, in particular a two-stroke engine. Large diesel engine with turbocharger, with at least one cylinder with an inlet slot assembly controllable by the associated piston tion for feeding the filling medium and with one for an egg NEN predetermined crank angle range extending opening time span open outlet arrangement for discharging the exhaust gas verse hen is.
Bei bekannten Anordnungen dieser Art, beispielsweise bei den Zweitakt- Großdieselmotoren der Anmelderin, enthält die Auslaß-Anordnung ledig lich ein großes Auslaßventil. Es ergibt sich daher lediglich ein Abgasstrom, der alle Verunreinigungen und Umweltgifte enthält und der eine mittlere Temperatur hat, die wesentlich niedriger als die der expandierenden Ver brennungsgase ist, die während der Vor-Auslaßzeitspanne (die Öffnungs zeitspanne des Auslaßventils vor dem Öffnen der Einlaß- Schlitzanordnung) abgelassen werden, und wesentlich höher als die der fast sauberen Spülluft, die während der Nach-Auslaßzeitspanne (die Aus strömungszeitspanne nach dem Schließen der Einlaß-Schlitzanordnung) abgelassen wird.In known arrangements of this type, for example in the two-stroke Large diesel engines from the applicant, contains the exhaust arrangement single Lich a large exhaust valve. The result is only an exhaust gas flow which contains all impurities and environmental toxins and which is a medium one Has temperature that is significantly lower than that of the expanding Ver combustion gases is released during the pre-exhaust period (the opening period of time of the exhaust valve before opening the intake Slot arrangement) can be drained, and much higher than that of Almost clean purge air that is released during the post-exhaust period (the off flow period after closing the inlet slot arrangement) is drained.
Bei den Anordnungen dieser Art, vergleiche die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 197 45 068.7, sind daher zur Reinigung und Entgiftung des Abgases vergleichsweise große Aggregate erforderlich, die einen der gesamten Abgasmenge entsprechenden Volumenstrom verkraf ten müssen, was sich wegen der gegebenen Einbauverhältnisse ungünstig auswirken kann.For the arrangements of this kind, compare the unpublished one German patent application 197 45 068.7, are therefore for cleaning and Detoxification of the exhaust gas requires comparatively large aggregates that can handle a volume flow corresponding to the total amount of exhaust gas must, which is unfavorable due to the given installation conditions can impact.
Ferner erfordert die verhältnismäßig niedrige mittlere Temperatur des Ab gases, daß die Aggregate zur Reinigung des Abgases von hierin enthalte nen Stickstoffoxyden zwischen dem Abgasbehälter und dem Einlaß der Turboladerturbine angebracht werden müssen, damit der erforderliche ka talytische Prozeß verlaufen kann. Nach der Turboladerturbine wäre die Temperatur zu niedrig.Furthermore, the relatively low mean temperature of the Ab gases that contain the units for cleaning the exhaust gas from here NEN oxides between the exhaust gas tank and the inlet of the Turbocharger turbine must be attached so that the required ka analytical process can proceed. After the turbocharger turbine that would be Temperature too low.
Außerdem geht dabei ein Teil der Abgasenergie verloren, da eine Vermi schung der Gesamtmenge des Abgases in einem Behälter bewirken wird, daß der verhältnismäßig hohe Druck im Zylinder während des Vor- Auslassens auf den im Abgasbehälter vorhandenen Druck abgedrosselt wird, ohne daß sich dies für mechanische Arbeit ausnutzen läßt, was sich auf die Gesamtwirtschaftlichkeit ungünstig auswirkt. Dieser Abdrosse lungsverlust bedeutet, daß bei modernen Zweitakt-Dieselmotoren ein Energiepotential von etwa 8% der Wellenleistung des Motors verloren geht.In addition, part of the exhaust gas energy is lost because a Vermi the total amount of exhaust gas in a container, that the relatively high pressure in the cylinder during the preliminary Exhaust throttled to the pressure in the exhaust gas tank is, without this can be exploited for mechanical work, which can has an adverse effect on the overall economy. That scowl Losing loss means that in modern two-stroke diesel engines Energy potential of about 8% of the shaft power of the motor is lost goes.
Es ist aus der DE-AS 10 04 861 bekannt, bei einem Zweitakt-Motor die Zy linder zu Gruppen zusammenzufassen und das Abgas jeder Zylindergrup pe zu einer eigenen Abgasturbine zu führen. Dabei soll zwischen den Ab gasleitungen zweier benachbarter Zylinder einer Zylindergruppe eine Querverbindung vorgesehen sein. Diese Maßnahme dient zum Vergleich mäßigen des Abgasdruckes in den Abgasleitungen. Eine Aufspaltung des Abgasstromes in Teilströme, die verschiedenen Zielen zugeführt werden, ist nicht vorgesehen. It is known from DE-AS 10 04 861, the Zy in a two-stroke engine linder to group together and the exhaust gas of each cylinder group pe to lead to their own exhaust gas turbine. It should between the Ab gas lines of two adjacent cylinders of a cylinder group one Cross connection may be provided. This measure is for comparison moderate the exhaust pressure in the exhaust pipes. A split of the Exhaust gas flow in partial flows, which are fed to different targets, is not scheduled.
In der US-PS 4 807 571 wird weiterhin ein Zweitakt-Motor mit Ein- und Auslaßschlitzen beschrieben, bei dem in dem Auslaßschlitz zwei sich über dessen gesamte Breite erstreckende, gemeinsam schwenkbare Steuer klappen angeordnet sind. Mit diesen Steuerklappen kann der Zutritt der Abgase zur Abgasleitung auf einen früheren oder späteren Zeitpunkt ver legt werden. Auch bei dieser Anordnung ist eine Aufteilung des Ab gasstromes und Zuführung von Abgasteilströmen zu unterschiedlichen Ag gregaten nicht möglich.In US-PS 4 807 571 a two-stroke engine with one and Exhaust slots described, in which in the outlet slot two over the entire width of which can be pivoted together flaps are arranged. With these control flaps access to the Ver exhaust gases to the exhaust pipe at an earlier or later time be placed. With this arrangement, too, is a division of the Ab gas flow and supply of exhaust gas partial flows to different Ag gregates not possible.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß eine vergleichsweise hohe Umweltfreund lichkeit und Wirtschaftlichkeit erreichbar sind.Proceeding from this, it is therefore the object of the present invention an engine of the type mentioned at the beginning with simple and inexpensive Means to improve so that a comparatively high environmental friend efficiency and economy are achievable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auslaß-An ordnung mehrere Auslässe aufweist, denen unabhängig voneinander betä tigbare Auslaßventile zugeordnet sind, die während verschiedener Teilöff nungszeiten geöffnet sind und die Abgasgesamtmenge in mehrere Abgas teilströme unterteilen, die unterschiedlichen Zielen zuführbar sind.This object is achieved in that the outlet on order has several outlets that operate independently of one another Tigbare outlet valves are assigned, which during different Teilöff opening times and the total exhaust gas volume in several exhaust gases Subdivide sub-streams that can be fed to different goals.
Mit diesen Maßnahmen lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile minimieren oder ganz vermeiden. Die Aufteilung der gesamten Abgasmen ge in mehrere Abgasteilströme ermöglicht in vorteilhafter Weise eine indi viduelle, an die Verhältnisse in jedem Abgasteilstrom angepaßte Verwen dung bzw. Nachbehandlung des Abgases, was sich vorteilhaft auf die Er zielung eines hohen Reinheitsgrads sowie einer guten Wirtschaftlichkeit auswirkt. With these measures, the disadvantages described at the beginning can be eliminated minimize or avoid entirely. The distribution of the total exhaust gas ge in several exhaust gas partial streams advantageously allows indi viduelle Usen adapted to the conditions in each exhaust gas partial flow dung or after-treatment of the exhaust gas, which is advantageous to the Er aiming for a high degree of purity and good economy affects.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterentwicklungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann die Auslaß-Anordnung vorteilhaft wenigstens zwei Auslaßgruppen mit jeweils wenigstens einem Auslaß aufweisen. Dies ermöglicht bereits bei vergleichsweise geringem Bauaufwand eine Optimierung in die eine oder andere Richtung.Advantageous refinements and expedient further developments of the overriding measures are specified in the subclaims. So the outlet arrangement can advantageously have at least two outlet groups each have at least one outlet. This already enables at comparatively low construction costs an optimization in one or the other other direction.
So kann vorgesehen sein, daß die Teilöffnungszeit wenigstens eines Aus lasses zumindest teilweise, vorzugsweise ganz in den Bereich nach der Absteuerung der Einlaß-Schlitzanordnung fällt. Dieser Abgasteilstrom be sitzt einen vergleichsweise hohen Reinheitsgrad und eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Dieser Abgasteilstrom kann daher entweder direkt oder indirekt durch ein separates Kühl-/Reinigungsaggregat oder durch den eigenen Spülluftkühler des Motors der Einlaß-Schlitzanordnung zu geführt und damit rezirkuliert werden. Wird der rezirkulierte Abgasteilstrom durch einen Kühler geleitet, bewirkt dies eine Erhöhung der Motor- Durchspülung, mit einer daraus resultierenden Reduktion der Anlaß temperatur der Motorkompression, was zu einer Verbesserung des Wir kungsgrades des Motors führt. Da der Reinheitsgrad der Spülluft durch diese Rezirkulation reduziert wird, reduzieren sich hierbei die Möglichkei ten zur Bildung von NO-Formationen während der Verbrennung. Ein weite rer Vorteil ist darin zu sehen, daß auch der Bedarf an saubere Ladeluft, geliefert durch den Verdichter eines Turboladers, reduziert wird, womit sich auch die Größe des Verdichters reduzieren läßt. Da während dieser Phase des Motorzyklusses, die Einlaß-Schlitzanordnung des Motors geschlossen ist, sorgt in vorteilhafter Weise die aufwärtsgehende Bewegung des Kom pressionshubs dafür, daß das Abgas zum Ladeluftspeicher des Motors weitergepumpt wird. Wünscht man eine Vergrößerung der rezirkulierenden Menge, kann es notwendig werden, die Öffnungszeitspanne des vorlie genden Auslasses so zu verlängern, daß er bereits vor dem Schließen der Schlitzanordnung des Motors durch den Kolben geöffnet wird. Dies verur sacht desweiteren, daß dieser Teilstromstrang mit einem Verdichter zum Transport des Abgases im System versehen werden muß. Dieser Ver dichter wird jedoch mit einem viel niedrigeren Druckverhältnis als der Ver dichter eines Turboladers operieren und somit den Leistungsbedarf zur Er zeugung der Spülluft (Gas) wesentlich reduzieren.It can be provided that the partial opening time of at least one off let it at least partially, preferably entirely in the area after the Discharge of the inlet slot arrangement falls. This partial exhaust gas flow be sits a comparatively high degree of purity and a comparatively low temperature. This partial exhaust gas stream can therefore either directly or indirectly through a separate cooling / cleaning unit or through the engine's own purge air cooler to the inlet slot assembly managed and thus recirculated. If the recirculated exhaust gas partial flow passed through a radiator, this causes an increase in engine Flushing, with a resulting reduction in the occasion engine compression temperature, resulting in an improvement in the us efficiency of the engine. Because the purity of the purge air through this recirculation is reduced, the possibilities are reduced to form NO formations during combustion. A wide one Another advantage is that the need for clean charge air, delivered by the compressor of a turbocharger, which reduces can also reduce the size of the compressor. Because during this phase of the engine cycle, the intake slot assembly of the engine is closed is the upward movement of the comm provides in an advantageous manner compression hubs that the exhaust gas to the charge air storage of the engine is pumped on. If you want to enlarge the recirculating Amount, it may be necessary to change the opening time of the Extend the outlet so that it is already before closing the Slot arrangement of the engine is opened by the piston. Do this gently further that this partial flow with a compressor for Transport of the exhaust gas in the system must be provided. This ver however, it becomes denser with a much lower pressure ratio than the Ver operate more densely of a turbocharger and thus the power requirement to the Er Reduce generation of the purge air (gas) significantly.
Gemäß einer anderen Weiterentwicklung der übergeordneten Maßnahmen kann vorgesehen sein, daß die Teilöffnungszeit wenigstens eines Auslaß ventils zumindest teilweise vorzugsweise ganz in den Bereich vor der Auf steuerung der Einlaß-Schlitzanordnung fällt. Da in dieser Zeitspanne des Motorzyklusses keine direkte Verbindung zwischen diesem Abgasstrom und dem Ladeluftspeicher besteht, kann der Druck im zugeordneten Ab gasbehälter höher als im Ladeluftspeicher sein, ohne daß dies zur Rück strömung führen wird. Dieser Abgasteilstrom weist einen verhältnismäßig hohen Druck und eine verhältnismäßig hohe Temperatur und somit einen hohen Energiegehalt auf. Wegen des verhältnismäßig hohen Drucks im zugeordneten Abgasspeicher erhöht sich das Potential zur Umsetzung der Energie im Abgas in mechanische Arbeit. Dieses Potential kann praktisch in einer angeschlossenen Turboladerturbine und/oder Kraftturbine genutzt werden. Ferner wird dieser Abgasstrom, welcher nur einen beschränkten Teil der gesamten Abgasmenge ausmacht, einen wesentlichen Teil der Gesamtmenge von Verunreinigungen und Umweltgiften enthalten. Ein gro ßer Teil der Gesamtmenge von Verunreinigungen und Umweltgiften des Motors läßt sich somit in einem verhältnismäßig kleinen Aggregat reinigen, welches sich sowohl vor als auch nach einer Turboladerturbine bzw. Kraftturbine plazieren läßt, da die Temperatur noch hoch genug dafür ist, daß die katalytischen Prozesse sowohl vor als auch nach der Expansion in den Turbinen ablaufen können. According to another development of the overarching measures can be provided that the partial opening time of at least one outlet valve at least partially preferably completely in the area before the up control of the inlet slot assembly falls. Because in this period of time Engine cycle no direct connection between this exhaust gas flow and the charge air reservoir, the pressure in the assigned Ab gas tank higher than in the charge air storage, without this going back will flow. This partial exhaust gas flow has a proportionate high pressure and a relatively high temperature and thus one high energy content. Because of the relatively high pressure in the assigned exhaust gas storage increases the potential for implementing the Energy in the exhaust gas in mechanical work. This potential can be practical used in a connected turbocharger turbine and / or power turbine become. Furthermore, this exhaust gas flow, which is only a limited one Part of the total amount of exhaust gas, a substantial part of the Contain total amount of contaminants and environmental toxins. A big one Most of the total amount of pollution and environmental toxins from the Motors can thus be cleaned in a relatively small unit, which is both before and after a turbocharger turbine or Power turbine because the temperature is still high enough that the catalytic processes both before and after the expansion in can run off the turbines.
In jedem Fall kann vorgesehen sein, daß die Teilöffnungszeit wenigstens eines Auslaßventils zumindest teilweise in den Bereich zwischen Auf- und Absteuerung der Einlaß-Schlitzanordnung fällt, oder diesen Bereich ganz deckt. Durch den dabei entstehenden Abgasteilstrom wird zweckmäßig ein eigener Abgasturbolader angetrieben, welcher zusammen mit einem durch den oben erwähnten Abgasteilstrom, dessen Teilöffnungszeit zumindest teilweise vor die Aufsteuerung der Einlaßschlitzanordnung fällt, beauf schlagbaren Abgasturbolader, den Bedarf des Motors an Fül lungsluftmenge mehr als decken kann. Somit entsteht die Möglichkeit, daß die überschüssige Energiemenge im Gesamtabgasstrom zum Treiben ir gendeiner Form von zweckmäßig parallel geschalteter Kraftturbine genutzt werden kann, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Motors erhöht wird. Die Parallelschaltung hat den Vorteil, daß sich jeweils eine vergleichswei se kleine Baugröße ergibt.In any case, it can be provided that the partial opening time at least of an exhaust valve at least partially in the area between opening and Discharge of the inlet slot arrangement falls, or this area entirely covers. The resulting partial exhaust gas stream expediently turns a own exhaust gas turbocharger driven, which together with one the above-mentioned partial exhaust gas flow, the partial opening time of which at least partially falls before the control of the inlet slot arrangement, beatable exhaust gas turbocharger, the engine's need for filling air volume more than can cover. This creates the possibility that the excess amount of energy in the total exhaust gas flow for driving ir used in the form of a suitably connected power turbine can be increased, which increases the overall efficiency of the engine. The parallel connection has the advantage that a comparative one small size results.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterentwicklun gen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprü chen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung an hand der Zeichnung näher entnehmbar.Further advantageous configurations and expedient further developments The overriding measures are in the remaining subclaims Chen specified and from the example description below can be seen from the drawing.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:In the drawing described below:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zweitakt-Großdieselmotors mit mehreren Auslässen. Fig. 1 is a schematic representation of a large two-stroke diesel engine according to the invention with several outlets.
Fig. 2 ein Diagramm des Abgas- und Füllungsvolumenstroms über dem Kurbelwinkel bzw. der Zeit. Fig. 2 is a diagram of the exhaust gas and filling volume flow over the crank angle or the time.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise von Zweitakt-Großdie selmotoren, wie sie beispielsweise als Schiffsantriebe Verwendung finden können, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zu sammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Derartige Motoren enthal ten in der Regel mehrere, in Reihe nebeneinander angeordnete Zylinder 1, von denen in Fig. 1 stellvertretend lediglich ein Zylinder 1 dargestellt ist. Jedem Zylinder 1 ist ein mit der nicht näher dargestellten Kurbelwelle zu sammen wirkender Kolben 2 zugeordnet, der einen Brennraum 3 begrenzt. Dem Brennraum 3 werden Brennstoff und Luft zugeführt. Der Brennstoff, hier Dieselöl, wird eingespritzt. Die Einspritzeinrichtung ist in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Zufuhr der Luft erfolgt über im Bereich der Zylinderwand angeordnete Einlaß-Schlitze 4, die vom Kolben 2 im Bereich des unteren Kolbentotpunkts überfahren und damit auf und abgesteuert werden.The basic structure and mode of operation of two-stroke large diesel engines, such as those that can be used, for example, as ship propulsion systems, are known per se and therefore require no further explanation in the present context. Such engines usually contain a plurality of cylinders 1 arranged in a row next to one another, of which only one cylinder 1 is shown in FIG. 1. Each cylinder 1 is associated with a piston 2 , which acts together with the crankshaft, not shown, and which delimits a combustion chamber 3 . The combustion chamber 3 is supplied with fuel and air. The fuel, here diesel oil, is injected. The injection device is not shown in FIG. 1 for reasons of clarity. The air is supplied via inlet slots 4 which are arranged in the region of the cylinder wall and are run over by the piston 2 in the region of the lower piston dead center and are thus driven up and down.
Die Ladeluft wird unter Verwendung der Energie des Abgases vorverdich tet. Hierzu ist eine Anordnung mit hier zwei Abgasturboladern 5, 6 vorge sehen, denen ein gemeinsamer Ladeluftkühler 7 nachgeordnet ist, durch den die Temperatur der Ladeluft herabgesetzt wird. Dem Kühler 7 ist ein über alle Zylinder 1 durchgehender Ladeluftspeicher 8 nachgeordnet, von dem Stichleitungen 9 zu den einzelnen Zylindern 1 abgehen.The charge air is pre-compressed using the energy of the exhaust gas. For this purpose, an arrangement with two exhaust gas turbochargers 5 , 6 is provided, which is followed by a common charge air cooler 7 , through which the temperature of the charge air is reduced. Downstream of the cooler 7 is a charge air accumulator 8 which extends through all cylinders 1 and from which branch lines 9 to the individual cylinders 1 depart.
Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über mehrere, im Be reich des Zylinderkopfes angeordnete Auslässe 10, 11, 12 aus dem Brenn raum 3 ausgestoßen. Im dargestellten Beispiel sind drei Auslässe 10, 11, 12 vorgesehen. Jeder Auslaß 10, 11, 12 kann mittels eines zugeordneten Auslaßventils 13, 14, 15 verschlossen bzw. geöffnet werden. Jeder Auslaß 10, 11, 12 ist über einen zugeordneten Auslaß-Stutzen 16, 17, 18 mit ei nem zugeordneten Abgas-Sammelrohr 19, 20, 21 verbunden. Die einander entsprechenden Auslässe 10 bzw. 11 bzw. 12 sämtlicher Zylinder 1 sind dabei jeweils an dasselbe Abgas-Sammelrohr 19 bzw. 20 bzw. 21 an geschlossen. The exhaust gas generated during combustion is expelled from the combustion chamber 3 via a plurality of outlets 10 , 11 , 12 arranged in the cylinder head. In the example shown, three outlets 10 , 11 , 12 are provided. Each outlet 10 , 11 , 12 can be closed or opened by means of an associated outlet valve 13 , 14 , 15 . Each outlet 10 , 11 , 12 is connected to an associated exhaust manifold 19 , 20 , 21 via an associated outlet connector 16 , 17 , 18 . The corresponding outlets 10 or 11 or 12 of all cylinders 1 are each closed to the same exhaust manifold 19 or 20 or 21 .
Die Auslaßventile 13, 14, 15 sind unabhängig voneinander betätigbar. Die hierfür vorgesehenen Betätigungseinrichtungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Steuerung der Betätigungseinrich tungen der Auslaßventile 13, 14, 15 ist so eingerichtet, daß die Auslässe 10, 11, 12 jedes Zylinder 1 nacheinander offen sind. Überschneidungen sind möglich. Es ergibt sich dementsprechend eine im Diagramm gemäß Fig. 2 mit Ta angedeutete Öffnungszeitspanne, innerhalb welcher die Auslässe 10, 11, 12 geöffnet sind. Diese Zeitspanne reicht hier über die mit Te bezeichnete Zeitspanne, innerhalb der die Einlaß-Schlitze 4 geöffnet sind, nach vorne und hinten hinaus. In einzelnen Fällen kann eine Verlän gerung von Ta gegenüber Te nur in einer Richtung vorgesehen sein.The outlet valves 13 , 14 , 15 can be actuated independently of one another. The actuating devices provided for this purpose are not shown for reasons of clarity. The control of the actuation lines of the exhaust valves 13 , 14 , 15 is set up so that the outlets 10 , 11 , 12 of each cylinder 1 are successively open. Overlaps are possible. The result is accordingly indicated in the graph of FIG. 2 with T a opening time period within which the outlets 10, 11 open, 12. This period extends here beyond the period designated T e , within which the inlet slots 4 are open, towards the front and the rear. In individual cases, an extension of T a compared to T e can only be provided in one direction.
In Fig. 2 sind die Zeiten t1, t2, t3, t4 angegeben, die die Öffnungszeitspan ne Ta der Auslässe 10, 11, 12 in drei Teilöffnungszeiten T10, T11 und T12 unterteilen. Während T10 ist das dem Auslaß 10 zugeordnete Auslaßventil 13 offen. Diese Zeitspanne fällt ganz oder teilweise mit der Zeitspanne, in der die Einlaß-Schlitze 4, durch die Arealkurve Ve stellvertretend darge stellt, geöffnet sind, zusammen. Während T11 ist das dem Auslaß 11 zuge ordnete Auslaßventil 14 offen. Während T12 ist das dem Auslaß 12 zuge ordnete Auslaßventil 15 offen. Es ergeben sich dementsprechend mehrere, hier drei, in Fig. 2 durch die Kurven V10, V11 und V12 angedeutete Ab gasteilströme. Die Fläche unter den genannten Kurven entspricht jeweils dem zugehörigen Öffnungsbereich des betreffenden Ventils. Das Öff nungsareal des die Einlaß-Schlitze 4 passierenden, dem Brennraum 3 zu geführten Füllungsvolumenstroms ist durch die Kurve Ve angedeutet. In FIG. 2, the times t 1 t 2, t 3, t 4 indicated that divide the opening time of clamping ne T a of the outlets 10, 11, 12 into three partial opening times T 10, T 11 and T 12. During T 10 , the outlet valve 13 assigned to the outlet 10 is open. This period coincides in whole or in part with the period in which the inlet slots 4 , represented by the area curve V e , are open. During T 11 the outlet 11 assigned to the outlet valve 14 is open. During T 12 the outlet 12 assigned to the outlet valve 15 is open. There are accordingly several, here three, in Fig. 2 indicated by the curves V 10 , V 11 and V 12 from partial gas flows. The area under the curves mentioned corresponds to the associated opening area of the valve in question. The opening area of the inlet slots 4 passing through the combustion chamber 3 to the filling volume flow is indicated by the curve V e .
Der Auslaß 10 ist, wie oben ausgeführt wurde, während der über die Ein laß-Schlitze erfolgenden Spülung des Brennraums 3 offen. Der Abgasteil strom V10 ist dementsprechend der größte Abgasteilstrom. Dieser dient zum Antrieb des ersten Abgasturboladers 5. Dementsprechend ist das Ab gas-Sammelrohr 19 über eine Leitung 22 mit der Turbine 5a des Abgastur boladers 5 verbünden, dessen Verdichter 5b, wie oben schon erwähnt wurde, über eine Leitung 23 an den Ladeluftkühler 7 angeschlossen ist. Mittels des Abgasteilvolumenstroms V10 wird hier gleichzeitig eine Kraft turbine 28 angetrieben. Diese ist hier zur Erzielung kleiner Baugrößen strömungsmäßig parallel zur Turbine 5a des Abgasturboladers 5 angeord net. Auch eine serielle Anordnung wäre natürlich denkbar.The outlet 10 is, as was stated above, during the flushing of the combustion chamber 3 which takes place via the inlet slots. The exhaust gas stream V 10 is accordingly the largest exhaust gas stream. This serves to drive the first exhaust gas turbocharger 5 . Accordingly, from the gas manifold 19 is connected via a line 22 to the turbine 5 a of the exhaust gas boladers 5 , the compressor 5 b, as already mentioned above, is connected via a line 23 to the charge air cooler 7 . A power turbine 28 is driven here simultaneously by means of the exhaust gas partial volume flow V 10 . This is here to achieve small sizes in terms of flow parallel to the turbine 5 a of the exhaust gas turbocharger 5 angeord net. A serial arrangement would of course also be conceivable.
Der Auslaß 11 wird, wie sich aus Fig. 2 ergibt, bereits vor Beginn der vor stehend erwähnten Spülung geöffnet. Vor Beginn der Spülung der Brenn kammer 3 besitzt das Abgas eine vergleichsweise hohe Temperatur sowie einen vergleichsweise hohen Druck und einen hohen Gehalt an Verunrei nigungen und Umweltgiften. Der zugehörige Abgasteilstrom V11 enthält daher vergleichsweise viel Energie, die hier ebenfalls zum Antrieb eines Abgasturboladers verwendet wird. Um diese Energie voll ausnutzen zu können, ist ein eigener Abgasturbolader, hier der zweite Abgasturbolader 6, vorgesehen, dessen Turbine 6a über eine Leitung 24 an das Abgas- Sammelrohr 20 angeschlossen ist. Der Verdichter 6b des Abgas- Turboladers 6 ist hier über eine Leitung 25 an den Ladeluftkühler 7 ange schlossen. Auch hier kann, wie aus Fig. 1 entnehmbar ist, noch wenig stens eine zusätzliche, zweckmäßig parallel geschaltete Kraftturbine 29 beaufschlagt werden. The outlet 11 is, as can be seen from Fig. 2, opened before the start of the flushing mentioned before. Before the purging of the combustion chamber 3 , the exhaust gas has a comparatively high temperature and a comparatively high pressure and a high content of impurities and environmental toxins. The associated exhaust gas partial flow V 11 therefore contains a comparatively large amount of energy, which is also used here to drive an exhaust gas turbocharger. In order to be able to fully utilize this energy, a dedicated exhaust gas turbocharger, here the second exhaust gas turbocharger 6 , is provided, the turbine 6 a of which is connected via a line 24 to the exhaust gas manifold 20 . The compressor 6 b of the exhaust gas turbocharger 6 is connected here via a line 25 to the charge air cooler 7 . Here, too, as can be seen from FIG. 1, an additional, expediently connected power turbine 29 can be acted upon at least a little.
In den Abgas-Sammelrohren 19 und/oder 20 können Katalysatoren ange ordnet sein, die jeweils Rußfilter und NoX-Katalysator-Elemente enthalten. Die Menge von Verunreinigungen und Umweltgiften, die an die Umgebung abgegeben wird, hängt somit davon ab, ob Katalysatoren in beiden Teil strömen V10 und V11, nur in einem oder in keinem dieser Teilströme ange ordnet sind.In the exhaust manifolds 19 and / or 20 , catalysts can be arranged, each containing soot filters and No X catalyst elements. The amount of impurities and environmental toxins that are released into the environment thus depends on whether catalysts flow in both parts V 10 and V 11 , only in one or none of these partial flows.
Im Vergleich mit der totalen Menge ist der Teilstrom V11 klein, enthält aber, wie oben erwähnt, eine große Menge von Verunreinigungen und Umwelt giften. Somit ist eine bedeutende Reduktion der gesamten Menge von Ver unreinigungen und Umweltgiften, die an die Umgebung abgegeben wird, dadurch erreichbar, daß ein verhältnismäßig kleiner Katalysator in diesem Teilstrom angebracht wird. Ferner wird die Temperatur des Teilstroms 20 dafür hoch genug sein, daß die notwendigen katalytischen Prozesse in ei ner nach der Turbine angeordneten Katalysator problemlos verlaufen kön nen. Mit diesem Prinzip wird es möglich, durch Behandlung von weniger als 25% des gesamten Abgasstroms, die Menge der an die Umgebung ab gegebenen Verunreinigungen um mehr als 50% zu reduzieren.Compared to the total amount, the partial flow V 11 is small, but, as mentioned above, contains a large amount of contaminants and environmental toxins. Thus, a significant reduction in the total amount of contaminants and environmental toxins released into the environment can be achieved by placing a relatively small catalyst in this substream. Furthermore, the temperature of the partial stream 20 will be high enough that the necessary catalytic processes in egg ner arranged after the turbine catalyst can run smoothly. With this principle it becomes possible, by treating less than 25% of the total exhaust gas flow, to reduce the amount of contaminants released to the environment by more than 50%.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel fällt die Öffnungszeitspanne für Abgasstrom V11 vor den Zeitpunkt der Aufsteuerung der Einlaß- Schlitzanordnung 4. Wie oben erwähnt bewirkt dies, daß im Abgassammel rohr 20 ein höherer Druck als im Ladeluftspeicher 8 vorhanden ist, wo durch die durch die Turbinen 6a bzw. 29 auszuführende Expansionsarbeit erhöht wird. Wünscht man eine größere Reduktion der gesamten Menge von Verunreinigungen und Umweltgiften als die oben erwähnten 50%, läßt sich die Öffnungszeitspanne des Abgasstroms V11 verlängern, so daß sie die Öffnungszeitspanne der Einlaß-Schlitzanordnung 4 überschneidet. Da durch wird die Abgasmenge V11 erhöht und die durch die im Abgassam melrohr 20 vorgesehene Katalysatoranordnung katalytisch bearbeitete Menge vergrößert.In the example shown in FIG. 2, the opening period for exhaust gas flow V 11 falls before the time at which the inlet slot arrangement 4 is opened . As mentioned above, this causes that in the exhaust manifold tube 20 a higher pressure than in the charge air reservoir 8 is present, where the expansion work to be carried out by the turbines 6 a and 29 is increased. If a greater reduction in the total amount of contaminants and environmental toxins than the above-mentioned 50% is desired, the opening period of the exhaust gas flow V 11 can be extended so that it overlaps the opening period of the inlet slot arrangement 4 . Since the amount of exhaust gas V 11 is increased and the amount catalytically processed by the catalytic converter arrangement provided in the exhaust pipe 20 increases.
Der Auslaß 12 ist nach Beendigung des oben erwähnten Spülvorgangs offen. Der zugehörige Abgasteilstrom V12 enthält daher nur noch ver gleichsweise wenig Verunreinigungen und besitzt eine vergleichsweise tiefe Temperatur. Der Abgasteilstrom V12 kann daher zusammen mit fri scher Ladeluft dem Brennraum 3 wieder zugeführt werden. Diese Rezirku lation senkt die benötigte Ladeluftmenge ab, so daß sich eine vergleichs weise kleine Baugröße der Abgasturbolader 5 und 6 ergibt.The outlet 12 is open after completion of the above-mentioned flushing process. The associated exhaust gas partial flow V 12 therefore contains only comparatively little contamination and has a comparatively low temperature. The exhaust gas partial flow V 12 can therefore be fed back to the combustion chamber 3 together with fresh charge air. This Rezirku lation reduces the amount of charge air required, so that there is a comparatively small size of the exhaust gas turbocharger 5 and 6 .
Der Abgasteilstrom V12 kann direkt dem Ladeluftspeicher 8 zugeführt wer den. Im dargestellten Beispiel wird der Abgasteilstrom V12 in den Ladeluft kühler 7 eingespeist, wie durch eine vom Abgas-Sammelrohr 21 abgehen de, zum Ladeluftkühler 7 führende Leitung 26 angedeutet ist. Auch die Verwendung eines eigenen Kühlers wäre denkbar. In der Leitung 26 ist ei ne Reinigungseinrichtung in Form eines Rußfilters 27 angeordnet, das im Abgasteilstrom V12 enthaltene Partikel entfernt. Durch die Nutzung dieses Prinzips, d. h. die Leitung des Abgasteilstroms V12 durch den Ladeluft kühler 27 oder durch einen separaten Kühler, kann erzielt werden, daß die gesamte durch die Einlaß-Schlitzanordnung 4 fließende Spülmenge erhöht wird, mit einer daraus resultierenden Verbesserung der Durchspülung des Motors mit kalter Luft/kaltem Gas und einer Reduktion der Temperatur im Zylinder 3 am Anfang der Kompression (Schließen des Abgasventils 15). Eine reduzierte Temperatur am Anfang der Kompression führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Motorprozesses.The partial exhaust gas flow V 12 can be fed directly to the charge air reservoir 8 . In the example shown, the exhaust gas partial flow V 12 is fed into the charge air cooler 7 , as indicated by a line 26 leading from the exhaust gas manifold 21 leading to the charge air cooler 7 . It would also be conceivable to use your own cooler. In line 26 , a cleaning device in the form of a soot filter 27 is arranged, which removes particles contained in the exhaust gas partial flow V 12 . By using this principle, ie the conduction of the exhaust gas partial flow V 12 through the charge air cooler 27 or through a separate cooler, it can be achieved that the total flushing quantity flowing through the inlet slot arrangement 4 is increased, with a resultant improvement in the flushing of the Engine with cold air / cold gas and a reduction in the temperature in cylinder 3 at the beginning of the compression (closing of the exhaust valve 15 ). A reduced temperature at the beginning of the compression leads to an improved efficiency of the engine process.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel fällt die Öffnungszeitspanne des Teilstroms V12 hinter den Zeitpunkt der Absteuerung der Einlaß- Schlitzanordnung 4, so daß der Kolben 2 das Abgas durch Auslaß 12, Sammelrohr 21, Rußfilter 27 und Spülluftkühler 7 zum Ladeluftspeicher 8 drücken kann. Die Öffnungszeitspanne des Teilstroms V12 kann unter ge wissen Umständen bereits vor der Absteuerung der Einlaß- Schlitzanordnung 4 anfangen, wodurch die rezirkulierende Menge erhöht werden kann. Dies erfordert jedoch den Einbau eines in Fig. 1 mit unter brochenen Linien angedeuteten Saugzuggebläses 30 im Bereich der Lei tung 26. Bei Verwendung eines Saugzuggebläses in der Leitung 26 ist vorteilhaft vor diesem ein separater Kühler 31 eingebaut, wie in Fig. 1 weiter angedeutet ist.In the example shown in Fig. 2, the opening period of the partial flow V 12 falls after the timing of the deactivation of the inlet-slot arrangement 4 , so that the piston 2 can push the exhaust gas through outlet 12 , collecting tube 21 , soot filter 27 and purge air cooler 7 to the charge air reservoir 8 . The opening period of the partial flow V 12 can begin under ge circumstances before the control of the inlet slot arrangement 4 , whereby the recirculating amount can be increased. However, this requires the installation of a induced draft fan 30 in the area of the line 26 in FIG. 1 with broken lines. When using an induced draft fan in the line 26 , a separate cooler 31 is advantageously installed in front of the latter, as is further indicated in FIG. 1.
Durch eine Mischung von sauberer Ladeluft und rezirkuliertem Abgas wer den die Temperatur sowie der Sauerstoffgehalt in der Zylinderladung am Anfang der Kompression reduziert, wodurch eine Reduktion der Möglich keiten für die Bildung von NO-Formationen während des Verbrennungs prozesses erreicht wird.Through a mixture of clean charge air and recirculated exhaust gas which the temperature and the oxygen content in the cylinder charge on The beginning of the compression is reduced, which reduces the possibility for the formation of NO formations during combustion process is achieved.
Wie oben beschrieben, ist die gesamte Menge an frischer Luft, die durch die Verdichter 5b und 6b strömt, im Vergleich zu der Menge, die bei be kannten Anordnungen mit einem gemeinsamen Auslaßventil durch den Verdichter strömt, reduziert. Ferner ist die dem reduzierten Massenstrom zugeführte Energiemenge im Vergleich zu den bekannten Anordnungen fast ungeändert. Dieses Verhältnis bedeutet, daß für die Expansion in den Turbinen 5a und 6a eine größere Menge Energie als zum Treiben der Kompressoren 5b und 6b benötigt wird, zur Verfügung steht, die in den dargestellten Kraftturbinen 28 und/oder 29 genutzt werden kann. Mit Hilfe der Kraftturbine 28 bzw. 29 können Aggregate jeder Art, beispielsweise Stromgeneratoren etc., angetrieben werden. As described above, the total amount of fresh air that flows through the compressors 5 b and 6 b is reduced compared to the amount that flows through the compressor in known arrangements with a common exhaust valve. Furthermore, the amount of energy supplied to the reduced mass flow is almost unchanged compared to the known arrangements. This ratio means that a larger amount of energy is required for the expansion in the turbines 5 a and 6 a than for driving the compressors 5 b and 6 b, which can be used in the illustrated power turbines 28 and / or 29 . With the help of the power turbine 28 or 29 , aggregates of all kinds, for example power generators etc., can be driven.
Die obige Beschreibung läßt erkennen, daß mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die besonderen Eigenschaften jedes Abgasteilstroms beson ders wirkungsvoll ausgenutzt werden können, so daß sich insgesamt eine hohe Leistungssteigerung des Motors erreichen läßt. Diese kann ohne weiteres 3-5% höher als bei den bekannten Motoren mit lediglich einem Auslaßventil sein. Im dargestellten Beispiel sind drei Abgasteilströme vor gesehen, von denen zwei dem Spülvorgang vor- bzw. nachgeordnet sind. Hierbei lassen sich besonders gute Ergebnisse erreichen. Es ist jedoch erkennbar, daß bereits eine erhebliche Steigerung schon dadurch erreich bar wäre, wenn lediglich der eine oder andere der beiden Abgasteilströme V11 bzw. V12 vorgesehen wäre.The above description shows that with the measures according to the invention, the special properties of each partial exhaust gas stream can be used particularly effectively, so that overall a high increase in engine performance can be achieved. This can easily be 3-5% higher than in the known engines with only one exhaust valve. In the example shown, three partial exhaust gas flows are seen before, two of which are upstream or downstream of the purging process. Particularly good results can be achieved here. However, it can be seen that a considerable increase would be achieved if only one or the other of the two exhaust gas streams V 11 or V 12 were provided.
Im dargestellten Beispiel ist jedem Abgasteilstrom jeweils ein Auslaß zuge ordnet. Es wäre aber auch denkbar, jedem Abgasteilstrom eine Gruppe mit mehreren Auslässen zuzuordnen. Ebenso wäre es denkbar, Überschnei dungen der Teilöffnungszeiten vorzusehen.In the example shown, each exhaust gas partial flow is supplied with one outlet arranges. But it would also be conceivable to have a group with each exhaust gas partial flow assignable to several outlets. It would also be conceivable to overlap the partial opening times.
Das dargestellte Beispiel basiert auf einem Zweitakt-Großdieselmotor. Die Erfindung kann aber auch bei anderen Zweitakt-Motoren, beispielsweise Gasmotoren, Diesel-Gasmotoren, Otto-Gasmotoren und Otto-Motoren mit Vorteil angewandt werden.The example shown is based on a large two-stroke diesel engine. The However, the invention can also be used in other two-stroke engines, for example Gas engines, diesel gas engines, Otto gas engines and Otto engines with Advantage can be applied.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R071 | Expiry of right |