DE2427819B2

DE2427819B2 - Vorrichtung zum Umwandeln von kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE2427819B2
Application number: DE2427819A
Authority: DE
Inventors: Franciscus Wilhelmus Engelbert Gasseling; Arend Harrewijne; Albertus Peter Johannes Michels
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-06-08
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2427819A1; GB1476256A; CA1004862A; NL7308176A; FR2233496A1; US3935708A; JPS5526300B2; JPS5035551A; SE7407616L; FR2233496B1; DE2427819C3; SE405147B

Description

Strömungswiderstand aufweist. Es handelt sich hier also um das eigentliche Auspuffrohr.

Wegen des zu großen Strömungswiderstandes herrscht an der Stelle, an der sich die Abgasrückführungsleitung eingangsseitig an die Abgasabführungslei- s tung anschließt, nicht der Umgebungsdruck, sondern der letztgenannte Druck vermehrt um den Druckabfall am Auspuffrohr. Da die Strömung durch das Auspuffrohr normalerweise turbulent ist und der Druckabfall am Rohr daher dem Quadrat des Abgasmassenstromes durch dieses Rohr proportional ist, nimmt der Druckabfall bei höheren Belastungen stark zu. Das Resultat ist daß bei diesen höheren Belastungen auch der der Verbrennungskammer zurückgeführte Abgasmassenstrom zunimmt Die günstige Abgasrezirkulationskurve, bei der bei verhältnismäßig hohen Belastungen gerade verhältnismäßig wenig Abgas zurückgeführt wird, geht folglich verloren. Eine Verringerung des Strömungswiderstandes des Auspuffrohres durch Verringerung der Rohrlänge ist bei Fahrzeugen meistens nicht möglich, während eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers aus räumlichen Erwägungen und aufgrund des Materialkostenpreises unerwünscht ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der mit konstruktiv einfachen Mitteln eine Abgasrezirkulation erreicht wird, und zwar derart, daß bei niedrigen Belastungen relativ viel Abgas und bei hohen Belastungen realtiv wenig Abgas rückgeführt wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch jo gelöst, daß die erste Drossel als vom Verbrennungsluftstrom betätigtes Regelventil mit einer in Abhängigkeit des an der ersten Drossel herrschenden Verbrennungsluftdruckunterschiedes einstellbaren Durchlaßöffnung ausgebildet ist, und zwar derart, daß in jedem Betriebszustand der Vorrichtung der durch die erste Drossel hindurchgehende Luftmassenstrom proportional ist der Potenz M des an der ersten Drossel herrschenden Druckunterschiedes, wobei 1 < Λ/ < 3/2 ist.

Durch die angegebene Durchlaßkurve der Drossel in der Verbrennungsluftzuführungsleitung wird wieder eine Abgasrezirkulationskurve erhalten, wobei relativ viel Abgas bei verhältnismäßig niedrigen Belastungen und relativ wenig Abgas bei verhältnismäßig hohen Belastungen zurückgeführt wird.

Die Drossel in der Verbrennungsluftzuführungsleitung kann ein durch den Luftstrom betätigtes Regelelement (Regelschieber, Drosselklappe) sein.

Außer zum Erhalten einer günstigen Abgasrezirkula- w tionskurve der Vorrichtung kann die erste Drossel gleichzeitig auch, gerade wegen der Durchlaßkurve, mit Vorteil im Luft/Kraftstoffregelsystem eines Heii'gaskolbenmotors verwendet werden.

Dazu weist eine günstige Ausführungsform der als Heißgaskolbenmotor ausgebildeten Vorrichtung, wobei die der Verbrennungskammer zuzuführenden Verbrennungsluft- und Kraftstoffmengen im Verhältnis zueinander geregelt werden mittels eines Regelsystems mit einem Regelelement, das durch von Druckunterschieds- ω aufnehmern in der Verbrennungsluft- und der Kraftstoffzuführungsleitung herrührende Signale gesteuert ist, das Kennzeichen auf. daß die erste Drossel den Druckunterschiedsaufnehmer in der Verbrennungsluftzuführungsleitung bildet und daß der Druckunter- _b·, schiedsaufnehmer in :Ιτ Kraftstoffzuführungsleitung eine dritte Drossel ist, die in gleichartiger Weise wie die erste Drossel gebildet ist, so daß in jedem Betriebszustand des Heißgaskolbenmotors der durch die dritte Drossel hindurchgehende Kraftstoffmassenstrom proportional ist der Potenz N des an der dritten Drossel herrschenden Druckunterschiedes, wobei 1 < N < 3/2 ist.

Bei einem aus der GB-PS 8 95 869 bekannten Heißgaskolbenmotor besteht der Druckunterschiedsaufnehmer in der Kraftstoffleitung aus einem Meßblendensatz und der in der Verbrennungsluftleitung aus einer Venturi-Düse. Für beide gilt, daß der Druckunterschied dem Quadrat des hindurchgehenden Massenstromes proportional ist. Bei üblichen Kraftstoffströmen mit einem Verhältnis vom kleinsten zum größten Strom entsprechend 1 :50 verhält sich der kleinste zum größten Druckunterschied dann als 1 :2500. Damit in einem derartigen sehr großen Bereich gemessen werden kann, muß das Regelelement sehr strengen Anforderungen entsprechen. Nach der Erfindung ist dies nun nicht länger notwendig. Wegen des kleinen Bereiches der Regeldrücke kann Has Regelelement einfach und billig sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung eines Heißgasmotors mit Abgaszirkulation und mit einem Regelsystem zur Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses,

F i g. 2a gestrichelt die Druckunterschied-zu-Massenstromkurven für die Drosseln in der Verbrennungsluft- und Abgasrückführungsleitung der Vorrichtung nach der deutschen Patentanmeldung P 23 18 157.9, während die gezogene Kurve die infolge des Druckabfalles im Auspuff geänderte Durchlaßkurve für die Abgasrückführungsleitung ist,

Fig. 2b die letztgenannte Kurve aus Fig. 2a im Zusammenhang mit der neuen Druckunterschied-zu-Massenstromkennlinie der Drossel in der Verbrennungsluf (zuführungsleitung,

F i g. 3 einen Teil eines Verbrennungsluftzuführungs/ Ab?asrezirkulationssystems.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Heißgasmotor bezeichnet, d. h. ein Motor, bei dem ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Arbeitsraum im Betrieb einen thermodynamischen Kreislauf macht. Diesem Arbeitsmedium wird von außen her durch einen äußeren Verbrennungsprozeß von einer Brennervorrichtung 2 herrührende Wärme zugeführt. Die Brennervorrichtung 2 enthält eine Verbrennungskammer 3, an die sich eine Kraftstoffzuführungsleitung 4, eine VerbrennungsluftZvjführungsleitung 5 und eine Abführungsleitung für Abgase 6 anschließen. In die Verbre.v nungsluftzuführungsleitung 5 und die Abgasabführungslutung 6 ist ein Wärmeaustauscher 7 aufgenommen, als Vorerhitzer bezeichnet, in dem Verbrennungsluft auf dem Weg zur Verbrennungskammer 3 durch Abgase, die die Verbrennungskammer bereits verlassen haben, vorerwärmt wird. Die Verbrennungsluft wird durch einen Ventilator 8 "ngesaugt.

In der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 ist an der Ansaugscite des Ventilators 8 eine erste Drossel 9 vorhanden. Zwischen der Abgasabführung sleitung 6 und der Vcrbrennungsluftzuführungsleüung 5 ist eine Abgasrückführungsleitung 10 vorhanden, die sich an den zwischen dem Vendator 8 und der ersten Drossel 9 liegenden Teil der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 anschließt. In der Abgasrückführungsleitung 10 befindet sich eine zweite Drossel 11.

Der Verbrennungskammer 3 wird von einem

Kraftstoffbehälter 12 herrührender Kraftstoff durch eine Kraftstoffpumpe 13 zugeführt. Ein Entlastungsventil 14 sorgt für einen konstanten Druck am Ausgang der Kraftstoffpumpe 13. In der Kraftstoffzuführungsleitung 4 ist weiter eine dritte Drossel 15 vorhanden. Im Betrieb des Motors werden die an den Drosseln 9 und 15 herrschenden Druckunterschiede einem Regelelement 16 zugeführt, das eine Regelklappe 17 in der Kraftstoffzuführungsleitung 4 betätigt, damit der Kraftstoffstrom auf den Verbrennungsluftstrom in der Leitung 5 abgestimmt wird.

Nach der deutschen Patentanmeldung P 23 18 157.9 ist die Drossel 9 eine laminare Drossel, für die gilt, daß, ungeachtet des Ansaugdruckes des Ventilators 8. die Strömung der Verbrennungsluft durch diese Drossel immer laminar ist.

Der von der laminaren Drossel 9 durchgeiassene Luftmassenstrom ist dann immer dem Druckunterschied an dieser Drossel direkt proportional.

Gleichzeitig ist dabei entsprechend der obengenannten Anmeldung die Drossel 11 eine turbulente Drossel, für die gilt, daß die Strömung von Rauchgas durch diese Drossel immer turbulent ist. Der vom Ventilator 8 aus der Abgasabführungsleitung 6 über die Abgasrückführungsleitung 10 angesaugte Abgasmassenstrom ist dann immer der Wurzel aus dem Druckunterschied an dieser Drossel nahezu proportional.

Tritt kein oder nahezu kein Druckabfall im Teil 6' der Abgasabführungsleitung 6 auf, so daß am AnschluD-punkt 18 der Abgasrückführungsleitung 10 nahezu der Umgebungsdruck herrscht wie am Eingang der Drossel 9. so ist der Zusammenhang zwischen dem Verbrennungsluftmassenstrom bzw. rezirkulierten Abgas und dem an der betreffenden Drossel herrschenden Druckunterschied in diesem Fall wie es in F i g. 2a durch die gestrichelten Kurven angegeben ist.

Senkrecht ist der Druckunterschied AP aufgetragen, horizontal der Massenstrom m.

Durch rhi ist die Kurve für den Verbrennungsluftmassenstrom angegeben, durch 1TI2 die Kurve für den rezirkulierten Abgasmassenstrom.

Aus den Kurven geht hervor, daß bei zunehmender Belastung des Motors, wobei mehr Verbrennungsluft zugeführt wird, das Verhältnis rhj/m^ abnimmt. Weist nun jedoch der Leitungsteil 6' einen verhältnismäßig großen Druckabfall auf. so daß an der Stelle des Anschlußpunktes 18 ein höherer Druck als der Umgebungsdruck herrscht, so ändert sich die Kurve für den zurückgefürr'.en Abgasmassenstrom rhi und nimmt die Gestalt der durchgezogenen Kurve an.

Damit dennoch wieder eine günstige Abgasrezirkulationskurve erhalten wird, ist nun die Drossel 9 in der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 nach F i g. I derart ausgebildet, daß der durch diese Drossel hindurchgehende Verbrennungsluftmassenstrom der Potenz 3/2 des an dieser Drossel herrschenden Druckunterschiedes proportional ist. d. h.:

m, = C ■ (ΔΡΡ¹¹,

κι wobei Ceine Konstante ist.

Umgekehrt läßt sich dies wie folgt schreiben:

ΔΡ = G ■ m,">.

Die durchgezogene Kurve aus Fig. 2a für den rezirkulierten Abgasmassenstrom /7J2 und die Kurve für den Verbrennungsluftstrom m\ durch die geänderte Drossel 9, welche Kurve der Beziehung

rih = C (ΔΡ)"

entspricht, sind zusammen in F i g. 2b wiedergegeben.

Aus Fig. 2b geht hervor, daß bei zunehmendem Verbrennungsluftstrom rhu also bei größerer Belastung des Motors, das Verhältnis Ih₂IrJIi abnimmt. Bei niedrigeren Belastungen wird also verhältnismäßig

2% mehr Abgas zur Verbrennungskammer zurückgeführt als bei i.Oiieren Belastungen, was erwünscht ist.

In F i g. 3 ist ein Teil des Verbrennungsluftzuführungs-Abgasrezirkulationssystems nach Fig. 1 in einer praktischen Ausführungsmöglichkeit dargestellt. Entspre-

jn chende Teile sind mit denselben Bezugszeichen angedeutet.

Die Drossel 11 besteht aus einem Diaphragma. Die Drossel 9 in der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 besteht aus einer Klappe 20, die unter dem Einfluß einer Zugfeder 21 normalerweise geschlossen ist, jedoch beim Ansaugen von Luft (durch den Ventilator bzw. den Motor) infolge des auftretenden Unterdrucks oberhalb der Klappe entgegen der Federspannung geöffnet wird.

Die Feder 21 und die Form der Oberfläche 22.

wodurch der Durchgang bei einer bestimmten Klappenstellung bestimmt wird, sind dabei derart gewählt worden, daß die Beziehung

m, = C- {AP?"

4s erfüllt ist.

Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen der Drossel 9 möglich. So kann beispielsweise ein federbelasteter Klappenkörper koaxial in der Leitung 5 angeordnet sein und durch exiale Verschiebung dnen profilierten Durchgang mehr oder weniger freigeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umwandeln von kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung mit mindestens einer Verbrennungskammer mit mindestens einer sich daran anschließenden Kraftstoffzuführungsleitung, mindestens einer Verbrennungsluftzuführungsleitung, in die eine erste Drossel aufgenommen ist, und mindestens einer Abgasabführungsleitung, wobei eine Abgasrückführungsleitung vorhanden ist, deren Eingangsseite an die Abgasabführungsleitung und deren Ausgangsseite an den zwischen der Verbrennungskammer und der ersten Drossel liegenden Teil der Verbrennungs- !uftzuführungsleitung angeschlossen ist, und wobei in die Abgasrückführungsleitung eine zweite Drossel aufgenommen ist, die eine fest eingestellte Turbulenzdrossel ist, so daß der in jedem Betriebszustand der Vorrichtung durch die zweite Drossel hindurchgehende Abgasmassenstrom nahezu proportional der Wurzel aus dem an der zweiten Drossel herrschenden Druckunterschied ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drossel (9) als vom Verbrennungsluftstrom betätigtes Regelventil mit einer in Abhängigkeit des an der ersten Drossel herrschenden Verbrennungsi-jftdruckunterschiedes einstellbaren Durchlaßöffnung ausgebildet ist, und zwar derart, daß in jedem Betriebszustand der Vorrichtung der durch die erste Drossel hindurchgehende Luftmassenstrom proportional ist der Potenz M des an dei ersten Drossel herrschen Druckunterschiedes, wobei I < M < 3/2'-,t.

2. Vorrichtung nach ^Spruch 1, ausgebildet als Heißgaskolbenmotor, wobei die der Verbrennungskammer zuzuführenden Verbrennungsmotoren u.dgl. Bei diesen Vorrichtungen wird ein Teil der Abgase, die die Vorrichtung verlassen, angezapft und mit Verbrennungsluft vermischt, der Verbrennungskammer zurückgeführt. Die zurückgeführten Abgase sorgen wegen ihrer Wärmekapazität dafür, daß die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer nicht zu hoch ansteigt. Auf diese Weise wird erreicht, daß Sticks.toffoxyde nur in geringem Maße gebildet werden. Die Bildung gesundheitsschädlicher .Stickstoffoxyde nimmt nämlich mit der Temperatur, bei der die Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches stattfindet, stark zu.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umwandeln von kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung mit mindestens einer Verbrennungskammer mit mindestens einer sich daran anschließenden Kraftstoffzuführungslcitung, mindestens einer Verbrennungsluftzuführungsleitung, in die eine erste Drossel aufgenommen ist, und mindestens einer Abgasabführungsleitung, wobei eine Abgasrückführungsleitung vorhanden ist, deren Eingangsseite an die Abgasabführungsleitung und deren Ausgangsseite an den zwischen der Verbrennungskammer und der ersten Drossel liegenden Teil der Verbrennungsluftzuführungsleitung angeschlossen ist, und wobei in die Abgasrückführungsleitung eine zweite Drossel aufgenommen ist, die eine fest eingestellte Turbulenzdrossel ist, so daß der in jedem Betriebszustand der Vorrichtung durch die zweite Drossel hindurchgehende Abgasmassenstrom nahezu proportional der Wurzel aus dem an der zweiten Drossel herrschenden Druckunterschied ist.

Eine Vorrichtung der obengenannten Art ist in der

deutschen Patentanmeldung P 23 18 157.9 der Anmelde rin vorgeschlagen worden.

Vorrichtungen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, sind beispielsweise Heißgaskolbenmotoren, Heißgasturbinen, Verbrennungsluft- und K, aftstoffmengen im Verhältnis zueinander, die geregelt werden

to mittels eines Regelsystems mit einem Regelelement, das durch von Druckunlerschiedsaufnehmern in der Verbrennungsluft- und der Kraftstoffzuführungsleitung herrührende Signale gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drossel (9) den Druckunter- schiedsaufnehmer in der Verbrennungsluftzuführungsleitung(S) bildet und daß der Druckunterschiedsaufnehmer in der Kraftstoffzuführungsleitung (4) eine dritte Drossel (15) ist, die in gleichartiger Weise wie die erste Drossel gebildet ist, so daß in jedem Betriebszustand des Heißgaskolbenmotors der durch die dritte Drossel hindurchgehende Kraftstoffmassenstrom proportional ist der Potenz N des an der dritten Drossel herrschenden Druckunterschiedes, wobei 1 < N < 3/2 ist.

Derartige Vorrichtungen bieten daher den Vorteil, daß die Luftverunreinigung auf ein Minimum beschränkt wird.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird durch Verwendung einer turbilenten Drossel in der Abgas-

JO rückführungsleituug und einer laminaren Drossel in der Verbrennungsluftzuführungsleitung automatisch erreicht, daß bei niedrigeren Belastungen der Vorrichtung, wenn verhältnismäßig geringfügige Verbrennungsluftmengen zugeführt werden, verhältnismäßig große

J5 Abgasmengen rezirkuliert werden, während bei höheren Belastungen, wenn verhältnismäßig große Verbrennungsluftmengen der Vorrichtung zugeführt werden, verhältnismäßig kleine Abgasmengen rezirkuliert werden.

Die Tatsache, daß bei geringeren Belastungen verhältnismäßig viel Abgas rezirkuliert wird, ist insbesondere bei Heißgasmotoren und Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren von Vorteil. Im Stadtverkehr werden diese Motoren im allgemeinen in geringem Maße belastet und gerade dort soll die Luftverunreinigung auf ein Minimum beschränkt werden.

Verhältnismäßig große Rezirkulation von Abgasen unter diesen Umständen sorgt dann dafür, daß nicht nur wenig Stickstoffoxyd, sondern auch wenig Kohlenmo-

V) noxyd gebildet wird. Außerdem wird vermieden, daß in den Abgasen unverbrannle Kohlenwasserstoffe und Ruß vorhanden sind. Letzteres ist der Fall, weil die Abgase für eine gute Mischung von Luft und Kraftstoff sorgen, was zu einer guten Verbrennung führt. Daß bei

γ, höheren Belastungen eine verhältnismäßig kleine Abgaszirkulation stattfindet, bietet beim Heißgasmotor und bei der Heißgasturbine den Vorteil, daß der Verbrennungsluftventilator, der zugleich Abgas ansaugt, von verhältnismäßig geringer Leistung und klein bemessen sein kann, während beim Verbrennungsmotor die maximal zu liefernde Leistung durch die Rezirkulation nur wenig verringert wird.

Es hat sich nun herausgestellt, daß die günstige Abgasrezirkulationskurve, die auf die obenstchend

h¹) beschriebene Weise erhalten worden ist, zerstört wird, wenn derjenige Teil der Abgasabführungsleitung, der, stromabwärts gesehen, jenseits der Anschlußstelle der Abgasrückführungsleitung daran liegt, einen zu großen