DE2454829A1 - Mehrzylindrige waermekraftmaschine - Google Patents

Description

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Societe Anonyme de Vehicules Industrieis et d'Equipements Mecaniques, SAVIEM,

Mehr zyllndr ige Wärmekraf tmas chine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrzylindrige Wärmekraftmaschine, und insbesondere auf Verbesserungen bei derartigen Maschinen.

Es ist bekannt, daß Wärmekräftmaschinen beim Start eine beträchtliche Verschmutzung aufgrund von Fehlzündungen herbeiführen, die auf eine unzulängliche Regulierung der Brennstoffanreicherung und auf eine ungenügende Verbrennung der schweren Anteile des Brennstoffes zurückzuführen sind, insbesondere bei niedriger Umgebungs-

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bzw. Außentemperatur. Deshalb ist es von Vorteil, wenn man ein hohes Verdichtungsverhältnis wählt, vor allem für die Eigenzündung im Fall eines Dieselmotors, was jedoch im Gegensatz zur Verringerung der Verbrennungsdruckwerte und zur Verminderung der freigesetzten Stickstoffoxide steht.

Andererseits ist es bekannt, daß die Erzeugung von Stickstoffoxiden abnimmt, wenn man ein geringeres Verdichtungsverhältnis einstellt, welches insbesondere für den Start eines Dieselmotors nachteilig ist, das jedoch durch einen Temperaturanstieg beim Einlaß wieder ausgeglichen werden kann. Weiterhin ist bekannt, daß die Rückführung von 15% der Auslaßgase die Stickstoffoxide um 50% verringert, allerdings unter der Voraussetzung, daß die Auslaßgase in kaltem Zustand wieder eingeleitet werden. In diesem Fall tritt jedoch die Schwierigkeit auf, einen außen liegenden Kreislauf mit Ventilator zu schaffen, welcher trotz der Rußablagerungen und der Ablagerung anderer Verbrennungsprodukte dauerhaft wirksam ist.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verschmutzung bei mehrzylindrigen Motoren zu verringern, während ein leichterer Start ermöglicht wird, und die Erzeugung von Stickstoffoxiden zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kraftmaschine mindestens einen für die Rückführung vorgesehenen Zylinder mit höherem Verdichtungsverhältnis aufweist, in welchem die Auslaßgase der anderen Zylinder in umgekehrter Richtung umgeleitet werden und welcher nur beim Start eine Antriebswirkung hat.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen mehrzylindrigen Dieselmotor mit einem Rückführungs zylinder;.

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Fig. 2 eine gleiche Draufsicht auf einen über einen Vergaser gespeisten Motor;

Fig. 3 eine gleiche Ansicht eines Motors mit indirekter Einspritzung; .

Fig. 4 ein Diagramm mit den Kurven für die Verbindung "zwischen den Zylindern und der Einlaß- bzw. Auslaßsammelleitung, und

Fig. 5 ein Diagramm mit den die Zufuhr zu den Zylindern in Abhängigkeit von der Belastung darstellenden Kurven.

Fig. 1 zeigt einen Dieselmotor mit sechs Zylindern C. bis C^, in welchem die Auspuffgase 1 der Zylinder C₁ bis C,- in herkömmlicher Arbeitsweise in die AuspuffSammelleitung 2 geleitet und in den Zylinder C_fi in umgekehrter Richtung entlang dem Pfeil 3 rückgeführt werden.

Die Umleitung in umgekehrter· Richtung im Zylinder C, läßt sich durch eine andere Zündeinstellung bzw. Einstellung der Einlaß- und Auslaßnocken als bei den anderen Zylindern C₁ bis Cj. erreichen.

Zur Verdeutlichung dieser besonderen Art der Verteilung zeigt Fig. 4 unter dem Bezugszeichen D, den Weg des Kolbens des Zylinders C,, während die Kurven D₁ bis D,- den jeweiligen Weg der Kolben der Zylinder Cj bis Cr darstellen. Dabei stellt die mit festem Strich eingezeichnete Kurve E, die Verbindung des Zylinders C, mit der Auslaßsammelleitung dar, während die in unterbrochenen Strichen dargestellte Kurve Ad- die Verbindung desselben Zylinders mit dem Ausgang der Einlaßsammelleitung repräsentiert. In gleicher Weise stellt die in gestrichelter Form eingezeichnete KUrVeAdL_-C- die Verbindung zwischen den Zylindern C, bis C,- und der Einlaßsammelleitung dar, während die mit festem Strich gezogene Kurve die Verbindung zwischen denselben Zylindern und der Auslaßsammelleitung repräsentiert.

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Bei einem Dieselmotor, der normalerweise einen Verdichtungswert von X aufweist, beträgt das Verhältnis beim Zylinder C, X,^ X, und bei den anderen Zylindern Xns^X, beispielsweise X= 17, Xg = 20 und Xn = 15.

Der Grundaufbau sieht vor, daß außer den von den anderen Zylindern ausgestoßenen unverbrannten Gasen kein zusätzlicher Kraftstoff in den für die Rückführung vorgesehenen Zylinder C_fi bzw. an dessen Einlaß auf der Seite der allgemeinen Auslaßsammelleitung 2 zugeführt wird.

Bei eiiiem Dieselmotor (Fig. 1) wird die Einspritzeinrichtung für den Rückführzylinder normalerweise nicht vorgesehen. Somit kann die Einrichtung dadurch verwendet werden, daß man in Höhe der Auslaßleitung 5 für die Rückführung, die mit einer zu den Zylindern C, bis C₁. führenden Einlaßleitung 6 verbunden ist, eine Einspritzdüse 4 anordnet. Diese Anordnung der Einspritzdüse 4 ermöglicht die Durchführung einer Raucherzeugung ("fumigation") durch Einspritzung - vorzugsweise im Gegenstrom - in den Einlaßstrom der rückgeführten Gase mit geeigneter Temperatur.

Der Raucherzeugungsauslaß kann leicht im Fall einer Einspritzreiehnpumpe dadurch geregelt werden, daß man die geometrischen Merkmale des Kolbens der Pumpe genau festlegt. In Abwandlung vom Zylinder Cg für die Rückführung kann dieser Zylinder seine Einspritzdüse beibehalten, die genauso wie die entsprechenden bei den Antriebs zylindern C. bis C,- vorgesehenen Einspritzdüsen ist.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem man auf der Abszisse die Belastung θ und auf der Ordinate die Einspritzmenge Q aufgetragen hat, wobei die Kurve A die Einspritzmenge im Zylinder C_fi in Abhängigkeit von der Belastung zeigt, während die Kurve B die Einspritzmenge in den Zylindern C, bis C₁. darstellt.

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Wie daraus ersichtlich ist, verändert sich die Auslaßmenge des Zylinders C, (Kurve A) in umgekehrter Richtung zur Auslaßmenge der Antriebszylinder C. bis Cc (Kurve B), so daß eine für den Start günstige Überlastmenge (schraffierter Bereich) entsteht, worauf der Auslaß gegen Null geht, wenn beispielsweise die halbe Belastung bei den anderen Zylindern C. bis C₅ überschritten ist.

Somit wird ein Wärmeausgleich durch Wiedererwärmung des EinlaB-stromes erzielt, wodurch überschüssige Luft verringert und der Ausstoß unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Auspuffgasen der Antriebszylinder vermieden wird, ohne daß die Füllung bei erhöhter Belastung geändert wird, wobei das Fehlen einer Einspritzung in den Zylinder C_fi für die Rückführung dem Grundkühlkreislauf weicht, welcher die oxidierten Gase betrifft, die in kaltem Zustand zurückgeführt werden, so daß die Erzeugung vpn Stickstoffperoxid vermindert wird.

In diesem Fall verringert dieser rückgeführte Anteil die Füllung nicht, da er die oxidierte Zuladung zur Antriebsmittellast des Motors darstellt, die sich im Zylinder entwickelt und die übliche überschüssige Luft ersetzt, die zu Anfang der Erzeugung von NOx durch die Anwesenheit von zuviel freiem Sauerstoff vorliegt.

Am Ausgang der Auslaßsammelleitung ist ein Drosselventil 7 wie bei der bekannten Anordnung so vorgesehen, daß die Motorbremse noch erhöht wird.

Die Einlaßsammelleitung 6 weist oberhalb des Verteilers der Zylinder C. bis Cv bei normalem Betrieb einen Knotenpunkt 8 auf, an welchem die Durchmischung der frischen Luft und der rückgeführten Gase unter oder ohne Raucherzeugung stattfindet. Der Motor kann mittels eines Verdichters 9 aufgeladen werden, welcher über eine Turbine 10 angetrieben wird, die selbst wiederum durch die Auslaßgase betrieben wird, wobei das Rückführungssystem nicht den äußeren Aufladekreislauf berührt, da das erste im Inneren des Motors liegt.

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Bei einem aufgeladenen Dieselmotor kann das Fehlen eines Antriebszylinders, der den Rückfiihrungszylinder C, bildet, insofern ausgeglichen werden, was die nominale Leistung des Motors durch höhere Aufladung aufgrund der niedrigeren volumetrischen Kompression der Zylinder C. bis C₁. - also der-Leistungszylinder - anbelangt, wobei die Eignung zum Start durch anfängliche Einwirkung des Rückführzyländers mit höherem Verdichtungsverhältnis sichergestellt ist.

Beim Start ist das Drosselventil 7 in der Auslaßleitung geschlossen, so daß der Zylinder C_fi die aus den anderen Zylindern C. bis C₁. ausströmenden Gase wieder aufnimmt, deren erste Zündungen zu einem Auslaß führen, der reich an leichten Brennstoffanteilen ist, so daß sie eine ausgezeichnete Startlast darstellen.

Die Zündung dieser Last wird durch das hohe Verdichtungsverhältnis des Rückführzylinders und dessen Aufladung in der Leitung 5 erleichtert, und zwar im Fall eines Motors mit 5 + 1 Zylindern.

Nach Verbrennung der anfänglichen Last, die den einzigen Fall einer Antriebsarbeit des .Rückführzylinders C, darstellt, erhöht sich der Drehzahlbereich beim Start aufgrund der Impulse und der Auslaß über bzw. vor der Einlaßsammelleitung erwärmt die für die fünf normalen Zylinder C. bis C₅ vorgesehe Luft wieder, wodurch deren Zündung sichergestellt ist, und damit das Ersetzen der unverbrannten Mischung durch verbrannte Gase in der Auslaßsammelleitung, oder der Auslaß wird weiterhin in den Rückführungszylinder zurückgeleitet.

Bei normaler Arbeitsweise führt der Rückführungszylinder C, einen Teil der Auslaßgase der fünf anderen Antriebszylinder zurück, dosiert diese und kühlt sie ab.

Die zurückgeführte Menge ist umgekehrt proportional zur Temperatur der Auslaßgase, und zwar im vorliegenden Fall:

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Q rückgef. 1 T einl. P ausl.

r—· = — χ χ —

Q angesaugt 5 T aus. P einl.

von 7-bis 10% bei einer Auslaßtemperatur T, die zwischen 600 C und 300°C bei vollständiger Öffnung der Einlaßleitung variiert. Bei einem Motor mit Benzinbetrieb nimmt der rückgeführte Anteil im umgekehrten Verhältnis zum Einlaßdruck und damit der Belastung zu.

Das Verdichtungsverhältnis des RückführungsZylinders ist ausreichend hoch, so daß man einen Kühlkreislauf erhält, welcher eine Rückübertragung der in den zur Rückführung entnommenen Auslaßgasen enthaltenen Wärme auf Wasser. Die Gleichung zeigt, daß die Druckwerte und der Wärmewert des Kühlkreislaufs nahe den Werten des Motorkreislaufs liegen. Der Wärmehaushalt des Motors und das Wärmeverhalten des Rückführungszylinders sind bei diesem vorliegenden Fall ohne weitere Veränderungen angenommen.

Daraus ergibt sich, daß am Ausgang des Zylinders die rückgeführten Auslaßgase wieder in Erscheinung treten, die auf eine Temperatur nähe der Einlaßtemperatur abgekühlt sind, und die gegebenenfalls noch durch zusätzlichen Treibstoff am Ausgang des Rückführungszylinders reduziert werden können.

Bei einem Dieselmotor ergibt sich, daß das niedrige Verdichtungsverhältnis der Antriebszylinder - das dank der Verbesserung der Startbedingungen durch die Doppelwirkung des Rückführungszylinders möglich ist - eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und eine Verminderung der Erzeugung von NOx ermöglicht. Zudem wird der Startvorgang erleichtert und die Ausstoßmenge an Kohlenwasserstoffen wird verringert, während' der Betrieb der Kühlrückfiihrung unabhängig von der Reinheit der Auspuffgase eine automatisch dosierte Last Inertgase ergibt, die die Produktion von NOx verringert, ohne die Füllung der Antriebszylinder mit geringem Verdichtungsverhältnis zu verändern.

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Das Fehlen eines Antriebszylinders im Fall eines Motors mit 6 Zylindern läßt sich durch eine hohe Aufladung ausgleichen, die von den Antriebszylindern mit hohem Kompressionsverhältnis leichter aufgenommen wird.

Andererseits liegt es auf der Hand, daß der Rückführzylinder - da er kein Antriebszylinder ist - nicht bei der Berechnung des Hubraumes des Motors in Rechnung zu ziehen ist. Man kann ihn aufgrund seines umgekehrten Auslasses sogar abziehen.

Zu beachten ist, daß der Massenanteil der rückgeführten Gase in etwa folgender Gleichung entspricht:

M rückgeführt η P ausgelassen T Einl.

M eingelassen N P eingelassen T Ausl.

wobei η die Anzahl der Rückführzylinder und N die Anzahl der Antriebszylinder ist.

Bei einem Dieselmotor werden die folgenden Werte bei n/N = 1/5 erreicht:

- bei voller Belastung: ψ = 8% (T Einl. = 600°C)

- bei 1/4 Belastung: f = 12%

Gerade die Wirkung der abnehmenden Auslaßtemperatur erhöht die Masse der rückgeführten Gase, die umso reicher an Sauerstoff sind, je schwächer die Last ist. Diese Ausführungen gelten für einen Motor mit natürlicher Ansaugung oder für einen aufgeladenen Turbomotor.

Bei einer Brennkraftmaschine (vorhergehende Mischung des Brennstoffes und gesteuerte Zündung) wird ψ> :

- bei vollständiger Öffnung: f^ 7%

- bei Druckverminderung, 0,5 at.: ^Ξ=" 15%

Eben die Wirkung des abnehmenden Einlaßdruckes läßt die rückgeführ te Menge ansteigen, die aus oxidiertem Gas mit etwas freiem Sauerstoff besteht, woraus sich eine Erhöhung der Massenlast des bei je

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— Q —

dem Arbeitstakt arbeitenden Gases ergibt, und zwar ohne Verminderung der Anreicherung von CnHm/02, und ohne entsprechende Verminderung der Auslaßtemperatur bei einem höheren Druck in der Einlaßsanmelleitung. Dies kann ein Faktor bei der Erhöhung der Leistung mit einem Teil der Last sein, unabhängig von der Verbesserung der Verbrennungsbedingungen und der Möglichkeiten der Wiedererwärmung -durch Vermischung.

Fig. 2 zeigt einen Motor mit gesteuerter Zündung und vorhergehender Mischung mittels eines Vergasers 11.

In diesem Fall wird für den Zylinder C₆ ein höheres Verdichtungsverhältnis eingestellt, ohne daß jedoch das Verdichtungsverhältnis der anderen Zylinder verändert wird. Beispielsweise ist das Verdichtungsverhältnis des Zylinders C, X_fi = 10, während das Verdichtungsverhältnis X der anderen Zylinder Xn 7 beträgt.

Die Zündkerze 12 des RückführZylinders C, wird beibehalten und in gleicher Weise wie bei den anderen Zylindern angeordnet.

Fig. 3 zeigt einen Motor mit indirekter Treibstoffeinspritzung, welcher eine in bezug auf denselben Motor ohne Rückführzylinder unveränderte Einspritzeinrichtung aufweist, und bei welcher die Zuführzweigleitung zum Zylinder C, zur Rückführung beibehalten

werden kann.

In diesem Fall behält man die dem Rückführzylinder entsprechende Einspritzdüse 14 bei, welche im Gegenstrom auf der Seite der Einlaßleitung in den Auslaßstrom einspritzt, welcher dazu beiträgt, zusätzlichen versprühten Treibstoff, der darin enthalten ist und möglicherweise vorerwärmt wurde, bevor er mit dem Luftauslaß der Einlaßleitung vermischt wird, noch zu erhöhen, wobei sich die Temperatur des Luftauslasses durch Vermischung mit den rückgeführten oxidierten Gasen erhöht.

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Das Verdichtungsverhältnis des Rückführzylinders C- kann so gewählt werden, daß die Ausgangstemperatur der rückgeführten Gase , die durch den Kühlkreis geführt werden, so hoch ist, daß man in der Einlaßsammelleitung 6 einen angemessenen Wiedererwärmungswert erhält.

Es liegt auf der Hand, daß für den Fachmann verschiedene Modifizierungen und Änderungen möglich sind, sowohl an den Vorrichtungen wie auch am Verfahren, die im vorhergehenden nur als Beispiel erläutert wurden, ohne über den Umfang der Erfindung hinauszugehen.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. / Mehrzylindrige Wärmekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine mindestens einen für die Rückführung vorgesehenen Zylinder .(C,) mit höherem Verdichtungsverhältnis aufweist, in welchem die Auslaßgase der anderen Zylinder (Cj .bis C_) in umgekehrter Richtung umgeleitet werden und welcher nur beim Start eine Antriebswirkung hat.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Falle eines Dieselmotors die anderen Zylinder (C. bis C₁.) ein für ein Arbeiten in warmem Zustand optimales Verdichtungsverhältnis aufweisen, ohne Berücksichtigung der Erfordernisse beim Start.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der für die Rückführung vorgesehenen Zylinder (C,) gleich einem Fünftel oder einem Viertel der Anzahl der anderen bzw. Antriebszylinder (C. bis C*) ist.

4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Rückführung vorgesehene Zylinder (C,) über den am wenigsten stark erwärmten Punkt der Auslaßsammelleitung versorgt ist,, und daß die Auslaßsammelleitung (2) mit einem Absperrteil (7) versehen ist, welches für die Rückführung der von den anderen Zylindern (C, bis C₅) kommenden Auslaßgase vorgesehen ist und bei normalem Betrieb eine Auslaßbremse darstellt.

5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung (5) des für die Rückführung vorgesehenen Zylinders (C,) vor der Zylinderanordnung so mündet, daß eine Begünstigung der Mischung der rückgeführten Gase mit den aus der Einlaßleitung (6) kommenden frischen Gasen erzielbar ist.

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6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (5) am Ausgang des Zylinders (C,) eine Einspritzdüse (4, 14) angeordnet ist, deren Strahl vorzugsweise im Strom der abgekühlten verbrannten Gase gegen diesen Strom gerichtet ist.

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