DE7438621U

DE7438621U - Mehrzylindrige waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE7438621U
Application number: DE7438621U
Authority: DE
Original assignee: Societe Anonime de Vehicules Industriels et dEquipements SA SAVIEM
Current assignee: Societe Anonime de Vehicules Industriels et dEquipements SA SAVIEM
Priority date: 1973-11-28
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1977-11-10
Also published as: US3941113A; FR2252762A5; GB1474583A; DE2454829A1; DE2454829B2

Description

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

Mehrzylindrige Wärmekraftmaschine

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

Es ist bekannt, daß Wärmekraftmaschinen 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 armöglichU 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 Rückführungszylinder;

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

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

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 darstellanden Kurven.

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

Die Umleitung in umgekehrter Richtung im Zylinder C_fi läßt sich durch eine andere Zündeinstellung bzw. Einstellung der fcinlaßund. Auslaßnocken als bei den anderen Zylindern C. bis C- erreichen.

Zur Verdeutlichung dieser besonderen Art der Verteilung zeigt Fig. 4 unter dem Bezugszeichen D, den Weg des Kolbens des Zylinders Cg, während die Kurven D. bis D, den jeweiligen Weg der Kolben der Zylinder C. bis Cc darstellen. Dabei stellt die mit festem Strich eingezeichnete Kurve E, die Verbindung des Zylinders C, mit der

ο ο

Auslaßsammelleitung dar, während die in unterbrochenen Strichen dargestellte Kurve Ad, die Verbindung desselben Zylinders mit aem

Ausgang der Einlaßsammelleitung repräsentiert. In gleicher Weise stellt die in gestrichelter Form eingezeichnete Kurve Ad,- die Verbindung zwischen den Zylindern C, bis C₁. und der Einlaßsammelleitung dar, während die mit festem Strich gezogene Kurve die Verbindung zwischen denselben Zylindern und der Auslaßsammelleitung repräsentiert.

Bei einem Dieselmotor, der normalerweise einen Verdicht.ungswert von X aufweist, beträgt das Verhältnis beim Zylinder C, X,^> X,

D D

und bei den anderen Zylindern Xns^X, beispielsweise X= 17, X_f = 20 und Xn = 15.

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

Bei einem 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 C,- führenden Einlaßleitung 6 verbunden ist, eine Einspritzdüse 4 anordnet. Diese Anordnung dei 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 ν*.πι Zylinder C, für die Rückführung kann dieser Zylinder seine Einspritzdüse beibehalten, die genauso wie die entsprechenden bei den Antriebszylindern C. bis C₅ 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- in Abhängigkeit vcn 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 C₅ (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 Cj bis C₅ überschritten ist.

Somit wird ein Wärmeausgleich durch Wi ed er erwärmung des Einlaßstromes 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, für die Rückführung dem Grundkühlkreislauf weicht, welcher die oxidierten Gase betrifft, die in kaltem Zustand zurückgeführt werden, so daß die Erzeugung von 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 übIxcue 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 EinlaBsamme1leitung 6 weist oberhalb des Verteilers der Zylinder C. bis C. 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 Rückführungszylinder Cg bildet, insofern ausgeglichen werden, was die nominale Leistung des Motors durch höhere Aufladung aufgrund der niedrigeren volumetrischen Kompression der Zylinder C. bis C₅ - also der Leistungszylinder - anbelangt, wobei die Eignung zum Start durch anfängliche Einwirkung des Rückführzylinders mit höherem Verdichtungsverhältnis sichergestellt ist.

Beim Start ist das Drosselventil 7 in der Auslaßleitung geschlossen, so daß der Zylinder C, die aus den anderen Zylindern C. bis Cc ausströmenden Gase wieder aufnimmt, deren erste Zündungen zu einem AusIaB 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 aufgraad der Impulse und dei 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 Her Rückführungszylinder C, einen Teil der AuslaSgase 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. Q angesaugt

-T-

1 T einl. F ausl. = — χ χ —

5 T aus. P einl.

von 7 bis 10% bei einer Auslaßtemperatur T, die zwischen 600 C und 3OO°C bei vollständiger öffnung der Einlaßleitung variiert. Bei einem Motor mit Benzinbetrieb nimmt der rückgeführte Anteil im umgekehrten Verhältnis zum Einlaßdruck *j.nd damit der Belastung zu.

Das Verdichtungsverhältnis des Rückführuugszylinders 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 V^TV.rmehaushalt dee 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 nahe der Einlaßtemperatur abgekühlt sina, 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 Kühlrückführung 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.

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 Rückführ zylinder - 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.

γ % = = — ac χ

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. - 600⁰C)

- 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 Turbcmotor.

Bei einer Brennkraftmaschine (vorhergehende Mischung des Brenr-3toffes und gesteuerte Zündung) wird ^⁹ :

- bei vollständiger öffnung: y>2z 7%

- bei Druckverminderung, 0,5 at.: ^⁷- 15%

Eben die Wirkung des abnehmenden Einlaßdruckes läßt die rückgeführte Merge ansteigen, die aus oxidiertem Gas mit etwas freiem Sauerstoff be.'.teht, woraus sich eine Erhöhung der Massenlast des bei je-

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 Einlaßsanmellcitung. 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 Wi ed er erwärmung durch Vermischung.

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

In diesem Fall wird für den Zylinder C, ein höheres Verdicl.tuagsverhältnis eingestellt, ohne daß jedoch das Verdichtungsverhältnis der anderen Zylinder verändert wird. Beispielsweise ist das Verdichtungsverhältnis des Zylinders C, X, = 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

-- ff η sprüche

1. Mehrzylindrige Wärmekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine mindestens einen für die Rückführung vorgesehenen Zylinder (C,) mit höherem Verdichtungsver-

hältnis 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 / rbeiten in warmeim 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 dnem Viertel der Anzahl der anderen bzw. Antriebszylinder (C. bis C₁-J 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 C-) 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 g e k e η η zeichnet, daß in der Rückfuhrleitung (5) am Ausgang des Zylinders (C,) eine Einspritzdüse (4, Ί4) angeordnet ist, deren Scrahl vorzugsweise im Strom der abgekühlten verbrannten Gase gegen diesen Strom gerichtet ist.