DE1751473A1

DE1751473A1 - Luftverdichtende Viertakt-Kolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1751473A1
Application number: DE19681751473
Authority: DE
Inventors: Dr Franz Pischinger
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1968-06-05
Filing date: 1968-06-05
Publication date: 1970-10-22
Also published as: US3583375A; FR2010506A1; GB1275624A; DE1751473C3

Description

luftverdichtende Viertakt-Kolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung "betrifft eine luftverdichtende Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit Beimischung von Abgas zur Verbrennungsluft durch einen gegen Ende des Saughubes freigegebenen Zeitquerschnitt hindurch.

Beim Betrieb von luftverdichtenden Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffen niedriger Cetanzahl oder mit Hörmalkraftstoffen bei abnorm niedrigem Verdichtungsverhältnis treten insbesondere im Teillastgebiet wegen des dort herrschenden niedrigen Temperaturniveaus bekanntlich Zündschwierigkeiten aufο Es ist bekannt, diesen Schwierigkeiten durch Beimischung von Maschinenabgasen zur angesaugten Verbrennungsluft zu begegnen. Die hierdurch emelte günstige Wirkung gliedert sich in zwei Komponenten auf. Einmal von Vorteil ist die durch die zurückgeführten Abgase erzielte Temperaturerhöhung im Zylinder. Außerdem aber lösen die Abgasbestandteile noch günstige reaktionskinetische Wirkungen aus.

Ein bisher noch nicht befriedigend gelöstes Problem stellt allerdings die Verwirklichung der Beimischung in der Praxis dar. Zwei grundsätzlich sich voneinander unterscheidende Wege zur Lösung dieses Problems wurden bisher beschritten. Der eine Weg besteht darin, daß man den Abgasstrom drosselt, meist

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mit Hilfe einer Klappe, und sich darauf verläßt, daß während der Zeit, während der sich üblicherweise "bei jeder Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine die Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil überschneiden, infolge des durch die Drosselung in der Abgasleitung erzeugten Druckgefälles zum Zylinder hin ein Teil der vorher ausgeschobenen Abgase in den Zylinder zurückströmt. Diese Art der Rückführung hat jedoch einige schwerwiegende Nachteile. Einmal muß wegen der kurzen Zeitspanne, die normalerweise für die Rückführung zur Verfügung steht, im 5Peillastgebiet der Abgasstrom sehr stark gedrosselt werden, wenn ein nennenswerter Effekt erzielt werden soll. Starke Drosselung der Abgase aber führt zwangsläufig zu hohen Kraftstoffverbräuchen. Weiterhin von Nachteil ist der Umstand, daß die zurückströmenden Abgase während der Ventilüberschneidung einen verhältnismäßig kleinen Raum vorfinden und in die Saugleitung hinein ausweichen, diese hierbei verschmutzend und aufheizend. Mit niedrigeren Staudrücken käme man wohl aus, wenn die Ventilüberschneidung vergrößert würde, muß dann jedoch einige Nachteile in Kauf nehmen, die sich aus einer solchen Vergrößerung der Ventilüberschneidung grundsätzlich ergeben. Einmal ist dies der Zwang zur Vergrößerung der Ventiltaschen, eine Maßnahme, die sich meist ungünstig auf die Gestaltung des Brennraumes und damit auch auf die Verbrennung auswirkt. Außerdem besteht die Gefahr, daß es zu einer noch stärkeren negativen Durchspülung kommt, d.h. noch mehr Abgase in die Sagleitung eindringen. Der zweite, zur Lösung des in Rede stehenden Problems

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vorgeschlagene Weg !besteht darin, das Abgas ansaugseitig der Maschine zuzuführen, was fenfalls große Nachteile hat. Zunächst wäre darauf hinzuweisen, daß die Saugleitung insbe sondere im Teillastbereieli, wo die Beimischung von Abgas am interessantesten ist, ein Abgas-Luftgemisch enthält, so daß beim plöizLichen Übergang von Teillast auf Vollast noch einige Verbrennungen unter üüftmangel verlaufen und die Maschine eine gewisse Trägheit zeigt. Im gleichen Sinne wirkt auch die insbesondere bei längerem Teillastbetrieb unvermeidliche starke Erhitzung der Ansaugleitung. Sehr unerwünscht sind ferner die starke Verschmutzung der Ansaugleitung und der Zwang, das ganze Zumischsystem mit seinem oft recht langen Leitungen sorgfältig gegen Wänaeabstrahlung zu isolieren. Die Rückführung von heißem Abgas in die Verbrennungsluft hat grundsätzlich einen Temperaturanstieg im Zylinder im Gefolge, d.h. es stellt sieh zum Zeitpunkt der Beimischung eine über der Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft liegende Mischtemperatur ein. Das Bestreben geht nun öäahin, diese Temperaturerhöhung möglichst effektvoll zu gestalten im Sinne der Erzeugung eines möglichst hohen Temperaturniveaus gegen Ende des Ansaughubes. Dieses Temperaturniveau aber liegt wesentlich hoher, wenn das Abgas der Verbrennungsluft nicht zu Beginn des Saughubes, sondern erfindungsgemäß später, d.h. wenn die angesagte Verbrennungsluft bereits eine Aufheizung erfahren hat, beigemischt wird. Im übrigen ist die spätere Beimischung auch insofern vorteilhafter, als die Eontaktzeit der Abgase

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mit der Frischluft, geringer ist, so daß den im Abgas enthaltenen zündbeschleunigenden, chemisch aktiven Bestandteilen keine Gelegenheit gegeben ist, während einer zu lange andauernden Berührung mit der Frischluft zu sehr an Wirksamkeit einzubüßen.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine gemäß der deutschen Patentschrift 328 997 wird die Abgasmenge durch vom Arbeitskolben gegen Ende des Saughubes aufgesteuerte Schlitze in den Arbeitszylinder eingebracht. Es ist dies ein in verschiedener Hinsicht nicht zufriedenstellendes Verfahren. Die Durchbrechungen in der Zylinderwandung stören nicht nur die Schmierölverteilung über die Zylinderwandung bzw. können die Ölzufuhr u.U. sogar unterbrechen, sondern bedeuten auch grundsätzlich eine Schwächung der Zylinderwandung. Weiterhin besteht die Gefahr, daß die Durchbrechungen, die ja in einer Zone kräftigen Schmierölangebots liegen und von den Abgasen mit mäßiger Geschwindigkeit durchströmt werden, sehr schnell verschmutzen und evtl. verkoken. Die dann erforderliche Säuberung gestaltet sich recht umständlich und Zeitraubend. Schließlich ist noch ein weiterer Nachteil in konstruktiver Hinsicht zu erwähnen. Die bekannte Art der Einbringung von Abgas bedingt einen recht beträchtlichen baulichen Aufwand und steht dem zeitgemäßen Bestreben nach einem möglichst gedrängten und damit raumsparenden Aufbau von Viertaktmaschinen entgegen. Von besonderer Bedeutung in diesem Zusammenhang ist der Umstand, daß der Konstrukteur

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nicht mehr frei ist hinsichtlich der Gestaltung des Arbeitskolbens, denn dieser muß auf jeden Pail so lang sein, daß die Durchbrechungen auch /bei äußerer Totpunktstellung des Kolbens noch zugesteuert sind. In der Vermeidung dieser Nachteile ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu sehen. Sie wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der bereit zu stellende Zeitquersehnitt durch ein nochmaliges Öffnen des Auslaßventils zu gegebener Zeit freigegeben wird.

Die Erzeugung des zur Rückführung der Abgase erforderlichen Gefälles zwischen Abgasleitung und Arbeitszylinder kann entweder durch Drosselung der Abgase oder durch Drosselung in der Ansaugleitung erfolgen. Bei Abgasturbo-aufgeladenen Brennkraftmaschinen genügt u.U. zur Erzeugung dieses Druckgefälles der Staudruck vor der Abgasturbine.

Um den Sauerstoffgehalt der Zylinderladung bei Vollast und letztlich die Leistungsausbeute nicht zu beeinträchtigen, ist es erforderlich, die Beimischung von Abgas zur Verbrennungsluft, wie an sich bekannt, last- und/oder drehzahlabhängig zu steuern und zwar so, daß bei kleinerer Belastung mehr und bei Vollast sehr wenig oder überhaupt nichts beigemischt wird, wobei entweder der Zuströmquerschnitt für das Abgas oder der das Druckgefälle erzeugende Drosselquerschnitt gesteuert werden können, letzterer, wie an sich ebenfalls bekannt, beispielsweise mittels einer Klappe.

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Ein sehr vorteilhafter, die Steuerung betreffender Vorschlag, ergeht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dahin, die Steuerung der Beimischung von Abgas zur Verbrennungsluft in direkter Abhängigkeit von der jeweils eingespritzten Kraftstoff menge erfolgen zu lassen, wobei in Weiterbildung dieses G-edankens die Kraftstoff einspritzpumpe mit einem zusätzlichen Pumpenelement versehen werden kann, dessen in gleichem Sinne wie die in jedem Arbeitszylinder eingspritzte Kraftstoffmenge sich ändernde Fördermenge zur Betätigung des die Beimischung von Abgaasteuernden Organs ausgenutzt wird. Es empfiehlt sich, die Bewegungen des Steuerorgans vorzugsweise hydraulisch soweit zu dämpfen, daß jeweils zwischen zwei Hüben der Steuerung keine oder keine nennenswerte Rückstellung des Steuerorgans erfolgt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Abb. 1 veranschaulicht anhand eines Schaulinienbildes den Steuerungsverlauf einer Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine, bei der das der Verbrennungsluft beizumischende Abgas durch das Auslaßventil eines jeden Zylinders zurückgeführt wird.

Abb. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe in der Auspuffleitung und eine Einrichtung zur lastabhängigen Verstellung dieser Drossel.

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Abb. 1. zeigt die Ventilerhebungskurven einer Viertakt-Kolbenbrenn kraftmaschine, in deren Auspuffleitung die Abgase vor einer Drosselklappe gestaut werden. Die kurz vor U-.T., also kurz vor Beendigung des Krafthubes ihren Anfang nehmende normale Auslaßventilerhebungskurve ist mit a und diejenige des Einlaßventils mit b "bezeichnet. Erfindungsgemäß öffnet nun das wie üblich kurz nach U.I., d.h. nach Beginn des Ansaughubes schließende Auslaßventil kurz vor TJ. T., d.h. kurz vor Beendigung des Saughubes ein zweites Mal nach der Kurve c, so daß ein Teil des in der Auspuffleitung gestauten Abgases in den Arbeitszylinder zurückströmt. Die zurückströmende Menge ist abhängig von der Höhe des Staudruckes und dem Ausmaß des freigegebenen Zeitquerschnittes.

In Abb. 2 sind die dreizylindrige Viertakt-KoIbenbrennkraftmasehine mit 13, deren über eine Hilfswelle 14 angetriebene Kraftstoffeinspritzpumpe mit 15 und die Auspuffleitung mit bezeichnet. In letzterer ist eine Drosselklappe 17 angeordnet, deren Verstellung lastabhängig erfolgt. Ein !Peil des vor dieser .Drosselklappe 17 gestauten Abgases wird, wie hier nicht dargestellt, durch das gegen Ende des Ansaughubes noch einmal kurz öffnende Auslaßventil bzw. die Auslaßventile in die Zylinder zurückgeschoben. Die lastabhängige Verstellung der Drosselklappe 17 erfolgt auf folgende Weise: An der Kraftstoffeinspritzpumpe 15 ist ein viertes Pumpenelement vorgesehen, das über eine Leitung 18 ir den Arbeitsraum 19 eines durch eine Feder

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"belasteten Kolbens 21 fördert. An den Arbeitsraum 19 dieses Kolbens ist eine durch eine Drossel 22 beherrschte, zur Saugseite der Kraftstoffeinspritzpumpe 15 zurückführende Leitung 23 angeschlossen, in die auch hinter der Drossel 22 die Zntlastungsleitung 24 der Federkammer des Kolbens 21 mündet. Über eine Stange 25, ein Gelenk 26 und einen Hebel 27 verstellt der Kolben 21 proportional den Änderungen der Fördermenge des vierten Pumpenelementes und damit auch proportional den Änderungen der eigentlichen Einspritzpumpenelemente die Drosselklappe 17. Ein nennenswertes Rückdrehen der Drosselklappe 17 zwischen je zwei Hüben der Betätigungspumpe wird verhindert durch eine am Hebel 27 angreifende hydraulische Dämpfungseinrichtung 28.

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Claims

5 Köln 80, den 28. Jan. 1970 Aktz.: P 17 51 473-7-13 Unser Zeichen: D 68/34 TP Moe/B -Patentansprüche

1. Luftverdiehtende Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit Beimischung von Abgas zur Verbrennungsluft durch einen gegen Ende des Saughubes freigegebenen Zeitquerschnitt hindurch, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitquerschnitt (Kurve c in Abb. 1) durch ein nochmaliges Öffnen des Auslaßventils freigegeben wird.

2. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des erforderlichen Druokgefälles zwischen Abgasleitung (16) und Arbeitszylinder durch Drosselung der Abgase erfolgt.

3. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des erforderlichen Druckgefalles zwischen Abgasleitung und Arbeitszylinder durch Drosselung der angesaugten Verbrennungsluft erfolgt.

4. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung der Abgase in den Zylinder (die Zylinder) der Staudruck vor einer Abgasturbine ausgenutzt wird.

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5. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung von Abgas, wie an sich bekannt, last- und/oder drehzahlabhängig gesteuert wird.

6. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch eine last- und/oder drehzahlabhängige Steuerung der Brosselquerschnitte.

7. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Drosselquerschnittes in an sich bekannter Weise mittels einer Drosselklappe (17) erfolgt.

8. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Beimischung von Abgas zur Verbrennungsluft in direkter Abhängigkeit von der jeweils eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt.

9. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch ^ek.mnKolehnet, daß die Kraftstoffeinspritzpumpe (15) ein ausä'.il i.jhes Pumpenaloniynfc aufweist, dessen in gleichem Sinna wie die in jedem Arbeitszylinder eingespritzte Kraftstoffmengü 3ich ändernde Fördermenge zur Betätigung des die Beimischung von Abgas steuernden Organs ausgenutzt wird.

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10. Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine nach snem der Ansprüche 2 und 3 sowie 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des die Beimischung Von Abgas steuernden Organs (17) vorzugsweise hydraulisch soweit gedämpft sind, daß jeweils zwischen zwei Hüben der Steuerpumpe kein oder kein nennenswertes Rückstellen des Organs (17) erfolgt.

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