DE19502717C1 - Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung

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Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Abgasrückführung ist als Maßnahme zur Senkung der Stickoxydemissionen von Dieselmotoren anerkannt.
Aus der Veröffentlichung WO 93/24748 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasrückführung bei einer aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine bekannt. Einige Zylinder der Brennkraftmaschine werden nach diesem Stand der Technik in Umkehrbetrieb und die verbleibenden Zylinder normal betrieben. Der Kolben eines Zylinders in Umkehrbetrieb vollzieht einen Abwärtshub bei geöffnetem Abgasauslaßventil und geschlossenem Lufteinlaßventil, so daß ausschließlich Abgas aus Abgasauslaßeinrichtungen der Brennkraftmaschine in den Zylinder in Umkehrbetrieb gezogen wird. Das Abgas wird anschließend vom Kolben des Zylinders in Umkehrbetrieb bei geschlossenem Abgasaus- und geschlossenem Lufteinlaßventil komprimiert und expandiert. Während eines Ausschiebehubs des Kolbens des Zylinders in Umkehrbetrieb ist das Lufteinlaßventil geöffnet und das Abgasauslaßventil geschlossen, so daß Abgas aus dem Zylinder in Umkehrbetrieb in Luftzuführeinrichtungen der aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine gefördert wird.
Nachteilig bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung nach dem genannten Stand der Technik ist, daß
  • a) Partikel mit dem rückgeführten Abgas in die Zylinder gelangen und dort erhöhten Verschleiß verursachen,
  • b) die Temperatur der vom rückgeführten, heißen Abgas beaufschlagten Zylinder steigt,
  • c) vom rückgeführten Abgas unmittelbar beaufschlagte Kühler in den Luftzufuhr- und Abgasauslaßeinrichtungen verschmutzen, und mit dem rückgeführten Abgas bei Kondensation von Wasser in die Zylinder Schwefelsäure oder schweflige Säure gelangt.
Eine weitere Vorrichtung zur Schadstoffminimierung beim Betrieb mehrzylindriger Brennkraftmaschinen, ist aus der DE 43 31 509 C1 bekannt. Dort sind verbrennungstechnisch getrennte erste und zweite Zylinder vorgesehen. Die ersten Zylinder sind mit einem ersten Ansaugsammelrohr und mit einem Abgassystem verbunden. In das Ansaugsammelrohr wird über eine Abgasrückführvorrichtung Abgas aus den zweiten Zylindern geführt. Die zweiten Zylinder sind zur minimalen Partikelemission ohne Rücksicht auf die NOx-Emission im Abgas über ein zweites Ansaugrohr nur mit Frischluft versorgt. Obwohl mit dieser Vorrichtung die Rußanteile im rückgeführten Abgas konstant auf einem niedrigen Wert gehalten werden können, ist sie dennoch zumindest mit den Nachteilen behaftet, daß sie konstruktiv aufwendig ist und daß die bloße Verringerung der Partikelkonzentration im rückgeführten Abgas Verschleiß im Dieselmotor nicht zuverlässig verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zu schaffen, die bei geringem konstruktiven Aufwand möglichst keine Partikel und Säurekomponenten mit dem rückgeführten Abgas in die Zylinder gelangen läßt, die dort erhöhten Verschleiß verursachen könnten.
Diese Aufgabe wird bei einer aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführungvorrichtungs gemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Gemäß der Erfindung weist eine aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung Luftzufuhr- und Abgasauslaßeinrichtungen, variabel steuerbare Luftein- und Abgasauslaßventile, Kolben in den Zylindern und einen ersten Schmierölkreislauf auf. Neben diesen Zylindern weist die Brennkraftmaschine einen speziell und eigens ausgebildeten Abgasaufbereitungszylinder mit einem angetriebenen Kolben und variabler Steuerung für Luftein- und Abgasauslaßventile auf, wobei erfindungsgemäße die Steuerung während eines Abwärtshubs des von einer Kurbelwelle angetriebenen Kolbens des Abgasaufbereitungszylinders die Luftein- und Abgasauslaßventile am Abgasaufbereitungszylinder jeweils teilweise öffnet, so daß in Abhängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine die Zumessung von Luft und Abgas dosiert werden kann. Das Lufteinlaßventil des Abgasaufbereitungszylinders kann zum Beispiel während eines Abwärtshubs des Kolbens kurzzeitig und das Abgasauslaßventil lang geöffnet werden, so daß hohe Abgasrückführungsraten erzielt werden, oder das Lufteinlaßventil des Abgasaufbereitungszylinders kann während eines Abwärtshubs des Kolbens lang und das Abgasauslaßventil kurzzeitig geöffnet werden, so daß niedrige Abgasrückführungsraten bei gleichzeitiger Kühlung des rückgeführten Abgases durch relativ kalte Ladeluft erzielt wird. Die Erfindung sieht ferner einen zweiten Schmierölkreislauf vor, der ausschließlich für den Abgasaufbereitungszylinder vorgesehen ist, und welcher Partikel aus dem Abgas zurückhält und verhindert, daß diese Partikel in die anderen, normalbetriebenen Zylinder der Brennkraftmaschine gelangen. Der zweite Schmierölkreislauf kann mit Additiven versehen sein, um in das Schmieröl gelangende Säurekomponenten zu neutralisieren.
Die erfindungsgemäße aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine weist in einer bevorzugten Ausgestaltung zur Abgaskühlung und zur Abgasreinigung einen Abgasaufbereitungszylinder mit einer Wasserzuführeinrichtung auf. Wasser im Abgasaufbereitungszylinder bindet Partikel aus dem Abgas und löst Schwefeloxide. Das verschmutzte Wasser gelangt in den Schmierölkreislauf des Abgasaufbereitungszylinders.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Separator zur Reinigung des Schmieröls und zur Trennung des Schmieröls von Wasser im zweiten Schmierölkreislauf vorgesehen.
Vom Separator ausgeschiedenes Wasser kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Wasserzuführeinrichtung zugeführt werden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße, aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine einen Ladeluftkühler in Luftzuführeinrichtungen auf, und eine Leitung für Kondenswasser ist vom Ladeluftkühler zur Wasserzuführeinrichtung vorgesehen, so daß Wasserverluste insgesamt niedrig gehalten werden, und aus Kondensation rückgewonnenes Wasser dem Abgasaufbereitungszylinder zugeführt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mündet ein Abgaskanal vom Abgasaufbereitungszylinder direkt in einen Abgasauslaß eines dem Abgasaufbereitungszylinder benachbarten Zylinders, wobei der benachbarte Zylinder so angeordnet ist, daß er von den Luftzufuhreinrichtungen mit Frischluft ohne Abgas beaufschlagt ist, und Kraftstoff partikeloptimiert verbrennt. Das Abgas mit den wenigen Partikeln aus dem benachbarten Zylinder wird vom Abgasaufbereitungszylinder den Luftzufuhreinrichtungen der verbleibenden, im normalen Viertaktbetrieb arbeitenden Zylindern zugeführt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung führt ein Abgaskanal vom Abgasaufbereitungszylinder in die Abgasauslaßeinrichtungen und mündet stromabwärts einer Turbine in die Abgasauslaßeinrichtungen. Druck und Temperatur des Abgases ist nach Durchlaufen der Turbine deutlich reduziert, so daß Temperaturerhöhungen in den Zylindern durch das rückgeführte Abgas reduziert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine erfolgt durch variabel gesteuertes Ansaugen von Abgas in den Abgasaufbereitungszylinder während eines Abwärtshubs von dessen Kolben, Zuführen und Zerstäuben von Wasser in den Abgasaufbereitungszylinder während eines Kompressions- und eines Expansionshubs von dessen Kolben, Ausschieben der Gase aus dem Abgasaufbereitungszylinder durch das Lufteinlaßventil in die Luftzufuhreinrichtungen, und Zuführen des Wassers aus dem Abgasaufbereitungszylinder in einen zweiten Schmierölkreislauf. Gemäß diesem Verfahren ist das Abgas aufbereitet und gekühlt, bevor es als Verbrennungsluft den im normalen Betrieb befindlichen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit Abgasaufbereitungszylinder,
Fig. 2 eine Brennkraftmaschine mit Abgasaufbereitungszylinder und einem Zylinder mit partikeloptimierter Verbrennung und
Fig. 3 eine Brennkraftmaschine mit Abgasaufbereitungszylinder und einem Abgaskanal.
Fig. 1 Eine aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine weist in Reihe angeordnete Zylinder 1-7 auf. Ebenfalls in Reihe ist den Zylindern 1-7 ein Abgasaufbereitungszylinder 8 zugeordnet. Zylinder 1-7 sind mit einem ersten Schmierölkreislauf (nicht dargestellt) versehen. Zylinder 1-7 und Abgasaufbereitungszylinder 8 sind mit variabel steuerbaren Lufteinlaß- und Abgasauslaßventilen (nicht dargestellt) versehen. Ein Kolben des Abgasaufbereitungszylinders 8 ist von der Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Zylinder 1-7 angetrieben. Abgasaufbereitungszylinder 8 ist mit einem zweiten Schmierölkreislauf (nicht dargestellt), der vom ersten Schmierölkreislauf separat ist, und einer Wasserzuführeinrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet. Der zweite Schmierölkreislauf kann mit einer eigenen Ölwanne, einem Separator (nicht dargestellt), und mit speziellem Schmieröl oder Spezial-Additiven ausgestattet sein. Das Schmieröl des zweiten Schmierölkreislaufs des Abgasaufbereitungszylinders 8 wird im Separator gereinigt.
Von einem Verdichter (nicht dargestellt) führt ein Kanal 9 über Ansaugkrümmer 10-17 zu den Zylinder 1-7 und den Abgasaufbereitungszylinder 8. Von den Zylindern 1-7 und von Abgasaufbereitungszylinder 8 gehen Auslaßkrümmer 18-25 ab und münden in einen Kanal 26, der zu einer Turbine (nicht dagestellt) führt.
Zylinder 1-7 arbeiten im normalen Viertaktbetrieb während die Lufteinlaß- und Abgasauslaßventile von Abgasaufbereitungszylinder 8 so gesteuert sind, daß das Abgas der Zylinder 1-7 aus den Abgasauslaßeinrichtungen 18-26 durch Abgasaufbereitungszylinder 8 zu den Luftzufuhreinrichtungen 9-17 für die Zylinder 1-7 gefördert wird. Ein Ladeluftkühler (nicht dagestellt) kann in den Luftzuführeinrichtungen 9-17 enthalten sein. Eine Leitung (nicht dargestellt) dient zum Transport von Kondenswasser vom Ladeluftkühler zu der Wasserzufuhreinrichtung.
Fig. 2 Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 bezeichnet. Abgasaufbereitungszylinder 8 wird vom Kanal 9 nach Zylinder 7 mit Luft beaufschlagt. Der vom Kanal 9 zuerst mit Luft beaufschlagte Zylinder 7 weist einen Auslaßkrümmer 24 auf, der in den Auslaßkrümmer 25 des Abgasaufbereitungszylinders 8 mündet.
Zylinder 1-7 arbeiten im normalen Viertaktbetrieb während die Lufteinlaß- und Abgasauslaßventile von Abgasaufbereitungszylinder 8 so gesteuert sind, daß Abgas aus dem Abgasauslaßkrümmer 24 durch Abgasaufbereitungszylinder 8 zu den Luftzufuhreinrichtungen 9, 12-17 für die Zylinder 1-6 gefördert wird. Zylinder 7 ist ausschließlich mit abgasfreier Luft versorgt, so daß Abgas aus Zylinder 7 nur wenige Partikel aufweist, und das von Abgasaufbereitungszylinder 8 in die Luftzufuhreinrichtungen 12-17 rückgeführte Abgas für die Zylinder 1-6 nur wenige schädliche Partikel enthält.
Fig. 3 Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 und 2 bezeichnet. Von einem Verdichter 27 führt Kanal 9 über Ansaugkrümmer 10-17 zu den Zylindern 1-7 und Abgasaufbereitungszylinder 8. Von den Zylindern 1-7 gehen Auslaßkrümmer 18-24 ab und münden in einen Kanal 26, der zu einer Turbine 28 führt. Von Abgasaufbereitungszylinder 8 führt ein Kanal 29 zu einem Anschluß 30 stromabwärts von Turbine 28, wo das Abgas aus den Zylindern 1-7 gedrosselt und abgekühlt vorliegt.
Zylinder 1-7 arbeiten im normalen Viertaktbetrieb während die Lufteinlaß- und Abgasauslaßventile von Abgasaufbereitungszylinder 8 so gesteuert sind, daß Abgas von dem Anschluß 30 stromabwärts von Turbine 28 durch Abgasaufbereitungszylinder 8 zu den Luftzufuhreinrichtungen 9-17 für die Zylinder 1-7 gefördert wird. Verfahren zum Betrieb der aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung.
In Abhängigkeit vom Lastzustand der aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung gelangt während eines Abwärtshubs des Kolbens des Abgasaufbereitungszylinders 8 durch variabel gesteuertes Ansaugen, nämlich durch teilweises Öffnen des Abgasauslaßventils Abgas aus den Abgasauslaßeinrichtungen 18-26 und durch teilweises Öffnen des Lufteinlaßventils Luft aus den Luftzufuhreinrichtungen 9-17 in den Abgasaufbereitungszylinder 8.
Während eines Kompressions- und eines Expansionshubs wird dem Abgasaufbereitungszylinder 8 Wasser zugeführt und vom Kolben zerstäubt. Das Wasser dient der Kühlung und durch Binden von Partikeln und Lösen von Schwefeloxiden der Reinigung der Abgase.
Während eines Ausschiebhubs gelangen die Abgase aus dem Abgasaufbereitungszylinder 8 durch das Lufteinlaßventil in die Luftzufuhreinrichtungen 9-17. Durch geeignete Mittel in einem ladeluftseitigen Kanal (nicht dargestellt) des Abgasaufbereitungszylinders 8 wird verhindert, daß während des Ausschiebehubs bei geöffnetem ladeluftseitigen Kanal Wasser in die Luftzufuhreinrichtungen 9-17 gelangt. Das Wasser im Abgasaufbereitungszylinder 8 gelangt in den zweiten Schmierölkreislauf, wo durch entsprechende Additive der saure Charakter des Schmieröls oder des verschmutzten Wassers neutralisiert werden kann. Der Separator im zweiten Schmierölkreislauf trennt Wasser aus dem Schmieröl, so daß derart nachbehandeltes Wasser zur Kühlung und Reinigung wiederverwendet werden kann. Das Wasser kann durch Wasser aus dem Ladeluftkühler ergänzt werden.

Claims (8)

1. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung mit Luftzufuhr-(9-17) und Abgasauslaßeinrichtungen (18-26), variabel steuerbaren Luftein- und Abgasauslaßventilen, und einem ersten Schmierölkreislauf sowie einem Abgasaufbereitungszylinder (8) mit einem angetriebenen Kolben und einer variablen Steuerung für Luftein- und Abgasauslaßventile am Abgasaufbereitungszylinder (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Luftein- und Abgasauslaßventile am Abgasaufbereitungszylinder (8) während eines Abwärtshubs des angetriebenen Kolbens des Abgasaufbereitungszylinders (8) mittels der Steuerung jeweils teilweise zu öffnen sind, und daß ein zweiter Schmierölkreislauf für den Abgasaufbereitungszylinder (8) vorgesehen ist.
2. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasaufbereitungszylinder (8) mit einer Wasserzufuhreinrichtung verbunden ist.
3. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Separator zur Reinigung des Schmieröls oder zur Trennung von Wasser und Schmieröl im zweiten Schmierölkreislauf vorgesehen ist.
4. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung vorgesehen ist, in der vom Separator ausgeschiedenes Wasser zur Wasserzufuhreinrichtung gefördert wird.
5. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladeluftkühler in einem Kanal (9) der Luftzufuhreinrichtungen enthalten ist, und eine Leitung für Kondenswasser vom Ladeluftkühler zur Wasserzufuhreinrichtung vorgesehen ist.
6. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgaskanal (24) vom Abgasaufbereitungszylinder (8) direkt in einen Abgasauslaß (24) eines benachbarten Zylinders (7) mündet, und der benachbarte Zylinder (7) so angeordnet ist, daß er von den Luftzufuhreinrichtungen (9-17) mit Frischluft ohne Abgas beaufschlagt ist.
7. Aufgeladene, mehrzylindrische Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgaskanal (29) vom Abgasaufbereitungszylinder (8) stromabwärts einer Turbine (29) in einen Kanal (26) der Abgasauslaßeinrichtungen mündet.
8. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen, mehrzylindrischen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung mit Luftzufuhr- (9-17) und Abgasauslaßeinrichtungen (18-26), variabel steuerbaren Luftein- und Abgasauslaßventilen, und einen ersten Schmierölkreislauf sowie einem Abgasaufbereitungszylinder (8) mit einem angetriebenen Kolben und einer variablen Steuerung für Luftein- und Abgasauslaßventile am Abgasaufbereitungszylinder (8), gekennzeichnet durch variabel gesteuertes Ansaugen von Abgas in den Abgasaufbereitungszylinder (8) während eines Abwärtshubs von dessen Kolben durch teilweises Öffnen von Lufteinlaß- und Abgasauslaßventilen, Zuführen und Zerstäuben von Wasser in den Abgasaufbereitungszylinder (8) während eines Kompressions- und eines Expansionshubs von dessen Kolben, Ausschieben der Gase aus dem Abgasaufbereitungszylinder (8) durch das Lufteinlaßventil in die Luftzuführeinrichtungen (9-17), und Zuführen des Wassers aus dem Abgasaufbereitungszylinder (8) in den zweiten Schmierölkreislauf.
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