DE2850752A1

DE2850752A1 - Verfahren zur vermeidung des nagelns von dieselbrennkraftmaschinen und dieselbrennkraftmaschine zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2850752A1
Application number: DE19782850752
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Beckmann; Herrmann Dr Ing Oetting
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1980-06-04

Description

VOLKSWAGENWEHK AKTIENGESELLSCHAFT

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Unsere Zeichen? K 2646
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Verfahren zur Vermeidung des Uagelns von Dieselbrennkraftmaschinen und DieseTbremiiraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung des Nageins von Dieselbrennkraftmaschinen, wobei zumindest im Leerlaufbetrieb der in die Brennräume angesaugten irischluft Abgas zugefügt wird, und auf eine Dieselbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Dieselbrennkraftmaschinen ergeben sich insbesondere im Leerlauf unter noch nicht betriebswarmen Bedingungen unerwünschte Verbrennungsabläufe, die sich durch harte Geräusche, dem sogenanntes ISageln bzw. Kaltnageln, äußern. Bun ist es bereits vorgeschlagen worden, dieses Kaltnageln durch Temperaturerhöhung der angesaugten ^Frischluft zu verringern, wobei sich die !Rückführung der von der Dieselbrennkraftmaschine abgegebenen heißen Abgase in die Brennräume schon deshalb als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen hat, weil wegen des hohen Luftübersehusses im leerlaufnahen Bereich das Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen relativ Viel Sauerstoff enthält.

Die der Erfindimg zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, aieses Verfahren isur Verringerung des Kaltnageins von Dieselbrenn-

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Vortitzender Voirtand: Toni Sdunüdier. Vorsitzender - Horst Badcsmonn - Prct Dr. lechn.Ems! Fiale - Dr.jur.Pel« Frert

da» AuKichisraU: SS-!er Hsrtwioi - Horst Münzner - Dr. rer. pol. Werner P. Saimidl GottlisD M. Strobl ■ Pro1. Dr. rer. pol. friedlich Thcmee

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kraftmaschinen zu verbessern, um so eine nahezu vollständige Beseitigung des unangenehmen Verbrennungsgeräusches zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Anteil des Abgases an dem in den Brennräumen vorhandenen gesamten Gasvolumen mindestens 25 fo, vorzugsweise aber zwischen 40 und 60 *fo betragen soll. Wird eine Zumischung von Abgas zur Frischluft in diesen Mengenverhältnissen durchgeführt, dann treten neben dem Effekt der Erwärmungi&er angesaugten !Frischluft weitere Effekte auf, die schließlich zum gänzlichen Verschwinden des KaItnagelns führen. Einer dieser Effekte besteht darin, daß das Abgas Terbrennungsprodukte, z. B. Radikale, wie teilverbrannte Kohlenwasserstoffe und dergleichen, enthält, die bei ihrem Vorhandensein in den Arbeitsräumen der Brennkraftmaschine zu einer schnelleren Reaktion mit dem in die Brennräume eingespritzten Kraftstoff neigen. Das Kaltnageln ist aber teilweise darauf zurückzuführen, daß bei kaltem Motorzustand die Verbrennung der Kraftstoffpartikel nur mit großer Verzögerung beginnt, d. h. erst zu einem Zeitpunkt, wenn schon sehr viel Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt ist. Dieser eingespritzte Kraftstoff verbrennt dann praktisch gleichzeitig und schlagartig, wodurch . eine zu hohe TTmsetzungsgeschwindigkeit bewirkt wird, die den steilen Druckanstieg mit dem nagelnden Geräusch zur Folge hat. ¥erden dagegen mit dem Abgas zur schnelleren Reaktion mit dem Kraftstoff neigende Verbrennungsprodukte in genügender Menge der !Frischluft zugefügt, bewirken diese beim Eintritt des Dieselkraftstoffs in die komprimierte und erhitzte Brennraumladung einen beschleunigten Verbrennungsbeginn.

Da das Abgas zu einem großen Teil auch inerte Gase, also Verbrennungsprodukte enthält, die an der in den Brennräumen der Brennkraftmaschine stattfindenden Verbrennungsreaktion nicht teilnehmen und infolge ihrer Anwesenheit die Reaktionsgeschwindigkeit einer einmal in Gang gesetzten Reaktion von Kraftstoff und Sauerstoff vermindern, ergibt sich durch die Zuführung von Abgas zu der von der Dieselbrennkraftmaschine angesaugten Frischluft auch ein Verzögerun^effekt. Dieser bewirkt,

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daß serbst bei gleichzeitigem Heaktionsbeginn einer an sich zu großen Kraftstoffmenge eine zu hohe Umsetzungsgeschwindigkeit mit den daraus folgenden stellen Druckanstiegen durch Verzögerung des Verbrennungsablaufs vermieden wird.

¥ird also Abgas in den von der Erfindung vorgeschlagenen Mengenbereiehen der von der Dieselbrennkraftmaschine angesaugten Prischluft zugemischt, dann wird zum einen der Verbrennungsbeginn des eingespritzten Dieselkraftstoffes beschleunigt, zum anderen aber eine allzu hohe Umsetaungsgescnwindigkeit gedämpft, so daß die Verbrennung über einen längeren Zeitraum verteilt -wird, so daß das nagelnde Geräusch gänzlich beseitigt werden kann.

Eine nach diesem Verfahren arbeitende Dieselbrennkraftmaschine X3t durch Mittel zum Beimischen von Abgas in die von den Zylindern angesaugte Frischluft gekennzeichnet, wobei das Volumen des Abgases im Verhältnis zum gesamten angesaugten Gasvolumen mindestens 25 $, vorzugsweise aber zwischen 40 und 60 fa betragen soll. Diese Abgaszumischung kann zum einen dadurch erreicht werden, daß zwischen den den einzelnen Arbeitsräumen zugeordneten Einlaß- und Auslaßkanälen Verbindungsleitungen vorgesehen sind, die zweckmäßigerweise jeweils zwischen den in etwa gleichzeitig beaufschlagten Einlaß- und Auslaßkanälen angeordnet sind. Diese Verbindungsleitungen können in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors betätigbare Steuervorrichtungen aufweisen oder aber auch selbsttätig durch die die Einlaßbzw. Auslaßkanäle beaufschlagenden Gasströme steuerbar sein. Eine Abgasrückführung kann aber auch durch entsprechende Steuerung der Einlaß- und/oder Auslaßventile erreicht werden, indem beispielsweise die Einlaßventile jeweils vor Beendigung der Auslaßhübe öffnen und/oder vor Beendigung der Einlaßhübe schließen bzw. indem die Ausla,ßventile jeweils vor Beendigung der Auslaßhübe oder nach Beginn der Einlaßhübe schließen bzw. nach Beginn der Einlaßhübe wieder öffnen. Schließlich ist es auch möglich, durch Anordnung von Drosselvorrichtungen in den Einlaß- und/oder Auslaßkanälen diese Maßnahmen zur inneren und äußeren Abgasrückführung zu verstärken.

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In der Zeichnung sind in sehematischen Darstellungen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. So zeigen

Figur 1 eine Draufsicht auf die Ein- und Auslaßkanäle einer 4-zylindrigen 4-Takt-Diesel-Brennkraftmas chine und

I"igur 2 eine Darstellung einer zwischen einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal angeordneten Abgasrückführungsleitung.

In der Zeichnung ist mit 1 die Dieserbrennkraftmasehine insgesamt und mit 2 bis 5 deren 4 Zylinder bezeichnet. 6 stellt eine gemeinsame Ansaugleitung dar, von der den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnete Ansaugkanäle 7 his 10 abzweigen. 12 bis stellen dementsprechende, ebenfalls jedem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnete Auslaßkanäle dar, die in einer gemeinsamen, zu dem Auspuff führenden Auslaßleitung 11 zusammengefaßt sind. Mit 16 sind die zur Steuerung der Einlaßkanäle 7 his 10 vorgesehenen, in die Brennräume der einzelnen Zylinder 2 bis 5 einmündenden Einlaßventile und mit 17 die zur Steuerung der Auslaßkanäle 12 bis 15 vorgesehenen Auslaßventile bezeichnet.

Zwecks Rückführung von aus den Zylindern der Brennkraftmaschine ausgeschobenen Abgasen stehen die einzelnen Einlaßkanäle 7 his 10 über Verbindungsleitungen 18 bis 21 mit den Auslaßkanälen 12 bis in Verbindung, wobei jeweils die etwa zur gleichen Zeit beaufschlagten Einlaß- und Auslaßkanäle miteinander verbunden sind. So findet bei der hier gezeigten 4-Zyliⁿder-4-Takt-Brennkraftmaschine mit einer üblichen Zündfolge etwa zur gleichen Zeit der Ansaugtakt in dem Zylinder 2 und der Auslaßtakt in dem Zylinder 4 statt, so daß der Einlaßkanal 7 ^mit dem Auslaßkanal 14 zur Rückführung von Abgas aus dem Zylinder 4 in den Zylinder 2 verbunden ist. ¥ie aus der Zeichnung weiter hervorgeht, ist bei dem in der Zeichnung gezeigten

4-Zylinder-Dieselmotor der Einlaßkanal^ des zweiten Zylinders 3 mit dem Auslaßkanal 12 des ersten Zylinders 2, der Einlaßkanal 9 des dritten Zylinders 4 i&it dem Auslaßkanal 15 des vierten Zylinders 5 und der Einlaßkanal 10 des vierten Zylinders 5 mit dem Auslaßkanal 13 des zweiten Zylinders 3 verbunden.

In allen Abgasrückführungsleitungen 18 sind beispielsweise durch Drosselklappen gebildete Steuervorrichtungen eingeschaltet, die gemeinsam von einem Stellglied 23 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise in Abhängigkeit vom Lastzustand und/oder der Betriebstemperatur betätigbar sind. Danach wurden die Abgasrückführungsleitungen 18 bis 21 im Leerlauf und bei kaltem Motor zur Rückführung von Abgas geöffnet, während sie bei Erreichen der Betriebstemperatur oder bei Leistungssteigerung in die Hähe der Vollast geschlossen wurden.

Eine andere Möglichkeit der Steuerung der Abgasrückführungsleitungen ist in der !Figur 2 angedeutet, bei der die den Auslaßkanal 14 des dritten Zylinders 4 ^mi"t dem Einlaßkanal 7 äes ersten Zylinders 2 verbindende Abgasrückführungsleitung 18 gezeigt ist. Hier solly&ie Steuerung der Verbindungsleitungen selbsttätig durch entsprechende Ausbildung der Einmündungsbereiche 25 und 26 der Verbindungsleitung 18 erfolgen. Dafür bestehen jeweils drei verschiedene Möglichkeiten, von denen je eine in der !Figur 2 mit ausgezogenen Linien angedeutet ist, während die beiden anderen Möglichkeiten durch strichpunktierte Linien angegeben sind. In der ausgezogenen Darstellung mündet die Verbindungsleitung 18 in den Einlaßkanal 7 so ein, daß der Staudruck der durch die Einlaßleitung strömenden Frischluft die Verbindungsleitung zu sperren trachtet, so daß insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine die Verbindungsleitung 18 praktisch selbsttätig gesperrt ist. Mündet dagegen, wie mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, die Verbindungsleitung 18 in Strömungsrichtung der !Frischluft in den Einlaßkanal 7 ein, so würde die !Frischluft auf die Verbindungsleitung eine Saugwirkung ausüben, die zu einer Vergrößerung der rückgeführten Abgasmenge führt. Selbstverständlich wäre auch eine Mündung der Abgasleitung möglich, bei der die strömende !Frischluft im wesent-

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lichen keine Wirkung auf die Verbindungsleitung ausübt.

Auch für die Einmündung der Verbindungsleitung 18 in den Auslaßkanal 14 ergeben sich diese drei Möglichkeiten, wobei das durch den Auslaßkanal strömende Abgas entweder einen Staudruck, eine Saugwirkung oder aber auch gar keine Wirkung auf die Verbindungsleitung 18 ausübt. Selbstverständlich könnten diese drei Einmündungsmöglichkeiten der Terbindungsleitung 18 jeweils in den Einlaßkanal und in den Auslaßkanal beliebig miteinander kombiniert werden und es wäre auch eine Steuerungsmöglichkeit derart denkbar, daß die Einmündungsbereiche von der einen in die andere Stellung verstellbar sind. Auf diese Weise lassen sich die Mengen an rückgeführtem Abgas verändern und den jeweiligen Betriebszuständen des Motors anpassen. Dabei sollten natürlich die Leitungen so dimensioniert sein, daß die gewünschten Abgasmengen durchsetzbar sind.

Die zuvor beschriebenen Maßnahmen lassen sich mit verschiedenen weiteren Maßnahmen kombinieren. So ist es beispielsweise denkbar, in den Ein- oder Auslaßkanälen bzw. den mit diesen verbundenen Ansaugleitungen 6 bzw. Auslaßleitungen 11 Drosselorgane, z. B, Schieber, Drosselklappen oder Tentile, anzuordnen, die den Effekt der Abgasrückführung beeinflussen. Ist zum Beispiel, wie in der Figur 1 angedeutet ist, in der gemeinsamen Ansaugleitung eine Drosselklappe 24 angeordnet, die in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand, beispielsweise von der Belastung und von der Temperatur des Motors steuerbar ist, dann kann durch Schließen dieser Klappe die Menge der über die Verbindungsleitungen 18 rückgeführten Abgase vergrößert werden. Gleiches würde für eine ähnliche Drosselklappe in der Auslaßleitung 11 gelten.

Denkbar ist auch eine Lösung, bei der nur das Abgassammeirohr mit dem Teil der Saugleitung verbunden ist, durch die alle Zylinder ihre Luft saugen. Eine solche Anordnung kann man auch durch Drosselorgane, in der Verbindungsleitung und/oder in Auspuff- und/oder Saugleitung zum Zwecke der Steuerung ergänzen.

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Bas Abgas kann aber nicht nur mittels solcher äußerer Abgasrückführungsleitungen, die die Auslaßkanäle der Zylinder in geeigneter Weise mit den Einlaßkanälen verbinden, erreicht werden, sondern beispielsweise auch dadurch, daß die Gassteuerventile 16 und der Zylinder so gesteuert werden, daß zumindest im Leerlauf und bei kaltem Motor mehr Abgas in den Arbeitsräumen zurückbleibt. Schließen beispielsweise die Auslaßventile vor -Beendigung des Auslaßhubes, dann bleibt eine relativ große Abgasrestmenge im Zylinder zurück. Gleiches gilt auch für ein relativ spätes Schließen des Auslaßventils nach Ende des Auslaßhubes bzw. für ein Wiederöffnen des Auslaßventils während des Ansaughubes. In diesem Pail würde im Ansaughub Abgas durch die geöffneten Auslaßventile zurückgesaugt werden. Auch ein frühzeitiges Öffnen der Einlaßventile vor Beendigung der Auslaßhübe führt zu einer vergrößerten inneren Abgasrückführung, indem ein Teil der Abgase in den Einlaßkanal geschoben würde, aus dem sie beim Ansaughub wieder in den Zylinder eingesaugt werden. Auch frühzeitiges Schließen des Einlaßventils vor Beendigung des Einlaßhubes führt dazu, daß die Restgasmenge im Verhältnis zur angesaugten Frischluftmenge zunimmt. Besonders vorteilhaft wäre es, wenn durch variable Steuerzeiten, beispielsweise durch Verdrehen der Nockenwelle in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand, diese innere Abgasrückführung den jeweiligen Motorbetriebsbedingungen angepaßt werden kann. Selbstverständlich können auch diese Maßnahmen der inneren Abgasrückführung mit denjenigen zur äußeren Abgasrückführung beliebig kombiniert werden.

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Claims

VOLK S WAG E N WE RK

AKTIENGESELLSCHAFT

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Unsere Zeichen: K 2646
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M ./Verfahren zur Vermeidung des Uagelns von. Dieserbrennkraftmasehinen, wobei zumindest im leerlaufbetrieb der in. die Brennräume angesaugten !Frischluft Abgas zugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Int eil des Abgases an dem in den Brennräumen vorhandenen gesamten Gasvolumen mindestens 25 io beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Abgases am gesamten Gasvolumen zwischen 40 und 60 io beträgt.
3. Dieselbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Beimischen von Abgas in die von den Zylindern angesaugte !Frischluft derart, daß das Volumen des Abgases im Verhältnis zum gesamten, in die Zylinder angesaugten Gasvolumen mindestens 25 fo, vorzugsweise zwischen 40 tow* 60 i° beträgt.
4. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 3s wobei jeder Arbeitsraum einen durch ein Einlaßventil gesteuerten Einlaß- und einen durch ein Auslaßventil gesteuerten Auslaßkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Verbindungsleitung '(18 bis 21) zwischen den den einzelnen Arbeitsräumen zugeordneten Einlaßkanälen (7 bis 10) und den Auslaßkanälen (12 bis 15) vorgesehen sind.

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmüdcer, Vorsitzender · Horst Badesmann · Prot. Dr. tedin. Ernst Fiele - Dr. jur. Peter Frerk

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5. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (18 bis 21) jeweils zwischen den in etwa gleichzeitig beaufschlagten Einlaß- und Auslaßkanälen der einzelnen Arbeitsräume (2 bis 5) vorgesehen sind.
6. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Yerbindungsleitungen (18 bis 21) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors betätigbare Steuervorrichtungen (22) aufweisen.
7. Dieselbrennkraftmasehine nach Anspruch 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (18 bis 21) selbsttätig durch die die Einlaß- (7 bis 10) bzw. Auslaßkanäle (12 bis 15) beaufschlagenden Gasströme steuerbar sind.
8. Bieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine derartige Steuerung der Einlaß- (16) und/oder Auslaßventile (17)» daß eine entsprechend große Abgasmenge in den Arbeitsräumen (2 bis 5) des Dieselmotors zurückbleibt.
9. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile (16) jeweils vor Beendigung der Auslaßhübe öffnen und/oder vor Beendigung der Einlaßhübe schließen.
10. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9_f dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventile (I7) jeweils vor Beendigung der Auslaßhübe oder nach Beginn der Einlaßhübe schließen bzw. nach Beginn der Einlaßhübe wieder öffnen.
11. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einlaß- und/oder Auslaßkanälen Drosselvorrichtungen vorgesehen sind.

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