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Verfahren zur selbsttätigen Einregelung von Brennkraftmaschinen auf geringsten Brennstoffverbra. uch.
Bei Brennkraftmaschinen besteht die Hauptaufgabe darin, einen möglichst niedrigen Brennstoffverbrauch zu erzielen. Es soll dabei der spezifische Brennstoffverbrauch (Brennstoffverbrauch : Leistung) möglichst ein Minimum sein. Der Brennstoffverbrauch ist ausser von der Art des Arbeitsverfahrens auch von der Einstellung der Steuerorgane abhängig. Bei der Ölmaschine z. B. spielt der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdruck des Öles eine wesentliche Rolle. Bei Gas-und Vergasermaschinen ist die Zusammensetzung des Gemisches, die Art der Regelung, ob Füllung-oder Gemischregelung, und der Ziindzeitpunkt von Bedeutung. In den meisten Fällen ist mit dem geringsten Brennstoffverbrauch auch ein betriebssicherer und ruhiger Gang der Maschine gewährleistet.
Gemäss dem vorliegenden Regelverfahren wirkt nun eine Vorrichtung, durch die der spezifische Brennstoffverbrauch gemessen wird, auf die Steuerung ein und verstellt sie derart, dass dieser Quotient ein Minimum wird. Bei der Ölmaschine wird z. B. diese Vorrichtung den Öleinspritzzeitpunkt, bei der Gasmaschine den Zündzeitpunkt oder die Gemischzusammensetzung, beim Benzinmotor den Düsenquerschnitt des Vergasers, den Ansaugeluftquersehnitt oder den Verdichtungsgrad beeinflussen. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass man dem Organ, das den spezifischen Brennstoffverbrauch bestimmt, eine langsam pendelnde Bewegung erteilt, die gehemmt wird, wenn sie zur Vergrösserung des spezifischen Brennstoffverbrauches führt, und ungehemmt bleibt, solange der spezifische Brennstoffverbrauch nicht anwächst.
Bei Gasmaschinen erfolgt diese pendelnde Bewegung zweckmässig zwischen dem Gas-und Luftsehieber, welche beide überdies von einem normalen Maschinenregler eine gemeinsame Bewegung zur Konstanthaltung der Leistung erhalten. Es wird somit durch die Relativbewegung zwischen Luft-und Gasschieber das Mischungsverhältnis von Gas zu Luft und durch den Maschinenregler die Gaszufuhr unter Aufrechterhaltung des Verdichtungsgrades oder auch die Gesamtgemischzufuhr unter Änderung des Verdichtungsgrades beeinflusst.
Wirkt beispielsweise der Maschinenregler nur auf das Gasventil und wird die zusätzliche Hin-und Herbewegung durch den Luftschieber ausgeführt, so wird dadurch der Gasverbrauch in der Zeiteinheit und also auch-da der Maschinenregler die Leistung gleichbleibend erhält-der spezifische Gasverbrauch geändert. Es wird nun-durch später anzugebende Mittel-der Luftsehieber in derjenigen Lage festgehalten, in der der Gasverbrauch am geringsten ist. Damit ist auch die günstigste Gemischzusammensetzung gefunden.
Ganz besonders hat diese Erfindung für Gasmaschinen Bedeutung. Der Gasverbrauch solcher Maschinen konnte bisher dadurch in unerwünschter Weise ansteigen, dass das Gemisch für die günstige Brenngeschwindigkeit und für den geringsten Gasverbrauch nicht die richtige Zusammensetzung aufwies. Auch wenn das Mischungsverhältnis durch Einstellen von Hand bzw. durch genaue Abmessung der regelnden Teile für eine bestimmte Gaszusammensetzung das beste war, erfuhr es bei ungewollter Änderung des Gaszustandes (Heizwert, Druck, Temperatur) eine nicht ohne weiteres bemerkbare Änderung.
Dadurch waren neben erhöhtem Gasverbrauch auch Schädigungen der Maschine nicht ausgeschlossen, indem eine ungünstige Verbrennung eine Überhitzung derselben zur Folge hatte ; bei einem zu schwach werdenden Gemisch traten Fehlzündungen und Knaller auf.
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Im folgenden wird ein besonders geartetes Ausführungsbeispiel des obigen Erfindungsgedankens beschrieben, bei dem das zusätzliche Regelorgan in Abhängigkeit vom spezifischen Gasverbrauch auf die
Gemischbildung, d. h. auf die Luftansaugequerschnitte. einwirkt. Der jeweilige Gasverbrauch in der
Zeiteinheit, der gleichzeitig bei gleichbleibender Belastung dem spezifischen Gasverbrauchs entspricht, @ kann durch den dynamischen Druck mit Hilfe einer Membran, durch Verwendung einer Stauscheibe, eines Venturirollres oder durch einen Schwimmer angezeigt und auf ein Verstellglied wirksam gemacht werden.
Der Luftschieber macht um einen bestimmten Mittelpunkt eine langsam hin und her gehende Be- wegung. Nehmen wir an, dass bei Bewegung in der einen Richtung, z. B. nach links, der Gasverbrauch
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umkehr in der andern Richtung, also im vorliegenden Falle nach rechts, in der sich also der Gasverbrauch nach der obigen Annahme verringern muss und die wir also als ,.günstige Bewegungsrichtung" bezeichnen, ! so findet kein Eingriff des Verstellgliedes in die Weiterbewegung des Luftsd1Íebers statt.
Indem also der hin und her wandernde Luftschieber in der für den Gasverbrauch ungünstigen Bewegungsrichtung gehemmt, in der günstigen nicht gehemmt wird, wandert der Schwingungsmittelpunkt, um den der Luftschieber aussehlägt, langsam in der Richtung günstigeren Gasverbrauches. Durch die Einwirkung des Gasverbrauches lässt sich damit das günstigste Mischungsverhältnis von Luft und Gas selbsttätig einstellen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des geschilderten Verfahrens verwendet gemäss der Erfindung einen Ölstrom, der in gewissen Zeiträumen zwangläufig umgesteuert wird und dadurch den Luftschieber hin und her bewegt. Dieser Ölstrom wird durch einen besonderen, vom Gasverbrauch beeinflussten Ge- misehregler dann abgedrosselt, wenn sieh der Luftsehieber in der ungünstigen Richtung bewegt, wogegen der Ölstrom unbeeinflusst bleibt oder vergrössert wird, wenn sich der Luftseiieber umgekehrt in günstiger
Richtung bewegt. Hiedureh wird erzielt, dass der Luftschieber in die für den spezifischen Brennstoff- verbrauch günstigste Lage hinpendelt.
Auf der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Regelverfahrens schematisch dargestellt.
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die Stellung der Steuerorgane bei Bewegung des Luftschiebers nach links, in Fig. 4 eine besondere Ausführung von Gas-und Luftschieber, in Fig. 5 ein Schnitt durch den Luftschieber nach a, b der Fig. 4.
In Fig. 1 ist a die zur Maschine führende Gasleitung und b die Luftleitung. Das Gemischverhältnis wird durch den Gasschieber c und den Luftsehieber cl eingestellt. Gas-und Luftschieber werden vom Drehzahlregler der Maschine mittels des Gestänges e gemeinsam verstellt. Durch den Zylinder I und den Kolben g ist der Luftschieber relativ zum Gestänge e verschiebbar. Er ist mit dem Gestänge hydraulisch gekuppelt. Die Druckflüssigkeit, im vorliegenden Falle Öl, fliesst durch die bewegliche Schlauchleitung h dem Zylinder I zu und durch die Schlauchleitung i ab. Im vorliegenden Falle des Ölflusses wandert also der Luftschieber relativ zum Gestänge nach rechts.
Die Strömung des Öls in den Leitungen i und h wird durch den Ölsteuerschieber k gesteuert. Das Öl wird durch die Zahnradpumpe l gefördert. In der Druckleitung m der Zahnradpumpe befindet sich das Überlauf- und Druckeinstellventil n, durch das das Öl
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wobei beide Schieber auf der gleichen Welle fest miteinander gekuppelt sind. Der Antrieb der Schieber kann von der Steuerwelle aus erfolgen. Durch die Leitung r gelangt das Öl zum Gemisehregler t.
Der Gemischregler wird durch die Liefermenge des Gases beeinflusst. Zu diesem Zweck ist die Gas-
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Querschnitt wirkt mittels der Leitungen v und w auf den Membrankolben x ein. Der Membrankolben ist durch eine leicht bewegliehe Ledermembrane y nach aussen abgedichtet und ist mit dem Steuerrohr z fest verbunden. Das Steuerrohr ist unten druckdicht abgeschlossen und durch eine Feder o1 gegen den Differenzdruck im Gasventurirohr nach oben belastet. Das Steuerrohr z ist auf einen Teil seiner Länge vom Mitlaufsehieber al umgeben. Das Öl, das durch die Leitung r in den Gemischregler gelangt, fliesst durch die Öffnung bl in das Innere des Steuerrohres z. Das Steuerrohr besitzt die Öffnungen Ci, die sich mit den Öffnungen d1 des Mitlaufschiebers a1 überschneiden.
Durch die Durchflussöffnung p die durch
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schiebt den fest mit dem Mitlaufschieber al verbundenen Stift kl nach unten, bis sich letzterer an den unteren Rand der Öffnungen bl anlegt. Das Innere des Gemischreglers ist ferner durch die Leitung l1 mit dem federbelasteten Festhaltedaumen iii, verbunden, der, solange das Öl unter Druck steht, durch den Öldruck gegen den Mitlaufschieber Si gedruckt wird und diesen festhält. Wird der Gemischregler vom Öldruck entlastet, so geht der Festhaltedaumen m, nach links und gibt den Mitlaufschieber frei.
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Ölsteuerschieber k.
In der gezeichneten Stellung des Ölsteuerschiebers k ist die Leitung gl mit der Leitung h und die Leitung i mit der Ölabflussleitung n1 verbunden.
Die Wirkungsweise der ganzen Anordnung ist gemäss Fig. 1 die folgende :
Es wird gleichbleibende Leistung der Maschine vorausgesetzt. Das Öl strömt von der Zahnradpumpe zum Entlastungsschieber p, von hier durch die Leitung r zum Gemischregler t, vom Gemischregler zum Ölsteuerschieber k, von hier durch die Leitung h zum Zylinder t des Luftschiebers. Der Luftschieber wandert dabei nach rechts.
Im Gemisehregler, dessen Inneres unter dem Druck des durchfliessenden Öles steht, hat sich durch den Öldruck der Rückholkolben hl im Steuerrohr z nach oben gelegt und damit den Stift Je1 samt dem Mitlaufschieber a1 freigegeben. Gleichzeitig wird durch den Öldruck der Festhaltedaumen mi nach rechts gegen den Mitlaufschieber gedrückt und hält diesen in seiner Stellung fest. Das Steuerrohr kann sich nun mit dem Membrankolben zusammen unbehindert ein Stück nach abwärts bewegen. Bewegt sich
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Im ersten Abschnitt wandert, wie oben betont, der Luftschieber nach rechts. Dabei wird der Luftquerschnitt der Luftleitung b grösser, und der Luftanteil am Gasgemisch vermehrt sich. Bedeutet nun die Luftvermehrung im Gemisch eine Verschlechterung, so wird sich der Gasverbrauch der Maschine erhöhen, und es wird mehr Gas angesaugt ; dabei ändert sich auch die Gasgeschwindigkeit im Venturirohr, der
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schieber p im gezeichneten Pfeilsinn ruhig weiter. Sie gelangen in die Stellung der Fig. 2.
In Fig. 2 wird im Augenblick des Umsteuerns des Ölstromes mittels des Umsteuerschiebers k durch den Entlastungsschieber p die Leitung r zum Gemischregler mittels der Bohrung q entlastet. Im Gemischregler tritt ebenfalls eine Entlastung vom Öldruek ein. Der Festhaltedaumen bewegt sich durch den Federdruck nach links und gibt den Mitlaufschieber al frei. Ebenso bewegt sich durch die Federspannung der Rückholkolben h1 nach unten, drückt den Mitlaufschieber mittels des Stiftes Je1 nach unten und stellt wieder den alten Durchflussquerschnitt P1 ein.
Nunmehr wandert der Ölumsteuerschieber k und der Entlastungsschieber p in die Stellung der Fig. 3. Der Ölstrom kann nun wieder ununterbrochen von der Zahnradpumpe durch den Entlastungsschieber und durch den Gemischregler zum Ölumsteuerschieber fliessen, u. zw. ist durch letzteren die Leitung g1 vom Gemischregler mit der Leitung i und die Leitung h mit der Ablaufleitung Mi verbunden.
Der Luftschieber wandert nun relativ zum Gestänge nach links und vermindert dadurch den Luftquerschnitt und den Luftanteil im Gemisch. Wird dadurch die Gemischzusammensetzung günstiger, so wird der Gasverbrauch geringer und die Geschwindigkeit des Gases im Venturirohr u nimmt ab. Dadurch verringert sich auch dessen Differenzdruck, der Membrankolben ist weniger belastet. Das mit ihm verbundene Steuerrohr ist in der Bewegungsrichtung nach oben durch den Mitlaufschieber a1 mittels des Stiftes kl festgehalten. Der Durehflussquersehnitt pi zwischen Steuerrohr und Mitlaufschieber bleibt erhalten, der Durchfluss des Öles ist nicht behindert, der Luftschieber kann ungehindert in der für den Gasverbrauch günstigen Bewegungsrichtung weiterlaufen.
Nach einiger Zeit wird der Ölstrom wieder umgeschaltet und die Ölführung für den Luftschieber gemäss Fig. 1 gesteuert. Im Augenblick des Umsteuerns wird durch den Entlastungsschieber der Gemischregler vom Öldruck entlastet. Gibt dabei der Festhaltedaumen den Mitlaufschieber frei, so kann sich der Membrankolben und das Steuerrohr in seiner neuen Lage entsprechend des verminderten Differenzdruckes im Venturirohr nach oben einstellen, wobei der Mitlaufschieber (bei niedergegangenem Rüekholkolben) mit nach oben genommen wird.
Der Durchflussquerschnitt zwischen Steuerrohr und Mitlaufsehieber ist jedesmal nach dem Umsteuern des Ölstromes wieder derselbe.
Indem jedesmal nach dem Umsteuern im Gemischregler der alte Durchflussquerschnitt des Öles durch die Rückholvorrichtung, bestehend aus Mitlaufschieber und Rückholkolben, wiederhergestellt wird, kann im Gemischregler festgestellt werden, ob der Gasverbrauch zu oder abnimmt. Bei zunehmendem Gasverbrauch wird der Durchflussquerschnitt verkleinert oder abgeschlossen, bei sich verringerndem Gas
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bleibt er gleich. Er kann natürlich auch bei abnehmendem Gasverbrauch vergrössert werden. wodurch die Bewegung des Luftsehiebers beschleunigt wird.
Im Gemischregler selbst tritt keine Messung des Gasverbrauches ein, sondern es wird nur festgestellt, ob der Gasverbrauch zu-oder abnimmt.
Der Druck und die Durchflussquerschnitte des Öles sind so eingestellt, dass der Luftseliieber relativ zum Gestänge nur ein kleines Stück hin und her wandert, beispielsweise 5 oder 10 mm. Er wird also nicht bei einem einzigen Ausschlag über seinen ganzen relativen Verstellbereich verschoben. Indem die Ausschläge nach der ungünstigsten Seite verringert werden, dieselben aber nach der günstigsten Seite gleichbleiben, wandert der Luftsehieber in die günstigste Lage, um die er nachher gleichmässig hin und her pendelt. Ändert sich der Druck oder der Heizwert des Gases, so wird er entsprechend den neuen Verhältnissen in eine neue Lage des günstigsten Gasverbrauches wandern.
Dadurch, dass der Luftsehieber hydraulisch mit dem Reglergestänge verbunden ist, verschiebt er sich bei einer Änderung der Leistung der Maschine durch den Eingriff des Reglers gleichzeitig mit dem Gassehieber. Wenn sich z. B. die Leistung erhöht, vergrössert unbehindert der Gasschieber den Gasquerschnitt und der Luftschieber den Luftquersehnitt. Wenn die neue Leistung erreicht ist, wird der Luftschieber in der neuen Stellung wiederum versuchen, sich in die günstigste Lage einzuspielen.
In den Fig. 4 und 5 ist eine anders geartete Anordnung von Gas- und Luftschieber gezeichnet. 91 ist die Gasleitung, r1 die Luftleitung, S1 die Gemischleitung, die zur Maschine führt, t, ist der Gasschieber, 111 der Luftschieber ; Gas-und Luftsehieber werden durch das Gestänge v1 vom Drehzahlregler gemeinsam verstellt.
Der Luftschieber ist in seinem oberen Teil mit Schildern IV1 (s. auch Fig. 5) versehen, die die Luft- ansaugeöffnungen a ? i mehr oder weniger verdecken. In Fig. 5 ist ein Schnitt a-b durch die Luftansauge- öffnungen : 1h und die Abdeckungsschilder M'i dargestellt. Wird nun durch den Hebel Y1 der Luft-und Gasschieber verdreht, so überdecken die Schilder am Luftschieber mehr oder weniger die Luftöffnungen, so
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die Gemischzusammensetzung. Es lässt sich also durch Verdrehung von Gas-und Luftschieber die Gemischzusammensetzung ändern.
Die Einstellung für eine bestimmte Leistung geschieht durch Auf-und Abbewegung mittels des Gestänges Ui durch den Drehzahlregler.
Der Erfindung gemäss geschieht nun die Verdrehung von Gas-und Luftschieber durch den Kolben Z,
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die Verdrehung in ungünstigem Sinne, d. h. wird der Gasverbrauch grösser, so wird durch den Gemischregler (Fig. 1) der Ölstrom unterbrochen. Dadurch dreht sich der Luftsehieber in die günstigste Lage und stellt das günstigste Gemisch ein.
Die in den Fig. 1 und 4 beschriebenen Ausführungen einer selbsttätigen Gemischsteuerung überlassen es ado der Maschine selbst, sieh das richtige Gemisehverhältnis einzustellen.
Die Frage, ob man die Maschine am besten mit Füllungs-oder Mischungsregelung ausfuhrt oder ob man bei gewissen Belastungsstufen neben der Füllungs-eine Mischungsregelung einführen muss, scheidet daher völlig aus. Stets ist durch das Zusammenwirken des Maschinenreglers mit dem Zusatzregler erreicht, dass die Maschine eine Ladung erhält, die einerseits der jeweiligen Belastung entspricht und anderseits so zusammengesetzt ist, dass der Gasverbrauch so gering als möglich ist.
Auch finden die beiden sieh widersprechenden Faktoren eines grossen und kleinen Luftüberschusses, da bei grossem Luftüberschuss wohl die Wärmeverluste an der Zylinderwandung infolge verringerter Höchsttemperatur vermindert, dabei aber wieder die Verbrennungsgeschwindigkeit verlangsamt wird, von selbst den richtigen Ausgleich.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur selbsttätigen Einregelung von Brennkraftmaschinen auf geringsten Brennstoffverbrauch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Organ, das den spezifischen Brennstoffverbrauch bestimmt, eine langsam pendelnde Bewegung erteilt wird, die gehemmt wird, wenn sie zur Vergrösserung des spezifischen Brennstoffverbrauches führt, und ungehemmt bleibt, solange der spezifische Brennstoffverbrauch nicht anwächst.