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Vorrichtung zur Regelung der Spülung und Aufladung bei Zweitakt-Einspritz- brennkraftmaschinen
Bei Zweitakt-Einspritzbrennkraftmaschinen mit von der Brennkraftmaschine unmittelbar an- getriebenem volumetrisch förderndem Spül-und
Ladegebläse, bei denen zur Erreichung eines grossen Ladegewichtes und demzufolge einer hohen Leistung im Auspuffkanal ein Absperr- organ, z.
B. in Form einer von der Maschine angetriebenen Drehklappe, eines Drehschiebers oder eines oszillierenden Steuerorgans, vor- gesehen ist, welches den Auslass sperrt, bevor die Einlassorgane der Maschine geschlossen werden, ist es bekannt, den Schliesszeitpunkt dieses
Organs in Abhängigkeit von einer Betriebsgrösse derart zu verstellen, dass von der durch das Spülund Ladegebläse bei den verschiedenen Betriebszuständen angelieferten Luft jeweils die grösstmögliche Menge im Zylinder zurückgehalten wird. Der Schliesszeitpunkt dieses Absperrorgans wird hiefür bei jedem Betriebszustand der Maschine so gelegt, dass sich der bei einem genügenden Spülüberschuss höchst erreichbare Spül-und Ladedruck ergibt.
Zur Erreichung einer solchen Regelung wurde schon der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans im Auslasskanal selbsttätig in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl verstellt, u. zw. derart, dass mit abnehmender Maschinendrehzahl das Absperrorgan früher geschlossen wird, um dem Anwachsen des Auslasszeitquerschnittes bei abnehmender Drehzahl zu begegnen, welches ein Absinken des Spül-und Ladedruckes und damit eine Abnahme des Ladegewichtes zur Folge hätte.
Es sind auch Maschinen bekannt, bei denen das Absperrorgan im Auspuffkanal selbsttätig in Abhängigkeit vom Spül-und Ladedruck verstellt wird, u. zw. derart, dass mit anwachsendem Spül-und Ladedruck das Absperrorgan später und beim Absinken dieses Druckes früher geschlossen wird.
Weiterhin sind auch Maschinen bekannt, bei denen der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans im Auspuffkanal selbsttätig in Abhängigkeit vom Aussenluftdruck, d. h. von der Betriebshöhe, in der die Maschine jeweils arbeitet, verstellt wird, u. zw. derart, dass mit abnehmendem Aussenluftdruck, d. h. zunehmender Betriebs- höhe, das Absperrorgan früher geschlossen wird.
Diese Massnahme kann hauptsächlich bei Flug- motoren Anwendung finden.
Bei diesen bekannten Regelungsarten arbeitet das Gebläse bei allen Maschinenbelastungen gegen den gleichen Druck, so dass es im Teil- lastgebiet, wo bekanntlich nicht der höchst erreichbare Ladedruck notwendig ist, unnötig viel Leistung aufnimmt. Der spezifische Brenn- stoffverbrauch wird hiedurch bei Teillast sehr gross, so dass sich solche Maschinen für eine
Betriebsweise, bei welcher häufig Teilbelastungen vorkommen, nicht eignen.
Es sind nun weiterhin Maschinen bekannt, bei denen zur Verminderung der Antriebs- leistung für das Spül-und Ladegebläse im Teil- lastbereich eine Kurzschluss-Leitung am Gebläse welche die Druckseite mit der Saugseite verbindet, mehr oder weniger geöffnet wird. Mit einer solchen Anordnung kann wohl im Teillastbereich der Spül-und Ladedruck etwas gesenkt und damit die Antriebsleistung etwas vermindert werden, weil der Förderdruck dadurch gesenkt wird. Der Förderdruck des Gebläses, gleichbedeutend mit dem Spülüberdruck, darf jedoch nur so weit gesenkt werden, als noch eine einwandfreie Ausspülung des Arbeitszylinders der Maschine gewährleistet ist.
Da nun aber das bei der genannten Maschinengattung angewendete Absperrorgan im Auspuffkanal selbsttätig immer möglichst früh geschlossen wird, wird der Auslasszeitquerschnitt der Maschine selbsttätig immer möglichst klein bemessen. Bei einer KurzschlussRegulierung am Gebläse muss demzufolge immer noch ein diesem kleinen Auslasszeitquerschnitt entsprechender, verhältnismässig grosser Spüldruck aufrecht erhalten werden, soll nicht eine gute Ausspülung des Arbeitszylinders in Frage gestellt sein. Die Einsparung an Antriebsleistung für das Gebläse bleibt deshalb bei dieser Regelungsart verhältnismässig bescheiden. Bei dieser Anordnung wird auch das Gebläse unnötig erwärmt, was seinen Wirkungsgrad beeinträchtigt.
Die im Gebläse umgewälzte Luft kommt der Ausspülung und Auskühlung des Arbeitszylinders nicht zugute.
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Nach der Erfindung werden diese Verhältnisse dadurch grundsätzlich verbessert, dass der Schliesszeitpunkt des Abschlussorgans im Auspuffkanal einerseits in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl, anderseits auch in Abhängigkeit von der in die Maschine eingespritzten Brennstoffmenge so verstellt wird, dass mit abnehmender Maschinendrehzahl der Abschluss
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menge derselbe später verlegt wird.
Mit dieser Massnahme kann der Spül-und Ladedruck im Teillastgebiet der Maschine gesenkt werden, indem der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans mit abnehmender Brennstoffmenge später verlegt wird. Der Steuerzeitquerschnitt der Maschine wird dadurch bei Übergang auf kleinere Belastung vergrössert, so dass die vom Gebläse gelieferte Luftmenge mit kleinerem Überdruck durch die Maschine gefördert werden kann.
Das Spülgebläse hat dann mit einem wesentlich kleineren Druckverhältnis zu arbeiten und nimmt deshalb eine entsprechend kleinere Leistung auf.
Dank dieser Massnahme geht der Brennstoffverbrauch der Maschine im Teillast-und Leerlaufbetrieb erheblich zurück, er fällt beträchtlich günstiger aus als bei Maschinen mit unverstellbarem Auslasszeitquerschnitt oder bei den erwähnten Maschinen, bei denen das Absperrorgan im Auspuffkanal nur in Abhängigkeit von einer einzigen Betriebsgrösse zur Erzielung des höchst erreichbaren Spül- und Ladedruckes
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Belastungsgrad der Maschine.
Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Regelungsvorrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine nach der
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maschine, u. zw. mit Verstellung des Schliesszeitpunktes des Absperrorgans im Auspuffkanal einerseits inAbhängigkeitvonderMaschinen- drehzahl, anderseits in Abhängigkeit von der in die Maschine eingespritzten Brennstoffmenge,
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Fig. 3 zeigt den erforderlichen Spül-und Ladedruck in Abhängigkeit von der Drehzahl bei veränderlichem Schliesszeitpunkt für das Abschlussorgan und Fig. 4 zeigt die Leistungsaufnahme des Spül-und Ladegebläses der in Fig. 1 gezeigten Maschine in Abhängigkeit vom Spül-und Ladedruck und der Maschinendrehzahl.
Bei der Ausführungsform nach Fig. l-4 ist mit 1 der Arbeitszylinder bezeichnet. In diesem sind Einlassschlitze 2 für die Spül-und Aufladeluft und Auslassschlitze 3 für den Auspuff vorgesehen. Im Arbeitszylinder 1 bewegt sich der Arbeitskolben 4, der in bekannter Weise über eine Pleuelstange 5 auf eine Kurbelwelle 6 arbeitet. Bei der in Fig. 1 beispielsweise gezeigten Maschinenbauart werden sowohl die Einlassschlitze 2 als auch die Auslassschlitze. 3 vom Arbeitskolben 4 gesteuert. Um eine grössere Luftfüllung im Zylinder zurückhalten zu können, ist in dem an die Auslassschlitze 3 anschliessenden Auspuffkanal 7 ein von der Maschine angetriebenes
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Beim vorliegenden Beispiel handelt es sich um eine Drehklappe.
Es ist an dieser Stelle aber auch ein Drehschieber oder ein beliebiges anderes, bekanntes drehendes oder oszillierendes Steuerorgan anwendbar. Das Abschlussorgan 8 wird von der Kurbelwelle 6 der Maschine über das
Stirnradpaar 9, 10, das Schraubenradpaar 11, 12, die Welle 13, die Muffe 14, das Wellenstück 15 und das Kegelradpaar 16, 17 angetrieben, u. zw. je nach Maschinenbauart mit halber, ganzer oder doppelter Maschinendrehzahl. Der Schliesszeitpunkt des Abschlussorgans ist so gelegt, dass der Auspuffkanal abgesperrt wird, bevor der Kolben 4 beim Hochgehen nach dem unteren Totpunkt, die Einlassschlitze 2 zusteuert. Es kann auf diese Weise die durch die Einlassschlitze unter dem Spül- und Ladedruck p L in den Zylinder einströmende Luft dort zurückgehalten werden.
Die Spül-und Ladeluft wird von einem vom Motor direkt angetriebenen Gebläse 18 geliefert.
Hat nun die Maschine in einem grossen Drehzahlbereich mit bestmöglichem Drehmoment zu arbeiten, so muss über diesen ganzen Bereich wenigstens bei Vollast dafür gesorgt werden, dass der vom Gebläse erzeugte Ladedruck p L und damit das im Zylinder für die Verbrennung zur Verfügung stehende Luftgewicht über dem ganzen Drehzahlbereich angenähert auf konstanter Höhe gehalten werden kann. Dies ist aber bekanntlich nur möglich, wenn der Spülzeitquerschnitt der Maschine beispielsweise durch Vergrösserung oder Verkleinerung des Auslassquerschnittes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl verändert wird, u. zw. so, dass er in Anpassung an die mit sinkender Maschinendrehzahl kleiner werdende Fördermenge des Spülund Ladegebläses entsprechend verkleinert wird.
Dies wird im vorliegenden Fall dadurch erzielt, dass das Abschlussorgan 8 im Auspuffkanal bei kleiner Maschinendrehzahl früher geschlossen wird. Zu diesem Zweck ist die Antriebswelle 13 mit geraden Keilen, das Wellenstück 15 mit Steilgewinde ausgerüstet. Beide Wellen sind mit der Verschiebemuffe 14 verbunden. Wird diese Verschiebemuffe 14 nach oben verschoben, so schliesst das Abschlussorgan 8 später, wird diese nach unten bewegt, so schliesst das Ab- schluss organ 8 früher. Auf der Welle 13 ist nun ein bekannter Drehzahlregler, bestehend aus den Fliehgewichten 21, der Zugfeder 22 und der Reglermuffe 23 angebracht. Die Muffe 23 wird in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl verstellt, u. zw. bei steigender Drehzahl nach oben, bei fallender Drehzahl nach unten. In die Muffe 23 greift ein Schwenkhebel 24 ein, der um den Drehpunkt 25 verschwenkt wird.
Der Hebel 24 überträgt die Bewegung der Muffe 23 über eine Verbindungsstange 26 auf das eine Ende eines zweiten Schwenkhebels 27, der sich um den festen Drehpunkt 28 dreht
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und mit seinem anderen Ende in die Verschiebe- muffe 14 eingreift und diese gemäss der Be- wegung der R : glermuffe J verstellt. Damit wird der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans 8 im Auspuffkanal in Abhängigkeit von der
Maschinendrehzahl verstellt, u. zw. so, dass mit steigender Maschinendrehzahl das Absperrorgan den Auspuffkanal später, mit abnehmender
Maschinendrehzahl früher schliesst.
Auf diese
Weise wird der Auslasszeitquerschnitt der Maschine in Abhängigkeit von der Drehzahl verändert, u. zw. so, dass derselbe bei abnehmender Drehzahl verkleinert und bei zunehmender Drehzahl ver- grössert wird.
Fig. 2 zeigt das Steuerdiagramm der Maschine.
Im Punkt A, ; öffnet der Kolben die Auslass- schlitze, im Punkt Sp"werden vom Kolben die Spülschlitze freigelegt, im Punkt Sp, werden diese vom Kolben wieder geschlossen, im Punkt AH werden vom Kolben die Auslassschlitze wieder abgesperrt. Ohne Absperrorgan im Auspuff- kanal würde erst in diesem Punkt die Ver- dichtung beginnen, das bei dieser Kolbenstellung im Zylinder eingeschlossene Luftgewicht wäre für die erzielbare Leistung massgebend.
Durch das Absperrorgan im Auspuffkanal wird nun aber der Auslass früher geschlossen, u. zw. bei
Vollast im schraffierten Bereich zwischen den
Punkten KSI und KSIJ. Bei kleinster Drehzahl liegt der Schliesszeitpunkt bei Ks der Auslasszeitquerschnitt der Maschine ist verhältnismässig klein ; bei grösster Drehzahl liegt der Schliesspunkt bei Ksn, der Auslasszeitquerschnitt ist wesentlich vergrössert.
In Fig. 3 ist über der Maschinendrehzahl für konstanten Spülüberschuss für verschiedene
Schliesszeitpunkte des Absperrorgans von 0 u. T. bis 60 nach u. T. (unt. Totpunkt) der erforderliche Spül-und Ladedruck aufgetragen. Es ist auf dieser Figur ersichtlich, wie bei einer Verlegung des Schliesszeitpunktes von z. B. 400 nach u. T. bei grösster Drehzahl nach 00 bei kleinster Maschinendrehzahl der Spül-und Ladedruck bei konstantem Spülüberschuss angenähert konstant bleibt, so dass das im Zylinder eingschlossene Ladegewicht mit abnehmender Maschinendrehzahl auf einer zur Erzielung eines konstanten oder sogar ansteigenden Drehmomentes erforderlichen Höhe gehalten werden kann.
Die Verstellung des Schliesszeitpunktes des Absperrorgans im Auspuffkanal in Abhängigkeit von der Drehzahl im Bereiche von KSI bis Ksi in Fig. 2 wirkt also auf die Aufrechterhaltung des höchst erreichbaren Spülund Ladedruckes über dem ganzen Drehzahlbereich.
Diese Regelungsart bietet im Vollastbereich wesentliche Vorteile. Wie aus Fig. 4 zu ersehen, wo über der Drehzahl für verschiedene Spülund Ladedrücke p L 1 bis P L 6 der Leistungsbedarf NeG für das von der Maschine angetriebene Gebläse aufgetragen ist, benötigt das Gebläse bei einer solchen Regelung stets die grösste Antriebsleitung, d. h. für den Verlauf von"PL-Vollast"in Fig. 3, die in Fig. 4 durch die strichpunktierte Kurve eG-Vollast"dar-
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vermeiden, wird nun im Teillast-und Leerlaufbetrieb der Brennstoffverbrauch dadurch verbesser, dass die Antriebsleistung des Gebläses durch Herabsetzung des Förderdruckes verringert wird, wie dies in Fig. 4 durch die Pfeile
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herabsetzen zu können, bedarf es aber, wie aus Fig.
3 hervorgeht, einer Verstellung des Schliesszeitpunktes des Absperrorgans im Auspuff, derart, dass bei abnehmender Maschinenbelastung der Steuerzeitquerschnitt vergrössert wird ; bei Leerlauf wird vorteilhaft der Zeitquerschnitt der Maschine auf den grösstmöglichsten Wert gebracht. Dies wird dadurch erreicht, dass bei Leerlauf das Absperrorgan erst schliesst, während an der Maschine das Lufteinlassorgan (Lufteinlassschlitze) geschlossen wird oder erst, nachdem dieses geschlossen ist. Der für eine gute Ausspülung des Zylinders erforderliche Spülluftdurchsatz kann dann mit wesentlich kleinerem Spülüberdruck P L erreicht werden.
In Fig. 3 ist der im Leerlauf bei Anwendung dieser Massnahme erforderliche Spülüberdruck durch die strichpunktierte Kurve"pl,-Leerlauf" dargestellt. Das entsprechende Regelverfahren wird bei der in Fig. 1 gezeigten Maschine dadurch verwirklicht, dass der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans nicht nur in Abhängigkeit von der Drehzahl verstellt wird, sondern auch in Abhängigkeit von der Belastung der Maschine, d. h. von der in die Maschine eingespritzten Brennstoffmenge. Nach Fig. 1 wird diese Brennstoffmenge durch Verstellung des an der Einspritzpumpe 29 vorhandenen Hebels 30 verändert.
Hebel 30 trägt eine Verlängerung 31, an welcher eine Stange 32 angelenkt ist. Diese Stange 32 ist ihrerseits mit dem Drehpunkt 25 des Schwenkhebels 24 verbunden. Bei einer Veränderung der Brennstoffmenge durch eine Verstellung des Hebels 30 wird gleichzeitig auch der Drehpunkt 25 verlagert, u. zw. wird dieser bei abnehmender Brennstoffmenge tiefer gelegt. Bei konstanter Drehzahl bildet nun die Muffe 23 den Drehpunkt für den Schwenkhebel 24. Bei abnehmender Brennstoffmenge wird demzufolge durch den Hebel 24 über die Stange 26 und den Schwenkhebel 27, der sich um den festen Punkt 28 dreht, die Verstellmuffe 14 nach oben verschoben, so dass der Schliesszeitpunkt des Absperrorgans 8 im Auspuff später verlegt wird.
Im Leerlauf liegt bei der kleinsten Maschinendrehzahl der Schliesszeitpunkt dann bei Punkt KSII, bei
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Im Leerlauf schliesst also, wie aus dem Steuerdiagramm Fig. 2 hervorgeht, bei der kleinsten Maschinendrehzahl das Absperrorgan etwa im gleichen Moment, in dem auch der Kolben den Einlass schliesst, bei der grössten Maschinendrehzahl
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noch wesentlich später, so dass der Arbeitszylinder erst abgeschlossen wird, wenn der Kolben die Auslassschlitze übersteuert hat.
PATENTANSPRÜCHE : l. Vorrichtung zur Regelung der Spülung und Aufladung bei Zweitakt-Einspritzbrennkraftmaschinen mit von der Brennkraftmaschine unmittelbar angetriebenem, volumetrisch förderndem Spül-und Ladegebläse, wobei im Auspuffkanal ein bewegliches Abschlussorgan vorgesehen ist, das von der Maschine unter Zwischenschaltung einer die Verschiebung des Schliesszeitpunktes ermöglichenden Verstellvorrichtung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schliesszeitpunkt des Abschluss-