DD148971A5 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung des wirkungsgrades einer aufgeladenen brennkraftmaschine - Google Patents

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DD148971A5 DD80218861A DD21886180A DD148971A5 DD 148971 A5 DD148971 A5 DD 148971A5 DD 80218861 A DD80218861 A DD 80218861A DD 21886180 A DD21886180 A DD 21886180A DD 148971 A5 DD148971 A5 DD 148971A5
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Abstract

Waehrend das Ziel der Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Viertaktbrennkraftmaschine, insbesondere eines mit konstantem Druck vorverdichteten Motors liegt, besteht die Aufgabe darin, einen Verdichtungsdruck zu erzielen, der automatisch variieren kann, d.h., dasz bei jedem beliebigen Lastbereich kein zusaetzliches Element benoetigt wird. Bei einem Motor, dessen Verteilungsdiagramm eine Ueberlagerungsphase II zwischen den jeweiligen Hueben mindestens eines Auspuffventiles und eines Einlaszventiles vorsieht, besteht das Verfahren darin, das Einlaszventil annaehernd beim unteren Totpunkt (PMB) des Kolbens oder kurz davor zu schlieszen und den Schlieszzeitpunkt des Auspuffventiles (RFE) ueber den festgelegten Schlieszzeitpunkt des Einlaszventiles hinaus zu verzoegern. Mit dem erfindungsgemaeszen Verfahren koennen insbesondere d. am Ende des Verdichtungstaktes in den hoeheren Lastbereichen auftretenden Drucke herabgesetzt und der tatsaechliche Verdichtungsdruck in den unteren Lastbereichen und beim Starten erhoeht werden. Die vor+iegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Dieselmotoren.

Description

Berlin, den 16.6.1980
1 8 86 1 *"1"" AP F 02 B/218
56 951/27
Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer insbesondere aufgeladenen Brennkraftmaschine
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Viertaktmotors, wie zum Beispiel eines Dieselmotors, der zum Beispiel mit einem konstanten Druck aufgeladen wird.
Die optimalen Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine, die für Nennlastbereiche berechnet sind, werden insbesondere beim Starten, in den Teillastbereichen sowie in den hohen Lasten beeinträchtigt.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
In einem Dieselmotor ist im allgemeinen der Verdichtungsdruck in den hohen Lastbereichen begrenzt, um am Ende des Verdichtungstaktes die vorkommenden Drücke herabzusetzen. Nach einem bekannten Verfahren, das als Millerscher Zyklus bekannt und für Gasmotoren entwickelt worden ist, wird die Einschränkung des Druckes am Ende des Verdichtungstaktes dadurch erzielt, daß man über einen variablen tatsächlichen Verdichtungsdruck verfügt, der beim Starten seinen Höchstwert und in den höheren Lastbereichen seinen Mindestwert aufweist. Zu diesem Zweck ist der Schließzeitpunkt des Einlaßventiles in bezug auf den unteren Totpunkt vorgeeilt, wobei dieser Zeitpunkt von dem Wert der Last abhängig gemacht wird. Die Voreilung der Schließung des Ventiles bewirkt die Entspannung der in dem Zylinder enthaltenen Luftmenge sowie eine Verringerung deo tatsächlichen Hubs des
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' * AP F 02 B/218 861 - 2 - 56 951/27
Kolbens während der Verdichtungsphase.
Da die Zündung des Brennstoffes im Falle eines Dieselmotors durch die Erhöhung der Temperatur der in dem Zylinder enthaltenen Luftmenge im Laufe des Verdichtungstaktes erzielt wird, muß der Verdichtungsdruck einen bestimmten Wert aufweisen, damit der Brennstoff in allen Betriebszuständen des Motors gezündet wird. Es hat sich jedoch erwiesen, daß in den Teillastbereichen sowie beim Starten diese Temperatur am Ende der Verdichtungsphase nicht ausreichend sein kann. Mit verschiedenen bekannten Verfahren wird dieser Mangel
d_durch behoben, daß die Luftmenge, die vor der Verdich-β
tungsphase in dem Zylinder vorhanden ist, erwärmt wird. Unter diesen bekannten Verfahren kann man diejenigen erwähnen, die folgendes vorsehen:
- Erzielung der notwendigen Temperatur mit Hilfe einer äußeren Wärmequelle;
- Veränderung der Verteilungsphasen des Zyklus der Brennkraftmaschine, damit die in der AuspuffSammelleitung vorhandenen Gase wieder in Umlauf gebracht werden.
Diese zweite Lösung liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung und ist insbesondere in dem französischen Patent Nr. 2.271.393 beschrieben. Es ist dabei vorgesehen, daß die in der AuspuffSammelleitung vorhandenen Auspuffgase dadurch wieder in Umlauf gebracht werden, daß sie zur Erwärmung der Einlaßluftmenge in den Zylinder teilweise wieder eingeleitet werden. Dieser Vorgang wird in der Weise durchgeführt, daß das Auspuffventil während der Einlaßphase teilweise geöffnet gehalten ist.
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Ee wird darauf hingewiesen, daß bei dem in der vorgenannten französischen Patentschrift beschriebenen Verfahren die Auspuffventile am Ende der Verdrängungsphase sowie während des größten Teiles des Ansaughubs beim Starten sowie in allen Betriebszuständen des Motors geöffnet gehalten sind. Es ist außerdem erwähnt, daß beim Starten der Auspuffgegendruck mit Hilfe von geeigneten Vorrichtungen, zum Beispiel Klappen, in vorteilhafter Weise künstlich erhöht wird.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von insbesondere aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
Darlegung de3 Wesens der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Erzielung eines tatsächlichen Verdichtungsdruckes, der automatisch variieren kann, d. h., daß bei jedem beliebigen Lastbereich kein zusätzliches Element benötigt wird. Dabei wird ausschließlich das VerteilungsJiagramm des Motorzyklus beeinflußt, um die Probleme, die in den höheren Lasten sowie insbesondere in den geringen Lastbereichen und beim Starten gestellt werden, wirksam zu lösen. Man darf in der Tat nicht vergessen, daß im allgemeinen die Erzielung eines Drehmomentes, welches demjenigen, das bei geringen Geschwindigkeiten mit einem Schraubengesetz und insbesondere bei höheren Drehmomenten auftritt, gleich ist, in durch einen Turbokompressor vorverdichteten Viertaktmotoren durch die Erhöhung der tatsächlichen mittlerer. Nenndrucke (mehr als 20 bis 25 bar) fortschreitend in Frage gestellt wird.
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Zum Erzielen einer Verbesserung des Wirkungsgrades eines Viertaktmotors, wie zum Beispiel eines mit einem konstanten Druck aufgeladenen Dieselmotors, dessen Verteilungsdiagramm zwischen den Hüben mindestens eines Auspuffventils und mindestens eines Einlaßventils eine Oberlagerungsphase umfaßt, wobei das Einlaßventil annähernd beim unteren Totpunkt des Kolbens bzw. kurz davor geschlossen wird, ist erfindungsgetnäß nunmehr vorgesehen, daß die Schließung des Auspuffventiles über den festen Schließzeitpunkt des Einlaßventiles hinaus verzögert wird, damit bei der fortschreitenden Erhöhung der Last des Motors vom Starten an bis zur Erzielung der Nennleistung der tatsächliche Verdichtungsdruck sowie die Temperaturen am Ende des Verdichtungstaktes durch die gleichzeitige Verringerung der in der Auspuffleitung vorhandenen Gasmenge automatisch und fortschreitend herabgesetzt werden, wobei die genannte Gasmenge aus verbrannten Gasen oder frischer Luft besteht, die annähernd im unteren. Totpunkt wegen der natürlichen Entwicklung des Verhältnisses des Vorverdichtungsluftdruckes zu dem Auspuffgegendruck des Zylinders in letzterem wieder angesaugt werden.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß das Auspuffventil v/ährend des größten Teiles der Einlaßphase geschlossen, dann teilweise wieder geöffnet und schließlich nach der Schließung des Einlaßventiles wieder geschlossen wird«
Im Sinne der Erfindung ist weiterhin, daß während des größten Teiles der Einlaßphase das Auspuffventil in einer bestimmten Hubstellung gehalten wird, wobei diese Teilhubstellung über den Schließzeitpunkt des Einlaßventiles hinaus aufrechterhalten wird.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Auspuff-Schließzeitpunkt im Vergleich zu dem einlaßseitigen Schließzeitpunkt um einen Wert verzögert wird, welcher einem Drehwinkel der Kurbelwelle von O bis 70° und mehr und vorzugsweise von 25 bis 45 entspricht, wobei der einlaßseitige Schließzeitpunkt etwa 40° vor dem unteren Totpunkt (PMB) und etwa 10° nach dem unteren Totpunkt des Kolbens liegt. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dabei dadurch aus, daß der Steuernocken, der den Hub des Auspuffventiles bewirkt, einen hauptsächlichen Nockenanlauf sowie einen zusätzlichen Nockenanlauf besitzt. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn der zusätzliche Nockenanlauf von dem hauptsächlichen Nockenanlauf getrennt vorgesehen ist, damit der Steuernocken zuerst die Schließung des Auspuffventile3, dann dessen Wiederöffnung und schließlich dessen Schließung nach der Schließung des Einlaßventiles bewirkt. Zweckmäßig ist aber auch, daß der zusätzliche Nockenanlauf sich an den hauptsächlichen Nockenanlauf bündig anschließt, um während des größten Teiles der Einlaßphase und über den Schließzeitpunkt dos Einlaßventiles hinaus einen Teilhub des Auspuffventiles aufrechtzuerhalten. Erfindungsgemäß ist ebenfalls, daß unmittelbar stromabwärts der Auspuffventile über eine bypass-Vorrichtung, die die unmittelbare Verbindung der Vorverdichtungsluft stromaufwärts des Motors mit der Auspuffleitung herstellt und durch den Zylinder nicht verläuft, eine Frischluftreserve gebildet wird.Als günstig hat sich auch gezeigt, wenn ein zusätzliches Einlaßventil vorgesehen ist, welches mit der Einlaßsammelleitung verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen dem Ventil und der Sammelleitung über zum Beispiel eine Klappe insbesondere in den höheren Lastbereichen unterbrochen werden kann.
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Gemäß einem besonderen Vorteil der vorliegenden Erfindung wird die Wiederansaugung der Luft oder der Auspuffgase durch den Zylinder durch die natürliche Entwicklung des in der AuspuffSammelleitung vorhandenen Gegendruckes in bezug auf den Druck der Einlaßluft je nach der Last und der Geschwindigkeit automatisch kontrolliert.
Durch die vorliegende Erfindung können darüber hinaus in den höheren Lastbereichen sowie im Falle von Betriebsbedingungen in den unteren Lastbereichen und beim Starten die Vorteile des Millerschen Zyklus beibehalten werden, ohne daß Hilfsvorrichtungen oder zugehörige Steuerelemente eingesetzt werden, um die Stellung der Verteilungsorgane, welche in Abhängigkeit von dem Lastbereich den Einlaß der Luft in den Motor kontrollieren, zu verändern.
Ausfuhrungebeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: eine graphische Darstellung der jeweiligen Nockenhube dos Auspuffventiles (Kurve Al) und des Einlaßventiles (Kurve Bl) in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Kurbelwelle ( AM) in einem Motor mit einem herkömmlichen Verteilungsdiagramm ;
Fig. 2: eine graphische Darstellung der Kurven der Nockenhube des Auspuffventiles in zwei Ausführungsformen der Erfindung, die jeweils durch die Kurven A2a und *A2b angedeutet sind, in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Kurbelwelle, wobei in dieser Figur die Kurve B2
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den Hub des Nockens des Einlaßventiles angibt;
Fig. 3: eine graphische Darstellung des jeweiligen Druckes der Einlaßsammelleitung (Kurve P3) und der Auspuffeammelleitung (Kurve P4) nach dem Schraubengesetz, wobei das Verhältnis P3/P4 nach dem Schraubengesetz in Abhängigkeit von dem tatsächlichen mittleren Druck und von der Leistung ebenfalls angedeutet ist, indem nur der tatsächliche mittlere Druck Pme geradlinig variiert;
Fig. 4: eine graphische Darstellung des in dem Zylinder herrschenden Druckes zu verschiedenen Schließzeitpunkten des Einlaßventiles einerseits in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und andererseits in einem Motor mit einem herkömmlichen Verteilungsdiagramm, bei welchem die Schließung des Einlaßventils um zum Beispiel 35 nach dem unteren Totpunkt des Kolbens verzögert wird;
Fig. 5: auf einem einzigen Diagramm zwei Kurvenreihen, die jeweils den verschiedenen volumetrischen Wirkungsgraden und den Füllungsraten in Abhängigkeit von der Leistung (nach dem Schraubengesetz) entsprechen und für unterschiedliche Verteilungsdiagramme, unter weichen das Verteilungsdiagramm nach der vorliegenden Erfindung einbegriffen ist, erzielt werden;
Fig. 6: in einer graphischen Darstellung den Oberschuß an Verbrennungsluft ((4c) in dem Zylinder in Abhängigkeit von der Leistung (nach dom Schraubengesetz) für verschiedene Verteilungsdiagramme und insbesondere
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for dasjenige nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7: eine schematische Darstellung des Steuernockens des Auepuffventiles zur Erzielung der Evolute A2b der Fig. 2;
Fig. 8: eine schematische Darstellung des Steuernockens des Auspuffventiles zur Erzielung der Kurve A2a der Fig.2 und
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer Hilfsvorrichtung, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordnet ist.
Das bekannte Verteilungsdiagramm der Fig. 1 kann in drei Zonen unterteilt werden:
Zone I: herkömmliche Auspuffphase mit Voreilung der Auspuff-Öffnung (AOE) in bezug auf den unteren Totpunkt des Kolbens (PMB) und Nacheilung des Auspuff-Schließzeitpunktes (RFE) in bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbens (PMH);
Zone II:Spülungsphase mit Oberlagerung der Einlaß- und Auspuf fventile (schraffierte Zone);
Zone III: herkömmliche Einlaßphase mit Voreilung des Einlaß-Öffnungszeitpunktes (AOA) in bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbens (PMH) und Nacheilung des Einlaß-Schließzeitpunktes (RFA) nach dem unteren Totpunkt des Kolbens.
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Das erfindungsgemäße Verteilungsdiagramm ist, wie in Fig. 2 dargestellt, in vier Phasen unterteiltί
Phase I: ähnlich wie die oben erwähnte Phase I;
Phase II: für die Kurtre A2a ist die Spülungskurve im wesentlichen der vorerwähnten Phase II identisch, während für die Kurve A2b mit restlicher Hubetellung des Auspuffventiles der Oberlagerungsquerschnitt im wesentlichen zu dem gleichen -Spülungsverhältnis wie in Kurve A2a (schraffierte Zonen) führt;
Phase III: ähnlich wie die vorerwähnte Phase III, jedoch mit einer Voreilung des Schließzeitpunktes des Einlaßventiles (AFA) in bezug auf den unteren Totpunkt des Kolbens (PMB);
Phase IV: diese Phase ist neu und entspricht einer zusätzlichen Füllungsphase, die die Verbindung zwischen der AuspuffSammelleitung und dem Zylinder mit Hilfe des Auspuffventiles automatisch kontrolliert Für die Kurve A2a ist das Auspuffventil erst geschlossen, dann annähernd zum Zeitpunkt der Schließung des Einlaßventiles wieder geöffnet und schließlich etwa nach dem unteren Totpunkt des Kolbens wieder geschlossen. Im Falle der Kurve A2b ist das Auspuffventil während des größten Teiles der Einlaßphase teilweise in Hubetellung gehalten, wobei diese Stellung über den Schließzeitpunkt des Einlaßventiles hinaus aufrechterhalten wird, bevor das Auspuffventil etwas
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nach Erreichen des unteren Totpunktes durch den Kolben wieder in Schließstellung gebracht wird.
Es werden nun im Falle eines Viertaktmotors, zum Beispiel eines vorverdichteten Dieselmotors, die verschiedenen Betriebsbedingungen von den höheren Lastbereichen an bis zum Starten erläutert.
In den hohen Lastbereichen (von 50 bis 100 % Leistung und Oberlast: Fig. 3)
Während der Oberlagerungsphase des Auspuff- und des Einlaßventiles (Phase II in Fig. 2) wird der Zylinder unter normalen Bedingungen gespült, da in den höheren Lastbereichen der Einlaßdruck wesentlich höher als der in der Auspuffeammelleitung herrschende Druck ist ( ^P3 größer als P4: Fig. 3).
Die Schließung des Einlaßventiles vor dem Erreichen des unteren Totpunktes durch den Kolben ermöglicht eine Entspannung der während des Abwärtshubs des Kolbens in den Zylinder eingelassenen Luftmenge. Auf diese Weise wird der tatsächliche Verdichtungshub des Kolbens herabgesetzt, um den Druck am Ende des Verdichtungstaktes zu beschränken. Man kann zum Beispiel den Schließzeitpunkt des Einlaßventiles 80 wählen, daß im Laufe der vorgenannten Entspannungsphase der Druck in dem Zylinder bis zu einem Wert fällt, welcher dem Wert des in der AuspuffSammelleitung herrschenden Gegendrukkes P4 annähernd entspricht oder letzteren geringfügig unterschreitet (Fig. 4),
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Λ 4 Q Q Z i ' AP F 02 Β/218 861
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In Fig. 4 sind vier Kurven G1, G2, G3, G4 gezeigt, die eich auf den Druck in dem Zylinder in den höheren Lastbereichen beziehen. Diese vier Kurven entsprechen jeweils dem Falle eines Motors mit herkömmlichem Verteilungsdiagramm (Einlaß-Schließzeitpunkt RFA etwa 35° AM nach dem unteren Totpunkt) sowie dem Falle eines Motors mit einem erfindungsgemäßen Verteilungsdiagramm, bei welchem der Einlaß-Schließzeitpunkt im wesentlichen beim unteren Totpunkt (AFA=O), bei 10° AM (AFA= -10°) vor dem unteren Totpunkt liegt.
(AFA=O), bei 10° AM (AFA= -10°) und bei 20° AM (AFA= -20°)
Demzufolge findet zwischen der AuspuffSammelleitung und dem Zylinder im Falle der Phase IV (Fig. 2) kein bedeutender Gasaustausch statt, und zwar wegen der Beziehung von dem in dem Zylinder herrschenden Druck zu dem in der Auspuffleitung herrschenden mittleren Druck während dieser Öffnungsphase (Phase IV) des Auspuffventiles. In diesem Fall sind jeweils der Druck am Ende des Verdichtungstaktes und der Höchetverbrennungsdruck hauptsächlich durch den angenommenen festen Schließwinkel des Einlaßventiles bestimmt, wie es in dem Millerschen System mit der Voreilung des variablen und bei Vollast höchsten Einlaß-Schließzeitpunktes der Fall ist. Man muß ebenfalls bemerken, daß eine Wiederansaugung der am Eingang der Auspuffleitung während der Phase IV (Fig. 2) vorhandenen Spülungsluft um so mehr beschränkt ist oder überhaupt nicht stattfindet, als die Last wächst, und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit des Motors, wobei die Steigerung der Last durch die Erhöhung des Verhältnisses P3/P4 in Fig. 3 angedeutet ist. Das heißt dann, daß die Beschränkung des Verbrennungshöchstdruckes gerade zu dem richtigen Zeitpunkt stattfindet.
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fS * J^ R Λ 4 ' * AP F 02 B/218 861
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In den mittleren Lastbereichen (im wesentlichen von 10 bis 50 .% Leistung: Fig. 3)
In diesem Fall ist die Spülungsmenge um so geringer, als die Last gering ist, da das Verhältnis P3/P4 fortschreitend abnimmt, wobei dieses Verhältnis in beiden Varianten a und b der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt sind, noch ausreicht, um das Vorhandensein einer bestimmten Luftmenge stromaufwärts der AuspuffSammelleitung zu sichern.
Wie es in Fig.3 für ein Schraubengesetz nur beispielsweise dargestellt ist, führt die fortschreitende Verringerung des Verhältnisses P3/P4 (gleichzeitig mit der Last) zur Entstehung eines mittleren Auspuffdruckes, der größer als derjenige Druck ist, der in einem Zylinder, wenn das Auspuffventil in der Phase IV (Fig. 2) nicht geöffnet wäre, herrschen würde. Die Wiederansaugung der frischen Spülungsluft während der Phase IV, welche während der vorangehenden Spülungsphase stromaufwärts der Auspuff Sammelleitung aufbewahrt worden ist, ermöglicht daher im Vergleich zu den Bedingungen, bei welchen keine Phase IV vorgesehen ist, die Erzielung einer größeren Füllung, wobei der Schließzeitpunkt des Einlaßventiles annähernd beim unteren Totpunkt oder kurz davor liegt.
Die erzielte Füllung hängt dieses Mal nicht nur von der Schließung des Einlaßventiles, sondern auch von der Schließung des Auspuffventiles ab.
Bei diesem Lastbereich, bei welchem keine Beschränkung des Verbrennungshöchstdruckes vorgesehen ist, können daher der tatsächliche Verdichtungsdruck, die Füllungsrate sowie der
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Oberschuß an Verbrennungsluft erh'öht werden. Die Probleme, die sich mit stark aufgeladenen Motoren stellen, sind daher zu den Teillastbereichen geringer gehalten.
Beim Starten und in den unteren Lastbereichen (O bis 10 % Leistung: Fig. 3)
Unter 10 % Leistung wird das Spülungsverhältnis, wie es Fig. 2 zeigt, sehr schnell gleich Null, da der Auspuffgegendruek (P4) dem Einlaßdruck (P3) gleich wird oder letzteren sogar überschreitet.
Ähnlich wie in den Teillastbereichen ermöglicht die Kombination der Voreilung des Schließzeitpunktes des Einlaßventiles in bezug auf den unteren Totpunkt des Kolbens, was zu einer Entspannung der in dem Zylinder enthaltenen Luft führt, mit der vorbeschriebenon Phase IV (Fig. 2) einerseits die Erzielung des tatsächlichen höchsten Verdichtungsdruckes des Motors und andererseits die automatische Wiedereinsaugung eines Teiles der Auspuffgase, die sich aus dem vorangehenden Auspuffzyklus nach der ersten Zündung ergeben, ohne daß der Auspuffgegendruck mit Hilfe von an sich bekannten Vorrichtungen, zum Beispiel Klappen, künstlich erhöht zu werden braucht.
Der tatsächliche Verdichtungsdruck ist in diesem Fall auch durch den Auspuff-Schließzeitpunkt und nicht durch die Schließung des Einlaßventiles bestimmt. Die Wiedereinsaugung der verbrannten Gase und die Aufrechterhaltung eines hohen tatsächlichen Verdichtungsdruckes haben dann wirksam zur Lösung der beim Starten sowie in den unteren Lastbereichen gestellten Betriebsprobleme beigetragen.
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In Fig. 5 sind auf der gleichen graphischen Darstellung zwei Reihen von Kurven gezeigt, die jeweils für die Kurven C1-C4 dem gesamten volumetrischen Wirkungsgrad (/V1.) un<^ für die Kurven D1-D4 dem Füllungsverhältnis des Zylinders (f .) in Abhängigkeit von der Leistung (nach dem Schraubengesetz) entsprechen.
Diese Kurven entsprechen folgenden Fällen:
Kurven Cl-Dl: Motor mit herkömmlichem Verteilungsdiagramm, bei welchem die Schließung des Einlaßventiles über den unteren Totpunkt hinaus um einen
Drehwinkel der Kurbelwelle von 35 wird;
verzögert
Kurven C2-D2: Motor, bei welchem das Millersche System mit einem in Abhängigkeit von der Last veränderlichen Schließzeitpunkt des Einlaßventiles (zwischen einem Drehwinkel der Kurbelwolle von 10 vor dem unteren Totpunkt und einem
Drehwinkel der Kurbelwelle von 30 unteren Totpunkt) angewandt wird;
nach dem
Kurven C3-D3:
Motor, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren mit feststehendem Einlaß-Schließzeitpunkt etwa bei einem Drohwinkel der Kurbelwelle von 10 vor dem unteren Totpunkt und feststehendem Auspuff-Schließzeitpunkt etwa im Bereich' von einem Drehwinkel der Kurbelwelle
von 30 wi rd ;
nach dem unteren Totpunkt angewandt
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Kurven C4-D4: Motor, bei welchem der Schließzeitpunkt des Einlaßventiles festgelegt ist und annähernd beim unteren Totpunkt liegt, wobei jedoch etwa beim Erreichen des unteren Totpunktes das Auspuffventil in Öffnungsstellung nicht aufrechterhalten ist. Dieser Zyklus ist zur Zeit unter der Bezeichnung von Atkinson's Zyklus bekannt, und der Schließzeitpunkt liegt zum Beispiel bei einem Drehwinkel der Kurbelwelle von 10 vor dem unteren Totpunkt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Kurve C4 mit der vorangehenden Kurve C3 praktisch zusammenfällt ·
In Fig. 6 sind auf der gleichen graphischen Darstellung verschiedene Kurven E1-E4 gezeigt, die jeweils die Veränderung des Oberschusses an Verbrennungsluft im Zylinder in Abhängigkeit von der Leistung (Schraubongesetz) darstellen. Diese vier Kurven sind jeweils den vier Betriebszuetänden, die in Fig. 5 angenommen sind, zugeordnet.
Bevor Schlüsse aus den Kurven der Fig. 5 und 6 gezogen werden, wird man die genaue Definition des Füllungsverhältnisses, des gesamten volumetrischen Wirkungsgrades, des Spülungsverhältnisses und des Luftüberschusses geben:
In dem Zylinder enthaltene Luftmasse nach dem Einlaß-Schließzeitpunkt Füllungsverhältnis
In jedem einzelnen Zylinderinhalt bestehende Luftmasse bei den am Einlaß des Zylinders gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen (d. h. bei der Dichte der Ansaugluft)
16.6.1980
. «λ// " * AP F 02 Β/218 861
2 I O O 6 I - ie - 56 951/27
Luftmasse, die das Einlaßventil während Gesamter volumetri- des Einlaß-Zyklus durchströmt
scher Wirkungsgrad = · · · ·
In jedem einzelnen Zylinder enthaltene Luftmasse bei den am Einlaß des Zylinders herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen
Spülungsrate * fvt - f
Verbrennungsluft- In dem 2Υ11ηα*ΘΓ enthaltene Luftmenge Überschuß
Luftmenge, die zur Verbrennung der in
den Zylinder eingelassenen Brennstoffmenge etöchiometrisch notwendig ist
Die Kurven der Fig. 5 und 6 beziehen sich bei den verschiedenen angenommenen Betriobsfallen auf den gleichen Verbrennungshöchstdruck bzw. auf dieselbe Nennleistung (100 %),
Bei diesen Betriebsfällen, d. h. bei einem Motor, in welchem das Millersche System angewandt wird, bei einem Motor, an welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird und bei einem Motor mit feststehendem Einlaß-Schließzeitpunkt, jedoch ohne Öffnung des Auspuffventiles ist der Aufladedruck bei der Nennleistung stärker als im Falle eines Motors mit herkömmlichem Verteilungsdiagramm.
Ein Vergleich der verschiedenen Kurven läßt erkennen, daß gegenüber einem Motor mit herkömmlichem Verteilungsdiagramm die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile be-
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sonders ausgeprägt und gegenüber einem Motor, bei welchem der Schließzeitpunkt des Einlaßventilee festgelegt ist und vor dem unteren Totpunkt (Kurve D4) vorgesehen ist, ohne daß dabei das Auspuffventil in öffnungs- bzw. Wiederöffnungsetellung gehalten wird, überhaupt nicht zu unterschätzen sind.
Der mit der Erfindung erziolbare Gewinn ist in den Fig. 6 und 7 mit schraffierten Linien angedeutet.
Man muß ebenfalls bemerken, daß die durch die vorliegende Erfindung erzielten Ergebnisse denjenigen eines nach dem Millerschen System betriebenen Motors besonders naheliegen, daß sie jedoch mit der Kompliziertheit dieses Systems bezüglich der variablen Verteilungskinematik, die von der Last bzw. der Geschwindigkeit abhängig gemacht wird, nicht behaftet sind.
Mit dem Millerschen System können in den unteren Lastbereichen heiße Gase nicht wieder angesaugt werden.
Bezug nehmend auf die Fig. 7 und 8 v/erden nun zwei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die zur Erzielung der Hubhöhen des Auspuffventilnockens, die jeweils durch die Kurven A2b und A2a angedeutet sind, führen. Dafür genügt es, das Profil des Steuernockens des Auspuffventiles geringfügig zu verändern.
Der Steuernocken Ib in Fig. 7 besitzt einen herkömmlich ausgeführten hauptsächlichen Nockenanlauf 2, der den Hub (H) des Auspuffventiles ermöglicht, sowie einen zusätzlichen Nockenanlauf 3, der die Aufrechterhaltung einer restlichen öffnung (h) des Auspuffventiles während des größten Teiles
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der Einlaßphase und über letztere hinaus bewirkt. Da das Auspuffventil nach Verlauf der Vollöffnungsdauer nicht völlig geschlossen wird, schließt sich der zusätzliche Nockenanlauf 3 durch seine gegenüberliegenden Enden jeweils an den hauptsächlichen Nockenanlauf 2 und das kreisförmige Grundprofil 4 des Nockens Ib im wesentlichen kontinuierlich und fortschreitend an.
Der Steuernocken la der Fig. 8 unterscheidet sich von dem Steuernocken Ib ausschließlich dadurch, daß der zusätzliche Nockenanlauf 3 von dem hauptsächlichen Anlauf getrennt angeordnet ist, da das Auspuffventil erst geschlossen und dann wieder geöffnet wird. Der zusätzliche Nockenanlauf schließt sich dann durch seine Enden an das kreisförmige Grundprofil 4 des Nockens la an.
Die Nocken la und Ib wirken zum Beispiel mit einer Rolle zusammen, welche dom Profil der Nocken folgt, um mit Hilfe eines herkömmlichen Kipphebelsatzes die entsprechenden Hube des Auspuffventiles zu sichern.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher die Arbeitsweise des Motors in den unteren Lastboreichen sowie beim Starten verbessert, wobei dieses Verfahren auch bei unveränderten Betriebsbedingungen in den Teillastbereichon zum Einsatz gebracht werden kann, um die Nennleistung des Motors zu verbessern.
Insbesondere bei der Ausführungsform, die der Kurve A2b in der Fig. 2 entspricht, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorverdichtung kleiner Dieselmotoren, die insbesondere eine Verdichtungsvorkammer besitzen und sehr hohe Ver-
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dichtungsdrucke aufweisen, angewandt werden, wobei dieser Vorteil von besonderer Bedeutung ist, da solche Motoren entweder wegen der Erzielung des Höchstdruckes mit gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Verdichtungsdruckes oder wegen der Anfahrbedingungen mit gleichzeitiger Herabsetzung des Verdichtungsdruckes nur schwer aufgeladen werden konnten,
Die Erfindung kann ebenfalls an Impulsvorverdichtungssysteme (sogenannte "pulse-converters") in den Fällen, bei welchen zwischen den jeweiligen Luftstößen der verschiedenen Zylinder gleichmäßige und vorteilhafte Abstände bestehen, angewandt werden.
Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, daß die der Kurve A2a entsprechende Ausführungsform zur Kühlung des Auspuffventiles mit besonderen Vorteilen verbunden ist, so daß insbesondere in Motoren mit hohem Verdichtungsdruck oder in Motoren mit einer Vorkammer die Spülung verbessert wird.
Es ist auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, unmittelbar stromabwärts der Auspuffventile über eine unmittelbare bypass-Leitung (die durch den Zylinder nicht verläuft) zwischen der Verdichtungsluft stromaufwärts des Motors und der Auspuffleitung eine Frischluftreserve zu bilden, die die Phase II der Fig. 2 ersetzt.
Es ist ebenfalls möglich, die "Funktion der Phase IV der Fig. 2 nicht einer Frischluftreserve, die unmittelbar stromabwärts der Auspuffventile vorgesehen ist, sondern einer Luftreserve, die mit der Vorverdichtungsluftsammelleitung unmittelbar in Verbindung steht, zuzuordnen, wobei die öffnung dieser Luftreserve im Laufe der Phase IV durch
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I O U O ϊ - 20 - 56 951/27
ein zusätzliches Einlaßventil gesteuert wäre. Die Verbindung zwischen der Einlaßsammelleitung und diesem Ventil könnte insbesondere in den höheren Lastbereichen abgehoben werden. Diese Ausführungsvariante ist in Fig. 9 schematisch dargestellt, wobei in dieser Figur ein Zylinder 10 mit mindestens einem Einlaßventil 11, welches der Einlaßsammelleitung 12 zugeordnet ist, sowie mit mindestens einem Auspuffventil 13, welches der AuspuffSammelleitung 14 zugeordnet ist, gezeigt ist. Vorzugsweise ist ein zweites Einlaßventil 15 vorgesehen, welchem eine Hilfsleitung 16 zugeordnet ist, die ihrerseits mit der Einlaßsammelleitung 12 verbunden ist. Eine Klappte 17 ist zum Beispiel in der Hilfsleitung eingebaut, um die Verbindung zwischen der Einlaßsammolleitung und dem Ventil 15 wahlweise zu unterbrechen.
Die Verzögerung des Auspuff-Schließzeitpunkteo im Vergleich zu dem einlaßseitigen Schlioßzeitpunkt entspricht einem Drehwinkel der Kurbelwelle von O bis 70 und mehr, wobei der einlaßseitige Schließzeitpunkt zwischen 40° vor dem unteren Totpunkt und 10° nach dem unteren Totpunkt liegt.
Vorzugsweise entspricht die Verzögerung des auspuffseitigen Schließzeitpunktes einem Drehwinkel der Kurbelwelle von 25° bis 45° nach dem einlaßseitigen Schließzeitpunkt.

Claims (10)

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Erfindungsanspruch
1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Viertaktbrennkraftmaschine, wie zum Beispiel eines
•mit einem konstanten Druck vorverdichteten Dieselmotors, deesen Verteilungsdiagramm eine Verteilungsphase zwischen den jeweiligen Hüben mindestens eines Einlaßventiles und mindestens eines Auspuffventiles vorsieht, bei welchem das Auspuffventil annähernd beim unteren Totpunkt des Kolbens oder kurz davor geschlossen wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Schließung des Auspuffventiles über den festgelegten Schlioßzeitpunkt des Einlaßventilos hinaus verzögert wird, um im Laufe der fortschreitenden Zunahme der Last des Motors vom Starten an bis zur Erreichung der Nennleistung den tatsächlichen Verdichtungsdruck und die Temperaturen am Ende des Verdichtungstaktes durch die gleichzeitige Verringerung der in der Auspuffleitung vorhandenen Gas- oder Luftmenge automatisch und fortschreitend herabzusetzen, wobei die genannte Gas- oder Luftmenge aus verbrannten Gasen oder Luft besteht und annähernd beim unteren Totpunkt (PMB) in den Zylinder wieder eingesaugt wird, und zwar wegen der natürlichen Entwicklung der Beziehung , die zwischen dem Druck der Vorverdichtungsluft und dem Auspuffgegendruck des Zylinders besteht.
2. Vorfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Auspuffventil während des größten Teiles der Einlaßphase geschlossen, dann teilweise wieder geöffnet und nach der Schließung des Einlaßventiles erneut geschlossen wird.
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3» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß während dee größten Teiles der Einlaßphase das Auspuffventil teilweise in Hubstellung (Teilhub h) gehalten und dieser Teilhub (h) über den Schließzeitpunkt des Einlaßventiles hinaus aufrechterhalten wird.
4γ Verfahren nach einem der vorangehenden Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Auspuff-Schlioßzeitpunkt im Vergleich zu dem einlaßseitigen Schließzeitpunkt um
einen Wert verzögert wird, welcher einem Drehwinkel der Kurbelwelle von O bis 70° und mehr und vorzugsweise von 25° bis 45° entspricht, wobei der einlaßseitige Schließzeitpunkt etwa 40° vor dem unteren Totpunkt (PMB) und etwa 10° nach dem unteren Totpunkt (PNB) des Kolbens liegt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Steuernocken (la; Ib), der den Hub des Auspuffventiles bewirkt, einen hauptsächlichen Nockenanlauf (2) sowie einen zusätzlichen Nockenanlauf (3) besitzt.
6. Vorrichtung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß der
zusätzliche Nockenanlauf (3) von dem hauptsächlichen Nockenanlauf (2) getrennt vorgesehen ist, damit der Steuernocken (la) zuerst die Schließung des Auspuffventiles, dann dessen IVJtederöffnung und schließlich dessen Schließung nach dör Schließung des Einlaßventiles bewirkt,
7. Vorrichtung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß der zusätzliche Nockenanlauf (3) sich an den hauptsächlichen Nockenanlauf (2) bündig anschließt, um während des
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.. . * AP F 02 B/218 861
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größten Teiles der Einlaßphase und über den Schließzeitpunkt des Einlaßventiles hinaus einen Teilhub des Auspuffventiles aufrechtzuerhalten.
8. Vorrichtung nach einem der Punkte 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß unmittelbar stromabwärts der Auspuffventile über eine bypass-Vorrichtung, die die unmittelbare Verbindung der Vorverdichtungsluft stromaufwärts des Motors mit der Auspuffleitung herstellt und durch den Zylinder nicht verläuft, eine Frischluft reserve gebildet wird.
9. Vorrichtung nach einem der Punkte 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß ein zusätzliches Einlaßventil (15) vorgesehen ist, welches mit der Einlaßsammelleitung (12) verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen dem Ventil (15) und der Sammelleitung (12) über eino Klappe (17) insbesondere in den höheren Lastberoichen unterbrochen werden kann.
Hierzu_.vJS__Seiten Zeichnungen
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