DE1111882B - Brennkraftmaschine mit Aufladegeblaese und Ladeluftkuehler - Google Patents

Description

• Brennkraftmaschine mit Aufladegebläse und Ladeluftkühler Die Erfindung betrifft eine Viertaktbrennkraftmaschine mit einer Abgasturbine, einem Auflade-"a ebläse, einem Ladeluftkühler und einer Ladeluftexpansionseinrichtung, welche die vom Aufladegebläse auf einen wesentlich über dem im Zylinder erforderlichen Anfangsdruck liegenden Laderdruck gebrachte Verbrennungsluft expandiert und hierbei stark abkühlt. Derartige Einrichtungen haben den Zweck, die Verbrennungslufttemperatur weiter herabzusetzen, als dies mit einem mit Kühlwasser beschickten Ladeluftkühler allein möglich ist. Durch die niedrige Verbrennungslufttemperatur wird einmal das gesamte Temperaturniveau der Maschine gesenkt, zum anderen ist bei gleichbleibendem Anfangsdruck das im Zylinder eingeschlossene Luftgewicht größer und somit eine größere Zylinderleistung möglich.
• Bei bekannten derartigen Maschinen besteht die Expansionseinrichtung aus einer Expansionsturbine. Dies hat zwar den Vorteil, daß in der Expansionsturbine Leistung zurückgewonnen wird, aber den Nachteil, daß der vom Lader erzeugte hohe Druck nicht zum Austreiben der Restgase während der Ventilüberschneidungszeit zur Verfügung steht, sondern nur der nach der Expansionsturbine herrschende herabgesetzte Druck. Es ist auch bekannt, eine doppelte Verbrennungsluftkühlung dadurch zu erreichen, daß außer der Kühlung im Ladeluftkühler eine Temperaturherabsetzung der im Zylinder eingeschlossenen Luft erfolgt, indem das Einlaßventil so weit vor dem unteren Totpunkt geschlossen wird, daß die Luft bis zum Erreichen des unteren Totpunktes expandiert. Bei derartigen bekannten Einrichtungen wird das Ausmaß der Abkühlung im Zylinder je nach Maschinenbelastung durch Änderung der Steuerzeiten des Einlaßventils geändert. Dies erfordert eine besondere Einrichtung zur Steuerzeitenänderung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung zur Herabsetzung der Verbrennungslufttemperatur unter die mittels des Ladeluftkühlers erreichbare Temperatur so zu gestalten, daß einmal beim Öffnen des Einlaßventils der volle vom Lader erzeugte Druck zum Ausspülen der Restgase zur Verfügung steht und zum anderen eine Veränderung der Einlaßventilsteuerzeiten während des Betriebes nicht erforderlich ist. Hierzu wird vorgeschlagen, daß die Expansionseinrichtung aus einem an sich bekannten, dem Ladeluftkühler nachgeschalteten, allen Zylindern gemeinsamen Ladeluftsammelspeicher und aus diesem nachgeschalteten, einem oder mehreren Zylindern zugehörigen Einzelspeichern besteht, wobei zwischen Sammelspeicher und Einzelspeicher je ein Regelorgan vorgesehen ist, welches so eingestellt werden kann, daß es während des Einlaßhubes des Motorkolbens das Nachströmen von Ladeluft aus dem Sammelspeicher in den Einzelspeicher verhindert oder fast verhindert und somit ein Expandieren der Luft beim Übertreten aus dem Einzelspeicher in den Zylinder ermöglicht wird und daß es während der drei übrigen Hübe das Auffüllen des Einzelspeichers auf Laderdruck zuläßt, und welches mit sich ändernder Last einen sich ändernden Verbindungsquerschnitt während des Einlaßhubes freigibt.
• An Hand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Viertaktdieselmotor gemäß der Erfindung, Fig. 2, 3, 2 a und 3 a Funktionsdiagramme des Motors, Fig. 4 eine Ausführungsform des Motors, bei der der Frischluftzutritt zum Einzelspeicher während des Einlaßhubes gesperrt ist.
• Nach Fig. 1 ist zwischen dem Sammelspeicher 1 für die vorverdichtete Luft und einem Einzelspeicher 2, der auf dem Zylinder 3 eines Viertaktdieselmotors angeordnet ist, eine Regelklappe 4 vorgesehen. Diese greift an einem Kolben 4 a an und wird in ihrer Stellung von dem auf diesen Kolben wirkenden Aufladedruck gesteuert. Dieser Druck hängt zugleich von der Drehzahl des Motors und der Leistung einer angetriebenen Maschine ab. Er steht deshalb in direktem Zusammenhang mit der entwickelten Kraft. Bei Volleistung ist der Aufladedruck erhöht; bei Teilleistung entsprechend einer Herabsetzung der Drehzahl und./Oder der Leistung der angetriebenen Maschine ist er schwächer.
• Für den Betrieb mit voller Füllung, dessen Funktion in Fig. 2 dargestellt ist, steht die Regelklappe 4 während des Einlaßhubes ganz in ihrer Schließstellung. Um die erzeugten Wirkungen zu verstehen, nimmt man zweckmäßigerweise an, daß der Einzelspeicher 2 in dem Augenblick mit Preßluft gefüllt ist, in dem der Auspuff beginnt und die Regelklappe 4 gleichzeitig vollkommen geschlossen ist. Solange die Einlaß- und Auslaßventile 5 bzw. 6 gleichzeitig offen sind, entleert sich der Einzelspeicher 2 in den Zylinder 3, wodurch die Gasrückstände ausgetrieben werden. Ist das Auslaßventil 6 geschlossen, so setzt der Kolben 7 seinen Abwärtshub fort und entspannt die Luft im Zylinder und im Einzelspeicher 2. Durch geeignete Wahl des Einzelspeichervolumens erreicht man, daß am Ende des Kolbenwegs, etwa im Augenblick des Schließens des Einlaßventils 5, der gewünschte Druck erzielt ist. Von diesem Augenblick an komprimiert der Kolben 7 die Luft, die bei Kompressionsbeginn einen geringeren Druck und eine niederere Temperatur als die Luft nach Ladeluftkühler 12 hat. Am Ende des Kolbenwegs erfolgen die Einführung des Brennstoffs und die Zündung wie bei einem normalen Dieselmotor. Die Kompression ist so, daß sie unter den anfänglich gegebenen Druck-und Temperaturverhältnissen eine sichere Zündung ergibt. Sie ist im wesentlichen gleich jener im üblichen Dieselmotor.
• Am Ende des Einlaßhubes enthält der Einzelspeicher 2 seinerseits Luft aus dem Sammelspeicher. Da der Einlaßhub etwa ein Viertel der Dauer des gesamten Arbeitsspiels ausmacht, stehen für die Auffüllung des Einzelspeichers die folgenden drei Viertel dieser Gesamtzeit zur Verfügung. Somit besteht die Möglichkeit, die Regelklappe 4 während dieser Zeit in einer bestimmten Offenstellung zu halten, die ausreicht, um das Wiederauffüllen des Einzelspeichers zuzulassen, ohne daß jedoch je ein übermäßiger Luftzutritt während des abwärts gehenden Einlaßhubes des Kolbens erfolgen könnte. Im Gegenteil, dieser stetige Luftzutritt selbst während des Einlaßhubes ermöglicht die Benutzung eines kleineren Einzelspeichervolumens als bei vollständig geschlossener Regelklappe während dieses Hubes.
• Bei verminderter Aufladung ist ein übermäßiger Druck oder eine zu große thermische Aufladung nicht zu befürchten, so daß die Regelklappe 4 dann vollständig offenbleiben und der Zylinder 3 sich unter dem @,Yrminde: ;.rtyul''7-d-AA°uc_; füllen kann, der noch bei dieser Teilaulladung herrscht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
• Dieselbe Anordnung läßt sich bei Dieselgasmotoren anwenden, wo ein Gas-Luft-Gemisch durch Selbstzündung einer kleinen Menge einer leicht brennbaren, die Zündung auslösenden Flüssigkeit entzündet wird.
• Bei einem Motor mit elektrischer Zündung ist das Verfahren abweichend. Zwei Überlegungen sind hier zu beachten: Man muß die effektive Kompression herabsetzen, um eine Selbstzündung zu vermeiden. Außerdem ist es unumgänglich, die Zusammensetzung des Luft-Gas-Gemisches in den Grenzen der Brennbarkeit bei allen Füllungen aufrechtzuerhalten. Namentlich muß man dieses Gemisch im wesentlichen konstant halten.
• Infolgedessen hält man die Regelklappe 4 bei voller Füllung ständig offen (Fig. 2a) und bewirkt die Expansion der in den Zylinder eingeführten Luft. indem man das Einlaßventil5 vor Beendigung des Kolbenhubes schließt. Die eingeschlossene Luft wird dadurch entspannt und wieder komprimiert, so daß der effektive Kompressionsweg definiert werden kann als jener zwischen dem oberen Totpunkt und jenem Punkt, der zum Schließpunkt des Einlaßventils 5 symmetrisch liegt. Somit kann die Temperatur des Gemisches am Ende der Kompression in sicheren Grenzen gehalten werden. Der Druck ist im unteren Totpunkt am geringsten, und das brennbare Gas wird in der Nähe dieses Teils des Arbeitsspiels in den Zylinder eingeführt.
• Bei Teillast (Fig. 3a) ist die Regelklappe 4 teilweise geschlossen, beim Einlaßhub tritt daher im Zylinder und im Einzelspeicher 2 eine Entspannung ein. Eine weitere zusätzliche Entspannung im Zylinder wird im Augenblick des Schließens des Einlaßventils 5 wirksam. Am Ende der Öffnung des Einlaßventils enthält der Zylinder ein geringeres Luftgewicht als bei voller Füllung. Dies ist einesteils durch den geringen Druck nach Lader und andernteils dadurch bedingt, daß bereits beim Einströmen in den Zylinder eine Entspannung eingetreten ist. Man kann somit die Luftmenge im Zylinder der Gasmenge anpassen, die zum Betrieb des Motors bei gegebener Füllung erforderlich ist. Wiederum erfolgt das Austreiben der Restgase bei vollem Aulladungsdruck und somit unter günstigsten Voraussetzungen, was besonders beim Gasmotor wichtig ist. um eine Selbstzündung zu vermeiden.
• Man kann auch den Frischlufteintritt in den Einzelspeicher während des Ansaughubes (Fig.4) vollkommen unterdrücken. Dabei ist die Regelklappe 4 als Drehschieber ausgebildet, der unter Zwischenschaltung eines Planetenradgetriebes 9 und einer Kette 10 durch die Kurbelwelle 8 angetrieben wird. Mit Hilfe eines Servomotors, der durch den Druck der Aufladung über einen Kolben 4 ä beeiniäußt wird, kann man die Relativeinstellung zwischen der Kurbelwelle 8 und der Regelklappe 4 ändern, und zwar derart, daß die Klappe während des ganzen Einlaßhubes voll öffnen oder während der gleichen Dauer den Frischluftzutritt zum Einzelspeicher vollkommen absperren kann.
• Unter verschiedenen Möglichkeiten bei der Verwirklichung der Erfindung kann man beispielsweise den gleichen Einzelspeicher für zwei oder noch mehr Zylinder verwenden, deren Arbeitsspiele gleich oder zeitlich so getrennt sein können, daß sie sich gegenseitig nicht beeinflussen oder die Füllung des Einzelspeichers zwischen zwei Auspuffhüben nicht behindern.
• Die Abgasturbine 16 kann zum Antrieb des Aufladegebläses 17 verwendet werden. Jedoch können die Turbine und das Gebläse mechanisch getrennt mit dem Motor gekoppelt sein. Es kann aber auch der Motor selbst ganz zum Antrieb des Gebläses dienen, wobei die nach außen abzugebende Kraft durch die Abgasturbine geliefert wird.
• Die Regelklappe 4 kann man nicht nur in Abhängigkeit vom Aufladedruck, sondern auch von der Reglerstellung in einem industriellen Antriebsmotor, von der Stellung des Zündhebels in einem Schiffsmotor, der vom Verbraucher geforderten Stromstärke in einem Elektroaggregat, kurz, vor jedem Faktor steuern, der die Füllung des Motors bestimmt oder von dieser abhängig ist. Ebenso kann man auch Verzögerungsvorrichtungen vorsehen, die zwischen dem Wirksamwerden dieses Faktors und dem Eintritt der Regelvorrichtung in eine neue Stellung wirksam wird, um eine schnellere Reaktion des Motors im Zeitpunkt des Übergangs von einer Füllung zur nächsten zu erreichen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine, einem Aufladegebläse, einem Ladeluftkühler und einer Ladeluftexpansionseinrichtung, welche die vom Aufladegebläse auf einen wesentlich über dem im Zylinder erforderlichen Anfangsdruck liegenden Laderdruck gebrachte Verbrennungsluft expandiert und hierbei stark abkühlt, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung aus einem an sich bekannten, dem Ladeluftkühler (12) nachgeschalteten, allen Zylindern gemeinsamen Ladeluftsammelspeicher (1) und aus diesem nachgeschalteten, einem oder mehreren Zylindern zugehörigen Einzelspeichern (2) besteht, wobei zwischen Sammelspeicher und Einzelspeicher je ein Regelorgan (4) vorgesehen ist, welches so eingestellt werden kann, daß es während des Einlaßhubes des Motorkolbens das Nachströmen von Ladeluft aus dem Sammelspeicher in den Einzelspeicher verhindert oder fast verhindert und somit ein Expandieren der Luft beim übertreten aus dem Einzelspeicher in den Zylinder ermöglicht wird und daß es während der drei übrigen Hübe das Auffüllen des Einzelspeichers auf Laderdruck zuläßt, und welches mit sich ändernder Last einen sich ändernden Verbindungsquerschnitt während des Einlaßhubes freigibt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines mehreren Zylindern zugehörigen Einzelspeichers (2) der Auspuff dieser Zylinder entweder gleichzeitig erfolgt oder bei zeitlicher Verschiebung so erfolgt, daß das Nachfüllen des Einzelspeichers zwischen zwei Spülungen nicht behindert wird. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit Kompressionszündung, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (4) während des Einlaßhubes bei Vollast (Fig. 2) ganz oder weitgehend geschlossen ist und mit abnehmender Last (Fig. 3) zunehmend geöffnet wird. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit Zeitpunktfremdzündung, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (4) bei Vollast (Fig. 2 a) ganz geöffnet und mit abnehmender Last (Fig. 3 a) zunehmend geschlossen wird und daß das Einlaßventil (5) in an sich bekannter Weise so weit vor dem unteren Totpunkt schließt, daß eine Expansion und somit Abkühlung der im Zylinder eingeschlossenen Luft bis zum Erreichen des unteren Totpunktes stattfindet. 5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (4) als verstellbares Drosselorgan ausgebildet ist, welches in eine solche Stellung gebracht werden kann, daß einerseits die während des Einlaßhubes aus dem Sammelspeicher (1) nachströmende Luftmenge zu gering ist, um eine Expansion der Luft beim Übertreten aus dem Einzelspeicher (2) in den Zylinder zu verhindern, andererseits aber während der drei übrigen Hübe ausreichend Luft nachströmen kann, um den Einzelspeicher auf Laderdruck aufzufüllen (Fig. 1). 6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (4) als von der Kurbelwelle (8) angetriebener Drosseldrehschieber ausgebildet ist, dessen Antriebswelle gegenüber der Kurbelwelle relativ verdrehbar ist. so daß während des Einlaßhubes die Verbindung zwischen Sammelspeicher (1) und Einzelspeicher (2) je nach Last ganz geschlossen oder teilweise geöffnet sein kann (Fig. 4). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift M 17607 I a/ 46a9 (bekanntgemacht am 9. 5. 1956); schweizerische Patentschriften Nr. 138 680, 172 818, 273 503; britische Patentschriften Nr. 660 294, 736 770; USA.-Patentschrift Nr. 2 670 595; »Motortechnische Zeitschrift«, Juli 1955, S. 191; »The Motor Ship«, Dezember 1956, S. 342.