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Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader Die Erfindung bezieht sich
auf Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung, deren Arbeitskolben in üblicher
Weise gleich lange Hübe ausführen, und hat die Erhöhung des Wirkungsgrades solcher
Brennkraftmaschinen in einfacher, wirksamer und wirtschaftlicher Weise zum Ziel.
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Zwei der Erfordernisse für das Erzielen eines höchstmöglichen thermischen
Wirkungsgrades von Kolbenbrennkraftmaschinen bestehen darin, 1. daß über den gesamten
Belastungsbereich des Motors die für die Zufuhr der Luft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches
aufgewendete Arbeit nicht übermäßig groß ist und 2. daß das höchste Ausdehnungsverhältnis
verwendet wird.
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Um dieses zu erzielen, muß die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch
durch den Kolben innerhalb der äußersten Grenzen des Arbeitsspiels so hoch wie möglich
verdichtet werden. Diese Grenzen werden beim Ottomotor durch die Klopfgrenze und
beim Dieselmotor durch die Grenzen der mechanischen Belastbarkeit bestimmt. Bei
normalen Motoren findet eine Annäherung an diese Grenzen nur bei Vollast statt,
während bei Teillast höhere Verdichtungsverhältnisse erwünscht sind. Das zweite
Erfordernis bedingt wie das erste, daß die Luftmenge nicht unnötig groß ist, da
dies die Verwendung des der Last angepaßten höchstmöglichen Verdichtungsverhältnisses
unmöglich machen würde.
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Die Erfüllung dieser beiden Forderungen ist wesentlich, wenn der höchstmögliche
Wirkungsgrad erzielt werden soll. Sie können jedoch nicht durch einen Motor mit
einem festen Verdichtungsverhältnis erfüllt werden oder durch einen Motor, bei welchem
die je Arbeitsspiel zugeführte Menge an Frischladung konstant ist oder durch eine
Drosselklappe gesteuert wird.
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Die Erfindungsaufgabe wird durch die Vereinigung an sich bekannter
Maßnahmen gelöst. Die Lösung besteht in der Schaffung einer Brennkraftmaschine mit
Abgasturboaufladung, bei welcher der wirksame Verdichtungshub bei allen Belastungen
und Drehzahlen geringer ist als der wirksame Arbeitshub und bei der eine Einrichtung
vorgesehen ist, die durch Veränderung des Kompressionsraumes den Kompressionsdruck
so ändert, daß der maximale Gasdruck im Zylinder über einen weiten Belastungs- und
Drehzahlbereich im wesentlichen konstant bleibt.
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Die Verwendung von Mitteln zur Veränderung des Verdichtungsraumes
im Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung bringt den Vorteil
mit sich, daß bei allen Belastungen das höchste Ausdehnungsverhältnis und damit
der höchste thermische Wirkungsgrad erzielt werden kann, der mit dem höchstzulässigen
Zylinderinnendruck vereinbar ist. Daher hat bei allen Belastungen, die unterhalb
der Höchstlast des entsprechenden Motors mit unveränderlichem Verdichtungsverhältnis
liegen, der Motor mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis einen höheren Wirkungsgrad.
Bei einer gegebenen Grenze für den maximalen Zylinderinnendruck kann der Motor mit
veränderlichem Verdichtungsverhältnis auch höhere Belastungen aufnehmen als der
Motor mit festem Verdichtungsverhältnis, was durch eine Verminderung des Verdichtungsverhältnisses
unter den Wert des festen Verdichtungsverhältnisses bedingt ist, welch letzterer
für den Belastungsbereich einen Kompromiß darstellt.
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Es ist bekannt, daß sich ein weiterer Vorteil bei einer Brennkraftmaschine
mit Abgasturboaufladung wie folgt erzielen läßt: Die Abgasturboladeeinrichtung ermöglicht
eine größtmögliche Energieübertragung von den Abgasen auf die Ladeluft, deren Druck
dadurch erhöht wird, während das wirksame Verdichtungsverhältnis im Motorzylinder
durch Veränderung der Ventil- oder Schlitzsteuerzeiten vermindert wird, so daß annähernd
der gleiche Verdichtungsdruck erreicht wird. Diese höhere äußere Verdichtung der
Ladeluft und die Verringerung des Motorverdichtungsverhältnisses ergeben eine Einsparung
bei der durch den Kolben bei der Verdichtung der Ladeluft
zu leistenden
Arbeit und damit eine Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs, da die höhere äußere
Verdichtung mit Hilfe der Abgasenergie mit nur geringer oder ohne Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs
erzielt wird. Versuche haben gezeigt, daß bei Erhöhung des Ladedruckes die bei Vollastbetrieb
des Motors verfügbare Abgasenergie größer ist, als für das Verdichten der Ladeluft
auf den Druck erforderlich ist, welcher bei voller Ausnutzung des Verdichtungshubes
den zulässigen maximalen Zylinderinnendruck ergibt.
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Das Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß ein gegebenes Kühlmittel
in einem Nachkühler infolge der höheren Temperatur der stärker verdichteten Ladung
der Ladeluft mehr Wärme entziehen kann. Daher ist bei einem gegebenen Zylinderinnendruck
am Ende des verminderten wirksamen Verdichtungshubes die Verdichtungstemperatur
niedriger und ein größeres Luftgewicht im Zylinder vorhanden, so daß eine höhere
Belastung aufgenommen werden kann, bevor die Motor-Grenztemperaturen erreicht sind.
Außerdem wird die Verdichtungsarbeit des Kolbens weiter vermindert. Gegebenenfalls
läßt sich ein gegebener Kühlungsgrad der Ladung mit einem kleineren Nachkühler oder
einem Kühlmittel bei höherer Temperatur erzielen, als im Normalfall notwendig sein
würde. Zur Wiedergewinnung einer größeren Energiemenge aus den Abgasen in Form von
Energie in der Ladeluft kann der Wirkungsgrad der Abgasturboladeverdichtung durch
Verwendung eines Nachkühlers oder von Zwischenkühlern zwischen zwei oder mehreren
Verdichtungsstufen verbessert werden.
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Eine ernst zu nehmende Beschränkung dieses Verfahrens in seiner Anwendung
auf einen Dieselmotor besteht darin, daß die Verwendung eines Verdichtungsverhältnisses,
das wesentlich geringer ist als das Ausdehnungsverhältnis, nur bei hohen Motorbelastungen
anwendbar ist, da bei Teillast der Druck der aus dem Abgasturbolader austretenden
Luft nicht ausreichend ist, die erforderliche Temperatur und den erforderlichen
Druck am Ende des verminderten wirksamen Verdichtungshubes zu liefern, um eine zufriedenstellende
Verbrennung zu gewährleisten. Es sind daher Mittel vorgesehen worden, durch die
die Ventil- und Schlitzsteuerzeiten auf ihre normalen Werte zurückgeführt werden,
um das Anlassen eines Dieselmotors und dessen Betrieb bei geringer Belastung unter
diesen Umständen zu ermöglichen.
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Diese mechanische Komplizierung und die untere Begrenzung für den
Belastungsbereich, über welchem der verbesserte Arbeitsspielwirkungsgrad erreicht
werden kann, lassen sich durch die erfindungsgemäße Kombination, die in der Hauptsache
dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis wesentlich
größer als 1 ist, mit den voranstehend erwähnten Mitteln vermeiden, durch welche
die Verdichtungsraumgröße so verändert wird, daß über den ganzen Belastungsbereich
ein annähernd konstanter maximaler Zylinderinnendruck aufrechterhalten wird. Bei
einem Motor, bei dem diese Merkmale kombiniert sind, wird durch die Mittel für das
Erzielen einer veränderlichen Verdichtungsraumgröße gewährleistet, daß die maximalen
Zylinderinnendrücke den vorbestimmten hohen Wert selbst bei geringsten Belastungen
haben und damit der Verdichtungsdruck und die Verdichtungstemperatur sogar höher
sind als bei Vollast, so daß eine zufriedenstellende Teillastleistung ohne Veränderung
der Ventil- oder Schlitzsteuerzeiten gewährleistet ist. Beim Vollastbetrieb eines
solchen Motors kann das Ausdehnungsverhältnis annähernd das gleiche sein wie bei
einem Motor, der die erfindungsgemäßen Merkmale nicht aufweist. Bei geringer Belastung
bewirken die Mittel für das Erzielen eines veränderlichen Verdichtungsraumes, um
den vorbestimmten maximalen Zylinderinnendruck aufrechtzuerhalten, das Verdichten
der Ladeluft auf einen sehr kleinen Verdichtungsraum, was durch den geringen Druck
der Ladeluft bei geringer Belastung und durch den Umstand bedingt ist, daß eines
der Merkmale der Kombination in einem verminderten wirksamen Verdichtungshub besteht,
d. h. in einem verminderten Volumen der im Zylinder eingeschlossenen Ladung. Bei
diesem sehr kleinen Verdichtungsraum und dem normalen wirksamen Arbeitshub, der
,ständig aufrechterhalten wird, ist das Ausdehnungsverhältnis bei geringer Belastung
sehr hoch und der thermische Wirkungsgrad ebenfalls hoch. Es wird daher der Vorteil
des Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnisses größer als 1 über den ganzen Belastungsbereich
beibehalten.
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Die vorangehenden Feststellungen treffen sowohl für Zweitakt- als
auch für Viertakt-Dieselmotoren zu. Geeignete Mittel für das Herbeiführen des veränderlichen
Verdichtungsverhältnisses für diese beiden Motorenarten sind im nachfolgenden beschrieben.
Die erforderliche Verringerung des wirksamen Verdichtungshubes kann bei Viertaktmotoren
durch das Schließen des Lufteinlaßventils an einer Stelle des Kolbenhubes erzielt
werden, an der das Volumen des Zylinders wesentlich geringer ist als das volle Volumen.
Die genaue Einstellung der Steuerzeiten hängt, wie bereits erwähnt, von dem Druck
ab, auf den die Ladeluft durch den Abgasturbolader gebracht werden kann, und wird
zweckmäßig so getroffen, daß bei Vollast und wenn die Mittel für das Erzielen eines
veränderlichen Verdichtungsverhältnisses so eingestellt sind, daß sie den höchstzulässigen
Zylinderinnendruck ergeben, der Verdichtungsraum ausreichend groß ist, daß er die
für die Verbrennung des Kraftstoffs erforderliche Luft enthalten kann, diese Größe
jedoch nicht wesentlich überschreitet, da bei dem gegebenen Kolbenhub die Verwendung
eines unnötig großen Verdichtungsraumes ein unnötig geringes Ausdehnungsverhältnis
ergeben würde. Bei Zweitaktmotoren kann der verminderte wirksame Verdichtungshub
dadurch erreicht werden, daß das Auslaßventil geschlossen wird, wenn das im Zylinder
vorhandene Volumen wesentlich geringer ist als das volle Volumen oder eine gleichwertige
Anordnung der Eimaß- oder Auslaßschlitze vorgesehen wird. Zur Unterstützung des
Abgasturboladers eines Zweitaktmotors kann jedes der bekannten Verfahren in Verbindung
mit der Anordnung gemäß der Erfindung verwendet werden, z. B. kann ein Gebläse der
Verdrängerbauart, das vom Motor angetrieben wird, in Hintereinander- oder in Parallelschaltung
mit dem Abgasturbolader verwendet werden.
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Der unmittelbar vorangehende Teil der Beschreibung der Erfindung war
insbesondere auf Dieselmotoren gerichtet. Es lassen sich jedoch auch Vorteile durch
die Anwendung der Erfindung auf Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung erzielen,
die mit Mitteln zur Veränderung des Verdichtungsraumes oder in den Zylindern derselben
versehen sind und bei welchen die Ladung ein brennbares Gemisch ist, z. B. bei Ottomotoren
mit Vergaser.
Bei der üblichen Konstruktion einer Kolbenbrennkraftmaschine
ist das volumetrische Verdichtungsverhältnis feststehend. Bei einigen Arten von
Brennkraftmaschinen kann eine verbesserte Leistung durch Einstellung des Verdichtungsverhältnisses
entsprechend der Motorbelastung erreicht werden. Beispielsweise ist bei Ottomotoren
der für das feste Verdichtungsverhältnis gewählte Wert derjenige, bei welchem der
Motor bei voll geöffneter Drossel mit dem verwendeten Kraftstoff zu klopfen beginnt.
Bei jeder Belastung, die geringer ist als die Höchstbelastung, kann ein höheres
Verdichtungsverhältnis verwendet und damit ein günstigerer Kraftstoffverbrauch erzielt
werden. Daher kann z. B. bei einer Belastung, die einem Drittel der Höchstlast entspricht,
der Motor ohne Klopferscheinungen mit einem Verdichtungsverhältnis betrieben werden,
das etwa zweimal so groß ist als der Grenzwert bei Höchstlast, was einer Einsparung
im Kraftstoffverbrauch von etwa 3011/9 entspricht. Bei Motoren der beschriebenen
Art mit Laderbetrieb können ähnliche und sogar noch weitgehendere Verbesserungen
erreicht werden, da der Bereich der Ladedrücke erweitert ist. Dies trifft besonders
auf Kolben-Flugmotoren zu, da geeignete Lader vorgesehen sind, um die Bodenhöheeinlaßdrücke
in großen Höhen aufrechtzuerhalten, und diese Lader für das Erzielen zusätzlicher
Leistung beim Start normalerweise nicht benutzt werden können, da das Maß der in
Bodenhöhe verwendbaren Aufladung durch die Klopfgrenze beschränkt ist, wenn ein
festes Verdichtungsverhältnis, das bei Reiseleistung einen wirtschaftlichen Betrieb
ermöglicht, verwendet wird. Bei veränderlich verdichtenden Kolben kann jedoch für
das Anlassen das volle Maß zur Aufladung verwendet werden, da die Kolben selbsttätig
das erforderliche niedrige Verhältnis ergeben, während ein Verhältnis, das höher
ist als der vorangehend gewählte Kompromißwert, selbsttätig bei Reiseleistung herbeigeführt
wird.
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Bei Dieselmotoren mit Abgasturboaufladung ist das gewählte feste Verdichtungsverhältnis
dasjenige, welches bei Höchstlast maximale Zylinderinnendrücke ergibt, die nicht
einen Grenzwert überschreiten, über den hinaus der Motor übermäßigen Belastungen
ausgesetzt werden würde. Bei allen Teillastbetriebsbedingungen fällt der Höchstdruck
unter den Grenzwert ab, teilweise als Folge des verminderten Druckes, der durch
den Abgasturbolader gelieferten Luft und teilweise infolge der geringen Kraftstoffmenge,
die während jedes Verbrennungsvorgangs verbraucht wird. Daher ist auch in diesem
Falle eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei verminderter Motorbelastung
zulässig und verbessert den thermischen Wirkungsgrad. Außerdem wird durch eine solche
Anordnung das Problem des Anlassens hoch überladener Motoren, die normalerweise
niedrige feste Verdichtungsverhältnisse mit Rücksicht auf den Volllastbetrieb haben,
gelöst. Dies ist um so bedeutungsvoller, als das an sich schon ernste Problem bei
zunehmendem Ladedruck noch ernster wird.
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Es sind bereits Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen die Steuerung
des Saugventils in Abhängigkeit von den Betriebsverhältnissen der Maschine so beeinüußt
wird, daß bei geringer Belastung und beim Anlassen der Maschine höher komprimiert
wird als bei hoher Belastung. Während bei diesen Maschinen der Kompressionsweg nur
bei hohen Belastungen kürzer als der Expansionsweg ist, ist dies bei der Brennkraftmaschine
nach der Erfindung bei allen Belastungen der Fall. Ferner ist eine mit einer Rückschubregelung
ausgestattete Brennkraftmaschine bekannt, bei der gleichzeitig mit der Änderung
des Öffnungszeitpunktes des Saugventils die Phase der Hubbewegung eines Verdrängerkolbens
so verstellt wird, daß trotz verschiedener -Belastung der Verdichtungsenddruck unverändert
gehalten wird. Nur bei kleinen Belastungen schließt das Saugventil so spät, daß
der Kompressionsweg dann wesentlich kürzer als der Expansionsweg ist. Nach der Erfindung
soll dies bei allen Belastungen der Fall sein. Schließlich gehört zum Stand der
Technik noch eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit verschiedener Länge der einzelnen
Hübe und veränderlichem Kompressionsverhältnis. Im Gegensatz hierzu arbeitet die
Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit völlig gleichen Hüben. Es ist auch eine
Maschine bekannt, bei welcher der Kompressionsraum und damit der Kompressionsdruck
so eingestellt ist, daß der in der Maschine auftretende Maximaldruck bei allen Belastungen
gleich ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Kombination wird zur Änderung der Kompressionsraumgröße
in an sich bekannter Weise an Stelle des normalen Arbeitskolbens ein sich selbst
einstellender Arbeitskolben verwendet. Der Kolben weist in bekannter Weise mindestens
zwei Teile auf, von denen einer mit dem Kolbenbolzenende des Pleuels verbunden ist,
während der andere, der einen Teil der Begrenzung des Verbrennungsraumes bildet,
mit Bezug auf den ersterwähnten Teil in der Weise beweglich ist, daß das Verdichtungsverhältnis
verändert wird. Die erforderliche Bewegung wird durch den Eintritt bzw. Austritt
von Öl (das dem normalen Schmierölkreislauf des Motors entnommen werden kann) in
eine oder aus einer Kammer oder Kammern gesteuert, der bzw die zwischen den beiden
Kolbenteilen vorgesehen ist bzw. sind. In an sich bekannter Weise werden die Bewegungen
des Öls durch Rückschlageinlaßventile und federbelastete Auslaßventile und/oder
Austrittsöffnungen gesteuert, die so angeordnet und eingestellt sind, daß sie die
erforderlichen Veränderungen der Verdichtungsraumgröße je nach der Motorbelastung
ergeben.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. In
dieser zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Arbeitskolben, der die Verdichtungsraumgröße
zu verändern vermag, Fig. 2 einen Querschnitt des gleichen Kolbens im rechten Winkel
zur Schnittdarstellung in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie
A -A der Fig. 1, Fig.4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
des Arbeitskolbens, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie A -A der Fig. 4,
Fig.6 und 7 Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Arbeitskolbens, Fig.
8 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung,
bei welcher zwischen dem Lader und dem Motorzylinder Kühler angeordnet sind, Fig.
9 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung,
bei welcher zwischen zwei Verdichtungsstufen Kühler angeordnet sind, Fig. 10 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei welcher
ein
mechanisch angetriebenes Gebläse zur Unterstützung des Abgasturboladers vorgesehen
ist, Fig.11 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Druck und Volumen der
Ladung im Zylinder eines bekannten Motors zeigt, bei welchem das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis
wesentlich größer als 1 ist, Fig.12 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen
Druck und Volumen der Ladung während des Verdichtungshubes im Zylinder beim Anlassen
eines bekannten Motors zeigt, bei welchem das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis
wesentlich größer als 1 Ist, Fig.13 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen
Druck und Volumen der Ladung im Zylinder eines bekannten Viertaktmotors beim Anlassen
zeigt, Fig.14 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Druck und Volumen der
Ladung im Zylinder beim Anlassen eines erfindungsgemäßen Motors zeigt, bei welchem
das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis wesentlich größer als 1 ist und welcher
mit Mitteln zur Veränderung der Verdichtungsraumgröße ausgerüstet ist.
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Gemäß Fig. 1, 2 und 3 ist in jedem Zylinder einer Viertakt-Brennkraftmaschine
ein Kolben vorgesehen, der durch zwei Hauptteile von becherförmiger Gestalt gebildet
wird, die beide mit ihren offenen Enden zur Kurbelwelle bzw. zu einem anderen für
die Umwandlung hin- und hergehender Bewegung geeigneten Getriebe gerichtet sind,
wobei der eine Teil innerhalb des anderen angeordnet ist. Das obere Ende oder der
Boden 6 des äußeren becherförmigen Teils 5 bildet den Boden des eigentlichen Kolbens,
der dem Verbrennungsraum eine Fläche von normalen Umrissen darbietet und mit Kolbenringen
in normaler Lage versehen ist, während der innere becherförmige Teil 1 innerhalb
und in axialer Richtung des äußeren Teils gleitbar ist. Der innere Teil 1 ist in
der üblichen Weise mittels eines Kolbenbolzens 2 mit dem oberen Ende 3 eines Pleuels
4 verbunden. Die Axialbewegung des äußeren Teils mit Bezug auf den Innenteil bewirkt
Veränderungen in dem Verdichtungsraum des Zylinders oberhalb des Bodens 6. Von der
Oberseite des inneren Teils 1 und der Unterseite des Bodens 6 wird eine Kammer 7
begrenzt, während eine untere ringförmige Kammer 8 durch eine Eindrehung am unteren
Ende der Wandung des inneren becherförmigen Teils gebildet wird. Diese untere Kammer
8 ist an ihrer Innenseite und an ihrer Oberseite durch zwei Flächen der Eindrehung
des inneren Teils begrenzt, während die Außenfläche der Kammer 8 durch die Innenfläche
des Mantels des äußeren Teils gebildet und die Unterseite durch einen sich um das
untere Ende des Mantels des äußeren Teils nach innen erstreckenden Ring
16 begrenzt wird. Für die Verbindung dieses Ringes mit dem unteren Rand des
Mantels des äußeren Kolbenteils ist zweckmäßig eine Schraubverbindung vorgesehen,
um das Einsetzen des Ringes, nachdem der innere Kolbenteil in die für ihn bestimmte
Lage gebracht worden ist, zu ermöglichen. Die Steuerung der Bewegung zwischen dem
inneren und dem äußeren Kolbenteil wird durch den Ölfluß in die und aus der oberen
Kammer 7 bzw. unteren ringförmigen Kammer 8 bewirkt.
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Im Pleuel 4 ist eine Ölzuführung 9 vorgesehen, die die
Druckölquelle mit dem Kolbenbolzenlager verbindet, von wo aus das Öl über einen
ringförmigen Kanal 10, der die Lagerhülse umgibt, zu einer Bohrung 10 a in
der Oberseite des Endes 3 des Pleuels gelangt. Wenn jedoch der Kolbenbolzen im Pleuel
befestigt und keine Lagerhülse vorgesehen ist, kann der ringförmige Kanal den Bolzen
umgeben, oder es kann der Bolzen mit einer durchgehenden Bohrung versehen sein.
Der Außenumfang des Pleuelendes ist teilweise zylindrisch oder teilweise kugelförmig
ausgebildet und trägt einen hohlen Teil 10 b, der auf den Außenumfang um die Bohrung
10a herum dichtend aufgedrückt wird. Dieser hohle Teil 10 b hat Gleitsitz
in der Unterseite des Bodens des inneren becherförmigen Teils und wird durch eine
Feder 10 c ständig in Auflage auf dem Ende der Pleuelstange gehalten. Gegebenenfalls
können feststehende, aneinander anliegende Flächen mit geeignetem Spiel vorgesehen
sein. Das Öl gelangt durch eine Bohrung 10 d zu einem Rückschlagventil 11, von dem
aus es in die obere Kammer austreten kann. Ferner hat Öl über ein weiteres Rückschlagventi112
Zutritt zur unteren Kammer B. Um den in den Ölkammern sich durch die Massenträgheit
des Öls im Pleuel besonders bei hohen Motordrehzahlen entwickelnden Druck zu beschränken,
kann die Hubhöhe der Rückschlagventile begrenzt werden, oder es können enge Öffnungen
an geeigneten Stellen in den die Kammern beliefernden Ölkanälen im Kolben oder Pleuel
vorgesehen sein.
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Die Außenfläche des inneren becherförmigen Teils ist zwischen der
unteren Kammer und dem Boden des inneren becherförmigen Teils mit einer ringförmigen
Nut ausgebildet, so daß zwei Stege 18 und 19 entstehen, wobei in der Wand zwischen
den Stegen eine Entspannungsöffnung 17 vorgesehen ist, um zu verhindern, daß sich
durch das Hindurchtreten von Öl an den Stegen vorbei ein Druck aufbaut, der die
Wandungen der beiden Kolbenteile belasten würde. Wenn die Wandungen des inneren
und des äußeren Kolbenteils ausreichend stark gemacht werden können, daß sie dieser
Belastung standhalten können, kann auf die Entspannungsöffnung und die Nut verzichtet
werden, um die Abdichtung sowohl der oberen als auch der unteren Ölkammer zu verbessern.
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Um das Hindurchtreten von Öl infolge des zwischen dem inneren und
dem äußeren Kolbenteil vorgesehenen Spiels zu verhindern, können, wie in Fig. 4
gezeigt, Dichtungsringe vorgesehen sein.
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Der Austritt von Öl aus der oberen Kammer findet durch ein überdruckventil
statt, das durch aufeinanderliegende ringförmige Platten 13 aus Federstahl gebildet
wird, die stufenweise abnehmende Durchmesser haben können und gleichachsig zum inneren
becherförmigen Teil 1 angeordnet sind und einen Teil der Oberseite desselben bilden.
Die oberste Platte liegt mit ihrem Umfang an einem Sitzring 14 auf. Durch dieses
Ventil hindurchtretendes Öl läuft über Bohrungen 15 (Fig. 2) zum Ölsumpf ab. Der
Austritt von Öl aus der unteren Kammer findet nach unten durch das Spiel zwischen
dem inneren Teil des Kolbens und dem Ring 16 statt und nach oben durch das Spiel
zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Kolbens. Gegebenenfalls kann der Austritt
von Öl dadurch begrenzt werden, daß das Spiel gering gemacht wird und/oder Dichtungsringe
vorgesehen werden und der Hauptteil des Ölaustritts durch eine Öffnung geschieht,
die entweder nach unten unmittelbar zum Sumpf führt oder nach oben und über eine
Entlastungsbohrung oder Entlastungsbohrungen im inneren Teil des Kolbens zum ölsumpf_
Die
Wirkungsweise ist folgende: Während des letzteren Teils jedes Auspuffhubes und des
ersten Teils jedes Saughubes wirkt die durch die Massenträgheit des äußeren Kolbenteils
und des Öls in der oberen Kammer sowie in einem gewissen Grade auch durch die Massenträgheit
der Ölsäule im Pleuel erzeugte Kraft auf das Öl in der unteren Kammer, was zur Folge
hat, daß eine Ölmenge durch den Austrittsweg fließt, wodurch der äußere Kolbenteil
um einen sehr geringen Betrag (von der Größenordnung einiger Hundertstelmillimeter)
mit Bezug auf den inneren Kolbenteil nach oben bewegt wird. Gleichzeitig erfährt
die obere Ölkammer eine Volumenvergrößerung, so daß Öl in sie über das Rückschlagventi111
eintritt. Wenn die Motorbelastung kurz vorher vermindert worden ist, so daß der
Höchstdruck geringer ist als der, der für die Betätigung des Überdruckventils erforderlich
ist, d. h. die Verhältnisse vorliegen, die eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses
erfordern, wiederholt sich dieser Vorgang bei jedem Arbeitstakt des Motors ohne
Änderung, bis das Verdichtungsverhältnis, welches den vorbestimmten Höchstdruck
ergibt, durch den das Überdruckventil betätigt wird, erreicht ist. Die nächste kleine
Aufwärtsbewegung erhöht das Verdichtungsverhältnis geringfügig über den erforderlichen
Wert, so daß der maximale Zylinderinnendruck um einen geringen Betrag den für die
Betätigung des Überdruckventils 13 erforderlichen Wert übersteigt. Dies hat
zur Folge, daß sich das Überdruckventil 13 öffnet und eine kleine Menge Öl austreten
läßt, wodurch der äußere Kolbenteil um einen kleinen Betrag mit Bezug auf den inneren
Kolbenteil nach unten bewegt wird. Wenn nun die Motorbelastung unverändert auf dem
niedrigen Wert bleibt, fährt der äußere Kolbenteil fort, sich bei jedem Arbeitsspiel
mit Bezug auf den inneren Kolbenteil um einen sehr geringen Betrag nach oben und
unten zu bewegen, wobei seine mittlere relative Lage diejenige ist, die den Wert
des maximalen Zylinderinnendrucks, welcher durch den überdruckventilöffnungsdruck
bestimmt wird, ergibt.
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Wenn nun die Motordrosselklappe geöffnet wird, hat der Zylinderinnendruck
das Bestreben, weit über den für das Öffnen des Überdruckventils 13 erforderlichen
Wert anzusteigen. Da sich jedoch dieses Ventil öffnet und dabei einen beträchtlichen
Austrittsquerschnitt bietet, kann Öl aus der oberen Kammer 7 rasch austreten, so
daß sich der äußere Kolbenteil mit Bezug auf den inneren Kolbenteil rasch nach unten
bewegt und der Verdichtungsraum erhöht wird, wodurch der maximale Zylinderinnendruck
im wesentlichen auf der Höhe des vorbestimmten Wertes gehalten wird.
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Der Kolben paßt sich daher selbsttätig mit begrenzter Geschwindigkeit
einer Verminderung der Motorbelastung an, wobei diese Geschwindigkeit durch den
Austrittsquerschnitt aus der unteren Kammer bestimmt wird. Eine rasche Erhöhung
des Verdichtungsverhältnisses ist nicht erforderlich, und außerdem würde eine große
relative Aufwärtsbewegung des äußeren Kolbenteils bei jedem Arbeitsspiel nicht erwünscht
sein, da sie bei gleichbleibender Belastung eine gleich große Abwärtsbewegung bei
jedem Arbeitstakt zur Folge haben würde und damit einen beträchtlichen Leistungsverlust
durch das Pumpen von Öl. Andererseits ist es wünschenswert, daß der Kolben so rasch
wie möglich auf eine plötzliche Erhöhung in der Geschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr
zum Motor anspricht, um einen übermäßig hohen Zylinderinnendruck und das hierdurch
verursachte Klopfen und/oder hohe Beanspruchungen zu vermeiden. Die Anpassungsgeschwindigkeit
wird durch das Überdruckventi113 bestimmt. Die vorbeschriebene Anordnung ergibt
ein sehr rasches Ansprechen infolge der großen, bei Einer kleinen Bewegung freigegebenen
Querschnittsfläche am Umfang und vermeidet eine Differentialwirkung, auf Grund deren
manche Ventilarten sich bei einem Druck schließen, der wesentlich geringer ist als
der Öffnungsdruck.
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Bis das der Konstruktion zugrunde gelegte Mindestverdichtungsverhältnis
erreicht ist, ist der dem Gasdruck ausgesetzte Teil des Kolbens auf dem Öl in der
oberen Kammer 7 gelagert, so daß der Gasdruck im Kolbenboden, der nur zur Trennung
des Gases und des Öls dient, keine Biegebeanspruchungen hervorruft. Der Kolbenboden
muß daher so konstruiert werden, daß er nur die Belastung aufzunehmen braucht, die
durch seine eigene Massenträgheit sowie durch diejenige des Öls verursacht wird,
die beide auf ihn im letzten Teil des Auspuffhubes und während des ersten Teils
des Saughubes wirksam werden. Wenn das der Konstruktion zugrunde gelegte Mindestverdichtungsverhältnis
erreicht ist, ruht die Innenfläche des Bodens des äußeren Kolbenteils auf geeigneten,
an der Oberseite des inneren Kolbenteils vorgesehenen Flächen auf.
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Statt des geschichteten Überdruckventils 13 können federbelastete
Ventile bekannter Art durch und um den Boden des inneren becherförmigen Teils, wie
in Fig. 4 und 5 gezeigt, angeordnet werden, die unmittelbar mit dem Raum innerhalb
des inneren Kolbenteils 1 und damit mit dem Ölsumpf Verbindung haben.
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Bei dieser Konstruktion ist ebenso wie bei der vorhergehend beschriebenen
der Kolbenboden keinen Biegebeanspruchungen ausgesetzt, da die Gasdrücke auf das
Öl über den Kolbenboden und die mit ölkanälen ausgebildete Platte übertragen werden,
so daß in diesen Teilen nur Druckbeanspruchungen auftreten. Daher kann der Kolbenboden
dünner gehalten werden als bei den üblichen Kolbenkonstruktionen, so daß durch eine
gegebene Kühlölströmung zulässige Temperaturen auf der dem Verbrennungsraum zugekehrtenFläche
desKolbenbodens wirksamer aufrechterhalten werden können.
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Es kann ferner eine zusätzliche, verstellbare Austrittsöffnung 29
vorgesehen werden, die eine zusätzliche Querschnittsfläche für den Ölaustritt aus
der unteren Ölkammer liefert, wodurch eine Verstellung der Rückführungsgeschwindigkeit
des Kolbens beim Nachlassen der Belastung ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren Konstruktion zur Verwendung in einem Zweitakt-Dieselmotor,
wie in Fig. 6 gezeigt, ist der äußere Kolbenteil s als Zylinder ausgebildet, der
eine axiale Bohrung besitzt, in welcher der innere Kolbenteil 1 axial gleitbar
ist, was bei Belastungsänderungen Veränderungen des Verdichtungsraumes zur Folge
hat. Der bewegliche Teil des Kolbenbodens weist einen umgekehrten becherförmigen
Teil l auf, der in der Bohrung des zylindrischen Teils gleitbar und mit einem Ring
30 versehen ist; der in eine Nut im unteren Ende seines Mantels eingesetzt
ist und das Ausmaß der Aufwärtsbewegung des Teils 1 beschränkt. Die Innenbohrung
des becherförmigen Teils dient zur Aufnahme eines dritten Teils 31 von zylindrischer
Form, der Gleitsitz im becherförmigen Teil
hat und die untere Begrenzung
der zwischen seiner Oberseite und dem Boden des beweglichen Teils des Kolbens gebildeten
Kammer 7 bildet. Dieser dritte Teil ist auf seiner unteren Seite so bearbeitet,
daß diese eine Auflagefläche für die zylindrische oder kugelförmige Außenfläche
des oberen Endes des Pleuels bildet. Ferner ist dieser dritte Teil mit einem scheibenförmigen
überdruckventi113 der in Verbinmit der ersten Ausführungsform beschriebenen Art
für den Austritt von Öl aus der Ölkammer 7 in den Ölsumpf versehen, während ein
Rückschlagventi132 zwischen der Ölkammer und dem ölzufuhrkanal vom Kolbenbolzenlager
her angeordnet ist.
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Bei dieser Anwendung auf einen Zweitaktmotor ist keine untere Ölkammer
erforderlich, da die Resultierende der Gas- und Massenkräfte, die auf den becherförmigen
Teil und den dritten Teil wirken, immer eine nach abwärts gerichtete Kraft ist.
Eine Abwärtsbewegung des becherförmigen Teils kann, wenn der Zylinderinnendruck
über den Grenzwert ansteigt, wie bei den vorangehend beschriebenen Fällen, stattfinden,
wenn sich das überdruckventi113 öffnet. Eine Aufwärtsbewegung des Kolbens erfolgt
bei Zutritt von unter Druck stehendem Öl in die Kammer 7 durch das Rückschlag-Einlaßventil
32. Dies kann bei normalem Schmieröldruck während des Spülvorgangs erfolgen, wenn
der Gasdruck sehr gering ist, da die Massenträgheit des becherförmigen Teils klein
ist. Die Masse des dritten Teils 31 ist beträchtlich größer, jedoch kann bei geringen
Geschwindigkeiten dieser Teil geringfügig angehoben werden, so daß Öl aus dem Pleuel
zwischen den Lagerflächen dieses Teils und dem Ende des Pleuels austreten kann.
Dies ist jedoch nicht nachteilig. In den ölzufuhrkanälen 33, 34 oder
35 können ein oder mehrere Drosselorgane für das Erzielen geeigneter Strömungsquerschnitte
vorgesehen sein.
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Daher kann die Veränderung im Verdichtungsverhältnis erzielt werden,
ohne daß Veränderungen in den Steuerzeiten der durch den Kolben gesteuerten Schlitze
hervorgerufen werden. Wenn es jedoch wünschenswert ist, die Schlitzsteuerzeiten
entsprechend demVerdichtungsverhältnis zu verändern, kann der Umfang des Kolbenbodens
einen Teil des relativ beweglichen Teils des Kolbens bilden.
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Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei welcher das die Ölströmung zur unteren
Kammer 8 steuernde Rückschlagventil 12 innerhalb des Kolbenbolzens 2 angeordnet
ist, während die Ölströmung zur oberen Kammer 7 über das Rückschlagventil 11 und
die verengte Öffnung in der Platte 11 a zur Begrenzung der Ölströmung in die obere
Kammer stattfindet. Die übrige Anordnung ist normal und arbeitet in der vorangehend
unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Weise.
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Wenn gewünscht, kann im wesentlichen das gleiche Ergebnis dadurch
erzielt werden, daß die Lage des Pleuels veränderlich gemacht wird und die notwendige
Ölkammer oder notwendigen Ölkammern mit den erforderlichen Rückschlag- und überdruckventilen
versehen werden.
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Fig.8 zeigt beispielsweise und in schematischer Darstellung einen
Motor mit einem Abgasturbolader 39 und Mitteln, die das veränderliche Verdichtungsverhältnis
herbeiführen, die durch den Kolben mit einem beweglichen Boden 42 gebildet werden,
wodurch gewährleistet wird, daß der maximale Zylinderinnendruck auf einem. bestimmten
hohen Wert selbst bei leichtesten Belastungen gehalten wird. Die erforderliche Verringerung
des wirksamen Vetrdichtungshubes wird durch eine geeignete Anordnung der Steuerung
des Einlaßventils 43 und/oder Auslaßventils 44 erzielt, wobei der Motor mit einem
Kühler 45 zwischen dem Lader 39 und dem Motorzylinder versehen ist.
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Fig. 9 zeigt beispielsweise und in schematischer Darstellung einen
dem in Fig. 8 dargestellten Motor ähnlichen Motor, bei welchem der Lader 46 zwei
Stufen hat und der Kühler 47 zwischen diesen beiden Stufen angeordnet ist.
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Die vorgeschlagene Anordnung der Ladeeinrichtung ergibt bei Anwendung
auf Zweitaktmotoren die gleichen Vorteile wie bei Viertaktmotoren, d. h. einen hohen
Wirkungsgrad bei geringen Belastungen und gute Anlaßbedingungen, ohne daß es erforderlich
ist, die Ventilsteuerzeiten zu verändern. Die Erhöhung des Wirkungsgrades bringt
eine Verringerung der Temperatur und des Druckes der Abgase mit sich, wodurch wiederum
die Leistung des Abgasturboladers vermindert wird. In manchen Fällen ist bei geringer
Belastung die Abgasturboladerleistung nicht ausreichend für eine wirksame Spülung
des Motorzylinders. In diesen Fällen kann ein mechanisch angetriebener Verdichter
zusätzlich vorgesehen werden, der in Hintereinanderschaltung oder in Parallelschaltung
zum Abgasturbolader angeordnet ist. Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung die
Konstruktion eines Zweitaktmotors, bei welchem das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis
wesentlich größer als 1 ist, der mit einem veränderlich verdichtenden Kolben
48 ausgerüstet ist und ein mechanisch angetriebenes Gebläse 49 in
Hintereinanderschaltung mit einem Abgasturbolader 50 hat.
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Die Verhältnisse zwischen dem Druck und dem Volumen des Arbeitsmittels
für verschiedene Betriebsbedingungen sind in Fig. 11 bis 14 gezeigt. Fig. 11 zeigt
das Vollast-Diagramm. eines Motors, bei welchem in bekannter Weise der Arbeitshub
größer ist als der Verdichtungshub. Dies wird dadurch erreicht, daß die Ventilsteuerzeiten
so eingestellt werden, daß der Druck im Zylinder nicht wesentlich über den Abgasturbolader-Lieferdruck
A ansteigt, bis sich der Kolben zum Punkt a während des Verdichtungshubes bewegt
hat, an. welchem der verbleibende Hub a-b wesentlich geringer ist als der Arbeitshub
c-d-e. Ein Nachteil beim Betrieb eines Motors mit diesen Steuerzeiten besteht darin,
daß beim Anlassen der Abgasturbolader-Lieferdruck A nahe dem barometrischen Druck
B liegt und der Druck im Zylinder bei a entsprechend niedrig ist, wie in Fig. 12
gezeigt, was zur Folge hat, daß die Verdichtung von a nach b
nicht
genügt, die Lufttemperatur ausreichend zu erhöhen, um die Entzündung des Kraftstoffes
zu gewährleisten. Ein bekanntes Verfahren, diesen Nachteil zu überwinden, besteht
darin, die Ventilsteuerzeiten des Motors so zu verändern, daß der Verdichtungshub
beim Anlassen und beim Betrieb mit geringer Belastung so groß wie der Arbeitshub
gemacht wird. Das Druck-Volumen-Diagramm wird dann normal, wie in Fig. 13 gezeigt.
Das vorteilhafte Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis größer als 1 geht jedoch hierbei
verloren.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung, bei welcher der mit verlängerter
Dehnung arbeitende Motor mit einer Vorrichtung ausgerüstet ist, durch die der Verdichtungsraum
des Motors verändert werden
kann, lassen sich günstige Verhältnisse
beim Anlassen und beim Betrieb mit geringer Belastung erzielen ohne veränderliche
Ventilsteuerzeiten und ohne Verlust des Merkmals, das für einen hohen Wirkungsgrad
maßgebend ist, nämlich daß das Ausdehnungs-Verdichtungs-Verhältnis größer als 1
ist. Fig. 14 zeigt das Verhältnis zwischen Druck und Volumen der Ladung beim Anlassen
und beim Betrieb mit geringer Belastung für die Anordnung gemäß der Erfindung.
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Die Verdichtung beginnt wieder etwa mit dem barometrischen Druck im
Punkt a, nachdem der Kolben bereits einen beträchtlichen Teil seines Hubes ausgeführt
hat. Es werden jedoch infolge des verminderten Verdichtungsraumes die volle Verdichtungstemperatur
und der volle Verdichtungsdruck erzielt, und auf die Verbrennung folgt die Ausdehnung
mit einem sehr großen Verhältnis. Die erforderliche Veränderung des Verdichtungsraumes
läßt sich durch die Verwendung der in Verbindung mit Fig. 1 bis einschließlich 7
beschriebenen Mittel erzielen.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen beispielsweisen
Ausführungsformen begrenzt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens beliebige Abänderungen
erfahren.