DE1121406B

DE1121406B - Zweitaktbrennkraftmaschine mit gesteuertem Auslassventil und Abgasturbolader

Info

Publication number: DE1121406B
Application number: DES67651A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eth Gottlieb Wolf
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1960-03-15
Filing date: 1960-03-19
Publication date: 1962-01-04

Description

Zweitaktbrennkraftmaschine mit gesteuertem Auslaßventil und Abgasturbolader

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitaktbrenn-

kraftmaschine mit gesteuertem Auslaßventil und Ab-

"asturbolader, bei welcher der öffnungsbeginn des

Auslaßventils mit abnehmender Motordrehzahl selbst-

tätig vorgelegt wird, um bei niedrigen Motordreh-

zahlen und beim Beschleunigen die Energiezufuhr

zur Turbine zu erhöhen.

Es ist bekannt, bei Zweitaktmotoren mit freiem

Abgasturbolader dem ungenügenden Ladeluftdruck

bei kleinen Motorleistungen dadurch zu begegnen,

daß der Anfang des Vorauspuffes bei diesen kleinen

Leistungen vorverlegt wird. Auf diese Weise wird

die Expansion im Motor abgekürzt, und ein Teil der

sonst dem Motor zur Verfügung stehenden thermi-

sehen Energie wird der Turbine des Abgasturboladers

zugeführt. Bei einer derartigen Einrichtung erfolgt

die Verstellung des Vorauspuffes in Abhängigkeit

von der Stellung des Lasteinstellhebels, wobei mit

einer Einstellung des Hebels auf größere Last der

Vorauspuffwinkel verkleinert wird. Bei einer anderen bekannten Einrichtung wird der Vorauspuffverstellmechanismus durch ein Druckmeßgerät betätigt, auf welches der Ladedruck einwirkt, derart, daß bei sinkendem Ladedruck der Vorauspuff vergrößert wird.

Schließlich ist es bekannt, die Größe des Vorauspuffwinkels in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors zu verändern, derart, daß bei kleinerer Drehzahl der Vorauspuffwinkel vergrößert wird, und umaekehrt.
Die bekannten Einrichtungen mögen bei stationärem Betrieb des Motors befriedigen. Sie sind jedoch nicht geeignet, Schwierigkeiten bei der Beschleuriigung von Zweitaktbrennkraftrnaschinen mit frei laufendem Abgasturbolader zu beseitigen. Bekanntlich wird der Bescbleunigungsvorgang bei solchen Motoren dadurch erschwert, daß der Turbolader nicht die für die augenblicklich stark erhöhte Einspritzmenge erforderliche Luftmenge liefert. Der Nachteil der bisherigen Methoden ist nun aber durch das Verstellprinzip selbst begründet. Bei der ersterwähnten Einrichtung wird nämlich in dem Augenblick, in dem der Lasteinsteilhebel auf größere Last verstellt wird, auch gleichzeitig der Vorauspuff zurückgestellt, so daß gleichzeitig dem Abgasturbolader weniger Ener-C Olie zugeführt wird und dessen Beschleunigung dadurch erschwert, wenn nicht verhindert wird. Die an zweiter Stelle erwähnte Einrichtung ist in dieser Beziehung, vorteilhafter, doch besteht auch hier der Nachteil, daß jede noch so kleine Drucksteigerung in der Spülluftleitung des Motors sofort eine entsprechende Zurücknahme des Vorauspuffs zur Folge hat, wodurch die Erreichung des erforderlichen Druckes verzögert und der Beschleunigungsvorgang des Abgasturboladers und damit auch des Motors fühlbar verlängert wird. Das vorteilhafteste Verhalten in bezug auf Beschleunigung hat die an dritter Stelle genannte Anordnung. Es hat sich jedoch erwiesen, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme deren Beschleunigungsvermögen noch weiter verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß bei einer Maschine mit Drehzahlverstellregler eine zusätzliche Vorverlegung des öffnungsbeginns des Auslaßventils erfolgt, wenn der durch den Drehzahlwählhebel eingestellte Sollwert der Motordrehzahl über dem augenblicklichen Istwert der Motordrehzahl liegt.
Diese Maßnahme ist insbesondere für Motoren geeignet, bei welchen im stationären Zustand besonderes Gewicht auf Erzielung eines minimalen Brennstoffverbrauches für den ganzen Betriebsbereich gelegt wird, wobei also kein Kompromiß zwischen günstigstem Verbrauch und größtmöglichem Aufladedruck eingegangen werden kann. Der letztgenannte Punkt ist aber für das Beschleunigungsverhalten des Motors wichtig.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens schematisch dargestellt.
Im Zylinder 1 eines mit Kolben 2, Kolbenstange 3, Kurbelwelle 4 und Kurbelgehäuse 5 ausgestatteten Zweitaktmotors sind Spülschlitze 6 angeordnet. Die Spülschlitze 6 sind mit einem Luftzuführungsstutzen 7 verbunden, an welchen der Ausgang 8 eines Turbokompressors 9 angeschlossen ist. Der Turbokompressor 9 ist mit einer Saugleitung 10 versehen. Im Zylinder 1 ist ein eine Auspuffleitung 11 verschließendes Ventil 12 angeordnet, welches mit einer Ventilfeder 13 ausgestattet ist und über einen Kipphebel 14, eine Stoßstange 15 und eine Rolle 16 von einem Nocken 17 betätigt wird. An die Auspuffleitung 11 ist der Eingang 18 einer Abgasturbine 20 mit Ausgang 21 angeschlossen. Die Rotoren der Turbine 20 und des Turbokompressors 9 sind durch eine gemeinsame Welle 22 verbunden. Der Nocken 17 ist auf einer Nockenwelle 23 angeordnet und wird von der Kurbelwelle 4 durch ein aus Zahnrädern 24 bis 29 bestehendes Zahnradgetriebe angetrieben. Das Zahnrad 26 ist auf der Nockenwelle 23 frei drehbar gelagert. Die Zahnräder 27, 28 sind miteinander verbunden und sind auf einem Zapfen 30 frei drehbar. Das Zahnrad 29 ist mit der Nockenwelle 23 verbunden. Der Zapfen 30 ist auf einem um die Achse der Nockenwelle 23 schwenkbaren Hebelarm 31 angeordnet. Im Kurbelgehäuse 5 ist eine Zahnradpumpe 32 angeordnet, welche vom Zahnrad 25 angetrieben wird und öl aus dem Kurbelgehäuse 5 ansaugt. Die Zahnradpumpe 32 fördert dieses öl in eine Rohrleitung 33 und ist mit einer scharfkantigen Austrittsblende 34 versehen, durch die das 01 ins Kurbelgehäuse frei zurückströmen kann. Die Rohrleitung 33 führt zu einem Zylinder 35, in welchem ein durch eine Feder 36 belasteter Kolben 37 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 37 ist mit einer Kolbenstange 38 versehen, welche an einem Hebel 40 angreift. An einem Ende des Hebels 40 greift eine Stange 41, welche zu einem Winkelhebel 42 führt, an. Der Winkelhebel 42 hat ein gabelförmiges Ende 43, welches einen Zapfen 44 umfaßt, der auf einer Stange 45 befestigt ist. Die Stange 45 verbindet einen Drehzahleinstellhebel 46 mit dem Sollwerteinstellhebel 47 eines Drehzahlreglers 48. Der Regler 48 betätigt in an sich bekannter Weise durch einen Hebel 50 und eine Stange 51 eine nicht dargestellte Einspritzmengenverstelleinrichtung einer Brennstoffeinspritzpumpe. Zwischen den Hebeln 31 und 40 befindet sich eine Folgesteuereinrichtung. Diese enthält einen Zylinder 52, dem durch eine Leitung 53 ein Druckmittel zugeführt wird, einen Kolben 54, der im Zylinder 52 verschiebbar ist und der eine Drosselbohrung 55 und eine zentrale Abströmbohrung 58 aufweist, sowie ein Steuerventil 60, welches an das andere Ende des Hebels 40 angeschlossen, im Zylinder 52 geführt und geeignet ist, die öffnung 58 im Kolben 54 abzuschließen. Der Druck in der Rohrleitung 33 verändert sich infolge der Blende 38 ungefähr quadratisch mit der Drehzahl der Kurbelwelle 4. Steigt diese Drehzahl, so steigt auch der Druck in der Rohrleitung 33. Dadurch wird der Kolben 37 im Zylinder 35 gegen die Wirkung der Feder 36 verschoben, und der Hebel 40 wird derart verstellt, daß das Ventil 60 sich der Öffnung 58 des Kolbens 54 nähert bzw. diese abschließt. Dadurch wird der Abfluß des Druckmittels aus dem unteren Zylinderraum durch die Öffnung 58 gedrosselt bzw. abgesperrt, und infolgedessen wird der Kolben 54 gehoben. Der Kolben 54 verdreht den Hebel 31 im Uhrzeigersinn. Der Nocken 17 wird dadurch derart verstellt, daß die Öffnung des Auspuffventils 12 relativ zur Stellung der Kurbelwelle 4 später erfolgt. Umgekehrt sinkt bei einer Verkleinerung der Drehzahl der Kurbelwelle 4 der Druck in der Rohrleitung 33, und das Auspuffventil 12 wird relativ zur Kurbelwelle in einem früheren Zeitpunkt geöffnet. Durch dieses frühere öffnen des Auspuffventils 12 gelangt in die Turbine 20 Auspuffgas aus einem früheren Stadium des Expansionsvorganges, d. h. mit höherem Druck und höherer Temperatur. Auf diese Weise wird der Turbine 20 mehr thermische Energie zugeführt, was sich durch eine höhere Drehzahl und demzufolge auch einen höheren, durch den Turbekompressor 9 gelieferten Druck auswirkt.
Bei einem Beschleunigungsvorgang wird der Hebel 46 im Sinne des eingezeichneten Pfeiles verstellt. Dadurch wird der Winkelhebel 42 im Uhrzeigersinn verdreht und das linke Ende des Hebels 40 gehoben. Bei unveränderter Stellung des Kolbens 37 wird der Schieber 60 nach unten verschoben, was eine Verdrehung des Hebels 31 im Gegenuhrzeigersinn zur Folge hat. Der Vorauslaßzeitpunkt wird auf diese Weise vorverlegt, gleichzeitig wird durch diese Schwenkung des Drehzahleinstellhebels 46 der Sollwerthebel 47 des Reglers 48 verstellt. Der Regler 48 verstellt demzufolge durch den Hebel 50 die Einspritzinengeneinstellvorrichtung derart, daß größere Mengen von Brennstoff in den Zylinder 1 eingespritzt werden. Durch beide Maßnahmen, erhöhte Einspritzung und Vorverlegung des Auspuffzeitpunktes, wird die Drehzahl der Turbine 20 erhöht und ein Anstieg des Luftdruckes in der Spülluftleitung 7 bewirkt. Der Druck in der Spülluftleitung 7 erreicht auf diese Weise schnell seinen neuen, der größeren Belastung entsprechenden Wert. Die Zurücknahme des Vorauspuffs erfolgt erst dann, wenn durch einen Anstieg der Drehzahl der Kolben 37 gehoben wird.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung erfolgt eine Verstellung des Vorauspuffs und damit eine Verlegung eines Teiles der verfügbaren Energie vom Motor auf die Turbine nicht nur in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors, sondern außerdem noch in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der Einstellung des Sollwertes an dem Hebel 46 bzw. 47 und dem durch die Anordnung 32, 33 gemessenen tatsächlichen Wert. Bei stationären Zuständen sind die beiden Werte gleich, und der Hebel 40 befindet sich z. B. in seiner gezeichneten waagerechten Stellung. Die Höhenstellung des Hebels 40 entspricht nach einer gegebenen Gesetzmäßigkeit den Drehzahlen der Kurbelwelle 4. Besteht jedoch eine Differenz zwischen der Soll- und Ist-Drehzahl, wie dies bei instationären Zuständen der Fall ist, d. h. sind an den Hebeln 46, 47 andere Werte eingestellt, als der tatsächlichen Drehzahl des Motors entspricht, se wird der Hebel 40 im einen oder im anderen Sinne geschwenkt. Bei Beschleunigungsvorgängen ist es immer so, daß die tatsächliche Drehzahl dem eingestellten Wert nachläuft. In diesem Fall wird also zusätzlich zur drehzahlabhängigen Verstellung der Vorauspuffwinkel noch vergrößert. Auf diese Weise wird der Turbine 20 noch mehr Energie zugeführt, und diese kann dann um so schneller den für die neue Einstellung erforderlichen Druck liefern.

Es versteht sich, daß die beschriebene Einrichtung nur als Beispiel gedacht ist und die Ausführung des erfindungsgemäßen Motors keineswegs auf die gezeichnete Ausführung beschränkt ist. So kann die Verstellung des Vorauspuffs relativ zur Stellung der Kurbelwelle durch eine beliebige andere Einrichtung

c,esclichen und auch die Drehzahlmessung, welche

in der dargestellten Ausführung durch die Pumpe

23 und die Blende34 ecfolgt, auf eine andere Weise

durch-eführ', sein.

A,.ic'.,i kurn der funktionelle Zusammenhang zwi-

sehen der Drehzahl und der Größe des Vorauspuffs

in einem beliebigen, z. B. durch Versuche als vorteil-

haft erkannten kontinuierlichen oder diskontinuier-

lichen Verhältnis geschehen. Weist z. B. die Feder

3#, eine nichtlineare Charakteristik auf, so kann auf

diese Weise ein beliebiger kontinuierlicher Zusam-

iiicnh,itig zwischen der Drehzahl und der Größe des

Vorauspuffs erreicht werden. Unter Umständen kann

jedoch ein diskontinuierliches Verhältnis dieser beiden

Größen angestrebt werden. Ein solches diskonti-

nUierl 'ches Verhältnis kann bei der dargestellten Ein-

richtung z. B. dadurch erzielt werden, daß der Kol-

bcn 37 einen Anschlagzapfen 70 erhält und die Feder

?6 vorgeSpannt wird. Wird in einem solchen Fall eine

weiche Feder mit großer Vorspannung gewählt, ent-

stehen für die Lage des Kolbens 37 praktisch nur

zwei Fälle. Ist der Druck in der Rohrleitung 33 unter

einem gegebenen Grenzwert. befindet sich der Kol-

t-#-n37 unten. Steigt der Druck über diesen Grenz-

w##rt. wird die Kraft der Feder überwunden und der

Koliben 17 in eine obere Endlage verschoben. Auf

Dicke Weise kann unter Umständen eine besondere

Vereinfachuna des erfindungsgemäßen Motors erzielt

,#,jerdcn.

Claims

PATENTANSPROCHE: 1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit gesteuertem Auslaßventil und Abgasturbolader, bei welcher der öffnungsbeginn des Auslaßventils mit abnehmender Motordrehzahl selbsttätig vorverlegt wird, um bei niedrigen Motordrehzahlen und beim Beschleunigen die Energiezufuhr zur Turbine zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Maschine mit Drehzahlverstellregler (48) eine zusätzliche Vor-verlegung des öffnungsbeginns des Auslaßventils erfolgt, wenn der durch den Drehzahlwählhebel (46) eingestellte Sollwert der Motordrehzahl über dem augenblicklichen Istwert der Motordrehzahl liegt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellhebel (40) vorgesehen ist, an dem eine die Motordrehzahl messende Vorrichtung (32, 34), ferner ein mit dem Drehzahlwählhebel (46) verbundenes Gestänge (41, 42) und außerdem die Einrichtung zur Verstellung des öffnungsbeginns des Auslaßventils angreifen. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drehzahlmessende Vorrichtung eine Zahnradpumpe (32) mit einer Austrittsblende (34) und einen an die Druckleitung (33) der Zahnradpumpe angeschlossenen Zylinder (35) mit durch eine Feder (36) belastetem Kolben (37) enthält. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch aekennzeichnet, daß die Feder (36) eine nichtlineare Charakteristik aufweist. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (36) vorgespannt ist. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellhebel (40) und dem Betätigungsteil (31) der Einrichtung (26-31) zur Verstellung des öffnungsbeginns des Auslaßventils eine Nachfolgesteuereinrichtung (52-55, 58, 60) angeordnet ist. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, bei welcher das Verstellen des öffnungsbeginns des Auslaßventils durch relatives Verdrehen der das Auslaßventil antreibenden Nockenwelle gegenüber deren Antrieb erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verstellung des öffnungsbeginns des Auslaßventils ein auf einem um die Achse der Nockenwelle (23) schwenkbaren Hebel (31) angeordnetes, mit entsprechenden Zahnrädern auf der Nockenwelle zusammenwirkendes Zahnradvorgelege (27, 28) enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 858 333, 1034 925; französische Patentschriften Nr. 1011423, 1 148 109; USA.-Patentschrift Nr. 2 820 339.