DE1943220B1 - Vorrichtung zum Betrieb von mit Kohlenwasserstoffen betriebenen fremdgezuendeten Kolbenbrennkraftmaschinen mit Zufuhr von Abgasen - Google Patents
Vorrichtung zum Betrieb von mit Kohlenwasserstoffen betriebenen fremdgezuendeten Kolbenbrennkraftmaschinen mit Zufuhr von AbgasenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrieb von mit Kohlenwasserstoffen betriebenen
fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschinen mit verstell- bzw. regelbarer Zufuhr von Abgasen in
die Ansaugleitung, bei welcher der Hub der Einlaßventile zwischen einer einer gegebenen Höchstleistung
und einer einer gegebenen Mindestleistung der Maschine entsprechenden Größe veränderbar ist.
Das Zumischen von heißen Abgasen zum frischen Brennstoff-Luft-Gemisch zum Zwecke der Temperaturregelung
bei Teillastbetrieb ist durch die Patentschrift 8506 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen
in Ost-Berlin bekannt. Die Zufuhr von Abgasen zum Saugkanal wird hierbei durch ein Steuerorgan
geregelt, das mit dem Stellzeug der Drosselklappe im Ansaugkanal, gekuppelt ist. Die Ventilzeiten der
Ein- und Auslaßventile werden zur Regelung verändert. Wenn hierbei auch Änderungen des Hubes
des Einlaßventils auftreten, so sind diese nicht ausreichend, um eine wesentliche Turbulenz im Bereich
des Einlaßventils zu bewirken, da für die Zwecke der Regelung eine Überschneidung der Ventilzeiten der
Ein- und Auslaßventile vorgesehen ist und bei geringem Hub nur kurze Öffnungszeiten gegeben sind.
Ein Auslaßventil veränderlichen Hubes ist durch die USA.-Patentschrift 3166 057 bekannt, um die
beim Auspuffhub im Zylinder verbleibende Abgasmenge zu steuern. Diese Maßnahme hat jedoch keinen
Einfluß auf die Mischung der verbliebenen Abgase mit dem einströmenden frischen Gemisch.
Das Beimischen von Abgasen zur frischen Ladung ist auch bei der Maschine nach der britischen
Patentschrift 324726 bekannt, die jedoch mit üblichen im Hub nicht einstellbaren Einlaßventilen
ausgerüstet ist.
Ein kipphebelgesteuertes Ventil mit einstellbarem Ventilhub bei gleichbleibenden Ventilzeiten ist ferner
durch die deutsche Patentschrift 405 271 bekannt, das jedoch für allein mit frischem Gemisch
arbeitende Brennkraftmaschinen bestimmt ist, bei dem die Güte des Gemisches im wesentlichen durch
den Vergaser bestimmt wird, wobei zur Regelung des Gemisches, die Ventilhubverstellvorrichtung mit
dem Vergaserhebel, d. h. also mit dem Vergaserdrosselorgan, gekuppelt ist. Es ist in diesem Fall
allerdings bereits daran gedacht, daß das Vergaserdrosselorgan nicht unbedingt nötig ist, sondern durch
die Ventilhubverstellung überflüssig werden kann. Die bei der Mischung von heißen Abgasen mit frischer
Ladung auftretenden Probleme liegen bei derartigen Maschinen jedoch nicht vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einwandfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine der
eingangs erwähnten Art bei einem hohen Abgasgehalt der Ladung zu gewährleisten, und sie geht
von der Erkenntnis aus, daß dies eine äußerst innige Vermischung der Abgase mit dem frischen Brennstoff-Luft-Gemisch
erfordert. Bei Vorsehen einer Drosselklappe in der Ansaugleitung tritt in deren Bereich zwar eine die Vermischung unterstützende
Turbulenz auf, die jedoch bis zum Einlaßventil abklingt und auch nicht ausreichend ist, um die erforderliche
innige Vermischung zu bewirken.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Regelung des Ansaugvolumens allein
durch die Hubänderung der Einlaßventile unter Aufrechterhaltung konstanter Steuerzeiten. Hierdurch
bleibt die im Einlaßventil erzielte Turbulenz im Zylinder aufrechterhalten und wird bei Teillastbetrieb,
bei dem der innigen Vermischung besondere Bedeutung zukommt, wesentlich erhöht, so daß die
hohe Abgasanteile enthaltende Ladung einwandfrei verbrennt, die Maschine also einen ruhigen Lauf
aufweist. Der hohe Anteil an Abgasen verringert wiederum den Anteil an schädlichen Bestandteilen
in den ins Freie gelangenden Abgasen, so daß durch die Erfindung ein wesentlicher Beitrag zur Vermeidung
der Verpestung der Atmosphäre geleistet wird. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer
fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine nach der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung ist
Fig. 1 ein Querschnitt durch die Maschine,
Fig. 1 ein Querschnitt durch die Maschine,
F i g. 2 eine schematische Darstellung der Abgas-'rückleitung
und der Regelanlage der Maschine und Fig. 3 ein Schaubild über die Verhältnisse Gas—
Brennstoff und Luft—Brennstoff.
Eine fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschine 10 hat einen Zylinderblock 11, in dem eine Kurbelwelle
12 gelagert ist und der unten zur Bildung eines Kurbelgehäuses durch eine Ölwanne 14 verschlossen
ist. Der Zylinderblock 11 besteht aus zwei im V angeordneten Zylinderreihen 15 und 16 mit mehreren
in Reihe liegenden Zylindern 18, in denen Kolben 19 gleiten. Die Kolben 19 sind über Kolbenstangen 21
mit Kurbelzapfen 20 der Kurbelwelle 12 verbunden. Die oberen Enden der Zylinder sind durch Zylinderkopfblöcke
22 verschlossen, die mit den Zylindem Brennkammern 24 bilden, an die Einlaß-Tellerventile-26
enthaltende Einlaßkanäle 25 angeschlossen sind. In Öffnungen 29 der Brennkammern 24
sind Zündkerzen 28 eingesetzt. An die Brennkammern 24 sind ferner nicht dargestellte Abgaskanäle
mit nicht dargestellten Auslaßventilen angeschlossen, die zu Auslaßkästen 31 führen.
Die oberen Enden der Zylinderkopfblöcke 22 sind durch Deckel 32 verschlossen, die Kammern für die
Ventilsteuerung umschließen und einen durchsichtigen Teil 34 aufweisen, durch die die Ventilsteuerungen
beobachtet werden können.
Die Ventilsteuerung für die Auslaßventile umfaßt eine von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle
35, die zwischen den Zylinderreihen im Zylinderblock 11 gelagert ist. Die Nockenwelle 35 betätigt
Ventilstößel 36, die hin- und herbeweglich im Zylinderblock 11 gelagert sind und mit Stoßstangen 37
zusammenarbeiten. Letztere arbeiten auf nicht dargestellte Schwinghebel, die im Zylinderkopfblock
gelagert sind und die nicht dargestellten Ventilschäfte der Auslaßventile bewegen.
Für die Betätigung der Einlaßventile wird ebenfalls
die Nockenwelle 35 benutzt, die hierfür besondere Nocken aufweist, die über Ventilstößel 36
ebenfalls Stoßstangen 37 für die Einlaßventile betätigt. Die Stoßstangen 37 der Einlaßventile sind
durch zugeordnete Führungs- und Anschlagstücke 41 im Zylinderkopfblock in ihrer Hin- und Herbewegung
begrenzt. Die oberen Enden der Stoßstangen 37 wirken auf schwimmend gelagerte Schwinghebel
45 ein, die eine konkav gekrümmte oder zylindrische obere Fläche 47 und eine konvexe untere Fläche 48
aufweisen, die auf die Ventilschäfte der Einlaßventile 26 einwirkt, um diese zu öffnen. Das Schließen
der Ein- und Auslaßventile erfolgt durch Schraubenfedern
50.
Die Steuerung der Einlaßventile enthält ferner zwei im Zylinderkopfblock 22 befestigte Stützen 51,
in denen in Längsrichtung der Zylinderkopfblöcke drehbar einstellbare Steuerwellen 53· gelagert sind,
die der Einstellung der Schwinghebel 45 dienen. Die Steuerwellen 53 sind hierzu durch am einen .Ende
der Deckel 32 außenliegende Hebel 54 verschwenkbar. Um eine gleichmäßige Verstellung der Schwinghebel
45 in beiden Zylinderreihen zu erhalten, sind die Hebel 54 durch einen Lenker 54 α miteinander
verbunden. Im Bereich jedes Schwinghebels 45 tragen die Steuerwellen Näpfe 55 zur Aufnahme von
Spieleinstellern 56, die gegen die Flächen 47 der Schwinghebel 45 anliegen und dessen Schwenkachse
bestimmen. Jede Stütze 51 trägt einen Federteller 59 für eine gegen den -Schwinghebel 45 unter Spannung
anliegende Schraubenfeder 61.
Während des Betriebes bewirkt die Ventilsteuerung der Einlaßventile deren periodisches Öffnen zu
einem bestimmten Zeitpunkt über einen bestimmten Zeitraum des Arbeitsspiels, der durch die Formgebung
des Nockens an der Nockenwelle 35 bestimmt ist. Die Ausbildung des Schwinghebels 45 er-
^ möglicht den Hub des zugeordneten Einlaßventils ψ 26 abzuändern, und zwar zwischen einem Höchstwert
und Null. -
Die von der Nockenwelle 35 den Stoßstangen 37 erteilte stets gleiche Bewegung- wird je nach dem
Abstützpunkt des Spielnachstellers 56 am Schwinghebel 45 abgeändert, so daß sich ein einstellbarer
Hub der Einlaßventile ergibt. Ist der Nocken der Nockenwelle 35 an einem Ventilstößel 36 vorbeigelaufen,
so schließt die Feder 50 das zugeordnete Einlaßventil, und die Feder 61 bringt den zugeordneten
Schwinghebel 45 zur Anlage gegen den Führungsteil 41, von dem er beim nächsten Arbeitsspiel
abgehoben wird. Während dieser Ruhezeit beseitigt der Spielnachsteller 56 gegebenenfalls vorhandenes
Spiel.
In Fig. 1 ist die Ventilsteuerung in der Lage für
maximalen Hub der Einlaßventile 26 dargestellt. Die Steuerwellen 53 sind mittels der Hebel 54 in eine
Stellung geschwenkt, in der die Spielnachsteller 56 gegen die Fläche 47 der Schwinghebel 45 mit klein-
: stern Abstand von der Angriffsstelle der Stoßstangen Ϊ anliegen. Der Hub des Nockens an der Nockenwelle
35 bewirkt dann den größten Hub am Einlaßventil 26.
Werden die Steuerwellen 53 in die andere Endstellung verschwenkt, so liegt der Spielnachsteller 56
gegen die Fläche 47 oberhalb des Ventilschaftes des Einlaßventils 26 an, so daß auf diesen keine Bewegung
übertragen werden kann. Das Einlaßventil 26 bleibt in diesem Fall stets geschlossen. In den Zwischenstellen
ergibt sich ein Hub des Einlaßventils abhängig von der Lage des Schwenkpunktes des
Schwinghebels 45.
Zwischen den Zylinderreihen ist ein Ansaugkasten 62 mit Rammeffekt angeordnet, der über Leitungen
64 an die Einlaßkanäle 25 der einzelnen Zylinder 18 angeschlossen ist und von einem Ansaugrohr
65 gespeist- wird. Das Ansaugrohr 65 hat einen Abschnitt 66, in dessen Bereich ein Venturikörper
68 in das Ansaugrohr eingesetzt ist. Im Engquerschnitt der gebildeten Venturidüse ist eine Leitung
70 über eine Öffnung 69 angeschlossen. Die Leitung 70 führt zu einer Brennstoffzumeßeinrichtung71,
die mit einer Brennstoffquelle verbunden ist, und Brennstoff über eine Leitung 72, ein Verteilerstück
74, Brennstoffleitungen 75 zu Düsenfittings 76 am Ansaugkasten gesteuert zuteilt. Von
dort führen Verlängerungsrohre 78 in die Einlaßkanäle 25 der Zylinderkopfblöcke 22 und tragen am
Ende Brennstoffdüsen 79, aus denen der Brennstoff auf die Einlaßventile 26 gespritzt wird.
Stromaufwärts des Venturikörpers 68 ist an das
Ansaugrohr eine Leitung 80 angeschlossen, in der ein einstellbares Ventil 81 vorgesehen ist. Die Leitung
80 ist an ein gemeinsames Abgasrohr §2 angeschlossen, das über Zweigleitungen 84, 8S mit den
Abgaskästen 31 der Maschine verbunden ist. In der Abgasanlage kann ein nicht dargestellter Geräuschdämpfer
enthalten sein. Über die Leitung 80 kann ein Teil der Abgase in das Ansaugrohr 66 zurückgeleitet
werden, um sich dort mit der einströmenden Frischluft zu mischen. Diese Rückführung ist durch
das Ventil 81 gesteuert, das willkürlich oder selbsttätig einstellbar ist.
Die Brennstoffzumeßeinrichtung 71 kann beliebig in bekannter Weise ausgebildet sein, sofern sie nur
auf Grund des gewonnenen Venturiimpulses die Brennstoffzumessung bewirken kann.
Im Ausführungsbeispiel sind keine weiteren Regelorgane in der Ansauganlage der Maschine vorgesehen,
so daß die Steuerung der den Zylindern zugeführten Ladung allein von den veränderlieh zu
öffnenden Einlaßventilen erfolgt.
Die Erfindung ist auch für Vergasermaschinen verwendbar.
Arbeitsweise
Während des Betriebes wird aus Frischluft und Abgasen bestehendes Gas in durch die Öffnung der
Einlaßventile gesteuerter Menge durch das Ansaugrohr angesaugt und strömt dpreh die Venturidüse zu
den einzelnen Einlaßkanälen. Der gewonnene Venturiimpuls wird über die Leitung 70 der Brennstoffzumeßemrichtung
71, die eine zugemessene Brennstoffmenge zu den Brennstoff düsen 79 neben den Einlaßventilen 26 liefert, die der zugeführten Gasmenge
proportional ist. Die Arbeitsweise solchem Brennstoffzumeßeinrichtungen wird als bekannt vorausgesetzt.
Der Anteil der Abgase in dem der Maschine zugeleiteten Gas wird durch Einstellung des
Ventils 81 bestimmt.
Beim Ansaughub wird das Einlaßventil des betreffenden
Zylinders in der beschriebenen Weise geöffnet, wobei der Hub vom Bedienungsmann willkürlich
oder durch eine Automatik selbsttätig eingestellt wird, um die Leistung der Maschine zu bestimmen.
Der Druck in der Ansauganlage und den Einlaßkanälen Hegt bei dieser Anordnung in der
Nähe des Außenluftdrucks, während in den Zylindern beim Ansaughub ein Unterdruck entsteht, der
von dem Hub der Einlaßventile abhängig ist. Bei völlig geschlossenem Einlaßventil kann der Druck
im Zylinder auf 1Z10 des Außenluftdrucks absinken.
Dieser Wert liegt gut unterhalb des kritischen Drucks, so daß das Volumen der in den Zylinder eintretenden Gasmenge von dem Öffnungsquerschnitt des
Einlaßventils abhängig ist. Durch Änderung des Hubes des Einlaßventils wird also sowohl die Brennstoffzufuhr
als auch die Gaszufuhr in gesteuerter Weise beherrscht.
In F i g. 2 ist schematisch eine Prüfanordnung
dargestellt. Durch die Rückleitung von Abgasen aus der Abgasleitung 82 über die Leitung 80 erfolgt eine
durch das Ventil 81 gesteuerte Einmischung von Ab-
gasen in die Frischluft, die durch das Ansaugrohr 66 emströmt. Die gebildete Mischung strömt dann durch
die Venturidüse 68, um den Impuls für die Zumessung des Brennstoffes zum Gas zu bilden, die vor
den Brennkammern der Maschine erfolgt. Diese An-Ordnung ergibt ein festes Gas-Brennstoff-Verhältnis.
In dem Schaubild nach Fig. 3 sind die Gas-Brennstoff-Verhältnisse
über Luft-Brennstoff-Verhältnissen bei unterschiedlichen Anteilen von Abgas im
Frischluftstrom aufgetragen. Es sind Kurven für 20%, 10% und 0% Abgasanteil eingezeichnet.
Wird kein Abgas in die Frischluft zurückgeleitet, so ergeben sich gleiche Werte, wie die rechte Kurve
ausweist. Bei Zumischen von Abgas zur Frischluft ergibt sich bei einem konstanten Gas-Brennstoff-Verhältnis
ein abnehmendes Luft-Brennstoff-Verhältnis bei zunehmendem Abgasanteil.
In Fig. 3 ist ferner eine Kurvet gestrichelt eingezeichnet,
die die theoretische maximale Brenngeschwindigkeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen
darstellt, unter denen sich auch die mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 17:1 ohne
Abgasbeimischung befindet. Diese Kurve gibt in -etwa die Grenze an, die bei Versuchen ermittelt
wurde, bei denen ein noch einwandfreier Betrieb üblicher Brennkraftmaschinen bei unterschiedlicher Zumischung
von Abgasen zur Frischluft erreichbar ist. So ist bekannt, daß diese Grenze bei üblichen Brennkraftmaschinen
ohne Abgaszumischung bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 17 :1 liegt. Die Versuche
haben auch erwiesen, daß bei üblichen Brennkraftmaschinen die obere Grenze der Abgaszumischung
bei 10% liegt, da größere Anteile keinen einwandfreien Betrieb ergeben. Dazwischenliegende
Betriebsbedingungen zeitigen etwa der Kurve A entsprechende Grenzen.
In F i g. 3 ist ferner gestrichelt eine Kurve B eingezeichnet,
die vom Punkt Luft-Brennstoff-Verhältnis 20:1 und 0 % Abgaszumischung ausgeht. Diese
Kurve stellt eine errechnete maximale Brenngeschwindigkeit in der Brennkammer dar, die geringer
ist als in Kurvet. Diese Kurve entspricht einem Betrieb mit einem mageren Gemisch oder einem
reichen Gemisch mit unterschiedlichem Anteil an zugemischten Abgasen. Es wurde im allgemeinen festgestellt,
daß bei einem Betrieb unterhalb der Kurve B einwandfreier Lauf bei Verwendung einer Brennkraftmaschine
der beschriebenen Art mit Einlaßventildrosselung erzielt wird. Dies kann hierbei mindestens
über einen weiten Leistungsbereich der Maschine erzielt werden. In einigen Fällen wurden sogar
gute Ergebnisse erzielt, obwohl die Werte oberhalb der Kurve lagen. Bei einem Gas-Brennstoff-Verhältnis
von 18 :1 wurden einwandfreie Betriebsverhältnisse bei Zumischung von Abgasen von 0 bis
etwa 18% erzielt. Bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 19:1 kann mit einer Maschine nach der
Erfindung mit einer Zumischung von fast 17% Abgasen gearbeitet werden, während bei einer üblichen
Brennkraftmaschine die obere Grenze bereits bei 4,5% Abgasanteil erreicht würde.
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung zum Betrieb von mit Kohlenwasserstoffen betriebenen fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschinen mit verstell- bzw. regelbarer Zufuhr von Abgasen in die Ansaugleitung, bei welcher der Hub der Einlaßventile zwischen einer einer gegebenen Höchstleistung und einer einer gegebenen Mindestleistung der Maschine entsprechenden Größe veränderbar ist, gekennzeichnet durch Regelung des Ansaugvolumens allein durch die Hubänderung der Einlaßventile unter Aufrechterhaltung konstanter Steuerzeiten.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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