DE1943220B1 - Vorrichtung zum Betrieb von mit Kohlenwasserstoffen betriebenen fremdgezuendeten Kolbenbrennkraftmaschinen mit Zufuhr von Abgasen - Google Patents

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,

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)

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